半导体器件物理 教学课件作者 徐振邦 半导体器件物理(第一章）.pptVIP

关于能带的名词： 1.允带――允许电子填充的能带，称为允带。 2.禁带――禁止电子填充的能量区间，称为禁带。 3.空带――没有电子填充的能带，称为空带。 4.满带――完全被电子填满的能带，称为满带。 5.价带――价电子对应能级分裂而形成的能带，称为价带。 6.导带――导带是位于价带之上第一个能带。在外电场作用下，该能带里的电子能从外电场吸收能量，从而形成电流，故称为导带。 3.载流子浓度 其中 其中 讨论：1、n和p随温度和费米能级如何变化？ 2、EF在不同的位置，n和p的大小关系？ 1.4 热平衡载流子 1.4.2 本征半导体载流子浓度 1、电中性条件 2、本征费米能级 3、本征载流子浓度 4、重要关系式 讨论：本征半导体的载流子浓度和哪些因素有关？ 1.4 热平衡载流子 1.4.2 本征半导体载流子浓度 1.N型半导体 2.P型半导体 3.杂质半导体载流子浓度表达式 1.4 热平衡载流子 1.5 非平衡载流子 1.5.1 非平衡载流子的注入 如果对半导体施加外加作用，破坏了热平衡状态的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度将比平衡状态时多，多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。注入非平衡载流子的方式有1.光注入、2.电注入、3.其他方式。 小注入条件: 注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小得多。 1.5.2 非平衡载流子的复合 在非平衡的情形下，产生和复合之间的相对平衡就被打破了。由于多余的非平衡载流子的存在，电子和空穴的数目比热平衡时增多了，它们在热运动中相互遭遇而复合的机会也将成比例地增加，因此，这时复合将要超过产生而造成一定的净复合，即 净复合=复合-产生 当去掉外界作用后，正是由于这种净复合的作用，使非平衡载流子逐渐减少，以至最后消失，半导体又回到平衡状态。 1.5 非平衡载流子 非平衡载流子的寿命 可见，非平衡载流子的浓度随时间按指数规律衰减τ是非平衡载流浓度减小到原来的1/e所经历的时间常数。进一步计算表明，τ是非平衡载流子平均生存的时间，称为非平衡载流子的寿命。 非平衡载流子寿命是标志半导体材料质量的主要参数之一。 1.5 非平衡载流子 1.5.3 复合机制 1.直接复合 直接复合就是单位体积中每个电子在单位时间里都有一定的几率和空穴相遇而复合。从能带角度讲，就是导带电子直接落入价带与空穴复合，同时还存在着上述过程的逆过程，即价带电子也有一定的几率跃迁到导带中去，产生一对电子和空穴。 1.5 非平衡载流子 2.间接复合 ① ② ③ ④ 杂质和缺陷在半导体禁带中形成能级，它们不但影响半导体导电性能，还可以促进非平衡载流子的复合而影响其寿命，通常把具有促进复合作用的杂质和缺陷称为复合中心。复合中心的存在使电子-空穴的复合可以分为两个步骤，先是导带电子落入复合中心能级，然后再落入价带与空穴复合，而复合中心被腾空后又可以继续进行上述过程，当然相反的逆过程也同时存在。 1.5 非平衡载流子 晶格结构在表面出现的不连续性在禁带中引入了大量的能量状态，这些能量状态称为表面态；除表面态外，还存在着由于紧贴表面的层内的吸附离子、分子或机械损伤等所造成的其他缺陷。它们在禁带形成复合中心能级，大大增加了表面区域的载流子的复合率。 3.表面复合 可见，非平衡载流子的寿命值，不仅与材料种类有关，而且与杂质原子的出现有关，特别是锗、硅中的深能级杂质，能形成复合中心，使寿命降低。同时，半导体的表面状态对寿命也有显著的影响。另外，晶体中位错等缺陷，也能形成复合中心能级。因而严重地影响少数载流子的寿命。在制造器件的过程中，由于高温处理，在材料内部增加新的缺陷，往往使寿命降低。所以，寿命值的大小在很大程度上反映了晶格的完整性，它是衡量材料质量的一个重要指标。 1.5 非平衡载流子 1.6 载流子的运动 1.6.1 载流子的漂移运动与迁移率 1.欧姆定律的微分形式 2.漂移运动和迁移率 迁移率是反映载流子在电场作用下运动难易程度的物理量。上式反映了电导率与载流子浓度和迁移率之间的关系。 电导率的计算 N型半导体的电导率 P型半导体的电导率 本征半导体的电导率 半导体的电阻率可以用四探针直接测量读出，所以实际工作中习惯用电阻率来讨论问题，由电导率求倒数就可得到电阻率 漂移电流的计算 1.6 载流子的运动 微电子技术专业 1.1 半导体的晶体结构 物质按导电能力分类 导体 绝缘体 半导体 半导体在电性能上的重要性质 热敏特性 掺杂特性 光敏特性 1.1.1 晶体的结构 1.固体分类 晶体 非晶体 单晶 多晶 2.晶胞