半导体材料与特性答辩ppt课件.ppt

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1、SemiconductorMaterialsandDiodes半導體材料與特性pn接面二極體電路：直流分析與模型二極體電路:交流等效電路其他形式二極體半導體材料與特性(1/25)前言最常見的半導體為矽，用在半導體元件及積體電路其他特殊用途的則有砷化鎵及相關的化合物，用在非常高速元件及光元件半導體原子：質子、中子、電子電子能量隨殼層半徑增加而增加價電子：最外層的電子，化學活性主要由其數目而定週期表依價電子數而排列第四族之矽與鍺為元素半導體砷化鎵為三五族的化合物半導體原子、晶格、共價鍵無交互作用之原子(如圖)，靠太近則價電子交互作用形成晶格，此共

2、用之價電子稱為共價鍵因最外邊的價電子仍為可用的，所以可再加入額外原子形成更大的單一晶格結構半導體材料與特性(2/25)電子與電洞T=0°K時矽為絕緣體：電子在最低能態，一個小電場無法使電子移動，因被束縛於所屬的原子增加溫度：價電子得到足夠的熱能Eg(能隙能量)以破壞共價鍵而移出原位，成為晶格內的自由電子，且在原位之空能態為正電荷，此粒子即為電洞半導體材料與特性(3/25)半導體內之電流自由電子流動電洞流：價電子獲得能量而流動至鄰近的的空位如同正電荷反向移動。能隙能量Eg：破壞共價鍵的最低能量能隙能量在3-6eV者為絕緣體，由於室溫之下幾乎沒有自

3、由電子存在，反之為導體半導體的數量級約為1eV(=1.6×10-19焦耳)半導體材料與特性(4/25)能帶圖觀念(a)EV為價電帶最高能量EC為導電帶最低能量Eg=EV-EC兩能帶間為禁止能隙電子無法在禁止能隙中存在(b)顯示傳導電子產生過程電子獲得足夠能量從價電帶躍遷到導電帶半導體材料與特性(5/25)本質半導體電子及電洞濃度為半導體材料特性之重要參數，因其直接影嚮電流之大小本質半導體無其他物質在晶格內之單一晶格半導體材料電子與電洞之密度相同，因皆由熱產生本質載子濃度B為常數，與特定之半導體材導有關Eg與溫度之關係不重k為Boltzmann常

4、數=86×10-6eV/°K半導體材料與特性(6/25)Example1.1：T=300°K求矽之本質載子濃度解：代入公式即可結果為1.5×1010cm-3，雖不小，但比起原子濃度5×1022cm-3則很小半導體材料與特性(7/25)外質半導體加入雜質本質半導體的電子電洞濃度相當小，僅可有微量電流。適當地加入控制量的某些雜質可大為提高。適宜的雜質可進入晶格取代原來的電子(即使價電子結構不同)，常用雜質來自三五族半導體材料與特性(8/25)施體雜質：貢獻自由電子，如磷常用第五族元素有磷與砷。四個價電子用以滿足共價鍵的要求。第五個價電子則鬆散去束縛

5、在原子上，室溫下可有足夠熱能破壞鍵結而成自由電子，因而對半導體電流有所貢獻。當第五個價電子移動到導電帶，磷離子則形成帶正電的離子。半導體材料與特性(9/25)剩下之原子帶正電荷，但在晶格內不可移動，所以對電流無貢獻施體雜質產生自由電子，但不產生電洞摻雜：加入雜質，控制自由電子(洞)濃度n型半導體：含施體雜質原子之半導體半導體材料與特性(10/25)受體雜質：接受價電子常用第三族元素有硼。三個價電子用在三個共價鍵，剩下一開放的鍵結位置。室溫下鄰近的價電子可有足夠熱能而離至這個位置，因而產生電洞。剩下之原子帶負電荷，不可移動，有產生電洞而產生電洞電

6、流。半導體材料與特性(11/25)受體體雜質產生電洞，但不產生電子。p型半導體：含受體雜質原子之半導體。外質半導體含雜質原子之半導體材料，亦稱摻雜半導體。摻雜過程中可控制以決定材料之導電度及電流。半導體材料與特性(12/25)電子電洞之濃度關係在熱平衡下為n0為自由電子之熱平衡濃度，p0為電洞之熱平衡濃度，ni為本質載子濃度室溫下每個施(受)體原子產生一個自由電子(電洞)若施(受)體濃度遠大於本質濃度。半導體材料與特性(13/25)多數及少數載子：相差數個階級n型半導體：電子為多數載子，電洞為少數載子p型半導體：電洞為多數載子，電子為少數載子半

7、導體材料與特性(14/25)Example1.2：求熱平衡下之電子電洞濃度帶入公式即可考慮在T=300°K下矽被磷摻雜至Nd=1016cm-3的濃度。請記得例1.1中ni=1.5×1010cm-3解：因Nd＞＞ni，電子濃度為而電洞濃度變為半導體材料與特性(15/25)漂移與擴散兩種導致電子電洞(統稱載子)在半導體內移動之程序漂移：由電場引起擴散：由濃度改變(濃度梯度)所引起梯度的成因可為非均勻摻雜分佈或在某區注入某量的電子或電洞漂移---假設給半導體一個電場，此場產生力量作用在自由電子及電洞而產生漂移速度與移動半導體材料與特性(16/25)n

8、型半導體：電場方向與對電子產生之力量反向漂移速度，負號表電場相反方向為電子遷移率，可想成電子在半導體內移動效果的參數。低摻雜矽之典型值為1350(cm