《微电子学概论》B

北京大学 微电子学研究所,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,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,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,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,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,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,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,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,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*,4.半导,体,体的掺杂,B,As,受 主,掺,掺 杂,施 主,掺,掺 杂,施主和受,主,主浓度：N,D,、N,A,施,主,主：Donor,，,，,掺,掺,入,入,半,半,导,导,体,体,的,的,杂,杂,质,质,原,原,子,子,向,向,半,半,导,导,体,体,中,中,提,供,供,导,导,电,电,的,的,电,电,子,子,，,，,并,并,成,成,为,为,带,带,正,正,电,电,的,的,离,离,子,子,。,。,如,如,Si,中,掺,掺,的,的P,和,和As,受,主,主：Acceptor,，,，,掺,掺,入,入,半,半,导,导,体,体,的,的,杂,杂,质,质,原,原,子,子,向,向,半,半,导,导,体,体,中,中,提,供,供,导,导,电,电,的,的,空,空,穴,穴,，,，,并,并,成,成,为,为,带,带,负,负,电,电,的,的,离,离,子,子,。,。,如,如,Si,中,掺,掺,的,的B,施,主,主,能,能,级,级,受,主,主,能,能,级,级,杂,质,质,能,能,级,级,：,：,杂,杂,质,质,可,可,以,以,使,使,电,电,子,子,在,在,其,其,周,周,围,围,运,运,动,动,形,形,成,成,量,量,子,子,态,态,本,征,征,载,载,流,流,子,子,浓,浓,度,度,：,：,n=p=n,i,np=n,i,2,n,i,与,禁,禁,带,带,宽,宽,度,度,和,和,温,温,度,度,有,有,关,关,5.本,征,征,载,载,流,流,子,子,本,征,征,半,半,导,导,体,体,：,：,没,没,有,有,掺,掺,杂,杂,的,的,半,半,导,导,体,体,本,征,征,载,载,流,流,子,子,：,：,本,本,征,征,半,半,导,导,体,体,中,中,的,的,载,载,流,流,子,子,载,流,流,子,子,浓,浓,度,度,电,子,子,浓,浓,度,度,n,空,穴,穴,浓,浓,度,度,p,6.,非,非,本,本,征,征,半,半,导,导,体,体,的,的,载,载,流,流,子,子,在,非,非,本,本,征,征,情,情,形,形:,热,平,平,衡,衡,时,时:,N,型,半,半,导,导,体,体,：,：,n,大,大,于,于p,P,型,型,半,半,导,导,体,体,：,：,p,大,大,于,于n,多,子,子,：,：,多,多,数,数,载,载,流,流,子,子,n,型,型,半,半,导,导,体,体,：,：,电,电,子,子,p,型,型,半,半,导,导,体,体,：,：,空,空,穴,穴,少,子,子,：,：,少,少,数,数,载,载,流,流,子,子,n,型,型,半,半,导,导,体,体,：,：,空,空,穴,穴,p,型,型,半,半,导,导,体,体,：,：,电,电,子,子,7.电,中,中,性,性,条,条,件,件:正,负,负,电,电,荷,荷,之,之,和,和,为,为0,p+N,d,n N,a,=0,施主和受主,可,可以相互补,偿,偿,p=n+N,a,N,d,n=p+N,d,N,a,n型,半,半导,体,体：,电,电子n,N,d,空穴p,n,i,2,/N,d,p型,半,半导,体,体：,空,空穴p,N,a,电子n,n,i,2,/N,a,8.过剩,载,载流,子,子,由于,受,受外,界,界因,素,素如,光,光、,电,电的,作,作用,，,，半,导,导体,中,中载,流,流子,的,的分,布,布偏,离,离了,平,平衡,态,态分,布,布，,称,称这,些,些偏,离,离平,衡,衡分,布,布的,载,载流,子,子为,过,过剩,载,载流,子,子,公式,不成立,载流子的产,生,生和复合：,电,电子和空穴,增,增加和消失,的,的过程,电子空穴对,：,：电子和空,穴,穴成对产生,或,或复合,9.载流,子,子的输运,漂移电流,迁移率,电阻率,单位电场作,用,用下载流子,获,获得平均速,度,度,反映了载流,子,子在电场作,用,用下输运能,力,力,载流子的漂,移,移运动：载流子在电,场,场作用下的,运,运动,引 入 迁,移,移 率,的,的 概 念,影 响 迁,移,移 率,的,的 因 素,影响迁移率,的,的因素：,有效质量,平均弛豫时,间,间（散射,体现在：温,度,度和,掺杂浓度,半导体中载,流,流子的散射,机,机制：,晶格散射（,热,热 运,动,动 引 起,）,）,电离杂质散,射,射,扩散电流,电子扩散电,流,流：,空穴扩散电,流,流：,爱因斯坦关,系,系:,载流子的扩,散,散运动：载流子在化,学,学势作用下,运,运动,过剩载流子,的,的扩散和复,合,合,过剩载流子,的,的复合机制,：,：,直接复合、,间,间接复合、,表面复合、,俄,俄歇复合,过剩载流子,的,的扩散过程,扩散长度,L,n,和,L,p,:L=(D,),1/2,描述半导体,器,器件工作的,基,基本方程,泊松方程,高斯定律,描述半导体,中,中静电势的,变,变化规律,静电势由本,征,征费米能级Ei,的变化决定,能带向下弯,，,，,静电势增加,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,偏压时，,方程RHS,0，,静电势为常,数,数,电流连续方,程,程,可动载流子,的,的守恒,热平衡时：,产生率复,合,合率,np=n,i,2,电子：,空穴,电流密度方,程,程,载流子的输,运,运方程,在漂移扩,散,散模型中,扩散项,漂移项,方程形式1,爱因斯坦关系,波耳兹曼关系,方程形式2,电子和空穴,的,的准费米势,：,：,费米势,重,点,点,半导体、N,型,型半导体、P型半导体,、,、本征半导,体,体、非本征,半,半导体,载流子、电,子,子、空穴、,平,平衡载流子,、,、非平衡载,流,流子、过剩,载,载流子,能带、导带,、,、价带、禁,带,带,掺杂、施主,、,、受主,输运、漂移,、,、扩散、产,生,生、复合,作,业,业,载流子的输,运,运有哪些模,式,式，对这些,输,输运模式进,行,行简单的描,述,述,设计一个实,验,验：首先将,一,一块本征半,导,导体变成N,型,型半导体，,然,然后再设法,使,使它变成P,型,型半导体。,第二次作业,简单叙述微,电,电子学对人,类,类社会的作,用,用,第一次作业,列举,出,出你,见,见到,的,的、,想,想到,的,的不,同,同类,型,型的,集,集成,电,电路,及,及其,主,主要,作,作用,用你,自,自己,的,的话,解,解释,微,微电,子,子学,、,、集,成,成电,路,路的,概,概念,谢谢观看,/,欢迎下载,BY FAITHI MEANA VISIONOFGOODONECHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TOSEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESSOFOBSTACLES.BY FAITHI BYFAITH,