半导体物理和器件物理基础

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1、第二章半导体物理和器件物理基础主要内容半导体材料基本特性pn结双极晶体管金属-氧化物-半导体场效应管半导体材料的基本特性电导率：超导体:大于106(cm)-1(conductivity)导体:106~104(cm)-1半导体:104~10-10(cm)-1绝缘体:小于10-10(cm)-1？什么是半导体(semiconductor)半导体的结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：具有金刚石晶体结构半导体的主要特点在纯净半导体材料中，电导率随温度的上升而指数地增加。半导体中杂质（impurity）的种类和数量决定着半导体

2、的电导率，而且在掺杂（dope）的情况下，温度对电导率的影响较弱。在半导体中可以实现非均匀掺杂。光的辐照、高能电子等的注入（injection）可以影响半导体的电导率。常见的半导体材料电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位半导体的掺杂半导体就是靠电子和空穴的移动导电的，在半导体中，电子和空穴统称载流子（carrier）。自由电子带负电荷电子流+4+4+4+4+4+4+

3、4+4+4自由电子E＋－＋总电流载流子空穴带正电荷空穴流半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制N型半导体，在半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等。主要依靠电子导电。多余电子磷原子硅原子多数载流子——自由电子少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。主要依靠空穴导电。空穴硼原子硅原子多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对施主：Donor，

4、掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P和As。依靠施主提供的电子导电的半导体称为n型半导体。受主：Acceptor，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Si中掺的B。依靠受主提供的空穴导电的半导体称为p型半导体。在半导体中掺入杂质可以控制半导体的导电性。实际上，半导体中通常含有施主和受主杂质，当施主数量大于受主时，半导体是n型的；反之，当受主数量大于施主时，则是p型的。半导体的电导率和电阻率均匀导电材料的导电能力通常采用电阻或电导来描述，满足欧姆定律。半

5、导体的导电性质可以通过掺杂杂质来实现，通过半导体的电流是不均匀的，因此采用微分形式的欧姆定律，并且利用电导率（conductivity）和电阻率（resistivity）描述半导体的导电性质。半导体的电导率（电阻率）与载流子浓度(concentration)（掺杂浓度）和迁移率(mobility)有关。半导体的迁移率（mobility）迁移率是指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得慢，迁移率小。它是反映半导体导电能力的重要参数。它对半导

6、体器件的导电能力和工作速度有直接的影响。同一种半导体材料中，载流子类型不同，迁移率不同，一般是电子的迁移率高于空穴。迁移率满足方程：载流子在电场中并不是不受阻力的，不断加速的。事实上，要与晶格、杂质、缺陷等发生碰撞，这种碰撞现象称为散射（scattering）。散射主要包括两种：晶格散射和电离杂质散射。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输运能力。晶格散射晶格散射是由晶格振动，也就是热运动引起的载流子散射。因此，温度越高，晶格振动越剧烈，更加阻碍了载流子的运动，迁移率下降。EcEv晶格原子热振动导致势场的

7、周期性遭到破坏，相当于增加了一个附加势理想晶格原子排列以一定模式振动的晶格原子电离杂质散射电离杂质散射是由电离杂质形成的正负电中心对载流子的吸引或排斥作用引起的。杂质越多，载流子和带点中心越多，它们相遇的机会也就越多，就更加阻碍载流子的运动。因此，掺杂浓度越高，迁移率越低。电离杂质散射影响迁移率的因素：温度掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：晶格散射（热运动引起）电离杂质散射半导体中的载流子量子态和能级用波函数描述电子的状态，也称为态函数，这个状态就称为量子态（quantumstate）。一个量子态上只有一个电子。并且在一定条件

8、下，电子从一个量子态转移到另一个量子态，称为量子跃迁（transition）。价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K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半导体的能带结构导带价带Eg施主能级受主能级杂质能级