第二章半導(dǎo)體及其本征特征

第二章半導(dǎo)體物理和器件物理基礎(chǔ)Recap:主要知識(shí)點(diǎn)和閱讀章節(jié)1、半導(dǎo)體材料基本特性2、pn結(jié)3、雙極晶體管4、場(chǎng)效應(yīng)管閱讀教材第二章閱讀康華光《電子技術(shù)基礎(chǔ)-模擬部分（第五版）》第1、2、3、4、5章.參考教材：[1]童詩白,華成英(著).模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006.[2]康華光(著).電子技術(shù)基礎(chǔ):模擬部分(第五版))[M].北京:高等教育出版社,2010.第一講半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)2.1半導(dǎo)體及其基本性質(zhì)2.2半導(dǎo)體中的載流子2.3半導(dǎo)體的電導(dǎo)率（電阻率的倒數(shù)）和載流子輸運(yùn)固體材料：超導(dǎo)體:大于106(cm)-1

導(dǎo)體:106~104(cm)-1

半導(dǎo)體:104~10-10(cm)-1

絕緣體:小于10-10(cm)-1？什么是半導(dǎo)體從導(dǎo)電特性和機(jī)制來分：不同電阻特性不同輸運(yùn)機(jī)制1.半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵形成的晶體結(jié)構(gòu)：構(gòu)成一個(gè)正四面體，具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)合和晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體有元素半導(dǎo)體，如：Si、Ge

化合物半導(dǎo)體，如：GaAs、InSb、GaP、InP2.半導(dǎo)體中的載流子：能夠?qū)щ姷淖杂闪Ｗ颖菊靼雽?dǎo)體：n=p=ni一、本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外層電子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。絕緣體－－惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價(jià)元素，它們?cè)拥淖钔鈱与娮邮茉雍说氖`力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱為空穴

自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱為復(fù)合。共價(jià)鍵一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對(duì)的濃度加大。動(dòng)態(tài)平衡兩種載流子

外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動(dòng)方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。為什么要將半導(dǎo)體變成導(dǎo)電性很差的本征半導(dǎo)體？3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子。溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。熱力學(xué)溫度0K時(shí)不導(dǎo)電。電子：Electron，帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的自由電子，對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子空穴：Hole，帶正電的導(dǎo)電載流子，是價(jià)電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對(duì)應(yīng)于價(jià)帶中的電子空位4、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度在一定溫度下本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度公式：T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.43×1010/cm3本征鍺的電子和空穴濃度:

n=p=2.38×1013/cm3本征激發(fā)復(fù)合動(dòng)態(tài)平衡1.半導(dǎo)體中兩種載流子帶負(fù)電的自由電子帶正電的空穴

2.本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，稱為電子-空穴對(duì)。

3.本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的濃度用ni

和pi

表示，顯然ni

=pi。

4.由于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)會(huì)達(dá)到平衡，載流子的濃度就一定了。

5.載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。小結(jié)：3.半導(dǎo)體的能帶(價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙)量子態(tài)和能級(jí)固體的能帶結(jié)構(gòu)原子能級(jí)能帶能帶禁帶共價(jià)鍵固體中價(jià)電子的量子態(tài)和能級(jí)共價(jià)鍵固體：成鍵態(tài)、反鍵態(tài)原子能級(jí)反成鍵態(tài)成鍵態(tài)價(jià)帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導(dǎo)帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶價(jià)帶Eg半導(dǎo)體中載流子的行為可以等效為自由粒子，但與真空中的自由粒子不同，考慮了晶格作用后的等效粒子有效質(zhì)量可正、可負(fù)，取決于與晶格的作用電子和空穴的有效質(zhì)量m*4.半導(dǎo)體的摻雜BAs

受主摻雜

施主摻雜二、雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.N型半導(dǎo)體磷（P）雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多了？少了？為什么？2.P型半導(dǎo)體硼（B）多數(shù)載流子

P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)。

在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時(shí)，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？說明：

1.摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。3.雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。

4.雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。

2.雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。(a)N型半導(dǎo)體(b)P型半導(dǎo)體圖雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡(jiǎn)化表示法施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如

Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如

Si中摻的B施主能級(jí)受主能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)：雜質(zhì)可以使電子在其周圍運(yùn)動(dòng)形成量子態(tài)施主能級(jí)導(dǎo)帶電離能受主能級(jí)價(jià)帶本征載流子濃度：n=p=ni

np=ni2

ni與禁帶寬度和溫度有關(guān)5.本征載流子本征半導(dǎo)體：沒有摻雜的半導(dǎo)體本征載流子：本征半導(dǎo)體中的載流子載流子濃度

電子濃度n,

空穴濃度p6.非本征半導(dǎo)體的載流子在非本征情形:熱平衡時(shí):N型半導(dǎo)體：n大于pP型半導(dǎo)體：p大于n多子：多數(shù)載流子

n型半導(dǎo)體：電子

p型半導(dǎo)體：空穴少子：少數(shù)載流子

n型半導(dǎo)體：空穴

p型半導(dǎo)體：電子7.電中性條件:正負(fù)電荷之和為0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互補(bǔ)償p=n+Na–Ndn=p+Nd–Nan型半導(dǎo)體：電子nNd

空穴pni2/Ndp型半導(dǎo)體：空穴pNa

電子

nni2/Na8.過剩載流子由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過剩載流子公式不成立載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電子和空穴增加和消失的過程電子空穴對(duì)：電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生或復(fù)合9.載流子的輸運(yùn)漂移電流遷移率電阻率單位電場(chǎng)作用下載流子獲得平均速度反映了載流子在電場(chǎng)作用下輸運(yùn)能力

載流子的漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)

引入遷移率的概念影響遷移率的因素影響遷移率的因素：有效質(zhì)量平均弛豫時(shí)間（散射〕體現(xiàn)在：溫度和摻雜濃度半導(dǎo)體中載流子的散射機(jī)制：晶格散射（熱運(yùn)動(dòng)引起）電離雜質(zhì)散射擴(kuò)散電流電子擴(kuò)散電流：空穴擴(kuò)散電流：愛因斯坦關(guān)系:載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子在化學(xué)勢(shì)作用下運(yùn)動(dòng)過剩載流子的擴(kuò)散和復(fù)合過剩載流子的復(fù)合機(jī)制：直接復(fù)合、間接復(fù)合、表面復(fù)合、俄歇復(fù)合過剩載流子的擴(kuò)散過程擴(kuò)散長(zhǎng)度Ln和Lp:L=(D)1/2描述半導(dǎo)體器件工作的基本方程泊松方程高斯定律描述半導(dǎo)體中靜電勢(shì)的變化規(guī)律靜電勢(shì)由本征費(fèi)米能級(jí)Ei的變化決定能帶向下彎，靜電勢(shì)增加方程的形式1方程的形式2電荷密度(x)可動(dòng)的－載流子（n,p)固定的－電離的施主、受主特例：均勻Si中，無外加偏壓時(shí)，方程RHS＝0，靜電勢(shì)為常數(shù)電流連續(xù)方程可動(dòng)載流子的守恒熱平衡時(shí)：產(chǎn)生率＝復(fù)合率np=ni2電子：空穴電流密度方程載流子的輸運(yùn)方程在漂移－擴(kuò)散模型中擴(kuò)散項(xiàng)漂移項(xiàng)方程形式1愛因