22第二章半导体.ppt

N型半导体 P型半导体 本征半导体 电阻率 电阻率与掺杂的关系 N型半导体 P型半导体 例题： 扩散 粒子从高浓度向低浓度区域运动 扩散电流 半导体器件和集成电路生产中就是利用杂质补偿作用，在n型Si外延层上的特定区域掺入比原先n型外延层浓度更高的受主杂质，通过杂质补偿作用就形成了p型区，而在n型区与p型区的交界处就形成了pn结。如果再次掺入比p型区浓度更高的施主杂质，在二次补偿区域内p型半导体就再次转化为n型，从而形成双极型晶体管的n-p-n结构。 图 晶体管制造过程中的杂质补偿 位错 施主情况 受主情况 本征载流子浓度 （既适用于本征半导体，也适用于非简并的杂志半导体） 杂质半导体载流子浓度 一个能级能容纳自旋方向相反的两个电子 杂质能级只能是下面两种情况之一 被一个有任一自旋方向的电子占据 不接受电子 杂质半导体载流子浓度 施主能级上的电子浓度（没电离的施主浓度） 受主能级上的电子浓度（没电离的受主浓度） 杂质半导体载流子浓度 电离施主浓度 电离受主浓度 n和p的其他变换公式 本征半导体时， 非简并(nondegenerate)半导体：电子或空穴的浓度分别远低于导带或价带中有效态密度，即费米能级EF至少比EV高3kT，或比EC低3kT的半导体。 通常对硅及砷化镓中的浅层受主而言，室温下即有足够的热能，供给将所有施主杂质电离所需的能量ED，因此可在导带中提供与所有施主杂质等量的电子数，即可移动的电子及不可移动的施主离子二者浓度相同。这种情形称为完全电离，如图。在完全电离的情形下，电子浓度为 施主离子 非简并半导体及其载流子浓度 可见，施主浓度越高，能量差(EC-EV)越小，即费米能级往导带底部移近。同样地，受主浓度越高，费米能级往价带顶端移近。 同样，对如图所示的浅层受主能级，假使完全电离，则空穴浓度为p=NA 非简并半导体及其载流子浓度 N(E) F(E) n(E)和p(E) 导带 价带 0 0.5 1.0 (a) 能带图 (b) 态密度 (c) 费米分布函数 (d) 载流子浓度 下图显示如何求得载流子浓度的步骤（注意np＝ni2），其步骤与求本征半导体时类似。但在此例中费米能级较接近导带底部，且电子浓度（即上半部阴影区域）比空穴浓度（下半部阴影区域）高出许多。 例 一硅晶掺入每立方厘米1016个砷原子，求室温下(300K)的载流子浓度与费米能级。 解 在300K时，假设杂质原子完全电离，可得到 室温时，硅的ni为9.65×109cm-3 从本征费米能级算起的费米能级为 从导带底端算起的费米能级为 因为 下图显示当施主浓度ND＝1015cm－3时，硅的电子浓度对温度的函数关系图。 在低温时，晶体中的热能不足以电离所有存在的施主杂质。有些电子被冻结在施主能级中，因此电子浓度小于施主浓度。当温度上升时，完全电离的情形即可达到(即nn＝ND)。当温度继续上升时，电子浓度基本上在一段长的温度范围内维持定值，此为非本征区。然而，当温度进一步上升，达到某一值，此时本征载流子浓度可与施主浓度相比，超过此温度后，半导体便为本征的。半导体变成本征时的温度由杂质浓度及禁带宽度值决定。 电子浓度n/cm-3 非简并半导体及其载流子浓度 载流子的散射 4.2.1载流子散射的概念 热运动：无规则的、杂乱无章的运动 载流子散射：载流子在半导体中运动时，不断地与热振动着的晶格原子或电离了的杂质离子发生碰撞。用波的概念，即电子波在半导体中传播时遭到了散射 平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程 平均自由时间：连续两次散射间的平均时间 有外电场作用时 载流子受到电场力的作用作定向运动 载流子不断遭到散射，使运动方向改变 4.2.2半导体的主要散射机构 散射的原因：附加势场的存在 1.电离杂质散射 2.晶格振动散射 （1）声学波和光学波 格波：晶体中原子的一种集体运动形式 电离杂质的散射 杂质电离的带电离子破坏了杂质附近的周期性势场，它就是使载流子散射的附加势场 散射概率 代表单位时间内一个载流子受到散射的次数 电离施主散射 电离受主散射 格波波数矢量取决于晶体原胞中的原子数，每个原子对应一个q具有3个格波。频率低的为声学波，频率高的是光学波。无论声学波还是光学波均为一纵（振动与波传播方向相同）两横（振动与波传播方向垂直）。在长波范围内，声学波的频率与波数成正比，光学波的频率近似是一个常数。 格波的能量