半导体简易原理课件

半导体简易原理1半导体简易原理半导体简易原理2n什么是半导体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) 10-310-3109109半导体简易原理3 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此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变半导体简易原理4固体类型 半导体的晶体结构一、晶体的基本知识一、晶体的基本知识 长期以来将固体分为：晶体和非晶体。晶体和非晶体。晶体的基本特点：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） 非晶体（无定型） 多晶 单晶半导体简易原理5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，称为晶格晶格，组成晶体的原子(或离子)的重心位置称为格点格点，格点的总体称为点阵点阵。半导体简易原理6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csbqapr半导体简易原理7固体中的缺陷和杂质 晶格振动 点缺陷（空位和填隙） 线缺陷半导体简易原理8固体中的缺陷和杂质 替位式杂质 填隙式杂质半导体简易原理9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损伤与退火半导体简易原理10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 准连续分布半导体简易原理11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半导体简易原理12固体中电的传导 能带和键模型本征激发：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：本征激发的特点：成对的产生导带电子和价带空穴。半导体简易原理13固体中电的传导 能带和键模型n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。n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=导带半导体简易原理14固体中电的传导 能带和键模型 (a) T=0K (b) T0K (c) 简化能带图nT=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。n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)。n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 半导体简易原理15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。半导体简易原理16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EF高5kT的量子态被电子占据的几率仅为0.7%；而能量比EF低5kT的量子态被电子占据的几率高达99.3%。 1()1expFFfEEEkT11( ) 11 expFFfEEEkT fF(E)表示能量为E的量子态被电子占据的几率，那么1-fF(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。半导体简易原理17费米概率函数 理想情况，能量小于EF的能级被电子占据的概率为能量EEf E0半导体简易原理19玻尔兹曼分布函数费米分布函数中，若E-EFkT，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EF-EkT时，上式转化为下面的空穴玻耳兹曼分布( )expexpexpexpFFBEEEEEfEAkTkTkTkTFF11 f (E)EE1 expkTFFEEEEE1 f(E)expexpexpBexpkTkTkTkT1( )1 expFFfEEEkT半导体简易原理20费米能级n费米能级标志了电子填充能级的水平。n半导体中常见的是费米能级EF位于禁带之中，并且满足 Ec-EFkT或EF-EvkT的条件。n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。n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。半导体简易原理21本征半导体中究竟有多少电子和空穴？n0表示导带中平衡电子浓度p0表示价带中平衡空穴浓度本征半导体中有：n0=p0=nini为本征载流子浓度ni的大小与什么因素有关？T、Eg半导体简易原理22半导体中载流子 电子空穴的平衡分布电子空穴的平衡分布 导带电子浓度与价导带电子浓度与价带空穴浓度带空穴浓度 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。n导带电子的分布n价带空穴的分布 cFn EgE fE 1vFp EgEfE半导体简易原理23掺杂原子与能级 定性描述间隙式杂质，替位式杂质间隙式杂质，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/cm3 。非本征半导体：掺杂半导体半导体简易原理24掺杂原子与能级 施主杂质 掺入价的磷原子半导体简易原理25掺杂原子与能级施主杂质施主杂质 以Si中掺入V族元素磷(P)为例：n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。n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。n而正电中心磷离子被晶格所束缚，不能运动。半导体简易原理26掺杂原子与能级 受主杂质 掺入价的硼原子半导体简易原理27掺杂原子与能级受主杂质受主杂质 以Si中掺入族元素硼(B)为例：n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。n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EA就使其成为可以“自由”运动的导电空穴。n而负电中心硼离子被晶格所束缚，不能运动。半导体简易原理28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Ed上的电子获得能量Ed后由束缚态跃迁到导带成为导电电子，因此施主能级Ed位于比导带底Ec低Ed的禁带中，且EdEg。 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Ea)位于比价带顶Ev低Ea的禁带中,EaEg，当受主能级上的空穴得到能量Ea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半导体简易原理29费米能级的位置 n型和p型半导体简易原理30费米能级的位置 与掺杂浓度的关系半导体简易原理31pn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，交界处突变半导体简易原理32pn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结的形成结的形成半导体简易原理33零偏 内建电势差 pn结能带图半导体简易原理34内建电势差零偏 内建电势差半导体简易原理35pn结电流定性描述半导体简易原理36pn结电流理想电流电压关系 理想关系Js称为反向饱和电流密度半导体简易原理37pn结电流理想电流电压关系 物理学小结半导体简易原理38pn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。半导体简易原理39结击穿 齐纳击穿和雪崩击穿半导体简易原理40结击穿 低浓度雪崩，高浓度隧穿maxdnseN xE半导体简易原理41肖特基势垒二极管肖特基势垒：内建电势差：半导体简易原理42肖特基势垒二极管 正反偏突变结近似