微电子半导体基础和器件物理基础.docx

微电子——半导体物理和器件物理基础概述及光半导体白光LED概述半导体在微电子中占了举足轻重的位置，也是整个功能材料乃至大材料界的重点。下面就上微电子这堂课我所学到的做个报告。一、关于半导体物理基础：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、非平衡载流子能带、导带、价带、禁带、费米能级掺杂、施主、受主输运、漂移、扩散、产生、复合这些是提到半导体物理跳入脑海的关键词，也能用这些来概括了这部分内容。什么是半导体半导体（semiconductor），指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。材料的导电性是由“传导带”（conduction band）中含有的电子数量决定。当电子从“价带”（valence band）获得能量而跳跃至“导电带”时，电子就可以在带间任意移动而导电。一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，通过电子传导或空穴传导的方式传输电流半导体的基本特性温度效应-----电导率随温度上升而指数增加、掺杂效应-----杂质敏感性、光电效应-----光电导、电场、磁场效应半导体的能带结构价带：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带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体中的载流子半导体中的载流子：能够导电的自由粒子电子：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：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。半导体中的掺杂掺杂：为控制半导体的性质，人为掺入杂质的工艺过程;掺杂杂质一般为替位式杂质;扩散和注入是典型的掺杂工艺;杂质浓度是掺杂的重要因子：单位体积中杂质原子数本征半导体：没有掺入杂质的纯净半导体;本征半导体的能带结构：禁带中无载流子可占据的能级状态;本征载流子浓度：电子和空穴浓度相同n=p2）N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体; 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子3) P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导, 也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价 电子而在共价键中留下一个空穴。 P型半导体中空穴 是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质 4) 施主、受主施主：掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺入五价的P 和As.As：V族，其中的四个价电子与Si形成共价键，但多出一个电子只需要很低的能量便能该电子电离进入导带，形成导电电子和带正电的电离施主。受主：掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺入三价的B. B：III族，只有三个价电子，与Si形成共价键，并出现一个空位，只需要很低的能量便能使价带中的电子填补空位，并形成价带空穴和带负电的电离受主。半导体中载流子运动热运动:导带中的电子和价带中的空穴始终在进行着无规热运动,热平衡时热运动是随机的统计平均的结果净电流为0。漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向一致。扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运动半导体中光电特性内光电效应： 受光照物体电导率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应外光电效应—光电发射效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电光生伏特效应： 半导体受光照射产生电势的现象称为光生伏特效应二、半导体器件物理基础Pn结、双极晶体管、MOS场效应晶体管、半导体器件据统计目前为止有67种，另外还有110多个相关变种，而讲到器件离不开的物理基础便是上边提到的三个关键字还有异质结、超晶格Pn结PN结的形成P型半导体和N型半导体相结合——PN结在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。内电场促使少子漂移，内电场阻止多子扩散，最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡Pn结的特性1）单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏2）反向击穿性当反向电压增大到一定值时，PN结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增 加，这种现象称为PN结的击穿，反向电流急剧增加时所对应的电压称为反向击穿电压，如上图所示， PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击