半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)--信息功能材料xinppt

1、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) p-n結(jié)中南大學(xué)093111093目錄v一、能帶的基本概念v二、半導(dǎo)體的分類v三、P-N結(jié)一、能帶的基本概念v能帶（energy band）包括允帶和禁帶。v允帶（allowed band）：允許電子能量存在的能量范圍。v禁帶（forbidden band）：不允許電子存在的能量范圍。v允帶又分為空帶、滿帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶。v空帶（empty band）：不被電子占據(jù)的允帶。v滿帶（filled band）：允帶中的能量狀態(tài)（能級(jí)）均被電子占據(jù)。導(dǎo)帶（conduction band）：有電子能夠參與導(dǎo)電的能帶，但半導(dǎo)體材料價(jià)電子形成的高能級(jí)能帶通常稱為導(dǎo)帶。價(jià)帶（valence b

2、and）:由價(jià)電子形成的能帶，但半導(dǎo)體材料價(jià)電子形成的低能級(jí)能帶通常稱為價(jià)帶。v導(dǎo)帶底Ec:導(dǎo)帶電子的最低能量 v價(jià)帶頂Ev:價(jià)帶電子的最高能量 v禁帶寬度 Eg:Eg=Ec-Ev圖1-3 一定溫度下半導(dǎo)體的能帶示意圖 二、半導(dǎo)體的分類v（一）. 本征半導(dǎo)體v本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(dǎo)體,導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。v1.本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)v例如半導(dǎo)體 CdS(硫化鎘)： 滿帶上的一個(gè)電子躍遷到空帶后，滿帶中出現(xiàn)一個(gè)帶正電的空位，稱為 “空穴”。 v電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的。maxmin hchEg 電子和空穴叫本征載流子，它們形成半導(dǎo)電子和空穴叫本征載流子，它們形成半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電性。當(dāng)光照

3、體的本征導(dǎo)電性。當(dāng)光照 h Eg 時(shí)，時(shí)，可可發(fā)生本征吸收，形成本征光電導(dǎo)。發(fā)生本征吸收，形成本征光電導(dǎo)。maxmin hchEg v2、電子和空穴被統(tǒng)稱為載流子的原因v如果共價(jià)鍵中的電子獲得足夠的能量，它就可以擺脫共價(jià)鍵的束縛，成為可以自由運(yùn)動(dòng)的電子。這時(shí)在原來的共價(jià)鍵上就留下了一個(gè)缺位，因?yàn)猷忔I上的電子隨時(shí)可以跳過來填補(bǔ)這個(gè)缺位，從而使缺位轉(zhuǎn)移到鄰鍵上去，所以，缺位也是可以移動(dòng)的這種可以自由移動(dòng)的缺位被稱為空穴半導(dǎo)體就是靠著電子和空穴的移動(dòng)來導(dǎo)電的 因此，電子和空穴被統(tǒng)稱為載流子v（二）. 雜質(zhì)半導(dǎo)體v雜質(zhì)來源一）制備半導(dǎo)體的原材料純度不夠高；二）半導(dǎo)體單晶制備過程中及器件制造過程中的污染

4、；三）為了半導(dǎo)體的性質(zhì)而人為地?fù)饺肽撤N化學(xué)元素的原子。 v1、N型半導(dǎo)體v四價(jià)的本征半導(dǎo)體 Si 、Ge等，摻入少量五價(jià)的雜質(zhì)元素（如P、As等）形成電子型半導(dǎo)體,稱 n 型半導(dǎo)體。v量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級(jí)在禁帶中緊靠空帶處, 雜質(zhì)電離能ED10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。該能級(jí)稱為施主能級(jí)。在在n型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中,電子是多數(shù)載流子而空穴是少數(shù)載流子電子是多數(shù)載流子而空穴是少數(shù)載流子v 2、P型半導(dǎo)體v四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ge等，摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素（如B、Ga、In等）形成空穴型半導(dǎo)體，稱 p 型半導(dǎo)體。v量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴的能級(jí)在禁帶中緊靠滿帶處，

5、雜質(zhì)電離能EA10-2eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。該能級(jí)稱受主能級(jí)。在在p型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中,空穴是多數(shù)載流子而電子是少數(shù)載流子?？昭ㄊ嵌鄶?shù)載流子而電子是少數(shù)載流子。3、 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用v實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃度實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃度nd），），又有受主雜質(zhì)（濃度又有受主雜質(zhì)（濃度na），兩種雜質(zhì)有補(bǔ)償），兩種雜質(zhì)有補(bǔ)償作用：作用：v若若nd na為為n型（施主）型（施主）v若若nd na為為p型（受主）型（受主）v利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，可以制成利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，可以制成 p-n 結(jié)。結(jié)。綜上所述綜上所述三、P-N結(jié)v1、p-n結(jié)定義：p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體結(jié)合的交界面。v2、

6、p-n結(jié)的形成 在一塊純凈的半導(dǎo)體晶片上，采用特殊的摻雜工藝，在兩側(cè)分別摻入三價(jià)元素和五價(jià)元素。一側(cè)形成P型半導(dǎo)體，另一側(cè)形成N型半導(dǎo)體，在結(jié)合面的兩側(cè)分別留下了不能移動(dòng)的正負(fù)離子，呈現(xiàn)出一個(gè)空間電荷區(qū)。這個(gè)空間電荷區(qū)就稱為p-n結(jié)。 圖1-5基本結(jié)構(gòu)示意圖 圖1-6 p-n結(jié)的形成v單純的p型或n型半導(dǎo)體，僅僅是導(dǎo)電能力增強(qiáng)而已，還不具備半導(dǎo)體器件所要求的各種特性。但如果形成一個(gè)p-n結(jié)。 當(dāng)p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體“結(jié)合”在一起時(shí)，由于p型半導(dǎo)體的空穴濃的高，自由電子的濃度低；而n型半導(dǎo)體的自由電子濃度高，空穴濃度低，所以交界面兩側(cè)的載流子在濃度上形成了很大的差別。于是就在交界面附近產(chǎn)生了多

7、數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。v所謂擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，就是載流子由濃度高的地方向濃度低的地方運(yùn)動(dòng)，即p區(qū)的多數(shù)載流子（空穴）向n區(qū)擴(kuò)散，同時(shí)n區(qū)的多數(shù)載流子（電子）向p區(qū)擴(kuò)散。v平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度也達(dá)到穩(wěn)定，電流為零。內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)：內(nèi)建場(chǎng)阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，空間電荷區(qū)中的正、負(fù)電荷間內(nèi)建場(chǎng)阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，空間電荷區(qū)中的正、負(fù)電荷間產(chǎn)生的電場(chǎng)，其方向由產(chǎn)生的電場(chǎng)，其方向由n區(qū)指向區(qū)指向p區(qū)。區(qū)。平衡平衡p-n結(jié)結(jié)： 載流子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相抵時(shí)，所載流子在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相抵時(shí)，所達(dá)到的動(dòng)態(tài)平衡達(dá)到的動(dòng)態(tài)平衡( (p-n結(jié)的凈電流為零結(jié)的凈電流為

8、零),),在在p p型和型和n n型交界面附近形成型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)的這種特殊結(jié)構(gòu)p-np-n結(jié)結(jié)( (阻擋層，耗盡層阻擋層，耗盡層),),其厚度約為其厚度約為0.1m0.1m。 2.2.結(jié)能帶圖結(jié)能帶圖平衡平衡p-n結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖空帶空帶空帶空帶P-N結(jié)結(jié)0eU 施主能級(jí)施主能級(jí)受主能級(jí)受主能級(jí)滿帶滿帶滿帶滿帶 P-NP-N結(jié)接正向偏壓（結(jié)接正向偏壓（P PN N）時(shí)，阻擋層勢(shì)壘降低、變窄，）時(shí)，阻擋層勢(shì)壘降低、變窄，可以導(dǎo)通；接反向偏壓（可以導(dǎo)通；接反向偏壓（P PN N）時(shí)，阻擋層加寬，電流約）時(shí)，阻擋層加寬，電流約為零。這就是為零。這就是P-N結(jié)的單向?qū)щ娦浴＝Y(jié)的單向

9、導(dǎo)電性。 當(dāng)外電場(chǎng)很強(qiáng)，反向電壓超過某一數(shù)值后，反向電流會(huì)急當(dāng)外電場(chǎng)很強(qiáng)，反向電壓超過某一數(shù)值后，反向電流會(huì)急劇增大劇增大 反向擊穿。反向擊穿。2.PN2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦怨馍匦?yīng)v當(dāng)具有pn結(jié)的半導(dǎo)體受到光照時(shí)，其中電子和空穴的數(shù)目增多，在結(jié)的局部電場(chǎng)作用下，p區(qū)的電子移到n區(qū)，n區(qū)的空穴移到p區(qū)，這樣在結(jié)的兩端就有電荷積累，形成電勢(shì)差。這現(xiàn)象稱為pn結(jié)的光生伏特效應(yīng)。由于這些特性，用pn結(jié)可制成半導(dǎo)體二極管和光電池等器件。另一方面因擊穿后并不損壞而可用來制造穩(wěn)壓管或開關(guān)等器件。太陽(yáng)能電池v太陽(yáng)能電池的作用是把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能。太陽(yáng)能電池一般是由N型和P型半導(dǎo)體制備而成，

10、其能量轉(zhuǎn)換的基本原理是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)。N型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，P型半導(dǎo)體中含有較多的電子，當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起的時(shí)候，由于擴(kuò)散作用P型半導(dǎo)體中的電子以及N型半導(dǎo)體中的空穴會(huì)相互運(yùn)動(dòng)，最后在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層)，界面的P型一側(cè)帶負(fù)電、N型一側(cè)帶正電，從而形成內(nèi)建電場(chǎng)。v當(dāng)入射光垂直入射PN結(jié)時(shí)，光子進(jìn)入N型半導(dǎo)體或者穿越PN結(jié)進(jìn)入P型半導(dǎo)體。能量大于禁帶寬度的光子，由本征吸收在結(jié)的兩邊產(chǎn)生電子空穴對(duì)。由于PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)存在的內(nèi)建場(chǎng)(自N區(qū)指向P區(qū))，結(jié)果兩邊的光生少數(shù)載流子受該場(chǎng)作用，各自向相反方向運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的光生電子穿過PN結(jié)進(jìn)入N區(qū)，N區(qū)的光生空穴進(jìn)入P區(qū)，于是形成自N區(qū)向P區(qū)的光