半导体物理与器件解读.ppt

半导体物理与器件 一能带理论 原子结构 原子的核型结构:卢瑟福认为原子的结构与太阳系结构相似,中间是原子核,相当于太阳,电子绕着原子核旋转,就象9大行星绕着太阳转一样。 硅原子结构 泡利不相容原理 泡利不相容原理:原子中第n个壳层最多只能容纳2N2个电子。 电子共有化运动 半导体晶体中的电子共有化运动：晶体中原子外围电子的轨道互相重叠，电子不再只属于某一个原子，而是可以在整个晶体内运动，为晶体整个原子所共有。 电子共有化运动 电子共有化运动：能带形成 能带概念 半导体中能带的形成：电子的共有化运动，引起能级的分裂，受泡利不相容原理的影响，这些能级将形成能量稍有不同的“能带” 能带图 能带概念 空带，满带，价带，导带，禁带宽度： 能带上没有电子，称空带。 能带上充满电子，称满带。 能量最高的满带称为价带EV。 能量最低的空带称为导带EC。 导带和价带之间的区域称为禁带宽度Eg。 二半导体中的杂质 本征半导体 本征半导体：纯净半导体，无杂质。 本征激发：在一定温度下，由于热运动，一部分价带电子获得大于禁带宽度的能量而跃迁到导带。（实质：共价键上电子挣脱了出来，成为自由电子；同时留下一个空穴。）这样形成了空穴电子对。 载流子复合 电子空穴对的复合：电子空穴对在晶体中相遇，就可能复合而消失，补好了一个完整的共价键。 这也就是电子又从导带跳回了价带，多余的能量以发光的形式或发热的形式释放出来。 激发和复合可形成动态的平衡。 本征载流子浓度一般是很低的。 载流子复合 施主能级 N型半导体：硅中掺入5价元素磷、砷、锑，产生非平衡载流子电子。在能带图中，在禁带中靠近导带的地方，形成一个施主能级ED。 施主能级 受主能级 P型半导体：硅中掺入3价元素硼，产生非平衡载流子空穴。在能带图中，在禁带中靠近价带的地方，形成一个受主能级EA。 受主能级 半导体中杂质的补偿 载流子运动方式 半导体中载流子的两种运动方式： 漂移运动（在电场作用下的运动）； 扩散运动（浓度差造成的运动）。 三半导体中的载流子的迁移现象 载流子迁移率 载流子的迁移率：载流子在单位电场强度作用下的平均漂移速度。 常温下载流子的迁移率 四非平衡载流子 平衡载流子：半导体在热平衡情况下，体内产生的载流子。 非平衡载流子：光、电等外界因素引起的额外增加的载流子。 非平衡载流子的复合 载流子寿命的概念 非平衡载流子的寿命:在外界作用因素停止后，其随时间逐渐减少以至消失的过程称为衰减。其平均存在时间称为非平衡载流子的寿命。 非平衡少数载流子寿命的意义：其浓度降低到原来的37％（1/e）的时间。 非平衡载流子的复合机理： 直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁造成的电子和空穴的复合。 间接复合：电子通过禁带中的各种复合中心能级（杂质和缺陷形成）分两步进行的电子和空穴的复合。 非平衡载流子的净复合率： 甲：俘获电子过程； 乙：发射电子过程； 丙：俘获空穴过程； 丁：发射空穴过程。 净复合率 ＝ 甲 － 乙 ＝ 丙 － 丁 半导体的界面态和表面态 半导体界面： 半导体晶体和别的物质的交界面。 比如硅表面和SIO2的交界面。 半导体表面：当别的物质是空气时，半导体界面又称为半导体表面。 半导体界面态：半导体界面上的硅原子外层电子不能象体内那样和另一个硅原子的外层电子形成完整的共价键，称悬挂键，它很容易和其它原子结合，就形成了界面态。 表面态：界面态的特殊形式。 表面复合：硅晶体的表面，一般和SIO2相接，在相互作用下，由于界面态的存在，会在禁带中形成一些新的能级；硅晶体表面受水汽和脏物的影响，也会在禁带中产生一些新的能级。 这些能级其实也属于复合中心能级的范畴。从而使晶体表面载流子复合加剧，这样就使表面附近载流子寿命减小。 非平衡载流子的扩散运动 非平衡载流子的扩散运动：自然界任何物质都有从浓度高处向浓度低处运动的趋势。 非平衡载流子的扩散 扩散流与浓度差的关系：等式右边的D表示扩散系数。 dn/dx表示浓度梯度，即浓度差的大小。 影响扩散系数的因素：温度、掺杂浓度等 ： 扩散流密度与扩散定律 ：扩散流密度与载流子的浓度梯度成正比。 扩散长度Lp：是描写非平衡少子在边扩散边复合的过程中，能够扩散的平均距离。其在数值上等于非平衡少子浓度衰减到原来 的1/e（即37％）时两点之间的距离。 扩散长度的计算; 爱因斯坦方程 半导体体内可能存在的4种电流 PN结与半导体二极管 PN结的形成： 合金法； 扩散法； 注入法 两种不同杂质分布的PN结 突变结：P区和N区的杂质分布界限分明。 缓变结：P区和N区的杂质分布呈现此消彼涨的渐变模式。 PN结的空间电荷区 PN结