半導(dǎo)體基本知識(shí)-修改

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1、半導(dǎo)體物理和器件的基礎(chǔ)知識(shí)（補(bǔ)充材料）陳朝E－mail：cchen@xmu.edu.cn廈門(mén)大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院2008年10月10日于廈門(mén)什么是半導(dǎo)體？半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體基本概念、性質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)和能帶理論簡(jiǎn)介PN結(jié)的形成及其基本性能半導(dǎo)體材料的表征：基本參數(shù)及其檢測(cè)半導(dǎo)體光電材料簡(jiǎn)介：第一類Ge、Si；第二類GaAs、InP；第三類GaN、ZnO等。目錄一、半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)和能帶理論1、什么是半導(dǎo)體？的基本性質(zhì)：（1）半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間電阻率ρ：?jiǎn)挝唬é浮m）：絕緣體（橡膠）：1010～1022Ω·cm半導(dǎo)體（鍺、硅）：10－2～109Ω·cm導(dǎo)體（金屬

2、）：10－5Ω·cm超導(dǎo)體（YBaCuO）：接近零0Ω·cm（2）半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的下降而上升（和導(dǎo)體相反）半導(dǎo)體：σ＝σ0exp（-E/KT),σ＝Δneμ,E=ED-EF即：ρ＝1/σ＝σ-10exp（E/KT)導(dǎo)體：ρ＝ρ0T,R=ρL/S這是區(qū)別導(dǎo)體、半導(dǎo)體的主要標(biāo)志。電阻率和溫度的關(guān)系電阻與溫度的關(guān)系導(dǎo)體的電阻率隨溫度的升高而增大。金屬半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的升高而急劇地下降。由于半導(dǎo)體中的電子吸收能量后，受激躍遷到導(dǎo)帶的數(shù)目增多。利用半導(dǎo)體的這種性質(zhì)可以制成熱敏電阻。半導(dǎo)體電阻定律2、半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)（3）半導(dǎo)體對(duì)外界各種作用（光、電、磁、熱、力）很敏感利用半導(dǎo)體的這特

3、性，可以制備各種傳感器（sensor）。例如：光敏電阻、晶體管、磁場(chǎng)儀、熱敏電阻、壓力傳感器等（4）半導(dǎo)體的各種性能對(duì)雜質(zhì)非常敏感一般半導(dǎo)體的原子密度：1022/cm3,如果含有1013～1016/cm3的雜質(zhì),即ppb（億萬(wàn)分之一10－9）（深能級(jí)雜質(zhì)）—半導(dǎo)體純（電子純9N）～ppm（百萬(wàn)分之一10－6）（淺能級(jí)雜質(zhì)）——光譜純(6N)就對(duì)半導(dǎo)體性能有很明顯的改變。所以，半導(dǎo)體材料的提純非常主要，沒(méi)有達(dá)到半導(dǎo)體純的半導(dǎo)體材料，一般不顯現(xiàn)半導(dǎo)體的性能。半導(dǎo)體工程，又稱為雜質(zhì)工程！ppb——半導(dǎo)體純——≥99.999999999%——≥9N～14N3、半導(dǎo)體的導(dǎo)類型：n型和p型在半導(dǎo)體中

4、電流的載體稱為載流子，帶負(fù)電荷的載流子稱為n型載流子，n型載流子是電子；帶正負(fù)電荷的載流子稱為p型載流子，p型載流子是空穴；電子濃度大于空穴濃度的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體，電子多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子），空穴為少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）；空穴濃度大于電子濃度的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體，空穴多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子），電子為少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）。空穴：形象說(shuō)法：共價(jià)鍵的空位（類似于水中的氣泡）稱為空穴；嚴(yán)格定義：滿帶電子的空位稱為空穴高純、不摻雜的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體；同時(shí)含有電子和空穴兩種載流子的半導(dǎo)體稱為補(bǔ)償半導(dǎo)體，電子濃度和空穴濃度相等的半導(dǎo)體稱為完全補(bǔ)償半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半

5、導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子。SiSiSiSi價(jià)電子SiSiSiSi價(jià)電子價(jià)電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭囟扔?，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子在外電場(chǎng)的作用下，空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來(lái)填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)）。N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子

6、半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻入五價(jià)元素SiSiSiSip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)電子變?yōu)檎x子在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。動(dòng)畫(huà)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。摻入三價(jià)元素SiSiSiSi在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子空穴動(dòng)畫(huà)無(wú)論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。（1）PN結(jié)的形成載流子的兩種運(yùn)動(dòng)——擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：電中性的半導(dǎo)體中，載

7、流子從濃度高的區(qū)域向濃度較低區(qū)域的運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)：在電場(chǎng)作用下，載流子有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)。（6）兩種類型半導(dǎo)體冶金學(xué)接觸的界面稱為pn結(jié)，pn結(jié)具有單向?qū)щ娦?、pn結(jié)的形成和基本性質(zhì)PN結(jié)的形成示意圖多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。空間電荷區(qū)也稱PN結(jié)擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－