第二章 半导体物理基础ppt课件.ppt

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1、第二章半导体物理基础2§2.1半导体物理基础知识§2.2PN结与半导体二极管2.1.1、本征半导体(IntrinsicSemiconductor)固体材料分为晶体非晶体本征半导体是晶格完整（金刚石结构）、纯净（无杂质）的半导体。§2.1半导体物理基础知识1、硅、锗原子的简化模型半导体元素：均为四价元素半导体结构的描述两种理论体系共价键结构能级能带结构共价键结构（平面图）2、半导体中的载流子载流子(Carrier)指半导体结构中获得运动能量的带电粒子。有温度环境就有载流子。绝对零度（-2730C）时晶体中无自由电子。热激发（本征激发）本征激发和温

2、度有关会成对产生电子空穴对---自由电子(FreeElectron)---空穴(Hole)两种载流子（带电粒子）是半导体的重要概念。本征激发与复合一分为二本征激发复合合二为一本征半导体导电能力本征（热平衡）载流子浓度ni=pi=AT3/2e-Ego/2kT其中：ni-----自由电子浓度；pi---------空穴浓度；A----与材料有关的常数；T------热力学温度Ego-----T=0K时禁带宽度；k----波尔兹曼常数计算实例锗（Ge）原子密度为4.4×1022cm-3Ni=pi=2.38×1013cm-3硅（Si)原子密度为5×102

3、2cm-3Ni=pi=1.43×1010cm-32.1.2杂质半导体(ImpuritySemiconductor)杂质半导体：在纯净半导体中掺入杂质所形成。杂质半导体分两大类：N型(Ntype)半导体P型(Ptype)半导体1、N型半导体施主杂质(Donorimpurities)：掺入五价元素，如磷(P)、砷(As)、锑(Sb)。正离子状态：失去多余电子后束缚在晶格内不能移动。图示：N型半导体结构示意图N型半导体N型半导体：电子型半导体多子(Majority)：自由电子(FreeElectron)少子(Minority)：空穴(Hole)电中性N

4、型半导体：自由电子数=空穴数+施主杂质数2、P型半导体受主杂质(Acceptorimpurities)：掺入三价元素，如硼(B)、铝(Al)、铟(In)。负离子状态：易接受其它自由电子。图示：P型半导体结构示意图P型半导体P型半导体：空穴型半导体多子(Majority)：空穴(Hole)少子(Minority：自由电子(FreeElectron)电中性P型半导体：空穴数=自由电子数+受主杂质数2.1.3、杂质半导体的载流子浓度对N型半导体nn·pn=ni2其中：nn为多子,pn为少子ni2为本征半导体浓度N型半导体的多子浓度和少子浓度多子浓度nn

5、≈Nd少子浓度pn=ni2/nn≈ni2/Nd其中nn≈Nd（施主杂质浓度）P型半导体pp·np=ni2其中:pp为多子,np为少子ni2为本征半导体浓度P型半导体的多子浓度和少子浓度多子浓度pp≈Na少子浓度np=ni2/Pp≈ni2/Na其中Pp≈Na（受主杂质浓度）得出结论杂质半导体少子浓度主要由本征激发（Ni2）决定的（和温度有关）杂质半导体多子浓度由搀杂浓度决定（是固定的）2.1.4半导体中的电流半导体中有两种电流漂移电流(DriftCurrent)扩散电流(DiffusionCurrent)1、载流子的漂移运动漂移运动(DriftMo

6、tion)是由电场力引起的载流子定向运动漂移电流I=In+Ip其中In为电子流，Ip为空穴流In和Ip的方向是一致的。漂移电流的大小由半导体载流子浓度、迁移速度以及外加电场强度等因素所决定。2、扩散电流扩散电流是由于载流子浓度不均匀（浓度梯度）所造成的。空穴电流Ip=-qADpdp/dx电子电流In=qADndn/dx其中Dp---扩散系数（空穴）Dn----扩散系数（电子）A----截面积扩散电流由上式可见扩散电流正比于浓度分布线上某点处的斜率dn(x)/dx或dp(x)/dx(假设x方向）。扩散电流与浓度本身无关。电流方向空穴扩散电流I的方向

7、与扩散运动方向一致，而电子扩散电流I的方向与扩散运动方向相反。所以总电流方向仍然一致。思考题与习题导体、半导体和绝缘体的区别和在电子线路以及集成电路制造中的作用？说明半导体材料的三大特性及其应用解释本征半导体、杂质半导体的区别？解释N型半导体与P型半导体的区别？为什么说这两种半导体仍然对外呈电中性？解释杂质半导体的多子浓度和少子浓度各由何种因素决定的？解释漂移电流和扩散电流的构成？为何说总电流方向仍然是一致的？§2.2PN结与半导体二极管PN结是构成半导体器件的核心结构。PN结是指使用半导体工艺使N型和P型半导体结合处所形成的特殊结构。PN结是半

8、导体器件的心脏。2.2.1PN结的形成PN结形成“三步曲”（1）多数载流子的扩散运动。（2）空间电荷区和少数载流子的漂移运动。（3）扩散