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半导体及其基本特性 北京大学

半导体及其基本特性 北京大学. ？什么是半导体. 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. 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

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半导体及其基本特性 北京大学

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  1. 半导体及其基本特性 北京大学

  2. ？什么是半导体 固体材料：超导体: 大于106(cm)-1 导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1 从导电特性和机制来分： 不同电阻特性 不同输运机制

  3. 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

  4. 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

  5. 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=ni

  6. 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

  7. 3. 半导体的能带 (价带、导带和带隙) 原子能级 能带 • 量子态和能级 • 固体的能带结构

  8. 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 反 成 键 态 原 子 能 级 成 键 态

  9. 半导体的能带结构 导 带 Eg 价 带 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

  10. 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

  11. As B 4.半导体的掺杂 受 主 掺 杂 施 主 掺 杂

  12. 施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中施主：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

  13. 杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态 受主能级 施主能级

  14. 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 电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p 载流子浓度 本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2 ni与禁带宽度和温度有关

  15. 6. 非本征半导体的载流子 热平衡时: 在非本征情形: N型半导体：n大于p P型半导体：p大于n

  16. 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

  17. 7. 电中性条件: 正负电荷之和为0 p + Nd – n – Na = 0 施主和受主可以相互补偿 p = n + Na – Nd n = p + Nd – Na

  18. n型半导体：电子 n  Nd 空穴 p  ni2/Nd p型半导体：空穴 p  Na 电子 n  ni2/Na

  19. 不成立 公式 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 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

  20. 9. 载流子的输运 载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动 漂移电流 引 入 迁 移 率 的 概 念 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 迁移率 影 响 迁 移 率 的 因 素 电阻率

  21. 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

  22. 载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动载流子的扩散运动：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:

  23. 过剩载流子的扩散和复合 过剩载流子的扩散过程 扩散长度Ln和Lp: L=(D)1/2 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

  24. 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

  25. 可动的 －载流子（n,p) 电荷密度 (x) 方程的形式1 方程的形式2 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

  26. 电流连续方程 可动载流子的守恒 电子： 热平衡时： 产生率＝复合率 np=ni2 空穴

  27. 漂移项 扩散项 电流密度方程 载流子的输运方程 在漂移－扩散模型中 方程形式1

  28. 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

  29. 半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体半导体、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

  30. 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

  31. 半导体器件物理基础北京大学

  32. 半导体器件物理基础 • 据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种 • 所有这些器件都由少数基本模块构成： • pn结 • 金属－半导体接触 • MOS结构 • 异质结 • 超晶格

  33. PN结的结构

  34. 空间电荷区－耗尽层 XN XP N P 空间电荷区XM 空间电荷区为高阻区，因为缺少载流子 1. PN结的形成

  35. 2. 平衡的PN结：没有外加偏压 能带结构 载流子漂移(电流)和扩散(电流)过程保持平衡(相等)，形成自建场和自建势 自建场和自建势

  36. 费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为：费米能级EF：反映了电子的填充水平某一个能级被电子占据的几率为： E=EF时，能级被占据的几率为1/2 本征费米能级位于禁带中央

  37. 费米能级平直 平衡时的能带结构 自建势qVbi

  38. 3.正向偏置的PN结情形 P N 正向偏置时，扩散大于漂移 扩散 扩散 电子： N区 P区 空穴： P区 N区 漂移 漂移 正向电流

  39. 正向的PN结电流输运过程 电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程〕

  40. 4. PN结的反向特性 反向偏置时，漂移大于扩散 P N 漂移 漂移 电子： N区 P区 空穴： P区 N区 扩散 扩散 反向电流

  41. 漂移 漂移 电子： N区 P区 空穴： P区 N区 扩散 扩散 反向偏置时，漂移大于扩散 反向电流

  42. 5. PN结的特性 单向导电性： 正向偏置 反向偏置 正向导通电压Vbi~0.7V(Si) 反向击穿电压Vrb 正向导通，多数载流子扩散电流 反向截止，少数载流子漂移电流

  43. 6. PN结的击穿 雪崩击穿 齐纳/隧穿击穿 7. PN结电容

  44. § 2.4 双极晶体管 1. 双极晶体管的结构 由两个相距很近的PN结组成： 收集极 发射结 收集结 发射极 发射区 基区 收集区 基极 基区宽度远远小于少子扩散长度 分为：NPN和PNP两种形式

  45. 双极晶体管的两种形式：NPN和PNP c c b b e e NPN PNP

  46. 双极晶体管的结构和版图示意图

  47. 2.3 NPN晶体管的电流输运机制 正常工作时的载流子输运 相应的载流子分布

  48. 电子流 空穴流 NPN晶体管的电流输运 NPN晶体管的电流转换

  49. e 共基极 共发射极 共收集极 N b P N c 晶体管的共收集极接法 2.3 NPN晶体管的几种组态 共基极 共发射极 共收集极

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