半導體簡易原理1ppt課件什么是半導體按固體的導電能力區分，可以區分為導體、半導體和絕緣體表1.1導體、半導體和絕緣體的電阻率范圍材料導體半導體絕緣體電阻率ρ(Ωcm)＜10-310-3～109＞1092

半導體具有一些重要特性，主要包括：溫度升高使半導體導電能力增強，電阻率下降如室溫附近的純硅(Si)，溫度每增加8℃，電阻率相應地降低50%左右微量雜質含量可以顯著改變半導體的導電能力以純硅中每100萬個硅原子摻進一個Ⅴ族雜質（比如磷）為例，這時硅的純度仍高達99.9999%，但電阻率在室溫下卻由大約214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下適當波長的光照可以改變半導體的導電能力如在絕緣襯底上制備的硫化鎘(CdS)薄膜，無光照時的電阻為幾十MΩ，當受光照后電阻值可以下降為幾十KΩ此外，半導體的導電能力還隨電場、磁場等的作用而改變3ppt課件固體類型半導體的晶體結構一、晶體的基本知識長期以來將固體分為：晶體和非晶體。晶體的基本特點：具有一定的外形和固定的熔點，組成晶體的原子（或離子）在較大的范圍內（至少是微米量級）是按一定的方式有規則的排列而成－－長程有序。（如Si，Ge，GaAs）非晶體（無定型）多晶單晶4ppt課件空間晶格晶體是由原子周期性重復排列構成的，整個晶體就像網格，稱為晶格，組成晶體的原子(或離子)的重心位置稱為格點，格點的總體稱為點陣。5ppt課件空間晶格晶胞和原胞原胞＿可以形成晶體的最小的晶胞廣義三維晶胞的表示方法：晶胞和晶格的關系6固體中的缺陷和雜質晶格振動點缺陷（空位和填隙）線缺陷7ppt課件固體中的缺陷和雜質替位式雜質填隙式雜質8ppt課件固體中的缺陷和雜質摻雜為了改變半導體的導電性而向其中加入雜質的技術．高溫擴散１０００度離子注入50kev損傷與退火9ppt課件允帶與禁帶能級分裂為能帶外層先分裂允帶和禁帶r0平衡時的距離r0處存在能量的允帶準連續分布10ppt課件允帶與禁帶簡約布里淵區

(a)E(k)~k/2π關系(b)能帶(c)第一布里淵區圖

晶體中電子的E(k)~k/2π關系/2π/2π11ppt課件固體中電的傳導

能帶和鍵模型本征激發：共價鍵上的電子激發成為準自由電子，也就是價帶電子激發成為導帶電子的過程。本征激發的特點：成對的產生導帶電子和價帶空穴。12ppt課件固體中電的傳導

能帶和鍵模型在圖(a)中，A點的狀態和a點的狀態完全相同，也就是由布里淵區一邊運動出去的電子在另一邊同時補充進來，因此電子的運動并不改變布里淵區內電子分布情況和能量狀態，所以滿帶電子即使存在電場也不導電。但對于圖(b)的半滿帶，在外電場的作用下電子的運動改變了布里淵區內電子的分布情況和能量狀態，電子吸收能量以后躍遷到未被電子占據的能級上去了，因此半滿帶中的電子在外電場的作用下可以參與導電。

滿帶與半滿帶滿帶=價帶半滿帶=導帶13ppt課件固體中電的傳導

能帶和鍵模型

(a)T=0K(b)T>0K(c)簡化能帶圖T=0K的半導體能帶見圖(a)，這時半導體的價帶是滿帶，而導帶是空帶，所以半導體不導電。當溫度升高或在其它外界因素作用下，原先空著的導帶變為半滿帶，而價帶頂附近同時出現了一些空的量子態也成為半滿帶，這時導帶和價帶中的電子都可以參與導電，見圖(b)。常溫下半導體價帶中已有不少電子被激發到導帶中，因而具備一定的導電能力。圖(c)是最常用的簡化能帶圖。半導體的能帶

14ppt課件統計力學在一定溫度下，半導體中的大量電子不停地作無規則熱運動，從一個電子來看，它所具有的能量時大時小，經常變化。但是，從大量電子的整體來看，在熱平衡狀態下，電子按能量大小具有一定的統計分布規律性，即電子在不同能量的量子態上統計分布幾率是一定的。15ppt課件統計力學——費米分布函數

熱平衡條件下半導體中電子按能量大小服從一定的統計分布規律。能量為E的一個量子態被一個電子占據的幾率為據上式，能量比EF高5kT的量子態被電子占據的幾率僅為0.7%；而能量比EF低5kT的量子態被電子占據的幾率高達99.3%。

fF(E)表示能量為E的量子態被電子占據的幾率，那么1-fF(E)就是能量為E的量子態不被電子占據的幾率，也就是被空穴占據的幾率。16ppt課件費米概率函數理想情況，能量小于EF的能級被電子占據的概率為１能量E>EfE<EfE=Ef概率＝０

１1/217費米能級ＥF有一定溫度時T>018ppt課件玻爾茲曼分布函數費米分布函數中，若E-EF>>kT，則分母中的1可以忽略，此時上式就是電子的玻耳茲曼分布函數。同理，當EF-E>>kT時，上式轉化為下面的空穴玻耳茲曼分布19ppt課件費米能級費米能級標志了電子填充能級的水平。半導體中常見的是費米能級EF位于禁帶之中，并且滿足Ec-EF>>kT或EF-Ev>>kT的條件。因此對導帶或價帶中所有量子態來說，電子或空穴都可以用玻耳茲曼統計分布描述。由于分布幾率隨能量呈指數衰減，因此導帶絕大部分電子分布在導帶底附近，價帶絕大部分空穴分布在價帶頂附近，即起作用的載流子都在能帶極值附近。20ppt課件本征半導體中究竟有多少電子和空穴？n0表示導帶中平衡電子濃度p0表示價帶中平衡空穴濃度本征半導體中有：n0=p0=nini為本征載流子濃度ni的大小與什么因素有關？T、Eg21ppt課件半導體中載流子

電子空穴的平衡分布導帶電子濃度與價帶空穴濃度要計算半導體中的導帶電子濃度，必須先要知道導帶中能量間隔內有多少個量子態。又因為這些量子態上并不是全部被電子占據，因此還要知道能量為E的量子態被電子占據的幾率是多少。將兩者相乘后除以體積就得到區間的電子濃度，然后再由導帶底至導帶頂積分就得到了導帶的電子濃度。導帶電子的分布價帶空穴的分布22ppt課件摻雜原子與能級定性描述間隙式雜質，替位式雜質雜質進入半導體后可以存在于晶格原子之間的間隙位置上，稱為間隙式雜質，間隙式雜質原子一般較小。也可以取代晶格原子而位于格點上，稱為替（代）位式雜質，替位式雜質通常與被取代的晶格原子大小比較接近而且電子殼層結構也相似。圖

替位式雜質和間隙式雜質

Ⅲ、Ⅴ族元素摻入Ⅳ族的Si或Ge中形成替位式雜質，用單位體積中的雜質原子數，也就是雜質濃度來定量描述雜質含量多少，雜質濃度的單位為1/cm3

。非本征半導體：摻雜半導體23ppt課件摻雜原子與能級施主雜質摻入５價的磷原子24ppt課件摻雜原子與能級施主雜質以Si中摻入V族元素磷(P)為例：當有五個價電子的磷原子取代Si原子而位于格點上時，磷原子五個價電子中的四個與周圍的四個Si原子組成四個共價鍵，還多出一個價電子，磷原子所在處也多余一個稱為正電中心磷離子的正電荷。多余的這個電子被正電中心磷離子所吸引只能在其周圍運動，不過這種吸引要遠弱于共價鍵的束縛，只需很小的能量就可以使其掙脫束縛，形成能在整個晶體中“自由”運動的導電電子。而正電中心磷離子被晶格所束縛，不能運動。25ppt課件摻雜原子與能級受主雜質摻入３價的硼原子26ppt課件摻雜原子與能級受主雜質以Si中摻入Ⅲ族元素硼(B)為例：硼只有三個價電子，為與周圍四個Si原子形成四個共價鍵，必須從附近的Si原子共價鍵中奪取一個電子，這樣硼原子就多出一個電子，形成負電中心硼離子，同時在Si的共價鍵中產生了一個空穴。這個被負電中心硼離子依靠靜電引力束縛的空穴還不是自由的，不能參加導電，但這種束縛作用同樣很弱，很小的能量ΔEA就使其成為可以“自由”運動的導電空穴。而負電中心硼離子被晶格所束縛，不能運動。27ppt課件摻雜原子與能級施主能級受主能級摻入施主雜質的半導體，施主能級Ed上的電子獲得能量ΔEd后由束縛態躍遷到導帶成為導電電子，因此施主能級Ed位于比導帶底Ec低ΔEd的禁帶中，且ΔEd<<Eg。對于摻入Ⅲ族元素的半導體，被受主雜質束縛的空穴能量狀態(稱為受主能級Ea)位于比價帶頂Ev低ΔEa的禁帶中,ΔEa<<Eg，當受主能級上的空穴得到能量ΔEa后，就從受主的束縛態躍遷到價帶成為導電空穴。

(a)施主能級和施主電離(b)受主能級和受主電離圖

雜質能級和雜質電離28ppt課件費米能級的位置n型和p型29ppt課件費米能級的位置與摻雜濃度的關系30ppt課件pn結的基本結構冶金結＿P區和n區的交界面突變結線性緩變結超突變結突變結＿均勻分布，交界處突變31ppt課件pn結的基本結構空間電荷區＝耗盡區（沒有可自由移動的凈電荷，高阻區）PN結的形成32ppt課件零偏內建電勢差pn結能帶圖33ppt課件內建電勢差零偏內建電勢差34ppt課件pn結電流定性描述35ppt課件pn結電流理想電流電壓關系理想關系Js稱為反向飽和電流密度36ppt課件pn結電流理想電流電壓