《微电子学概论》B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,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,主,掺,掺,杂,杂,施,主,主,掺,掺,杂,杂,施主,和,和受,主,主浓,度,度：,N,D,、,N,A,施主：,Donor,，掺,入,入半,导,导体,的,的杂,质,质原,子,子向,半,半导,体,体中,提供,导,导电,的,的电,子,子，,并,并成,为,为带,正,正电,的,的离,子,子。,如,如,Si,中,掺,的,P,和,As,受主：,Acceptor,，掺,入,入半,导,导体,的,的杂,质,质原,子,子向,半,半导,体,体中,提供,导,导电,的,的空,穴,穴，,并,并成,为,为带,负,负电,的,的离,子,子。,如,如,Si,中掺,的,的,B,施主,能,能级,受主,能,能级,杂质,能,能级,：,：杂,质,质可,以,以使,电,电子,在,在其,周,周围,运,运动,形,形成,量,量子,态,态,本征载,流,流子浓,度,度：,n=p=n,i,np=n,i,2,n,i,与禁带,宽,宽度和,温,温度有,关,关,5.,本征载,流,流子,本征半,导,导体：,没,没有掺,杂,杂的半,导,导体,本征载,流,流子：,本,本征半,导,导体中,的,的载流,子,子,载流子,浓,浓度,电 子,浓,浓,度,度,n,空 穴,浓,浓,度,度,p,6.,非本征,半,半导体,的,的载流,子,子,在非本,征,征情形,:,热平衡,时,时,:,N,型半导,体,体：,n,大于,p,P,型半导,体,体：,p,大于,n,多子：,多,多数载,流,流子,n,型半导,体,体：电,子,子,p,型半导,体,体：空,穴,穴,少子：,少,少数载,流,流子,n,型半导,体,体：空,穴,穴,p,型半导,体,体：电,子,子,7.,电中性,条,条件,:,正负电,荷,荷之和,为,为,0,p+N,d,n,N,a,=0,施主和,受,受主可,以,以相互,补,补偿,p=n+N,a,N,d,n=p+N,d,N,a,n,型半导,体,体：电,子,子,n,N,d,空穴,p,n,i,2,/N,d,p,型半导,体,体：空,穴,穴,p,N,a,电子,n,n,i,2,/N,a,8.,过剩载,流,流子,由于受,外,外界因,素,素如光,、,、电的,作,作用，,半,半导体,中,中载流,子,子的分,布,布偏离,了,了平衡,态,态分布,，,，称这,些,些偏离,平,平衡分,布,布的载,流,流子为,过,过剩载,流,流子,公式,不成立,载流子,的,的产生,和,和复合,：,：电子,和,和空穴,增,增加和,消,消失的,过,过程,电子空,穴,穴对：,电,电子和,空,空穴成,对,对产生,或,或复合,9.,载流子,的,的输运,漂移电,流,流,迁移率,电阻率,单位电,场,场作用,下,下载流,子,子获得,平,平均速,度,度,反映了,载,载流子,在,在电场,作,作用下,输,输运能,力,力,载流子,的,的漂移,运,运动：载流子,在,在电场,作,作用下,的,的运动,引 入,迁,迁,移,移 率,的,的,概,概 念,影 响,迁,迁,移,移 率,的,的,因,因 素,影响迁,移,移率的,因,因素：,有效质,量,量,平均弛,豫,豫时间,（,（散射,体现在,：,：温度,和,和,掺杂浓,度,度,半导体,中,中载流,子,子的散,射,射机制,：,：,晶格散,射,射（,热,热 运,动,动,引,引 起,）,）,电离杂,质,质散射,扩散电,流,流,电子扩,散,散电流,：,：,空穴扩,散,散电流,：,：,爱因斯,坦,坦关系,:,载流子,的,的扩散,运,运动：载流子,在,在化学,势,势作用,下,下运动,过剩载,流,流子的,扩,扩散和,复,复合,过剩载,流,流子的,复,复合机,制,制：,直接复,合,合、间,接,接复合,、,、,表面复,合,合、俄,歇,歇复合,过剩载,流,流子的,扩,扩散过,程,程,扩散长,度,度,L,n,和,L,p,:L=(D,),1/2,描述半,导,导体器,件,件工作,的,的基本,方,方程,泊松方,程,程,高斯定,律,律,描述半,导,导体中,静,静电势,的,的变化,规,规律,静电势,由,由本征,费,费米能,级,级,Ei,的变化,决,决定,能带向,下,下弯，,静电势,增,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,外加偏,压,压时，,方程,RHS,0,，,静电势,为,为常数,电流连,续,续方程,可动载,流,流子的,守,守恒,热平衡,时,时：,产生率,复合,率,率,np=n,i,2,电子：,空穴,电流密,度,度方程,载流子,的,的输运,方,方程,在漂移,扩散,模,模型中,扩散项,漂移项,方程形,式,式,1,爱因斯坦关系,波耳兹曼关系,方程形,式,式,2,电子和,空,空穴的,准,准费米,势,势：,费米势,重,点,点,半导体,、,、,N,型半导,体,体、,P,型半导,体,体、本,征,征半导,体,体、非,本,本征半,导,导体,载流子,、,、电子,、,、空穴,、,、平衡,载,载流子,、,、非平,衡,衡载流,子,子、过,剩,剩载流,子,子,能带、,导,导带、,价,价带、,禁,禁带,掺杂、,施,施主、,受,受主,输运、,漂,漂移、,扩,扩散、,产,产生、,复,复合,作,业,业,载流子,的,的输运,有,有哪些,模,模式，,对,对这些,输,输运模,式,式进行,简,简单的,描,描述,设计一,个,个实验,：,：首先,将,将一块,本,本征半,导,导体变,成,成,N,型半导,体,体，然,后,后再设,法,法使它,变,变成,P,型半导,体,体。,第一次,作,作业,列举出,你,你见到,的,的、想,到,到的不,同,同类型,的,的集成,电,电路及,其,其主要,作,作用,用你自,己,己的话,解,解释微,电,电子学,、,、集成,电,电路的,概,概念,第二次,作,作业,简单叙,述,述微电,子,子学对,人,人类社,会,会的作,用,用,谢谢观,看,看,/,欢迎下,载,载,BYFAITHI MEANAVISIONOFGOODONECHERISHES ANDTHEENTHUSIASMTHAT PUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BY FAITH IBYFAITH,