微电子工艺原理与技术 第1篇 第二章 半导体物理基础.ppt

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有效质量m* 平均弛豫时间?(散射〕 体现在:温度和掺杂浓度对迁移率的影响。 影响 ? 长短的因素: 半导体中载流子的散射机制: 晶格散射(热运动引起) 电离杂质散射(与掺杂浓 度有关 影响迁移率的因素 电阻率的计算 5. 费米能级 定义:半导体中,被电子占有的几率为1/2 的能级称为费米能级,用Ef 表示。 对本征半导体,费米能级位于禁带中央,电子和空穴数相等。费迷能级靠近导带,表示电子数多于空穴数,是N型半导体;费迷能级靠近价带,表示空穴数多于电子数,是P型半导体。 费米能级对理解器件工作原理非常有用,它是画能带图的参考点,无外电压时,半导体中的费米能级是不变的,在材料两端加上电压,则两端的费米能级将不同。 费米能级能量的计算 作业: 查阅相关资料,复习半导体物理 的基础知识 微电子工艺原理与技术 (09研究生) 第一篇 第二章 半导体物理基础 主要内容 1. 键模型 2. 半导体的掺杂 3. 半导体的能带 4. 费米能级 5. 半导体的电阻率 6. 迁移率 原子结合形式:共价键 硅(原子序数14)的物理化学性质主要由最外层四个电子(称为价电子)决定。每个硅原子近邻有四个硅原子,每两个相邻原子之间有一对电子,它们与两个原子核都有吸引作用,称为共价键。 1. 键模型 完整硅单晶的共价键结合 价电子共有 本征缺陷浓度 完整晶体只要温度不是绝对零度,就会在半导体中由热激发产生少量的电子和空穴,从而能将少量的原子从原来的晶格位置移动,产生本征缺陷:空位和自填隙原子。对非掺杂的半导体,电子和空穴浓度相等。 温度T 时本征半导体的中性空位浓度由Arrhenius 函数给出: 式中,No是晶体原子密度(Si 5.02?1022/cm2),Ea 是中性空位形成激活能(Si 2.6eV),k为波尔兹曼常数。 半导体材料中填隙原子的浓度可用同样的公式计算,但填隙原子的激活能能比空位的激活能高(4.5eV),所以,空位浓度与填隙原子浓度通常不相等,数目的差异可存在于圆片的表面。 GaAs 有两类晶格位置,对Ga 和As分别是: 当空位形成时不是四个键都打断,留下一个电子,成为-1价空位,它的激活能显然与中性空位不同。带-1价空位的平衡浓度为: n 半导体自由电子载流子浓度 nj 本征载流子浓度 -1价空位激活能 掺入在半导体中的杂质原子,能够向半导体中提 供导电的电子而本身成为带正电的离子。这种杂质称为施主杂质。如 在Si中掺入V族的P 和As。 GaAs的施主杂质是Si。 施主(Donor)掺杂 受主(Acceptor)掺杂 掺入到半导体中的杂质原子,能够向半导体中提 供导电的空穴而本身成为带负电的离子。这种杂质称为受主杂质。如在 Si中掺入III族的硼(B)元素。GaAs的受主杂质是Al。 当半导体中掺入施主杂质,并主要靠施主提供的电子导电,这种靠电子导电的半导体称为N 型半导体。 当半导体中掺有受主杂质时,主要靠受主提供的空穴导电,这种依靠空穴导电的半导体叫做 P 型半导体。 杂质补偿 当一块半导体中同时含有施主和受主杂质时,受主和施主在导电性上会相互抵销,这种现象叫做杂质的“补偿” 。在此情况下,决定导电能力的是施主和受主浓度之差。当施主数量超过受主时,半导体就是N型的;反之,受主数量超过施主,则是P型的。 3. 半导体的能带 电子的微观运动服从量子力学规律。 其基本特点包含以下两种运动形式: 电子做稳恒的运动,具有完全确定的能量。 这种稳恒的运动状态称为量子态。相应的能量称为能级。在半导体中,由于价电子的共有化,由单个原子的能级变成平直的能带。 在一定条件下,电于可以发生从一个量子态转移到另一个量子态的突变。这种突变称为量子跃迁。 能带的产生 半导体晶体中的电子的能量既不像自由电子哪样连续,也不象孤立原子哪样是一个个分立的能级,而是形成能带,每一带内包含了大量的,能量很近的能级。 能带的产生 价带:0 K 条件下被电子填充的能量最高的能带 导带:0 K 条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带:导带底与价带顶之间能带 带隙:导带底与价带顶之间的能量差 导 带 价 带 Eg 导带、价带、禁带 本征半导体的能带 电子和空穴的产生 电子摆脱共价键而形成一对电子和空穴的过程,在 能带图上看,就是一个价电子从价带到导带的量子跃迁过程。其结果是在导带中增加了一个电子而在价带中则出现了一个空的能级(空穴)。 半导体中的导电电子就是处于导带中的电子,空穴的导电性反映的仍是价

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