第二章 半导体及其本征特征

1、第二章第二章半导体物理和器件物理基础半导体物理和器件物理基础Recap:主要知识点和阅读章节主要知识点和阅读章节 1、半导体材料基本特性、半导体材料基本特性 2、pn结结 3、双极晶体管、双极晶体管 4、场效应管、场效应管 阅读教材第二章阅读教材第二章 阅读康华光阅读康华光电子技术基础电子技术基础-模拟部分（第模拟部分（第五版）五版）第第1、2、3、4、5章章. 参考教材：参考教材： 1 童诗白童诗白,华成英华成英(著著).模拟电子技术基础模拟电子技术基础(第四版第四版)M.北京北京:高等教育出版社高等教育出版社,2006. 2 康华光康华光(著著).电子技术基础电子技术基础:模拟部分模拟部分

2、(第第五版五版)M.北京北京:高等教育出版社高等教育出版社,2010.第一讲第一讲 半导体物理基础半导体物理基础 2.1 半导体及其基本性质半导体及其基本性质 2.2 半导体中的半导体中的载流子载流子 2.3 半导体的半导体的电导率（电阻率的倒数）电导率（电阻率的倒数）和载和载流子输运流子输运固体材料：固体材料： 超导体超导体: 大于大于106 ( cm)-1 导导 体体: 106104 ( cm)-1 半导体半导体: 10410-10 ( cm)-1 绝缘体绝缘体: 小于小于10-10 ( cm)-1？什么是半导体？什么是半导体原子结合形式：共价键原子结合形式：共价键形成的晶体结构：形成的晶

3、体结构： 构构 成成 一一 个正四个正四面体，面体， 具具 有有 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构构半导体半导体的结合和晶体结构的结合和晶体结构金刚石结构金刚石结构 半导体有元素半导体，如：半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：化合物半导体，如：GaAs、InSb、GaP、InP2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：本征半导体：n=p=ni一、一、本征半导体本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。纯净的晶体结构的半

4、导体。1 1、什么是半导体？什么是本征半导体？、什么是半导体？什么是本征半导体？ 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。才可能导电。 半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体

5、与绝缘们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。体之间。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构2 2、本征半导体的结构、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚而成为而成为自由电子自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为留有一个空位置，称为空穴空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合复合。共价键共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空

6、穴对热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。的浓度加大。动态平衡动态平衡两种载流子两种载流子 外加电场时，带负电的自由电外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数且运动方向相反。由于载流子数目很少，故目很少，故导电性很差导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？3 3、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。 温度升高，热运动加剧，载温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。流子

7、浓度增大，导电性增强。 热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。电子：电子：Electron，带负电的导电载流子，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚是价电子脱离原子束缚 后形成的后形成的自由电子，对应于导带中占据的电自由电子，对应于导带中占据的电子子空穴：空穴：Hole，带正电的导电载流子，是，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚价电子脱离原子束缚 后形成的电后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位子空位，对应于价带中的电子空位KTEiiGOeTKpn22314 4、本征半导体中载流子的浓度、本征半导体中载流子的浓度 在一定温度下在一定温度下本征半导体中本征半导体中载流子的浓度是

8、一定载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。的，并且自由电子与空穴的浓度相等。本征半导体中本征半导体中载流子的浓度公式：载流子的浓度公式：T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.431010/cm3本征锗的电子和空穴浓度本征锗的电子和空穴浓度: : n = p =2.381013/cm3本征激发本征激发复合复合动态平衡动态平衡1. 半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的自由电子带负电的自由电子带正电的空穴带正电的空穴 2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为称为

9、 电子电子 - 空穴对。空穴对。3. 本征半导体中自由电子和空穴的浓度用本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和和 pi 表示，显然表示，显然 ni = pi 。4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。高，基本按指数规律增加。小结：小结：3. 半导体的能带半导体的能带 (价带、导

10、带和带隙价带、导带和带隙)量子态和能级量子态和能级固体的能带结构固体的能带结构 原子能级原子能级 能带能带能带能带禁带禁带共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态共价键固体：成键态、反键态原原 子子 能能 级级 反反 成成 键键 态态 成成 键键 态态价带：价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：禁带：导带底与价带顶之间能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带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带

11、结构半导体的能带结构半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子等效粒子有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的有效质量电子和空穴的有效质量m m* *4.半导体的掺杂半导体的掺杂BAs 受受 主主 掺掺 杂杂 施施 主主 掺掺 杂杂二、杂质半导体 1. N N型半导体5磷（磷（P） 杂质半导体主要靠多数载流杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，浓度越高，导

12、电性越强，实现实现导电性可控。导电性可控。多数载流子多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多空穴比未加杂质时的数目多了？了？少了少了？为什么？为什么？2. 2. P型半导体3硼（硼（B）多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠空穴型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。穴浓度越高，导电性越强。 在杂质半导体中，温度变在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目少子与多子变化的数目相同相同吗？少子与多子吗？少子与多子浓度浓度的变化的变化相同吗？相同吗？说明：说明：1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度

13、决掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。3. 杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。( (a) )N 型半导体型半导体( (b) ) P 型半导体型半导体图图 杂质半导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法施主和受主浓度：施主和受主浓度：ND、NA施主：施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子

14、向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的中掺的P 和和As 受主：受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的中掺的B施主能级施主能级受主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态施主能级施主能级导导带带电离能电离能受主能级受主能级价价带带本征载流子浓度：本征载流子浓度： n=p=ni np=ni2ni与禁带宽度和温度有关与禁带宽度和温度有关5

15、. 本征载流子本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度载流子浓度 电电 子子 浓浓 度度 n, 空空 穴穴 浓浓 度度 p6. 6. 非本征半导体的载流子非本征半导体的载流子2innp pn 在非本征情形在非本征情形: 热平衡时热平衡时:N型半导体：型半导体：n大于大于pP型半导体：型半导体：p大于大于n多子：多数载流子多子：多数载流子n型半导体：电子型半导体：电子p型半导体：空穴型半导体：空穴少子：少数载流子少子：少数载流子n型半导体：空穴型半导体：空穴p型半导体：电子型半导体：电子7. 电中

16、性条件电中性条件: 正负电荷之和为正负电荷之和为0p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互补偿施主和受主可以相互补偿p = n + Na Ndn = p + Nd Nan型半导体：电子型半导体：电子 n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半导体：空穴型半导体：空穴 p Na 电子电子 n ni2/Na8. 过剩载流子过剩载流子 由于受外界因素如光、电的作用，半导由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子2innp 公式公式不成立不成立载流子的产生和复

17、合：电子和空穴增加和消载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合9. 9. 载流子的输运载流子的输运漂移电流漂移电流EqnqnvJdDeift迁移率迁移率 电阻率电阻率pnqpqn1mq单位电场作用下载流子获得平均速度单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下反映了载流子在电场作用下输运能力输运能力 载流子的漂移运动：载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动载流子在电场作用下的运动 引引 入入 迁迁 移移 率率 的的 概概 念念 影影 响响 迁迁 移移 率率 的的 因因 素素影响迁移率的因素：影

18、响迁移率的因素：有效质量有效质量平均弛豫时间（散射平均弛豫时间（散射体现在：温度和体现在：温度和掺杂浓度掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：半导体中载流子的散射机制： 晶格散射（晶格散射（ 热热 运运 动动 引引 起）起） 电离杂质散射电离杂质散射扩散电流扩散电流电子扩散电流：电子扩散电流：dxdnqDJndiffn,空穴扩散电流：空穴扩散电流：dxdpqDJpdiffp,爱因斯坦关系爱因斯坦关系:qkTD 载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制：过剩载流子的复合机制： 直接复合、间接复

19、合、直接复合、间接复合、 表面复合、俄歇复合表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程过剩载流子的扩散过程描述半导体器件工作的基本方程描述半导体器件工作的基本方程 泊松方程泊松方程 高斯定律高斯定律 描述半导体中静电势的变化规律描述半导体中静电势的变化规律静电势由本征费米静电势由本征费米能级能级Ei的变化决定的变化决定qEi能带向下弯，能带向下弯，静电势增加静电势增加方程的形式方程的形式102x,st方程的形式方程的形式2 ssdxxE01电荷电荷密度密度 (x)可动的可动的 载流子（载流子（n,p)固定的固定的 电离的施主、受主电离的施主、受主npNNqAD特例：特例：均匀均匀Si中，中，无外加偏无外加偏压时，压时，方程方程RHS0，静电势为