半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)

第1頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.1導(dǎo)體，絕緣體和半導(dǎo)體

物體的導(dǎo)電能力，一般用材料電阻率的大小來衡量。電阻率越大，說明這種材料的導(dǎo)電能力越弱。表1-1給出以電阻率來區(qū)分導(dǎo)體，絕緣體和半導(dǎo)體的大致范圍物體電阻率導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體Ω·CM<10e-410e-3~10e9>10e9表1-1第2頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.1導(dǎo)體，絕緣體和半導(dǎo)體

物體的導(dǎo)電能力，一般用材料電阻率的大小來衡量。電阻率越大，說明這種材料的導(dǎo)電能力越弱。表1-1給出以電阻率來區(qū)分導(dǎo)體，絕緣體和半導(dǎo)體的大致范圍。

物體電阻率導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體Ω·CM<10e-410e-3~10e9>10e9第3頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.2半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)1.2.1幾種常見元素的原子結(jié)構(gòu)硅太陽電池生產(chǎn)中常用的硅（Si），磷（P），硼（B）元素的原子結(jié)構(gòu)模型如圖1.2-1所示圖1.2-1第三層4個(gè)電子第二層8個(gè)電子第一層2個(gè)電子Si+14P+15B最外層5個(gè)電子最外層3個(gè)電子siPB第4頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一

原子最外層的電子稱為價(jià)電子，有幾個(gè)價(jià)電子就稱它為幾族元素。若原子失去一個(gè)電子，稱這個(gè)原子為正離子，若原子得到一個(gè)電子，則成為一個(gè)帶負(fù)電的負(fù)離子。原子變成離子的過程稱為電離。1.2半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)第5頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.2半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)1.2.2晶體結(jié)構(gòu)固體可分為晶體和非晶體兩大類。原子無規(guī)則排列所組成的物質(zhì)為非晶體。而晶體則是由原子規(guī)則排列所組成的物質(zhì)。晶體有確定的熔點(diǎn)，而非晶體沒有確定熔點(diǎn)，加熱時(shí)在某一溫度范圍內(nèi)逐漸軟化。1.2.3單晶和多晶在整個(gè)晶體內(nèi)，原子都是周期性的規(guī)則排列，稱之為單晶。由許多取向不同的單晶顆粒雜亂地排列在一起的固體稱為多晶。第6頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.2半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)

1.2.4硅晶體內(nèi)的共價(jià)鍵硅晶體的特點(diǎn)是原子之間靠共有電子對連接在一起。硅原子的4個(gè)價(jià)電子和它相鄰的4個(gè)原子組成4對共有電子對。這種共有電子對就稱為“共價(jià)鍵”。如圖1.2-2所示。圖1.2-2第7頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.2半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)1.2.5硅晶體的金剛石結(jié)構(gòu)晶體對稱的，有規(guī)則的排列叫做晶體格子，簡稱晶格，最小的晶格叫晶胞。圖1.2-3表示一些重要的晶胞。

(a)簡單立方（Po）(b)體心立方（Na、W）(c)面心立方（Al、Au）圖1.2-3第8頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一正四面實(shí)體結(jié)構(gòu)圖1.2-4金鋼石結(jié)構(gòu)1.2半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)

金剛石結(jié)構(gòu)是一種復(fù)式格子，它是兩個(gè)面心立方晶格沿對角線方向上移1/4互相套構(gòu)而成（見圖1.2-4）。為了簡便明了，以后分析問題時(shí)只要采用圖1.2-2所示的平面結(jié)構(gòu)示意圖即可。第9頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.2半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)1.2.6晶面和晶向晶體中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上，這些平面就稱為晶面。每個(gè)晶面的垂直方向稱為晶向。圖1.2-5是幾種常用到的晶面和晶向。(100晶面)(110晶面)(111晶面)圖1.2-5第10頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.2半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)

1.2.7原子密排面和解理面：在晶體的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若將原子看成是一些硬的球體，它們在一個(gè)平面上最密集的排列方式將如圖1.2-6所示，按照這樣方式排列的晶面就稱為原子密排面。

圖1.2-6第11頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.2半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)

比較簡單的一種包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。而金剛石晶格又是兩個(gè)面心立方晶格套在一起，相互之間。沿著晶胞體對角線方向平移1/4而構(gòu)成的。我們來看面心立方晶格中的原子密排面。按照硬球模型可以區(qū)分在(100)(110)(111)幾個(gè)晶面上原子排列的情況，如圖1.2-7所示。金鋼石晶格是由面心晶格構(gòu)成，所以它的(111)晶面也是原子密排面，它的特點(diǎn)是，在晶面內(nèi)原子密集、結(jié)合力強(qiáng)，在晶面之間距離較大，結(jié)合薄弱，由此產(chǎn)生以下性質(zhì)：(a)由于(111)密排面本身結(jié)合牢固而相互間結(jié)合脆弱，在外力作用下，晶體很容易沿著(111)晶面劈裂，晶體中這種易劈裂的晶面稱為晶體的解理面。(b)由于(111)密排面結(jié)合牢固，化學(xué)腐蝕就比較困難和緩慢，而(100)面原子排列密度比(111)面低。所以(100)面比(111)面的腐蝕速度快，選擇合適的腐蝕液和腐蝕溫度，(100)面腐蝕速度比(111)面大的多，因此，用(100)面硅片采用這種各向異性腐蝕的結(jié)果，可以使硅片表面產(chǎn)生許多密布表面為(111)面的四面方錐體，形成絨面狀的硅表面。第12頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.2半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)(100)(110)(111)圖1.2-7第13頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.3固體的能帶理論1.3.1能帶的形成在原子中內(nèi)層電子受原子核束縛較緊，相應(yīng)的能量較小，外層電子（價(jià)電子）能量較大。圖1.3-1表示所謂能級(jí)圖。

E5E4E3(8)E2(8)E1(2)圖1.3-1第14頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一

晶體由大量原子組成，一個(gè)原子的電子不僅受到這個(gè)原子的作用。還將受到相鄰原子的作用。相鄰原子上的電子軌道將發(fā)生一定程度的相互交迭，通過軌道的交迭，電子可以從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去。這時(shí)電子已不屬于個(gè)別原子而成為整個(gè)晶體所共有，這種電子運(yùn)動(dòng)稱為“共有化”。電子在原子之間的轉(zhuǎn)移不是任意的，電子只能在能量相同的軌道之間發(fā)生轉(zhuǎn)移。圖1.3-2表示出這種共有化軌道的能級(jí)圖。

能帶禁帶能帶禁帶能帶1.3固體的能帶理論圖1.3-2第15頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一

從圖中可見，晶體中電子軌道的能級(jí)分成由低到高的許多組。分別和各原子能級(jí)相對應(yīng)，每一組都包含著大量的能量很接近的能級(jí)。這樣一組密集的能級(jí)看上去象一條帶子，所以被稱之為能帶。能帶之間的間隙叫做禁帶。未被電子填滿的能帶稱為導(dǎo)帶，已被電子填滿的能帶稱為滿帶。導(dǎo)體、半導(dǎo)體，絕緣體導(dǎo)電性質(zhì)的差異可以用它們的能帶圖的不同來加以說明。(圖1.3-3)1.3固體的能帶理論第16頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體EcEvE9E9導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶圖1.3-31.3固體的能帶理論第17頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.4半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

半導(dǎo)體之所以得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗嬖谥恍?dǎo)體和絕緣體所沒有的獨(dú)特性能。1.4.1導(dǎo)電能力隨溫度靈敏變化導(dǎo)體，絕緣體的電阻率隨溫度變化很小，（導(dǎo)體溫度每升高一度，電組率大約升高0.4%）。而半導(dǎo)體則不一樣，溫度每升高或降低1度，其電阻就變化百分之幾，甚至幾十，當(dāng)溫度變化幾十度時(shí)，電阻變化幾十，幾萬倍，而溫度為絕對零度（-273℃）時(shí)，則成為絕緣體。1.4.2導(dǎo)電能力隨光照顯著改變當(dāng)光線照射到某些半導(dǎo)體上時(shí)，它們的導(dǎo)電能力就會(huì)變得很強(qiáng)，沒有光線時(shí)，它的導(dǎo)電能力又會(huì)變得很弱。1.4.3雜質(zhì)的顯著影響在純凈的半導(dǎo)體材料中，適當(dāng)摻入微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力會(huì)有上百萬的增加。這是最特殊的獨(dú)特性能。1.4.4其他特性溫差電效應(yīng)，霍爾效應(yīng)，發(fā)光效應(yīng)，光伏效應(yīng)，激光性能等。

第18頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.5半導(dǎo)體的純度

半導(dǎo)體有如此之多的獨(dú)特性能，是建立在半導(dǎo)體材料本身純度很高的基礎(chǔ)上的。半導(dǎo)體的純度常用幾個(gè)“9”來表示。比如硅材料的純度達(dá)到6個(gè)“9”，就是說硅的純度達(dá)到99.9999%，其余0.0001%（即10-6）為雜質(zhì)總含量。半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)含量，通常還以“PPb”與“PPm”來表示。一個(gè)PPb就是十億分之一（10-9）一個(gè)“PPm”就是百萬分之一（10-6），幾種純度表示法的相互關(guān)系如表1.2所列。幾個(gè)“9”PPb(十億分之一)PPm(百萬分之一)610319110-3表1.2第19頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.6半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理1.6.1半導(dǎo)體中的“電子”和“空穴”，本征半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體，在不受外界作用時(shí)，導(dǎo)電能力很差。而在一定的溫度或光照等作用下，晶體中的價(jià)電子有一部分可能會(huì)沖破共價(jià)鍵的束縛而成為一個(gè)自由電子。同時(shí)形成一個(gè)電子空位，稱之為“空穴”。從能帶圖上看，就是電子離開了價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而在價(jià)帶中留下了空穴，產(chǎn)生了一對電子和空穴。如圖1.6-1所示。通常將這種只含有“電子空穴對”的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。“本征”指只涉及半導(dǎo)體本身的特性。半導(dǎo)體就是靠著電子和空穴的移動(dòng)來導(dǎo)電的，因此，電子和空穴被統(tǒng)稱為載流子。第20頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.6半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理Eg導(dǎo)帶(禁帶寬)價(jià)帶圖1.6-1第21頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.6半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理

1.6.2產(chǎn)生和復(fù)合由于熱或光激發(fā)而成對地產(chǎn)生電子空穴對，這種過程稱為“產(chǎn)生”?？昭ㄊ枪矁r(jià)鍵上的空位，自由電子在運(yùn)動(dòng)中與空穴相遇時(shí)，自由電子就可能回到價(jià)鍵的空位上來，而同時(shí)消失了一對電子和空穴，這就是“復(fù)合”。在一定溫度下，又沒有光照射等外界影響時(shí)，產(chǎn)生和復(fù)合的載流子數(shù)相等，半導(dǎo)體中將在產(chǎn)生和復(fù)合的基礎(chǔ)上形成熱平衡。此時(shí)，電子和空穴的濃度保持穩(wěn)定不變，但是產(chǎn)生和復(fù)合仍在持續(xù)的發(fā)生。1.6.3雜質(zhì)和雜質(zhì)半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體材料中若含有其它元素的原子，那么，這些其它元素的原子就稱為半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)原子。對硅的導(dǎo)電性能有決定影響的主要是三族和五族元素原子。還有些雜質(zhì)如金，銅，鎳，錳，鐵等，在硅中起著復(fù)合中心的作用，影響壽命，產(chǎn)生缺陷，有著許多有害的作用。第22頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.6半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理1.6.3.1N型半導(dǎo)體磷（P)，銻（sb)等五族元素原子的最外層有五個(gè)電子，它在硅中是處于替位式狀態(tài)，占據(jù)了一個(gè)原來應(yīng)是硅原子所處的晶格位置，如圖1.6-2。磷原子最外層五個(gè)電子中只有四個(gè)參加共價(jià)鍵，另一個(gè)不在價(jià)鍵上，成為自由電子，失去電子的磷原子是一個(gè)帶正電的正離子，沒有產(chǎn)生相應(yīng)的空穴。正離子處于晶格位置上，不能自由運(yùn)動(dòng)，它不是載流子。因此，摻入磷的半導(dǎo)體起導(dǎo)電作用的，主要是磷所提供的自由電子，這種依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體，簡稱N型半導(dǎo)體。圖1.6-3表示N型半導(dǎo)體材料的能帶圖。而為半導(dǎo)體材料提供一個(gè)自由電子的v族雜質(zhì)原子，通常稱為施主雜質(zhì)。第23頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一多余電子圖1.6-21.6半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理第24頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.6半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理施主能級(jí)導(dǎo)帶電離能價(jià)帶圖1.6-3第25頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.6半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理1.6.3.2P型半導(dǎo)體硼（B）鋁（AL）鎵（GA）等三族元素原子的最外層有三個(gè)電子，它在硅中也是處于替位式狀態(tài)，如圖1.6-4所示。硼原子最外層只有三個(gè)電子參加共價(jià)鍵，在另一個(gè)價(jià)鍵上因缺少一個(gè)電子而形成一個(gè)空位鄰近價(jià)鍵上的價(jià)電子跑來填補(bǔ)這個(gè)空位，就在這個(gè)鄰近價(jià)鍵上形成了一個(gè)新的空位，這就是“空穴”。硼原子在接受了鄰近價(jià)鍵的價(jià)電子而成為一個(gè)帶負(fù)電的負(fù)離子，它不能移動(dòng)，不是載流子。因此在產(chǎn)生空穴的同時(shí)沒有產(chǎn)生相應(yīng)的自由電子。這種依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體，簡稱P型半導(dǎo)體。圖1.6-5表示P型半導(dǎo)體材料的能帶圖，為半導(dǎo)體材料提供一個(gè)空穴的Ⅲ族雜質(zhì)原子，通常稱之為受主雜質(zhì)。第26頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.6半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理空鍵接受電子空穴圖1.6-4第27頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.6半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理導(dǎo)帶電離能價(jià)帶受主能級(jí)圖1.6-5第28頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.7補(bǔ)償

實(shí)際，一塊半導(dǎo)體中并非僅僅只存在一種類型的雜質(zhì)，常常同時(shí)含有施主和受主雜質(zhì)，此時(shí)，施主雜質(zhì)所提供的電子會(huì)通過“復(fù)合”而與受主雜質(zhì)所提供的電子相抵消，使總的載流子數(shù)目減少，這種現(xiàn)象就成為“補(bǔ)償”。在有補(bǔ)償?shù)那闆r下，決定導(dǎo)電能力的是施主和受主濃度之差。若施主和受主雜質(zhì)濃度近似相等時(shí)，通過復(fù)合會(huì)幾乎完全補(bǔ)償，這時(shí)半導(dǎo)體中的載流子濃度基本上等于由本征激發(fā)作用而產(chǎn)生的自由電子和空穴的濃度。這種情況的半導(dǎo)體稱之為補(bǔ)償型本征半導(dǎo)體。在半導(dǎo)體器件產(chǎn)生過程中，實(shí)際上就是依據(jù)補(bǔ)償作用，通過摻雜而獲得我們所需要的導(dǎo)電類型來組成所要生產(chǎn)的器件。第29頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.8少數(shù)載流子和多數(shù)載流子

在摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體中，新產(chǎn)生的載流子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過原來未摻入雜質(zhì)前載流子的數(shù)量，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)主要由占大多數(shù)的新產(chǎn)生的載流子來決定，所以，在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，而電子是少數(shù)載流子。在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。摻入的雜質(zhì)越多，多載流子的濃度（單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目）越大，則半導(dǎo)體的電阻率越低，它的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。第30頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.9平衡載流子和非平衡載流子

一塊半導(dǎo)體材料處于某一均勻的溫度中，且不受光照等外界因素的作用，即這塊半導(dǎo)體處于平衡狀態(tài)，此時(shí)半導(dǎo)體中的載流子稱為平衡態(tài)載流子。半導(dǎo)體一旦受到外界因素作用（如光照，電流注入或其它能量傳遞形式）時(shí)，它內(nèi)部載流子濃度就多于平衡狀態(tài)下的載流子濃度。半導(dǎo)體就從平衡狀態(tài)變?yōu)榉瞧胶鉅顟B(tài)，人們把處于非平衡狀態(tài)時(shí)，比平衡狀態(tài)載流子增加出來的一部分載流子成為非平衡載流子。第31頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.10非平衡載流子的復(fù)合及其壽命

當(dāng)引起非平衡載流子產(chǎn)生的外界因素停止后，非平衡載流子不會(huì)永久地存在下去。但也不是一下全部都消失掉，而是隨著時(shí)間逐漸減少消失的，他們的存在時(shí)間有些長些，有些短些，有一個(gè)平均的存在時(shí)間，這就是我們所說的“非平衡載流子的壽命”。半導(dǎo)體內(nèi)部和表面的復(fù)合作用是使得非平衡載流子逐漸減少直至消失的原因。非平衡載流子也就是由于外界因素引起產(chǎn)生的電子—空穴對復(fù)合的主要方式有三種：直接復(fù)合，間接復(fù)合和表面復(fù)合。第32頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.10非平衡載流子的復(fù)合及其壽命

1.10.1直接復(fù)合電子和空穴在半導(dǎo)體內(nèi)部直接相遇放出光子或引起熱運(yùn)動(dòng)而復(fù)合，復(fù)合的過程在是電子直接在能帶間躍進(jìn)，中間無須經(jīng)過任何間接過程，這種復(fù)合稱為直接復(fù)合。一般的雜質(zhì)半導(dǎo)體壽命是和多數(shù)載流子的密度成反比的，或者說半導(dǎo)體的電阻率越低，則壽命越短。電阻率越低，多數(shù)載流子濃度越高，這種非平衡載流子就越有機(jī)會(huì)與多數(shù)載流子相遇復(fù)合，所以壽命就越短。圖1.10-1第33頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.10非平衡載流子的復(fù)合及其壽命1.10.2間接復(fù)合某些雜質(zhì)元素即使是很少量地存在于半導(dǎo)體材料中便對材料的壽命數(shù)值有決定性的影響，晶體中的缺陷也有類似的作用，這說明晶體中的雜質(zhì)原子和缺陷有促進(jìn)非平衡載流子的復(fù)合作用。這種復(fù)合與直接復(fù)合不同，它是通過禁帶中某些雜質(zhì)（缺陷）能級(jí)做為“跳板”來完成的。靠禁帶中的雜質(zhì)（缺陷）能級(jí)俘獲導(dǎo)帶中的電子與滿帶中的空穴在其上面間接進(jìn)行復(fù)合的稱之為間接復(fù)合，那些起復(fù)合作用的雜質(zhì)（缺陷）能級(jí)被稱為復(fù)合中心。復(fù)合中心是不斷地起著復(fù)合作用，而不是起了一次復(fù)合作用就停止了。通過復(fù)合中心的間接復(fù)合過程比直接復(fù)合過程強(qiáng)得多。這是因?yàn)殚g接復(fù)合過程每次所要放出的能量比直接復(fù)合的要少，相當(dāng)于分階段放出能量，所以容易得多。因而間接復(fù)合過程大多情況下決定著半導(dǎo)體材料得壽命值。第34頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.10非平衡載流子的復(fù)合及其壽命圖1.10-2

直接復(fù)合和間接復(fù)合都是在半導(dǎo)體內(nèi)部完成得，所以也稱為“體內(nèi)復(fù)合”。第35頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.10非平衡載流子的復(fù)合及其壽命

1.10.3表面復(fù)合半導(dǎo)體表面吸附著外界空氣來的雜質(zhì)分子或原子，半導(dǎo)體表面存在著表面缺陷。這種缺陷是從體內(nèi)延伸到表面的晶格結(jié)構(gòu)在表面中斷，表面原子出現(xiàn)懸空鍵，或者是半導(dǎo)體在加工過程中在表面留下的嚴(yán)重?fù)p傷或內(nèi)應(yīng)力，造成在體內(nèi)更多的缺陷和晶格畸變，這些雜質(zhì)和缺陷形成能接受或施放電子的表面能級(jí)，表面復(fù)合就是依靠表面能級(jí)對電子空穴的俘獲來進(jìn)行復(fù)合的。實(shí)際上表面復(fù)合過程屬于間接復(fù)合，此時(shí)的復(fù)合中心位于半導(dǎo)體材料的表面。第36頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.10非平衡載流子的復(fù)合及其壽命半導(dǎo)體表面表面復(fù)合中心能級(jí)E2表面復(fù)合圖1.10-3第37頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.11載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和遷移率

半導(dǎo)體中的載流子在不停地作無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，沒有固定方向的流動(dòng)，所以半導(dǎo)體中并不產(chǎn)生電流。若在半導(dǎo)體兩端加上一個(gè)電壓，即半導(dǎo)體處于一個(gè)電場中，載流子在電場加速作用下，獲得了附加的運(yùn)動(dòng)，這就稱之為載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。實(shí)際的晶體中有雜質(zhì)原子，缺陷，晶格原子也不停地振動(dòng)。這些因素都使晶體中載流子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)方向不斷發(fā)生變化，載流子運(yùn)動(dòng)方向不斷發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱之為散射。由于散射的作用，漂移運(yùn)動(dòng)是曲折前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)。遷移率是衡量半導(dǎo)體中載流子平均漂移速度的一個(gè)重要參數(shù)，其數(shù)值等于在單位電場作用下電子和空穴的定向運(yùn)動(dòng)速度。因此，它反映了載流子運(yùn)動(dòng)的快慢程度。載流子的遷移率隨著溫度，摻雜濃度和缺陷濃度變化。同一種半導(dǎo)體材料，溫度升高，遷移率下降，摻雜濃度，缺陷濃度增加，遷移率同樣逐漸下降。第38頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.11載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和遷移率

遷移率還和載流子的有效質(zhì)量有關(guān)。電子的有效質(zhì)量比空穴小，所以電子的遷移率比空穴大。遷移率是反映半導(dǎo)體中載流子導(dǎo)電能力的重要參數(shù)，摻雜半導(dǎo)體的電導(dǎo)率一方面取決于摻雜濃度，另一方面取決于遷移率的大小。第39頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.12載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散長度

向半導(dǎo)體中注入非平衡載流子時(shí)，注入部分的載流子密度比其它部分高，載流子會(huì)由密度大的地方向密度小的地方遷移，這種現(xiàn)象叫做載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散的強(qiáng)弱是由載流子濃度的變化決定的，濃度梯度越大，擴(kuò)散也越容易，同時(shí)，擴(kuò)散的強(qiáng)弱還與載流子的種類，運(yùn)動(dòng)的速度以及散射的次數(shù)等有關(guān)，我們用擴(kuò)散系數(shù)來表示載流子擴(kuò)散能力的強(qiáng)弱。非平衡載流子在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)過程中不斷地復(fù)合而消失。結(jié)果非平衡載流子密度由注入部分開始向密度小的方向逐漸減小。在連續(xù)注入的條件下，非平衡載流子密度由大到小形成一個(gè)穩(wěn)定的分布。由注入部位到非平衡載流子密度減小到1/e數(shù)值位置之間的距離稱為載流子的擴(kuò)散長度，如圖1.12-1所示，它也是半導(dǎo)體材料的重要參數(shù)之一。擴(kuò)散長度可以理解為：非平衡載流子在平均壽命時(shí)間內(nèi)經(jīng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所通過的距離。第40頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.12載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散長度擴(kuò)散長度距離載流子密度0圖1.12-1第41頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.13PN結(jié)1.13.1平衡PN結(jié)在一塊完整的半導(dǎo)體晶體中，如果一部分是N型半導(dǎo)體，另一部分是P型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是電子，電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過少數(shù)載流子空穴的濃度，而在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過少數(shù)載流子電子的濃度，如圖1.13-1所示。

圖1.13-1第42頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.13PN結(jié)

在N型和P型半導(dǎo)體的交界面處存在有電子和空穴濃度梯度，N區(qū)中的電子就向P區(qū)滲透擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果是N型區(qū)域中鄰近P型區(qū)域一邊的薄層內(nèi)有一部分電子擴(kuò)散到N型中去了。由于這個(gè)薄層失去了一些電子，在N區(qū)就形成帶正電荷的區(qū)域。同樣，P型區(qū)域中鄰近N型區(qū)域一邊的薄層內(nèi)有一部分空穴擴(kuò)散到N型區(qū)域一邊去了。由于這個(gè)薄層失去了一空穴，在P區(qū)就形成了帶負(fù)電荷的區(qū)域。這樣在N型區(qū)和P型區(qū)交界面的兩側(cè)形成了帶正，負(fù)電荷的區(qū)域，叫做空間電荷區(qū)。如圖1.13-2。N型P型空間電荷區(qū)圖1.13-2第43頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.13PN結(jié)

空間電荷區(qū)中的正負(fù)電荷間形成電場。電場的方向是由N型區(qū)域指向P型區(qū)域，這個(gè)由于載流子濃度不均勻而引起擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)后形成的電場稱為自建電場。我們知道，載流子在電場作用下，會(huì)產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。自建電場將N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散的電子接回到N區(qū)，把P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散的空穴接回到P區(qū)，由此可見，在空間電荷區(qū)內(nèi)，自建電場引起電子和空穴的漂移運(yùn)動(dòng)方向與它們各自的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向正好相反。開始時(shí)，電子和空穴的擴(kuò)散占優(yōu)勢，隨著電子和空穴的不斷擴(kuò)散?？臻g電荷的數(shù)量不斷增強(qiáng)自建電場也越來越強(qiáng)，直到載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相抵消時(shí)（即大小相等，方向相反），這時(shí)，N型區(qū)域內(nèi)的電子和P型區(qū)域的空穴不再減少，空間電荷區(qū)也不再加厚，達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡?？臻g電荷區(qū)也叫阻擋層，（意思時(shí)阻止電子和空穴的繼續(xù)擴(kuò)散），就是我們通常講的PN結(jié)。PN結(jié)時(shí)許多半導(dǎo)體組件的核心，PN結(jié)的性質(zhì)集中反映了半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的特點(diǎn)，如：存在兩種載流子，載流子有漂移擴(kuò)散和產(chǎn)生，復(fù)合等基本運(yùn)動(dòng)的形成。所以，P-N結(jié)是半導(dǎo)體組件入門的基礎(chǔ)。第44頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.13PN結(jié)

1.13.2P-N結(jié)的整流現(xiàn)象當(dāng)P-N結(jié)正向連接時(shí)，即P型半導(dǎo)體區(qū)域接到電池的正極，N型半導(dǎo)體區(qū)域接到電池的負(fù)端。P-N結(jié)正向電阻很小，通過P-N結(jié)的正向電流很大，這是由于外加電池再P-N結(jié)中所產(chǎn)生的電場方向相反，阻擋層厚度減小。P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子再這個(gè)外加的電場的吸引下不斷地流過交界處，使它的電阻大大降低電流很容易通過。若外加電壓繼續(xù)上升，則自建電場被減弱和抵消，所以正向電流隨著外加正向電壓的增加而逐漸上升。當(dāng)P-N結(jié)反向連接時(shí)，P區(qū)接電池負(fù)端，N區(qū)接電池正端，P-N結(jié)呈現(xiàn)很大的電阻，通過P-N結(jié)中的電流很小。這是由于外加電池在P-N結(jié)中所產(chǎn)生的電場方向用P-N結(jié)自建電場方向相同。阻擋層變厚，加強(qiáng)了電場阻止電子和空穴流通的作用，電阻大大增強(qiáng)，電流很難流過。這就是方向連接的電流很小的原因。第45頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.14硅的物理性質(zhì)和常數(shù)物理量單位數(shù)據(jù)原子序14禁帶寬度電子伏1.1530K原子量28.081.106300K晶格結(jié)構(gòu)金剛石電子遷移率厘米2/伏秒1350化學(xué)鍵共價(jià)鍵空穴遷移率厘米2/伏秒480密度g/cm32.33電子擴(kuò)散系數(shù)厘米2/伏秒34.6硬度莫氏6.5空穴擴(kuò)散系數(shù)厘米2/伏秒1213熔點(diǎn)℃1420本征電阻率歐姆厘米2.3*105熱導(dǎo)率u/㎝·k1.4介質(zhì)常數(shù)11.7熱膨脹系數(shù)cm/cm℃2.33*10-6折射率4.0-3.55λ為0.55-1.1反射率33%λ為0.4-1.1第46頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.15硅的主要化學(xué)性質(zhì)

硅在高溫下能與氯，氧，水蒸氣等作用，生成四氯化硅，二氧化硅。硅不溶于HCl,H2SO4,HNO3以及王水（3HCL+1HNO3），硅與HF可以發(fā)生反應(yīng)，但反應(yīng)速度比較緩慢。

硅和硝酸，氫氟酸的混合液起作用

第47頁，共53頁，2023年，2月20日，星期一1.15硅的主要化學(xué)性質(zhì)

它利用濃HNO3的強(qiáng)氧化作用。使硅表面生成一層SiO2，另一方面利用HF的絡(luò)合作用，HF酸能與SiO2反應(yīng)生成可溶性的六氟硅酸絡(luò)合物H2[SiF6]。硅能與堿相互作用生成相應(yīng)的硅酸鹽。

硅能與Cu+2,Pb+2,Ag+,Hg+2等金屬離子發(fā)生置換反應(yīng)。硅能溶解在熔融的鋁，金，銀，錫，鉛等金屬之中，形成合金。硅和這些金屬的量可在一定范圍內(nèi)變化。在高溫下硅與鎂，鈣，銅，鐵