半导体物理知识复习.ppt

物质的分类 固体结构 晶体结构 硅、锗等半导体都属于金刚石型结构。 III-V族化合物（如砷化镓等）大多是属于闪锌矿型结构，与金刚石结构类似。 晶格常数是晶体的重要参数。 aGe=0.5658nm,aSi=0.5431nm 半导体的原子结构 本征半导体中的共价键 本征激发 载流子的概念 本征半导体的载流子浓度(1) 本征半导体的载流子浓度(2) 杂质半导体 N型半导体及其性质 P型半导体及其性质 杂质半导体的性质 载流子在半导体中的运动 半导体中的能带 电子的共有化运动 轨道交迭：电子可从一个原子转移到相邻的原子上去 原子组合成晶体：电子的量子态发生质的变化，电子穿行于整个晶体的运动 电子只能在能量相同的量子态之间转移 共有化的量子态与原子能级之间存在对应关系 电子摆脱共价键束缚形成一对电子和空穴 电子从价带到导带的跃迁过程 导带增加一个电子、价带增加一个空穴 禁带宽度：摆脱共价键所需的能量 导电的电子：导带中的电子 导电的空穴：填满的价带中出现的空能级，实质是价带中电子的导电 从低向高能级跃迁：吸收能量；反之放出能量 费米能级 费米能级：反映电子填充能带到什么水平：电子统计规律的一个基本概念 从重掺杂P型到重掺杂N型半导体，填进能带的电子逐渐增多，费米能级逐渐增高 费米能级画到能带图中，反映电子填充能带情况，不代表电子的量子态 费米能级以下基本 填满电子 费米能级在禁带中央：本征 费米能级在禁带上半部：N型 费米能级在禁带下半部：P型 载流子的统计分布函数 载流子在运动过程中，与晶格、杂质、缺陷发生碰撞，无规则地改变运动方向，发生散射；经历一次散射载流子丧失了原有定向运动速度 载流子的平均漂移速度等于载流子在两次散射之间电场力加速获得的平均速度 迁移率? 漂移速度与迁移率的关系： Vd=?E 其中，迁移率即表示单位场强下电子的平均漂移速度（cm2/V·s) I=-nqVd?1 ?s ?J=- nqVd =-nq ?E Si: ?n=1350 cm2/V·s, ?p=500cm2/V·s 电阻率 J=?E=nq?nE+pq?pE 连续性方程和泊松方程 连续性方程：在半导体材料中同时存在载流子的漂移、扩散、复合和产生时，描述这些作用的总体效应的基本方程。 连续性方程基于粒子数守恒，即单位体积内电子增加的速率等于净流入的速率和净产生率之和。 泊松方程： 式中，εS为半导体的介电常数 ρ称为空间电荷密度 半导体器件是根据半导体中的各种效应制成的。 如：利用pn结单向导电效应，光电效应，雪崩倍增效应，隧道效应等，可以制成各种半导体结型器件。 半导体中的各种效应是由半导体内部的电子运动产生的，因此需要掌握构成半导体器件物理基础的半导体中的电子运动规律。 n-Si: 掺杂浓度越高，EF便越高 p-Si:掺杂浓度越高，EF便越低 Si中迁移率和杂质浓度的关系 扩散电流 电子扩散电流： 空穴扩散电流： 爱因斯坦关系: 载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动 由载流子非均匀分布引起 扩散系数，描述载流子的扩散能力 电流密度方程 载流子的输运方程 在漂移－扩散模型中 扩散项 漂移项 方程形式1 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 电荷守恒定律 * 导体(电阻率小于 ) 绝缘体(电阻率大于 ) 半导体（电阻率介于两者之间） 典型的半导体：硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 按照导电能力的差别，可以将物质分为： 第一节：半导体中的载流子及其运动 价电子 Si 硅原子 Ge 锗原子 +4 价电子 正离子 第一节：半导体中的载流子及其运动 完全纯净、结构完整的半导体晶体，被称为本征半导体。例如理想的硅或锗单晶。 在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。 +4 +4 +4 +4 晶体中的共价键结构 价电子 共价键 正离子 +4 +4 +4 +4 当温度很低，没有激发时，半导体不能导电。 当温度逐渐升高或有足够光照时，将有少数价电子获得足够能量，可以克服共价键的束缚而成为自由电子，使得本征半导体具有了微弱的导电能力。 产生自由电子后，在原有的共价键中形成空穴。 +4 +4 +4 +4 自由电子 空穴 第一节：半导体中的载流子及其运动 可以依靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现空穴的移动。 自由电子与空穴均可视为载流子，但所携带电荷的极性不同。 在本征半导体中，自由电子与空穴总是成对出现，成为电子-空穴对,从而两种载流子的浓度相等。 带正电 带负电 第一节：半导体中的载流子及其运动 +4 +4 +4 +4 自由电子 空穴 载流子