半導(dǎo)體特性PN結(jié)小結(jié)課件

1、 微電子技術(shù)專(zhuān)業(yè)半導(dǎo)體器件第1章 半導(dǎo)體特性第2章 P-N結(jié)講授教師：馬 穎第 1 章半導(dǎo)體特性 1 半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)、各向異性掌握幾種典型材料的計(jì)算2 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 熟悉影響半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的因素3 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶了解相關(guān)概念，及Eg的指導(dǎo)工藝4 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)與缺陷了解兩者的分類(lèi)及特點(diǎn)掌握施、受主雜質(zhì)及其能級(jí)的概念 本章重點(diǎn)5 載流子的運(yùn)動(dòng)熟悉載流子濃度公式與EF位置的關(guān)系漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)掌握雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度計(jì)算、材料電阻率電導(dǎo)率的計(jì)算6 非平衡載流子了解非平衡載流子的產(chǎn)生和復(fù)合概念壽命及其測(cè)量方法幾種復(fù)合理論的概念及特點(diǎn)一、半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)、各向異性晶體有哪5種常

2、見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)，都有哪些典型的元素。 簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu) 釙(Po) 體心立方結(jié)構(gòu)鈉（Na）鉬（Mo）鎢（W） 面心立方結(jié)構(gòu)鋁（Al）銅（Cu）金（Au）銀（Ag） 金剛石結(jié)構(gòu)碳（C）硅（Si） 鍺（Ge） 閃鋅礦結(jié)構(gòu) 砷化鎵(GaAs)磷化鎵(GaP) 硫化鋅(ZnS) 硫化鎘(CdS) 一、半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)、各向異性金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)有什么區(qū)別（在結(jié)構(gòu)、元素、化學(xué)鍵各方面描述）。由兩個(gè)面心立方結(jié)構(gòu)沿空間對(duì)角線錯(cuò)開(kāi)四分之一的空間對(duì)角線長(zhǎng)度相互嵌套而成。 結(jié)構(gòu)正四面體結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵概念金剛石結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)族元素如Al、Ga、In和族元素如 P、As、Sb合成的-族化合物都是半導(dǎo)體材料，為極性半導(dǎo)體。族

3、元素中的硅(Si)、鍺(Ge) 課構(gòu)成純凈的半導(dǎo)體材料，為單元素半導(dǎo)體。元素化學(xué)鍵金剛石結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)混合鍵：共價(jià)鍵+離子鍵 一、半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)、各向異性掌握幾種晶格結(jié)構(gòu)單胞的空間比率計(jì)算。每個(gè)單胞中的原子數(shù)n每個(gè)原子的半徑r每個(gè)原子的體積V原子=4r3/3最大空間比率=n V原子/ V單胞掌握硅、鍺兩種材料的原子數(shù)密度和質(zhì)量密度的計(jì)算。一、半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)、各向異性什么是晶體的各向異性？表現(xiàn)在哪些方面？用什么來(lái)表示，這2者有何關(guān)系？ 沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導(dǎo)致晶體在不同方向的物理特性也不同 。 晶體的各向異性具體表現(xiàn)在晶體不同方向上的彈性膜量、硬度、熱膨

4、脹系數(shù)、導(dǎo)熱性、電阻率、電位移矢量、電極化強(qiáng)度、磁化率和折射率等都是不同的。 一族平行晶面用晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）， “（hkl）”來(lái)表示一族平行線所指的方向用晶列（晶向）指數(shù)， “hkl”來(lái)表示 相同指數(shù)的晶面和晶列互相垂直，如100定義為垂直于（100）平面的方向。一、半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)、各向異性密勒指數(shù)是這樣得到的：（1）確定某平面在直角坐標(biāo)系三個(gè)軸上的截點(diǎn)，并以晶格常數(shù)為單位測(cè)得相應(yīng)的截距；（2）取截距的倒數(shù)，然后約簡(jiǎn)為三個(gè)沒(méi)有公約數(shù)的整數(shù)，即將其化簡(jiǎn)成最簡(jiǎn)單的整數(shù)比；（3）將此結(jié)果以“（hkl）”表示，即為此平面的密勒指數(shù)。晶向指數(shù)是這樣得到的：（1）晶列指數(shù)是按晶列矢量在坐標(biāo)軸上的投影

5、的比例取互質(zhì)數(shù)（2）將此結(jié)果以“hkl”表示二、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性影響半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性能的因素有哪些？半導(dǎo)體的電性能有哪些？溫度、光照、雜質(zhì)，還有電場(chǎng)、磁場(chǎng)及其他外界因素（如外應(yīng)力）的作用也會(huì)影響半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力。熱敏特性、光敏特性、摻雜特性 現(xiàn)今硅已取而代鍺成為半導(dǎo)體制造的主要材料。主要原因，是因?yàn)楣杵骷に嚨耐黄疲杵矫婀に囍?，二氧化硅的運(yùn)用在其中起著決定性的作用，經(jīng)濟(jì)上的考慮也是原因之一，在二氧化硅及硅酸鹽中硅的含量占地球的25%，僅次于氧。三、半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶 電子公有化的概念及特點(diǎn) 由于晶體中原子的周期性排列而使電子不再為單個(gè)原子所有的現(xiàn)象，稱(chēng)為電子共有化。 內(nèi)層電子的軌道交

6、疊較少，共有化程度弱些，外層電子軌道交疊較多，共有化程度強(qiáng)些。能級(jí)的概念 原子系統(tǒng)的能量呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，即量子化的，也就是電子的能量只能取一系列不連續(xù)的可能值，這種量子化的能量稱(chēng)為能級(jí)。能帶的概念 晶體中每個(gè)原子都受到周?chē)觿?shì)場(chǎng)的作用，使原先每個(gè)原子中具有相同能量的電子能級(jí)分裂成N個(gè)與原來(lái)能級(jí)很接近的能級(jí)，形成一個(gè)“準(zhǔn)連續(xù)”的能帶。能帶中的幾個(gè)基本概念：允帶、禁帶、空帶、滿帶、半滿帶三、半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶 允帶 禁帶 滿帶 空帶允許電子存在的一系列準(zhǔn)連續(xù)的能量狀態(tài)禁止電子存在的一系列能量狀態(tài)被電子填充滿的一系列準(zhǔn)連續(xù)的能量狀態(tài) 滿帶不導(dǎo)電沒(méi)有電子填充的一系列準(zhǔn)連續(xù)的能量狀態(tài) 空帶不導(dǎo)電

7、 半滿帶被電子部分填充的一系列準(zhǔn)連續(xù)的能量狀態(tài) 半滿帶中的電子可以參與導(dǎo)電半導(dǎo)體能帶中的幾個(gè)概念：價(jià)帶、導(dǎo)帶、導(dǎo)帶底、價(jià)帶頂、禁帶寬度。三、半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶 導(dǎo)帶 價(jià)帶 有電子能夠參與導(dǎo)電的能帶，在半導(dǎo)體材料中由價(jià)電子形成的高能級(jí)能帶通常稱(chēng)為導(dǎo)帶。 由價(jià)電子形成的能帶，在半導(dǎo)體材料中由價(jià)電子形成的低能級(jí)能帶通常稱(chēng)為價(jià)帶。導(dǎo)帶底EC 價(jià)帶頂EV導(dǎo)帶電子的最低能量 價(jià)帶電子的最高能量 EcEv半導(dǎo)體能帶中的幾個(gè)概念：價(jià)帶、導(dǎo)帶、導(dǎo)帶底、價(jià)帶頂、禁帶寬度。三、半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶 禁帶寬度/Eg 導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的能級(jí)寬度， Eg=Ec-Ev絕緣體：Eg= 36eV半導(dǎo)體：硅1.12eV、

8、鍺0.67 eV、砷化鎵1.42 eV EcEv利用各種半導(dǎo)體材料的不同禁帶寬度可以在器件生產(chǎn)工藝中給予指導(dǎo)。禁帶寬度大Eg的材料常用來(lái)制備高溫工作的器件。選擇材料的禁帶寬度正好與可見(jiàn)光的光子能量相匹配，可制備可見(jiàn)光發(fā)射器件。禁帶寬度小Eg的材料可用來(lái)制備紅外探測(cè)器。簡(jiǎn)述空穴的概念。三、半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶 當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí)，半導(dǎo)體滿帶中少量電子可被激發(fā)到上面的空帶中去，使導(dǎo)帶底附近有了一些電子，同時(shí)價(jià)帶中由于少了一些電子，在價(jià)帶頂部附近出現(xiàn)了一些空的量子狀態(tài)，價(jià)帶即成了半滿帶，在外電場(chǎng)作用下，仍留在價(jià)帶中的電子也能起導(dǎo)電作用，相當(dāng)于把這些空的量子狀態(tài)看作帶正電荷的“準(zhǔn)粒子”的導(dǎo)電作用

9、，常把這些滿帶中因失去了電子而留下的空位稱(chēng)為空穴。本征激發(fā)的概念。 由于溫度，價(jià)帶上的電子激發(fā)成為導(dǎo)帶電子即“準(zhǔn)自由”電子的過(guò)程 。雜質(zhì)和缺陷對(duì)導(dǎo)電性能產(chǎn)生影響的機(jī)理是什么？四、半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷 由于雜質(zhì)和缺陷的存在，會(huì)使嚴(yán)格按周期排列的原子所產(chǎn)生的周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞，有可能在禁帶中引入允許電子存在的能量狀態(tài)（即能級(jí)），從而對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響。 實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體材料偏離理想情況的現(xiàn)象有哪些？ 原子并不是靜止在具有嚴(yán)格周期性的晶格的格點(diǎn)位置上，而是在其平衡位置附近震動(dòng)。半導(dǎo)體材料并不是純凈的，而是含有若干雜質(zhì)。實(shí)際的半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)并不是完整無(wú)缺的，而是存在著各種形式的缺陷。寫(xiě)出常

10、見(jiàn)雜質(zhì)的種類(lèi)并舉例。四、半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷1、雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，間隙式雜質(zhì)；原子半徑一般比較小，如鋰離子進(jìn)入硅、鍺、砷化鎵后以間隙式雜質(zhì)的形式存在。2、雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格格點(diǎn)處，替位式雜質(zhì)。原子的半徑與被取代的晶格原子的半徑大小比較相近，且它們的價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)也比較相近。如、族元素在族元素硅、鍺晶體中都是替位式雜質(zhì)。 雜質(zhì)的主要來(lái)源有哪些？1、制備半導(dǎo)體的原材料純度不夠高；2、半導(dǎo)體單晶制備過(guò)程中及器件制造過(guò)程中的沾污；3、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。 四、半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷施、受主雜質(zhì)的概念及其特點(diǎn)？ 在純凈的半導(dǎo)體材料中摻入族元素雜質(zhì)，形

11、成施主雜質(zhì)或 N 型雜質(zhì)。在常溫下，雜質(zhì)都處于離化態(tài)，施主雜質(zhì)向?qū)В▽?dǎo)帶或價(jià)帶）提供電子（空穴或電子）并形成正電（正電或負(fù)電）中心，成為主要依靠電子（空穴或電子）導(dǎo)電的半導(dǎo)體材料。 在純凈的半導(dǎo)體材料中摻入族元素雜質(zhì)，形成受主雜質(zhì)或 P 型雜質(zhì)。在常溫下，雜質(zhì)都處于離化態(tài)，受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴并形成負(fù)電中心，成為主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體材料。 施主能級(jí)與受主能級(jí)的位置。四、半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷施主能級(jí)ED，位于離導(dǎo)帶底很近的禁帶中，比導(dǎo)帶底Ec低ED 。受主能級(jí)EA，位于離價(jià)帶頂很近的禁帶中，比價(jià)帶頂Ev高EA 。施主能級(jí) 受主能級(jí)EDEA從能帶角度分析為什么摻入施主或受主雜質(zhì)后半導(dǎo)體的導(dǎo)

12、電性能能大大加強(qiáng)。四、半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷 實(shí)驗(yàn)測(cè)得，族元素原子（施主雜質(zhì)）在硅中電離能約為0.040.05eV，在鍺中電離能約為0.01 eV，其電離能比硅、鍺的禁帶寬度小得多。使得多余電子很容易掙脫原子的束縛成為導(dǎo)電電子，從而增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。 同樣，族元素原子（受主雜質(zhì)）在硅、鍺中的電離能也很小，在硅中約為0.0450.065eV，在鍺中約為0.01 eV。 使得多余空穴很容易掙脫原子的束縛成為導(dǎo)電空穴，從而增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性。什么是淺能級(jí)？四、半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷很靠近導(dǎo)帶底的施主能級(jí)、很靠近價(jià)帶頂?shù)氖苤髂芗?jí)。什么是深能級(jí)？主要由什么雜質(zhì)元素引入 ？有什么特點(diǎn)？ 非、族元素?fù)饺牍?/p>

13、、鍺在禁帶中引入的施主能級(jí)距離導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)，受主能級(jí)距離價(jià)帶頂也較遠(yuǎn)，這種能級(jí)稱(chēng)為深能級(jí)，相應(yīng)的非、族元素雜質(zhì)稱(chēng)為深能級(jí)雜質(zhì)； 這些深能級(jí)雜質(zhì)能產(chǎn)生多次電離，每一次電離相應(yīng)地有一個(gè)能級(jí)。因此，這些雜質(zhì)在硅、鍺的禁帶中往往引入若干個(gè)能級(jí)。而且，有的雜質(zhì)既能引入施主能級(jí)，又能引入受主能級(jí)。對(duì)于載流子的復(fù)合作用比淺能級(jí)雜質(zhì)強(qiáng)，故這些雜質(zhì)也稱(chēng)為復(fù)合中心，它們引入的能級(jí)就稱(chēng)為復(fù)合中心能級(jí)。什么是雜質(zhì)的補(bǔ)償作用？四、半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷施主和受主雜質(zhì)之間有相互抵消的作用。 什么是缺陷？ 當(dāng)半導(dǎo)體中的某些區(qū)域，晶格中的原子周期性排列被破壞時(shí)就形成了各種缺陷。缺陷的分類(lèi)？點(diǎn)缺陷：如空位，間隙原子，替位原子。線缺

14、陷：如位錯(cuò)。面缺陷：如層錯(cuò)等。四、半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷點(diǎn)缺陷：如空位，間隙原子；替位原子（反結(jié)構(gòu)缺陷 ）； 肖特基缺陷：只在晶格內(nèi)形成空位而無(wú)間隙原子的缺陷。 弗侖克耳缺陷：間隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn)的缺陷 。 這兩種缺陷均由溫度引起，又稱(chēng)之為熱缺陷，它們總是同時(shí)存在的。線缺陷：如位錯(cuò) 晶體滑移時(shí)，已滑移部分與未滑移部分在滑移面上的分界，稱(chēng)為位錯(cuò)，可分為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。位錯(cuò)能級(jí)都是深受主能級(jí)。當(dāng)位錯(cuò)密度較高時(shí)，由于它和雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，能使含有淺施主雜質(zhì)的N型硅、鍺中的載流子濃度降低，而對(duì)P型硅、鍺卻沒(méi)有這種影響。面缺陷：如層錯(cuò)等。在-族化合物中，點(diǎn)缺陷的形成因素：熱振動(dòng)，成分偏離正常的化學(xué)比五

15、、載流子的運(yùn)動(dòng)載流子的產(chǎn)生有哪些情況？本征激發(fā)：電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴雜質(zhì)電離：當(dāng)電子從施主能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)帶電子； 當(dāng)電子從價(jià)帶激發(fā)到受主能級(jí)時(shí)產(chǎn)生價(jià)帶空穴。 電子從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子態(tài)，并向晶格放出一定的能量的過(guò)程。什么是載流子的復(fù)合？什么是熱平衡狀態(tài)？ 在一定溫度下，載流子產(chǎn)生和復(fù)合的過(guò)程建立起動(dòng)態(tài)平衡，即單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)等于復(fù)合掉的電子-空穴對(duì)數(shù)，稱(chēng)為熱平衡狀態(tài)。 處于熱平衡狀態(tài)下的導(dǎo)電電子和空穴稱(chēng)為熱平衡載流子。 五、載流子的運(yùn)動(dòng)什么是有效質(zhì)量？引入有效質(zhì)量概念的意義？ 把電子受到的內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)作用等效為晶體中的電子質(zhì)量，稱(chēng)為電子的

16、有效質(zhì)量m* 。 引入有效質(zhì)量的意義在于，它概括了內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子的作用，而把電子運(yùn)動(dòng)的加速度與外力直接聯(lián)系起來(lái)，從而使分析簡(jiǎn)化。特別是有效質(zhì)量可以直接由試驗(yàn)測(cè)定，因而可以很方便地解決電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。五、載流子的運(yùn)動(dòng)寫(xiě)出費(fèi)米-狄拉克分布函數(shù)的表達(dá)式什么是費(fèi)米能級(jí)？能量為E的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率 費(fèi)米能級(jí)EF是量子態(tài)基本上被電子占據(jù)或基本上是空的一個(gè)標(biāo)志。絕對(duì)零度時(shí)，費(fèi)米能級(jí)EF可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限。 大多數(shù)情況下，它的數(shù)值在半導(dǎo)體能帶的禁帶范圍內(nèi)，和溫度、半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類(lèi)型、雜質(zhì)的含量以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān)。只要知道了EF的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計(jì)分

17、布就完全確定了。 五、載流子的運(yùn)動(dòng)分析費(fèi)米-狄拉克分布函數(shù)的意義（特性）當(dāng)T=0K時(shí)，若EEF，則f（E）=0 在絕對(duì)零度時(shí)，能量比EF小的量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率是百分之百，因而這些量子態(tài)上都是有電子的；能量比EF大的量子態(tài)，被電子占據(jù)的幾率是零，因而這些量子態(tài)上都沒(méi)有電子，是空的。 絕對(duì)零度時(shí)，費(fèi)米能級(jí)EF可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限。 當(dāng)T0K時(shí)，若E1/2若E= EF，則f（E）=1/2若E EF，則f（E）p0，費(fèi)米能級(jí)比較靠近導(dǎo)帶； P型半導(dǎo)體 p0n0，費(fèi)米能級(jí)比較靠近價(jià)帶； 費(fèi)米能級(jí)的位置不但反映了半導(dǎo)體的導(dǎo)電類(lèi)型，而且還反映了半導(dǎo)體的摻雜水平。摻雜濃度越高，費(fèi)米能級(jí)離導(dǎo)

18、帶或價(jià)帶越近。五、載流子的運(yùn)動(dòng)本征半導(dǎo)體載流子濃度公式及其影響因素式（1-11） 一定的半導(dǎo)體材料，其本征載流子濃度ni隨溫度上升而迅速增加；不同的半導(dǎo)體材料在同一溫度下，禁帶寬度越大，本征載流子濃度ni就越小。公式n0p0=ni2 的適用范圍 在一定溫度下，任何非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的熱平衡載流子濃度的乘積n0p0等于該溫度下的本征半導(dǎo)體載流子濃度ni的平方，與所含雜質(zhì)無(wú)關(guān)。 該式不僅適用于本征半導(dǎo)體，而且也適用于非簡(jiǎn)并的雜質(zhì)半導(dǎo)體材料。 五、載流子的運(yùn)動(dòng)雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度公式及計(jì)算表1-1 300K下鍺、硅、砷化鎵的本征載流子濃度N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 (ND為施主雜質(zhì)濃度) (NA為受主雜質(zhì)濃度

19、) 多子濃度少子濃度多子濃度少子濃度同時(shí)摻入P型雜質(zhì)和N型雜質(zhì)時(shí)五、載流子的運(yùn)動(dòng)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是由什么引起的？漂移運(yùn)動(dòng)是半導(dǎo)體中的載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是由粒子濃度不均勻所引起的運(yùn)動(dòng)。歐姆定律的微分形式？半導(dǎo)體的電導(dǎo)率及其計(jì)算？電導(dǎo)率 N型 P型 本征半導(dǎo)體n0=p0=ni 雜質(zhì)半導(dǎo)體：五、載流子的運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體的總電流？擴(kuò)散電流和漂移電流疊加在一起構(gòu)成半導(dǎo)體的總電流。電子電流密度空穴電流密度遷移率：反映載流子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)難易程度；擴(kuò)散系數(shù)D：反映存在濃度梯度時(shí)載流子運(yùn)動(dòng)的難易程度。 愛(ài)因斯坦關(guān)系式？反映了載流子遷移率和擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系。六、非平衡載流子產(chǎn)生非平衡載流

20、子的方法？非平衡載流子都是指多子還是少子？電注入，光注入非平衡載流子都是指非平衡少數(shù)載流子非平衡載流子的產(chǎn)生和復(fù)合過(guò)程。 如果對(duì)半導(dǎo)體施加外加作用，破壞了熱平衡狀態(tài)的條件，這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱(chēng)為非平衡狀態(tài)。處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，其載流子濃度將不再是n0和p0，可以比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來(lái)的這部分載流子稱(chēng)為非平衡載流子，有時(shí)也稱(chēng)過(guò)剩載流子。 產(chǎn)生非平衡載流子的外部作用撤除后，由于半導(dǎo)體的內(nèi)部作用，使它由非平衡狀態(tài)恢復(fù)到平衡狀態(tài)，過(guò)剩載流子逐漸消失，這一過(guò)程稱(chēng)為非平衡載流子的復(fù)合。六、非平衡載流子什么是非平衡載流子的壽命？ 非平衡載流子的平均生存時(shí)間稱(chēng)為非平衡載流

21、子的壽命，用表示。非平衡載流子的壽命通常指少數(shù)載流子的壽命。 當(dāng)t=，則p(t)=(p)0/e 壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原來(lái)數(shù)值的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間。鍺比硅容易獲得較高（高或低）的壽命很大程度上反映了晶格的完整性，是衡量材料質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)志 ，故常被稱(chēng)作“結(jié)構(gòu)靈敏”的參數(shù)。六、非平衡載流子非平衡載流子壽命的檢測(cè)方法？直流光電導(dǎo)衰減法；高頻光電導(dǎo)衰減法；光磁電法；擴(kuò)散長(zhǎng)度法；雙脈沖法；漂移法。 影響非平衡載流子壽命的因素？材料的種類(lèi)雜質(zhì)的含量（特別是深能級(jí)雜質(zhì)）缺陷的密度表面狀態(tài)外部條件（外界氣氛）什么是直接復(fù)合？什么是間接復(fù)合？六、非平衡載流子直接復(fù)合，即電子在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的直接躍

22、遷，引起電子和空穴的直接復(fù)合；間接復(fù)合，即非平衡載流子通過(guò)復(fù)合中心的復(fù)合。 根據(jù)復(fù)合發(fā)生的位置，又可以將它分為體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合，表面復(fù)合屬于間接復(fù)合。就能量傳遞的方式來(lái)講，俄歇復(fù)合是能量以聲子方式傳遞。六、非平衡載流子在小禁帶的半導(dǎo)體中，直接復(fù)合占優(yōu)勢(shì)。一般來(lái)說(shuō)，禁帶寬度越小，直接復(fù)合的幾率越大。壽命與多數(shù)載流子濃度成反比，或者說(shuō)，半導(dǎo)體電導(dǎo)率越高，壽命就越短。硅和鍺的壽命主要是由間接復(fù)合決定的。能促進(jìn)復(fù)合過(guò)程的雜質(zhì)和缺陷稱(chēng)為復(fù)合中心。非平衡載流子壽命與復(fù)合中心濃度成反比。第 2 章P-N結(jié) 1 PN結(jié)及其能帶圖 了解PN結(jié)的形成及其制作方法，雜質(zhì)分布，熟悉PN結(jié)的能帶圖特點(diǎn)。2 平衡PN結(jié)

23、 了解平衡PN結(jié)的形成過(guò)程，空間電荷區(qū)、勢(shì)壘區(qū)、耗盡層的概念，接觸電勢(shì)差，熟悉平衡PN結(jié)的特點(diǎn)，載流子濃度與勢(shì)壘寬度的關(guān)系。3 PN結(jié)的直流特性 掌握非平衡PN結(jié)外加正/反向電壓時(shí)的特點(diǎn)， 掌握PN結(jié)的伏安特性（單相導(dǎo)電性）；了解理想PN結(jié)的條件，表面對(duì)漏電流的影響，影響PN結(jié)伏安特性偏離理想方程的各種因素。4 PN結(jié)電容 了解分類(lèi)及特點(diǎn)，掌握施、受主雜質(zhì)及其能級(jí)的概念。5 PN結(jié)擊穿 了解分類(lèi)及產(chǎn)生的機(jī)理，影響雪崩擊穿的因素； 熟悉雪崩擊穿和隧道擊穿的區(qū)別。 本章重點(diǎn)一、PN結(jié)及其能帶圖PN結(jié)的形成。 在一塊N型(或P型)半導(dǎo)體單晶上，用適當(dāng)?shù)墓に嚢裀型（或N 型）雜質(zhì)摻入其中，使這塊半導(dǎo)體

24、單晶的不同區(qū)域分別具有N型和P型的導(dǎo)電類(lèi)型，在兩者的交界面處就形成了P-N結(jié)。按制作PN結(jié)的半導(dǎo)體單晶材料不同可分類(lèi)為：用同一種半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)叫同質(zhì)結(jié)。由禁帶寬度不同的兩種半導(dǎo)體材料制成的PN結(jié)叫異質(zhì)結(jié)。 按PN結(jié)中雜質(zhì)分布的情況不同可分類(lèi)為：突變結(jié):在交界面處，雜質(zhì)濃度從NA（P區(qū)）突變?yōu)镹D（N區(qū)）。緩變結(jié):雜質(zhì)濃度從P區(qū)到N區(qū)是逐漸變化的。一、PN結(jié)及其能帶圖合金法、擴(kuò)散法、離子注入法和外延生長(zhǎng)法等。制造異質(zhì)結(jié)通常采用外延生長(zhǎng)法。 PN結(jié)的制作方法。合金結(jié)和高表面濃度的淺擴(kuò)散結(jié)一般可認(rèn)為是突變結(jié)，而低表面濃度的深擴(kuò)散結(jié)一般可認(rèn)為是線性緩變結(jié)。 內(nèi)建電場(chǎng)的方向是從N區(qū)指向P區(qū)。 P

25、N結(jié)的能帶圖特點(diǎn)。 當(dāng)兩塊半導(dǎo)體結(jié)合形成P-N結(jié)時(shí)，EFn不斷下移，而EFp不斷上移，直至EFn=EFp。 P-N結(jié)中有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)EF，P-N結(jié)處于平衡狀態(tài)。P區(qū)的電勢(shì)能比N區(qū)的電勢(shì)能高qVD（高或低多少）一、PN結(jié)及其能帶圖 對(duì)于P區(qū)空穴離開(kāi)后，留下了不可移動(dòng)的帶負(fù)電荷的電離受主，這些電離受主沒(méi)有正電荷與之保持電中性，因此，在P-N結(jié)附近P區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)電荷區(qū)； 同理，在P-N結(jié)附近N區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了由電離施主構(gòu)成的一個(gè)正電荷區(qū)，通常把在P-N結(jié)附近的這些電離施主和電離受主所帶電荷稱(chēng)為空間電荷，它們所存在的區(qū)域稱(chēng)為空間電荷區(qū)。 空間電荷區(qū)的概念。耗盡層的概念。 室溫附近，空間電荷區(qū)的載流

26、子濃度比起N區(qū)和P區(qū)的多數(shù)載流子濃度小得多，好像已經(jīng)耗盡了，所以通常也稱(chēng)空間區(qū)為耗盡層。 在P-N結(jié)的空間電荷區(qū)中能帶發(fā)生彎曲，電子從勢(shì)能低的N區(qū)向勢(shì)能高的P區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須克服這一勢(shì)能“高坡”，才能達(dá)到P區(qū)；同理，空穴也必須克服這一勢(shì)能“高坡”，才能從P區(qū)到達(dá)N區(qū)。這一勢(shì)能“高坡”通常稱(chēng)為P-N結(jié)的勢(shì)壘，故空間電荷區(qū)也叫勢(shì)壘區(qū)。 勢(shì)壘區(qū)的概念。二、平衡PN結(jié)平衡PN結(jié)的特點(diǎn)。 一定寬度和勢(shì)壘高度的勢(shì)壘區(qū)； 內(nèi)建電場(chǎng)恒定； 凈電流為零； 費(fèi)米能級(jí)處處相等。什么是接觸電勢(shì)差? P區(qū)導(dǎo)帶和價(jià)帶的能量比N區(qū)的高qVD。 接觸電勢(shì)差VD就是P型和N型半導(dǎo)體中原先費(fèi)米能級(jí)之差。 勢(shì)壘區(qū)中能帶變化趨勢(shì)與電勢(shì)

27、變化趨勢(shì)相反。二、平衡PN結(jié)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)正負(fù)空間電荷區(qū)的寬度和該區(qū)的雜質(zhì)濃度成反比。勢(shì)壘區(qū)主要向雜質(zhì)濃度低的一邊擴(kuò)散。在平衡突變結(jié)勢(shì)壘區(qū)中，電場(chǎng)的方向從N區(qū)指向P區(qū)。在交界面處，電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值。三、PN結(jié)的直流特性什么是非平衡P-N結(jié)？理想PN結(jié)的條件當(dāng)P-N結(jié)兩端有外加電壓時(shí) ，P-N結(jié)處于非平衡狀態(tài)。 （1）小注入條件：注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小得多；（2）突變耗盡層條件：即外加電壓和接觸電勢(shì)差都降落在耗盡層上，注入的少數(shù)載流子在P區(qū)和N區(qū)是純擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；（3）通過(guò)耗盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用。三、PN結(jié)的直流特性 PN結(jié)外加正向電壓在勢(shì)

28、壘區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反（相反/一致），導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)總的電場(chǎng)強(qiáng)度減弱（增強(qiáng)/減弱），這說(shuō)明空間電荷數(shù)量減少（增多/減少），也就意味著勢(shì)壘區(qū)寬度減?。ㄔ龃?減小），勢(shì)壘高度減?。ㄔ龃?減小）。此時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度的變化導(dǎo)致載流子的漂移運(yùn)動(dòng)小于（大于/小于）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成凈擴(kuò)散（凈擴(kuò)散/凈漂移）電流，以致勢(shì)壘區(qū)邊界非平衡少子（少子或多子）濃度大于（大于/小于）該區(qū)內(nèi)部，擴(kuò)散（擴(kuò)散漂移）電流方向從勢(shì)壘邊界向體內(nèi)（勢(shì)壘邊界向體內(nèi)或體內(nèi)向勢(shì)壘邊界）。 如在區(qū)形成從N區(qū)勢(shì)壘邊界向N區(qū)內(nèi)部的空穴的擴(kuò)散電流，在區(qū)形成從區(qū)勢(shì)壘邊界向區(qū)內(nèi)部的電子的擴(kuò)散電流。P-N結(jié)外加正向直流電壓的特點(diǎn)？三、PN結(jié)的直流特性P-

29、N結(jié)外加反向直流電壓的特點(diǎn)？ PN結(jié)外加反向電壓在勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向一致（相反/一致），導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)總的電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)（增強(qiáng)/減弱），這說(shuō)明空間電荷數(shù)量增多（增多/減少），也就意味著勢(shì)壘區(qū)寬度增大（增大/減?。?，勢(shì)壘高度增大（增大/減?。?。此時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度的變化導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的載流子漂移運(yùn)動(dòng)大于（大于/小于）擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成凈漂移（凈擴(kuò)散/凈漂移）電流，以致勢(shì)壘區(qū)邊界非平衡少子（少子或多子）濃度小于（大于/小于）該區(qū)內(nèi)部，從而形成體內(nèi)向勢(shì)壘邊界（勢(shì)壘邊界向體內(nèi)或體內(nèi)向勢(shì)壘邊界）的反向擴(kuò)散（擴(kuò)散漂移）電流。 實(shí)際的反向電流包括 體內(nèi)擴(kuò)散電流 、 勢(shì)壘產(chǎn)生電流 和表面漏電流三種成分.三、PN結(jié)的

30、直流特性鍺的反向電流中擴(kuò)散電流起主要作用。硅的反向電流中勢(shì)壘產(chǎn)生電流占主要地位。由于勢(shì)壘區(qū)寬度Xm隨反向偏壓的增加而變寬，所以勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流不是飽和的，隨反向偏壓增加而緩慢地增加。 表面對(duì)反向漏電流的影響主要表現(xiàn)在哪些方面？表面漏電流：表面沾污嚴(yán)重，則引出的表面漏電流大，會(huì)成為反向漏電流的主要成分。P-N結(jié)溝道漏電流：二氧化硅層質(zhì)量不好，會(huì)使半導(dǎo)體表面出現(xiàn)反型，形成反型溝道。 表面復(fù)合電流：部分少數(shù)載流子可通過(guò)表面復(fù)合中心能級(jí)復(fù)合掉，從而導(dǎo)致反向電流的增加。 影響PN結(jié)伏安特性偏離理想方程因素有哪些？（1）表面效應(yīng)； （2）勢(shì)壘區(qū)中的產(chǎn)生和復(fù)合；（3）大注入條件； （4）串聯(lián)電阻效應(yīng)。四、PN

31、結(jié)電容PN結(jié)在低頻（低頻或高頻）電壓下，具有很好的單向?qū)щ娦裕ㄕ髯饔茫窃诟哳l（低頻或高頻）電壓時(shí)，其整流特性變壞，甚至基本上沒(méi)有整流效應(yīng)。這是因?yàn)镻N結(jié)具有電容特性。 P-N結(jié)電容包括勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容兩部分,都隨外加電壓而變化，表明它們是可變電容。在大的正向偏壓時(shí)，擴(kuò)散電容起主要作用，在反向偏壓時(shí)，勢(shì)壘電容起主要作用。P-N結(jié)上外加電壓的變化，引起了電子和空穴在勢(shì)壘區(qū)的“存入”和“取出”作用，導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化，這和一個(gè)電容器的充放電作用相似。勢(shì)壘電容：由于擴(kuò)散區(qū)積累的電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)。擴(kuò)散電容隨頻率的增加而減小。 擴(kuò)散電容：四、PN結(jié)電

32、容P-N結(jié)電容的大小和什么因素有關(guān)？PN結(jié)的結(jié)面積：結(jié)面積越大，結(jié)電容越大。勢(shì)壘寬度：勢(shì)壘寬度越大，結(jié)電容越小。摻雜濃度：摻雜濃度越高，勢(shì)壘寬度越小，結(jié)電容越大。外加電壓：反向偏壓越大，則勢(shì)壘電容越小；正向偏壓越大，擴(kuò)散電容越大。勢(shì)壘電容的2個(gè)應(yīng)用?？梢灾瞥勺?nèi)萜骷?。用?lái)測(cè)量結(jié)附近的雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)濃度梯度等。正向偏壓增大，載流子從擴(kuò)散（擴(kuò)散或勢(shì)壘）區(qū)取出存入勢(shì)壘區(qū)，中和了勢(shì)壘區(qū)中一部分電離施主和電離受主，使勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)減?。ㄔ龃蠡驕p小），勢(shì)壘區(qū)寬度減?。ㄔ龃鬁p?。?，勢(shì)壘電容增大（增大或減小）。正向偏壓減小，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)增大，載流子從勢(shì)壘區(qū)取出存入擴(kuò)散區(qū)，使勢(shì)壘區(qū)寬度增大，勢(shì)壘電容減小。 反向偏壓的絕對(duì)值增大，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)增大，載流