半導(dǎo)體物理與材料

1、半導(dǎo)導(dǎo)體物理與與材料、器件 概論概論 西安交大理學(xué)院 王紅理 主要內(nèi)內(nèi)容 第一章第一章 概論概論 第二章第二章 材料特性和基本的材料特性和基本的PNPN結(jié)關(guān)系結(jié)關(guān)系 第三章第三章 PNPN結(jié)二極管結(jié)二極管 第四章第四章 雙極晶體管雙極晶體管 第五章第五章 結(jié)型、金屬結(jié)型、金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 作業(yè)占20%，考試占80% 主要參參考書書 劉恩科：半導(dǎo)體物理學(xué)劉恩科：半導(dǎo)體物理學(xué) 葉良修：半導(dǎo)體物理學(xué)葉良修：半導(dǎo)體物理學(xué) 曾樹榮：半導(dǎo)體器件與物理基礎(chǔ)曾樹榮：半導(dǎo)體器件與物理基礎(chǔ) 施敏：施敏： 半導(dǎo)體器件與物理半導(dǎo)體器件與物理 忻賢忻賢堃堃：半導(dǎo)體物理與器

2、件：半導(dǎo)體物理與器件 第一章 概論概論 半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理與與半導(dǎo)體物理與器件半導(dǎo)體物理與器件是半導(dǎo)體物理、微電子是半導(dǎo)體物理、微電子 專業(yè)最重要的兩門課。專業(yè)最重要的兩門課。 本課程需要本課程需要固體物理固體物理、半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體物理、量子力學(xué)量子力學(xué)的基的基 礎(chǔ)知識。礎(chǔ)知識。 人類已經(jīng)進入人類已經(jīng)進入2121世紀(jì)，這是社會高度信息化的世紀(jì)。計算機網(wǎng)絡(luò)世紀(jì)，這是社會高度信息化的世紀(jì)。計算機網(wǎng)絡(luò) 和通信技術(shù)的進步是信息化發(fā)展的標(biāo)志和通信技術(shù)的進步是信息化發(fā)展的標(biāo)志. .今天，無論何時何地，人們都今天，無論何時何地，人們都 可以高速交換信息，使區(qū)域性很強的政治、經(jīng)濟、文化國際化?？梢愿咚俳粨Q信

3、息，使區(qū)域性很強的政治、經(jīng)濟、文化國際化。 但是，如果沒有以晶體管為基礎(chǔ)的但是，如果沒有以晶體管為基礎(chǔ)的微電子學(xué)微電子學(xué)的發(fā)展就談不上個人的發(fā)展就談不上個人 計算機的高性能和多功能，沒有以激光器和光探測器為主體的計算機的高性能和多功能，沒有以激光器和光探測器為主體的光電子光電子 學(xué)學(xué)的發(fā)展就談不上信息的高速傳輸，也就是說不可能有現(xiàn)代信息技術(shù)。的發(fā)展就談不上信息的高速傳輸，也就是說不可能有現(xiàn)代信息技術(shù)。 本課程介紹半導(dǎo)體物理、微電子學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域本課程介紹半導(dǎo)體物理、微電子學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域主要半導(dǎo)體材料和主要半導(dǎo)體材料和 器件器件的基本原理。的基本原理。 1.1 1.1 半半導(dǎo)導(dǎo)體材料體材料與

4、與器件的器件的發(fā)發(fā)展展歷歷史史 微電子學(xué)微電子學(xué)的主體是在以晶體管、二極管為單元的各種半導(dǎo)體器件的基的主體是在以晶體管、二極管為單元的各種半導(dǎo)體器件的基 礎(chǔ)上構(gòu)成的集成電路。礎(chǔ)上構(gòu)成的集成電路。 光電子學(xué)光電子學(xué)是在半導(dǎo)體和電子學(xué)的基礎(chǔ)上吸收了光技術(shù)而形成的一門高是在半導(dǎo)體和電子學(xué)的基礎(chǔ)上吸收了光技術(shù)而形成的一門高 技術(shù)學(xué)科，主體是半導(dǎo)體光電子學(xué)。技術(shù)學(xué)科，主體是半導(dǎo)體光電子學(xué)。 半導(dǎo)體器件和材料的理論的發(fā)展主要依賴于量子力學(xué)的進展。從半導(dǎo)體器件和材料的理論的發(fā)展主要依賴于量子力學(xué)的進展。從PlanPlan ckck的黑體輻射定律開始的的黑體輻射定律開始的19001900年，年，1906190

5、6年年EinsteinEinstein的光電效應(yīng)理論的光電效應(yīng)理論 （使普朗克常數(shù)可以測量），緊接著是（使普朗克常數(shù)可以測量），緊接著是Rutherford Rutherford 和和BohrBohr的原子理的原子理 論，論，19241924年年De Broglie De Broglie 的波粒二相性概念，的波粒二相性概念，19261926年的年的SchrdingerSchrdinger 的波動方程，的波動方程，19271927年年Heisenburg Heisenburg 的不確定原則，的不確定原則，PauliPauli不相容原理，不相容原理， 當(dāng)然還有當(dāng)然還有FermiFermi和和Dir

6、acDirac的工作。的工作。 量子力學(xué)、固體物理就是解決能帶、量子力學(xué)、固體物理就是解決能帶、 能級的問題。能級的問題。 1920年 1940年 1960年 1980年 半半導(dǎo)導(dǎo)體體 激光器激光器 發(fā)發(fā)明明 2010年 第一個點接觸式的第一個點接觸式的G Ge e晶體管晶體管 (transistor)(transistor) 獲獲19561956年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎 半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率介于金屬與絕緣體之間，并半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率介于金屬與絕緣體之間，并 且在很寬的范圍內(nèi)可以變化，且在很寬的范圍內(nèi)可以變化，并且具有負的電阻并且具有負的電阻 溫度系數(shù)，溫度系數(shù)，這正是半導(dǎo)體材料的優(yōu)點，是廣

7、泛應(yīng)這正是半導(dǎo)體材料的優(yōu)點，是廣泛應(yīng) 用的基礎(chǔ)。用的基礎(chǔ)。 1.2 1.2 什什么么是半是半導(dǎo)導(dǎo)體？體？ 從導(dǎo)電性劃分從導(dǎo)電性劃分 固體材料可分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體固體材料可分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體 6 10 8 10 2 10 6 10 10 10 14 10 18 10 22 10 2 10 :/S cm 金屬金屬半導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體絕緣體 各種材料的電導(dǎo)率各種材料的電導(dǎo)率 鍺和銅的電導(dǎo)率隨溫度的變化鍺和銅的電導(dǎo)率隨溫度的變化 100 300 1000 T(K) : /S cm 電導(dǎo)率隨摻雜的變化電導(dǎo)率隨摻雜的變化： 純硅的電導(dǎo)率很低，室溫時的載流子濃度約純硅的電導(dǎo)率很

8、低，室溫時的載流子濃度約 為為 ，電導(dǎo)率約為，電導(dǎo)率約為 。若在這種純。若在這種純 硅中摻入雜質(zhì)磷，并使磷原子在純硅中的濃度達到硅中摻入雜質(zhì)磷，并使磷原子在純硅中的濃度達到 時，硅在室下的電導(dǎo)率可相應(yīng)增加到時，硅在室下的電導(dǎo)率可相應(yīng)增加到 左右，即左右，即 比純硅的電導(dǎo)率增加比純硅的電導(dǎo)率增加5 5個數(shù)量級。硅的原子數(shù)密度個數(shù)量級。硅的原子數(shù)密度 為為 ，所以濃度僅為基質(zhì)硅原子數(shù)密度百萬分，所以濃度僅為基質(zhì)硅原子數(shù)密度百萬分 之一的雜質(zhì)就可使硅的電導(dǎo)率發(fā)生驚人的變化。由于摻之一的雜質(zhì)就可使硅的電導(dǎo)率發(fā)生驚人的變化。由于摻 入半導(dǎo)體的雜質(zhì)總量可以正確控制，因此利用這一特點入半導(dǎo)體的雜質(zhì)總量可以正

9、確控制，因此利用這一特點 可在很寬的范圍內(nèi)改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，甚至改變電傳可在很寬的范圍內(nèi)改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率，甚至改變電傳 導(dǎo)的類型，使負載流子傳導(dǎo)變?yōu)檎d流子傳導(dǎo)導(dǎo)的類型，使負載流子傳導(dǎo)變?yōu)檎d流子傳導(dǎo)( (或相反或相反) )。 103 2 10 cm 3 10/S cm 163 2 10 cm 2 10/S cm 223 5 10 cm 1 1、 變化范圍很寬；變化范圍很寬； 2 2、 隨溫度上升明顯；隨溫度上升明顯； 3 3、 隨摻雜濃度增加（其中少量雜質(zhì)電離，載隨摻雜濃度增加（其中少量雜質(zhì)電離，載 流子濃度劇增），電導(dǎo)率急劇增加）；流子濃度劇增），電導(dǎo)率急劇增加）； 4 4、 波長合適

10、的光照射，光激發(fā)會使載流子濃波長合適的光照射，光激發(fā)會使載流子濃 度和電導(dǎo)率增加（這實際上就是半導(dǎo)體的光度和電導(dǎo)率增加（這實際上就是半導(dǎo)體的光 電導(dǎo)現(xiàn)象）。電導(dǎo)現(xiàn)象）。 半導(dǎo)體電導(dǎo)率的特征：半導(dǎo)體電導(dǎo)率的特征： 除了半導(dǎo)體的電導(dǎo)率具有以上幾方面特征之除了半導(dǎo)體的電導(dǎo)率具有以上幾方面特征之 外，許多半導(dǎo)體材料述還有比金屬明顯得多的溫差外，許多半導(dǎo)體材料述還有比金屬明顯得多的溫差 電效應(yīng)、磁電效應(yīng)和壓電效應(yīng)。此外，半導(dǎo)體的電效應(yīng)、磁電效應(yīng)和壓電效應(yīng)。此外，半導(dǎo)體的pnpn 結(jié)、金屬與半導(dǎo)體的接觸、不同種半導(dǎo)體材料的接結(jié)、金屬與半導(dǎo)體的接觸、不同種半導(dǎo)體材料的接 觸觸( (即異質(zhì)結(jié)即異質(zhì)結(jié)) )等由

11、界面所表現(xiàn)出來的結(jié)特性以及電等由界面所表現(xiàn)出來的結(jié)特性以及電 場對半導(dǎo)體表面的場效應(yīng)等也是半導(dǎo)體的一些重要場對半導(dǎo)體表面的場效應(yīng)等也是半導(dǎo)體的一些重要 特性。特性。 這些特性是一些半導(dǎo)體器件較以工作的基礎(chǔ)，這些特性是一些半導(dǎo)體器件較以工作的基礎(chǔ)， 也是本課程介紹的重點之一。也是本課程介紹的重點之一。 半導(dǎo)體材料在元素周期表中位于周期表半導(dǎo)體材料在元素周期表中位于周期表 （Periodic Table）第）第族（族（ column or family） 及其鄰近的族。及其鄰近的族。 半導(dǎo)體材料的種類：半導(dǎo)體材料的種類： 按照組成分類按照組成分類 無機半導(dǎo)體無機半導(dǎo)體 按結(jié)構(gòu)分類按結(jié)構(gòu)分類 按功能

12、分類按功能分類 按照研究及應(yīng)用時代分類按照研究及應(yīng)用時代分類 目前主要材料仍然是目前主要材料仍然是Si,占占80%。 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體 族：族：Zn,Cd Zn,Cd 族：族：B,Al,Ga,In B,Al,Ga,In 族：族：C,Si,Ge,Sn C,Si,Ge,Sn 族：族：P,As,Sb P,As,Sb 族：族：N,S,Se,Te 元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體 -族族 -族族 -族族 -族族 -族族 -族族 金屬氧化物金屬氧化物 SiC InP、GaP、GaAs、InSb、InAs,AlP,AlAs CdS、CdTe、CdSe、ZnS GaN,AlN,InN GeS、SnTe、GeSe、Pb

13、S、PbTe AsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3 CuO2、ZnO、SnO2、In2O3, ITO 化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體 合金半導(dǎo)體合金半導(dǎo)體 非晶態(tài)半導(dǎo)非晶態(tài)半導(dǎo)體體 有機半導(dǎo)體有機半導(dǎo)體 半導(dǎo)體材料制備技術(shù)發(fā)展史半導(dǎo)體材料制備技術(shù)發(fā)展史： 19601950 19701960 硅外延技術(shù)硅外延技術(shù) 1963年年 用液相外延法生長用液相外延法生長 砷化鎵外延層，砷化鎵外延層， 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 1963年砷化鎵年砷化鎵 微波振蕩效應(yīng)微波振蕩效應(yīng) 1965年年 J.B.Mullin發(fā)明氧發(fā)明氧 化硼液封直拉法砷化硼液封直拉法砷 化鎵單晶化鎵單晶 主要半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀：主要

14、半導(dǎo)體材料的發(fā)展現(xiàn)狀： 增大直拉硅單晶的直徑仍是今后增大直拉硅單晶的直徑仍是今后CZ-SiCZ-Si發(fā)展的總趨勢。發(fā)展的總趨勢。 8 8英寸，英寸，1212英寸已實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，英寸已實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，1818英寸也進入生產(chǎn)，英寸也進入生產(chǎn)，2727 英寸正在研制中。英寸正在研制中。 SiSi單單晶晶: : GaAs和和 InP單晶：單晶： 世界世界GaAsGaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過單晶的總年產(chǎn)量已超過200200噸（日本噸（日本19991999年的年的 GaAsGaAs單晶的生產(chǎn)量為單晶的生產(chǎn)量為9494噸，噸，InPInP為為2727噸），其中以低位錯密噸），其中以低位錯密 度生長的度生長

15、的2 23 3英寸的導(dǎo)電英寸的導(dǎo)電GaAsGaAs襯底材料為主。襯底材料為主。 InP InP具有比具有比GaAs GaAs 更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快；更優(yōu)越的高頻性能，發(fā)展的速度更快； 但不幸的是，研制直徑但不幸的是，研制直徑3 3英寸以上大直徑的英寸以上大直徑的InPInP單晶的關(guān)鍵技單晶的關(guān)鍵技 術(shù)尚未完全突破，價格居高不下。術(shù)尚未完全突破，價格居高不下。 GaAs photovoltaics and optoelectronics using releasable multilayer epitaxial assemblies,Nature 465,May 2010 英國英國自

16、然自然雜志報告說，美國研究人員研發(fā)出一種可批量生產(chǎn)砷化鎵雜志報告說，美國研究人員研發(fā)出一種可批量生產(chǎn)砷化鎵 晶片的技術(shù)，克服了成本上的瓶頸，從而使砷化鎵這種感光性能比硅更優(yōu)晶片的技術(shù)，克服了成本上的瓶頸，從而使砷化鎵這種感光性能比硅更優(yōu) 良的材料有望大規(guī)模用于半導(dǎo)體和太陽能相關(guān)產(chǎn)業(yè)。良的材料有望大規(guī)模用于半導(dǎo)體和太陽能相關(guān)產(chǎn)業(yè)。 砷化鎵是一種感光性能比當(dāng)前廣泛使用的硅更優(yōu)良的材料，理論上它可砷化鎵是一種感光性能比當(dāng)前廣泛使用的硅更優(yōu)良的材料，理論上它可 將接收到的陽光的將接收到的陽光的40%40%轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化率約是硅的兩倍，因此衛(wèi)星和太轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化率約是硅的兩倍，因此衛(wèi)星和太 空飛船等

17、多采用砷化鎵作為太陽能電池板的材料。然而，傳統(tǒng)的砷化鎵晶空飛船等多采用砷化鎵作為太陽能電池板的材料。然而，傳統(tǒng)的砷化鎵晶 片制造技術(shù)每次只能生成一層晶片，成本居高不下，限制了砷化鎵的廣泛片制造技術(shù)每次只能生成一層晶片，成本居高不下，限制了砷化鎵的廣泛 應(yīng)用。應(yīng)用。 美國伊利諾伊大學(xué)等機構(gòu)研究人員報告說，他們開發(fā)出的新技術(shù)可以生美國伊利諾伊大學(xué)等機構(gòu)研究人員報告說，他們開發(fā)出的新技術(shù)可以生 成由砷化鎵和砷化鋁交疊的多層晶體，然后利用化學(xué)物質(zhì)使砷化鎵層分離成由砷化鎵和砷化鋁交疊的多層晶體，然后利用化學(xué)物質(zhì)使砷化鎵層分離 出來，可同時生成多層砷化鎵晶片，大大降低了成本。這些砷化鎵晶片可出來，可同時生

18、成多層砷化鎵晶片，大大降低了成本。這些砷化鎵晶片可 以像以像“蓋章蓋章”那樣安裝到玻璃或塑料等材料表面，然后可使用已有技術(shù)進那樣安裝到玻璃或塑料等材料表面，然后可使用已有技術(shù)進 行蝕刻，根據(jù)需要制造半導(dǎo)體電路或太陽能電池板。行蝕刻，根據(jù)需要制造半導(dǎo)體電路或太陽能電池板。 III-V族超晶格、量子阱材料：族超晶格、量子阱材料： GaAlAs/GaAs，GaInAs/GaAs， AlGaInP/GaAs； GaInAs/InP，AlInAs/InP， InGaAsP/InP等等GaAs、InP基基 晶格匹配和應(yīng)變補償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已成功晶格匹配和應(yīng)變補償材料體系已發(fā)展得相當(dāng)成熟，已成功

19、 地用來制造超高速、超高頻微電子器件和單片集成電路。地用來制造超高速、超高頻微電子器件和單片集成電路。 硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料：硅基應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料： GeSi/Si應(yīng)變層超晶格材料應(yīng)變層超晶格材料, 因其在新一代移動通信上的因其在新一代移動通信上的 重要應(yīng)用前景，重要應(yīng)用前景， 而成為目前硅基材料研究的主流。而成為目前硅基材料研究的主流。 Si/GeSi MOSFET 的最高截止頻率已達的最高截止頻率已達200GHz，噪音，噪音 在在10GHz下為下為0.9dB，其性能可與，其性能可與GaAs器件相媲美。器件相媲美。 一維量子線、零維量子點：一維量子線、零維量子點： 基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉

20、效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)以及非線性光學(xué)基于量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)，量子隧穿效應(yīng)以及非線性光學(xué) 效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)造（通過能帶工程實施）的新型效應(yīng)等的低維半導(dǎo)體材料是一種人工構(gòu)造（通過能帶工程實施）的新型 半導(dǎo)體材料，是新一代量子器件的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體材料，是新一代量子器件的基礎(chǔ)。 19941994年俄德聯(lián)合小組首先研制成功年俄德聯(lián)合小組首先研制成功InAs/GaAsInAs/GaAs量子點材料，量子點材料，19961996年量年量 子點激光器室溫連續(xù)輸出功率達子點激光器室溫連續(xù)輸出功率達1W1W，閾值電流密度為，閾值電流密度為290A/cm290A/cm2 2，19981998年年

21、達達1.5W1.5W。 20002000年初，中科院半導(dǎo)體所研制成功室溫雙面年初，中科院半導(dǎo)體所研制成功室溫雙面CWCW輸出輸出3.62W3.62W、工作波、工作波 長為長為960nm960nm左右的量子點激光器，為目前國際報道的最好結(jié)果之一。左右的量子點激光器，為目前國際報道的最好結(jié)果之一。 1994年日本年日本NTT 就研制成功溝道長度為就研制成功溝道長度為30nm 納米單納米單 電子晶體管電子晶體管,并在并在150K觀察到柵控源觀察到柵控源-漏電流振蕩。漏電流振蕩。 1997年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關(guān)器件。年美國又報道了可在室溫工作的單電子開關(guān)器件。 1998年年Yauo等人

22、采用等人采用0.25mm工藝技術(shù)實現(xiàn)了工藝技術(shù)實現(xiàn)了128Mb 的單電子存儲器原型樣機的制造，這是單電子器件在的單電子存儲器原型樣機的制造，這是單電子器件在 高密度存儲電路的應(yīng)用方面邁出的關(guān)鍵一步。高密度存儲電路的應(yīng)用方面邁出的關(guān)鍵一步。 寬帶隙半導(dǎo)體材料：寬帶隙半導(dǎo)體材料： 寬帶隙半導(dǎo)體材料主要指的是金剛石、寬帶隙半導(dǎo)體材料主要指的是金剛石、III族族氮化物氮化物 （2014年諾貝爾物理獎）、年諾貝爾物理獎）、碳化硅、立方氮化硼以及碳化硅、立方氮化硼以及II- VI族硫、錫碲化物、氧化物（族硫、錫碲化物、氧化物（ZnO等）及固溶體等，特等）及固溶體等，特 別是別是SiC、GaN 和金剛石薄膜

23、等材料和金剛石薄膜等材料,因具有高熱導(dǎo)率、因具有高熱導(dǎo)率、 高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研高電子飽和漂移速度和大臨界擊穿電壓等特點，成為研 制高頻大功率、耐高溫、抗輻射半導(dǎo)體微電子器件和電制高頻大功率、耐高溫、抗輻射半導(dǎo)體微電子器件和電 路的理想材料，在通信、汽車、航空、航天、石油開采路的理想材料，在通信、汽車、航空、航天、石油開采 以及國防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。以及國防等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。 目前盡管出現(xiàn)了新材料和新技術(shù)，但是半導(dǎo)體材目前盡管出現(xiàn)了新材料和新技術(shù)，但是半導(dǎo)體材 料主要仍然是料主要仍然是Si,Si,占占80%80%。 為什么硅應(yīng)用如此廣泛？為什么硅應(yīng)用

24、如此廣泛？ 1 1）就是因為它是周期表中第）就是因為它是周期表中第族元素，而且是半導(dǎo)體；族元素，而且是半導(dǎo)體； 2 2）它的電阻率（）它的電阻率（resistivityresistivity）可以通過摻雜來控制；）可以通過摻雜來控制； 3 3）可以形成）可以形成pnpn結(jié)，結(jié)， 4 4）可以在一片晶片（）可以在一片晶片（waferwafer）上制作大量的器件，而且）上制作大量的器件，而且 成本低成本低 ； 5 5）帶隙）帶隙EgEg合適，比合適，比GeGe性能優(yōu)越。性能優(yōu)越。 1.2.1 能帶（能帶（Energy Bands） 20世紀(jì)處，丹麥物理學(xué)家世紀(jì)處，丹麥物理學(xué)家Niels Bohr，

25、為了解釋所觀察到的，為了解釋所觀察到的 線狀光譜時，提出了氫原子模型。在這個模型中，他假設(shè)圍繞線狀光譜時，提出了氫原子模型。在這個模型中，他假設(shè)圍繞 氫原子核的電子的軌道只能有固定的軌道數(shù)，氫原子核的電子的軌道只能有固定的軌道數(shù)，r1、r2、r3。 每個軌道對應(yīng)一個特定的每個軌道對應(yīng)一個特定的能級能級，E1、E2、E3， 422 00 2222 00 ,(1,2,3.) 8 nn m qn h Ern h nqm 氫原子模型：氫原子模型： 1 E 2 E 3 E 如果電子從一個大軌道到另一個小軌道上，原子的能量就從大如果電子從一個大軌道到另一個小軌道上，原子的能量就從大 變小，以光子的形式釋放

26、出。變小，以光子的形式釋放出。 實際電子的軌道比這個模型復(fù)雜得多。但是吸收和輻射光譜的實際電子的軌道比這個模型復(fù)雜得多。但是吸收和輻射光譜的 主要特點都可以用這個簡單的模型來解釋。主要特點都可以用這個簡單的模型來解釋。 我們關(guān)心的不是一個原子，而是形成固體半導(dǎo)體的原子群。我們關(guān)心的不是一個原子，而是形成固體半導(dǎo)體的原子群。 在晶體固體中，能量軌道的氫原子模型被修改為：取代一系列分立在晶體固體中，能量軌道的氫原子模型被修改為：取代一系列分立 的（的（discrete）能級（）能級（energy level）的是一系列能帶（）的是一系列能帶（energy bands），能帶之間是能隙），能帶之間是

27、能隙Eg（energy gap）(禁帶寬度禁帶寬度)。Ec稱為導(dǎo)稱為導(dǎo) 帶帶,Ev稱為價帶。稱為價帶。 1 E 2 E 3 E E(K)Energy K 允帶允帶 禁帶禁帶 Eg 電子能量電子能量 Ec Ev gCV EEE 簡化為簡化為 Einstein光電效應(yīng)實驗。光電效應(yīng)實驗。我們簡單回顧一下。這個實驗引入了重我們簡單回顧一下。這個實驗引入了重 要的一個關(guān)系。圖要的一個關(guān)系。圖1-5c 中的直線的斜率是中的直線的斜率是h/q。因此。因此h可以通過這個實可以通過這個實 驗測得。驗測得。Y軸的截止電壓由金屬的功函數(shù)（軸的截止電壓由金屬的功函數(shù)（work function）W決定。決定。 光子

28、（光子（photon）的能量為）的能量為E=h，只有當(dāng)入射光的能量大于，只有當(dāng)入射光的能量大于W時，才時，才 使電子從金屬表面逸出，并產(chǎn)生光電流。使電子從金屬表面逸出，并產(chǎn)生光電流。 在半導(dǎo)體器件中，最重要的不是把電子移走，而是使電子從里面的在半導(dǎo)體器件中，最重要的不是把電子移走，而是使電子從里面的 能帶躍遷到最外面部分填充的能帶。因此最重要的參數(shù)是能帶躍遷到最外面部分填充的能帶。因此最重要的參數(shù)是帶隙帶隙Eg，它主，它主 宰著半導(dǎo)體的性質(zhì)宰著半導(dǎo)體的性質(zhì)。決定。決定Eg的有室溫電導(dǎo)率和光響應(yīng)的截止波長（的有室溫電導(dǎo)率和光響應(yīng)的截止波長（very important for Photoelec

29、tor diodes），只有光的能量大于），只有光的能量大于Eg，才能將電才能將電 子激發(fā)到導(dǎo)帶。子激發(fā)到導(dǎo)帶。 The band gap of the most commonly used semiconductors is of order 1eV,for Si,Eg=1.1eV. 金屬金屬 半導(dǎo)體半導(dǎo)體 絕緣體絕緣體 能帶示意圖能帶示意圖 半滿帶半滿帶 滿帶滿帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 價帶價帶 導(dǎo)帶導(dǎo)帶 價帶價帶 如果如果Eg很大（比如碳很大（比如碳5 eV），導(dǎo)帶中有很少的電子，因為任何粒子），導(dǎo)帶中有很少的電子，因為任何粒子 在室溫的能量是在室溫的能量是kT的量級的量級,即大約即大約0.025

30、eV，因此很少有電子能夠受到激，因此很少有電子能夠受到激 發(fā)而穿過禁帶。碳的金剛石結(jié)構(gòu)在很多情況下是絕緣的。而硅的禁帶寬發(fā)而穿過禁帶。碳的金剛石結(jié)構(gòu)在很多情況下是絕緣的。而硅的禁帶寬 度小于度小于1.1 eV，導(dǎo)帶中將有很多電子，自由電子的濃度以，導(dǎo)帶中將有很多電子，自由電子的濃度以Eg/2kT的冪級數(shù)的冪級數(shù) 變化。在絕緣體中，導(dǎo)帶幾乎是空的；而在金屬中，導(dǎo)帶由部分電子占變化。在絕緣體中，導(dǎo)帶幾乎是空的；而在金屬中，導(dǎo)帶由部分電子占 據(jù)，因而自由電子移動可以導(dǎo)電。據(jù)，因而自由電子移動可以導(dǎo)電。 在固體中，所有的靠內(nèi)的能帶是滿的（室溫），所有的靠外的能在固體中，所有的靠內(nèi)的能帶是滿的（室溫），

31、所有的靠外的能 帶是空的。如果從內(nèi)到外，先有價帶帶是空的。如果從內(nèi)到外，先有價帶 （Valence band），在純半導(dǎo)體中完全填滿了電子；然后到達導(dǎo)帶），在純半導(dǎo)體中完全填滿了電子；然后到達導(dǎo)帶 （Conduction band），在純半導(dǎo)體中幾乎完全是空的。導(dǎo)帶就是），在純半導(dǎo)體中幾乎完全是空的。導(dǎo)帶就是 對形成電流具有貢獻的能帶對形成電流具有貢獻的能帶(發(fā)生在電子移動到空的能態(tài)時發(fā)生在電子移動到空的能態(tài)時)。如果。如果 能帶中所有的態(tài)都是滿的，就不會產(chǎn)生電流。然而，在很多半導(dǎo)體能帶中所有的態(tài)都是滿的，就不會產(chǎn)生電流。然而，在很多半導(dǎo)體 器件中，有時更為重要的是研究幾乎是滿帶的價帶的電子的

32、導(dǎo)電器件中，有時更為重要的是研究幾乎是滿帶的價帶的電子的導(dǎo)電,當(dāng)當(dāng) 電子激發(fā)到導(dǎo)帶時），留下空穴（電子激發(fā)到導(dǎo)帶時），留下空穴（hole）. 1.2.2 晶體與共價鍵晶體與共價鍵 現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們 的最外層電子（價電子）都是四個。的最外層電子（價電子）都是四個。 Ge Si 通過一定的工藝過程，可以通過一定的工藝過程，可以 將半導(dǎo)體制成將半導(dǎo)體制成晶體晶體。 本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。 在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都在硅和鍺晶體中，

33、原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都 處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子 與其相臨的原子之間形成與其相臨的原子之間形成共價鍵共價鍵，共用一對價電子。，共用一對價電子。 硅和鍺的硅和鍺的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) +4+4 +4+4 +4+4表示表示 除去價電子除去價電子 后的原子后的原子 共價鍵共共價鍵共 用電子對用電子對 硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu) 形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是8個，個， 構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。 +4+4 +4+4 共價鍵有很強的結(jié)合力

34、，使共價鍵有很強的結(jié)合力，使 原子規(guī)則排列，形成晶體。原子規(guī)則排列，形成晶體。 共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子束縛電子， 常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子自由電子，因此本征半，因此本征半 導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。 鍵的強度與禁帶寬度有正比關(guān)系。鍵的強度與禁帶寬度有正比關(guān)系。、族的半導(dǎo)體基本上是族的半導(dǎo)體基本上是 共價晶體，共價晶體，、族的半導(dǎo)體離子性更強一些。金屬鍵的電子比較族的半導(dǎo)體離子性更強一些。金屬鍵的電

35、子比較 均勻地分布在固體中；離子鍵的電子則集中在離子上，而共價鍵的均勻地分布在固體中；離子鍵的電子則集中在離子上，而共價鍵的 電子則比較集中地分布在兩個原子之間的連線上。電子則比較集中地分布在兩個原子之間的連線上。 Materials C Si Ge GaAs GaP InP InSb GaN Eg（eV） 5.47 1.12 0.66 1.42 2.26 1.35 0.17 3.4 一些材料的一些材料的Eg E Eg g這個重要的參數(shù)可以通過以下方法測出。這個重要的參數(shù)可以通過以下方法測出。 1 1、不同波長的光照射在材料上，測量材料的電導(dǎo)率的變化，測量出在哪、不同波長的光照射在材料上，測量

36、材料的電導(dǎo)率的變化，測量出在哪 個波長發(fā)生吸收，也就是電子被激發(fā)過了帶隙，即個波長發(fā)生吸收，也就是電子被激發(fā)過了帶隙，即E=h=hc/E=h=hc/； 2 2、在、在PNPN結(jié)上加正向偏壓（結(jié)上加正向偏壓（forward biasforward bias），測量輻射光的波長，也就是），測量輻射光的波長，也就是 電子從激發(fā)態(tài)向低能級躍遷（電子從激發(fā)態(tài)向低能級躍遷（drop downdrop down，recombine)recombine)； 3 3、通過測量材料的電導(dǎo)率隨溫度的變化。、通過測量材料的電導(dǎo)率隨溫度的變化。 在絕對在絕對0度（度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時）和沒有外界激發(fā)時,價電子

37、完全被共價鍵束價電子完全被共價鍵束 縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子：載流子：current carriers ），它的導(dǎo)電能力為），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。，相當(dāng)于絕緣體。 電子和空穴（電子和空穴（Electrons and holes ） 在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫 離共價鍵的束縛，成為離共價鍵的束縛，成為自由電子自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為，同時共價鍵上留下一個空位，稱為 空穴空穴。 為了使問題變得更為簡單和逼真，比如研究幾乎填

38、滿電子的價帶為了使問題變得更為簡單和逼真，比如研究幾乎填滿電子的價帶 的少量電子運動時，可以研究相對的大量的空穴的運動就更加容易。的少量電子運動時，可以研究相對的大量的空穴的運動就更加容易。 在研究大多數(shù)半導(dǎo)體器件時，往往都要考慮電子和空穴，比如電子濃在研究大多數(shù)半導(dǎo)體器件時，往往都要考慮電子和空穴，比如電子濃 度（度（concentration）n，空穴濃度，空穴濃度p。通常對于電子和空穴有兩套參數(shù)。通常對于電子和空穴有兩套參數(shù)。 遷移率（遷移率（mobility），擴散系數(shù)（），擴散系數(shù)（diffusion cofficient），大多數(shù)情況），大多數(shù)情況 下我們只討論一種類型的載流子。下

39、我們只討論一種類型的載流子。 +4+4 +4+4 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理 本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即 自由電子自由電子和和空穴空穴。 +4+4 +4+4 在其它力的作用下，空穴吸引在其它力的作用下，空穴吸引 附近的電子來填補，這樣的結(jié)附近的電子來填補，這樣的結(jié) 果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴 的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，的遷移相當(dāng)于正電荷的移動， 因此可以認為空穴是載流子。因此可以認為空穴是載流子。 本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。自由電

40、子移動產(chǎn)生的電流。 2. 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流?？昭ㄒ苿赢a(chǎn)生的電流。 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。 另外溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)另外溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo) 電能力越強，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因電能力越強，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因 素，這是半導(dǎo)體的一大特點。素，這是半導(dǎo)體的一大特點。 1.2.3 摻雜與雜質(zhì)半導(dǎo)體摻雜與雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā) 生顯著變化。其原因是摻

41、雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。 N N 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體。自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體。 P P 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體。空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體。 所有的半導(dǎo)體器件都可以通過摻雜（所有的半導(dǎo)體器件都可以通過摻雜（DopingDoping）來控制）來控制 電子和空穴的濃度。電子和空穴的濃度。族元素有族元素有5 5個價電子，它們可以個價電子，它們可以 向向族元素提供一個自由電子。它們的四個電子與族元素提供一個自由電子。它們的四個電子與族族 元素相鄰的四個電子形成共價鍵

42、，多出來的第五個電子元素相鄰的四個電子形成共價鍵，多出來的第五個電子 就可以就可以“自由自由”而導(dǎo)電，而導(dǎo)電，這個電子幾乎不受束縛，實際這個電子幾乎不受束縛，實際 上上被失去一個電子而成為正電中心的磷原子以微弱的作被失去一個電子而成為正電中心的磷原子以微弱的作 用束縛著。這種雜質(zhì)叫施主雜質(zhì)（用束縛著。這種雜質(zhì)叫施主雜質(zhì)（donordonor）。常用的施）。常用的施 主雜質(zhì)為主雜質(zhì)為P P，AsAs，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電這樣磷原子就成了不能移動的帶正電 的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子施主原子。 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(N-type) 多余

43、多余 電子電子 +4+4 +5+4磷原子磷原子 由施主原子提供的電子，由施主原子提供的電子， 濃度與施主原子相同。濃度與施主原子相同。 D nN 硅原子硅原子 本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生 的電子和空穴與施主濃的電子和空穴與施主濃 度相比，可以忽略。度相比，可以忽略。 N N型半導(dǎo)體中，型半導(dǎo)體中，摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由 電子濃度遠大于空穴濃度，因此主要依賴電子導(dǎo)電。自由電子稱為電子濃度遠大于空穴濃度，因此主要依賴電子導(dǎo)電。自由電子稱為多多 數(shù)載流子數(shù)載流子（多子，多子，majority,carriersma

44、jority,carriers），空穴稱為），空穴稱為少數(shù)載流子少數(shù)載流子（少少 子子,minority carriers,minority carriers）。）。 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(N-type) 在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的 某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半 導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填 補，使得硼原子

45、成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子， 所以稱為所以稱為受主原子受主原子(acceptor)。 +4+4 +3+4 A pN P 型半導(dǎo)體中空穴是型半導(dǎo)體中空穴是 多子，電子是少子多子，電子是少子。 雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示 P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 雜質(zhì)雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù) 量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認為多子與雜量

46、的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認為多子與雜 質(zhì)濃度相等。質(zhì)濃度相等。 1.3 1.3 半導(dǎo)體的重要性質(zhì)和功能半導(dǎo)體的重要性質(zhì)和功能 為了研究半導(dǎo)體器件的性質(zhì)為了研究半導(dǎo)體器件的性質(zhì), ,除了除了E Eg g之外之外, ,有幾個參數(shù)有幾個參數(shù) 必須要清楚。如電導(dǎo)率或電阻率不僅僅依賴于導(dǎo)帶中電子必須要清楚。如電導(dǎo)率或電阻率不僅僅依賴于導(dǎo)帶中電子 的濃度的濃度, ,而且也依賴于在電場下這些電子移動的容易程度而且也依賴于在電場下這些電子移動的容易程度 （這些電子所受的束縛的大?。＃ㄟ@些電子所受的束縛的大?。?電場強度電場強度E E與與E Eg g沒有關(guān)系。電子移動的容易程度與電沒有關(guān)系。電子

47、移動的容易程度與電 子的子的遷移率遷移率 有關(guān)，電子在電場下的運動類似于物體在有關(guān)，電子在電場下的運動類似于物體在 有摩擦的情況下或在粘滯介質(zhì)中運動。事實上，電子將與有摩擦的情況下或在粘滯介質(zhì)中運動。事實上，電子將與 晶格點上的原子碰撞而發(fā)生散射。晶格點上的原子碰撞而發(fā)生散射。 由于電場引起的電流密度由于電場引起的電流密度Jn(current density)Jn(current density)由下式?jīng)Q由下式?jīng)Q 定：定： 其中其中q q是電子電荷是電子電荷. .這種電流叫作這種電流叫作漂移電流漂移電流. . nn Jqn E n 在很多器件中決定其電性在很多器件中決定其電性 質(zhì)的電流不是傳導(dǎo)

48、電流質(zhì)的電流不是傳導(dǎo)電流,而是而是 由于粒子的擴散電流由于粒子的擴散電流.正如從正如從 某個房間產(chǎn)生的煙霧從高濃某個房間產(chǎn)生的煙霧從高濃 度到低濃度度到低濃度,固體中的電子也固體中的電子也 可以從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)可以從高濃度區(qū)向低濃度區(qū) 擴散擴散.擴散的速度正比于濃度擴散的速度正比于濃度 的梯度的梯度(gradient),相應(yīng)的比例相應(yīng)的比例 系數(shù)系數(shù)Dn叫做叫做擴散系數(shù)擴散系數(shù),它正比它正比 于遷移率。于遷移率。 擴散電流密度擴散電流密度為為 nn dn JqD dx n(x) Distance x 電子從高濃度區(qū)向低濃電子從高濃度區(qū)向低濃 度區(qū)的擴散曲線度區(qū)的擴散曲線 另一個參數(shù)是另一個

49、參數(shù)是電子的壽電子的壽 命命. .當(dāng)電子被激發(fā)到穿帶當(dāng)電子被激發(fā)到穿帶 隙更高的能級上隙更高的能級上, ,然后又躍然后又躍 遷到熱平衡態(tài)遷到熱平衡態(tài). .這個過程不這個過程不 會與撤掉激發(fā)源同時進行，會與撤掉激發(fā)源同時進行， 有一定的時間間隔。這是電有一定的時間間隔。這是電 子被激發(fā)到導(dǎo)帶在它躍遷回子被激發(fā)到導(dǎo)帶在它躍遷回 到價帶與空穴復(fù)合之前，存到價帶與空穴復(fù)合之前，存 在的平均時間，具有微秒、在的平均時間，具有微秒、 納秒的量級。載流子的壽命納秒的量級。載流子的壽命 決定了很多二極管的伏安特決定了很多二極管的伏安特 性。過剩（性。過剩（excessexcess）電子濃）電子濃 度隨時間的衰

50、減關(guān)系為：度隨時間的衰減關(guān)系為： ( )exp(/ )n tt ( )n t Time t 過剩電子濃度隨時間的衰減過剩電子濃度隨時間的衰減 1.4 半導(dǎo)體器件簡介半導(dǎo)體器件簡介 1.4.1 PN結(jié)二極管結(jié)二極管 二極管是理想的單向二極管是理想的單向(unidirectional)(unidirectional)通過電流的元件通過電流的元件. . 伏伏 安特性曲線安特性曲線. .其其I-VI-V特性在很寬的電壓范圍內(nèi)呈冪指數(shù)關(guān)系特性在很寬的電壓范圍內(nèi)呈冪指數(shù)關(guān)系: : PN V I I 表示符號表示符號 伏安特性曲線伏安特性曲線 對于硅二極管來說，正向?qū)τ诠瓒O管來說，正向 電壓通常小于電壓通

51、常小于1V，而反，而反 向擊穿電壓可以從幾伏到向擊穿電壓可以從幾伏到 幾千伏，反向電流是正向幾千伏，反向電流是正向 電流的電流的 倍，當(dāng)電壓倍，當(dāng)電壓 達到反向擊穿電壓達到反向擊穿電壓Vbr （breakdown）時，反向）時，反向 電流將迅速增加。電流將迅速增加。 9 10 0 exp(/) a IIqVkT 引線引線 外殼線外殼線 觸絲線觸絲線 基片基片 PN結(jié)結(jié) 點接觸型點接觸型 面接觸型面接觸型 二極管的結(jié)構(gòu)二極管的結(jié)構(gòu) PNPN結(jié)加上管殼和引線，就成了半導(dǎo)體二極管結(jié)加上管殼和引線，就成了半導(dǎo)體二極管 二極管的用途：二極管的用途： 限幅器，穩(wěn)壓二極管限幅器，穩(wěn)壓二極管 射頻（射頻（ra

52、dio frequency)radio frequency)探測器探測器 微波限幅器、開關(guān)、衰減器微波限幅器、開關(guān)、衰減器 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 光電二極管光電二極管 光電耦合器件光電耦合器件 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管 等等等等 二極管是如何制造的？二極管是如何制造的？ 摻雜、擴散摻雜、擴散( (同一片同一片) )： 先準(zhǔn)備一塊直徑幾英寸的硅晶片，硅片均勻摻雜到某一個能夠確定擊穿電壓的先準(zhǔn)備一塊直徑幾英寸的硅晶片，硅片均勻摻雜到某一個能夠確定擊穿電壓的 濃度。我們假設(shè)有一個濃度。我們假設(shè)有一個N-type半導(dǎo)體晶片，施主摻雜水平為半導(dǎo)體晶片，施主摻雜水平為 ?，F(xiàn)在把這個晶。現(xiàn)在把這個晶 片放到片放

53、到1000的爐子中，爐子中充滿包含硼的氣體，硼原子將通過硅片表面擴散到的爐子中，爐子中充滿包含硼的氣體，硼原子將通過硅片表面擴散到 硅中。硼原子在硅片表面的濃度較高硅中。硼原子在硅片表面的濃度較高 ，固溶度將達到，固溶度將達到 的量級。硼原子的濃的量級。硼原子的濃 度將從表面開始逐漸降低，正比于度將從表面開始逐漸降低，正比于 ，Gauss 關(guān)系。關(guān)系。 是與溫度、時間有關(guān)的臨界深度，是與溫度、時間有關(guān)的臨界深度，x是深度是深度. 在在某個深度在在某個深度xj，磷（施主）和硼，磷（施主）和硼 （受主）的濃度是相等的，小于這個深度，材料是（受主）的濃度是相等的，小于這個深度，材料是P型的，大于這個

54、深度，材料是型的，大于這個深度，材料是 N型的，因此就會形成型的，因此就會形成PN結(jié)。結(jié)。 153 10cm 213 10 cm 0 x N(x) x Ideal Actual j x 擴散擴散PNPN結(jié)二極管的凈原子濃度分布結(jié)二極管的凈原子濃度分布PNPN結(jié)二極管的截面圖結(jié)二極管的截面圖 Diffused Layer Metal Oxide SiO2 N P N 2 0 exp( /)x x 二極管的核心就是二極管的核心就是PNPN結(jié)，因此二極管的工作原理就結(jié)，因此二極管的工作原理就 是是PNPN結(jié)的變化過程。結(jié)的變化過程。PNPN結(jié)最本質(zhì)的性質(zhì)就是電子濃度在結(jié)最本質(zhì)的性質(zhì)就是電子濃度在N N 區(qū)高，在區(qū)高，在P P區(qū)低，很自然電子就有通過擴散從區(qū)低，很自然電子就有通過擴散從N N區(qū)流向區(qū)流向P P區(qū)區(qū) 的趨勢，這種必然性就導(dǎo)致的趨勢，這種必然性就導(dǎo)致N N區(qū)將失去電子。由于施主原區(qū)將失去電子。由于施主原 子一開始是電中性的，因此在子一開始是電中性的，因此在N N區(qū)靠近結(jié)的附近將會出現(xiàn)區(qū)靠近結(jié)的附近將會出現(xiàn) 正電荷。正電荷。 如圖所示，上面的圖示意性地表示出由于施主原子如圖所示，上面的圖示意性地表示出由于施主原子 離子化產(chǎn)生的固定的正電荷以及自由電子電荷，離子化產(chǎn)生的固定的正電荷以