微电子与集成电路设计导论 第二章 半导体物理基础.pptx

微电子与集成电路设计导论; 本章内容;2.1 半导体材料及其基本性质;导电性：固态材料可分为三类，即绝缘体、半导体及导体。; 半导体的特点：易受温度、照光、磁场及微量杂质原子的影响。 正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成为各种电子应用中最重要的材料之一。 热敏性 光敏性 杂敏性;（a）晶体（原子规则排列）（b）非晶体（原子不规则排列）;硅、锗都是由单一原子所组成的元素半导体，均为周期表第IV族元素。; 在金刚石晶格中，每个原子被四个最邻近的原子??包围。右下图是其二维空间结构简图。每个原子在外围轨道有四个电子，分别与周围4个原子共用4对电子。这种共用电子对的结构称为共价键(covalent bonding)。每个电子对组成一个共价键。; 砷化镓为四面体闪锌矿结构，其主要结合也是共价键，但在砷化镓中存在微量离子键成分，即Ga＋离子与其四个邻近As－离子或As－离子与其四个邻近Ga＋离子间的静电吸引力。以电子观来看，这表示每对共价键电子存在于As原子的时间比在Ga原子中稍长。 ;类别： 二元化合物半导体：由两种元素组成。 三元化合物半导体：由三种元素组成。 多元化合物半导体：由三种及以上元素组成。;三元化合物与多元化合物半导体： 由III族元素铝(Al)、镓(Ga)及V族元素砷(As)所组成的合金半导体AlxGax-1As即是一种三元化合物半导体， 具有AxB1-xCyD1-y形式的四元化合物半导体锗可由许多二元及三元化合物半导体组成。例如，合金半导体GaxIn1-xAsyp1-y是由磷化镓(GaP)、磷化铟(InAs)及砷化镓(GaAs)所组成。;化合物(compound)半导体材料;2.3 硅晶体中的缺陷; 当两个原子接近时，由于两原子间的交互作用，会使得双重简并能级一分为二。如有N个原子形成一个固体，不同原子外层电子的轨道重叠且交互作用。将造成能级的移动。当N很大时，将形成一连续的能带。;能级与能带; 导带底部与价带顶部间的禁止能量间隔(EC-EV)称为禁带宽度Eg，如图左边所示。它表示将半导体价带中的电子断键，变成自由电子并送到导带，而在价带中留下一个空穴所需的能量。; 金属、半导体及绝缘体的电导率存在巨大差异，这种差异可用它们的能带来作定性解释。人们发现，电子在最高能带或最高两能带的占有率决定此固体的导电性。 ;金属： ;;;载流子：低温时，电子分别被束缚在四面体晶格中，因此无法作电的传导。但在高温时，热振动可以打断共价键。当一些键被打断时，所产生的自由电子可以参与电的传导。而一个自由电子产生时，会在原处产生一个空缺。此空缺可由邻近的一个电子填满，从而产生空缺位置的移动，并可被看作与电子运动方向相反的正电荷，称为空穴(hole)。半导体中可移动的电子与空穴统称为载流子。 ;本征半导体（intrinsic semiconductor） ： ;;;图2.5.2 杂质半导体;;图2.5.3 杂质能级;补偿半导体;费米分布函数(Feimi distribution function)：一个电子占据能量E的能态的几率 。 ;本征载流子浓度ni:对本征半导体而言，导带中每单位体积的电子数与价带每单位体积的空穴数相同,即浓度相同，称为本征载流子浓度，可表示为n＝p＝ni;;在完全电离的情形下，N型半导体中的电子浓度为 ;若施主与受主两者同时存在，则由较高浓度的杂质决定半导体的传导类型。费米能级需自行调整以保持电中性，即总负电荷(包括电子和离子化受主)必须等于总正电荷(包括空穴和离子化施主)。在完全电离的情况下，可以得到 ;; 当一个小电场E施加于半导体时，每一个电子会从电场上受到一个-qE的作用力，且在各次碰撞之间，沿着电场的反向被加速。因此，一个额外的速度成分将再加至热运动的电子上，此额外的速度成分称为漂移速度(drift velocity);;最重要的两种散射机制：;;;;;;;图2.7.4 载流子的产生与复合;连续性方程式（continuity equation）;前两个成分可将薄片每一边的电流除以电子的带电荷量而得到，而产生及复合率则分别以Gn及Rn表示之。薄片内所有电子数目的变化速率则为 ;因此，电子的基本连续性方程式为 ; 对一维的小注入情形，少数载流子（亦即p型半导体中的np，或n型半导体中的pn）的连续性方程式为