微电子第二章 集成器件物理基础2

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1、2.2半导体的导电性2.2.1本征半导体2.2.2非本征载流子2.2.3半导体中的漂移电流2.2.4半导体中的扩散电流2.2.5半导体中的电流2.2.6半导体基本方程2.2.1本征半导体1、产生和复合的动态平衡在一定温度下,由于热激发在半导体中将产生一定数量的自由电子-空穴对,这种过程称为“产生”。按共价键观点,空穴实际上是共价键上的空位,因此当自由电子在运动中与空穴相遇时,自由电子可能又回到共价键的空位上,从而同时消失了一对电子和空穴,这种过程称为“复合”。从能带的观点看,相当于导带中的自由电子又放出能量后跌回到价带中填补一个空位。显然,如果晶体中的自由电子和空穴的

2、数目越多,则复合作用就越强,使半导体内的电子空穴对不会因为产生作用而越来越多,而是在一定温度下会达到单位时间内产生和复合载流子数相等这样一种情况。这时半导体内自由电子和空穴数就不再增多也不再减少,而是保持一个确定的浓度。这时半导体所处的状态为“动态平衡状态”。+4+4+4+42.2.1本征半导体2、本征载流子浓度（1）本征载流子平衡时本征半导体内的载流子称为“本征载流子”。通常用和分别表示平衡时本征半导体内的自由电子浓度和空穴浓度。由于本征半导体中电子空穴是成对产生也成对复合，因此它们的浓度必定相等。即2.2.1本征半导体2、本征载流子浓度(2)本征载流子浓度与温度的

3、关系由理论分析可得，对各种半导体材都有（2.4）是与材料类型有关的系数，对于Si，，为该材料的禁带宽度。图2.9表示了主要半导体材料本征载流子浓度与温度的关系。2.2.1本征半导体2、本征载流子浓度(2)本征载流子浓度与温度的关系在室温下硅、锗和砷化镓的本征载流子浓度分别为2.2.1本征半导体2、本征载流子浓度(2)本征载流子浓度与温度的关系图中纵坐标是对数到度，因此，随着温度的升高，本征载流子浓度呈指数增加。这是半导体材料导电特性的一个重要特点。例如，在室温附近，对于纯Si材料，温度每升高11℃本征载流子浓度将增加一倍。2.2.2非本征载流子半导体材料导电特性的另一

4、个重要特点是在纯净半导体中加入杂质后,半导体的导电性将发生很大变化。通常将掺杂的半导体称为非本征半导体,又叫杂质半导体。以硅为例,对其导电性有影响的主要是三族和五族元素的原子,它们加入硅单晶后将会使空穴和电子的浓度发生很大的变化。2.2.2非本征载流子1.N型半导体如果掺入的是有五个价电子的五价元素原子,就得到如图2.10(a)所示的晶体结构。杂质电子将置换晶体中的某些硅原子。五个价电子中的四个与周围原子形成共价键,而第五个价电子由于不在共价键上,受到的束缚很弱,将起载流子的作用。第五个电子脱离原子束缚所需能量很低,对于硅,只有0.05eV的数量级。通常,向硅中掺入的

5、五价杂质有磷(P)、锑(Sb)和砷(As)。这类杂质提供了带负电(Negative)的电子载流子,故称它们为施主杂质或N型杂质。如果半导体中N型杂质居多,则称该半导体为N型半导体。此时电子浓度和空穴浓度呈现什么样变化2.2.2非本征载流子+4+4+5+4多余电子磷原子2.2.2非本征载流子2.P型半导体如果将三价元素[例如硼(B)、镓(Ga)和铟(In)]掺入本征半导体,只有三个共价键能填满,第四个共价键上则出现一个空位置,如图2.10(b)所示。与上一节介绍的由于热激发形成的空穴情况一样,该空位置起“空穴”的作用。由于这类三价杂质能接受一个电子,提供带正电(Posi

6、tive)的载流子空穴,因此称为受主杂质或P型杂质。以P型杂质为主的半导体称为P型半导体。2.2.2非本征载流子+4+4+3+4空穴硼原子2.2.2非本征载流子3．“补偿”实际上，半导体中并非仅仅只存在一种类型的杂质，往往同时包含两类杂质。这时，施主杂质提供的自由电子会通过“复合”与受主杂质提供的空穴相抵消，使总的载流子数目反而减少，这种现象称为“补偿”。在同时存在两类杂质的情况下，半导体的性质取决于“补偿”后哪一类杂质起主导作用。若施主杂质浓度大于受主杂质浓度，补偿以后，施主杂质提供的自由电子起主导作用，半导体就是N型。反之，若大于，通过补偿后，半导体成为P型。2.

7、2.2非本征载流子3．“补偿”如果施主杂质浓度与受主杂质近似相等，则由施主杂质提供的自由电子与由受主杂质提供的空穴通过复合几乎完全补偿，半导体中的载流子浓度基本等于由本征激发作用产生的自由电子和空穴浓度。由于现在半导体中存在大量的几乎完全补偿的施主和受主杂质，为了与真正的“本征”相区别，称之为补偿型本征半导体。需要指出的是，半导体中杂质的存在会影响半导体中载流子的迁移率、寿命等参数。因此补偿型本征半导体材料的性质比本征半导体材料差。2.2.2非本征载流子4．多数载流子和少数载流子（1）质量作用定律如前所述，在半导体材料中加入N型杂质会使空穴数量减少。