1、 同濟大學功能材料研究所蔡克峰 同濟大學功能材料研究所第一章第一章半導體中的電子過程半導體中的電子過程 同濟大學功能材料研究所內容提要本章內容主要有四個部分1、半導體材料中兩種載流子：電子和空穴，本征半導 體、 N型雜質半導體、 P型雜質半導體。2、二極管的特性。 3、雙極型三極管輸入特性曲線和輸出特性曲線4、能帶。 同濟大學功能材料研究所物質按導電性能可分為導體、絕緣體和半導體。物質的導電特性取決于原子結構。 1914年，夫蘭克和赫茲用慢電子與稀薄氣體原子碰撞的方法，使原子從低能級激發到較高能級。通過測量電子和原子碰撞時交換的能量，直接證明了原子內部量子化能級的存在。 1.1 半導體的特性半

2、導體的特性 同濟大學功能材料研究所導體導體:通常指電阻率 109 cm 物質。如SiO2、SiON、Si3N4等。能帶能隙很大，可達到9 eV，電子很難跳躍至導帶，所以無法導電。半導體半導體:導電特性處于導體和絕緣體之間，能隙一般約為 1 3 eV，只要給予適當條件的能量激發，或是改變其能隙之間距就能導電。如硅為1.12eV，鍺為0.67eV，砷化鎵為1.43eV，所以它們都是半導體。 同濟大學功能材料研究所 現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子數都是四個。把硅或鍺材料拉制成單晶體時, 原子組成金剛石晶體結構，每個原子周圍有四個最鄰近的原子，這四個原子處于正四面體的頂角上，

3、任一頂角上的原子和中心原子各貢獻一個價電子為該兩個原子所共有，并形成穩定的共價鍵結構。共價鍵夾角:10928，它有很強的結合力，使原子規則排列，形成晶體。在常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，導電能力很弱。 1.1.1 1.1.1 本征半導體本征半導體 同濟大學功能材料研究所 半導體在熱激發下產生自由電子和空穴對稱為本征激發。自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就會填補空穴，這種現象稱為復合。本征半導體中自由電子與空穴的濃度相等。對于硅材料, 在300K下，空穴的濃度為1.41010CM-3。大約溫度每升高, 本征載流子濃度ni增加 1 倍。另外半導體載流

4、子濃度還與光照等有關。 本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產生的電流。 2. 空穴移動產生的電流。 同濟大學功能材料研究所 1.1.2 雜質半導體雜質半導體 在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發生顯著變化。導體的導電性能發生顯著變化。由此制造出人們所期由此制造出人們所期望的各種性能的半導體器件。望的各種性能的半導體器件。導電性能改變的原因是導電性能改變的原因是在半導體禁帶內引入雜質能級，從價帶到導帶的躍遷在半導體禁帶內引入雜質能級，從價帶到導帶的躍遷能量大幅降低，載流子濃度大大增加。能量大幅降低，載流子濃度大大增加

5、。 T=300 K室溫下室溫下,本征硅的電子和空穴濃度本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm3本征硅的原子濃度本征硅的原子濃度: 4.961022/cm3 依據雜質不同可分為依據雜質不同可分為N 型半導體型半導體和和P 型半導體型半導體兩種。兩種。 同濟大學功能材料研究所 本征半導體硅中摻入少量的 5 價元素磷、砷、銻等。原來晶體中的某些硅原子位置將被雜質原子代替。磷原子最外層有 5 個價電子，其中 4 個與硅構成共價鍵，多余一個電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子，而磷原子就成了不能移動帶正電的離子。在N 型半導體中自由電子濃度遠大于空穴濃度。一、一、N 型

6、半導體型半導體 同濟大學功能材料研究所 在本征半導體硅中摻入少量的 3 價元素硼。原來晶體中的某些硅原子位置將被硼原子代替。硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴可能吸引鄰近的束縛電子來填補，相當于空穴電流向另一方向移動。硼原子為不能移動的帶負電的離子。二、二、P 型半導體型半導體 同濟大學功能材料研究所 同濟大學功能材料研究所 同濟大學功能材料研究所用熱電材料制成的器件 同濟大學功能材料研究所導電高分子材料的導電機理 碘分子從聚乙炔抽取一個電子形成I3，聚乙炔分子形成帶正電荷的自由基陽離子，在外加電場作用下雙鍵上的電子可以非常容易地移動，結果使雙鍵

7、可以成功地延著分子移動，實現其導電能力。 同濟大學功能材料研究所三、雜質半導體特性三、雜質半導體特性無論是N型或P型半導體，從總體上仍然保持著電中性。1）摻雜特性：摻雜可明顯改變半導體的電導率，對不同區域的半導體材料進行不同類型和濃度摻雜，可以形成各類晶體管，制造出各種不同的半導體器件。2）熱敏特性：半導體受熱時，其導電能力發生顯著變化。利用它可制成熱敏器件。3）光敏特性：光照可改變半導體的電導率。利用它可以制成光敏電阻、光電晶體管、光電耦合器 等。4）金屬與摻雜半導體材料接觸，形成肖特基二極管、金屬-半導體場效應管、高電子遷移率晶體管等器件。 同濟大學功能材料研究所物理性質： 原子序數:14

8、，相對原子量:28.09，有無定形和晶體兩種同素異形體。晶體硅鋼灰色，無定形硅黑色，密度密度2.33g/cm3 ，熔點1420，沸點2355，莫氏硬度為7 。晶格常數0.543089nm，原子密度5.001022，共價半徑： 0.117nm。化學性質： 硅在常溫下不活潑。但可與氫氟酸及其混合酸反應，生成SiF4或H2SiF6 。在高溫下能與氧氣等多種元素化合。硅的性質硅的性質 同濟大學功能材料研究所硅的制備硅的制備 工業上，硅通常是在電爐中由碳還原二氧化硅而制得。化學反應方程式： SiO2 + 2C Si + 2CO 這樣制得的硅純度為9798%。再將它融化后重結晶，用酸除去雜質，得到純度為9

9、9.799.8%的硅。 要將它指成半導體用硅，還要將其轉化成易于提純的液體或氣體形式，如四氯化硅，再經蒸餾分解過程得到多晶硅。區熔提純等處理方法可得到高純度的硅。 同濟大學功能材料研究所SiCl4 + 2H2 Si + 4HCl (1)C1000圖圖1 SiNWs擬制備系統示意圖（擬制備系統示意圖（VLS機制）機制） 原料：原料：SiCl4（沸點（沸點57.6 ）液體、）液體、Ar-5%H2混合氣混合氣溫度：溫度： 0 （SiCl4，冰水浴）、，冰水浴）、1000 （馬弗爐）（馬弗爐）初始抽真空：初始抽真空：1次或次或10次次反應時間：反應時間：10、15、30、60 min基板：基板：Si

10、(111) 基板、石英（基板、石英（SiO2）基板）基板 同濟大學功能材料研究所 同濟大學功能材料研究所 1.2.1 PN 1.2.1 PN 結及其單向導電性結及其單向導電性在完整的晶體上，利用摻雜方法使晶體內部形成相鄰的P型半導體型半導體 區和 N型半導體型半導體 區，在這兩個區的交界面處就形成了的 PN結。結。 1.2 半導體二極管半導體二極管濃度差濃度差 多子的擴散運動多子的擴散運動由由雜質離子形成空間電荷區雜質離子形成空間電荷區 空間電荷區形成內電場空間電荷區形成內電場 內電場促使少子漂移內電場促使少子漂移 內電場阻止多子擴散內電場阻止多子擴散 最后最后,多子的多子的擴散擴散和少子的和

11、少子的漂移漂移達到達到動態平衡動態平衡。 同濟大學功能材料研究所 同濟大學功能材料研究所 同濟大學功能材料研究所 同濟大學功能材料研究所 同濟大學功能材料研究所一、平衡狀態的PN結擴散運動： 由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。擴散的結果是使空間電荷區逐漸加寬。 形成耗盡層和PN 結。漂移運動： 空間電荷區產生內電場，內電場阻止多子的進一步擴散，在內電場作用下引起的載流子向擴散相反方向的運動。內電場越強，漂移運動也越強，漂移運動將使空間電荷區變薄。 同濟大學功能材料研究所PN結的動態平衡 擴散運動使空間電荷區增大，擴散電流逐漸減小；隨著內電場的增強，漂移運動逐漸增加；當擴散電流與漂移

12、電流相等時，PN 結總的電流等于零，空間電荷區的寬度達到穩定。 空間電荷區的寬度約為零點幾微米 幾十微米； 硅內電場，約為(0.6 0.8) V, 鍺內電場，約為(0.2 0.3) V。 同濟大學功能材料研究所 電源正極接P區，負極接N區 外電場的方向與內電場方向相反。PN結加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現低電阻， PN結導通； 外電場削弱內電場耗盡層變窄擴散運動漂移運動多子擴散形成正向電流二、二、 PNPN結結的正偏的正偏 同濟大學功能材料研究所電源正極接N區，負極接P區 外電場的方向與內電場方向相同。 PN結加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現高電阻， PN結截止。 外電場

13、加強內電場耗盡層變寬漂移運動擴散運動少子漂移形成反向電流三、三、 PN結的反偏結的反偏 同濟大學功能材料研究所 1.2.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性一、二極管的結構：將 PN 結封裝在塑料、玻璃或金屬外殼里，再從 P 區和 N 區分別焊出兩根引線作正、負極。點接觸型：點接觸型管子中不允許通過較大的電流，因結電容小，可在高頻下工作。面接觸型：面接觸型二極管 PN 結的面積大，允許流過的電流大，但只能在較低頻率下工作。二極管的電路二極管的電路符號符號 同濟大學功能材料研究所二、二極管的伏安特性二、二極管的伏安特性正向特性： 當正向電壓比較小時，正向電流很小，幾乎為零。相應的電壓叫死區電壓。

14、它與材料和溫度有關，硅管約 0.5 V 左右，鍺管約 0.1 V 左右。當正向電壓超過死區電壓后，隨著電壓的升高，正向電流迅速增大。 同濟大學功能材料研究所反向特性： 二極管加反向電壓，反向電流很小。當電壓超過零點幾伏后，反向電流就不隨電壓增加而增大，達到飽和，反向飽和電流很小，A級。如果反向電壓繼續升高，大到一定數值時，反向電流會突然增大。IS：二極管反向飽和電流； q：電子電荷1.6*10-19C k：T：熱力學溫度； V：加到二極管兩端的電壓； 玻爾茲曼常數1.381*10-23J/K； 同濟大學功能材料研究所 二極管加正向電壓時導通，伏安特性很陡，壓降很小（硅管：0.7V，鍺管0.3V

15、），可以近似看作是一個閉合的開關。二極管加反向電壓時截止，截止后的伏安特性具有飽和特性（反向電流幾乎不隨反向電壓的增大而增大）且反向電流很小（nA級），可以近似看作是一個斷打開的開關。 同濟大學功能材料研究所溫度特性： 二極管的特性對溫度很敏感, 溫度升高, 正向特性曲線向左移, 反向特性曲線向下移。 其規律是：在室溫附近, 在同一電流下, 溫度每升高, 正向壓降減小-.V；溫度每升高, 反向電流約增大 1 倍。 同濟大學功能材料研究所擊穿特性擊穿特性 當反向電壓超過反向擊穿電壓UB時，反向電流將急劇增大，而PN結的反向電壓值卻變化不大，此現象稱為PN結的反向擊穿。雪崩擊穿：反向電壓較高（U6

16、V），PN結中內電場較強，參加漂移的載流子受到加速，與中性原子相碰，使價電子受激發產生新的電子空穴對，它們也被加速。形成鏈式反應，載流子濃度和反向電流驟增。從能帶觀點來看，就是高能量的電子和空穴把價帶中的電子激發到導帶，產生了劇增的電子空穴對。 同濟大學功能材料研究所齊納擊穿：齊納擊穿： 對摻雜濃度高的半導體，PN結的耗盡層很薄，只要加入不大的反向電壓（U 0；在齊納擊穿時：；在齊納擊穿時： U 0。擊穿值在擊穿值在6 V 左右左右 U 比較小，性能也比較穩定。比較小，性能也比較穩定。3、動態電阻動態電阻：4、穩定電流穩定電流IZ：使穩壓管正常工作時的參考電流：使穩壓管正常工作時的參考電流5、

17、最大允許功耗最大允許功耗：ZZIUZr 同濟大學功能材料研究所發光二極管發光二極管 Light Emitting Diode 二極管加正偏壓，電流使結面電子返回價帶，和空穴復合放出能量而發光。其波長與半導體材料有關，紅、黃、綠光主要是以InGaAlP材料為主，而藍、綠光則是以InGaN材料為主。 兩邊材料禁帶比中間寬的雙異質結，可以有效地將雙邊載流子注入到中間層，而產生非常高的光電轉換效能。當中間層厚度縮小到數10埃時，即產生量子阱效應，可大幅提高光電轉換系數。 同濟大學功能材料研究所LEDLED結構示意圖結構示意圖 同濟大學功能材料研究所 同濟大學功能材料研究所 1.3.1 三極管的結構三極

18、管的結構 1.3 雙極型三極管雙極型三極管工藝：在 N 型硅片(集電區)氧化膜上刻一個窗口，將硼雜質進行擴散形成 P 型(基區)，基區做的很薄（微米甚至納米數量級）；再在 P 型區上刻窗口，將磷雜質進行擴散，形成N型的發射區，發射區的摻雜濃度遠遠高于基區和集電區。再引出三個電極。 同濟大學功能材料研究所三極管分類三極管分類按內部結構分：按內部結構分：NPN型和型和PNP型管；型管；按工作頻率分：按工作頻率分：低頻和高頻管；低頻和高頻管；按功率分：按功率分：小功率和大功率管；小功率和大功率管；按用途分：按用途分：普通管和開關管；普通管和開關管；按半導體材料分：按半導體材料分：鍺管和硅管等等。鍺管

19、和硅管等等。 同濟大學功能材料研究所 1.3.2 1.3.2 三極管的放大作用和載流子的運動三極管的放大作用和載流子的運動發射結正偏發射結正偏, ,集電結反偏集電結反偏發射：高摻雜發射區大量電子注入到基區，形成電子電流IE ；復合和擴散：注入到基區的電子，成為基區的非平衡少子，有少部分的電子與基區中的多子空穴復合、形成基極電流IB，其余繼續向集電結方向擴散 ；收集：大部分電子到達集電結邊界，并在集電結電場吸引作用下，漂移到集電區，被集電極收集，形成集電極電流IC。 同濟大學功能材料研究所三極管內載流子的傳輸過程2.電子在基區中的擴散與復合3.集電區收集擴散過來的電子另外,基區集電區本身存在的少

20、子，在集電結上存在漂移運動，由此形成電流ICBO三極管內有兩種載流子參與導電，故稱此種三極管為雙極型三極管，記為BJT1.發射區向基區注入電子 同濟大學功能材料研究所IE=IBIC三極管三個電極間的分配關系IE=IBNICNIB=IBNICBOIC=ICNICBO 同濟大學功能材料研究所直流參數 交流參數 、 的含義是不同的，但是，對于大多數三極管來說， 與 ， 與 的數值卻差別不大，計算中，可不將它們嚴格區分。 、 共射電流放大系數BCII ECII 共基電流放大系數三極管的電流分配關系BC IIBCEIIIBE )1 (II 若兩個PN結對接，相當基區很厚，將沒有電流放大作用，基區從厚變薄，兩個PN結演變為三極管，發射區摻雜濃度高，基區摻雜濃度較低且很薄，是三極管能夠實現電流放大的關鍵。 同濟大學功能材料研究所 1.3.3 1.3.3 三極管的主要參數三極管的主要參數共射直流電流放大倍數：BCII_工作于動態的三極管，信號是疊加在直流上的交流信號。基極電流的變化量為IB，相應的集電極電流變化為IC則交流電流放大倍數為：BIIC 同濟大學功能材料研究所與間的關系 同濟大學功能材料研究所 1.3.51.3.5PNP PNP 型三極