固体物理2-2-2015-talk2

1、 同济大学功能材料研究所蔡克峰 同济大学功能材料研究所第一章第一章半导体中的电子过程半导体中的电子过程 同济大学功能材料研究所内容提要本章内容主要有四个部分1、半导体材料中两种载流子：电子和空穴，本征半导 体、 N型杂质半导体、 P型杂质半导体。2、二极管的特性。 3、双极型三极管输入特性曲线和输出特性曲线4、能带。 同济大学功能材料研究所物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电特性取决于原子结构。 1914年，夫兰克和赫兹用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，使原子从低能级激发到较高能级。通过测量电子和原子碰撞时交换的能量，直接证明了原子内部量子化能级的存在。 1.1 半导体的特性半

2、导体的特性 同济大学功能材料研究所导体导体:通常指电阻率 109 cm 物质。如SiO2、SiON、Si3N4等。能带能隙很大，可达到9 eV，电子很难跳跃至导带，所以无法导电。半导体半导体:导电特性处于导体和绝缘体之间，能隙一般约为 1 3 eV，只要给予适当条件的能量激发，或是改变其能隙之间距就能导电。如硅为1.12eV，锗为0.67eV，砷化镓为1.43eV，所以它们都是半导体。 同济大学功能材料研究所 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子数都是四个。把硅或锗材料拉制成单晶体时, 原子组成金刚石晶体结构，每个原子周围有四个最邻近的原子，这四个原子处于正四面体的顶角上，

3、任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。共价键夹角:10928，它有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。在常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱。 1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体 同济大学功能材料研究所 半导体在热激发下产生自由电子和空穴对称为本征激发。自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，这种现象称为复合。本征半导体中自由电子与空穴的浓度相等。对于硅材料, 在300K下，空穴的浓度为1.41010CM-3。大约温度每升高, 本征载流子浓度ni增加 1 倍。另外半导体载流

4、子浓度还与光照等有关。 本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。 同济大学功能材料研究所 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。导体的导电性能发生显著变化。由此制造出人们所期由此制造出人们所期望的各种性能的半导体器件。望的各种性能的半导体器件。导电性能改变的原因是导电性能改变的原因是在半导体禁带内引入杂质能级，从价带到导带的跃迁在半导体禁带内引入杂质能级，从价带到导带的跃迁能量大幅降低，载流子浓度大大增加。能量大幅降低，载流子浓度大大增加

5、。 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 =1.41010/cm3本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 依据杂质不同可分为依据杂质不同可分为N 型半导体型半导体和和P 型半导体型半导体两种。两种。 同济大学功能材料研究所 本征半导体硅中掺入少量的 5 价元素磷、砷、锑等。原来晶体中的某些硅原子位置将被杂质原子代替。磷原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子，而磷原子就成了不能移动带正电的离子。在N 型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度。一、一、N 型

6、半导体型半导体 同济大学功能材料研究所 在本征半导体硅中掺入少量的 3 价元素硼。原来晶体中的某些硅原子位置将被硼原子代替。硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引邻近的束缚电子来填补，相当于空穴电流向另一方向移动。硼原子为不能移动的带负电的离子。二、二、P 型半导体型半导体 同济大学功能材料研究所 同济大学功能材料研究所 同济大学功能材料研究所用热电材料制成的器件 同济大学功能材料研究所导电高分子材料的导电机理 碘分子从聚乙炔抽取一个电子形成I3，聚乙炔分子形成带正电荷的自由基阳离子，在外加电场作用下双键上的电子可以非常容易地移动，结果使双键

7、可以成功地延着分子移动，实现其导电能力。 同济大学功能材料研究所三、杂质半导体特性三、杂质半导体特性无论是N型或P型半导体，从总体上仍然保持着电中性。1）掺杂特性：掺杂可明显改变半导体的电导率，对不同区域的半导体材料进行不同类型和浓度掺杂，可以形成各类晶体管，制造出各种不同的半导体器件。2）热敏特性：半导体受热时，其导电能力发生显著变化。利用它可制成热敏器件。3）光敏特性：光照可改变半导体的电导率。利用它可以制成光敏电阻、光电晶体管、光电耦合器 等。4）金属与掺杂半导体材料接触，形成肖特基二极管、金属-半导体场效应管、高电子迁移率晶体管等器件。 同济大学功能材料研究所物理性质： 原子序数:14

8、，相对原子量:28.09，有无定形和晶体两种同素异形体。晶体硅钢灰色，无定形硅黑色，密度密度2.33g/cm3 ，熔点1420，沸点2355，莫氏硬度为7 。晶格常数0.543089nm，原子密度5.001022，共价半径： 0.117nm。化学性质： 硅在常温下不活泼。但可与氢氟酸及其混合酸反应，生成SiF4或H2SiF6 。在高温下能与氧气等多种元素化合。硅的性质硅的性质 同济大学功能材料研究所硅的制备硅的制备 工业上，硅通常是在电炉中由碳还原二氧化硅而制得。化学反应方程式： SiO2 + 2C Si + 2CO 这样制得的硅纯度为9798%。再将它融化后重结晶，用酸除去杂质，得到纯度为9

9、9.799.8%的硅。 要将它指成半导体用硅，还要将其转化成易于提纯的液体或气体形式，如四氯化硅，再经蒸馏分解过程得到多晶硅。区熔提纯等处理方法可得到高纯度的硅。 同济大学功能材料研究所SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl (1)C1000图图1 SiNWs拟制备系统示意图（拟制备系统示意图（VLS机制）机制） 原料：原料：SiCl4（沸点（沸点57.6 ）液体、）液体、Ar-5%H2混合气混合气温度：温度： 0 （SiCl4，冰水浴）、，冰水浴）、1000 （马弗炉）（马弗炉）初始抽真空：初始抽真空：1次或次或10次次反应时间：反应时间：10、15、30、60 min基板：基板：Si

10、(111) 基板、石英（基板、石英（SiO2）基板）基板 同济大学功能材料研究所 同济大学功能材料研究所 1.2.1 PN 1.2.1 PN 结及其单向导电性结及其单向导电性在完整的晶体上，利用掺杂方法使晶体内部形成相邻的P型半导体型半导体 区和 N型半导体型半导体 区，在这两个区的交界面处就形成了的 PN结。结。 1.2 半导体二极管半导体二极管浓度差浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和

11、少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。 同济大学功能材料研究所 同济大学功能材料研究所 同济大学功能材料研究所 同济大学功能材料研究所 同济大学功能材料研究所一、平衡状态的PN结扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。 形成耗尽层和PN 结。漂移运动： 空间电荷区产生内电场，内电场阻止多子的进一步扩散，在内电场作用下引起的载流子向扩散相反方向的运动。内电场越强，漂移运动也越强，漂移运动将使空间电荷区变薄。 同济大学功能材料研究所PN结的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移

12、电流相等时，PN 结总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。 空间电荷区的宽度约为零点几微米 几十微米； 硅内电场，约为(0.6 0.8) V, 锗内电场，约为(0.2 0.3) V。 同济大学功能材料研究所 电源正极接P区，负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反。PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； 外电场削弱内电场耗尽层变窄扩散运动漂移运动多子扩散形成正向电流二、二、 PNPN结结的正偏的正偏 同济大学功能材料研究所电源正极接N区，负极接P区 外电场的方向与内电场方向相同。 PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 外电场

13、加强内电场耗尽层变宽漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流三、三、 PN结的反偏结的反偏 同济大学功能材料研究所 1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性一、二极管的结构：将 PN 结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从 P 区和 N 区分别焊出两根引线作正、负极。点接触型：点接触型管子中不允许通过较大的电流，因结电容小，可在高频下工作。面接触型：面接触型二极管 PN 结的面积大，允许流过的电流大，但只能在较低频率下工作。二极管的电路二极管的电路符号符号 同济大学功能材料研究所二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性正向特性： 当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相应的电压叫死区电压。

14、它与材料和温度有关，硅管约 0.5 V 左右，锗管约 0.1 V 左右。当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速增大。 同济大学功能材料研究所反向特性： 二极管加反向电压，反向电流很小。当电压超过零点几伏后，反向电流就不随电压增加而增大，达到饱和，反向饱和电流很小，A级。如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大。IS：二极管反向饱和电流； q：电子电荷1.6*10-19C k：T：热力学温度； V：加到二极管两端的电压； 玻尔兹曼常数1.381*10-23J/K； 同济大学功能材料研究所 二极管加正向电压时导通，伏安特性很陡，压降很小（硅管：0.7V，锗管0.3V

15、），可以近似看作是一个闭合的开关。二极管加反向电压时截止，截止后的伏安特性具有饱和特性（反向电流几乎不随反向电压的增大而增大）且反向电流很小（nA级），可以近似看作是一个断打开的开关。 同济大学功能材料研究所温度特性： 二极管的特性对温度很敏感, 温度升高, 正向特性曲线向左移, 反向特性曲线向下移。 其规律是：在室温附近, 在同一电流下, 温度每升高, 正向压降减小-.V；温度每升高, 反向电流约增大 1 倍。 同济大学功能材料研究所击穿特性击穿特性 当反向电压超过反向击穿电压UB时，反向电流将急剧增大，而PN结的反向电压值却变化不大，此现象称为PN结的反向击穿。雪崩击穿：反向电压较高（U6

16、V），PN结中内电场较强，参加漂移的载流子受到加速，与中性原子相碰，使价电子受激发产生新的电子空穴对，它们也被加速。形成链式反应，载流子浓度和反向电流骤增。从能带观点来看，就是高能量的电子和空穴把价带中的电子激发到导带，产生了剧增的电子空穴对。 同济大学功能材料研究所齐纳击穿：齐纳击穿： 对掺杂浓度高的半导体，PN结的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压（U 0；在齐纳击穿时：；在齐纳击穿时： U 0。击穿值在击穿值在6 V 左右左右 U 比较小，性能也比较稳定。比较小，性能也比较稳定。3、动态电阻动态电阻：4、稳定电流稳定电流IZ：使稳压管正常工作时的参考电流：使稳压管正常工作时的参考电流5、

17、最大允许功耗最大允许功耗：ZZIUZr 同济大学功能材料研究所发光二极管发光二极管 Light Emitting Diode 二极管加正偏压，电流使结面电子返回价带，和空穴复合放出能量而发光。其波长与半导体材料有关，红、黄、绿光主要是以InGaAlP材料为主，而蓝、绿光则是以InGaN材料为主。 两边材料禁带比中间宽的双异质结，可以有效地将双边载流子注入到中间层，而产生非常高的光电转换效能。当中间层厚度缩小到数10埃时，即产生量子阱效应，可大幅提高光电转换系数。 同济大学功能材料研究所LEDLED结构示意图结构示意图 同济大学功能材料研究所 同济大学功能材料研究所 1.3.1 三极管的结构三极

18、管的结构 1.3 双极型三极管双极型三极管工艺：在 N 型硅片(集电区)氧化膜上刻一个窗口，将硼杂质进行扩散形成 P 型(基区)，基区做的很薄（微米甚至纳米数量级）；再在 P 型区上刻窗口，将磷杂质进行扩散，形成N型的发射区，发射区的掺杂浓度远远高于基区和集电区。再引出三个电极。 同济大学功能材料研究所三极管分类三极管分类按内部结构分：按内部结构分：NPN型和型和PNP型管；型管；按工作频率分：按工作频率分：低频和高频管；低频和高频管；按功率分：按功率分：小功率和大功率管；小功率和大功率管；按用途分：按用途分：普通管和开关管；普通管和开关管；按半导体材料分：按半导体材料分：锗管和硅管等等。锗管

19、和硅管等等。 同济大学功能材料研究所 1.3.2 1.3.2 三极管的放大作用和载流子的运动三极管的放大作用和载流子的运动发射结正偏发射结正偏, ,集电结反偏集电结反偏发射：高掺杂发射区大量电子注入到基区，形成电子电流IE ；复合和扩散：注入到基区的电子，成为基区的非平衡少子，有少部分的电子与基区中的多子空穴复合、形成基极电流IB，其余继续向集电结方向扩散 ；收集：大部分电子到达集电结边界，并在集电结电场吸引作用下，漂移到集电区，被集电极收集，形成集电极电流IC。 同济大学功能材料研究所三极管内载流子的传输过程2.电子在基区中的扩散与复合3.集电区收集扩散过来的电子另外,基区集电区本身存在的少

20、子，在集电结上存在漂移运动，由此形成电流ICBO三极管内有两种载流子参与导电，故称此种三极管为双极型三极管，记为BJT1.发射区向基区注入电子 同济大学功能材料研究所IE=IBIC三极管三个电极间的分配关系IE=IBNICNIB=IBNICBOIC=ICNICBO 同济大学功能材料研究所直流参数 交流参数 、 的含义是不同的，但是，对于大多数三极管来说， 与 ， 与 的数值却差别不大，计算中，可不将它们严格区分。 、 共射电流放大系数BCII ECII 共基电流放大系数三极管的电流分配关系BC IIBCEIIIBE )1 (II 若两个PN结对接，相当基区很厚，将没有电流放大作用，基区从厚变薄，两个PN结演变为三极管，发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度较低且很薄，是三极管能够实现电流放大的关键。 同济大学功能材料研究所 1.3.3 1.3.3 三极管的主要参数三极管的主要参数共射直流电流放大倍数：BCII_工作于动态的三极管，信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC则交流电流放大倍数为：BIIC 同济大学功能材料研究所与间的关系 同济大学功能材料研究所 1.3.51.3.5PNP PNP 型三极