半導(dǎo)體物理學(xué)全套課件

半導(dǎo)體物理安徽建筑工業(yè)學(xué)院教材及參考書目《半導(dǎo)體物理學(xué)》劉恩科、朱秉升、羅晉生等編著，電子工業(yè)出版社《半導(dǎo)體器件物理與工藝》(美)A.S.格羅夫著，齊建譯《半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)》黃昆、韓汝琦著《半導(dǎo)體器件物理與工藝》(美)施敏(S.M.Sze)著，王陽元等譯《半導(dǎo)體物理與器件——基本原理》(第3版)(美)DonaldA.Neamen著 西安電子科技大學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)精品課程 :8000/課程考核辦法

:本課采用閉卷筆試的考核辦法。總評成績構(gòu)成比例為：平時成績30%；期末考試70%半導(dǎo)體物理學(xué)固態(tài)電子學(xué)分支之一微電子學(xué)光電子學(xué)研究在固體（主要是半導(dǎo)體〕材料上構(gòu)成的微小型化器件、電路、及系統(tǒng)的電子學(xué)分支學(xué)科微電子學(xué)簡介:半導(dǎo)體概要微電子學(xué)研究領(lǐng)域半導(dǎo)體器件物理集成電路工藝集成電路設(shè)計和測試微電子學(xué)發(fā)展的特點(diǎn)向高集成度、低功耗、高性能高可靠性電路方向發(fā)展與其它學(xué)科互相滲透，形成新的學(xué)科領(lǐng)域：光電集成、MEMS、生物芯片半導(dǎo)體概要固體材料分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體什么是半導(dǎo)體？半導(dǎo)體及其基本特性半導(dǎo)體的基本知識導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。按不同的標(biāo)準(zhǔn)，有不同的分類方式。按固體的導(dǎo)電能力區(qū)分，可以區(qū)分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體表1.1導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的電阻率范圍材料導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體電阻率ρ(Ωcm)＜10-310-3～109＞109此外，半導(dǎo)體還具有一些重要特性，主要包括：溫度升高使半導(dǎo)體導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率下降如室溫附近的純硅(Si)，溫度每增加8℃，電阻率相應(yīng)地降低50%左右微量雜質(zhì)含量可以顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力以純硅中每100萬個硅原子摻進(jìn)一個Ⅴ族雜質(zhì)（比如磷）為例，這時硅的純度仍高達(dá)99.9999%，但電阻率在室溫下卻由大約214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下適當(dāng)波長的光照可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力如在絕緣襯底上制備的硫化鎘(CdS)薄膜，無光照時的暗電阻為幾十MΩ，當(dāng)受光照后電阻值可以下降為幾十KΩ此外，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還隨電場、磁場等的作用而改變本課程的內(nèi)容安排

以元素半導(dǎo)體硅(Si)和鍺(Ge)為對象：介紹了半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和缺陷，定義了晶向和晶面討論了半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)與能帶結(jié)構(gòu)，介紹了雜質(zhì)半導(dǎo)體及其雜質(zhì)能級在對半導(dǎo)體中載流子統(tǒng)計的基礎(chǔ)上分析了影響因素，討論了非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合對半導(dǎo)體中載流子的漂移運(yùn)動和半導(dǎo)體的導(dǎo)電性進(jìn)行了討論，介紹了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動，建立了連續(xù)性方程簡要介紹了半導(dǎo)體表面的相關(guān)知識內(nèi)容簡介半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)雜質(zhì)和缺陷能級載流子的統(tǒng)計分布載流子的散射及電導(dǎo)非平衡載流子pn結(jié)半導(dǎo)體表面及MIS結(jié)構(gòu)第一章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)本章重點(diǎn)半導(dǎo)體單晶材料中的電子狀態(tài)及其運(yùn)動規(guī)律領(lǐng)會“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”處理方法單電子近似——能帶論一、晶體的基本知識長期以來將固體分為：晶體和非晶體。晶體的基本特點(diǎn)：具有一定的外形和固定的熔點(diǎn)，組成晶體的原子（或離子）在較大的范圍內(nèi)（至少是微米量級）是按一定的方式有規(guī)則的排列而成——長程有序。（如Si，Ge，GaAs）晶體又可分為：單晶和多晶。單晶：指整個晶體主要由原子(或離子)的一種規(guī)則排列方式所貫穿。常用的半導(dǎo)體材料鍺(Ge)、硅(Si)、砷化鎵

(GaAs)都是單晶。多晶：是由大量的微小單晶體（晶粒）隨機(jī)堆積成的整塊材料，如各種金屬材料和電子陶瓷材料。非晶（體）的基本特點(diǎn)：

無規(guī)則的外形和固定的熔點(diǎn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不存在長程有序，但在若干原子間距內(nèi)的較小范圍內(nèi)存在結(jié)構(gòu)上的有序排列——短程有序（如非晶硅：a-Si）

圖1.1非晶、多晶和單晶示意圖二、晶體結(jié)構(gòu)單胞對于任何給定的晶體，可以用來形成其晶體結(jié)構(gòu)的最小單元注：（a）單胞無需是唯一的

（b）單胞無需是基本的晶體的晶向與晶面晶體是由晶胞周期性重復(fù)排列構(gòu)成的，整個晶體就像網(wǎng)格，稱為晶格，組成晶體的原子(或離子)的重心位置稱為格點(diǎn)，格點(diǎn)的總體稱為點(diǎn)陣。對半導(dǎo)體Si、Ge和GaAs等具有金剛石或閃鋅礦結(jié)構(gòu)的立方晶系，通常取某個格點(diǎn)為原點(diǎn)，再取立方晶胞的三個互相垂直的邊OA,OB,OC為三個坐標(biāo)軸，稱為晶軸，見圖1.5。圖1.5立方晶系的晶軸通過晶格中任意兩格點(diǎn)可以作一條直線，而且通過其它格點(diǎn)還可以作出很多條與它彼此平行的直線，而晶格中的所有格點(diǎn)全部位于這一系列相互平行的直線系上，這些直線系稱為晶列。圖1.6兩種不同的晶列晶列的取向稱為晶向。為表示晶向，從一個格點(diǎn)O沿某個晶向到另一格點(diǎn)P作位移矢量R，如圖1.7，則

R=l1a+l2b+l3c若l1:l2:l3不是互質(zhì)的，通過

l1:l2:l3

＝m:n:p化為互質(zhì)整數(shù)，

mnp就稱為晶列指數(shù)，寫成

[mnp]，用來表示某個晶向。圖1.7晶向的表示晶列指數(shù)就是某個晶向矢量在三晶軸上投影的互質(zhì)整數(shù)。若mnp中有負(fù)數(shù)，負(fù)號寫在該指數(shù)的上方，[mnp]和表示正好相反的晶向。同類晶向記為<mnp>。例：<100>代表了[100]、[ī00]、[010]、[0ī0]、[001]、[00ī]六個同類晶向；<111>代表了立方晶胞所有空間對角線的8個晶向；而<110>表示立方晶胞所有12個面對角線的晶向晶格中的所有格點(diǎn)也可看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，這樣的平面系稱為晶面族，如圖1.8所示。為表示不同的晶面，在三個晶軸上取某一晶面與三晶軸的截距r、s、t，如圖1.9所示。圖1.8晶面族圖1.9晶面的截距將晶面與三晶軸的截距r、s、t的倒數(shù)的互質(zhì)整數(shù)h、k、l稱為晶面指數(shù)或密勒指數(shù)，記作(hkl)并用來表示某一個晶面截距為負(fù)時，在指數(shù)上方加一短橫。如果晶面和某個晶軸平行，截距為∞，相應(yīng)指數(shù)為零。同類型的晶面通常用{hkl}表示。圖1.10立方晶系的一些常用晶向和晶面晶格（lattice）周期性結(jié)構(gòu)：如簡立方、面心立方、體心立方等。晶胞（cell）周期性重復(fù)單元固體物理學(xué)原胞：最小重復(fù)單元結(jié)晶學(xué)原胞：為反映對稱性選取的最小重復(fù)單元的幾倍1.金剛石結(jié)構(gòu)和共價鍵硅、鍺：共價半導(dǎo)體硅、鍺晶體結(jié)構(gòu)：金剛石結(jié)構(gòu)對于單晶Si或Ge，它們分別由同一種原子組成，通過二個原子間共有一對自旋相反配對的價電子把原子結(jié)合成晶體。這種依靠共有自旋相反配對的價電子所形成的原子間的結(jié)合力，稱為共價鍵。由共價鍵結(jié)合而成的晶體稱為共價晶體。Si、Ge都是典型的共價晶體。一、共價鍵的形成和性質(zhì)

典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價元素。硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。

本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)束縛電子在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。

本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個9”。共價鍵的性質(zhì)：飽和性和方向性飽和性：指每個原子與周圍原子之間的共價鍵數(shù)目有一定的限制。

Si、Ge等Ⅳ族元素有4個未配對的價電子，每個原子只能與周圍4個原子共價鍵合，使每個原子的最外層都成為8個電子的閉合殼層，因此共價晶體的配位數(shù)(即晶體中一個原子最近鄰的原子數(shù))只能是4。方向性：指原子間形成共價鍵時，電子云的重疊在空間一定方向上具有最高密度，這個方向就是共價鍵方向。

共價鍵方向是四面體對稱的，即共價鍵是從正四面體中心原子出發(fā)指向它的四個頂角原子，共價鍵之間的夾角為109°28′，這種正四面體稱為共價四面體。

圖中原子間的二條連線表示共有一對價電子，二條線的方向表示共價鍵方向。共價四面體中如果把原子粗略看成圓球并且最近鄰的原子彼此相切，圓球半徑就稱為共價四面體半徑。圖1.2共價四面體二、金剛石晶格結(jié)構(gòu)

金剛石由碳原子構(gòu)成，在一個面心立方原胞內(nèi)還有四個原子，這四個原子分別位于四個空間對角線的1／4處。一個碳原子和其它四個碳原子構(gòu)成一個正四面體。如圖所示。DiamondstructureSi、Ge晶體結(jié)構(gòu)圖1.3(a)畫出了由四個共價四面體所組成的一個Si、Ge晶體結(jié)構(gòu)的晶胞，統(tǒng)稱為金剛石結(jié)構(gòu)晶胞整個Si、Ge晶體就是由這樣的晶胞周期性重復(fù)排列而成它是一個正立方體，立方體的八個頂角和六個面心各有一個原子，內(nèi)部四條空間對角線上距頂角原子1/4對角線長度處各有一個原子，金剛石結(jié)構(gòu)晶胞中共有8個原子金剛石結(jié)構(gòu)晶胞也可以看作是兩個面心立方沿空間對角線相互平移1/4對角線長度套構(gòu)而成的面心立方是指一個正立方體的八個頂角和六個面心各有一個原子的結(jié)構(gòu)，如圖1.3(b)所示圖1.3(a)金剛石結(jié)構(gòu)的晶胞(b)面心立方Znic-blendestructure(ZnS)立方系的硫化鋅具有和金剛石類似的結(jié)構(gòu)，其中硫和鋅分別組成面心立方結(jié)構(gòu)的子晶格而沿空間對角線位移1／4的長度套構(gòu)而成。這樣的結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱閃鋅礦結(jié)構(gòu)。金剛石結(jié)構(gòu)每個原子周圍有四個最鄰近的原子，這四個原子處于正四面體的頂角上，任一頂角上的原子和中心原子各貢獻(xiàn)一個價電子為該兩個原子所共有，并形成穩(wěn)定的共價鍵結(jié)構(gòu)。共價鍵夾角：109?28’金剛石結(jié)構(gòu)結(jié)晶學(xué)原胞兩個面心立方沿立方體空間對角線互相位移了四分之一的空間對角線長度套構(gòu)而成。金剛石結(jié)構(gòu)固體物理學(xué)原胞中心有原子的正四面體結(jié)構(gòu)（相同雙原子復(fù)式晶格）圖1.2共價四面體金剛石結(jié)構(gòu)原子在晶胞內(nèi)的排列情況頂角八個，貢獻(xiàn)1個原子；面心六個，貢獻(xiàn)3個原子；晶胞內(nèi)部4個；共計8個原子。硅、鍺基本物理參數(shù)晶格常數(shù)硅：0.543089nm鍺：0.565754nm原子密度硅：5.00×1022鍺：4.42×1022共價半徑硅：0.117nm鍺：0.122nm2.閃鋅礦型結(jié)構(gòu)和混合鍵Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料結(jié)晶學(xué)原胞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)兩類原子各自組成的面心立方晶格，沿空間對角線方向彼此位移四分之一空間對角線長度套構(gòu)而成。GaAs晶體結(jié)構(gòu)具有類似于金剛石結(jié)構(gòu)的砷化鎵(GaAs)晶體結(jié)構(gòu)，或稱為閃鋅礦結(jié)構(gòu)。GaAs晶體中每個Ga原子和As原子共有一對價電子，形成四個共價鍵，組成共價四面體。閃鋅礦結(jié)構(gòu)和金剛石結(jié)構(gòu)的不同之處在于套構(gòu)成晶胞的兩個面心立方分別是由兩種不同原子組成的。圖1.4GaAs的閃鋅礦結(jié)構(gòu)與金剛石結(jié)構(gòu)的區(qū)別共價鍵具有一定的極性（兩類原子的電負(fù)性不同），因此晶體不同晶面的性質(zhì)不同。不同雙原子復(fù)式晶格。常見閃鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料Ⅲ-Ⅴ族化合物部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硒化汞，碲化汞等半金屬材料。3.纖鋅礦型結(jié)構(gòu)與閃鋅礦型結(jié)構(gòu)相比相同點(diǎn)以正四面體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)成區(qū)別具有六方對稱性，而非立方對稱性共價鍵的離子性更強(qiáng)纖鋅礦結(jié)構(gòu)（即Zn六角柱與O六角柱沿c-軸方向平移×C的長度套構(gòu)起來的)硫化鋅、硒化鋅、硫化鎘、硒化鎘等材料均可以閃鋅礦型和纖鋅礦型兩種結(jié)構(gòu)結(jié)晶某些重要的半導(dǎo)體材料以氯化鈉型結(jié)構(gòu)結(jié)晶如Ⅳ-Ⅵ族化合物硫化鉛、硒化鉛、碲化鉛等n(主量子數(shù))123主殼層符號KLML(角量子數(shù))01012次殼層符號sspspdmL(磁量子數(shù))00-1010-101-2-1012ms(自旋量子數(shù))↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓狀態(tài)數(shù)或最多電子數(shù)22626102818原子的能級電子殼層不同支殼層電子1s；2s，2p；3s，2p，3d；…共有化運(yùn)動+14電子的能級是量子化的n=3四個電子n=28個電子n=12個電子SiHSi原子的能級自由電子狀態(tài)（一維）一維恒定勢場中的自由電子，遵守薛定諤方程如果勢場V=0，則此方程的解為代表一個沿方向傳播的平面波，k具有量子數(shù)的作用。其中Ψ(x)為自由電子的波函數(shù)，A為振幅，k為平面波的波數(shù)，k=1/λ，λ為波長。規(guī)定k為矢量，稱為波矢，波矢k的方向?yàn)椴娴姆ň€方向。能帶中的量子態(tài)數(shù)一個能帶中有多少個能級呢？因一個布里淵區(qū)對應(yīng)一個能帶，只要知道一個布里淵區(qū)內(nèi)有多少個允許的k值就可以了。對一維晶格，利用循環(huán)邊界條件

Ψk(L)=Ψk(0)，L=NaN是固體物理學(xué)原胞數(shù)，代入布洛赫波函數(shù)得到

K=n/Na=n/L(n=0，±1，±2…)

因此波矢k是量子化的，并且k在布里淵區(qū)內(nèi)均勻分布，每個布里淵區(qū)有N個k值。推廣到三維其中圖2.5K空間的狀態(tài)分布由于每一個k對應(yīng)于一個能量狀態(tài)(能級)，每個能帶中共有N個能級，因固體物理學(xué)原胞數(shù)N很大，一個能帶中眾多的能級可以近似看作是連續(xù)的，稱為準(zhǔn)連續(xù)。由于每一個能級可以容納兩個自旋方向相反的電子，所以每個能帶可以容納2N個電子。

(a)T=0K(b)T>0K(c)簡化能帶圖圖2.7半導(dǎo)體的能帶練習(xí)1、什么是共有化運(yùn)動？2、畫出Si原子結(jié)構(gòu)圖（畫出s態(tài)和p態(tài)并注明該能級層上的電子數(shù)）3、電子所處能級越低越穩(wěn)定。（）4、無論是自由電子還是晶體材料中的電子，他們在某處出現(xiàn)的幾率是恒定不變的。（）5、分別敘述半導(dǎo)體與金屬和絕緣體在導(dǎo)電過程中的差別。半導(dǎo)體物理學(xué)

SEMICONDUCTORPHYSICS簡單立方晶格的晶向標(biāo)志立方邊共6個不同的晶向，但都是等價的，記為：<100>面對角線共12個不同的晶向，等價的，記為：<110>面對角線共8個不同的晶向，等價的，記為：<111>與理想情況的偏離晶格原子是振動的材料含雜質(zhì)晶格中存在缺陷點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子）線缺陷（位錯）面缺陷（層錯）與理想情況的偏離的影響極微量的雜質(zhì)和缺陷，會對半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響，同時也嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的質(zhì)量。1個B原子/個Si原子在室溫下電導(dǎo)率提高倍Si單晶位錯密度要求低于與理想情況的偏離的原因理論分析認(rèn)為，雜質(zhì)和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所產(chǎn)生的周期性勢場受到破壞，并在禁帶中引入了能級，允許電子在禁帶中存在，從而使半導(dǎo)體的性質(zhì)發(fā)生改變。元素周期表主表有7行18列。7行即7個周期，其中前6個周期為完全周期，第7周期為不完全周期（還有元素沒有被確認(rèn)發(fā)現(xiàn)）。18列中按族分為16族（7個主族、7個副族、第8族和0族）：從左到右按族依次為ⅠA族、ⅡA族（第1~2主族，第1~2列）；ⅢB族、ⅣB族、ⅤB族、ⅥB族、ⅦB族（第3~7副族，第3~7列，其中第3列包含鑭系和錒系元素，在主表之外分列兩行，每行15個元素）；Ⅷ族（第8族，第8~10列）；ⅠB族、ⅡB族（第1~2副族，第11~12列）；ⅢA族、ⅣA族、ⅤA族、ⅥA族、ⅦA族（第3~7主族，第13~17列）和0族（第18列）。硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級例：如圖所示為一晶格常數(shù)為a的Si晶胞，求：（a）Si原子半徑（b）晶胞中所有Si原子占據(jù)晶胞的百分比解：（a）（b）間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，該雜質(zhì)稱為間隙式雜質(zhì)。間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如Si、Ge、GaAs材料中的離子鋰（0.068nm）。雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處，該雜質(zhì)稱為替位式雜質(zhì)。替位式雜質(zhì)原子的大小和價電子殼層結(jié)構(gòu)要求與被取代的晶格原子相近。如Ⅲ、Ⅴ族元素在Si、Ge晶體中都為替位式雜質(zhì)。間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)稱為雜質(zhì)濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體和雜質(zhì)能級

間隙式雜質(zhì)，替位式雜質(zhì)Si、Ge都具有金剛石結(jié)構(gòu)，一個晶胞內(nèi)含有8個原子。由于晶胞內(nèi)空間對角線上相距1/4對角線長度的兩個原子為最近鄰原子，恰好就是共價半徑的2倍，因此晶胞內(nèi)8個原子的體積與立方晶胞體積之比為34%，即晶胞內(nèi)存在著66%的空隙。所以雜質(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。

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)濃度來定量描述雜質(zhì)含量多少，雜質(zhì)濃度的單位為1/cm3

。圖2.12替位式雜質(zhì)和間隙式雜質(zhì)N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴++++++++++++N型半導(dǎo)體施主離子自由電子電子空穴對圖2.13Si中的Ⅴ族雜質(zhì)和Ⅲ族雜質(zhì)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，簡稱多子；而空穴稱為少數(shù)載流子，簡稱少子。施主：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中的P和AsN型半導(dǎo)體As半導(dǎo)體的摻雜施主能級

在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等。空穴硼原子硅原子多數(shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對P型半導(dǎo)體受主：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中的BP型半導(dǎo)體B半導(dǎo)體的摻雜受主能級雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖++++++++++++N型半導(dǎo)體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子少子濃度——由本征激發(fā)產(chǎn)生，與溫度有關(guān)多子濃度——與所摻雜質(zhì)濃度有關(guān)與溫度無關(guān)1、本征半導(dǎo)體的兩種載流子------電子和空穴2、本征半導(dǎo)體的特性

光敏特性——光照增強(qiáng)時，導(dǎo)電性能加強(qiáng)。熱敏特性——溫度升高時，導(dǎo)電性能加強(qiáng)。

可摻雜特性——摻入微量的其他元素，導(dǎo)電能力大大加強(qiáng)。3、雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的分類：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體——電子型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價元素，由于雜質(zhì)原子的最外層有5個價電子，因此它與周圍4個硅（鍺）原子組成共價鍵時，多余出1個價電子，它不受共價鍵的束縛而為自由電子，并留下帶正電的雜質(zhì)離子，它不能參與導(dǎo)電。N型半導(dǎo)體的多子N型半導(dǎo)體的少子+4+4+5+4多余電子磷原子P型半導(dǎo)體——空穴型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價元素，由于雜質(zhì)原子的最外層有3個價電子，因此它與周圍4個硅（鍺）原子組成共價鍵時，多余出1個“空位子”即空穴。P型半導(dǎo)體的多子P型半導(dǎo)體的少子

注意：1.不論N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體都是電中性，對外不顯電性。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體多子和少子移動都形成電流。主要是多子起導(dǎo)電作用。+4+4+3+4空穴硼原子表Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在硅、鍺晶體中的電離能(eV)晶體Ⅴ族雜質(zhì)電離能ΔED

Ⅲ族雜質(zhì)電離能ΔEA

PAsSbBAlGaInSi0.0440.0490.0390.0450.0570.0650.16Ge0.01260.01270.00960.010.010.0110.011施主能級和受主能級摻入施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，施主能級ED上的電子獲得能量ΔED后由束縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子，因此施主能級ED位于比導(dǎo)帶底Ec低ΔED的禁帶中，且ΔED<<Eg?？昭ㄓ捎趲д?，能帶圖中能量自上向下是增大的。對于摻入Ⅲ族元素的半導(dǎo)體，被受主雜質(zhì)束縛的空穴能量狀態(tài)(稱為受主能級EA)位于比價帶頂Ev低ΔEA的禁帶中，ΔEA<<Eg，當(dāng)受主能級上的空穴得到能量ΔEA后，就從受主的束縛態(tài)躍遷到價帶成為導(dǎo)電空穴。下圖是用能帶圖表示的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)的電離過程。

(a)施主能級和施主電離(b)受主能級和受主電離圖2.14雜質(zhì)能級和雜質(zhì)電離

Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在硅和鍺中的ΔEA

、ΔED都很小，即施主能級ED距導(dǎo)帶底Ec很近，受主能級EA距價帶頂Ev很近，這樣的雜質(zhì)能級稱為淺能級，相應(yīng)的雜質(zhì)就稱為淺能級雜質(zhì)。半導(dǎo)體的摻雜Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中分別為受主和施主雜質(zhì)，它們在禁帶中引入了能級；受主能級比價帶頂高，施主能級比導(dǎo)帶底低，均為淺能級，這兩種雜質(zhì)稱為淺能級雜質(zhì)。雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)。當(dāng)處于離化態(tài)時，施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮映蔀檎娭行?；受主雜質(zhì)向價帶提供空穴成為負(fù)電中心。雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖++++++++++++N型半導(dǎo)體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子少子濃度——由本征激發(fā)產(chǎn)生，與溫度有關(guān)多子濃度——與所摻雜質(zhì)濃度有關(guān)與溫度無關(guān)以Ge中摻Au為例：圖中Ei表示禁帶中線位置，Ei以上注明的是雜質(zhì)能級距導(dǎo)帶底Ec的距離，Ei以下標(biāo)出的是雜質(zhì)能級距價帶頂Ev的距離。圖2.17Au在Ge中的能級半導(dǎo)體器件和集成電路生產(chǎn)中就是利用雜質(zhì)補(bǔ)償作用，在n型Si外延層上的特定區(qū)域摻入比原先n型外延層濃度更高的受主雜質(zhì)，通過雜質(zhì)補(bǔ)償作用就形成了p型區(qū)，而在n型區(qū)與p型區(qū)的交界處就形成了pn結(jié)。如果再次摻入比p型區(qū)濃度更高的施主雜質(zhì)，在二次補(bǔ)償區(qū)域內(nèi)p型半導(dǎo)體就再次轉(zhuǎn)化為n型，從而形成雙極型晶體管的n-p-n結(jié)構(gòu)。圖2.16晶體管制造過程中的雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體物理學(xué)

SEMICONDUCTORPHYSICS態(tài)密度的概念能帶中能量附近每單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)。能帶中能量為無限小的能量間隔內(nèi)有個量子態(tài)，則狀態(tài)密度為狀態(tài)密度Si、Ge在導(dǎo)帶底附近的E(k)~k關(guān)系為能量為E的等能面在k空間所圍成的s個旋轉(zhuǎn)橢球體積內(nèi)的量子態(tài)數(shù)為導(dǎo)帶底Ec不在k＝0處，且上述方程共有s個(Si的s=6，Ge的s=4)，將上式變形則導(dǎo)帶底（附近）狀態(tài)密度為令，稱mn*為導(dǎo)帶底電子狀態(tài)密度有效質(zhì)量，則同理，對近似球形等能面的價帶頂附近，起作用的是極值相互重合的重空穴(mp)h和輕空穴(mp)l兩個能帶，故價帶頂附近狀態(tài)密度gv(E)為兩個能帶狀態(tài)密度之和其中，稱為價帶頂空穴狀態(tài)密度有效質(zhì)量。費(fèi)米分布函數(shù)

稱為費(fèi)米能級或費(fèi)米能量溫度導(dǎo)電類型雜質(zhì)含量能量零點(diǎn)的選取處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級費(fèi)米分布函數(shù)當(dāng)時若，則若，則在熱力學(xué)溫度為0度時，費(fèi)米能級可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限

當(dāng)時若，則若，則若，則費(fèi)米能級是量子態(tài)基本上被電子占據(jù)或基本上是空的一個標(biāo)志當(dāng)量子態(tài)數(shù)量遠(yuǎn)大于粒子數(shù)時候，就可以用Boltzmann分布代替Fermi分布以及Bose分布。直觀物理意義如下：因?yàn)镕ermi只允許一個費(fèi)米子處于同一個態(tài)，Bose允許無窮多個處于一個態(tài)。在量子態(tài)數(shù)目遠(yuǎn)大于粒子數(shù)的時候，兩個以上粒子處于同一個量子態(tài)的概率極小，這樣子看不出Bose與Fermi的差別。沒有兩個粒子處于同一個量子態(tài)，就叫做非簡并。滿足非簡并條件的近獨(dú)立粒子（液體就不屬于近獨(dú)立），就可以用Boltzmann分布來處理。玻爾茲曼分布函數(shù)導(dǎo)帶中電子分布可用電子的玻爾茲曼分布函數(shù)描寫（絕大多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底）；價帶中的空穴分布可用空穴的玻爾茲曼分布函數(shù)描寫（絕大多數(shù)空穴分布在價帶頂）服從費(fèi)米統(tǒng)計律的電子系統(tǒng)稱為簡并性系統(tǒng)；服從玻爾茲曼統(tǒng)計律的電子系統(tǒng)稱為非簡并性系統(tǒng)費(fèi)米統(tǒng)計律與玻爾茲曼統(tǒng)計律的主要差別：前者受泡利不相容原理的限制結(jié)論:熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導(dǎo)體中，在一定的溫度下，乘積是一定的，如果電子濃度增大，空穴濃度就會減小；反之亦然.練習(xí)1、空穴占據(jù)費(fèi)米能級的概率在各種溫度下總是1/2。（）2、費(fèi)米能級位置較高，說明有較多的能量較高的量子態(tài)上有電子。（）3、能量為E的一個量子態(tài)被一個空穴占據(jù)的概率為（）。4、為什么電子分布在導(dǎo)帶底，空穴分布在價帶頂？雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度（n型）n型半導(dǎo)體中存在著帶負(fù)電的導(dǎo)帶電子(濃度為n0)、帶正電的價帶空穴(濃度為p0)和離化的施主雜質(zhì)(濃度為nD+)，因此電中性

強(qiáng)電離區(qū)導(dǎo)帶電子濃度n0＝ND，與溫度幾乎無關(guān)。上式中代入n0表達(dá)式，得到通過變形也可以得到一般n型半導(dǎo)體的EF位于Ei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EF距導(dǎo)帶底Ec越近；如果摻雜一定，溫度越高EF距Ec越遠(yuǎn)，也就是越趨向Ei。

下圖是不同雜質(zhì)濃度條件下Si中的EF與溫度關(guān)系曲線。圖3.1Si中不同摻雜濃度條件下費(fèi)米能級與溫度的關(guān)系n型半導(dǎo)體中電離施主濃度和總施主雜質(zhì)濃度兩者之比為將強(qiáng)電離區(qū)的式代入上式得到

可見越小，雜質(zhì)電離越多。所以摻雜濃度ND低、溫度高、雜質(zhì)電離能ΔED低，雜質(zhì)離化程度就高，也容易達(dá)到強(qiáng)電離，通常以I+=nD+/ND=90%作為強(qiáng)電離標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)常所說的室溫下雜質(zhì)全部電離其實(shí)忽略了摻雜濃度的限制。例：室溫下?lián)搅椎膎型Si，Nc=2.8×1019cm-3，ΔED=0.044eV，k0T=0.026eV，取I+為0.9，則2.86×1017cm-3就是室溫下Si中摻磷并且強(qiáng)電離的濃度上限，濃度再高電離就不充分了。把非簡并半導(dǎo)體n0表達(dá)式代入nD+/ND中，再利用n0=nD+=I+ND，得對給定的ND和ΔED，可以求得任意雜質(zhì)電離百分比情形下所對應(yīng)的溫度T。

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，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)。就可求出過渡區(qū)以本征費(fèi)米能級Ei為參考的費(fèi)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ni就會遠(yuǎn)大于雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度，此時，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，此時的EF接近Ei。可見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，如果雜質(zhì)強(qiáng)電離后繼續(xù)升高溫度，施主雜質(zhì)對載流子的貢獻(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Ei。半導(dǎo)體器件和集成電路就正常工作在雜質(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由本征時的Ei逐漸向?qū)У譋c移動。n型半導(dǎo)體的EF位于Ei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。

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。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)入過渡區(qū)，ni不可忽視；如果溫度過高，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)出本征半導(dǎo)體的特性。圖3.2n型Si中導(dǎo)帶電子濃度和溫度的關(guān)系曲線如果用nn0表示n型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子電子濃度，而pn0表示n型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子空穴濃度，那么n型半導(dǎo)體中在器件正常工作的強(qiáng)電離溫度區(qū)間，多子濃度nn0=ND基本不變，而少子濃度正比于ni2，而，也就是說在器件正常工作的較寬溫度范圍內(nèi)，隨溫度變化少子濃度發(fā)生顯著變化，因此依靠少子工作的半導(dǎo)體器件的溫度性能就會受到影響。對p型半導(dǎo)體的討論與上述類似。n和p的其他變換公式本征半導(dǎo)體時，

簡并時雜質(zhì)未充分電離As在Ge和Si中的ΔED分別為0.0127eV和0.049eV，簡并時

Ec-EF=0，經(jīng)計算得到室溫下的離化率分別只有23.5%和7.1%，因此簡并時雜質(zhì)沒有充分電離。盡管雜質(zhì)電離不充分，但由于摻雜濃度很高，多子濃度還是可以很高的。因?yàn)楹啿雽?dǎo)體中的雜質(zhì)濃度很高，雜質(zhì)原子之間相距較近，相互作用不可忽略，雜質(zhì)原子上的電子可能產(chǎn)生共有化運(yùn)動，從而使雜質(zhì)能級擴(kuò)展為能帶。雜質(zhì)能帶的出現(xiàn)將使雜質(zhì)電離能減小，當(dāng)雜質(zhì)能帶與半導(dǎo)體能帶相連時，會形成新的簡并能帶，同時使?fàn)顟B(tài)密度產(chǎn)生變化。半導(dǎo)體物理學(xué)

SEMICONDUCTORPHYSICS練習(xí)1、載流子的熱運(yùn)動在半導(dǎo)體內(nèi)會構(gòu)成電流。（）2、載流子在外電場的作用下是（）和（）兩種運(yùn)動的疊加，因此電流密度大?。ǎ?。3、什么是散射

Si的導(dǎo)帶底附近E(k)~k關(guān)系是長軸沿<100>方向的6個旋轉(zhuǎn)橢球等能面，而Ge的導(dǎo)帶底則由4個長軸沿<111>方向的旋轉(zhuǎn)橢球等能面構(gòu)成。若令，那么對于Si、Ge晶體稱μc為電導(dǎo)遷移率，mc稱為電導(dǎo)有效質(zhì)量。半導(dǎo)體中電導(dǎo)率與平均自由時間的關(guān)系為

n型半導(dǎo)體

p型半導(dǎo)體電阻率與摻雜的關(guān)系N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體電阻率與溫度的關(guān)系本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體電阻率隨溫度增加而單調(diào)地下降雜質(zhì)半導(dǎo)體（區(qū)別于金屬）速度飽和在低電場作用下，載流子在半導(dǎo)體中的平均漂移速度v與外加電場強(qiáng)度E呈線性關(guān)系；隨著外加電場的不斷增大，兩者呈非線性關(guān)系，并最終平均漂移速度達(dá)到一飽和值，不隨E變化。n-Ge:半導(dǎo)體物理學(xué)

SEMICONDUCTORPHYSICS平衡載流子滿足費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計分布過剩載流子不滿足費(fèi)米－狄拉克統(tǒng)計分布且公式不成立載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電子和空穴增加和消失的過程過剩載流子過剩載流子和電中性平衡時過剩載流子電中性：小注入條件小注入條件：注入的非平衡載流子濃度比平衡時的多數(shù)載流子濃度小的多N型材料P型材料小注入條件例：室溫下一受到微擾的摻雜硅，判斷其是否滿足小注入條件？解：滿足小注入條件?。ǎ┳ⅲ海?）即使在小注入的情況下，非平衡少數(shù)載流子濃度還是可以比平衡少數(shù)載流子濃度大的多（2）非平衡少數(shù)載流子起重要作用，非平衡載流子都指非平衡少數(shù)載流子非平衡載流子壽命假定光照產(chǎn)生和，如果光突然關(guān)閉，和將隨時間逐漸衰減直至0，衰減的時間常數(shù)稱為壽命，也常稱為少數(shù)載流子壽命

單位時間內(nèi)非平衡載流子的復(fù)合概率非平衡載流子的復(fù)合率準(zhǔn)費(fèi)米能級

當(dāng)半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)被打破時，新的熱平衡狀態(tài)可通過熱躍遷實(shí)現(xiàn)，但導(dǎo)帶和價帶間的熱躍遷較稀少導(dǎo)帶和價帶各自處于平衡態(tài)，因此存在導(dǎo)帶費(fèi)米能級和價帶費(fèi)米能級，稱其為“準(zhǔn)費(fèi)米能級”復(fù)合直接復(fù)合間接復(fù)合Auger復(fù)合（禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料）（窄禁帶半導(dǎo)體及高溫情況下）（具有深能級雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料）產(chǎn)生直接產(chǎn)生R-G中心產(chǎn)生載流子產(chǎn)生與碰撞電離陷阱效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體處于非平衡態(tài)時，雜質(zhì)能級具有積累非平衡載流子的作用，即具有一定的陷阱效應(yīng)所有雜質(zhì)能級都具有陷阱效應(yīng)具有顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級稱為陷阱；相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心雜質(zhì)能級與平衡時的費(fèi)米能級重合時，最有利于陷阱作用半導(dǎo)體物理學(xué)

SEMICONDUCTORPHYSICS第六章p-n結(jié)

§1p-n結(jié)及其能帶圖

§2p-n結(jié)的電流電壓特性

§3p-n結(jié)電容

§4p-n結(jié)擊穿§5p-n結(jié)隧道效應(yīng)§6.1p-n結(jié)及其其能帶圖

(1)

p-n結(jié)的形成

(2)

p-n結(jié)的基本概念

6.1pn結(jié)及其能帶圖6.1.1pn結(jié)的形成和雜質(zhì)分析在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)造半導(dǎo)體器件的基本單元。其中，最簡單的晶體二極管就是由PN結(jié)構(gòu)成的。PN

★p-n結(jié)的形成p-n結(jié)的形成?控制同一塊半導(dǎo)體的摻雜,形成pn結(jié)(合金法;擴(kuò)散法;離子注入法等)

?在p(n)型半導(dǎo)體上外延生長n(p)型半導(dǎo)體同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)?由導(dǎo)電類型相反的同一種半導(dǎo)體單晶材料組成的pn結(jié)--同質(zhì)結(jié)?由兩種不同的半導(dǎo)體單晶材料組成的結(jié)—異質(zhì)結(jié)工藝簡介:

?合金法—合金燒結(jié)方法形成pn結(jié)?擴(kuò)散法—高溫下熱擴(kuò)散,進(jìn)行摻雜?離子注入法—將雜質(zhì)離子轟擊到半導(dǎo)體基片中摻雜分布主要由離子質(zhì)量和注入離子的能量決定（典型的離子能量是30-300keV,注入劑量是在1011-1016離子數(shù)/cm2范圍），用于形成淺結(jié)雜質(zhì)分布的簡化:

?突變結(jié)?線性緩變結(jié)圖6-2圖6-3合金法圖6-4擴(kuò)散法離子注入法

★p-n結(jié)的基本概念①空間電荷區(qū):

?在結(jié)面附近,由于存在載流子濃度梯度,導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散.

?擴(kuò)散的結(jié)果:在結(jié)面附近,出現(xiàn)靜電荷--空間電荷(電離施主,電離受主).

?空間電荷區(qū)中存在電場--內(nèi)建電場,內(nèi)建電場的方向:n→p

.在內(nèi)建電場作用下,載流子要作漂移運(yùn)動.

PN結(jié)的形成

在半導(dǎo)體基片上分別制造N型和P型兩種半導(dǎo)體。經(jīng)過載流子的擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動,兩運(yùn)動最終達(dá)到平衡，由離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。1．PN結(jié)的形成

①擴(kuò)散運(yùn)動——P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，由于交界面（接觸界）兩側(cè)多子和少子的濃度有很大差別，N區(qū)的電子必然向P區(qū)運(yùn)動，P區(qū)的空穴也向N區(qū)運(yùn)動，這種由于濃度差而引起的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。

②漂移運(yùn)動——

在擴(kuò)散運(yùn)動同時，PN結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成電荷區(qū)，（或稱阻擋層，耗盡區(qū)等），在空間電荷區(qū)形成的內(nèi)部形成電場的作用下，少子會定向運(yùn)動產(chǎn)生漂移，即N區(qū)空穴向P區(qū)漂移，P區(qū)的電子向N區(qū)漂移。動態(tài)平衡下的PN結(jié)漂移運(yùn)動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E所以擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)電位VV0③空間電荷區(qū)——在PN結(jié)的交界面附近，由于擴(kuò)散運(yùn)動使電子與空穴復(fù)合，多子的濃度下降，則在P區(qū)和N區(qū)分別出現(xiàn)了由不能移動的帶電離子構(gòu)成的區(qū)域，這就是空間電荷區(qū)，又稱為阻擋層，耗盡層，墊壘區(qū)。（見下一頁的示意圖）

④內(nèi)部電場——由空間電荷區(qū)（即PN結(jié)的交界面兩側(cè)的帶有相反極性的離子電荷）將形成由N區(qū)指向P區(qū)的電場E，這一內(nèi)部電場的作用是阻擋多子的擴(kuò)散，加速少子的漂移。

⑤耗盡層——在無外電場或外激發(fā)因素時，PN結(jié)處于動態(tài)平衡沒有電流，內(nèi)部電場E為恒定值，這時空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子，故稱為耗盡層。②平衡p-n結(jié)及其能帶圖:

?當(dāng)無外加電壓,載流子的流動終將達(dá)到動態(tài)平衡(漂移運(yùn)動與擴(kuò)散運(yùn)動的效果相抵消,電荷沒有凈流動),p-n結(jié)有統(tǒng)一的EF(平衡pn結(jié))

?結(jié)面附近,存在內(nèi)建電場,造成能帶彎曲,形成勢壘區(qū)(即空間電荷區(qū)).熱平衡條件PNHoleSilicon(p-type)Silicon(n-type)熱平衡條件內(nèi)建電勢內(nèi)建電勢PN結(jié)的內(nèi)建電勢決定于摻雜濃度ND、NA、材料禁帶寬度以及工作溫度③接觸電勢差:

?

pn結(jié)的勢壘高度—eVD

接觸電勢差—VD

?對非簡并半導(dǎo)體,飽和電離近似,接觸電勢為:

?

VD與二邊摻雜有關(guān),

與Eg有關(guān)圖6-8電勢電子勢能(能帶)④平衡p-n結(jié)的載流子濃度分布:

?當(dāng)電勢零點(diǎn)取x=-xp處,則有:

?勢壘區(qū)的載流子濃度為:即有:圖6-9平衡p-n結(jié)載流子濃度分布的基本特點(diǎn):

?同一種載流子在勢壘區(qū)兩邊的濃度關(guān)系服從玻爾茲曼關(guān)系?處處都有n?p=ni2

?勢壘區(qū)是高阻區(qū)(常稱作耗盡層)StepJunction§6.2p-n結(jié)的電流電壓特性(1)

dEF/dx與電流密度的關(guān)系

(2)正向偏壓下的p-n結(jié)

(3)

反向偏壓下的p-n結(jié)

(4)理想p-n結(jié)

(5)

伏安特性

★dEF/dx與電流密度的關(guān)系EF隨位置的變化與電流密度的關(guān)系熱平衡時,EF處處相等,p-n結(jié)無電流通過(動態(tài)平衡).當(dāng)p-n結(jié)有電流通過,EF就不再處處相等.且,電流越大,EF隨位置的變化越快.

總之:①是否有電荷流動,并不僅僅取決于是否存在電場②當(dāng)電流密度一定時,dEF/dx與載流子濃度成反比③上述討論也適用于電子子系及空穴子系

(用準(zhǔn)費(fèi)米能級取代費(fèi)米能級):★正向偏壓下的p-n結(jié)①勢壘:

?外電壓主要降落于勢壘區(qū)

?加正向偏壓V,勢壘高度下降為

e(VD-V),

勢壘區(qū)寬度減少.圖6-10②非平衡子的電注入:

?正向偏壓下,勢壘區(qū)內(nèi)電場減少

載流的擴(kuò)散流>漂移流

非平衡子電注入形成少子擴(kuò)散區(qū).(外加正向偏壓增大,非平衡子電注入增加)

?邊界處的載流子濃度為:

?穩(wěn)態(tài)時,擴(kuò)散區(qū)內(nèi)少子分布也是穩(wěn)定的.正向偏壓下非平衡少子的分布③電流:

?在體內(nèi),電流是多子漂流電流?在少子擴(kuò)散區(qū),多子電流主要是漂流電流;少子電流是擴(kuò)散電流?討論空穴電流的變化:在電子擴(kuò)散區(qū),空穴(多子)邊漂移邊與電子復(fù)合;勢壘區(qū)很薄,勢壘區(qū)中空穴電流可認(rèn)為不變;在空穴擴(kuò)散區(qū),空穴(少子)邊擴(kuò)散邊與電子復(fù)合.

?類似地,可討論電子電流的變化:穩(wěn)態(tài)下,通過任一截面的總電流是相等的J=J++J-

=J+(xn)+J-

(-xp)

?綠色:

漂移電流.

?紫色:

擴(kuò)散電流.④準(zhǔn)費(fèi)米能級:EF-,EF+在勢壘區(qū),擴(kuò)散區(qū),電子和空穴有不同的準(zhǔn)費(fèi)米能級:

?在擴(kuò)散區(qū),可認(rèn)為多子的準(zhǔn)費(fèi)米能級保持不變?在勢壘區(qū),近似認(rèn)為準(zhǔn)費(fèi)米能級保持不變?在擴(kuò)散區(qū),少子的準(zhǔn)費(fèi)米能級與位置有關(guān),且有:圖6-13★反向偏壓下的p-n結(jié)①勢壘高度:e(VD+|V|)②非平衡子的電抽取:(也形成少子擴(kuò)散區(qū))③電流:

仍有J=J++J-=J+(xn)+J-

(-xp)

?正向偏壓時，在少子擴(kuò)散區(qū),少子復(fù)合率>產(chǎn)生率(非平衡載流子注入);反向時,產(chǎn)生率>復(fù)合率(少數(shù)載流子被抽取)

?反向時,少子濃度梯度很小

反向電流很?、軠?zhǔn)費(fèi)米能級:

在勢壘區(qū)圖6-14★理想p-n結(jié)理想p-n結(jié):

?①小注入條件

?②突變結(jié),耗盡層近似—可認(rèn)為外加電壓全降落于耗盡層

①+②

在擴(kuò)散區(qū),少子電流只需考慮擴(kuò)散

?③忽略耗盡層中的產(chǎn)生,復(fù)合

通過耗盡層時,可認(rèn)為電子電流和空穴電流均保持不變

?④玻耳茲曼邊界條件

★伏安特性定性圖象

?正向偏壓下,勢壘降低,非平衡少子注入,正向電流隨正向電壓的增加很快增加.

?反向偏壓下,勢壘升高,非平衡少子被抽取,反向電流很小,并可達(dá)到飽和.理想二極管方程PN結(jié)正偏時理想二極管方程PN結(jié)反偏時準(zhǔn)中性區(qū)載流子濃度理想二極管方程求解過程準(zhǔn)中性區(qū)少子擴(kuò)散方程求Jp(xn)求Jn(-xp)J=Jp(xn)+Jn(-xp)理想二極管方程(1)新的坐標(biāo):邊界條件:-xpxn0xX’空穴電流一般解電子電流P型側(cè)PN結(jié)電流

pnjunctiondiode④對J

V特性的說明:

?單向?qū)щ娦?反向飽和電流Js

?溫度的影響:T↑,Js很快增加

?單邊突變結(jié):Js的表達(dá)式中只有一項起主要作用

只需考慮一邊的少子擴(kuò)散

?正向?qū)妷?Eg越大的材料,具有更大的正向?qū)妷?伏安特性UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR與理想情況的偏差大注入效應(yīng)空間電荷區(qū)的復(fù)合

§3p-n結(jié)電容

(1)

電容效應(yīng)

(2)

突變結(jié)的空間電荷區(qū)

(3)

突變結(jié)勢壘電容

(4)擴(kuò)散電容

PN結(jié)電容★電容效應(yīng)p-n結(jié)有存儲和釋放電荷的能力。①勢壘電容CT

—當(dāng)p-n結(jié)上外加電壓變化，勢壘區(qū)的空間電荷相應(yīng)變化所對應(yīng)的電容效應(yīng).

?當(dāng)p-n結(jié)上外加的正向電壓增加，勢壘高度降低

空間電荷減少?當(dāng)p-n結(jié)上外加的反向電壓增加，勢壘高度增加

空間電荷增加圖6-19(c)②擴(kuò)散電容

CD

—當(dāng)p-n結(jié)上外加電壓變化，擴(kuò)散區(qū)的非平衡載流子的積累相應(yīng)變化所對應(yīng)的電容效應(yīng).

?當(dāng)正向偏置電壓增加，擴(kuò)散區(qū)內(nèi)的非平衡載流子積累很快增加?在反向偏置下，非平衡載流子數(shù)變化不大,擴(kuò)散電容可忽略p-n結(jié)的勢壘電容和擴(kuò)散電容都隨外加電壓而變化--CT

和CD都是微分電容:C=dQ/dV擴(kuò)散電容

CD★突變結(jié)的空間電荷區(qū)①耗盡層近似下的空間電荷:

突變結(jié)+雜質(zhì)完全電離+耗盡近似的條件下，勢壘區(qū)中電離雜質(zhì)組成空間電荷勢壘寬度:d=Xp

+Xn勢壘區(qū)中正負(fù)電荷總量相等：

|Q|=eNAXp

=eNDXn勢壘區(qū)能帶空間電荷分布矩形近似反向偏置結(jié)電容也稱勢壘電容或過渡區(qū)電容

②電場:?泊松方程：?

E=-(dV/dx)+C?在x=0處,內(nèi)建電場數(shù)值達(dá)到極大

③電勢:拋物線分布空間電荷電場電勢能帶

④空間電荷區(qū)寬度:

?平衡p-n結(jié)

?當(dāng)加外電壓V

⑤單邊突變結(jié):

?勢壘區(qū)主要在輕摻雜一邊

?

對p+-n結(jié),NB代表ND

?

對p-n+結(jié),NB代表NAP+-n結(jié)★突變結(jié)的勢壘電容反向偏壓下的突變結(jié)勢壘電容(單位面積):幾點(diǎn)說明:①p-n結(jié)的勢壘電容可以等效為一個平行板電容器,勢壘寬度即兩平行極板的距離②這里求得的勢壘電容,主要適用于反向偏置情況③單邊突變結(jié)的勢壘電容:★擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CD—當(dāng)p-n結(jié)上外加電壓變化，擴(kuò)散區(qū)的非平衡載流子的積累相應(yīng)變化所對應(yīng)的電容效應(yīng).擴(kuò)散電容

少子在擴(kuò)散區(qū)中的分布:

?在空穴擴(kuò)散區(qū)

?在電子擴(kuò)散區(qū)

PN結(jié)的單位面積微分?jǐn)U散電容為:

?擴(kuò)散電容在正向偏壓和低頻下起重要的作用.6.4★p-n結(jié)擊穿現(xiàn)象:

對p-n結(jié)施加反向偏壓時,當(dāng)反向偏壓增大到某一數(shù)值時,反向電流密度突然開始迅速增大.

發(fā)生擊穿時的反向偏壓--p-n結(jié)的擊穿電壓.p-n結(jié)擊穿的基本原因:

載流子數(shù)目的突然增加.擊穿機(jī)理:

?雪崩擊穿—強(qiáng)電場下的碰撞電離,使載流子倍增?隧道擊穿—大反向偏壓下,隧道貫穿使反向電流急劇增加

?熱電擊穿—不斷上升的結(jié)溫,使反向飽和電流持續(xù)地迅速增大雪崩倍增

當(dāng)反向電流劇增時所對應(yīng)的反向電壓叫擊穿電壓VBR。

PN結(jié)的擊穿有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種。

①雪崩擊穿→→→當(dāng)反向壓增大時，阻擋層（耗盡層）內(nèi)部的電場增強(qiáng)，使阻擋層中載流子的漂移速度加快，致使動能增大，從而掙脫共價鍵甚至撞擊其它中性原子，又產(chǎn)生新的電子-空穴對時，如此連鎖反應(yīng)使得阻擋層中載流子的數(shù)量劇增，使流過PN結(jié)的反向電流也就急劇增大，且增長速度極快，象雪崩一樣，所以就將這種碰撞電離稱為雪崩擊穿。雪崩擊穿發(fā)生在摻雜濃度較低的PN結(jié)中。②齊納擊穿→→→當(dāng)PN結(jié)兩邊的摻雜濃度很高時，阻擋層將變很薄，在這種阻擋層中，載流子與中性原子相碰撞的機(jī)會極小，因而不容易發(fā)生碰撞電離，但當(dāng)加上不大的反向電壓時，就能建立很強(qiáng)的電場，足以把阻擋層內(nèi)中性原子的價電子直接從共價鍵中拉出來，產(chǎn)生電子一空穴對，這個過程稱場致激發(fā)。顯然，場致激發(fā)能夠產(chǎn)出大量的載流子，使PN結(jié)的反向電流劇增，呈現(xiàn)反向擊穿現(xiàn)象，這種擊穿稱為齊納擊穿。可見，齊納擊穿發(fā)生在高摻雜的PN結(jié)中，相應(yīng)的擊穿電壓較低，其值隨摻雜濃度增加而減小。

一般地：擊穿電壓UBR<6V的屬于齊納擊穿擊穿電壓UBR>6V的屬于雪崩擊穿

③雪崩擊穿的擊穿電壓隨溫度上升而增大；齊納擊穿的擊穿電壓隨溫度上升而降低。齊納過程產(chǎn)生了隧穿效應(yīng)E隧道穿透幾率P：隧道長度:隧道擊穿:VB<4Eg/q雪崩擊穿：VB>6Eg/q§6.5p-n結(jié)的隧道效應(yīng)(1)p-n結(jié)勢壘區(qū)的隧道貫穿

(2)隧道結(jié)的I-V特性

★隧道效應(yīng)

隧道效應(yīng)—能量低于勢壘的粒子有一定的幾率穿越勢壘.這是一種量子力學(xué)效應(yīng)

隧穿幾率與勢壘的高度有關(guān),與勢壘的厚度有關(guān).

隧道二極管—利用量子隧穿現(xiàn)象的器件效應(yīng)★p-n結(jié)勢壘區(qū)的隧道貫穿隧道結(jié)—p-n結(jié),兩邊都是重?fù)诫s(簡并情況),以至在p區(qū),EF進(jìn)入價帶;在n區(qū),EF進(jìn)入導(dǎo)帶.結(jié)果:

①n區(qū)的導(dǎo)帶底部與p區(qū)的價帶頂部在能量上發(fā)生交疊

②勢壘十分薄電子可以隧道貫穿勢壘區(qū).圖6-29

★隧道結(jié)的I-V特性正向電流一開始就隨正向電壓的增加而迅速上升,達(dá)到一個極大,(峰值電流Ip,峰值電壓Vp

)隨后,電壓增加,電流反而減少,達(dá)到一個極小,(谷值電流Iv,谷值電壓Vv)

在Vp到Vv的電壓范圍內(nèi),出現(xiàn)負(fù)阻特性.當(dāng)電壓大于谷值電壓后,電流又隨電壓而上升圖6-27

0點(diǎn)—平衡pn結(jié)

1點(diǎn)—正向電流迅速上升

2點(diǎn)—電流達(dá)到峰值

3點(diǎn)—隧道電流減少,出現(xiàn)負(fù)阻

4點(diǎn)--隧道電流等于05點(diǎn)—反向電流隨反向電壓的增加而迅速增加§6p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)(1)

p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)

(2)

光電池的伏安特性

★p-n結(jié)的光生伏特效應(yīng)適當(dāng)波長的光,照射到非均勻半導(dǎo)體上,由于內(nèi)建場的作用,半導(dǎo)體內(nèi)部可以產(chǎn)生電動勢(光生電壓)--光生伏特效應(yīng)是內(nèi)建場引起的光電效應(yīng).光生載流子在勢壘區(qū)內(nèi)的內(nèi)建場的作用下,各自向相反方向運(yùn)動,使p-n結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動勢(p端電勢升高,n端電勢降低).

★伏安特性光電池工作時,電流可分成三股:

?

光照產(chǎn)生的載流子越過勢壘