微电子学概论B半导体及其基本特性课件.pptx

1、 半导体及其半导体及其基本特性基本特性固体材料：超导体固体材料：超导体:大于大于106(cm)-1 导导 体体:106104(cm)-1 半导体半导体:10410-10(cm)-1 绝缘体绝缘体:小于小于10-10(cm)-1？什么是半导体？什么是半导体原子结合形式：共价键原子结合形式：共价键形成的晶体结构：形成的晶体结构：构构 成成 一一 个正四个正四面体，面体，具具 有有 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构构半导体半导体的结合和晶体结构的结合和晶体结构金刚石结构金刚石结构 半导体有元素半导体，如：半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：化合物半导体，如：GaAs、InP、

2、ZnS2.半导体中的半导体中的载流子载流子：能够导电的自由粒子：能够导电的自由粒子本征半导体：本征半导体：n=p=ni电子电子：Electron，带负电的导电载流，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚子，是价电子脱离原子束缚 后后形成的自由电子，对应于导带形成的自由电子，对应于导带中占据的电子中占据的电子空穴空穴：Hole，带正电的导电载流子，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚是价电子脱离原子束缚 后形成后形成的电子空位，对应于价带中的的电子空位，对应于价带中的电子空位电子空位3.半导体的半导体的能带能带(价带、导带和带隙价带、导带和带隙)量子态和能级量子态和能级固体的能带结构固体的

3、能带结构 原子能级原子能级 能带能带共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态共价键固体：成键态、反键态 原原 子子 能能 级级 反反 成成 键键 态态 成成 键键 态态价带：价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：禁带：导带底与价带顶之间能带导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与半导体中载流子的行为可

4、以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子等效粒子有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的电子和空穴的有效质量有效质量m m*4.半导体的半导体的掺杂掺杂BAs 受受 主主 掺掺 杂杂 施施 主主 掺掺 杂杂施主和受主浓度施主和受主浓度：ND、NA施主施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中中掺掺的的P 和和As 受主受主：Acceptor，掺入半导体的杂

5、质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的中掺的B施主能级施主能级受主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态本征载流子浓度：本征载流子浓度：n=p=ni np=ni2ni与禁带宽度和温度有关与禁带宽度和温度有关5.本征载流子本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度载流子浓度 电电 子子 浓浓 度度 n,空空 穴穴 浓浓 度度 p6.6.

6、非本征半导体的载流子非本征半导体的载流子2innp pn 在非本征情形在非本征情形:热平衡时热平衡时:N型半导体：型半导体：n大于大于pP型半导体：型半导体：p大于大于n多子：多数载流子多子：多数载流子n型半导体：电子型半导体：电子p型半导体：空穴型半导体：空穴少子：少数载流子少子：少数载流子n型半导体：空穴型半导体：空穴p型半导体：电子型半导体：电子7.电中性条件电中性条件:正负电荷之和为正负电荷之和为0p+Nd n Na=0施主和受主可以相互补偿施主和受主可以相互补偿p=n+Na Ndn=p+Nd Nan型半导体：电子型半导体：电子 n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半导体：空穴型半

7、导体：空穴 p Na 电子电子 n ni2/Na8.过剩载流子过剩载流子 由于受外界因素如光、电的作用，半导由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子2innp 公式公式不成立不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合9.9.载流子的输运载流子的输运漂移电流漂移电流EqnqnvJdDeift迁移率迁移率 电阻率电阻率pnqpqn1mq

8、单位电场作用下载流子获得平均速度单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力反映了载流子在电场作用下输运能力 载流子的漂移运动：载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动载流子在电场作用下的运动 引引 入入 迁迁 移移 率率 的的 概概 念念 影影 响响 迁迁 移移 率率 的的 因因 素素影响迁移率的因素：影响迁移率的因素：有效质量有效质量平均弛豫时间（散射平均弛豫时间（散射体现在：温度和体现在：温度和掺杂浓度掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：半导体中载流子的散射机制：晶格散射（晶格散射（热热 运运 动动 引引 起）起）电离杂质散射电离杂质散射扩散电流扩散电流电子扩散电流：

9、电子扩散电流：dxdnqDJndiffn,空穴扩散电流：空穴扩散电流：dxdpqDJpdiffp,爱因斯坦关系爱因斯坦关系:qkTD 载流子的扩散运动：载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动载流子在化学势作用下运动过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制：过剩载流子的复合机制：直接复合、间接复合、直接复合、间接复合、表面复合、俄歇复合表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程过剩载流子的扩散过程描述半导体器件工作的基本方程描述半导体器件工作的基本方程 泊松方程泊松方程 高斯定律高斯定律 描述半导体中静电势的变化规律描述半导体中静电势的变化规律静电势由本征费米静电势由本征

10、费米能级能级Ei的变化决定的变化决定qEi能带向下弯，能带向下弯，静电势增加静电势增加方程的形式方程的形式102x,st方程的形式方程的形式2 ssdxxE01电荷电荷密度密度(x)可动的 载流子（n,p)固定的 电离的施主、受主npNNqAD特例：特例：均匀均匀Si中，中，无外加偏无外加偏压时，压时，方程方程RHS0，静电势为静电势为常数常数 电流连续方程电流连续方程 可动载流可动载流子的守恒子的守恒RGqtnnj1RGqtppj1热平衡时：热平衡时：产生率复合率产生率复合率np=ni2电子：空穴 电流密度方程电流密度方程 载流子的输运方程载流子的输运方程在漂移扩散模型中在漂移扩散模型中扩散

11、项漂移项nqDnqnnnEjpqDpqpppEj方程形式方程形式1nBnqTkDpBpqTkD爱因斯坦关系爱因斯坦关系波耳兹曼关系波耳兹曼关系kTqifenn/)(kTqifenp/)(innnqkTlnqEFf方程形式方程形式2ipnpqkTlnnnnqnJpppqnJ电子和空穴的准费米势：电子和空穴的准费米势：费米势重 点 半导体、半导体、N型半导体、型半导体、P型半导体、本征型半导体、本征半导体、非本征半导体半导体、非本征半导体 载流子、电子、空穴、平衡载流子、非载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子平衡载流子、过剩载流子 能带、导带、价带、禁带能带、导带、价带、禁带

12、掺杂、施主、受主掺杂、施主、受主 输运、漂移、扩散、产生、复合输运、漂移、扩散、产生、复合作作 业业载流子的输运有哪些模式，对这载流子的输运有哪些模式，对这些输运模式进行简单的描述些输运模式进行简单的描述设计一个实验：首先将一块本征设计一个实验：首先将一块本征半导体变成半导体变成N型半导体，然后再型半导体，然后再设法使它变成设法使它变成P型半导体。型半导体。第一次作业第二次作业绿叶底下防虫害，平静之中防隐患。22.11.1822.11.18Friday,November 18,2022脆弱的生命需要安全的呵护。19:38:2819:38:2819:3811/18/2022 7:38:28 PM

13、安全来于警惕，事故出于麻痹。22.11.1819:38:2819:38Nov-2218-Nov-22质量是制造出来的，而不是靠检验出来的。19:38:2819:38:2819:38Friday,November 18,2022不懂莫逞能事故不上门。22.11.1822.11.1819:38:2819:38:28November 18,2022消防安全是关系社会稳定、经济发展的大事。2022年11月18日下午7时38分22.11.1822.11.18质量创造生活，庇护生命，维系生存。2022年11月18日星期五下午7时38分28秒19:38:2822.11.18立安思危，创优求存。2022年11

14、月下午7时38分22.11.1819:38November 18,2022用对自我的永远不满意，来换取顾客的永远满意。2022年11月18日星期五19时38分28秒19:38:2818 November 2022内部审核定期做，系统维持不会错。下午7时38分28秒下午7时38分19:38:2822.11.18来料检验照标准，交期品质必然稳。22.11.1822.11.1819:3819:38:2819:38:28Nov-22严格按照规章操作，确保安全每时每刻刻。2022年11月18日星期五19时38分28秒Friday,November 18,2022我们的策略是以质量取胜。22.11.182022年11月18日星期五19时38分28秒22.11.18谢谢大家！谢谢大家！