半導(dǎo)體物理與器件總結(jié)的

2023/5/1311、晶面表示方法：(1)平面截距：3，2，1(2)倒數(shù)：1/3，1/2，1/1(3)倒數(shù)乘以最小公分母：2，3，6平面用(236)標(biāo)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(lái)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度體密度=(等效原子個(gè)數(shù))/(晶胞體積)金剛石等效為8個(gè)原子；原則：頂點(diǎn)算八分之一，面上算二分之一，體內(nèi)算為一個(gè)。第1頁(yè)，共69頁(yè)。2023/5/132簡(jiǎn)立方晶體的三種晶面(100)

(110)

(111)

1.3空間晶格1.3.3晶面與密勒指數(shù)第2頁(yè)，共69頁(yè)。1.5.1固體中的缺陷晶體缺陷指實(shí)際晶體中與理想的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。幾何形態(tài)：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、體缺陷。形成原因：熱缺陷、雜質(zhì)缺陷、非化學(xué)計(jì)量缺陷等。晶體缺陷的含義晶體缺陷的分類硅(Si)和鍺(Ge)都具有金剛石結(jié)構(gòu)。GaAs是閃(鉛)鋅礦結(jié)構(gòu)2023/5/133第3頁(yè)，共69頁(yè)。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(diǎn)（原子或離子），是所有晶體都有的一類缺陷。隨溫度升高，熱缺陷濃度指數(shù)增加。熱缺陷（晶格振動(dòng)缺陷）1.5.1固體中的缺陷點(diǎn)缺陷（空位缺陷和填隙缺陷）對(duì)于實(shí)際的晶體，某特定晶格格點(diǎn)的原子可能缺失，這種缺陷稱為空位。在其他位置，原子可能嵌于格點(diǎn)之間，這種缺陷稱為填隙。2023/5/134第4頁(yè)，共69頁(yè)。

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)稱為摻雜。兩種摻雜方式為填(間)隙雜質(zhì)和替位雜質(zhì)

通常有兩種摻雜方法：雜質(zhì)擴(kuò)散和離子注入。第V族元素和第Ⅲ族元素?fù)诫s一般為替位式摻雜？一般半導(dǎo)體為Si或Ge元素形成的半導(dǎo)體，而他們位于第Ⅳ族，所以第V族元素和第Ⅲ族元素與第Ⅳ族元素的原子大小接近，所以一般為替位式摻雜。如果Si、Ge中的Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)濃度不太高，在包括室溫的相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)，雜質(zhì)幾乎全部離化，此情況為輕摻雜2023/5/135第5頁(yè)，共69頁(yè)。2023/5/136間隙式雜質(zhì)，替位式雜質(zhì)雜質(zhì)進(jìn)入半導(dǎo)體后可以存在于晶格原子之間的間隙位置上，稱為間隙式雜質(zhì)，間隙式雜質(zhì)原子一般較小。也可以取代晶格原子而位于格點(diǎn)上，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較接近而且電子殼層結(jié)構(gòu)也相似。圖

替位式雜質(zhì)和間隙式雜質(zhì)

Ⅲ、Ⅴ族元素?fù)饺擘糇宓腟i或Ge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(lái)定量描述雜質(zhì)含量多少，雜質(zhì)濃度的單位為1/cm3

。非本征半導(dǎo)體：摻雜半導(dǎo)體4.2摻雜原子與能級(jí)4.2.1定性描述第6頁(yè)，共69頁(yè)。三個(gè)基本原理能量量子化原理（普朗克提出）波粒二相性原理（德布羅意提出）不確定原理（測(cè)不準(zhǔn)原理）(海森堡提出)2.1量子力學(xué)的基本原理概率密度函數(shù)是一個(gè)與坐標(biāo)無(wú)關(guān)的常量。具有明確動(dòng)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(gè)結(jié)論與海森堡的不確定原理是一致的，即準(zhǔn)確的動(dòng)量對(duì)應(yīng)不確定的位置。粒子的能量是不連續(xù)的，其能量是各個(gè)分立的能量確定值，稱為能級(jí)，其值由主量子數(shù)n決定。?。?！2023/5/137第7頁(yè)，共69頁(yè)。2023/5/138三個(gè)對(duì)半導(dǎo)體材料分析有用的結(jié)論第一個(gè)結(jié)論是對(duì)應(yīng)簡(jiǎn)單勢(shì)函數(shù)的薛定諤波動(dòng)方程解引出的電子概率函數(shù)；第二個(gè)結(jié)論是束縛態(tài)電子能級(jí)的量子化；第三個(gè)結(jié)論是由分離變量引出的量子數(shù)和量子態(tài)的概念。（１）主量子數(shù)n：決定體系能量E或電子離核遠(yuǎn)近距離r。（2）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)一起決定電子的能級(jí)。（3）磁量子數(shù)m:決定原子軌道在空間的取向的個(gè)數(shù)。（4）自旋量子數(shù)：只決定電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與薛定諤方程無(wú)關(guān)。nlms四個(gè)量子數(shù)第8頁(yè)，共69頁(yè)。本征激發(fā)：導(dǎo)帶電子唯一來(lái)源于成對(duì)地產(chǎn)生電子-空穴對(duì)因此導(dǎo)帶電子濃度就等于價(jià)帶空穴濃度。本征激發(fā)的特點(diǎn)：成對(duì)的產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴。允帶(允許電子存在的能帶)是準(zhǔn)連續(xù)的禁帶寬度：價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底之間的帶隙能量Eg即為禁帶寬度。3.2固體中電的傳導(dǎo)3.2.1能帶和鍵模型激發(fā)過(guò)程受電子躍遷過(guò)程和能量最低原理制約，半導(dǎo)體中真正對(duì)導(dǎo)電有貢獻(xiàn)的是那些導(dǎo)帶底部附近的電子和價(jià)帶頂部附近電子躍遷后留下的空態(tài)(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)位于能帶極值附近的電子和空穴。2023/5/139第9頁(yè)，共69頁(yè)。在圖(a)中，A點(diǎn)的狀態(tài)和a點(diǎn)的狀態(tài)完全相同，也就是由布里淵區(qū)一邊運(yùn)動(dòng)出去的電子在另一邊同時(shí)補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，因此電子的運(yùn)動(dòng)并不改變布里淵區(qū)內(nèi)電子分布情況和能量狀態(tài)，所以滿帶電子即使存在電場(chǎng)也不導(dǎo)電。但對(duì)于圖(b)的半滿帶，在外電場(chǎng)的作用下電子的運(yùn)動(dòng)改變了布里淵區(qū)內(nèi)電子的分布情況和能量狀態(tài)，電子吸收能量以后躍遷到未被電子占據(jù)的能級(jí)上去了，因此半滿帶中的電子在外電場(chǎng)的作用下可以參與導(dǎo)電。滿帶與半滿帶滿帶=價(jià)帶半滿帶=導(dǎo)帶3.2固體中電的傳導(dǎo)3.2.1能帶和鍵模型2023/5/1310第10頁(yè)，共69頁(yè)。

(a)T=0K(b)T>0K(c)簡(jiǎn)化能帶圖T=0K的半導(dǎo)體能帶見(jiàn)圖(a)，這時(shí)半導(dǎo)體的價(jià)帶是滿帶，而導(dǎo)帶是空帶，故半導(dǎo)體不導(dǎo)電。當(dāng)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)榘霛M帶，而價(jià)帶頂附近同時(shí)出現(xiàn)了一些空的量子態(tài)也成為半滿帶，這時(shí)導(dǎo)帶和價(jià)帶中的電子都可以參與導(dǎo)電，見(jiàn)圖(b)。常溫下半導(dǎo)體價(jià)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(c)是最常用的簡(jiǎn)化能帶圖。半導(dǎo)體的能帶3.2固體中電的傳導(dǎo)3.2.1能帶和鍵模型2023/5/1311第11頁(yè)，共69頁(yè)。2023/5/1312粒子所受作用力粒子所受外力內(nèi)力粒子靜止質(zhì)量加速度粒子有效質(zhì)量，包括了粒子的質(zhì)量以及內(nèi)力作用的效果。加速度3.2固體中電的傳導(dǎo)3.2.3電子的有效質(zhì)量第12頁(yè)，共69頁(yè)。有效質(zhì)量的意義上述半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律公式都出現(xiàn)了有效質(zhì)量mn*，原因在于F=mn*a中的F并不是電子所受力的總和。即使沒(méi)有外力作用，半導(dǎo)體中電子也要受到格點(diǎn)原子和其它電子的作用。當(dāng)存在外力時(shí)，電子所受合力等于外力再加上原子核勢(shì)場(chǎng)和其它電子勢(shì)場(chǎng)力。由于找出原子勢(shì)場(chǎng)和其他電子勢(shì)場(chǎng)力的具體形式非常困難，這部分勢(shì)場(chǎng)的作用就由有效質(zhì)量mn*加以概括，mn*有正有負(fù)正是反映了晶體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用。既然mn*概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)作用，外力F與晶體中電子的加速度就通過(guò)mn*聯(lián)系了起來(lái)而不必再涉及內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)。3.2固體中電的傳導(dǎo)3.2.3電子的有效質(zhì)量導(dǎo)帶底部的電子與價(jià)帶頂部的空穴有效質(zhì)量都為正值，價(jià)帶頂部的電子和導(dǎo)帶底部的空穴有效質(zhì)量都為負(fù)值2023/5/1313第13頁(yè)，共69頁(yè)。一定溫度下，價(jià)帶頂附近的電子受激躍遷到導(dǎo)帶底附近，此時(shí)導(dǎo)帶底電子和價(jià)帶中剩余的大量電子都處于半滿帶當(dāng)中，在外電場(chǎng)的作用下，它們都要參與導(dǎo)電。對(duì)于價(jià)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?？昭ň哂幸韵碌奶攸c(diǎn)：(1)帶有與電子電荷量相等但符號(hào)相反的+q電荷；(2)空穴的濃度就是價(jià)帶頂附近空態(tài)的濃度；(3)空穴的共有化運(yùn)動(dòng)速度就是價(jià)帶頂附近空態(tài)中電子的共有化運(yùn)動(dòng)速度；(4)空穴的有效質(zhì)量是一個(gè)正常數(shù)mp*。半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底部的電子以及價(jià)帶頂部的空穴統(tǒng)稱為載流子。3.2固體中電的傳導(dǎo)3.2.4空穴的概念P552023/5/1314第14頁(yè)，共69頁(yè)。硅和砷化鎵的k空間能帶圖直接帶隙半導(dǎo)體：價(jià)帶能量最大值和導(dǎo)帶能量最小值的k坐標(biāo)一致。間接帶隙半導(dǎo)體：價(jià)帶能量最大值和導(dǎo)帶能量最小值的k坐標(biāo)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2023/5/1315第15頁(yè)，共69頁(yè)。粒子在有效能態(tài)中的分布：三種分布法則麥克斯韋-玻爾茲曼分布函數(shù)認(rèn)為分布中的粒子可以被一一區(qū)分，且對(duì)每個(gè)能態(tài)所容納的粒子數(shù)沒(méi)有限制。玻色-愛(ài)因斯坦分布函數(shù)認(rèn)為分布中的粒子不可區(qū)分，但每個(gè)能態(tài)所容納的粒子數(shù)沒(méi)有限制。費(fèi)米-狄拉克分布函數(shù)認(rèn)為分布中的粒子不可區(qū)分，且每個(gè)量子態(tài)只允許一個(gè)粒子存在。3.5統(tǒng)計(jì)力學(xué)3.5.1統(tǒng)計(jì)規(guī)律載流子是服從費(fèi)米-狄拉克分布函數(shù)的，但是當(dāng)E-EF>>kT時(shí)，可以簡(jiǎn)化為波爾茲曼函數(shù)。簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的載流子不能簡(jiǎn)化為波爾茲曼分布函數(shù)。2023/5/1316第16頁(yè)，共69頁(yè)。費(fèi)米能級(jí)標(biāo)志了電子填充能級(jí)的水平。半導(dǎo)體中常見(jiàn)的是費(fèi)米能級(jí)EF位于禁帶之中，并且滿足Ec-EF>>kT或EF-Ev>>kT的條件。因此對(duì)導(dǎo)帶或價(jià)帶中所有量子態(tài)來(lái)說(shuō)，電子或空穴都可以用波爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布描述。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(jià)帶絕大部分空穴分布在價(jià)帶頂附近，即起作用的載流子都在能帶極值附近。費(fèi)米能級(jí)簡(jiǎn)并半導(dǎo)體：服從費(fèi)米狄拉克分布函數(shù)的半導(dǎo)體。非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體：服從波爾茲曼分布函數(shù)的半導(dǎo)體2023/5/1317第17頁(yè)，共69頁(yè)。基本概念平衡狀態(tài)：沒(méi)有外界影響(如電壓、電場(chǎng)、磁場(chǎng)或溫度梯度)作用在半導(dǎo)體上的狀態(tài)。本征半導(dǎo)體：

沒(méi)有雜質(zhì)原子和缺陷的純凈晶體。載流子：

能夠參與導(dǎo)電，荷載電流的粒子:電子、空穴。平衡半導(dǎo)體的標(biāo)志是具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)EF2023/5/1318第18頁(yè)，共69頁(yè)。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p0表示價(jià)帶中平衡空穴濃度本征半導(dǎo)體中有：n0=p0=nini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(jìn)帶寬度越窄，濃度越大平衡半導(dǎo)體的判據(jù)是n0p0=ni22023/5/1319第19頁(yè)，共69頁(yè)。本征半導(dǎo)體：本征激發(fā)：不含有任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。導(dǎo)帶電子唯一來(lái)源于成對(duì)地產(chǎn)生電子-空穴對(duì)因此導(dǎo)帶電子濃度就等于價(jià)帶空穴濃度。本征半導(dǎo)體的電中性條件是qp0-qn0=0即n0=p0=ni本征載流子濃度本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)稱為本征費(fèi)米能級(jí)，EF=EFi。4.1半導(dǎo)體中載流子4.1.3本征載流子濃度任何平衡態(tài)半導(dǎo)體載流子濃度積n0p0

等于本征載流子濃度ni2。對(duì)確定的半導(dǎo)體材料，受式中Nc和Nv、尤其是指數(shù)項(xiàng)exp(-Eg/kT)的影響，本征載流子濃度ni隨溫度的升高顯著上升。平衡態(tài)半導(dǎo)體n0p0積與EF無(wú)關(guān)；對(duì)確定半導(dǎo)體，mn*、mp*和Eg確定，n0p0積只與溫度有關(guān)，與是否摻雜及雜質(zhì)多少無(wú)關(guān)；一定溫度下，材料不同則mn*、mp*和Eg各不相同，其n0p0積也不相同。2023/5/1320第20頁(yè)，共69頁(yè)。本征費(fèi)米能級(jí)：禁帶中央本征費(fèi)米能級(jí)精確位于禁帶中央；本征費(fèi)米能級(jí)會(huì)稍高于禁帶中央；本征費(fèi)米能級(jí)會(huì)稍低于禁帶中央；4.1半導(dǎo)體中載流子4.1.4本征費(fèi)米能級(jí)位置2023/5/1321第21頁(yè)，共69頁(yè)。2023/5/1322能夠在Si或Ge中能夠施放導(dǎo)電電子的元素，稱為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)，用Nd表示。電子脫離施主雜質(zhì)的束縛成為導(dǎo)電電子的過(guò)程稱為施主電離，區(qū)別：施主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，施主雜質(zhì)電離后，它是顯電正性。Si中摻入施主雜質(zhì)后，通過(guò)雜質(zhì)電離增加了導(dǎo)電電子數(shù)量從而增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。把主要依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體。n型半導(dǎo)體中電子稱為多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子；而空穴稱為少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。施主雜質(zhì)，施主電離，施主電離前后的區(qū)別？請(qǐng)舉例說(shuō)明第22頁(yè)，共69頁(yè)。以Si中摻入V族元素磷(P)為例：當(dāng)有五個(gè)價(jià)電子的磷原子取代Si原子而位于格點(diǎn)上時(shí)，磷原子五個(gè)價(jià)電子中的四個(gè)與周圍的四個(gè)Si原子組成四個(gè)共價(jià)鍵，還多出一個(gè)價(jià)電子，磷原子所在處也多余一個(gè)稱為正電中心磷離子的正電荷。多余的這個(gè)電子被正電中心磷離子所吸引只能在其周圍運(yùn)動(dòng)，不過(guò)這種吸引要遠(yuǎn)弱于共價(jià)鍵的束縛，只需很小的能量就可以使其掙脫束縛，形成能在整個(gè)晶體中“自由”運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電電子。而正電中心磷離子被晶格所束縛，不能運(yùn)動(dòng)。2023/5/1323第23頁(yè)，共69頁(yè)。2023/5/1324能夠在Si或Ge中能夠接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴的元素，稱為受主雜質(zhì)或p型雜質(zhì)，用Na表示?？昭⊕昝撌苤麟s質(zhì)束縛的過(guò)程稱為受主電離，區(qū)別：受主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的；電離后成為負(fù)電中心，它顯電負(fù)性。Si中摻入受主雜質(zhì)后，受主電離增加了導(dǎo)電空穴，增強(qiáng)了半導(dǎo)體導(dǎo)電能力，把主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱作p型半導(dǎo)體。p型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。施主雜質(zhì)，施主電離，施主電離前后的區(qū)別？請(qǐng)舉例說(shuō)明第24頁(yè)，共69頁(yè)。以Si中摻入Ⅲ族元素硼(B)為例：硼只有三個(gè)價(jià)電子，為與周圍四個(gè)Si原子形成四個(gè)共價(jià)鍵，必須從附近的Si原子共價(jià)鍵中奪取一個(gè)電子，這樣硼原子就多出一個(gè)電子，形成負(fù)電中心硼離子，同時(shí)在Si的共價(jià)鍵中產(chǎn)生了一個(gè)空穴。這個(gè)被負(fù)電中心硼離子依靠靜電引力束縛的空穴還不是自由的，不能參加導(dǎo)電，但這種束縛作用同樣很弱，很小的能量ΔEA就使其成為可以“自由”運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電空穴。而負(fù)電中心硼離子被晶格所束縛，不能運(yùn)動(dòng)。2023/5/1325第25頁(yè)，共69頁(yè)。簡(jiǎn)并半導(dǎo)體及其載流子濃度半導(dǎo)體中玻耳茲曼分布函數(shù)并不總是適用，n型半導(dǎo)體中如果施主濃度Nd很高，雜質(zhì)能級(jí)會(huì)分裂為能帶，隨著濃度的增加，能帶逐漸展寬，當(dāng)Nd增大到可以與有效狀態(tài)密度相比擬時(shí)，有可能與導(dǎo)帶底相交疊。EF就會(huì)與導(dǎo)帶底Ec重合甚至進(jìn)入導(dǎo)帶，此時(shí)E-EF>>kT不再成立，必須用費(fèi)米分布函數(shù)計(jì)算導(dǎo)帶電子濃度，這種情況稱為載流子的簡(jiǎn)并化。提問(wèn)：n型半導(dǎo)體中如果施主濃度Nd很高，玻耳茲曼分布函數(shù)是否仍然適用？2023/5/1326第26頁(yè)，共69頁(yè)。2023/5/1327

雜質(zhì)強(qiáng)電離后，如果溫度繼續(xù)升高，n0是否還等于Nd?費(fèi)米能級(jí)的位置會(huì)怎樣改變？雜質(zhì)強(qiáng)電離后，如果溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)也進(jìn)一步增強(qiáng)，當(dāng)ni可以與Nd比擬時(shí)，本征載流子濃度就不能忽略了，這樣的溫度區(qū)間稱為過(guò)渡區(qū)。就可求出過(guò)渡區(qū)以本征費(fèi)米能級(jí)EFi為參考的費(fèi)米能級(jí)EF處在過(guò)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(huì)遠(yuǎn)大于雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度，此時(shí)，n0>>Nd，p0>>Nd，電中性條件是n0=p0，稱雜質(zhì)半導(dǎo)體進(jìn)入了高溫本征激發(fā)區(qū)。在高溫本征激發(fā)區(qū)，因?yàn)閚0=p0，此時(shí)的EF接近EFi。第27頁(yè)，共69頁(yè)。熱平衡條件下，半導(dǎo)體處于電中性狀態(tài)—凈電荷為零。補(bǔ)償半導(dǎo)體：同一區(qū)域同時(shí)含有施主和受主雜質(zhì)原子的半導(dǎo)體。對(duì)于補(bǔ)償半導(dǎo)體而言，總的雜質(zhì)濃度是Nd+Na，載流子濃度是大的濃度減去小的濃度一般n型半導(dǎo)體的EF位于EFi之上Ec之下的禁帶中。EF既與溫度有關(guān)，也與雜質(zhì)濃度Nd有關(guān)；一定溫度下?lián)诫s濃度越高，費(fèi)米能級(jí)EF距導(dǎo)帶底Ec越近；載流子的分布幾率隨能量呈指數(shù)衰減，因此導(dǎo)帶大部分電子分布在導(dǎo)帶底附近，價(jià)帶絕大部分空穴在價(jià)帶頂附近，即其作用的是在能帶極值附近的載流子。2023/5/1328第28頁(yè)，共69頁(yè)。

雜質(zhì)強(qiáng)電離后，如果溫度繼續(xù)升高，n0是否還等于Nd?費(fèi)米能級(jí)的位置會(huì)怎樣改變？雜質(zhì)強(qiáng)電離后，如果溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)也進(jìn)一步增強(qiáng)，當(dāng)ni可以與Nd比擬時(shí)，本征載流子濃度就不能忽略了，這樣的溫度區(qū)間稱為過(guò)渡區(qū)。此刻處在過(guò)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(huì)遠(yuǎn)大于雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度，此時(shí)，n0>>Nd，p0>>Nd，電中性條件是n0=p0，稱雜質(zhì)半導(dǎo)體進(jìn)入了高溫本征激發(fā)區(qū)。在高溫本征激發(fā)區(qū)，因?yàn)閚0=p0，此時(shí)的EF接近EFi。當(dāng)E-EF≤0時(shí)，是處于簡(jiǎn)并狀態(tài)下；當(dāng)0≤E-EF≤2kT時(shí),是處于弱簡(jiǎn)并狀態(tài)下；當(dāng)2kT≤E-EF時(shí)，是處于非簡(jiǎn)并狀態(tài)下2023/5/1329第29頁(yè)，共69頁(yè)。下圖是施主濃度為5×1014cm-3

的n型Si中隨溫度的關(guān)系曲線。圖4.16n型Si中導(dǎo)帶電子濃度和溫度的關(guān)系曲線對(duì)p型半導(dǎo)體的討論與上述類似。低溫段(100K以下)由于雜質(zhì)不完全電離，n0隨著溫度的上升而增加；然后就達(dá)到了強(qiáng)電離區(qū)間，該區(qū)間n0=Nd基本維持不變；溫度再升高，進(jìn)入過(guò)渡區(qū)，ni不可忽視；如果溫度過(guò)高，本征載流子濃度開(kāi)始占據(jù)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。2023/5/1330第30頁(yè)，共69頁(yè)?？梢?jiàn)n型半導(dǎo)體的n0和EF是由溫度和摻雜情況決定的。雜質(zhì)濃度一定時(shí)，如果雜質(zhì)強(qiáng)電離后繼續(xù)升高溫度，施主雜質(zhì)對(duì)載流子的貢獻(xiàn)就基本不變了，但本征激發(fā)產(chǎn)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EF則隨溫度升高逐漸趨近EFi。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ni遠(yuǎn)小于離化雜質(zhì)濃度的強(qiáng)電離溫度區(qū)間。在一定溫度條件下，EF位置由雜質(zhì)濃度Nd決定，隨著Nd的增加，EF由本征時(shí)的EFi逐漸向?qū)У譋c移動(dòng)。n型半導(dǎo)體的EF位于EFi之上，EF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。2023/5/1331第31頁(yè)，共69頁(yè)。n型和p型4.6費(fèi)米能級(jí)的位置2023/5/1332第32頁(yè)，共69頁(yè)。與摻雜濃度的關(guān)系隨著摻雜濃度的增加，n型半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)靠近于導(dǎo)帶；p型半導(dǎo)體靠近于價(jià)帶。2023/5/1333第33頁(yè)，共69頁(yè)。與溫度的關(guān)系

溫度越高，n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)逐漸靠近于本征費(fèi)米能級(jí)。p型也是如此。在高溫情況下，半導(dǎo)體材料的非本征特性消失，逐漸表現(xiàn)得像本征半導(dǎo)體。4.6費(fèi)米能級(jí)的位置2023/5/1334第34頁(yè)，共69頁(yè)。半導(dǎo)體的兩種輸運(yùn)機(jī)制：漂移與擴(kuò)散由電場(chǎng)引起的載流子運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。μ稱為遷移率，單位cm2/Vs。它是溫度和摻雜濃度的函數(shù)。遷移率是半導(dǎo)體的一個(gè)重要參數(shù)，它描述了粒子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)情況。在半導(dǎo)體上加較小的電場(chǎng)就能獲得很大的漂移電流密度。從此例可知，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。2023/5/1335第35頁(yè)，共69頁(yè)。載流子的散射：所謂自由載流子，實(shí)際上只有在兩次散射之間才真正是自由運(yùn)動(dòng)的，其連續(xù)兩次散射間自由運(yùn)動(dòng)的平均路程稱為平均自由程，而平均時(shí)間稱為平均自由時(shí)間。在半導(dǎo)體中主要有兩種散射機(jī)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。5.1載流子的漂移運(yùn)動(dòng)

5.1.2遷移率擴(kuò)散是因?yàn)闊o(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而引起的粒子從濃度高處向濃度低處的有規(guī)則的輸運(yùn)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起源于粒子濃度分布的不均勻。存在條件：有粒子濃度梯度2023/5/1336第36頁(yè)，共69頁(yè)。5.1載流子的漂移運(yùn)動(dòng)

5.1.2遷移率聲子散射當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，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(wú)規(guī)則熱振動(dòng)。晶格熱振動(dòng)破壞了勢(shì)函數(shù)（固體的周期性勢(shì)場(chǎng)允許電子在整個(gè)晶體中自由運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)受到散射），導(dǎo)致載流子電子、空穴、與振動(dòng)的晶格原子發(fā)生相互作用。這種晶格散射稱為聲子散射。在輕摻雜半導(dǎo)體中，晶格散射是主要散射機(jī)構(gòu)，載流子遷移率隨溫度升高而減小，遷移率與T-n成正比。參數(shù)n并不等于一階散射理論預(yù)期的3/2，但確是隨溫度升高而下降。2023/5/1337第37頁(yè)，共69頁(yè)。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(kù)侖作用會(huì)引起他們之間的碰撞或散射，這種散射機(jī)制稱為電離雜質(zhì)散射。5.1載流子的漂移運(yùn)動(dòng)

5.1.2遷移率遷移率是溫度和電離雜質(zhì)中心數(shù)量的函數(shù)。遷移率隨溫度增加而增加，隨雜質(zhì)濃度增加減小τ表示晶格散射造成的碰撞之間的平均時(shí)間間隔2023/5/1338第38頁(yè)，共69頁(yè)。5.1載流子的漂移運(yùn)動(dòng)

5.1.3電導(dǎo)率σ表示半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率，單位為(Ωcm)-1。電導(dǎo)率是載流子濃度和遷移率的函數(shù)。電導(dǎo)率:電阻率的倒數(shù)因此，非本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率或電阻率是多數(shù)載流子的函數(shù)。2023/5/1339第39頁(yè)，共69頁(yè)。Nd=1015cm-35.1載流子的漂移運(yùn)動(dòng)

5.1.3電導(dǎo)率在中溫區(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)率隨溫度發(fā)生變化。在較低溫度范圍內(nèi)，束縛態(tài)開(kāi)始出現(xiàn)，電子濃度和電導(dǎo)率隨溫度降低而下降。在更高的溫度范圍內(nèi)，本征載流子濃度增加并開(kāi)始主導(dǎo)電子濃度和電導(dǎo)率。2023/5/1340第40頁(yè)，共69頁(yè)。（紅線區(qū)-電阻：阻礙運(yùn)輸）對(duì)于本征半導(dǎo)體，本征激發(fā)起決定性因素，所以T升高，電阻下降；對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體，在溫度很低時(shí)，本征電離可忽略，T升高，雜質(zhì)電離的載流子越來(lái)越多，電阻下降；進(jìn)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，T升高，晶格震動(dòng)散射加劇，電阻升高；高溫區(qū)，本征激發(fā)起主要作用，T升高，本征激發(fā)明顯，電阻下降。半導(dǎo)體的電阻特性電子濃度電阻2023/5/1341第41頁(yè)，共69頁(yè)。對(duì)于本征半導(dǎo)體，電導(dǎo)率為：5.1載流子的漂移運(yùn)動(dòng)

5.1.3電導(dǎo)率一般來(lái)說(shuō)，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。2023/5/1342第42頁(yè)，共69頁(yè)。5.1載流子的漂移運(yùn)動(dòng)

5.1.4飽和速度在弱電場(chǎng)下，平均漂移速度是電場(chǎng)強(qiáng)度的線性函數(shù)，斜率即為遷移率；在強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，載流子的速度漂移特性嚴(yán)重偏離了弱電場(chǎng)區(qū)的線性關(guān)系。例如，硅中的電子漂移速度在外加電場(chǎng)強(qiáng)度約為30kV/cm時(shí)達(dá)到飽和，飽和速度約為107cm/s。如果載流子的漂移速度達(dá)到飽和，那么漂移電流密度也達(dá)到飽和，不再隨外加電場(chǎng)變化。載流子的運(yùn)動(dòng)速度不再隨電場(chǎng)增加而增加P1242023/5/1343第43頁(yè)，共69頁(yè)。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。隨著電場(chǎng)強(qiáng)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，有效質(zhì)量變?yōu)?.55m0。高能谷中，有效質(zhì)量變大，遷移率變小。這種多能谷間的散射機(jī)構(gòu)導(dǎo)致電子的平均漂移速度隨電場(chǎng)增加而減小，從而出現(xiàn)負(fù)微分遷移率特性。5.1載流子的漂移運(yùn)動(dòng)

5.1.4飽和速度負(fù)微分遷移率的含義2023/5/1344第44頁(yè)，共69頁(yè)。總電流密度半導(dǎo)體中所產(chǎn)生的電流種類：電子漂移電流、空穴漂移電流電子擴(kuò)散電流、空穴擴(kuò)散電流總電流密度是漂移電流與擴(kuò)散電流的和遷移率描述了半導(dǎo)體中載流子在電場(chǎng)力作用下的運(yùn)動(dòng)情況；擴(kuò)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(yùn)動(dòng)情況。5.2載流子擴(kuò)散

5.2.2總電流密度愛(ài)因斯坦關(guān)系由于晶格散射作用的影響，遷移率是溫度的強(qiáng)函數(shù)，因此擴(kuò)散系數(shù)也是溫度的強(qiáng)函數(shù)。(kT)/e也被看作為Vt2023/5/1345第45頁(yè)，共69頁(yè)。5.4霍爾效應(yīng)VH為正，為p型半導(dǎo)體；VH為負(fù)，為n型半導(dǎo)體；y方向上的感生電場(chǎng)稱為霍爾電場(chǎng)EH?；魻栯妶?chǎng)在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的電壓稱為霍爾電壓VH。電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷施加力的作用產(chǎn)生的效應(yīng)為霍爾效應(yīng)。它是針對(duì)于多數(shù)載流子而言的用途：判斷半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型、計(jì)算多數(shù)載流子的濃度和遷移率。2023/5/1346第46頁(yè)，共69頁(yè)。一般來(lái)說(shuō)：n型半導(dǎo)體中：δn<<n0，δp<<n0。

p型半導(dǎo)體中：δn<<p0，δp<<p0。小注入：過(guò)剩載流子濃度遠(yuǎn)小于平衡態(tài)時(shí)的多子濃度要說(shuō)明的是即使?jié)M足小注入條件，非平衡少子濃度仍然可以比平衡少子濃度大得多!!!因此相對(duì)來(lái)說(shuō)非平衡多子的影響輕微，而非平衡少子的影響起重要作用。通常說(shuō)的非平衡載流子都是指非平衡少子。大注入：過(guò)剩載流子濃度接近或大于平衡時(shí)多子的濃度6.1載流子的產(chǎn)生與復(fù)合

6.1.2過(guò)剩載流子2023/5/1347第47頁(yè)，共69頁(yè)。2.非平衡載流子的產(chǎn)生：光照前半導(dǎo)體中電子和空穴濃度分別是n0和p0，并且n0>>p0。光照后的非平衡態(tài)半導(dǎo)體中電子濃度n=n0+δn，空穴濃度p=p0+δp，并且δn=δp。比平衡態(tài)多出來(lái)的這部分載流子δn和δp就稱為過(guò)剩載流子。δn和δp分別為過(guò)剩電子和空穴濃度。過(guò)剩載流子的擴(kuò)散、漂移和復(fù)合都具有相同的有效擴(kuò)散系數(shù)、漂移遷移率和壽命。這種現(xiàn)象稱為雙極輸運(yùn)。針對(duì)于少數(shù)載流子而言2023/5/1348第48頁(yè)，共69頁(yè)。4.過(guò)剩少子的壽命光照停止后非平衡載流子生存一定時(shí)間然后消失，所以過(guò)剩少子濃度是一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的量。把撤除光照后非平衡載流子的平均生存時(shí)間τ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壽命。為描述非平衡載流子的復(fù)合消失速度，定義單位時(shí)間單位體積內(nèi)凈復(fù)合消失的電子-空穴對(duì)數(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

6.1.2過(guò)剩載流子2023/5/1349第49頁(yè)，共69頁(yè)。按復(fù)合過(guò)程中載流子躍遷方式不同分為：直接復(fù)合：是電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的直接躍遷而引起電子-空穴的消失；間接復(fù)合：指電子和空穴通過(guò)禁帶中的能級(jí)(稱為復(fù)合中心)進(jìn)行的復(fù)合。按復(fù)合發(fā)生的部位分為體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合。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(有發(fā)光現(xiàn)象)、把多余能量傳遞給晶格或者把多余能量交給其它載流子(俄歇復(fù)合)。5.非平衡載流子幾種不同的復(fù)合形式：6.1載流子的產(chǎn)生與復(fù)合

6.1.2過(guò)剩載流子2023/5/1350第50頁(yè)，共69頁(yè)。表面效應(yīng)我們前面所討論的半導(dǎo)體是無(wú)限長(zhǎng)的理想的半導(dǎo)體，但是實(shí)際中的半導(dǎo)體的長(zhǎng)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(jìn)而造成表面處的過(guò)剩少子壽命要比相應(yīng)材料內(nèi)部的壽命短。無(wú)限的表面復(fù)合速度，會(huì)導(dǎo)致表面的過(guò)剩載流子濃度和壽命為零。半導(dǎo)體的表面載流子濃度小于內(nèi)部的載流子濃度。海恩斯-肖克萊實(shí)驗(yàn)是用于測(cè)少子的遷移率，擴(kuò)散系數(shù)和壽命2023/5/1351第51頁(yè)，共69頁(yè)。冶金結(jié)——p區(qū)和n區(qū)的交界面突變結(jié)線性緩變結(jié)超突變結(jié)突變結(jié)——均勻分布，交界處突變7.1pn結(jié)的基本結(jié)構(gòu)2023/5/1352第52頁(yè)，共69頁(yè)?？臻g電荷區(qū)，也被稱為耗盡區(qū)（SCR）即沒(méi)有可自由移動(dòng)的凈電荷，高阻區(qū)。它的寬度主要在摻雜濃度少的一側(cè)的半導(dǎo)體pn結(jié)的形成7.1pn結(jié)的基本結(jié)構(gòu)2023/5/1353第53頁(yè)，共69頁(yè)。內(nèi)建電勢(shì)差本章開(kāi)始Nd,Na分別指n區(qū)和p區(qū)內(nèi)的凈施主和受主雜質(zhì)?。?！7.2零偏

7.2.1內(nèi)建電勢(shì)差熱電壓由此圖可知：內(nèi)建電勢(shì)差主要是在重?fù)诫s的一側(cè)的半導(dǎo)體2023/5/1354第54頁(yè)，共69頁(yè)。反偏與內(nèi)建電場(chǎng)方向相同EF不再統(tǒng)一7.3反偏

7.3.1空間電荷區(qū)寬度與電場(chǎng)2023/5/1355第55頁(yè)，共69頁(yè)。7.3反偏

7.3.3單邊突變結(jié)由圖可知：空間電荷區(qū)主要由輕摻雜的半導(dǎo)體決定2023/5/1356第56頁(yè)，共69頁(yè)。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，電壓越大，空間電荷區(qū)寬度越窄。反偏能帶圖零偏能帶圖正偏能帶圖2023/5/1357第57頁(yè)，共69頁(yè)。齊納(隧穿)擊穿(重?fù)诫s)和雪崩擊穿(輕摻雜)結(jié)擊穿兩種機(jī)制隧道二極管：p區(qū)與n區(qū)都為簡(jiǎn)并摻雜的pn結(jié)成為隧道二極管2023/5/1358第58頁(yè)，共69頁(yè)。10.1雙極晶體管的工作原理結(jié)構(gòu)和符號(hào)一個(gè)加號(hào)代表重?fù)诫s，兩個(gè)加號(hào)代表比重?fù)诫s還重的摻雜2023/5/1359第59頁(yè)，共69頁(yè)。10.1雙極晶體管的工作原理IEICIBVECVCBVBEIE=IC+IBVEC=VEB+VBC=-VBE-VCB四種工作模式VBE、VCB正反、反反、反正、正正正向有源截止反向有源飽和發(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2023/5/1360第60頁(yè)，共69頁(yè)。三極管的三種連接方式三極管在電路中的連接方式有三種：①共基極接法；②共發(fā)射極接法，③共集電極接法。共什么極是指電路的輸入端及輸出端以這個(gè)極作為公共端。必須注意，無(wú)論那種接法，為了使三極管具有正常的電流放大作用，都必須外加大小和極性適當(dāng)?shù)碾妷?。即必須給發(fā)射結(jié)加正向偏置電壓，發(fā)射區(qū)才能起到向基