微电子学概论B半导体及其基本特性课件

,半导体及其基本特性,半导体及其基本特性,固体材料：超导体,:,大于,10,6,(,cm,),-1,导 体,:10,6,10,4,(,cm,),-1,半导体,:10,4,10,-10,(,cm,),-1,绝缘体,:,小于,10,-10,(,cm,),-1,？什么是半导体,从导电特性和机制来分：,不同电阻特性,不同输运机制,固体材料：超导体:大于106(cm)-1？什么是半导体从,1.,半导体的结构,原子结合形式：共价键,形成的晶体结构：构 成 一 个正四,面体，具 有,金 刚 石 晶 体 结 构,1.半导体的结构原子结合形式：共价键,半导体,的结合和晶体结构,金刚石结构,半导体有元素半导体，如：,Si,、,Ge,化合物半导体，如：,GaAs,、,InP,、,ZnS,半导体的结合和晶体结构金刚石结构 半导体有元素半导体，如：S,2.,半导体中的,载流子,：能够导电的自由粒子,本征半导体：,n=p=n,i,2.半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：n=p,电子,：,Electron,，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子,空穴,：,Hole,，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位,电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子,3.,半导体的,能带,(,价带、导带和带隙,),量子态和能级,固体的能带结构,原子能级 能带,3.半导体的能带(价带、导带和带隙)量子态和能级 原子能,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,原 子 能 级,反 成 键 态,成 键 态,共价键固体中价电子的量子态和能级 原 子 能 级 反 成 键,价带：,0K,条件下被电子填充的能量最高的能带,导带：,0K,条件下未被电子填充的能量最低的能带,禁带：,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,半导体的能带结构,导 带,价 带,E,g,价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带半导体的能带结构导,半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子,有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用,电子和空穴的,有效质量,m*,半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子,4.,半导体的,掺杂,B,As,受 主 掺 杂,施 主 掺 杂,4.半导体的掺杂BAs 受 主 掺 杂 施 主 掺 杂,施主和受主浓度,：,N,D,、,N,A,施主,：,Donor,，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,Si,中,掺,的,P,和,As,受主,：,Acceptor,，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,Si,中掺的,B,施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，掺入半导体的杂质,施主能级,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,施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,本征载流子浓度：,n=p=n,i,np=n,i,2,n,i,与禁带宽度和温度有关,5.,本征载流子,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,载流子浓度,电 子 浓 度,n,空 穴 浓 度,p,本征载流子浓度：n=p=ni np=ni,6.,非本征半导体的载流子,在非本征情形,:,热平衡时,:,N,型半导体：,n,大于,p,P,型半导体：,p,大于,n,6.非本征半导体的载流子在非本征情形:热平衡时:N型半导,多子：多数载流子,n,型半导体：电子,p,型半导体：空穴,少子：少数载流子,n,型半导体：空穴,p,型半导体：电子,多子：多数载流子,7.,电中性条件,:,正负电荷之和为,0,p+N,d,n N,a,=0,施主和受主可以相互补偿,p=n+N,a,N,d,n=p+N,d,N,a,7.电中性条件:正负电荷之和为0p+Nd n,n,型半导体：电子,n,N,d,空穴,p,n,i,2,/N,d,p,型半导体：空穴,p,N,a,电子,n,n,i,2,/N,a,n型半导体：电子 n Nd,8.,过剩载流子,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，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子,公式,不成立,载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程,电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合,8.过剩载流子 由于受外界因素如光、电的作用,9.,载流子的输运,漂移电流,迁移率,电阻率,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,载流子的漂移运动：,载流子在电场作用下的运动,引 入 迁 移 率 的 概 念,影 响 迁 移 率 的 因 素,9.载流子的输运漂移电流迁移率电阻率单位电场作用下载流,影响迁移率的因素：,有效质量,平均弛豫时间（散射,体现在：温度和,掺杂浓度,半导体中载流子的散射机制：,晶格散射（热 运 动 引 起）,电离杂质散射,影响迁移率的因素：体现在：温度和半导体中载流子的散射机制：,扩散电流,电子扩散电流：,空穴扩散电流：,爱因斯坦关系,:,载流子的扩散运动：,载流子在化学势作用下运动,扩散电流电子扩散电流：空穴扩散电流：爱因斯坦关系:载流子的扩,过剩载流子的扩散和复合,过剩载流子的复合机制：,直接复合、间接复合、,表面复合、俄歇复合,过剩载流子的扩散过程,扩散长度,L,n,和,L,p,:L=(D,),1/2,过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制：过剩载流子的扩散,描述半导体器件工作的基本方程,泊松方程,高斯定律,描述半导体中静电势的变化规律,静电势由本征费米能级,Ei,的变化决定,能带向下弯，,静电势增加,描述半导体器件工作的基本方程 泊松方程 高斯定律 描述半导,方程的形式,1,方程的形式,2,电荷密度,(x),可动的 载流子（,n,p),固定的 电离的施主、受主,特例：,均匀,Si,中，无外加偏压时，,方程,RHS,0,，,静电势为常数,方程的形式1方程的形式2电荷密度可动的 载流子（n,p)固,电流连续方程,可动载流子的守恒,热平衡时：,产生率复合率,np=n,i,2,电子：,空穴,电流连续方程 可动载流子的守恒热平衡时：电子：空穴,电流密度方程,载流子的输运方程,在漂移扩散模型中,扩散项,漂移项,方程形式,1,电流密度方程 载流子的输运方程在漂移扩散模型中扩散项漂,爱因斯坦关系,波耳兹曼关系,方程形式,2,电子和空穴的准费米势：,费米势,爱因斯坦关系波耳兹曼关系方程形式2电子和空穴的准费米势：费米,微电子学概论B半导体及其基本特性课件,重 点,半导体、,N,型半导体、,P,型半导体、本征半导体、非本征半导体,载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子,能带、导带、价带、禁带,掺杂、施主、受主,输运、漂移、扩散、产生、复合,重 点半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体,作 业,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,设计一个实验：首先将一块本征半导体变成,N,型半导体，然后再设法使它变成,P,型半导体。,作 业载流子的输运有哪些模式，对这些输运模式进行,第一次作业,列举出你见到的、想到的不同类型的集成电路及其主要作用,用你自己的话解释微电子学、集成电路的概念,第一次作业列举出你见到的、想到的不同类型的集成电路及其主要作,第二次作业,简单叙述微电子学对人类社会的作用,第二次作业简单叙述微电子学对人类社会的作用,绿叶底下防虫害，平静之中防隐患。,11月-24,11月-24,Monday,November 18,2024,脆弱的生命需要安全的呵护。,06:30:02,06:30:02,06:30,11/18/2024 6:30:02 AM,安全来于警惕，事故出于麻痹。,11月-24,06:30:02,06:30,Nov-24,18-Nov-24,质量是制造出来的，而不是靠检验出来的。,06:30:02,06:30:02,06:30,Monday,November 18,2024,不懂莫逞能事故不上门。,11月-24,11月-24,06:30:02,06:30:02,November 18,2024,消防安全是关系社会稳定、经济发展的大事。,2024年11月18日,6:30 上午,11月-24,11月-24,质量创造生活，庇护生命，维系生存。,18 十一月 2024,6:30:02 上午,06:30:02,11月-24,立安思危，创优求存。,十一月 24,6:30 上午,11月-24,06:30,November 18,2024,用对自我的永远不满意，来换取顾客的永远满意。,2024/11/18 6:30:02,06:30:02,18 November 2024,内部审核定期做，系统维持不会错。,6:30:02 上午,6:30 上午,06:30:02,11月-24,来料检验照标准，交期品质必然稳。,11月-24,11月-24,06:30,06:30:02,06:30:02,Nov-24,严格按照规章操作，确保安全每时每刻刻。,2024/11/18 6:30:02,Monday,November 18,2024,我们的策略是以质量取胜。,11月-24,2024/11/18 6:30:02,11月-24,谢谢大家！,绿叶底下防虫害，平静之中防隐患。9月-239月-23Frid,