固體物理2-2-2015-talk2

1、 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所蔡克峰 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所第一章第一章半導(dǎo)體中的電子過程半導(dǎo)體中的電子過程 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所內(nèi)容提要本章內(nèi)容主要有四個(gè)部分1、半導(dǎo)體材料中兩種載流子：電子和空穴，本征半導(dǎo) 體、 N型雜質(zhì)半導(dǎo)體、 P型雜質(zhì)半導(dǎo)體。2、二極管的特性。 3、雙極型三極管輸入特性曲線和輸出特性曲線4、能帶。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所物質(zhì)按導(dǎo)電性能可分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。物質(zhì)的導(dǎo)電特性取決于原子結(jié)構(gòu)。 1914年，夫蘭克和赫茲用慢電子與稀薄氣體原子碰撞的方法，使原子從低能級(jí)激發(fā)到較高能級(jí)。通過測(cè)量電子和原子碰撞時(shí)交換的能量，直接證明了原子內(nèi)部量子化能級(jí)的存在。 1.1 半導(dǎo)體的特性半

2、導(dǎo)體的特性 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所導(dǎo)體導(dǎo)體:通常指電阻率 109 cm 物質(zhì)。如SiO2、SiON、Si3N4等。能帶能隙很大，可達(dá)到9 eV，電子很難跳躍至導(dǎo)帶，所以無法導(dǎo)電。半導(dǎo)體半導(dǎo)體:導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，能隙一般約為 1 3 eV，只要給予適當(dāng)條件的能量激發(fā)，或是改變其能隙之間距就能導(dǎo)電。如硅為1.12eV，鍺為0.67eV，砷化鎵為1.43eV，所以它們都是半導(dǎo)體。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子數(shù)都是四個(gè)。把硅或鍺材料拉制成單晶體時(shí), 原子組成金剛石晶體結(jié)構(gòu)，每個(gè)原子周圍有四個(gè)最鄰近的原子，這四個(gè)原子處于正四面體的頂角上，

3、任一頂角上的原子和中心原子各貢獻(xiàn)一個(gè)價(jià)電子為該兩個(gè)原子所共有，并形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵夾角:10928，它有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。在常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，導(dǎo)電能力很弱。 1.1.1 1.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 半導(dǎo)體在熱激發(fā)下產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)稱為本征激發(fā)。自由電子在運(yùn)動(dòng)的過程中如果與空穴相遇就會(huì)填補(bǔ)空穴，這種現(xiàn)象稱為復(fù)合。本征半導(dǎo)體中自由電子與空穴的濃度相等。對(duì)于硅材料, 在300K下，空穴的濃度為1.41010CM-3。大約溫度每升高, 本征載流子濃度ni增加 1 倍。另外半導(dǎo)體載流

4、子濃度還與光照等有關(guān)。 本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。由此制造出人們所期由此制造出人們所期望的各種性能的半導(dǎo)體器件。望的各種性能的半導(dǎo)體器件。導(dǎo)電性能改變的原因是導(dǎo)電性能改變的原因是在半導(dǎo)體禁帶內(nèi)引入雜質(zhì)能級(jí)，從價(jià)帶到導(dǎo)帶的躍遷在半導(dǎo)體禁帶內(nèi)引入雜質(zhì)能級(jí)，從價(jià)帶到導(dǎo)帶的躍遷能量大幅降低，載流子濃度大大增加。能量大幅降低，載流子濃度大大增加

5、。 T=300 K室溫下室溫下,本征硅的電子和空穴濃度本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm3本征硅的原子濃度本征硅的原子濃度: 4.961022/cm3 依據(jù)雜質(zhì)不同可分為依據(jù)雜質(zhì)不同可分為N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體和和P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體兩種。兩種。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 本征半導(dǎo)體硅中摻入少量的 5 價(jià)元素磷、砷、銻等。原來晶體中的某些硅原子位置將被雜質(zhì)原子代替。磷原子最外層有 5 個(gè)價(jià)電子，其中 4 個(gè)與硅構(gòu)成共價(jià)鍵，多余一個(gè)電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子，而磷原子就成了不能移動(dòng)帶正電的離子。在N 型半導(dǎo)體中自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。一、一、N 型

6、半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 在本征半導(dǎo)體硅中摻入少量的 3 價(jià)元素硼。原來晶體中的某些硅原子位置將被硼原子代替。硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引鄰近的束縛電子來填補(bǔ)，相當(dāng)于空穴電流向另一方向移動(dòng)。硼原子為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。二、二、P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所用熱電材料制成的器件 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電機(jī)理 碘分子從聚乙炔抽取一個(gè)電子形成I3，聚乙炔分子形成帶正電荷的自由基陽離子，在外加電場(chǎng)作用下雙鍵上的電子可以非常容易地移動(dòng)，結(jié)果使雙鍵

7、可以成功地延著分子移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其導(dǎo)電能力。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所三、雜質(zhì)半導(dǎo)體特性三、雜質(zhì)半導(dǎo)體特性無論是N型或P型半導(dǎo)體，從總體上仍然保持著電中性。1）摻雜特性：摻雜可明顯改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，對(duì)不同區(qū)域的半導(dǎo)體材料進(jìn)行不同類型和濃度摻雜，可以形成各類晶體管，制造出各種不同的半導(dǎo)體器件。2）熱敏特性：半導(dǎo)體受熱時(shí)，其導(dǎo)電能力發(fā)生顯著變化。利用它可制成熱敏器件。3）光敏特性：光照可改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。利用它可以制成光敏電阻、光電晶體管、光電耦合器 等。4）金屬與摻雜半導(dǎo)體材料接觸，形成肖特基二極管、金屬-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管、高電子遷移率晶體管等器件。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所物理性質(zhì)： 原子序數(shù):14

8、，相對(duì)原子量:28.09，有無定形和晶體兩種同素異形體。晶體硅鋼灰色，無定形硅黑色，密度密度2.33g/cm3 ，熔點(diǎn)1420，沸點(diǎn)2355，莫氏硬度為7 。晶格常數(shù)0.543089nm，原子密度5.001022，共價(jià)半徑： 0.117nm。化學(xué)性質(zhì)： 硅在常溫下不活潑。但可與氫氟酸及其混合酸反應(yīng)，生成SiF4或H2SiF6 。在高溫下能與氧氣等多種元素化合。硅的性質(zhì)硅的性質(zhì) 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所硅的制備硅的制備 工業(yè)上，硅通常是在電爐中由碳還原二氧化硅而制得?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式： SiO2 + 2C Si + 2CO 這樣制得的硅純度為9798%。再將它融化后重結(jié)晶，用酸除去雜質(zhì)，得到純度為9

9、9.799.8%的硅。 要將它指成半導(dǎo)體用硅，還要將其轉(zhuǎn)化成易于提純的液體或氣體形式，如四氯化硅，再經(jīng)蒸餾分解過程得到多晶硅。區(qū)熔提純等處理方法可得到高純度的硅。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl (1)C1000圖圖1 SiNWs擬制備系統(tǒng)示意圖（擬制備系統(tǒng)示意圖（VLS機(jī)制）機(jī)制） 原料：原料：SiCl4（沸點(diǎn)（沸點(diǎn)57.6 ）液體、）液體、Ar-5%H2混合氣混合氣溫度：溫度： 0 （SiCl4，冰水?。?，冰水浴）、1000 （馬弗爐）（馬弗爐）初始抽真空：初始抽真空：1次或次或10次次反應(yīng)時(shí)間：反應(yīng)時(shí)間：10、15、30、60 min基板：基板：Si

10、(111) 基板、石英（基板、石英（SiO2）基板）基板 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 1.2.1 PN 1.2.1 PN 結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦栽谕暾木w上，利用摻雜方法使晶體內(nèi)部形成相鄰的P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 區(qū)和 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 區(qū)，在這兩個(gè)區(qū)的交界面處就形成了的 PN結(jié)。結(jié)。 1.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管濃度差濃度差 多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng) 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移 內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散 最后最后,多子的多子的擴(kuò)散擴(kuò)散和少子的和

11、少子的漂移漂移達(dá)到達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所一、平衡狀態(tài)的PN結(jié)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)： 由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。 形成耗盡層和PN 結(jié)。漂移運(yùn)動(dòng)： 空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)，內(nèi)電場(chǎng)阻止多子的進(jìn)一步擴(kuò)散，在內(nèi)電場(chǎng)作用下引起的載流子向擴(kuò)散相反方向的運(yùn)動(dòng)。內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)也越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)將使空間電荷區(qū)變薄。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所PN結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)增大，擴(kuò)散電流逐漸減?。浑S著內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)逐漸增加；當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移

12、電流相等時(shí)，PN 結(jié)總的電流等于零，空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定。 空間電荷區(qū)的寬度約為零點(diǎn)幾微米 幾十微米； 硅內(nèi)電場(chǎng)，約為(0.6 0.8) V, 鍺內(nèi)電場(chǎng)，約為(0.2 0.3) V。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū) 外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反。PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻， PN結(jié)導(dǎo)通； 外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)耗盡層變窄擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)多子擴(kuò)散形成正向電流二、二、 PNPN結(jié)結(jié)的正偏的正偏 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū) 外電場(chǎng)的方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同。 PN結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻， PN結(jié)截止。 外電場(chǎng)

13、加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)耗盡層變寬漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)少子漂移形成反向電流三、三、 PN結(jié)的反偏結(jié)的反偏 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 1.2.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性一、二極管的結(jié)構(gòu)：將 PN 結(jié)封裝在塑料、玻璃或金屬外殼里，再從 P 區(qū)和 N 區(qū)分別焊出兩根引線作正、負(fù)極。點(diǎn)接觸型：點(diǎn)接觸型管子中不允許通過較大的電流，因結(jié)電容小，可在高頻下工作。面接觸型：面接觸型二極管 PN 結(jié)的面積大，允許流過的電流大，但只能在較低頻率下工作。二極管的電路二極管的電路符號(hào)符號(hào) 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所二、二極管的伏安特性二、二極管的伏安特性正向特性： 當(dāng)正向電壓比較小時(shí)，正向電流很小，幾乎為零。相應(yīng)的電壓叫死區(qū)電壓。

14、它與材料和溫度有關(guān)，硅管約 0.5 V 左右，鍺管約 0.1 V 左右。當(dāng)正向電壓超過死區(qū)電壓后，隨著電壓的升高，正向電流迅速增大。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所反向特性： 二極管加反向電壓，反向電流很小。當(dāng)電壓超過零點(diǎn)幾伏后，反向電流就不隨電壓增加而增大，達(dá)到飽和，反向飽和電流很小，A級(jí)。如果反向電壓繼續(xù)升高，大到一定數(shù)值時(shí)，反向電流會(huì)突然增大。IS：二極管反向飽和電流； q：電子電荷1.6*10-19C k：T：熱力學(xué)溫度； V：加到二極管兩端的電壓； 玻爾茲曼常數(shù)1.381*10-23J/K； 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 二極管加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，伏安特性很陡，壓降很小（硅管：0.7V，鍺管0.3V

15、），可以近似看作是一個(gè)閉合的開關(guān)。二極管加反向電壓時(shí)截止，截止后的伏安特性具有飽和特性（反向電流幾乎不隨反向電壓的增大而增大）且反向電流很小（nA級(jí)），可以近似看作是一個(gè)斷打開的開關(guān)。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所溫度特性： 二極管的特性對(duì)溫度很敏感, 溫度升高, 正向特性曲線向左移, 反向特性曲線向下移。 其規(guī)律是：在室溫附近, 在同一電流下, 溫度每升高, 正向壓降減小-.V；溫度每升高, 反向電流約增大 1 倍。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所擊穿特性擊穿特性 當(dāng)反向電壓超過反向擊穿電壓UB時(shí)，反向電流將急劇增大，而PN結(jié)的反向電壓值卻變化不大，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。雪崩擊穿：反向電壓較高（U6

16、V），PN結(jié)中內(nèi)電場(chǎng)較強(qiáng)，參加漂移的載流子受到加速，與中性原子相碰，使價(jià)電子受激發(fā)產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，它們也被加速。形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，載流子濃度和反向電流驟增。從能帶觀點(diǎn)來看，就是高能量的電子和空穴把價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生了劇增的電子空穴對(duì)。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所齊納擊穿：齊納擊穿： 對(duì)摻雜濃度高的半導(dǎo)體，PN結(jié)的耗盡層很薄，只要加入不大的反向電壓（U 0；在齊納擊穿時(shí)：；在齊納擊穿時(shí)： U 0。擊穿值在擊穿值在6 V 左右左右 U 比較小，性能也比較穩(wěn)定。比較小，性能也比較穩(wěn)定。3、動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻：4、穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ：使穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的參考電流：使穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的參考電流5、

17、最大允許功耗最大允許功耗：ZZIUZr 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所發(fā)光二極管發(fā)光二極管 Light Emitting Diode 二極管加正偏壓，電流使結(jié)面電子返回價(jià)帶，和空穴復(fù)合放出能量而發(fā)光。其波長(zhǎng)與半導(dǎo)體材料有關(guān)，紅、黃、綠光主要是以InGaAlP材料為主，而藍(lán)、綠光則是以InGaN材料為主。 兩邊材料禁帶比中間寬的雙異質(zhì)結(jié)，可以有效地將雙邊載流子注入到中間層，而產(chǎn)生非常高的光電轉(zhuǎn)換效能。當(dāng)中間層厚度縮小到數(shù)10埃時(shí)，即產(chǎn)生量子阱效應(yīng)，可大幅提高光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所LEDLED結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 1.3.1 三極管的結(jié)構(gòu)三極

18、管的結(jié)構(gòu) 1.3 雙極型三極管雙極型三極管工藝：在 N 型硅片(集電區(qū))氧化膜上刻一個(gè)窗口，將硼雜質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散形成 P 型(基區(qū))，基區(qū)做的很薄（微米甚至納米數(shù)量級(jí)）；再在 P 型區(qū)上刻窗口，將磷雜質(zhì)進(jìn)行擴(kuò)散，形成N型的發(fā)射區(qū)，發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于基區(qū)和集電區(qū)。再引出三個(gè)電極。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所三極管分類三極管分類按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分：按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分：NPN型和型和PNP型管；型管；按工作頻率分：按工作頻率分：低頻和高頻管；低頻和高頻管；按功率分：按功率分：小功率和大功率管；小功率和大功率管；按用途分：按用途分：普通管和開關(guān)管；普通管和開關(guān)管；按半導(dǎo)體材料分：按半導(dǎo)體材料分：鍺管和硅管等等。鍺管

19、和硅管等等。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 1.3.2 1.3.2 三極管的放大作用和載流子的運(yùn)動(dòng)三極管的放大作用和載流子的運(yùn)動(dòng)發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏, ,集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏發(fā)射：高摻雜發(fā)射區(qū)大量電子注入到基區(qū)，形成電子電流IE ；復(fù)合和擴(kuò)散：注入到基區(qū)的電子，成為基區(qū)的非平衡少子，有少部分的電子與基區(qū)中的多子空穴復(fù)合、形成基極電流IB，其余繼續(xù)向集電結(jié)方向擴(kuò)散 ；收集：大部分電子到達(dá)集電結(jié)邊界，并在集電結(jié)電場(chǎng)吸引作用下，漂移到集電區(qū)，被集電極收集，形成集電極電流IC。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所三極管內(nèi)載流子的傳輸過程2.電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合3.集電區(qū)收集擴(kuò)散過來的電子另外,基區(qū)集電區(qū)本身存在的少

20、子，在集電結(jié)上存在漂移運(yùn)動(dòng)，由此形成電流ICBO三極管內(nèi)有兩種載流子參與導(dǎo)電，故稱此種三極管為雙極型三極管，記為BJT1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所IE=IBIC三極管三個(gè)電極間的分配關(guān)系IE=IBNICNIB=IBNICBOIC=ICNICBO 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所直流參數(shù) 交流參數(shù) 、 的含義是不同的，但是，對(duì)于大多數(shù)三極管來說， 與 ， 與 的數(shù)值卻差別不大，計(jì)算中，可不將它們嚴(yán)格區(qū)分。 、 共射電流放大系數(shù)BCII ECII 共基電流放大系數(shù)三極管的電流分配關(guān)系BC IIBCEIIIBE )1 (II 若兩個(gè)PN結(jié)對(duì)接，相當(dāng)基區(qū)很厚，將沒有電流放大作用，基區(qū)從厚變薄，兩個(gè)PN結(jié)演變?yōu)槿龢O管，發(fā)射區(qū)摻雜濃度高，基區(qū)摻雜濃度較低且很薄，是三極管能夠?qū)崿F(xiàn)電流放大的關(guān)鍵。 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 1.3.3 1.3.3 三極管的主要參數(shù)三極管的主要參數(shù)共射直流電流放大倍數(shù)：BCII_工作于動(dòng)態(tài)的三極管，信號(hào)是疊加在直流上的交流信號(hào)?；鶚O電流的變化量為IB，相應(yīng)的集電極電流變化為IC則交流電流放大倍數(shù)為：BIIC 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所與間的關(guān)系 同濟(jì)大學(xué)功能材料研究所 1.3.51.3.5PNP PNP 型三極