半导体材料与器件工作原理.课件.ppt

1、 rrrrEVmH222允带允带能带能带原子能级原子能级禁带禁带禁带禁带原子轨道原子轨道原子能级分裂为能带的示意图原子能级分裂为能带的示意图dps能量能量E硅原子形成硅晶体的电子能级分裂示意图硅原子形成硅晶体的电子能级分裂示意图-/a-/aE E（k k）0 0/a/ak k允带允带允带允带 允带允带自由电子自由电子简约布里渊区简约布里渊区金属金属 半导体半导体绝缘体绝缘体半导体中的电子特征半导体中的电子特征半导体中的载流子半导体中的载流子电子和空穴电子和空穴Eg跃迁跃迁传导电子传导电子空穴空穴空穴的有效质量是价带顶电子有效质量的负值，即为正空穴的有效质量是价带顶电子有效质量的负值，即为正半导

2、体的导电特征半导体的导电特征v导带底电子沿外加电场反方向漂移v价带顶电子沿外加电场方向的漂移Eejevehvhjh半导体中的电子特征半导体中的电子特征 上式中，上式中，N(E)N(E)为单位体积为单位体积的晶体材料中，单位能量的晶体材料中，单位能量间隔区间内存在的微观粒间隔区间内存在的微观粒子数量，子数量，g(E)g(E)为单位体积为单位体积的晶体材料中，单位能量的晶体材料中，单位能量间隔区间内所具有的量子间隔区间内所具有的量子态数量。态数量。f fF(E)F(E)就称作费米就称作费米狄拉克统计分布函数，狄拉克统计分布函数，它反映的是能量为它反映的是能量为E E的一的一个量子态被一个电子占据个

3、量子态被一个电子占据的几率。而的几率。而E EF F则称为费米则称为费米能级。能级。本征半导体本征半导体不含杂质的半导体不含杂质的半导体价带EF(T= 0K)导带TkEehBiiBgemmTkpn2/4/32)(2(2)/ln(4321ehBgFmmTkEE半导体中的电子特征半导体中的电子特征施主掺杂及施主掺杂及n型半导体型半导体PED半导体中的电子特征半导体中的电子特征施主能级和施主电离施主能级和施主电离类氢原子模型：204*8hqmErnD半导体中的电子特征半导体中的电子特征受主掺杂及受主掺杂及p型半导体型半导体EA半导体中的电子特征半导体中的电子特征204*8hqmErpA类氢原子模型：

4、受主能级和受主电离受主能级和受主电离半导体中的电子特征半导体中的电子特征EFEA（a）（b）（c）（d）（e）cEVEEFEFEFEF强强p型型p型型本征本征n型型强强n型型Ei cFn EgE fE 0ccEcFEngE fE dE对应于该能量的状态密度对应于该能量的状态密度对应于该能量的占据几率对应于该能量的占据几率杂质能级上的电子和空穴分布杂质能级上的电子和空穴分布应用Fermi-Dirac分布可以得到：)exp(2111)(TkEEEfBFDD)exp(2111)(TkEEEfBAFA)exp(21)(1 (TkEENEfNpNpBAFDAAAAA)exp(21)(1 (TkEENEf

5、NnNnBFDADDDDD施主能级被电子占据的概率受主能级被空穴占据的概率电离施主浓度电离受主浓度半导体中的电子特征半导体中的电子特征n型半导体的平衡载流子浓度n0 = nD+P0 电中性条件：半导体中的电子特征半导体中的电子特征p型半导体的平衡载流子浓度电中性条件：p0 = nA+n0 半导体中的电子特征半导体中的电子特征非平衡载流子非平衡载流子的产生： （1）光辐照 （2）电注入半导体中的电子特征半导体中的电子特征非平衡载流子-非平衡载流子的寿命和复合半导体中的电子特征半导体中的电子特征漂移速度和迁移率EJdvnqJ Edvvtnnqppqnpqpnq微分欧姆定律：平均漂移速度和迁移率n型

6、半导体，且npp型半导体，且pn本征半导体半导体中的电子特征半导体中的电子特征电导率的影响因素载流子的散射载流子的散射电离杂质散射声子散射声学声子散射光学声子散射2/31TNii2/3Ti1)exp(TkhBli半导体中的电子特征半导体中的电子特征迁移率的计算总散射概率：iPP平均弛豫时间：iiP1平均迁移率ii11半导体中的电子特征半导体中的电子特征如图所示为不同如图所示为不同掺杂浓度掺杂浓度下，硅单晶材料中电子的下，硅单晶材料中电子的迁移率随温度的变化关系迁移率随温度的变化关系示意图。从图中可见，在示意图。从图中可见，在比较低的掺杂浓度下，电比较低的掺杂浓度下，电子的迁移率随温度的改变子的

7、迁移率随温度的改变发生了十分明显的变化，发生了十分明显的变化，这表明在低掺杂浓度的条这表明在低掺杂浓度的条件下，电子的迁移率主要件下，电子的迁移率主要受受晶格振动散射晶格振动散射的影响。的影响。直接吸收间接吸收半导体的光吸收及光电导半导体中的电子特征半导体中的电子特征半导体的光生伏特效应光负载负载半导体中的电子特征半导体中的电子特征半导体中的电子特征半导体中的电子特征霍尔效应霍尔效应带电粒子在磁场中运动时会受到带电粒子在磁场中运动时会受到洛伦兹力洛伦兹力的作用，利用这一特的作用，利用这一特点，我们可以区别出点，我们可以区别出N型半导体材料和型半导体材料和P型半导体材料，同时还型半导体材料，同时

8、还可以测量出半导体材料中可以测量出半导体材料中多数载流子的浓度及其迁移率多数载流子的浓度及其迁移率。yxzqEqv BHyxzVE Wv WBxxxJIvepepWdxzHI BVepdxzHI BpedVxzHI BVend xzHI BnedV xpxxxxpxxxJepEJII LVepEepV WdepWdL固体物理固体物理量子力学量子力学统计物理统计物理能带理论能带理论平衡半导体平衡半导体载流子输运载流子输运非平衡半导体非平衡半导体pn结结MS结结异质结异质结双双极极晶晶体体管管pn结二极管结二极管肖特基二极管肖特基二极管欧姆接触欧姆接触JFET、MESFET、MOSFET、HEMT

9、半导体器件半导体器件 若在同一半导体内部，一边是若在同一半导体内部，一边是P 型，一边是型，一边是N 型，则会在型，则会在P 型区和型区和N 型区的型区的交界面附近交界面附近形成形成pn 结，它的行为并不结，它的行为并不简单等价于一块简单等价于一块P型半导体和型半导体和N 型半导体的型半导体的串联串联。这种结。这种结构具有特殊的性质：构具有特殊的性质：单向导电单向导电性性。PN 结是许多重要半导结是许多重要半导体器件的核心。体器件的核心。合金法扩散法P-n结的制备工结的制备工艺艺p-n结平衡能带结构费米能级的位置费米能级的位置电子和空穴浓度随费米能级位电子和空穴浓度随费米能级位置变化而变化置变化而变化电子和空穴浓度随掺杂浓度变电子和空穴浓度随掺杂浓度变化而变化化而变化费米能级随掺杂浓度和温度的费米能级随掺杂浓度和温度的变化规律变化规律p-n结平衡电势理想p-n结的I-V特性切片定向、机械抛光、化学抛光热氧化SiSiO2光刻Si扩散Si电极Si腐蚀