半導(dǎo)體基礎(chǔ)理論課件

半導(dǎo)體基礎(chǔ)理論1目錄固體能帶理論半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體特性載流子的復(fù)合與壽命載流子的傳輸P-N結(jié)二極管性質(zhì)硅材料的物理化學(xué)特性2固體的能帶理論

——能帶的形成晶體中，各個(gè)原子互相靠的很近，不同原子的內(nèi)、外殼層都有一定的重疊，電子不在局限在某一個(gè)原子中，可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上，導(dǎo)致電子共有化運(yùn)動(dòng)，結(jié)果使孤立原子的單一能級(jí)分裂成能帶。根據(jù)電子先填充低能級(jí)的原理，下面的能帶先填滿電子，這個(gè)帶被稱為價(jià)帶或滿帶，上面的未被電子填滿的能帶或空能帶稱為導(dǎo)帶，中間以禁帶相隔。3固體的能帶理論

——導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體EcEvEgEg導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶5固體的能帶理論

——導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體導(dǎo)體：能帶交疊，即使極小的外加能量就會(huì)引起導(dǎo)電。絕緣體：能帶間距很大，不可能導(dǎo)電。半導(dǎo)體：禁帶比絕緣體窄很多，部分電子因熱運(yùn)動(dòng)從價(jià)帶跳到導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶中有少量電子，價(jià)帶中有少量空穴，從而有一定的導(dǎo)電能力。6固體的能帶理論

——導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體物體的導(dǎo)電能力，一般用材料電阻率的大小來(lái)衡量。電阻率越大，說(shuō)明這種材料的導(dǎo)電能力越弱。物體電阻率導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體Ω·CM<10e-410e-3~10e9>10e97半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)

原子最外層的電子稱為價(jià)電子，有幾個(gè)價(jià)電子就稱它為幾族元素。若原子失去一個(gè)電子，稱這個(gè)原子為正離子，若原子得到一個(gè)電子，則成為一個(gè)帶負(fù)電的負(fù)離子。原子變成離子的過(guò)程稱為電離。9半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)

固體可分為晶體和非晶體兩大類。原子無(wú)規(guī)則排列所組成的物質(zhì)為非晶體。而晶體則是由原子規(guī)則排列所組成的物質(zhì)。晶體有確定的熔點(diǎn)，而非晶體沒(méi)有確定熔點(diǎn)，加熱時(shí)在某一溫度范圍內(nèi)逐漸軟化，如玻璃。10半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)單晶和多晶的區(qū)別在整個(gè)晶體內(nèi)，原子都是周期性的規(guī)則排列，稱之為單晶。由許多取向不同的單晶顆粒雜亂地排列在一起的固體稱為多晶。11半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)硅晶體的金剛石結(jié)構(gòu)晶體對(duì)稱的，有規(guī)則的排列叫做晶體格子，簡(jiǎn)稱晶格，最小的晶格叫晶胞。以下是較重要的幾個(gè)晶胞：(a)簡(jiǎn)單立方（Po）(b)體心立方（Na、W）(c)面心立方（Al、Au）13半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)

金剛石結(jié)構(gòu)是一種復(fù)式格子，它是兩個(gè)面心立方晶格沿對(duì)角線方向上移1/4互相套構(gòu)而成。正四面實(shí)體結(jié)構(gòu)金鋼石結(jié)構(gòu)14半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)晶面和晶向晶體中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上，這些平面就稱為晶面。每個(gè)晶面的垂直方向稱為晶向。(100晶面)(110晶面)(111晶面)15半導(dǎo)體的特性

——導(dǎo)電特性導(dǎo)電能力隨溫度靈敏變化導(dǎo)體，絕緣體的電阻率隨溫度變化很小，導(dǎo)體溫度每升高1度，電阻率大約升高0.4%。而半導(dǎo)體則不一樣，溫度每升高或降低1度，其電阻就變化百分之幾，甚至幾十，當(dāng)溫度變化幾十度時(shí)，電阻變化幾十，幾萬(wàn)倍，而溫度為絕對(duì)零度（-273℃）時(shí)，則成為絕緣體。17半導(dǎo)體的特性

——導(dǎo)電特性導(dǎo)電能力隨光照顯著改變當(dāng)光線照射到某些半導(dǎo)體上時(shí)，它們的導(dǎo)電能力就會(huì)變得很強(qiáng)，沒(méi)有光線時(shí)，它的導(dǎo)電能力又會(huì)變得很弱。雜質(zhì)的顯著影響在純凈的半導(dǎo)體材料中，適當(dāng)摻入微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力會(huì)有上百萬(wàn)倍的增加。這是最特殊的性能。其他特性溫差電效應(yīng)，霍爾效應(yīng)，發(fā)光效應(yīng)，光伏效應(yīng)，激光性能等。

18半導(dǎo)體的特性

——導(dǎo)電過(guò)程描述純凈的半導(dǎo)體，在不受外界作用時(shí)，導(dǎo)電能力很差。而在一定的溫度或光照等作用下，晶體中的價(jià)電子有一部分可能會(huì)沖破共價(jià)鍵的束縛而成為一個(gè)自由電子。同時(shí)形成一個(gè)電子空位，稱之為“空穴”。從能帶圖上看，就是電子離開了價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而在價(jià)帶中留下了空穴，產(chǎn)生了一對(duì)電子和空穴。如圖，通常將這種只含有“電子空穴對(duì)”的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。“本征”指只涉及半導(dǎo)體本身的特性。半導(dǎo)體就是靠著電子和空穴的移動(dòng)來(lái)導(dǎo)電的，因此，電子和空穴被統(tǒng)稱為載流子。19半導(dǎo)體的特性

——本征半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：絕對(duì)純的且沒(méi)有缺陷的半導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體：摻入其他元素施主摻雜（N型硅）：電流主要靠電子來(lái)運(yùn)輸。受主摻雜（P型硅）：電流主要靠空穴來(lái)運(yùn)輸。

太陽(yáng)能電池用的是P型硅襯底，N型擴(kuò)散層21半導(dǎo)體的特性

——產(chǎn)生、復(fù)合由于熱或光激發(fā)而成對(duì)地產(chǎn)生電子空穴對(duì)，這種過(guò)程稱為“產(chǎn)生”?？昭ㄊ枪矁r(jià)鍵上的空位，自由電子在運(yùn)動(dòng)中與空穴相遇時(shí)，自由電子就可能回到價(jià)鍵的空位上來(lái)，而同時(shí)消失一對(duì)電子和空穴，并釋放出能量，這就是“復(fù)合”。在一定溫度下，又沒(méi)有光照射等外界影響時(shí)，產(chǎn)生和復(fù)合的載流子數(shù)相等，半導(dǎo)體中將在產(chǎn)生和復(fù)合的基礎(chǔ)上形成熱平衡。此時(shí)，電子和空穴的濃度保持穩(wěn)定不變，但是產(chǎn)生和復(fù)合仍在持續(xù)地發(fā)生。22半導(dǎo)體的特性

——雜質(zhì)與摻雜半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體材料中若含有其它元素的原子，那么，這些其它元素的原子就稱為半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)原子。對(duì)硅的導(dǎo)電性能有決定影響的主要是三族硼和五族磷元素原子。還有些雜質(zhì)如金，銅，鎳，錳，鐵等，在硅中起著復(fù)合中心的作用，影響壽命，產(chǎn)生缺陷，有著許多有害的作用。23半導(dǎo)體的特性

——N型半導(dǎo)體（施主摻雜）多余電子25半導(dǎo)體的特性

——N型半導(dǎo)體（施主摻雜）施主能級(jí)導(dǎo)帶電離能價(jià)帶26半導(dǎo)體的特性

——P型半導(dǎo)體（受主摻雜）P型半導(dǎo)體硼（B）鋁（AL）鎵（GA）等三族元素原子的最外層有三個(gè)電子，它在硅中也是處于替位式狀態(tài)。硼原子最外層只有三個(gè)電子參加共價(jià)鍵，在另一個(gè)價(jià)鍵上因缺少一個(gè)電子而形成一個(gè)空位，鄰近價(jià)鍵上的價(jià)電子跑來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空位，就在這個(gè)鄰近價(jià)鍵上形成了一個(gè)新的空位，這就是“空穴”。硼原子在接受了鄰近價(jià)鍵的價(jià)電子而成為一個(gè)帶負(fù)電的負(fù)離子。因此在產(chǎn)生空穴的同時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生相應(yīng)的自由電子。這種依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱P型半導(dǎo)體。27半導(dǎo)體的特性

——P型半導(dǎo)體（受主摻雜）導(dǎo)帶電離能價(jià)帶受主能級(jí)29載流子的復(fù)合與壽命

——多數(shù)載流子、少數(shù)載流子摻雜半導(dǎo)體中，新產(chǎn)生的載流子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)原來(lái)未摻入雜質(zhì)前載流子的數(shù)量，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)主要由占多數(shù)的新產(chǎn)生的載流子來(lái)決定，所以，在P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。在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。摻入的雜質(zhì)越多，多數(shù)載流子的濃度（單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目）越大，則半導(dǎo)體的電阻率越低，它的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。30載流子的復(fù)合與壽命

——平衡載流子、非平衡載流子一塊半導(dǎo)體材料處于某一均勻的溫度中，且不受光照等外界因素作用的影響，此時(shí)半導(dǎo)體中的載流子稱為平衡態(tài)載流子。半導(dǎo)體一旦受到外界因素作用（如光照，電流注入或其它能量傳遞形式）時(shí)，它內(nèi)部載流子濃度就多于平衡狀態(tài)下的載流子濃度。半導(dǎo)體就從平衡狀態(tài)變?yōu)榉瞧胶鉅顟B(tài)，就把處于非平衡狀態(tài)時(shí)，比平衡狀態(tài)載流子增加出來(lái)的一部分載流子稱為非平衡載流子。31載流子的復(fù)合與壽命

——平衡載流子、非平衡載流子當(dāng)引起非平衡載流子產(chǎn)生的外界因素停止后，非平衡載流子不會(huì)永久地存在下去。但也不是一下全部都消失掉，而是隨著時(shí)間逐漸減少消失的，他們的存在時(shí)間有些長(zhǎng)些，有些短些，有一個(gè)平均的存在時(shí)間，也就是“非平衡載流子的壽命”。半導(dǎo)體內(nèi)部和表面的復(fù)合作用是使得非平衡載流子逐漸減少直至消失的原因。非平衡載流子復(fù)合的主要方式：直接復(fù)合、間接復(fù)合、表面復(fù)合。32載流子的復(fù)合與壽命

——直接復(fù)合電子和空穴在半導(dǎo)體內(nèi)部直接相遇放出光子或引起熱運(yùn)動(dòng)而復(fù)合，復(fù)合的過(guò)程是電子直接在能帶間躍遷，這種復(fù)合稱為直接復(fù)合。一般的雜質(zhì)半導(dǎo)體壽命是與多數(shù)載流子的密度成反比的，或者說(shuō)半導(dǎo)體的電阻率越低，則壽命越短。電阻率越低，多數(shù)載流子濃度越高，這種非平衡載流子就越有機(jī)會(huì)與多數(shù)載流子相遇復(fù)合，所以壽命就越短。33載流子的復(fù)合與壽命

——直接復(fù)合34載流子的復(fù)合與壽命

——間接復(fù)合晶體中的雜質(zhì)原子和缺陷有促進(jìn)非平衡載流子的復(fù)合作用。間接復(fù)合與直接復(fù)合不同，它是通過(guò)禁帶中某些雜質(zhì)（缺陷）能級(jí)做為“跳板”來(lái)完成的?？拷麕е械碾s質(zhì)（缺陷）能級(jí)俘獲導(dǎo)帶中的電子與滿帶中的空穴在其上面間接進(jìn)行復(fù)合的稱之為間接復(fù)合，那些起復(fù)合作用的雜質(zhì)（缺陷）能級(jí)被稱為復(fù)合中心。復(fù)合中心是不斷地起著復(fù)合作用，而不是起了一次復(fù)合作用就停止了。通過(guò)復(fù)合中心的間接復(fù)合過(guò)程比直接復(fù)合過(guò)程強(qiáng)得多。因?yàn)殚g接復(fù)合過(guò)程每次所要放出的能量比直接復(fù)合的要少，相當(dāng)于分階段放出能量，所以容易得多。因而間接復(fù)合過(guò)程大多情況下決定著半導(dǎo)體材料的壽命值。35載流子的復(fù)合與壽命

——間接復(fù)合

直接復(fù)合和間接復(fù)合都是在半導(dǎo)體內(nèi)部完成的，所以統(tǒng)稱為“體內(nèi)復(fù)合”。36載流子的復(fù)合與壽命

——表面復(fù)合半導(dǎo)體表面吸附著外界空氣來(lái)的雜質(zhì)分子或原子，半導(dǎo)體表面存在著表面缺陷。這種缺陷是從體內(nèi)延伸到表面的晶格結(jié)構(gòu)上的中斷，表面原子出現(xiàn)懸空鍵，或者是半導(dǎo)體在加工過(guò)程中在表面留下的嚴(yán)重?fù)p傷或內(nèi)應(yīng)力，造成在體內(nèi)更多的缺陷和晶格畸變，這些雜質(zhì)和缺陷形成能接受或施放電子的表面能級(jí)，表面復(fù)合就是依靠表面能級(jí)對(duì)電子空穴的俘獲來(lái)進(jìn)行復(fù)合的。實(shí)際上表面復(fù)合過(guò)程屬于間接復(fù)合，此時(shí)的復(fù)合中心位于半導(dǎo)體材料的表面。37載流子的復(fù)合與壽命

——表面復(fù)合半導(dǎo)體表面表面復(fù)合中心能級(jí)E2表面復(fù)合38載流子的傳輸

——漂移半導(dǎo)體中的載流子在不停地做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有固定方向地移動(dòng)，所以半導(dǎo)體中并不產(chǎn)生電流。若在半導(dǎo)體兩端加上一個(gè)電壓，即半導(dǎo)體處于一個(gè)電場(chǎng)中，載流子在電場(chǎng)加速作用下，獲得了附加的運(yùn)動(dòng)，這就稱之為載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上晶體中加速的電子會(huì)與雜質(zhì)原子、缺陷、晶格原子相碰撞，這種碰撞會(huì)造成電子運(yùn)動(dòng)方向不斷發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱之為散射39載流子的傳輸

——漂移與遷移率遷移率是衡量半導(dǎo)體中載流子平均漂移速度的一個(gè)重要參數(shù)，其數(shù)值等于在單位電場(chǎng)作用下電子和空穴的定向運(yùn)動(dòng)速度。因此，它反映了載流子運(yùn)動(dòng)的快慢程度。

載流子的遷移率隨著溫度、摻雜濃度和缺陷濃度變化。同一種半導(dǎo)體材料，溫度升高，遷移率下降；摻雜濃度、缺陷濃度增加，遷移率同樣逐漸下降。40載流子的傳輸

——漂移與遷移率遷移率還與載流子的有效質(zhì)量有關(guān)。電子的有效質(zhì)量比空穴小，所以電子的遷移率比空穴大。遷移率是反映半導(dǎo)體中載流子導(dǎo)電能力的重要參數(shù)，摻雜半導(dǎo)體的電導(dǎo)率一方面取決于摻雜濃度，另一方面取決于遷移率的大小。41載流子的傳輸

——擴(kuò)散向半導(dǎo)體中注入非平衡載流子時(shí)，注入部分的載流子密度比其它部分高，載流子會(huì)由密度大的地方向密度小的地方遷移，這種現(xiàn)象叫做載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散的強(qiáng)弱是由載流子濃度的變化決定的，濃度梯度越大，擴(kuò)散也越容易，同時(shí)，擴(kuò)散的強(qiáng)弱還與載流子的種類、運(yùn)動(dòng)的速度以及散射的次數(shù)等有關(guān)，我們用擴(kuò)散系數(shù)來(lái)表示載流子擴(kuò)散能力的強(qiáng)弱。42載流子的傳輸

——擴(kuò)散長(zhǎng)度非平衡載流子在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷地復(fù)合而消失。結(jié)果非平衡載流子密度由注入部分開始向密度小的方向逐漸減小。在連續(xù)注入的條件下，非平衡載流子密度由大到小形成一個(gè)穩(wěn)定的分布。由注入部位到非平衡載流子密度減小到1/e數(shù)值位置之間的距離稱為載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。它也是半導(dǎo)體材料的重要參數(shù)之一。擴(kuò)散長(zhǎng)度：非平衡載流子在平均壽命時(shí)間內(nèi)經(jīng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所通過(guò)的距離。43載流子的傳輸

——擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散長(zhǎng)度距離載流子密度044PN結(jié)二極管性質(zhì)

——PN結(jié)在一塊完整的半導(dǎo)體晶體中，如果一部分是N型半導(dǎo)體，另一部分是P型半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是電子，電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)少數(shù)載流子空穴的濃度，而在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)少數(shù)載流子電子的濃度，如下圖：45PN結(jié)二極管性質(zhì)

——空間電荷區(qū)的形成過(guò)程在N型和P型半導(dǎo)體的交界面處存在有電子和空穴濃度梯度，N型區(qū)域中的電子就向P型區(qū)域滲透擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果是N型區(qū)域中鄰近P型區(qū)域一邊的薄層內(nèi)有一部分電子擴(kuò)散到N型區(qū)域中去了。由于這個(gè)薄層失去了一些電子，在N區(qū)就形成帶正電荷的區(qū)域。同樣，P型區(qū)域中鄰近N型區(qū)域一邊的薄層內(nèi)有一部分空穴擴(kuò)散到N型區(qū)域一邊去了。由于這個(gè)薄層失去了一些空穴，在P型區(qū)域就形成了帶負(fù)電荷的區(qū)域。這樣在N型區(qū)域和P型區(qū)域交界面的兩側(cè)形成了帶正，負(fù)電荷的區(qū)域，叫做空間電荷區(qū)。46PN結(jié)二極管性質(zhì)

——自建電場(chǎng)的定義空間電荷區(qū)中的正負(fù)電荷間形成電場(chǎng)。電場(chǎng)的方向是由N型區(qū)域指向P型區(qū)域，這個(gè)由于載流子濃度不均勻而引起擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)后形成的電場(chǎng)稱為自建電場(chǎng)。載流子在電場(chǎng)作用下，會(huì)產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。自建電場(chǎng)將N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散的電子接回到N區(qū)，把P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散的空穴接回到P區(qū)，由此可見(jiàn)，在空間電荷區(qū)內(nèi)，自建電場(chǎng)引起的電子和空穴漂移運(yùn)動(dòng)方向與它們各自的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向正好相反。N型P型空間電荷區(qū)47PN結(jié)二極管性質(zhì)

——PN結(jié)的形成空間電荷區(qū)也叫阻擋層，就是我們通常講的PN結(jié)。PN結(jié)是許多半導(dǎo)體組件的核心，PN結(jié)的性質(zhì)集中反映了半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的特點(diǎn)，如：存在兩種載流子，載流子有漂移、擴(kuò)散、產(chǎn)生和復(fù)合等基本運(yùn)動(dòng)的形成。所以，PN結(jié)是半導(dǎo)體組件入門的基礎(chǔ)。隨著電子和空穴的不斷擴(kuò)散，空間電荷的數(shù)量不斷增加，自建電場(chǎng)也越來(lái)越強(qiáng)，直到與載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相抵消時(shí)，就會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。48硅材料的物理化學(xué)性質(zhì)

——物理性質(zhì)及常數(shù)物理量單位數(shù)據(jù)原子序14禁帶寬度電子伏1.1530K原子量28.081.106300K晶格結(jié)構(gòu)金剛石電子遷移率厘米2/伏秒1350化學(xué)鍵共價(jià)鍵空穴遷移率厘米2/伏秒480密度g/cm32.33電子擴(kuò)散系數(shù)厘米2/伏秒34.6硬度莫氏6.5空穴擴(kuò)散系數(shù)厘米2/伏秒1213熔點(diǎn)℃1420本征電阻率歐姆厘米2.3*105熱導(dǎo)率u/㎝·k1.4介質(zhì)常數(shù)11.7熱膨脹系數(shù)cm/cm℃2.33*10-6折射率4.0-3.55λ為0.55-1.1反射率33%λ為0.4-1.149硅材料的物理化學(xué)性質(zhì)

——化學(xué)性質(zhì)硅在高溫下能與氯，氧，水蒸氣等作用，生成四氯化硅，二氧化硅。硅不溶于HCl,H2SO4,HNO3以及王水（3HCL+1HNO3），硅與HF可以發(fā)生反應(yīng)，但反應(yīng)速度比較緩慢。50硅材料的物理化學(xué)性質(zhì)

——化學(xué)性質(zhì)硅和硝酸，氫氟酸的混合液起作用

它利用濃HNO3的強(qiáng)氧化作用。使硅表面生成一層SiO2，另一方面利用HF的絡(luò)合作用，HF能與SiO2反應(yīng)生成可溶性的六氟硅酸絡(luò)合物H2[SiF6]。硅和堿相互作用生成相應(yīng)的硅酸鹽。

硅能與Cu+2,Pb+2,Ag+,Hg+2等金屬離子發(fā)生置換反應(yīng)。

51硅材料的物理化學(xué)性質(zhì)

——化學(xué)性質(zhì)