半導(dǎo)體物理簡(jiǎn)介基本概念

理( 念1.11.2 --- 洞1.31.41.5 流 流1.6 行理 1-1理料 度理 1-2理1(Semiconductor) 類elementsemiconductors(silicon,Si) (germanium,Ge)compoundsemiconductorsIV-IV : SiC 金III-V : GaAs GaNGaP InAsAlGaAs GaInPGaInN InGaAsPII-VI :硫 CdS CdTe 硫ZnS理 1-3理見(jiàn)(diamondstructure)Si,Ge(Zincblende)GaAs,ZnSsp3(covalencebond)理 1-4理2例度300K立a數(shù)latticeconstant5.43?立數(shù)量度立81164+4=88×+6×82立數(shù)8=8=5.0×22/cm33-83(5.43×10cm)a量度立數(shù)×量5.0×1022(/cm3)×28.9(g/mole)3數(shù)=6.02×1023=2.33g/cm(/mole)理 1-5理(conductionband) (valenceband)---Bonds&BandsBonding --- 易pz不(orbitals)1atom(energylevels)spypx2atomsψAψBABABseparatedclose理 1-6理3兩 若兩 量 (bondingorbital) 量(antibondingorbital)Ψbond=ψA+ψBψA-ψB2Ψantibond=2bondingorbitalantibondingorbitalEnergyΨantibondψAψBΨbondAB兩都bondingorbital量降(covalentbond)Antibondingorbital理 1-7理Bands例 若 數(shù) 4sp3orbitals來(lái)bonding&antibonding量不(energyband)antibondingorbitalsConductionband,emptyEnergyEgbandgapbondingorbitalsvalenceband,full1-8理理4empty(conductionband)(bandgap)(valenceband)fullinsulatorsemiconductor金理1-9metal理bymanyorderofmagnitude!!!理 1-10理5--- 洞都 都0K量emptyEcEgEvfull(banddiagram)理 1-11理洞了不(conductionelectron)A 留 了不了 了洞(hole)洞 都(carriers)理 1-12理6洞t1t2t3t4t1t2t3t4洞量EcEgEvElectrons,likestones,whichfall.Holes,likebubbles,whichfloat.

E流領(lǐng)洞理 1-13理E 量量EcEgEv洞 量EcEv理 1-14理7洞--- (generation) 復(fù) (recombination)(intrinsicsemiconductor) 洞說(shuō) 離 留 洞度n(1/cm3)洞度p(1/cm3)n=p=ni=pinipi洞度度(intrinsicconcentration)(intrinsicsemiconductor)不 (extrinsicsemiconductor)理 1-15理ni度數(shù)度洞度度見(jiàn)度類度ni(cm-3)Eg(eV)(Ge)2.410130.67(Si)1.4510101.12(GaAs)1.791061.4231012例ni=1.451010cm-3度5.01022cm-3洞度不理 1-16理8(generation)復(fù)(recombination)量復(fù)Ec量Eg量Ev? 量 洞量 (bandgap)Eg (Generation)? 量 量 量 輻粒 量 量不 不? (eV) 度度理 1-17理? 了 洞不 量 量復(fù)(Recombination)?說(shuō)洞度?(C)列洞裡度復(fù)類??量????→-+←??????e+h復(fù)量量e-h+洞理 1-18理9LawofMassAction(律)?E[C][D]→-?E/kTA+B←C+D[][]=K(T)eAB例H2OH++OH-[H+][OH-]=10-14cm-6-+-Eg/kT[e][h]=np=K(T)e23-Eg/kTnp=ni(T)=BTeB料數(shù)T度k數(shù)Boltzmannconstant8.62-5×10eV/K～300KkT～25.8meV理 1-19理例1.1eV見(jiàn)量說(shuō)洞率來(lái)量來(lái)(opticaldetector)數(shù)列來(lái)錄若更更料量EcEghν≥EgEv理 1-20理10見(jiàn) 料 不理 1-21理洞復(fù) 量利 來(lái)例 1.4eV 0.9μm 來(lái)雷 料見(jiàn)利量見(jiàn)料量1.71.8eV(GaAsP)類2.2eV2.6eV藍(lán)綠料料不易不料(InGaN)綠藍(lán)hν(4.136×10-15eV?s)(3×1014Hz)λ1.24eVλ[μm]理 1-22理11例類靈綠0.555μm率量若λ[μm]率νν=3×108m/s=3×1014Hzλ×10-6mλ量hν=(4.136×10-15eV?s)(3×1014Hz)=1.24eVλλ0.555μm率3×1014Hz=5.4×1014Hz0.555量1.24eV=2.23eV0.555理 1-23理?不了不?利(impurities)類度(doping)?數(shù)sp3例As不易離(donor)n?離?度ND度ni度nND來(lái)n=ND?度量洞易復(fù)洞度p量度n(n-typesemiconductor)數(shù)(majoritycarrier)洞數(shù)(minoritycarrier)理 1-24理12?B例了說(shuō)了說(shuō)離了便洞洞(acceptor)?""洞離?度NA洞度pi洞度pNA來(lái)p=NA?p(p-typesemiconductor)數(shù)洞數(shù)理 1-25理論 n p 復(fù)度 度 洞 度np= 數(shù)=nipinp=ni2(T)度ni 度T 數(shù) 律(mass-actionlaw)?洞度?若度度106度106洞度度10-6?若度度106洞度106度降度10-6理 1-26理13? 數(shù) 類數(shù) 類 復(fù) 數(shù)不 類 (compensation)? n來(lái) 度 p? 不 n p(chargeneutrality)不p+ND+=n+NA-理 1-27理例度1016cm-3(a)例(b)洞度(c)度度例(d)度(a)度51022/cm3例16310(/cm)=2×10-7=0.2ppm5.0×10223(/cm)(b)類離度度n=ND=1016cm-3度ni=1.451010cm-3p=ni2=(1.45×1010cm-3)2=2.1×104cm-3理1-28n1016cm-3理14(c) 洞 例 n>>p 數(shù)n+p≈n=1016cm-3數(shù)ni+pi=2ni=2×1.45×1010cm-3=2.9×1010cm-3數(shù)例1016cm-3=3.4×10510-32.9×10cm裡0.2ppm了3105度金(d)離度eND=(1.6×10-1916cm-3)=1.6×10-3C/cm-3?C)×(10理 1-29理例例度1018cm-3洞度1016cm-3類洞1018cm-3洞復(fù)留度洞洞度p=1018cm-3度n210-322-3n=i=1.45×10cm)=2.1×10cm(p1018cm-3理 1-30理15流 流什 流--- 不 流(electricfield):E 流(driftcurrent)度 度(concentrationgradient): 流(diffusioncurrent)?por?n度不 流 (tunnelingeffect)流流(driftcurrent) 流(diffusioncurrent)理 1-31理洞E=0<vd>=0論理Ek=3kT2k 數(shù)理 數(shù)數(shù) T度度 零 <vd>=0 率不 行離 兩 τmeanfreetime理 1-32理16流(driftcurrent)EE<vd><vd>JhJe+++ +++洞流 流流 υ<<υd rms理理洞度 度(driftvelocity)υ Edυ=μEd例數(shù)μ率(mobility)cm2/V·s不類度不料不度率都不率洞率(mobility)τvd≈aτ=F*τ=qE*τ=qτ*Eeτq=+emmmμ=洞q=-eμ=eτnμ=eτpm*nmn*pm*pm*:量(effectivemass)(me,mn)洞(mh,mp)力F=qE=m*a料量**tensor理m?m理1-331-3417見(jiàn)1.phononscatteringT↑?1↑τph2. impurityscattering300K 見(jiàn)SiEg(eV)1.12ni(cm-3)101.45×10μn(cm2/Vs)1500*p(cm2/Vs)480μ*

T↑?1↓τimp料參數(shù)GeGaAs0.661.42131.8×62.4×10103900*85001900400理 1-35理流(driftcurrent)流i=[C/s]=[ampere]=[A]υdpAIqDensity=p[m-3]?l=υdp?t洞例?tAlυA?t數(shù)=??A?p=pdp?tAl?A?p?q=pqυA?t=?dpυυip=pqdpAjp=pqdpjp=pqvdp流 流 流理 1-36理18vdp=μEvdn=-μEpnj =+epμEp pjn=+enμnE流度jdrift=jn+jp=enμ+epμE(n)MicroscopicOhm’sLaw(np)=σ+σE=σEσ:度conductivity(?cm)-1ρ:(=1/σ)率resistivity(?cm)EEvdpvdnJpJn理 1-37理例SiGeGaAs

nn>>pσ=enμnpn<<pσ=epμpSiGeGaAs率σ=enμ+epμ=enμ+μnpi(np)σ=enμμi(n+p)1.6×10-19C×1.45×1010cm-3(1500+480)cm2V?s4.6×10-6(?cm)-1σ=1.6×10-19×2.4×1013(3900+1900)(?cm)-1=2.2×10-2(?cm)-1σ=1.6×10-19×1.8×106(8500+400)(?cm)-1=2.56×10-9(?cm)-11-38理理19例Si(wafer)1014cm-3p度massactionlaw210-32n=ni=(1.45×10cm)=2.1×106cm-3<<pp1014cm-3σ=1.6×10-19×1014×480(?cm)-1=7.68×10-3(?cm)-1料 洞GaAs Si Ge來(lái) SOI(Sioninsulator) SiRF IC理 1-39理流(diffusioncurrent)流 不 粒 度 度 流粒 流 粒 度 量 量 流量例 數(shù) 數(shù)(diffusionconstant diffusivity)D度粒?nn流∝-D?xx理 1-40理20洞 流粒 流 粒 量 流 洞流 流洞流流?p ?nJp,diff.=-eDp?pone-dimensional→-eDpdp?????dx

Jn,diff.=eDn?none-dimensionaldn?????→eDndxJdiff.=Jn,diff.+Jp,diff.=eDn?n-eDp?pDcm2/s理1-41理不 流流Jn=enμE+eD?nnnJp=epμE-eD?pppJtot.=Jn+JpμDEinsteinRelationship論粒Ek率-EkD=kBTekBTe300KD=25.8mVμ

理1-42理21例 Si 300K μ=1500cm2/VsnDn=1500cm2×25.8×10-3mVV?s40cm2s理 1-43理(excesscarriers) 行度(excesscarriers) 行 理理 益裡 數(shù) 數(shù) 兩 來(lái) 論 n例來(lái) 說(shuō) p 類數(shù)n O 0 了度?n不 不 了 說(shuō)了 流 流度 異不 流流 便 料 料金理 1-44理22n 數(shù)?n流流 rt=0

行?n=0rt>>κε/σ0κε/σσ料s10-12n粒?n流++Qt=0

類度 κε 數(shù)0了 不(screeningeffect)r

數(shù)τ 來(lái)τ理 1-45理粒 數(shù)τ粒 量?n +Q=0-Qr流=0t>>κε/σ0理 1-46理23例300KSi1016cm-3(donor)Siε/σσi=eni(μn+μp)=1.6×10-19×1.45×1010(1500+480)(?cm)-1=4.6×10-6(?cm)-1εs=11.9×8.854×10-14F/cmσi4.6×10-6(?cm)-1=2.3×10-7?F=2.3×10-7s?F=s[][]σ=μ=1.6×10-19×1×1016×1500(?cm)-1nenn=2.4(?cm)-1εs=11.9×8.854×10-14F/cm=4.4×10-13sσ2.4(?cm)-1n理 1-47理數(shù)nO0了洞洞不流洞(a)了數(shù)流不數(shù)τ洞量(b)(a)(b)?n+Q0?n流+Q0流=0-Q0流流r流+Q0r?p=0?pt=0t≥κε/σ理1-480理24n洞復(fù)洞數(shù)(minoritycarrierlifetime)τ10-610-8p數(shù)料數(shù)τ洞復(fù)量了洞(c)洞""洞復(fù)(c)+Q0裡洞?n流=0量數(shù)-Q流τp>t>>κε0/σ流r洞流流+Q<+Q0?p流0pn>>ni2理 1-49理τ 料 洞 復(fù) 料p來(lái) (d)(d)+Q0?n流=0t>>τp+Q=-Q=0r?p理 1-50理25(relaxationtime)τ=κε/σ0τ 10-12s數(shù) (minoritycarrierlifetime)τ τp n數(shù) 數(shù) 復(fù)10-6 10-8ρρPoisson’sequation??E==εκεso?ρ+??J=0continuityequation?t??pn=-?pn(inn-type)??np?np(inp-type)Recominationof?tτ=-τminoritycarriers?tpnJ=σ?EMicroscopicOhm’slawJn=enμnE+eDn?n?Jtot.=Jn+JpJp=epμE-eD?Driftanddiffusioncurrentspp理1-51理度 說(shuō)p