《微电子学概论》--Chap02.ppt

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1、第二章半导体物理和器件物理基础*半导体及其基本特性*半导体中的载流子*PN结*双极晶体管*MOS场效应晶体管2.1半导体及其基本特性固体材料(电导率）：超导体:大于106(cm)-1导体:106~104(cm)-1半导体:104~10-10(cm)-1绝缘体:小于10-10(cm)-1一、什么是半导体从导电特性和机制来分：不同电阻特性不同输运机制什么是半导体？金属：电导率106～104(W∙cm-1)，不含禁带；半导体：电导率104~10-10(W∙cm-1)，含禁带；绝缘体：电导率<10-10(W∙cm-1)，

2、禁带较宽；半导体的特点：（1）电导率随温度上升而指数上升；（2）杂质的种类和数量决定其电导率；（3）可以实现非均匀掺杂；（4）光辐照、高能电子注入、电场和磁场等影响其电导率；1.半导体的结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构二、半导体的基本特性半导体的结合和晶体结构金刚石结构半导体有元素半导体，如：Si、Ge（锗）化合物半导体，如：GaAs（砷化镓）、InP（磷化铟）、ZnS。硅：地球上含量最丰富的元素之一，微电子产业用量最大、也是最重要的半导体材料。硅(原子序数14)的物理化学性质

3、主要由最外层四个电子（称为价电子）决定。每个硅原子近邻有四个硅原子，每两个相邻原子之间有一对电子，它们与两个原子核都有吸引作用，称为共价键。。化合物半导体：III族元素和V族构成的III-V族化合物，如，GaAs(砷化镓)，InSb(锑化铟)，GaP(磷化镓)，InP(磷化铟)等，广泛用于光电器件、半导体激光器和微波器件。2.半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体有：电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子

4、脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位3.半导体的能带(价带、导带和带隙)量子态和能级固体的能结构原子能级能带电子的微观运动服从量子力学规律。其基本特点包含以下两种运动形式：电子做稳恒的运动，具有完全确定的能量。这种稳恒的运动状态称为量子态。相应的能量称为能级。在一定条件下，电于可以发生从一个量子态转移到另一个量子态的突变。这种突变称为量子跃迁。量子态和能级固体的能带结构原子能级能带共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态原子能级反成键态成键态半导体的能带半导体晶体中的电子的能量既不像自由

5、电子哪样连续，也不象孤立原子哪样是一个个分立的能级，而是形成能带，每一带内包含了大量的，能量很近的能级。能带之间的间隙叫禁带，一个能带到另一个能带之间的能量差称为禁带宽度。价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导带价带Eg半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的有效质量m*电子和空穴的产生电子摆脱共

6、价键而形成一对电子和空穴的过程，在能带图上看，就是一个价电子从价带到导带的量子跃迁过程。其结果是在导带中增加了一个电子而在价带中则出现了一个空的能级（空穴）。半导体中的导电电子就是处于导带中的电子，空穴的导电性反映的仍是价带中电子的导电作用。电子能量增加空穴能量增加4.半导体的掺杂BAs受主掺杂P型半导体施主掺杂N型半导体电子摆脱共价键所需的能量，在一般情况下，是靠晶体内部原子本身的热运动提供的。常温下，硅里面由于热运动激发价健上电子而产生的电子和空穴很少，它们对硅的导电性的影响是十分微小的。室温下半导体的导电性主要由掺

7、入半导体中的微量的杂质（简称掺杂）来决定，这是半导体能够制造各种器件的重要原因。施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P和As（最外层有5个价电子）受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B(硼）（最外层只有3个价电子）施主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态杂质能级半导体中的杂质原子可以使电子在其周围运动而形成量子态。杂质量子态的能级处在禁带之中。掺杂就

8、是在禁带中引入能级。施主杂质引入施主能级施主能级在导带的下面，与导带的距离等于电离能，图中箭头表示电子从施主能级跃迁到导带的电离过程。受主杂质引入受主能级浅能级：离导带或者价带很近，电离能很小；深能级：离导带或者价带较远，电离能较大；受主能级在价带的上面，与价带的距离等于电离能，图中箭头表示电子从价带跃迁到受主能级的