半导体简易原理课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2017/7/10,#,半导体简易原理,任鑫,上海,大学 纳米科学与技术研究中心,什么是半导体,按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体,表,1.1,导体、半导体和绝缘体的电阻率范围,材料,导体,半导体,绝缘体,电阻率,(cm),10,-3,10,-3,10,9,10,9,2,半导体具有一些重要特性，主要包括：,温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降,如室温附近的纯硅,(Si),，温度每增加,8,，电阻率相应地降低,50%,左右,微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力,以纯硅中每,100,万个硅原子掺进一个,族杂质（比如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达,99.9999%,，但电阻率在室温下却由大约,214,000cm,降至,0.2cm,以下,适当波长的光照可以改变半导体的导电能力,如在绝缘衬底上制备的硫化镉,(CdS),薄膜，无光照时的电阻为几十,M,，当受光照后电阻值可以下降为几十,K,此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变,3,固体类型,半导体的晶体结构,一、晶体的基本知识,长期以来将固体分为：,晶体和非晶体。,晶体的基本特点：,具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子（或离子）在,较大的范围,内（至少是微米量级）是按一定的方式有规则的排列而成长程有序。（如,Si,，,Ge,，,GaAs,）,4,非晶体（无定型）,多晶,单晶,空间晶格,晶体是由原子周期性重复排列构成的，整个晶体就像网格，称为,晶格,，组成晶体的原子,(,或离子,),的重心位置称为,格点,，格点的总体称为,点阵,。,5,空间晶格,晶胞和原胞,原胞,可以形成晶体的最小的晶胞,广义三维晶胞的表示方法：,晶胞和晶格的关系,6,固体中的缺陷和杂质,晶格振动,点缺陷（空位和填隙）,线缺陷,7,固体中的缺陷和杂质,替位式杂质,填隙式杂质,8,固体中的缺陷和杂质,掺杂 为了改变半导体的导电性而向其中加入杂质的技术,高温扩散度,离子注入,50kev,损伤与退火,9,允带与禁带,能级分裂为能带,外层先分裂,允带和禁带,r0,平衡时的距离,r0,处存在能量的允带,准,连续分布,10,允带,与禁带,简约,布里渊区,(a)E(k)k/2,关系,(b),能带,(c),第一布里渊区,图,晶体中电子的,E(k),k/2,关系,/2,/2,11,固体中电的传导,能带和键模型,本征激发：,共价键上的电子激发成为准自由电子，也就是价带电子激发成为导带电子的过程。,本征激发的特点：,成对的产生导带电子和价带空穴。,12,固体中电的传导,能带和键模型,在图,(a),中，,A,点的状态和,a,点的状态完全相同，也就是由布里渊区一边运动出去的电子在另一边同时补充进来，因此电子的运动并不改变布里渊区内电子分布情况和能量状态，所以满带电子即使存在电场也不导电。,但对于图,(b),的半满带，在外电场的作用下电子的运动改变了布里渊区内电子的分布情况和能量状态，电子吸收能量以后跃迁到未被电子占据的能级上去了，因此半满带中的电子在外电场的作用下可以参与导电。,满带与半满带,满带,=,价带,半满带,=,导带,13,固体中电的传导,能带和键模型,(a)T=0K (b)T0K (c),简化能带图,T=0K,的半导体能带见图,(a),，,这时半导体的价带是满带，而导带是空带，所以半导体不导电。,当温度升高或在其它外界因素作用下，原先空着的导带变为半满带，而价带顶附近同时出现了一些空的量子态也成为半满带，这时导带和价带中的电子都可以参与导电，见图,(b),。,常温下半导体价带中已有不少电子被激发到导带中，因而具备一定的导电能力。图,(c),是最常用的简化能带图。,半导体的能带,14,统计力学,在一定温度下，半导体中的大量电子不停地作无规则热运动，从一个电子来看，它所具有的能量时大时小，经常变化。但是，从大量电子的整体来看，在热平衡状态下，电子按能量大小具有一定的统计分布规律性，即电子在不同能量的量子态上统计分布几率是一定的。,15,统计力学,费米分布函数,热平衡条件下半导体中电子按能量大小服从一定的统计分布规律。能量为,E,的一个量子态被一个电子占据的几率为,据上式，能量比,E,F,高,5kT,的量子态被电子占据的几率仅为,0.7%,；而能量比,E,F,低,5kT,的量子态被电子占据的几率高达,99.3%,。,f,F,(E),表示能量为,E,的量子态被电子占据的几率，那么,1-f,F,(E),就是能量为,E,的量子态不被电子占据的几率，也就是被空穴占据的几率。,16,费米概率函数,理想情况，能量小于,E,F,的能级被电子占据的概率为,能量,EE,f,E0,18,玻尔兹曼分布函数,费米分布函数中，若,E-E,F,kT,，则分母中的,1,可以忽略，此时,上式就是电子的玻耳兹曼分布函数。,同理，当,E,F,-EkT,时，上式转化为下面的空穴玻耳兹曼分布,19,费米能级,费米能级标志了电子填充能级的水平。,半导体中常见的是费米能级,E,F,位于禁带之中，并且满足,E,c,-E,F,kT,或,E,F,-E,v,kT,的条件。,因此对导带或价带中所有量子态来说，电子或空穴都可以用玻耳兹曼统计分布描述。,由于分布几率随能量呈指数衰减，因此导带绝大部分电子分布在导带底附近，价带绝大部分空穴分布在价带顶附近，即起作用的载流子都在能带极值附近。,20,本征半导体中究竟有多少电子和空穴？,n,0,表示导带中平衡电子浓度,p,0,表示价带中平衡空穴浓度,本征半导体中有：,n,0,=p,0,=n,i,n,i,为本征载流子浓度,n,i,的大小与什么因素有关？,T,、,Eg,21,半导体中载流子,电子空穴的平衡分布,导带电子浓度与价带空穴浓度,要计算半导体中的导带电子浓度，必须先要知道导带中能量间隔内有多少个量子态。,又因为这些量子态上并不是全部被电子占据，因此还要知道能量为,E,的量子态被电子占据的几率是多少。,将两者相乘后除以体积就得到区间的电子浓度，然后再由导带底至导带顶积分就得到了导带的电子浓度。,导带电子的分布,价带空穴的分布,22,掺杂原子与能级,定性描述,间隙式杂质，替位式杂质,杂质进入半导体后可以存在于晶格原子之间的间隙位置上，称为间隙式杂质，间隙式杂质原子一般较小。,也可以取代晶格原子而位于格点上，称为替（代）位式杂质，替位式杂质通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层结构也相似。,图,替位式杂质和间隙式杂质,、,族元素掺入,族的,Si,或,Ge,中形成替位式杂质，用单位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质含量多少，杂质浓度的单位为,1/cm,3,。,非本征半导体：,掺杂半导体,23,掺杂原子与能级,施主杂质,掺入价的磷原子,24,掺杂原子与能级,施主杂质,以,Si,中掺入,V,族元素磷,(P),为例：,当有五个价电子的磷原子取代,Si,原子而位于格点上时，磷原子五个价电子中的四个与周围的四个,Si,原子组成四个共价键，还多出一个价电子，磷原子所在处也多余一个称为正电中心磷离子的正电荷。,多余的这个电子被正电中心磷离子所吸引只能在其周围运动，不过这种吸引要远弱于共价键的束缚，只需很小的能量就可以使其挣脱束缚，形成能在整个晶体中“自由”运动的导电电子。,而正电中心磷离子被晶格所束缚，不能运动。,25,掺杂原子与能级,受主杂质,掺入价的硼原子,26,掺杂原子与能级,受主杂质,以,Si,中掺入,族元素硼,(B),为例：,硼只有三个价电子，为与周围四个,Si,原子形成四个共价键，必须从附近的,Si,原子共价键中夺取一个电子，这样硼原子就多出一个电子，形成负电中心硼离子，同时在,Si,的共价键中产生了一个空穴。,这个被负电中心硼离子依靠静电引力束缚的空穴还不是自由的，不能参加导电，但这种束缚作用同样很弱，很小的能量,E,A,就使其成为可以“自由”运动的导电空穴。,而负电中心硼离子被晶格所束缚，不能运动。,27,掺杂原子与能级,施主能级,受主能级,掺入施主杂质的半导体，施主能级,E,d,上的电子获得能量,E,d,后由束缚态跃迁到导带成为导电电子，因此施主能级,E,d,位于比导带底,E,c,低,E,d,的禁带中，且,E,d,Eg,。,对于掺入,族元素的半导体，被受主杂质束缚的空穴能量状态,(,称为受主能级,E,a,),位于比价带顶,E,v,低,E,a,的禁带中,E,a,Eg,，当受主能级上的空穴得到能量,E,a,后，就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴。,(a),施主能级和施主电离,(b),受主能级和受主电离,图,杂质能级和杂质电离,28,费米能级的位置,n,型和,p,型,29,费米能级的位置,与掺杂浓度的关系,30,pn,结的基本结构,冶金结,P,区和,n,区的交界面,突变结线性缓变结超突变结,突变结均匀分布，交界处突变,31,pn,结的基本结构,空间电荷区耗尽区（没有可自由移动的净电荷，高阻区）,PN,结的形成,32,零偏,内建电势差,pn,结能带图,33,内建电势差,零偏,内建电势差,34,pn,结电流,定性描述,35,pn,结电流,理想电流电压关系,理想关系,J,s,称为反向饱和电流密度,36,pn,结电流,理想电流电压关系,物理学小结,37,pn,结电流,理想电流电压关系,温度特性,理想反向饱和电流密度：,温度升高，反向饱和电流密度增大。,正偏电流电压关系式：,温度升高，二极管电流密度也会增大，但不如反向饱和电流增大的那么明显。,38,结击穿,齐纳击穿和雪崩击穿,39,结击穿,低浓度雪崩，高浓度隧穿,40,肖特基势垒二极管,肖特基势垒：,内建电势差：,41,肖特基势垒二极管,正反偏,突变结近似,42,