半导体基本知识-修改-1课件

半导体物理和器件的基础知识

（补充材料）

陈朝

E－mail：

2008年10月10日于厦门什么是半导体？半导体材料的基本性质半导体基本概念、性质晶体结构和能带理论简介PN结的形成及其基本性能半导体材料的表征：基本参数及其检测半导体光电材料简介：第一类Ge、Si；第二类GaAs、InP；第三类GaN、ZnO等。

目录一、半导体材料的基本性质和能带理论1、什么是半导体？的基本性质：（1）半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间电阻率ρ：单位（Ω·cm）：绝缘体（橡胶）：1010～1022Ω·cm半导体（锗、硅）：10－2～109Ω·cm导体（金属）：10－5

Ω·cm超导体（YBaCuO）：接近零0

Ω·cm

（2）半导体的电阻率随温度的下降而上升（和导体相反）半导体：σ＝σ0exp（-E/KT),σ＝Δneμ,E=ED-EF

即：ρ＝1/σ＝σ-10exp（E/KT)导体：ρ＝ρ0T,R=ρL/S

这是区别导体、半导体的主要标志。

2、半导体材料的基本性质

（3）半导体对外界各种作用（光、电、磁、热、力）很敏感利用半导体的这特性，可以制备各种传感器（sensor）。例如：光敏电阻、晶体管、磁场仪、热敏电阻、压力传感器等（4）半导体的各种性能对杂质非常敏感一般半导体的原子密度：1022/cm3,如果含有1013～1016/cm3的杂质,即ppb（亿万分之一10－9）（深能级杂质）—半导体纯（电子纯9N）～ppm（百万分之一10－6）（浅能级杂质）——光谱纯(6N)就对半导体性能有很明显的改变。所以，半导体材料的提纯非常主要，没有达到半导体纯的半导体材料，一般不显现半导体的性能。

半导体工程，又称为杂质工程！

ppb——半导体纯——≥99.999999999%——≥9N～14N3、半导体的导类型：n型和p型在半导体中电流的载体称为载流子，带负电荷的载流子称为n型载流子，n型载流子是电子；带正负电荷的载流子称为p型载流子，p型载流子是空穴；电子浓度大于空穴浓度的半导体称为n型半导体，电子多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）；空穴浓度大于电子浓度的半导体称为p型半导体，空穴多数载流子（简称多子），电子为少数载流子（简称少子）。空穴：形象说法：共价键的空位（类似于水中的气泡）称为空穴；严格定义：满带电子的空位称为空穴高纯、不掺杂的半导体称为本征半导体；同时含有电子和空穴两种载流子的半导体称为补偿半导体，电子浓度和空穴浓度相等的半导体称为完全补偿半导体。本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子N型半导体和P型半导体

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。

在N

型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。动画N型半导体和P型半导体

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴动画无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。（1）PN结的形成载流子的两种运动——扩散运动和漂移运动扩散运动：电中性的半导体中，载流子从浓度高的区域向浓度较低区域的运动。漂移运动：在电场作用下，载流子有规则的定向运动。（6）两种类型半导体冶金学接触的界面称为pn结，pn结具有单向导电性5、pn结的形成和基本性质PN结的单向导电性示意图1.PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++动画+–2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－动画–+PN结变宽2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。动画–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－（3）半导体二极管基本结构(a)点接触型(b)面接触型

结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型

用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b)面接触型图1–12半导体二极管的结构和符号二极管的结构示意图阴极阳极(

d

)符号D半导体pn结二极管的伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。6、能带理论简介（1）能带理论的重要性

能带理论是上世纪科学家应用量子力学原理在处理无限晶体的电子能量状态时建立发展的理论，它已成为研究固体性质和应用的主要理论。可以毫不夸张地说，没有能带理论，就没有半导体的发展，就没有晶体管和IC，也就没有大型计算机和电脑，没有今天的各种信息产业和信息设备。

（2）固体价电子的共有化运动1.固体能带的形成

1）电子共有化固体具有大量分子、原子或离子有规则排列的点阵结构。电子受到周期性势场的作用。a（3）固体的能带结构

解定态薛定格方程(略），可以得出两点重要结论：１.电子的能量是量子化的;２.电子的运动有隧道效应。原子的外层电子(高能级)，势垒穿透概率较大，电子可以在整个固体中运动,称为共有化电子。原子的内层电子与原子核结合较紧,一般不是共有化电子。能带的宽度记作E，数量级为E～eV。

若N~1023,则能带中两能级的间距约10-23eV。一般规律：

1.越是外层电子，能带越宽，E越大。

2.点阵间距越小，能带越宽，E越大。3.两个能带有可能重叠。离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图3).能带中电子的排布固体中的一个电子只能处在某个能带中的某一能级上。

排布原则：

１.服从泡里不相容原理（费米子）

２.服从能量最小原理设孤立原子的一个能级Enl，它最多能容纳2(2+1)个电子。这一能级分裂成由N条能级组成的能带后，能带最多能容纳２Ｎ(2+1)个电子。2.导体、半导体和绝缘体（conductor．insulator）

它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。固体按导电性能的高低可以分为导体半导体绝缘体导体、半导体和绝缘体的能带图在外电场的作用下，大量共有化电子很易获得能量，集体定向流动形成电流。从能级图上来看，是因为其共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。E导体从能级图上来看，是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带（Eg约3～6eV?），共有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。在外电场的作用下，共有化电子很难接受外电场的能量，所以形不成电流。的能带结构,满带与空带之间也是禁带，但是禁带很窄（Eg约0.1～2eV?)。绝缘体半导体绝缘体与半导体的击穿当外电场非常强时，它们的共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中的。绝缘体半导体导体３.半导体的导电机构一.本征半导体（semiconductor）本征半导体是指纯净的半导体。本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。介绍两个概念：1.电子导电……半导体的载流子是电子2.空穴导电……半导体的载流子是空穴满带上的一个电子跃迁到空带后,满带中出现一个空位。例.半导体CdS满带空带hEg=2.42eV这相当于产生了一个带正电的粒子(称为“空穴”),把电子抵消了。电子和空穴总是成对出现的。空带满带空穴下面能级上的电子可以跃迁到空穴上来,这相当于空穴向下跃迁。满带上带正电的空穴向下跃迁也是形成电流,这称为空穴导电。Eg在外电场作用下,解上例中,半导体CdS激发电子,光波的波长最大多长？为什么半导体的电阻随温度升高而降低？4杂质半导体１)n型半导体四价的本征半导体Si、Ｇｅ等，掺入少量五价的杂质（impurity）元素（如P、As等）形成电子型半导体,称n型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处,ED～10-2eV，极易形成电子导电。该能级称为施主（donor）能级。

n型半导体在n型半导体中

电子……多数载流子空带满带施主能级EDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴……少数载流子２)ｐ型半导体四价的本征半导体Si、Ｇe等，掺入少量三价的杂质元素（如Ｂ、Ga、Ｉn等）形成空穴型半导体，称p型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，ED～10-2eV，极易产生空穴导电。该能级称受主（acceptor）能级。空带Ea满带受主能级

P型半导体SiSiSiSiSiSiSi+BEg在p型半导体中空穴……多数载流子电子……少数载流子3)n型化合物半导体例如，化合物GaAs中掺Ｔｅ，六价的Te替代五价的As可形成施主能级，成为n型GaAs杂质半导体。4)ｐ型化合物半导体例如，化合物GaAs中掺Zn，二价的Zn替代三价的Ga可形成受主能级，成为p型GaAs杂质半导体。5)杂质补偿作用实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），又有受主杂质（浓度na），两种杂质有补偿作用：若ndna——为n型（施主）若ndna——为p型（受主）利用杂质的补偿作用，可以制成P-Ｎ结。7、Ｐ-Ｎ结的形成、性能和应用一.Ｐ-Ｎ结的形成在一块n型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为ｐ型半导体。由于Ｎ区的电子向Ｐ区扩散，Ｐ区的空穴向Ｎ区扩散，在ｐ型半导体和Ｎ型半导体的交界面附近产生了一个电场,称为内建场。内建场大到一定程度,不再有净电荷的流动，达到了新的平衡。在ｐ型n型交界面附近形成的这种特殊结构称为P-N结，约0.1m厚。P-N结n型p型内建场阻止电子和空穴进一步扩散，记作。P-N结处存在电势差Uo。也阻止N区带负电的电子进一步向P区扩散。它阻止P区带正电的空穴进一步向N区扩散；U0电子能级电势曲线电子电势能曲线P-N结考虑到P-Ｎ结的存在，半导体中电子的能量应考虑进这内建场带来的电子附加势能。电子的能带出现弯曲现象。空带空带P-N结施主能级受主能级满带满带二.Ｐ-Ｎ结的单向导电性（性能）１.正向偏压在Ｐ-Ｎ结的p型区接电源正极，叫正向偏压。阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向N区运动，电子向P区运动，

形成正向电流（mＡ级）。p型n型I外加正向电压越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的伏安特性(图为锗管)。V（伏）３０２０１０（毫安）正向00.21.0I２.反向偏压在Ｐ-Ｎ结的ｐ型区接电源负极,叫反向偏压。阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向Ｎ区运动，也不利于电子向P区运动,没有正向电流。p型n型I但是，由于少数载流子的存在，会形成很弱的反向电流，当外电场很强,反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大----反向击穿。称为漏电流（Ａ级）。击穿电压V(伏)I-１０-２０-３０（微安）反向-20-30三、P-N结的应用

可以作成具有整流、开关等作用的晶体二极管（diode）。1947年12月23日，美国贝尔实验室的半导体小组做出了世界上第一只具有放大作用的点接触型晶体三极管。固定针B探针固定针AGe晶片1956年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。pnp电信号cbVebVcbRe~后来，晶体管又从点接触型发展到面接触型。晶体管比真空电子管体积小，重量轻，成本低，可靠性高，寿命长，很快成为第二代电子器件。集成电路大规模集成电路超大规模集成电路

下图为INMOST900微处理器:每一个集成块（图中一个长方形部分）约为手指甲大小，它有300多万个三极管。4、半导体材料的表征纯度：光谱纯（太阳能级）6N（<1ppma）以上;

电子纯（半导体纯）9N（<1ppba）以上。能带参数：禁带宽度Eg；跃迁类型（直接、间接）电学参数：导电类型（n型或p型）

电阻率ρ（Ω·cm）

掺杂浓度ND或NA（cm-3)

补偿度：(ND-NA

）/ND完整性参数：少子寿命（μs)

少子扩散长度（μM）迁移率：μ（cm2/(v·s)）位错密度（个/cm2)几何参数：直径（英寸），厚度（毫米）冶金学参数：晶向（111）、（110）、（100）单晶（s)、多晶(m)、非晶（a）、微晶（μ

）、柱晶8、半导体材料简介（1）数量：

元素半导体：8种：Ge、Si、Sn、C（金刚石）、α-Sn、B、P、Se、Te。

二元化合物半导体：600多种三元化合物半导体：400多种：三元和四元固熔体。（2）分类：半导体：更多种；有机半导体：10多种

可按：化学成分、晶态、功能和发展过程来分类半导体与元素周期表类别：二元化合物半导体：由两种元素组成。三元化合物半导体：由三种元素组成。多元化合物半导体：由三种及以上元素组成。二元化合物半导体：IV－IV族元素化合物半导体：碳化硅（SiC）锗硅（Ge1－xSix）；

III-V族元素化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷化铟（InP）、氮化镓（GaN）等；II-VI族元素化合物半导体：氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、硫化镉（CdS）、硒化锌（ZnSe）等；IV-VI族元素化合物半导体：硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、碲化铅（PbTe）化合物(compound)半导体材料化合物(compound)半导体材料三元化合物与多元化合物半导体：由III族元素铝(Al)、镓(Ga)及V族元素砷(As)所组成的合金半导体AlxGax-1As即是一种三元化合物半导体，具有AxB1-xCyD1-y形式的四元化合物半导体锗可由许多二元及三元化合物半导体组成。例如，合金半导体GaxIn1-xAsyp1-y是由磷化镓(GaP)、磷化铟(InAs)及砷化镓(GaAs)所组成。CuInGaSe2、CuInGaS2等。化合物半导体的优势与不足：许多化合物半导体具有与硅不同的电和光电特性。这些半导体，特别是砷化镓