半導(dǎo)體物理與器件總結(jié)的

1、2022-6-141n1、晶面表示方法：、晶面表示方法：(1) 平面截距：平面截距：3，2，1(2) 倒數(shù)：倒數(shù)：1/3，1/2，1/1(3) 倒數(shù)乘以最小公分母：倒數(shù)乘以最小公分母：2，3，6平面用平面用(236)標記，這些整數(shù)稱為密勒指數(shù)。標記，這些整數(shù)稱為密勒指數(shù)。晶面可用密勒指數(shù)（截距的倒數(shù)）來表示：晶面可用密勒指數(shù)（截距的倒數(shù)）來表示：(hkl)Si和鍺是元素半導(dǎo)體，GaAs是化合物半導(dǎo)體求晶體中的原子體密求晶體中的原子體密度度體密度體密度=(等效原子個數(shù)等效原子個數(shù))/(晶胞體積晶胞體積)金剛石等效為8個原子；原則：頂點算八分之一，面上算二分之一，體內(nèi)算為一個。2022-6-142

2、n簡立方晶體的三種晶面簡立方晶體的三種晶面 (100) (110) (111) 1.3空間晶格空間晶格1.3.3 晶面與密勒指數(shù)晶面與密勒指數(shù)2022-6-1431.5.1 固體中的缺陷固體中的缺陷晶體缺陷晶體缺陷指實際晶體中與理想的點陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。指實際晶體中與理想的點陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。幾何形態(tài)幾何形態(tài)：點缺陷、線缺陷、點缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷。面缺陷、體缺陷。形成原因形成原因：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學計量缺陷等。非化學計量缺陷等。晶體缺陷的含義晶體缺陷的含義晶體缺陷的分類晶體缺陷的分類硅硅(Si)和鍺和鍺(Ge)都具有金剛石結(jié)構(gòu)。都具有金剛石結(jié)構(gòu)。GaA

3、s是閃是閃(鉛鉛)鋅礦結(jié)構(gòu)鋅礦結(jié)構(gòu)2022-6-144 熱缺陷是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生的空位或間隙質(zhì)點熱缺陷是指由熱起伏的原因所產(chǎn)生的空位或間隙質(zhì)點（原子或離子），是（原子或離子），是所有晶體都有的一類缺陷所有晶體都有的一類缺陷。隨溫度升。隨溫度升高，熱缺陷濃度指數(shù)增加。高，熱缺陷濃度指數(shù)增加。熱缺陷（晶格振動缺陷）熱缺陷（晶格振動缺陷）1.5.1 固體中的缺陷固體中的缺陷點缺陷（空位缺陷和填隙缺陷）點缺陷（空位缺陷和填隙缺陷） 對于實際的晶體，某特定晶格格點的原子可能缺失，這對于實際的晶體，某特定晶格格點的原子可能缺失，這種缺陷稱為種缺陷稱為空位空位。在其他位置，原子可能嵌于格點之間，這。在

4、其他位置，原子可能嵌于格點之間，這種缺陷稱為種缺陷稱為填隙填隙。2022-6-145n 摻雜摻雜為了改變導(dǎo)電性而向半導(dǎo)體材料中加入雜質(zhì)的技術(shù)稱為為了改變導(dǎo)電性而向半導(dǎo)體材料中加入雜質(zhì)的技術(shù)稱為摻摻雜雜。兩種摻雜方式為填兩種摻雜方式為填(間間)隙雜質(zhì)和替位雜質(zhì)隙雜質(zhì)和替位雜質(zhì) 通常有兩種摻雜方法：雜質(zhì)擴散和離子注入通常有兩種摻雜方法：雜質(zhì)擴散和離子注入。第第V族元素和第族元素和第族元素摻雜一般為替位式摻雜？族元素摻雜一般為替位式摻雜？一般半導(dǎo)體為一般半導(dǎo)體為SiSi或或GeGe元素形成的半導(dǎo)體，而他們位于第元素形成的半導(dǎo)體，而他們位于第族，所以第族，所以第V V族元素和第族元素和第族元素與第族元

5、素與第族元素的原子大族元素的原子大小接近，所以一般為替位式摻雜。小接近，所以一般為替位式摻雜。n如果如果Si、Ge中的中的、族雜質(zhì)濃度不太高，在包括室溫的相當族雜質(zhì)濃度不太高，在包括室溫的相當寬的溫度范圍內(nèi)，寬的溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)幾乎全部離化雜質(zhì)幾乎全部離化，此情況為輕摻雜，此情況為輕摻雜2022-6-146間隙式雜質(zhì)，替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)，替位式雜質(zhì)n雜質(zhì)進入半導(dǎo)體后可以存在于晶格雜質(zhì)進入半導(dǎo)體后可以存在于晶格原子之間的間隙位置上，稱為間隙原子之間的間隙位置上，稱為間隙式雜質(zhì)，間隙式雜質(zhì)原子一般較小。式雜質(zhì)，間隙式雜質(zhì)原子一般較小。n也可以取代晶格原子而位于格點上，也可以取代晶格原子而位于格點

6、上，稱為替（代）位式雜質(zhì)，替位式雜稱為替（代）位式雜質(zhì)，替位式雜質(zhì)通常與被取代的晶格原子大小比質(zhì)通常與被取代的晶格原子大小比較接近而且電子殼層結(jié)構(gòu)也相似。較接近而且電子殼層結(jié)構(gòu)也相似。圖圖 替位式雜質(zhì)和間隙式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)和間隙式雜質(zhì) 、族元素摻入族元素摻入族的族的Si或或Ge中形成替位式雜質(zhì)，用單位體積中中形成替位式雜質(zhì)，用單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)，也就是雜質(zhì)濃度來的雜質(zhì)原子數(shù)，也就是雜質(zhì)濃度來定量描述雜質(zhì)含量多少，雜質(zhì)濃度定量描述雜質(zhì)含量多少，雜質(zhì)濃度的單位為的單位為1/cm3 。非本征半導(dǎo)體：非本征半導(dǎo)體：摻雜半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體4.2 摻雜原子與能級摻雜原子與能級 4.2.1 定性描述定性描

7、述2022-6-147n三個基本原理三個基本原理 能量量子化原理（普朗克提出）能量量子化原理（普朗克提出） 波粒二相性原理（德布羅意提出）波粒二相性原理（德布羅意提出） 不確定原理（測不準原理）不確定原理（測不準原理）(海森堡提出海森堡提出)2.1 量子力學的基本原理量子力學的基本原理概率密度函數(shù)是一個與坐標無關(guān)的常量。概率密度函數(shù)是一個與坐標無關(guān)的常量。具有明確動量具有明確動量意義的自由粒子在空間任意位置出現(xiàn)的概率相等，這個意義的自由粒子在空間任意位置出現(xiàn)的概率相等，這個結(jié)論與海森堡的不確定原理是一致的，即準確的動量對結(jié)論與海森堡的不確定原理是一致的，即準確的動量對應(yīng)不確定的位置。應(yīng)不確定的

8、位置。粒子的能量是不連續(xù)的，其能量是各個分立的能量確定值，稱為能級，其粒子的能量是不連續(xù)的，其能量是各個分立的能量確定值，稱為能級，其值由主量子數(shù)值由主量子數(shù)n決定。決定。 ！2022-6-148三個對半導(dǎo)體材料分析有用的結(jié)論三個對半導(dǎo)體材料分析有用的結(jié)論第一個結(jié)論是對應(yīng)簡單勢函數(shù)的薛定諤波動方程解引出的第一個結(jié)論是對應(yīng)簡單勢函數(shù)的薛定諤波動方程解引出的電子概率函數(shù)；電子概率函數(shù)；第二個結(jié)論是束縛態(tài)電子能級的量子化；第二個結(jié)論是束縛態(tài)電子能級的量子化；第三個結(jié)論是由分離變量引出的量子數(shù)和量子態(tài)的概念。第三個結(jié)論是由分離變量引出的量子數(shù)和量子態(tài)的概念。（）主量子數(shù)（）主量子數(shù)n：決定體系能量：決

9、定體系能量E或電子離核遠近距離或電子離核遠近距離r。（2）角量子數(shù)）角量子數(shù)l:確定原子軌道的形狀并在多電子原子中和主量子數(shù)確定原子軌道的形狀并在多電子原子中和主量子數(shù)一起決定電子的能級。一起決定電子的能級。 （3）磁量子數(shù)）磁量子數(shù)m:決定原子軌道在空間的取向的個數(shù)。決定原子軌道在空間的取向的個數(shù)。（4）自旋量子數(shù)：只決定電子運動狀態(tài)與薛定諤方程無關(guān)。）自旋量子數(shù)：只決定電子運動狀態(tài)與薛定諤方程無關(guān)。n l m s 四個量子數(shù)四個量子數(shù)2022-6-149本征激發(fā)：本征激發(fā)：導(dǎo)帶電子唯一來源于成對地產(chǎn)生電子導(dǎo)帶電子唯一來源于成對地產(chǎn)生電子-空穴對因此導(dǎo)帶電空穴對因此導(dǎo)帶電子濃度就等于價帶空穴

10、濃度。子濃度就等于價帶空穴濃度。本征激發(fā)的特點：本征激發(fā)的特點：成對的產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價帶空穴。成對的產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價帶空穴。允帶允帶(允許電子存在的能帶允許電子存在的能帶)是準連續(xù)的是準連續(xù)的禁帶寬度：禁帶寬度：價帶頂和導(dǎo)帶底之間的帶隙能量價帶頂和導(dǎo)帶底之間的帶隙能量Eg即為禁帶寬度。即為禁帶寬度。3.2 固體中電的傳導(dǎo)固體中電的傳導(dǎo) 3.2.1 能帶和鍵模型能帶和鍵模型激發(fā)過程受電子躍遷過程和能量最低原理制約，激發(fā)過程受電子躍遷過程和能量最低原理制約，半導(dǎo)體中真正對導(dǎo)半導(dǎo)體中真正對導(dǎo)電有貢獻的是那些導(dǎo)帶底部附近的電子和價帶頂部附近電子躍遷后電有貢獻的是那些導(dǎo)帶底部附近的電子和價帶頂部附近電子

11、躍遷后留下的空態(tài)留下的空態(tài)(等效為空穴等效為空穴)。 換言之，半導(dǎo)體中真正起作用的是那些能量狀態(tài)位于能帶極值換言之，半導(dǎo)體中真正起作用的是那些能量狀態(tài)位于能帶極值附近的電子和空穴。附近的電子和空穴。2022-6-1410n在圖在圖 (a)中，中，A點的狀態(tài)和點的狀態(tài)和a點的狀態(tài)完點的狀態(tài)完全相同，也就是由布里淵區(qū)一邊運動出全相同，也就是由布里淵區(qū)一邊運動出去的電子在另一邊同時補充進來，因此去的電子在另一邊同時補充進來，因此電子的運動并不改變布里淵區(qū)內(nèi)電子分電子的運動并不改變布里淵區(qū)內(nèi)電子分布情況和能量狀態(tài)，所以滿帶電子即使布情況和能量狀態(tài)，所以滿帶電子即使存在電場也不導(dǎo)電。存在電場也不導(dǎo)電。n

12、但對于圖但對于圖(b)的半滿帶，在外電場的作用的半滿帶，在外電場的作用下電子的運動改變了布里淵區(qū)內(nèi)電子的下電子的運動改變了布里淵區(qū)內(nèi)電子的分布情況和能量狀態(tài)，電子吸收能量以分布情況和能量狀態(tài)，電子吸收能量以后躍遷到未被電子占據(jù)的能級上去了，后躍遷到未被電子占據(jù)的能級上去了，因此半滿帶中的電子在外電場的作用下因此半滿帶中的電子在外電場的作用下可以參與導(dǎo)電?？梢詤⑴c導(dǎo)電。 滿帶與半滿帶滿帶與半滿帶滿帶滿帶=價帶價帶半滿帶半滿帶=導(dǎo)帶導(dǎo)帶3.2 固體中電的傳導(dǎo)固體中電的傳導(dǎo) 3.2.1 能帶和鍵模型能帶和鍵模型2022-6-1411 (a) T=0K (b) T0K (c) 簡化能帶圖簡化能帶圖nT

13、=0K的半導(dǎo)體能帶見圖的半導(dǎo)體能帶見圖 (a)，這時半導(dǎo)體的價帶是滿帶，而，這時半導(dǎo)體的價帶是滿帶，而導(dǎo)帶是空帶，故半導(dǎo)體不導(dǎo)電。導(dǎo)帶是空帶，故半導(dǎo)體不導(dǎo)電。n當溫度升高或在其它外界因素作用下，原先空著的導(dǎo)帶變?yōu)楫敎囟壬呋蛟谄渌饨缫蛩刈饔孟?，原先空著的?dǎo)帶變?yōu)榘霛M帶，而價帶頂附近同時出現(xiàn)了一些空的量子態(tài)也成為半半滿帶，而價帶頂附近同時出現(xiàn)了一些空的量子態(tài)也成為半滿帶，這時導(dǎo)帶和價帶中的電子都可以參與導(dǎo)電，見圖滿帶，這時導(dǎo)帶和價帶中的電子都可以參與導(dǎo)電，見圖 (b)。n常溫下半導(dǎo)體價帶中已有不少電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中，因而具常溫下半導(dǎo)體價帶中已有不少電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中，因而具備一定的導(dǎo)電能力。圖

14、備一定的導(dǎo)電能力。圖 (c)是最常用的簡化能帶圖。是最常用的簡化能帶圖。 半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體的能帶 3.2 固體中電的傳導(dǎo)固體中電的傳導(dǎo) 3.2.1 能帶和鍵模型能帶和鍵模型2022-6-1412n粒子所受作用力粒子所受作用力int (3.36)totalextFFFma粒子所受外粒子所受外力力內(nèi)力內(nèi)力粒子靜止質(zhì)量粒子靜止質(zhì)量加速度加速度* (3.36)extFm a粒子粒子有效質(zhì)量，包括了粒子有效質(zhì)量，包括了粒子的質(zhì)量以及內(nèi)力作用的效果。的質(zhì)量以及內(nèi)力作用的效果。加速度加速度3.2 固體中電的傳導(dǎo)固體中電的傳導(dǎo) 3.2.3 電子的有效質(zhì)量電子的有效質(zhì)量2022-6-1413有效質(zhì)量的意義有效

15、質(zhì)量的意義n上述半導(dǎo)體中電子的運動規(guī)律公式都出現(xiàn)了有效質(zhì)量上述半導(dǎo)體中電子的運動規(guī)律公式都出現(xiàn)了有效質(zhì)量mn*，原因在，原因在于于F=mn*a中的中的F并不是電子所受力的總和。并不是電子所受力的總和。n即使沒有外力作用，半導(dǎo)體中電子也要受到格點原子和其它電子即使沒有外力作用，半導(dǎo)體中電子也要受到格點原子和其它電子的作用。當存在外力時，電子所受合力等于外力再加上原子核勢的作用。當存在外力時，電子所受合力等于外力再加上原子核勢場和其它電子勢場力。場和其它電子勢場力。n由于找出原子勢場和其他電子勢場力的具體形式非常困難，這部由于找出原子勢場和其他電子勢場力的具體形式非常困難，這部分勢場的作用就由有效

16、質(zhì)量分勢場的作用就由有效質(zhì)量mn*加以概括，加以概括，mn*有正有負正是反映有正有負正是反映了晶體內(nèi)部勢場的作用。了晶體內(nèi)部勢場的作用。n既然既然mn*概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場作用，外力概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場作用，外力F與晶體中電子的加速與晶體中電子的加速度就通過度就通過mn*聯(lián)系了起來而不必再涉及內(nèi)部勢場。聯(lián)系了起來而不必再涉及內(nèi)部勢場。3.2 固體中電的傳導(dǎo)固體中電的傳導(dǎo) 3.2.3 電子的有效質(zhì)量電子的有效質(zhì)量導(dǎo)帶底部的電子與價帶頂部的空穴有效質(zhì)量都為正值，價帶頂部的電子和導(dǎo)帶底部的空穴有效質(zhì)量都為負值2022-6-1414n一定溫度下，價帶頂附近的電子受激躍遷到導(dǎo)帶底附近，此一定溫度下，價帶

17、頂附近的電子受激躍遷到導(dǎo)帶底附近，此時導(dǎo)帶底電子和價帶中剩余的大量電子都處于半滿帶當中，時導(dǎo)帶底電子和價帶中剩余的大量電子都處于半滿帶當中，在外電場的作用下，它們都要參與導(dǎo)電。在外電場的作用下，它們都要參與導(dǎo)電。n對于價帶中電子躍遷出現(xiàn)空態(tài)后所剩余的大量電子的導(dǎo)電作對于價帶中電子躍遷出現(xiàn)空態(tài)后所剩余的大量電子的導(dǎo)電作用，可以等效為少量空穴的導(dǎo)電作用。用，可以等效為少量空穴的導(dǎo)電作用。n空穴具有以下的特點：空穴具有以下的特點：(1)帶有與電子電荷量相等但符號相反帶有與電子電荷量相等但符號相反的的+q電荷；電荷；(2)空穴的濃度就是價帶頂附近空態(tài)的濃度；空穴的濃度就是價帶頂附近空態(tài)的濃度；(3)空

18、穴的共有化運動速度就是價帶頂附近空態(tài)中電子的共有化空穴的共有化運動速度就是價帶頂附近空態(tài)中電子的共有化運動速度；運動速度；(4)空穴的有效質(zhì)量是一個正常數(shù)空穴的有效質(zhì)量是一個正常數(shù)mp* 。n半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底部的電子以及價帶頂部的空穴統(tǒng)稱為半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底部的電子以及價帶頂部的空穴統(tǒng)稱為載流子載流子。3.2 固體中電的傳導(dǎo)固體中電的傳導(dǎo) 3.2.4 空穴的概念空穴的概念P552022-6-1415硅和砷化鎵的硅和砷化鎵的k空間能帶圖空間能帶圖 直接帶隙半導(dǎo)體：價帶能量最大直接帶隙半導(dǎo)體：價帶能量最大值和導(dǎo)帶能量最小值的值和導(dǎo)帶能量最小值的k坐標坐標一致。一致。 間接帶隙半導(dǎo)體：價帶能量最大值間接帶

19、隙半導(dǎo)體：價帶能量最大值和導(dǎo)帶能量最小值的和導(dǎo)帶能量最小值的k坐標坐標不一致。不一致。Si與Ge是間接帶隙半導(dǎo)體，GaAs是直接帶隙半導(dǎo)體2022-6-1416 粒子在有效能態(tài)中的分布：三種分布法則粒子在有效能態(tài)中的分布：三種分布法則n麥克斯韋麥克斯韋-玻爾茲曼分布函數(shù)玻爾茲曼分布函數(shù) 認為分布中的粒子可以被一一區(qū)分，且對每個能態(tài)所容認為分布中的粒子可以被一一區(qū)分，且對每個能態(tài)所容納的粒子數(shù)沒有限制。納的粒子數(shù)沒有限制。n玻色玻色-愛因斯坦分布函數(shù)愛因斯坦分布函數(shù) 認為分布中的粒子不可區(qū)分，但每個能態(tài)所容納的粒子認為分布中的粒子不可區(qū)分，但每個能態(tài)所容納的粒子數(shù)沒有限制。數(shù)沒有限制。n費米費米

20、-狄拉克分布函數(shù)狄拉克分布函數(shù) 認為分布中的粒子不可區(qū)分，且每個量子態(tài)只允許一個認為分布中的粒子不可區(qū)分，且每個量子態(tài)只允許一個粒子存在。粒子存在。3.5 統(tǒng)計力學統(tǒng)計力學 3.5.1 統(tǒng)計規(guī)律統(tǒng)計規(guī)律載流子是服從費米-狄拉克分布函數(shù)的，但是當E-EFkT時，可以簡化為波爾茲曼函數(shù)。簡并半導(dǎo)體的載流子不能簡化為波爾茲曼分布函數(shù)。2022-6-1417n費米能級標志了電子填充能級的水平。費米能級標志了電子填充能級的水平。n半導(dǎo)體中常見的是費米能級半導(dǎo)體中常見的是費米能級EF位于禁帶之中，并且滿足位于禁帶之中，并且滿足 Ec-EFkT或或EF-EvkT的條件。的條件。n因此對導(dǎo)帶或價帶中所有量子態(tài)

21、來說，電子或空穴都可因此對導(dǎo)帶或價帶中所有量子態(tài)來說，電子或空穴都可以用波爾茲曼統(tǒng)計分布描述。以用波爾茲曼統(tǒng)計分布描述。n由于分布幾率隨能量呈指數(shù)衰減，因此導(dǎo)帶絕大部分電由于分布幾率隨能量呈指數(shù)衰減，因此導(dǎo)帶絕大部分電子分布在導(dǎo)帶底附近，價帶絕大部分空穴分布在價帶頂子分布在導(dǎo)帶底附近，價帶絕大部分空穴分布在價帶頂附近，即起作用的載流子都在能帶極值附近。附近，即起作用的載流子都在能帶極值附近。費米能級費米能級簡并半導(dǎo)體：服從費米狄拉克分布函數(shù)的半導(dǎo)體。簡并半導(dǎo)體：服從費米狄拉克分布函數(shù)的半導(dǎo)體。非簡并半導(dǎo)體：服從波爾茲曼分布函數(shù)的半導(dǎo)體非簡并半導(dǎo)體：服從波爾茲曼分布函數(shù)的半導(dǎo)體2022-6-14

22、18基本概念基本概念n平衡狀態(tài)：平衡狀態(tài)： 沒有外界影響沒有外界影響(如電壓、電場、磁場或溫度梯度如電壓、電場、磁場或溫度梯度)作用在作用在半導(dǎo)體上的狀態(tài)。半導(dǎo)體上的狀態(tài)。n本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體： 沒有雜質(zhì)原子和缺陷的純凈晶體。沒有雜質(zhì)原子和缺陷的純凈晶體。n載流子：載流子： 能夠參與導(dǎo)電，荷載電流的粒子能夠參與導(dǎo)電，荷載電流的粒子:電子、空穴。電子、空穴。平衡半導(dǎo)體的標志是具有統(tǒng)一的費米能級EF2022-6-1419本征半導(dǎo)體中究竟有多少電子和空穴？本征半導(dǎo)體中究竟有多少電子和空穴？n0表示導(dǎo)帶中平衡電子濃度表示導(dǎo)帶中平衡電子濃度p0表示價帶中平衡空穴濃度表示價帶中平衡空穴濃度本征半導(dǎo)體中

23、有：本征半導(dǎo)體中有：n0=p0=nini為本征載流子濃度為本征載流子濃度影響本征載流子濃度的有溫度T與禁帶寬度Eg，即隨溫度的升高，濃度越大；隨進帶寬度越窄，濃度越大平衡半導(dǎo)體的判據(jù)是n0p0=ni22022-6-1420本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：本征激發(fā)：本征激發(fā)：不含有任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。不含有任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。導(dǎo)帶電子唯一來源于成對地產(chǎn)生電子導(dǎo)帶電子唯一來源于成對地產(chǎn)生電子-空穴對因此導(dǎo)帶電子濃度就空穴對因此導(dǎo)帶電子濃度就等于價帶空穴濃度。等于價帶空穴濃度。本征半導(dǎo)體的電中性條件是本征半導(dǎo)體的電中性條件是qp0-qn0=0即即n0=p0=ni本征載流子濃度本征載流子濃度本征半導(dǎo)體

24、的費米能級稱為本征費米能級，本征半導(dǎo)體的費米能級稱為本征費米能級，EF=EFi。4.1 半導(dǎo)體中載流子半導(dǎo)體中載流子 4.1.3 本征載流子濃度本征載流子濃度n任何平衡態(tài)半導(dǎo)體載流子濃度積任何平衡態(tài)半導(dǎo)體載流子濃度積n0p0 等于本征載流子濃度等于本征載流子濃度ni2。n對確定的半導(dǎo)體材料，受式中對確定的半導(dǎo)體材料，受式中Nc和和Nv、尤其是指數(shù)項、尤其是指數(shù)項exp(-Eg/kT)的影響，的影響，本征載流子濃度本征載流子濃度ni隨溫度的升高顯著上升。隨溫度的升高顯著上升。n平衡態(tài)半導(dǎo)體平衡態(tài)半導(dǎo)體n0p0積與積與EF無關(guān)；無關(guān)； n對確定半導(dǎo)體，對確定半導(dǎo)體，mn*、mp*和和Eg確定，確定

25、，n0p0積只與溫度有關(guān)，與是否摻雜積只與溫度有關(guān)，與是否摻雜及雜質(zhì)多少無關(guān)；及雜質(zhì)多少無關(guān)；n一定溫度下，材料不同則一定溫度下，材料不同則 mn*、mp*和和Eg各不相同，其各不相同，其n0p0積也不相同。積也不相同。2022-6-1421本征費米能級：本征費米能級：11ln 22vFicvcNEEEkTN*13ln 24pcvnmEEkTm禁帶中央禁帶中央*pnm =m本征費米能級本征費米能級精確位于精確位于禁帶中央；禁帶中央；*pnm m本征費米能級會本征費米能級會稍高于稍高于禁帶中央；禁帶中央；*pnm kT不不再成立，必須用費米分布函數(shù)計算導(dǎo)帶電子濃度，這再成立，必須用費米分布函數(shù)計

26、算導(dǎo)帶電子濃度，這種情況稱為載流子的種情況稱為載流子的簡并化簡并化。 提問：提問：n型半導(dǎo)體中如果施主濃度型半導(dǎo)體中如果施主濃度Nd很高，玻耳很高，玻耳茲曼分布函數(shù)是否仍然適用？茲曼分布函數(shù)是否仍然適用？2022-6-1427 cFcFiFiFFiF0cciEEEEEEEEnN exp()N exp()n exp()kTkTkT22ddiFFiiNN4nEEkTln2n雜質(zhì)強電離后，如果溫度繼續(xù)升高，雜質(zhì)強電離后，如果溫度繼續(xù)升高，n0是否還等于是否還等于Nd?費米費米能級的位置會怎樣改變？能級的位置會怎樣改變？雜質(zhì)強電離后，如果溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)也進一步增強，當雜質(zhì)強電離后，如果溫度繼續(xù)

27、升高，本征激發(fā)也進一步增強，當ni可以與可以與Nd比擬時，本征載流子濃度就不能忽略了，這樣的溫度區(qū)間稱為比擬時，本征載流子濃度就不能忽略了，這樣的溫度區(qū)間稱為過渡區(qū)過渡區(qū)。220ddinNN4n2就可求出過渡區(qū)以本征費米能級就可求出過渡區(qū)以本征費米能級EFi為參考的費米能級為參考的費米能級EF 處在過渡區(qū)的半導(dǎo)體如果溫度再升高，本征激發(fā)產(chǎn)生的處在過渡區(qū)的半導(dǎo)體如果溫度再升高，本征激發(fā)產(chǎn)生的ni就會遠大于就會遠大于雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度，此時，雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度，此時，n0Nd，p0Nd，電中性條件是，電中性條件是n0=p0，稱雜質(zhì)半導(dǎo)體進入了，稱雜質(zhì)半導(dǎo)體進入了高溫本征激發(fā)區(qū)高溫本

28、征激發(fā)區(qū)。在高溫本征激發(fā)區(qū)，因為。在高溫本征激發(fā)區(qū)，因為n0=p0 ，此時的，此時的EF接近接近EFi。 2022-6-1428熱平衡條件下，半導(dǎo)體處于電中性狀態(tài)熱平衡條件下，半導(dǎo)體處于電中性狀態(tài)凈電凈電荷為零。荷為零。補償半導(dǎo)體：同一區(qū)域同時含有施主和受主雜補償半導(dǎo)體：同一區(qū)域同時含有施主和受主雜質(zhì)原子的半導(dǎo)體質(zhì)原子的半導(dǎo)體。對于補償半導(dǎo)體而言，總的雜質(zhì)濃度是對于補償半導(dǎo)體而言，總的雜質(zhì)濃度是Nd+Na，載流子，載流子濃度是大的濃度減去小的濃度濃度是大的濃度減去小的濃度一般一般n型半導(dǎo)體的型半導(dǎo)體的EF位于位于EFi之上之上Ec之下的禁帶中。之下的禁帶中。EF既與溫度有關(guān)，也與雜質(zhì)濃度既與溫

29、度有關(guān)，也與雜質(zhì)濃度Nd有關(guān)；一定溫度下有關(guān)；一定溫度下?lián)诫s濃度越高，費米能級摻雜濃度越高，費米能級EF距導(dǎo)帶底距導(dǎo)帶底Ec越近；越近；載流子的分布幾率隨能量呈指數(shù)衰減，因此導(dǎo)帶大部載流子的分布幾率隨能量呈指數(shù)衰減，因此導(dǎo)帶大部分電子分布在導(dǎo)帶底附近，價帶絕大部分空穴在價帶分電子分布在導(dǎo)帶底附近，價帶絕大部分空穴在價帶頂附近，即其作用的是在能帶極值附近的載流子。頂附近，即其作用的是在能帶極值附近的載流子。2022-6-1429 雜質(zhì)強電離后，如果溫度繼續(xù)升高，雜質(zhì)強電離后，如果溫度繼續(xù)升高，n0是否還等于是否還等于Nd?費米費米能級的位置會怎樣改變？能級的位置會怎樣改變？雜質(zhì)強電離后，如果溫度

30、繼續(xù)升高，本征激發(fā)也進一步增強，當雜質(zhì)強電離后，如果溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)也進一步增強，當ni可以與可以與Nd比擬時，本征載流子濃度就不能忽略了，這樣的溫度區(qū)間稱為比擬時，本征載流子濃度就不能忽略了，這樣的溫度區(qū)間稱為過渡區(qū)過渡區(qū)。 此刻處在過渡區(qū)的半導(dǎo)體如果溫度再升高，本征激發(fā)產(chǎn)生的此刻處在過渡區(qū)的半導(dǎo)體如果溫度再升高，本征激發(fā)產(chǎn)生的ni就會遠就會遠大于雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度，此時，大于雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度，此時，n0Nd，p0Nd，電中性條，電中性條件是件是n0=p0，稱雜質(zhì)半導(dǎo)體進入了，稱雜質(zhì)半導(dǎo)體進入了高溫本征激發(fā)區(qū)高溫本征激發(fā)區(qū)。在高溫本征激發(fā)區(qū)，。在高溫本征激發(fā)區(qū)，因為因

31、為n0=p0 ，此時的，此時的EF接近接近EFi。 當E-EF0時，是處于簡并狀態(tài)下；當0E-EF2kT時,是處于弱簡并狀態(tài)下；當2kTE-EF時，是處于非簡并狀態(tài)下2022-6-1430下圖是施主濃度為下圖是施主濃度為51014cm-3 的的n型型Si中隨溫度的關(guān)系曲線。中隨溫度的關(guān)系曲線。圖圖4.16 n型型Si中導(dǎo)帶電子濃度和溫度的關(guān)系曲線中導(dǎo)帶電子濃度和溫度的關(guān)系曲線對對p型半導(dǎo)體的討論與上述類似。型半導(dǎo)體的討論與上述類似。 低溫段低溫段(100K以下以下)由于雜質(zhì)不由于雜質(zhì)不完全電離，完全電離，n0隨著溫度的上升隨著溫度的上升而增加；然后就達到了強電離而增加；然后就達到了強電離區(qū)間，

32、該區(qū)間區(qū)間，該區(qū)間n0=Nd基本維持基本維持不變；溫度再升高，進入過渡不變；溫度再升高，進入過渡區(qū)，區(qū)，ni不可忽視；如果溫度過不可忽視；如果溫度過高，本征載流子濃度開始占據(jù)高，本征載流子濃度開始占據(jù)主導(dǎo)地位，雜質(zhì)半導(dǎo)體呈現(xiàn)出主導(dǎo)地位，雜質(zhì)半導(dǎo)體呈現(xiàn)出本征半導(dǎo)體的特性。本征半導(dǎo)體的特性。2022-6-1431n可見可見n型半導(dǎo)體的型半導(dǎo)體的n0和和EF是由是由溫度和摻雜情況溫度和摻雜情況決定的。決定的。n雜質(zhì)濃度一定時，如果雜質(zhì)強電離后繼續(xù)升高溫度，施主雜質(zhì)濃度一定時，如果雜質(zhì)強電離后繼續(xù)升高溫度，施主雜質(zhì)對載流子的貢獻就基本不變了，但本征激發(fā)產(chǎn)生的雜質(zhì)對載流子的貢獻就基本不變了，但本征激發(fā)產(chǎn)

33、生的ni隨溫度的升高逐漸變得不可忽視，甚至起主導(dǎo)作用，而隨溫度的升高逐漸變得不可忽視，甚至起主導(dǎo)作用，而EF則隨溫度升高逐漸趨近則隨溫度升高逐漸趨近EFi。n半導(dǎo)體器件和集成電路能正常工作在雜質(zhì)全部離化而本征半導(dǎo)體器件和集成電路能正常工作在雜質(zhì)全部離化而本征激發(fā)產(chǎn)生的激發(fā)產(chǎn)生的ni遠小于離化雜質(zhì)濃度的強電離溫度區(qū)間。遠小于離化雜質(zhì)濃度的強電離溫度區(qū)間。n在一定溫度條件下，在一定溫度條件下，EF位置由雜質(zhì)濃度位置由雜質(zhì)濃度Nd決定，隨著決定，隨著Nd的的增加，增加，EF由本征時的由本征時的EFi逐漸向?qū)У字饾u向?qū)У譋c移動。移動。nn型半導(dǎo)體的型半導(dǎo)體的EF位于位于EFi之上，之上，EF位置

34、不僅反映了半導(dǎo)體的位置不僅反映了半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型，也反映了半導(dǎo)體的摻雜水平。導(dǎo)電類型，也反映了半導(dǎo)體的摻雜水平。2022-6-1432nn型和型和p型型4.6 費米能級的位置費米能級的位置2022-6-1433n與摻雜濃度的關(guān)系與摻雜濃度的關(guān)系n隨著摻雜濃度的增加，隨著摻雜濃度的增加，n型半導(dǎo)體費米能級靠近型半導(dǎo)體費米能級靠近于導(dǎo)帶；于導(dǎo)帶；p型半導(dǎo)體靠近于價帶。型半導(dǎo)體靠近于價帶。2022-6-1434n與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系 溫度越高，溫度越高，n型半導(dǎo)型半導(dǎo)體的費米能級逐漸體的費米能級逐漸靠近于本征費米能靠近于本征費米能級。級。p型也是如此。型也是如此。在高溫情況下，半導(dǎo)在高溫情況下，

35、半導(dǎo)體材料的非本征特體材料的非本征特性消失，逐漸表現(xiàn)性消失，逐漸表現(xiàn)得像本征半導(dǎo)體。得像本征半導(dǎo)體。4.6 費米能級的位置費米能級的位置n半導(dǎo)體的兩種輸運機制：漂移與擴散n由電場引起的載流子運動稱為由電場引起的載流子運動稱為漂移運動。漂移運動。稱為遷移率，單稱為遷移率，單位位cm2/Vs。它是溫度和摻雜濃度的函數(shù)。遷移率是半導(dǎo)體。它是溫度和摻雜濃度的函數(shù)。遷移率是半導(dǎo)體的一個重要參數(shù)，它描述了粒子在電場作用下的運動情況。的一個重要參數(shù)，它描述了粒子在電場作用下的運動情況。 在半導(dǎo)體上加較小的電場就能獲得很大的漂移電流密度。從在半導(dǎo)體上加較小的電場就能獲得很大的漂移電流密度。從此例可知，在非本征

36、半導(dǎo)體中，漂移電流密度基本上取決于此例可知，在非本征半導(dǎo)體中，漂移電流密度基本上取決于多數(shù)載流子。多數(shù)載流子。2022-6-14352022-6-1436載流子的散射：載流子的散射：u所謂自由載流子，實際上只有在兩次散射之間才真正是所謂自由載流子，實際上只有在兩次散射之間才真正是自由運動的，其連續(xù)兩次散射間自由運動的平均路程稱自由運動的，其連續(xù)兩次散射間自由運動的平均路程稱為為平均自由程，平均自由程，而平均時間稱為而平均時間稱為平均自由時間。平均自由時間。u在半導(dǎo)體中主要有兩種散射機制影響載流子的遷移率：在半導(dǎo)體中主要有兩種散射機制影響載流子的遷移率：晶格散射（聲子散射）和電離雜質(zhì)散射。晶格散

37、射（聲子散射）和電離雜質(zhì)散射。5.1 載流子的漂移運動載流子的漂移運動 5.1.2 遷移率遷移率擴散是因為無規(guī)則熱運動而引起的粒子從濃度高處向濃擴散是因為無規(guī)則熱運動而引起的粒子從濃度高處向濃度低處的有規(guī)則的輸運，擴散運動起源于粒子濃度分布度低處的有規(guī)則的輸運，擴散運動起源于粒子濃度分布的不均勻。存在條件：有粒子濃度梯度的不均勻。存在條件：有粒子濃度梯度2022-6-14375.1 載流子的漂移運動載流子的漂移運動 5.1.2 遷移率遷移率n聲子散射聲子散射當溫度高于絕對零度時，半導(dǎo)體中的原子由于具有一定的熱當溫度高于絕對零度時，半導(dǎo)體中的原子由于具有一定的熱能，在其晶格位置上做無規(guī)則熱振動。

38、晶格熱振動破壞了勢能，在其晶格位置上做無規(guī)則熱振動。晶格熱振動破壞了勢函數(shù)（固體的周期性勢場允許電子在整個晶體中自由運動，函數(shù)（固體的周期性勢場允許電子在整個晶體中自由運動，而不會受到散射），導(dǎo)致載流子電子、空穴、與振動的晶格而不會受到散射），導(dǎo)致載流子電子、空穴、與振動的晶格原子發(fā)生相互作用。這種晶格散射稱為原子發(fā)生相互作用。這種晶格散射稱為聲子散射聲子散射。在輕摻雜半導(dǎo)體中，晶格散射是主要散射機構(gòu)，載流子遷在輕摻雜半導(dǎo)體中，晶格散射是主要散射機構(gòu)，載流子遷移率隨溫度升高而減小，遷移率與移率隨溫度升高而減小，遷移率與T-n成正比。成正比。參數(shù)參數(shù)n并不等于一階散射理論預(yù)期的并不等于一階散射理

39、論預(yù)期的3/2，但確是隨溫度升，但確是隨溫度升高而下降。高而下降。2022-6-1438n電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)原子可以控制或改變半導(dǎo)體的性質(zhì)，室半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)原子可以控制或改變半導(dǎo)體的性質(zhì)，室溫下雜質(zhì)已經(jīng)電離，在電子或空穴與電離雜質(zhì)之間存在的溫下雜質(zhì)已經(jīng)電離，在電子或空穴與電離雜質(zhì)之間存在的庫侖作用會引起他們之間的碰撞或散射，這種散射機制稱庫侖作用會引起他們之間的碰撞或散射，這種散射機制稱為為電離雜質(zhì)散射。電離雜質(zhì)散射。5.1 載流子的漂移運動載流子的漂移運動 5.1.2 遷移率遷移率遷移率是溫度和電離雜質(zhì)中心數(shù)量的函數(shù)。遷移率是溫度和電離雜質(zhì)中心數(shù)量的函數(shù)。遷移率隨溫度

40、增加而增加，隨雜質(zhì)濃度增加減小遷移率隨溫度增加而增加，隨雜質(zhì)濃度增加減小表示晶格散射造成的碰撞之間的平均時間間隔表示晶格散射造成的碰撞之間的平均時間間隔2022-6-14395.1 載流子的漂移運動載流子的漂移運動 5.1.3 電導(dǎo)率電導(dǎo)率表示半導(dǎo)體材料的表示半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率電導(dǎo)率，單位為，單位為(cm)-1。電導(dǎo)率是載。電導(dǎo)率是載流子濃度和遷移率的函數(shù)。流子濃度和遷移率的函數(shù)。1()pne pn電導(dǎo)率電導(dǎo)率: 電阻率的倒數(shù)電阻率的倒數(shù)因此，因此，非本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率或電阻率是多數(shù)載流子的函非本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率或電阻率是多數(shù)載流子的函數(shù)。數(shù)。2022-6-1440Nd=1015 cm-35.

41、1 載流子的漂移運動載流子的漂移運動 5.1.3 電導(dǎo)率電導(dǎo)率在中溫區(qū)，即非本征區(qū)，雜質(zhì)在中溫區(qū)，即非本征區(qū)，雜質(zhì)已經(jīng)全部電離，電子濃度保持已經(jīng)全部電離，電子濃度保持恒定。但遷移率是溫度的函數(shù)恒定。但遷移率是溫度的函數(shù)，所以在此溫度范圍內(nèi)，電導(dǎo)，所以在此溫度范圍內(nèi)，電導(dǎo)率隨溫度發(fā)生變化。率隨溫度發(fā)生變化。在較低溫度范圍內(nèi)，束縛態(tài)開在較低溫度范圍內(nèi)，束縛態(tài)開始出現(xiàn)，電子濃度和電導(dǎo)率隨始出現(xiàn)，電子濃度和電導(dǎo)率隨溫度降低而下降。溫度降低而下降。在更高的溫度范圍內(nèi)，本征載在更高的溫度范圍內(nèi)，本征載流子濃度增加并開始主導(dǎo)電子流子濃度增加并開始主導(dǎo)電子濃度和電導(dǎo)率。濃度和電導(dǎo)率。2022-6-1441（紅

42、線區(qū)（紅線區(qū)-電阻：阻礙運輸）電阻：阻礙運輸）n對于本征半導(dǎo)體，本征激發(fā)起決定對于本征半導(dǎo)體，本征激發(fā)起決定性因素，所以性因素，所以T升高，電阻下降；升高，電阻下降；n對于雜質(zhì)半導(dǎo)體，在溫度很低時，對于雜質(zhì)半導(dǎo)體，在溫度很低時，本征電離可忽略，本征電離可忽略，T升高，雜質(zhì)電升高，雜質(zhì)電離的載流子越來越多，電阻下降；離的載流子越來越多，電阻下降；n進入室溫區(qū)，雜質(zhì)已經(jīng)全部電離，進入室溫區(qū)，雜質(zhì)已經(jīng)全部電離，而本征激發(fā)還不重要，而本征激發(fā)還不重要，T升高，晶升高，晶格震動散射加劇，電阻升高；格震動散射加劇，電阻升高；n高溫區(qū)，本征激發(fā)起主要作用，高溫區(qū)，本征激發(fā)起主要作用，T升高，本征激發(fā)明顯，電

43、阻下降。升高，本征激發(fā)明顯，電阻下降。 半導(dǎo)體的電阻特性半導(dǎo)體的電阻特性電子濃度電子濃度電阻電阻2022-6-1442對于本征半導(dǎo)體，電導(dǎo)率為：對于本征半導(dǎo)體，電導(dǎo)率為：5.1 載流子的漂移運動載流子的漂移運動 5.1.3 電導(dǎo)率電導(dǎo)率() (5.25)inpien一般來說，電子遷移率和空穴遷移率并不相等，所以本一般來說，電子遷移率和空穴遷移率并不相等，所以本征電導(dǎo)率并不是某給定溫度下可能的最小值。征電導(dǎo)率并不是某給定溫度下可能的最小值。2022-6-14435.1 載流子的漂移運動載流子的漂移運動 5.1.4 飽和速度飽和速度在弱電場下，平均漂移速度是電在弱電場下，平均漂移速度是電場強度的線

44、性函數(shù)，斜率即為遷場強度的線性函數(shù)，斜率即為遷移率；移率；在強電場區(qū)，載流子的速度漂移在強電場區(qū)，載流子的速度漂移特性嚴重偏離了弱電場區(qū)的線性特性嚴重偏離了弱電場區(qū)的線性關(guān)系。關(guān)系。 例如，硅中的電子漂移速度在外例如，硅中的電子漂移速度在外加電場強度約為加電場強度約為30 kV/cm時達到時達到飽和，飽和速度約為飽和，飽和速度約為107 cm/s。如果載流子的漂移速度達到飽和如果載流子的漂移速度達到飽和，那么漂移電流密度也達到飽和，那么漂移電流密度也達到飽和，不再隨外加電場變化。，不再隨外加電場變化。 n載流子的運動速度不再隨電場增加而增加載流子的運動速度不再隨電場增加而增加P1242022-

45、6-1444n低能谷中的電子有效質(zhì)量低能谷中的電子有效質(zhì)量mn*=0.067m0。有效質(zhì)量越小，遷移率就越大。隨著有效質(zhì)量越小，遷移率就越大。隨著電場強度的增加，低能谷電子能量也電場強度的增加，低能谷電子能量也相應(yīng)增加，并可能被散射到高能谷中，相應(yīng)增加，并可能被散射到高能谷中，有效質(zhì)量變?yōu)橛行з|(zhì)量變?yōu)?.55m0。高能谷中，有。高能谷中，有效質(zhì)量變大，遷移率變小。這種多能效質(zhì)量變大，遷移率變小。這種多能谷間的散射機構(gòu)導(dǎo)致電子的平均漂移谷間的散射機構(gòu)導(dǎo)致電子的平均漂移速度隨電場增加而減小，從而出現(xiàn)負速度隨電場增加而減小，從而出現(xiàn)負微分遷移率特性。微分遷移率特性。5.1 載流子的漂移運動載流子的漂

46、移運動 5.1.4 飽和速度飽和速度負微分遷移率的含義負微分遷移率的含義2022-6-1445n總電流密度總電流密度半導(dǎo)體中所產(chǎn)生的電流種類：半導(dǎo)體中所產(chǎn)生的電流種類：電子漂移電流、空穴漂移電流電子漂移電流、空穴漂移電流電子擴散電流、空穴擴散電流電子擴散電流、空穴擴散電流總電流密度是漂移電流與擴散電流的和總電流密度是漂移電流與擴散電流的和遷移率描述了半導(dǎo)體中載流子在電場力作用下的運動情況；遷移率描述了半導(dǎo)體中載流子在電場力作用下的運動情況；擴散系數(shù)描述了半導(dǎo)體中載流子在濃度梯度作用下的運動情況。擴散系數(shù)描述了半導(dǎo)體中載流子在濃度梯度作用下的運動情況。5.2 載流子擴散載流子擴散 5.2.2 總

47、電流密度總電流密度愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系 (5.45)pnnpDDkTe由于晶格散射作用的影響，遷移率是溫度的強函數(shù)，因此擴由于晶格散射作用的影響，遷移率是溫度的強函數(shù)，因此擴散系數(shù)也是溫度的強函數(shù)。散系數(shù)也是溫度的強函數(shù)。(kT)/e也被看作為Vt2022-6-14465.4 霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)VH為正，為為正，為p型半導(dǎo)體；型半導(dǎo)體；VH為負，為為負，為n型半導(dǎo)體；型半導(dǎo)體；y方向上的感生電場稱為方向上的感生電場稱為霍爾電場霍爾電場EH?；魻栯妶鲈诎雽?dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的電壓稱為霍爾電場在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的電壓稱為霍爾電壓霍爾電壓VH。電場和磁場對運動電荷施加力的作用產(chǎn)生的效應(yīng)為電場和磁場對運動電荷施加

48、力的作用產(chǎn)生的效應(yīng)為霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)。它是。它是針對于多數(shù)載流子而言的針對于多數(shù)載流子而言的用途：用途：判斷半導(dǎo)體的判斷半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型導(dǎo)電類型、計算多數(shù)載流子的、計算多數(shù)載流子的濃度和遷移率濃度和遷移率。2022-6-1447一般來說：一般來說：n型半導(dǎo)體中：型半導(dǎo)體中：n n0，p n0。 p型半導(dǎo)體中：型半導(dǎo)體中：n p0，p p0。光照后的非平衡態(tài)半導(dǎo)體中電子濃光照后的非平衡態(tài)半導(dǎo)體中電子濃度度n=n0+n ，空穴濃度，空穴濃度p=p0+p ，并，并且且n=p 。比平衡態(tài)多出來的這部分載流子比平衡態(tài)多出來的這部分載流子n和和p就稱為就稱為過剩載流子過剩載流子。n 和和p分分別為別為過剩

49、電子和空穴濃度。過剩電子和空穴濃度。200inpn pnu過剩載流子的擴散、漂移和復(fù)合都具有相同的有效擴散系數(shù)、過剩載流子的擴散、漂移和復(fù)合都具有相同的有效擴散系數(shù)、漂移遷移率和壽命。這種現(xiàn)象稱為雙極輸運。針對于少數(shù)載流漂移遷移率和壽命。這種現(xiàn)象稱為雙極輸運。針對于少數(shù)載流子而言子而言2022-6-14494. 過剩少子的壽命過剩少子的壽命 光照停止后非平衡載流子生存一定時間然后消失，所以過剩少子濃光照停止后非平衡載流子生存一定時間然后消失，所以過剩少子濃度是一個與時間有關(guān)的量。把度是一個與時間有關(guān)的量。把撤除光照后非平衡載流子的平均生存時撤除光照后非平衡載流子的平均生存時間間稱為非平衡載流子

50、的壽命稱為非平衡載流子的壽命。 由于非平衡少子的影響占主導(dǎo)作用，故非平衡載流子壽命稱為少子由于非平衡少子的影響占主導(dǎo)作用，故非平衡載流子壽命稱為少子壽命。壽命。 為描述非平衡載流子的復(fù)合消失速度，定義單位時間單位體積內(nèi)凈為描述非平衡載流子的復(fù)合消失速度，定義單位時間單位體積內(nèi)凈復(fù)合消失的電子復(fù)合消失的電子-空穴對數(shù)為非平衡載流子的復(fù)合率?？昭▽?shù)為非平衡載流子的復(fù)合率。6.1載流子的產(chǎn)生與復(fù)合載流子的產(chǎn)生與復(fù)合 6.1.2過剩載流子過剩載流子2022-6-1450n按復(fù)合過程中載流子躍遷方式不同分為：按復(fù)合過程中載流子躍遷方式不同分為： 直接復(fù)合：直接復(fù)合：是電子在導(dǎo)帶和價帶之間的直接躍遷而引

51、起電是電子在導(dǎo)帶和價帶之間的直接躍遷而引起電子子-空穴的消失；空穴的消失； 間接復(fù)合：間接復(fù)合：指電子和空穴通過禁帶中的能級指電子和空穴通過禁帶中的能級(稱為復(fù)合中稱為復(fù)合中心心)進行的復(fù)合。進行的復(fù)合。n按復(fù)合發(fā)生的部位分為按復(fù)合發(fā)生的部位分為體內(nèi)復(fù)合體內(nèi)復(fù)合和和表面復(fù)合表面復(fù)合。n伴隨復(fù)合載流子的多余能量要予以釋放，其方式包括發(fā)射伴隨復(fù)合載流子的多余能量要予以釋放，其方式包括發(fā)射光子光子(有有發(fā)光現(xiàn)象發(fā)光現(xiàn)象)、把多余能量傳遞給晶格或者把多余能、把多余能量傳遞給晶格或者把多余能量交給其它載流子量交給其它載流子(俄歇復(fù)合俄歇復(fù)合)。5. 非平衡載流子幾種不同的復(fù)合形式：非平衡載流子幾種不同的

52、復(fù)合形式：6.1載流子的產(chǎn)生與復(fù)合載流子的產(chǎn)生與復(fù)合 6.1.2過剩載流子過剩載流子2022-6-1451n 表面效應(yīng)表面效應(yīng)n我們前面所討論的半導(dǎo)體是無限長的理想的半導(dǎo)體，但是實際中的半我們前面所討論的半導(dǎo)體是無限長的理想的半導(dǎo)體，但是實際中的半導(dǎo)體的長度是有限制的，因此造成表面處的缺陷的密度大于內(nèi)部缺陷導(dǎo)體的長度是有限制的，因此造成表面處的缺陷的密度大于內(nèi)部缺陷的密度，進而造成表面處的過剩少子壽命要比相應(yīng)材料內(nèi)部的壽命短。的密度，進而造成表面處的過剩少子壽命要比相應(yīng)材料內(nèi)部的壽命短。無限的表面復(fù)合速度，會導(dǎo)致表面的過剩載流子濃度和壽命為零。半無限的表面復(fù)合速度，會導(dǎo)致表面的過剩載流子濃度和

53、壽命為零。半導(dǎo)體的表面載流子濃度小于內(nèi)部的載流子濃度。導(dǎo)體的表面載流子濃度小于內(nèi)部的載流子濃度。海恩斯海恩斯-肖克萊實驗是用于肖克萊實驗是用于測少子的遷移率，擴散系數(shù)和壽命測少子的遷移率，擴散系數(shù)和壽命2022-6-1452n冶金結(jié)冶金結(jié)p區(qū)和區(qū)和n區(qū)的交界面區(qū)的交界面n突變結(jié)線性緩變結(jié)超突變結(jié)突變結(jié)線性緩變結(jié)超突變結(jié)n突變結(jié)突變結(jié)均勻分布，交界處突變均勻分布，交界處突變7.1 pn結(jié)的基本結(jié)構(gòu)結(jié)的基本結(jié)構(gòu)2022-6-1453n空間電荷區(qū)，也空間電荷區(qū)，也被稱為耗盡區(qū)被稱為耗盡區(qū)（SCR）即沒有）即沒有可自由移動的凈可自由移動的凈電荷，高阻區(qū)。電荷，高阻區(qū)。它的寬度主要在它的寬度主要在摻雜濃

54、度少的一摻雜濃度少的一側(cè)的半導(dǎo)體側(cè)的半導(dǎo)體pn結(jié)的形成結(jié)的形成7.1 pn結(jié)的基本結(jié)構(gòu)結(jié)的基本結(jié)構(gòu)2022-6-1454內(nèi)建電勢差內(nèi)建電勢差本章開始本章開始Nd,Na分別指分別指n區(qū)和區(qū)和p區(qū)區(qū)內(nèi)的凈施主和受主雜質(zhì)！內(nèi)的凈施主和受主雜質(zhì)！7.2 零偏零偏 7.2.1內(nèi)建電勢差內(nèi)建電勢差熱電壓熱電壓由此圖可知：內(nèi)建電勢差主要是在重摻雜的一側(cè)的半導(dǎo)體2022-6-1455n反偏反偏 與內(nèi)建電場方向相同與內(nèi)建電場方向相同EF不再統(tǒng)一不再統(tǒng)一7.3 反偏反偏 7.3.1空間電荷區(qū)寬度與電場空間電荷區(qū)寬度與電場2022-6-14567.3 反偏反偏 7.3.3單邊突變結(jié)單邊突變結(jié)由圖可知：空間電荷區(qū)主要

55、由輕摻雜的半導(dǎo)體決定加反偏電壓使空間電荷區(qū)增大，反偏電壓越大，空間電加反偏電壓使空間電荷區(qū)增大，反偏電壓越大，空間電荷區(qū)寬度越寬；加正偏電壓使空間電荷區(qū)寬度變窄，電荷區(qū)寬度越寬；加正偏電壓使空間電荷區(qū)寬度變窄，電壓越大，空間電荷區(qū)寬度越窄。壓越大，空間電荷區(qū)寬度越窄。2022-6-1457反偏能帶圖零偏能帶圖正偏能帶圖2022-6-1458n齊納齊納(隧穿隧穿)擊穿擊穿(重摻雜重摻雜)和雪崩擊穿和雪崩擊穿(輕摻雜輕摻雜)結(jié)擊穿兩種機制結(jié)擊穿兩種機制隧道二極管：隧道二極管：p區(qū)與區(qū)與n區(qū)都為簡并摻雜的區(qū)都為簡并摻雜的pn結(jié)成為隧道二極管結(jié)成為隧道二極管2022-6-145910.1雙極晶體管的工

56、作原理雙極晶體管的工作原理n結(jié)構(gòu)和符號結(jié)構(gòu)和符號一個加號代表重摻雜，兩個加號代表比重摻雜還重的摻雜2022-6-146010.1雙極晶體管的工作原理雙極晶體管的工作原理IEICIB VEC VCBVBEIE=IC+IBVEC=VEB+VBC=-VBE-VCBn四種工作模式四種工作模式VBE、VCB 正反、反反、反正、正正正反、反反、反正、正正正向有源正向有源截止截止反向有源反向有源飽和飽和發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏零偏能帶圖發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏2022-6-1461三極管的三種連接方式三極管的三種連接方式n三極管在電路中的連接方式有三種：三極管在電路中的連接方式有三種： 共基極接法；共基極接法； 共發(fā)射極接法共發(fā)射極接法， 共