半导体物理与器件总结的课件.ppt

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1、2022/11/26,1,1、晶面表示方法：,(1) 平面截距：3，2，1(2) 倒数：1/3，1/2，1/1(3) 倒数乘以最小公分母：2，3，6,平面用(236)标记，这些整数称为密勒指数。晶面可用密勒指数（截距的倒数）来表示：(hkl),Si和锗是元素半导体，GaAs是化合物半导体,求晶体中的原子体密度,体密度=(等效原子个数)/(晶胞体积),金刚石等效为8个原子；原则：顶点算八分之一，面上算二分之一，体内算为一个。,2022/11/26,2,简立方晶体的三种晶面,(100) (110) (111),1.3空间晶格1.3.3 晶面与密勒指数,2022/11/26,3,1.5.1 固体中的

2、缺陷,晶体缺陷指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。,几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。,形成原因：热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等。,晶体缺陷的含义,晶体缺陷的分类,硅(Si)和锗(Ge)都具有金刚石结构。GaAs是闪(铅)锌矿结构,2022/11/26,4,热缺陷是指由热起伏的原因所产生的空位或间隙质点（原子或离子），是所有晶体都有的一类缺陷。随温度升高，热缺陷浓度指数增加。,热缺陷（晶格振动缺陷）,1.5.1 固体中的缺陷,点缺陷（空位缺陷和填隙缺陷）,对于实际的晶体，某特定晶格格点的原子可能缺失，这种缺陷称为空位。在其他位置，原子可能嵌于格点之间，这种缺陷称为填隙。,2

3、022/11/26,5,掺杂为了改变导电性而向半导体材料中加入杂质的技术称为掺杂。两种掺杂方式为填(间)隙杂质和替位杂质 通常有两种掺杂方法：杂质扩散和离子注入。第V族元素和第族元素掺杂一般为替位式掺杂？一般半导体为Si或Ge元素形成的半导体，而他们位于第族，所以第V族元素和第族元素与第族元素的原子大小接近，所以一般为替位式掺杂。,如果Si、Ge中的、族杂质浓度不太高，在包括室温的相当宽的温度范围内，杂质几乎全部离化，此情况为轻掺杂,2022/11/26,6,间隙式杂质，替位式杂质杂质进入半导体后可以存在于晶格原子之间的间隙位置上，称为间隙式杂质，间隙式杂质原子一般较小。也可以取代晶格原子而位

4、于格点上，称为替（代）位式杂质，替位式杂质通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层结构也相似。,图 替位式杂质和间隙式杂质,、族元素掺入族的Si或Ge中形成替位式杂质，用单位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质含量多少，杂质浓度的单位为1/cm3 。,非本征半导体：,掺杂半导体,4.2 掺杂原子与能级 4.2.1 定性描述,2022/11/26,7,三个基本原理 能量量子化原理（普朗克提出） 波粒二相性原理（德布罗意提出） 不确定原理（测不准原理）(海森堡提出),2.1 量子力学的基本原理,概率密度函数是一个与坐标无关的常量。具有明确动量意义的自由粒子在空间任意位置出现的概率

5、相等，这个结论与海森堡的不确定原理是一致的，即准确的动量对应不确定的位置。,粒子的能量是不连续的，其能量是各个分立的能量确定值，称为能级，其值由主量子数n决定。 ！,2022/11/26,8,三个对半导体材料分析有用的结论,第一个结论是对应简单势函数的薛定谔波动方程解引出的电子概率函数；第二个结论是束缚态电子能级的量子化；第三个结论是由分离变量引出的量子数和量子态的概念。,（）主量子数n：决定体系能量E或电子离核远近距离r。（2）角量子数l:确定原子轨道的形状并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能级。 （3）磁量子数m:决定原子轨道在空间的取向的个数。（4）自旋量子数：只决定电子运动状态与

6、薛定谔方程无关。,n l m s 四个量子数,2022/11/26,9,本征激发：导带电子唯一来源于成对地产生电子-空穴对因此导带电子浓度就等于价带空穴浓度。本征激发的特点：成对的产生导带电子和价带空穴。允带(允许电子存在的能带)是准连续的禁带宽度：价带顶和导带底之间的带隙能量Eg即为禁带宽度。,3.2 固体中电的传导 3.2.1 能带和键模型,激发过程受电子跃迁过程和能量最低原理制约，半导体中真正对导电有贡献的是那些导带底部附近的电子和价带顶部附近电子跃迁后留下的空态(等效为空穴)。 换言之，半导体中真正起作用的是那些能量状态位于能带极值附近的电子和空穴。,2022/11/26,10,在图

7、(a)中，A点的状态和a点的状态完全相同，也就是由布里渊区一边运动出去的电子在另一边同时补充进来，因此电子的运动并不改变布里渊区内电子分布情况和能量状态，所以满带电子即使存在电场也不导电。但对于图(b)的半满带，在外电场的作用下电子的运动改变了布里渊区内电子的分布情况和能量状态，电子吸收能量以后跃迁到未被电子占据的能级上去了，因此半满带中的电子在外电场的作用下可以参与导电。,满带与半满带,满带=价带,半满带=导带,3.2 固体中电的传导 3.2.1 能带和键模型,2022/11/26,11,(a) T=0K (b) T0K (c) 简化能带图,T=0K的半导体能带见图 (a)，这时半导体的价带

8、是满带，而导带是空带，故半导体不导电。当温度升高或在其它外界因素作用下，原先空着的导带变为半满带，而价带顶附近同时出现了一些空的量子态也成为半满带，这时导带和价带中的电子都可以参与导电，见图 (b)。常温下半导体价带中已有不少电子被激发到导带中，因而具备一定的导电能力。图 (c)是最常用的简化能带图。,半导体的能带,3.2 固体中电的传导 3.2.1 能带和键模型,2022/11/26,12,粒子所受作用力,粒子所受外力,内力,粒子静止质量,加速度,粒子有效质量，包括了粒子的质量以及内力作用的效果。,加速度,3.2 固体中电的传导 3.2.3 电子的有效质量,2022/11/26,13,有效质

9、量的意义,上述半导体中电子的运动规律公式都出现了有效质量mn*，原因在于F=mn*a中的F并不是电子所受力的总和。即使没有外力作用，半导体中电子也要受到格点原子和其它电子的作用。当存在外力时，电子所受合力等于外力再加上原子核势场和其它电子势场力。由于找出原子势场和其他电子势场力的具体形式非常困难，这部分势场的作用就由有效质量mn*加以概括，mn*有正有负正是反映了晶体内部势场的作用。既然mn*概括了半导体内部势场作用，外力F与晶体中电子的加速度就通过mn*联系了起来而不必再涉及内部势场。,3.2 固体中电的传导 3.2.3 电子的有效质量,导带底部的电子与价带顶部的空穴有效质量都为正值，价带顶

10、部的电子和导带底部的空穴有效质量都为负值,2022/11/26,14,一定温度下，价带顶附近的电子受激跃迁到导带底附近，此时导带底电子和价带中剩余的大量电子都处于半满带当中，在外电场的作用下，它们都要参与导电。对于价带中电子跃迁出现空态后所剩余的大量电子的导电作用，可以等效为少量空穴的导电作用。空穴具有以下的特点：(1)带有与电子电荷量相等但符号相反的+q电荷；(2)空穴的浓度就是价带顶附近空态的浓度；(3)空穴的共有化运动速度就是价带顶附近空态中电子的共有化运动速度；(4)空穴的有效质量是一个正常数mp* 。半导体的导带底部的电子以及价带顶部的空穴统称为载流子。,3.2 固体中电的传导 3.

11、2.4 空穴的概念,P55,2022/11/26,15,硅和砷化镓的k空间能带图,直接带隙半导体：价带能量最大值和导带能量最小值的k坐标一致。,间接带隙半导体：价带能量最大值和导带能量最小值的k坐标不一致。,Si与Ge是间接带隙半导体，GaAs是直接带隙半导体,2022/11/26,16,粒子在有效能态中的分布：三种分布法则麦克斯韦-玻尔兹曼分布函数 认为分布中的粒子可以被一一区分，且对每个能态所容纳的粒子数没有限制。玻色-爱因斯坦分布函数 认为分布中的粒子不可区分，但每个能态所容纳的粒子数没有限制。费米-狄拉克分布函数 认为分布中的粒子不可区分，且每个量子态只允许一个粒子存在。,3.5 统计

12、力学 3.5.1 统计规律,载流子是服从费米-狄拉克分布函数的，但是当E-EFkT时，可以简化为波尔兹曼函数。简并半导体的载流子不能简化为波尔兹曼分布函数。,2022/11/26,17,费米能级标志了电子填充能级的水平。半导体中常见的是费米能级EF位于禁带之中，并且满足 Ec-EFkT或EF-EvkT的条件。因此对导带或价带中所有量子态来说，电子或空穴都可以用波尔兹曼统计分布描述。由于分布几率随能量呈指数衰减，因此导带绝大部分电子分布在导带底附近，价带绝大部分空穴分布在价带顶附近，即起作用的载流子都在能带极值附近。,费米能级,简并半导体：服从费米狄拉克分布函数的半导体。非简并半导体：服从波尔兹

13、曼分布函数的半导体,2022/11/26,18,基本概念,平衡状态： 没有外界影响(如电压、电场、磁场或温度梯度)作用在半导体上的状态。本征半导体： 没有杂质原子和缺陷的纯净晶体。载流子： 能够参与导电，荷载电流的粒子:电子、空穴。,平衡半导体的标志是具有统一的费米能级EF,2022/11/26,19,本征半导体中究竟有多少电子和空穴？,n0表示导带中平衡电子浓度,0表示价带中平衡空穴浓度,本征半导体中有：,n0=p0,=ni,ni为本征载流子浓度,影响本征载流子浓度的有温度T与禁带宽度Eg，即随温度的升高，浓度越大；随进带宽度越窄，浓度越大,平衡半导体的判据是n0p0=ni2,2022/11

14、/26,20,本征半导体：,本征激发：,不含有任何杂质和缺陷的半导体。,导带电子唯一来源于成对地产生电子-空穴对因此导带电子浓度就等于价带空穴浓度。,本征半导体的电中性条件是,qp0-qn0=0即n0=p0=ni,本征载流子浓度,本征半导体的费米能级称为本征费米能级，EF=EFi。,4.1 半导体中载流子 4.1.3 本征载流子浓度,任何平衡态半导体载流子浓度积n0p0 等于本征载流子浓度ni2。对确定的半导体材料，受式中Nc和Nv、尤其是指数项exp(-Eg/kT)的影响，本征载流子浓度ni随温度的升高显著上升。平衡态半导体n0p0积与EF无关； 对确定半导体，mn*、mp*和Eg确定，n0

15、p0积只与温度有关，与是否掺杂及杂质多少无关；一定温度下，材料不同则 mn*、mp*和Eg各不相同，其n0p0积也不相同。,2022/11/26,21,本征费米能级：,禁带中央,本征费米能级精确位于禁带中央；,本征费米能级会稍高于禁带中央；,本征费米能级会稍低于禁带中央；,4.1 半导体中载流子 4.1.4 本征费米能级位置,2022/11/26,22,能够在Si或Ge中能够施放导电电子的元素，称为施主杂质或n型杂质，用Nd表示。电子脱离施主杂质的束缚成为导电电子的过程称为施主电离，区别：施主杂质未电离时是中性的，施主杂质电离后，它是显电正性。Si中掺入施主杂质后，通过杂质电离增加了导电电子数

16、量从而增强了半导体的导电能力。把主要依靠电子导电的半导体称为n型半导体。n型半导体中电子称为多数载流子，简称多子；而空穴称为少数载流子，简称少子。,施主杂质，施主电离，施主电离前后的区别？请举例说明,2022/11/26,23,以Si中掺入V族元素磷(P)为例：当有五个价电子的磷原子取代Si原子而位于格点上时，磷原子五个价电子中的四个与周围的四个Si原子组成四个共价键，还多出一个价电子，磷原子所在处也多余一个称为正电中心磷离子的正电荷。多余的这个电子被正电中心磷离子所吸引只能在其周围运动，不过这种吸引要远弱于共价键的束缚，只需很小的能量就可以使其挣脱束缚，形成能在整个晶体中“自由”运动的导电电

17、子。而正电中心磷离子被晶格所束缚，不能运动。,2022/11/26,24,能够在Si或Ge中能够接受电子而产生导电空穴的元素，称为受主杂质或p型杂质，用Na表示。 空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离，区别：受主杂质未电离时是中性的；电离后成为负电中心，它显电负性。Si中掺入受主杂质后，受主电离增加了导电空穴，增强了半导体导电能力，把主要依靠空穴导电的半导体称作p型半导体。p型半导体中空穴是多子，电子是少子。,施主杂质，施主电离，施主电离前后的区别？请举例说明,2022/11/26,25,以Si中掺入族元素硼(B)为例：硼只有三个价电子，为与周围四个Si原子形成四个共价键，必须从附近的Si原

18、子共价键中夺取一个电子，这样硼原子就多出一个电子，形成负电中心硼离子，同时在Si的共价键中产生了一个空穴。这个被负电中心硼离子依靠静电引力束缚的空穴还不是自由的，不能参加导电，但这种束缚作用同样很弱，很小的能量EA就使其成为可以“自由”运动的导电空穴。而负电中心硼离子被晶格所束缚，不能运动。,2022/11/26,26,简并半导体及其载流子浓度,半导体中玻耳兹曼分布函数并不总是适用， n型半导体中如果施主浓度Nd很高，杂质能级会分裂为能带，随着浓度的增加，能带逐渐展宽，当Nd增大到可以与有效状态密度相比拟时，有可能与导带底相交叠。EF就会与导带底Ec重合甚至进入导带，此时E-EFkT不再成立，

19、必须用费米分布函数计算导带电子浓度，这种情况称为载流子的简并化。,提问：n型半导体中如果施主浓度Nd很高，玻耳兹曼分布函数是否仍然适用？,2022/11/26,27,杂质强电离后，如果温度继续升高，n0是否还等于Nd?费米能级的位置会怎样改变？,杂质强电离后，如果温度继续升高，本征激发也进一步增强，当ni可以与Nd比拟时，本征载流子浓度就不能忽略了，这样的温度区间称为过渡区。,就可求出过渡区以本征费米能级EFi为参考的费米能级EF,处在过渡区的半导体如果温度再升高，本征激发产生的ni就会远大于杂质电离所提供的载流子浓度，此时，n0Nd，p0Nd，电中性条件是n0=p0，称杂质半导体进入了高温本

20、征激发区。在高温本征激发区，因为n0=p0 ，此时的EF接近EFi。,2022/11/26,28,热平衡条件下，半导体处于电中性状态净电荷为零。补偿半导体：同一区域同时含有施主和受主杂质原子的半导体。,对于补偿半导体而言，总的杂质浓度是Nd+Na，载流子浓度是大的浓度减去小的浓度,一般n型半导体的EF位于EFi之上Ec之下的禁带中。EF既与温度有关，也与杂质浓度Nd有关；一定温度下掺杂浓度越高，费米能级EF距导带底Ec越近；载流子的分布几率随能量呈指数衰减，因此导带大部分电子分布在导带底附近，价带绝大部分空穴在价带顶附近，即其作用的是在能带极值附近的载流子。,2022/11/26,29,杂质强

21、电离后，如果温度继续升高，n0是否还等于Nd?费米能级的位置会怎样改变？,杂质强电离后，如果温度继续升高，本征激发也进一步增强，当ni可以与Nd比拟时，本征载流子浓度就不能忽略了，这样的温度区间称为过渡区。,此刻处在过渡区的半导体如果温度再升高，本征激发产生的ni就会远大于杂质电离所提供的载流子浓度，此时，n0Nd，p0Nd，电中性条件是n0=p0，称杂质半导体进入了高温本征激发区。在高温本征激发区，因为n0=p0 ，此时的EF接近EFi。,当E-EF0时，是处于简并状态下；当0E-EF2kT时,是处于弱简并状态下；当2kTE-EF时，是处于非简并状态下,2022/11/26,30,下图是施主

22、浓度为51014cm-3 的n型Si中随温度的关系曲线。,图4.16 n型Si中导带电子浓度和温度的关系曲线,对p型半导体的讨论与上述类似。,低温段(100K以下)由于杂质不完全电离，n0随着温度的上升而增加；然后就达到了强电离区间，该区间n0=Nd基本维持不变；温度再升高，进入过渡区，ni不可忽视；如果温度过高，本征载流子浓度开始占据主导地位，杂质半导体呈现出本征半导体的特性。,2022/11/26,31,可见n型半导体的n0和EF是由温度和掺杂情况决定的。杂质浓度一定时，如果杂质强电离后继续升高温度，施主杂质对载流子的贡献就基本不变了，但本征激发产生的ni随温度的升高逐渐变得不可忽视，甚至

23、起主导作用，而EF则随温度升高逐渐趋近EFi。半导体器件和集成电路能正常工作在杂质全部离化而本征激发产生的ni远小于离化杂质浓度的强电离温度区间。在一定温度条件下，EF位置由杂质浓度Nd决定，随着Nd的增加，EF由本征时的EFi逐渐向导带底Ec移动。n型半导体的EF位于EFi之上，EF位置不仅反映了半导体的导电类型，也反映了半导体的掺杂水平。,2022/11/26,32,n型和p型,4.6 费米能级的位置,2022/11/26,33,与掺杂浓度的关系随着掺杂浓度的增加，n型半导体费米能级靠近于导带；p型半导体靠近于价带。,2022/11/26,34,与温度的关系 温度越高，n型半导体的费米能级

24、逐渐靠近于本征费米能级。p型也是如此。在高温情况下，半导体材料的非本征特性消失，逐渐表现得像本征半导体。,4.6 费米能级的位置,半导体的两种输运机制：漂移与扩散由电场引起的载流子运动称为漂移运动。称为迁移率，单位cm2/Vs。它是温度和掺杂浓度的函数。迁移率是半导体的一个重要参数，它描述了粒子在电场作用下的运动情况。 在半导体上加较小的电场就能获得很大的漂移电流密度。从此例可知，在非本征半导体中，漂移电流密度基本上取决于多数载流子。,2022/11/26,35,2022/11/26,36,载流子的散射：,所谓自由载流子，实际上只有在两次散射之间才真正是自由运动的，其连续两次散射间自由运动的平

25、均路程称为平均自由程，而平均时间称为平均自由时间。在半导体中主要有两种散射机制影响载流子的迁移率：晶格散射（声子散射）和电离杂质散射。,5.1 载流子的漂移运动 5.1.2 迁移率,扩散是因为无规则热运动而引起的粒子从浓度高处向浓度低处的有规则的输运，扩散运动起源于粒子浓度分布的不均匀。存在条件：有粒子浓度梯度,2022/11/26,37,5.1 载流子的漂移运动 5.1.2 迁移率,声子散射,当温度高于绝对零度时，半导体中的原子由于具有一定的热能，在其晶格位置上做无规则热振动。晶格热振动破坏了势函数（固体的周期性势场允许电子在整个晶体中自由运动，而不会受到散射），导致载流子电子、空穴、与振动

26、的晶格原子发生相互作用。这种晶格散射称为声子散射。,在轻掺杂半导体中，晶格散射是主要散射机构，载流子迁移率随温度升高而减小，迁移率与T-n成正比。参数n并不等于一阶散射理论预期的3/2，但确是随温度升高而下降。,2022/11/26,38,电离杂质散射,半导体中掺入杂质原子可以控制或改变半导体的性质，室温下杂质已经电离，在电子或空穴与电离杂质之间存在的库仑作用会引起他们之间的碰撞或散射，这种散射机制称为电离杂质散射。,5.1 载流子的漂移运动 5.1.2 迁移率,迁移率是温度和电离杂质中心数量的函数。,迁移率随温度增加而增加，随杂质浓度增加减小,表示晶格散射造成的碰撞之间的平均时间间隔,202

27、2/11/26,39,5.1 载流子的漂移运动 5.1.3 电导率,表示半导体材料的电导率，单位为(cm)-1。电导率是载流子浓度和迁移率的函数。,电导率: 电阻率的倒数,因此，非本征半导体的电导率或电阻率是多数载流子的函数。,2022/11/26,40,Nd=1015 cm-3,5.1 载流子的漂移运动 5.1.3 电导率,在中温区，即非本征区，杂质已经全部电离，电子浓度保持恒定。但迁移率是温度的函数，所以在此温度范围内，电导率随温度发生变化。,在较低温度范围内，束缚态开始出现，电子浓度和电导率随温度降低而下降。,在更高的温度范围内，本征载流子浓度增加并开始主导电子浓度和电导率。,2022/

28、11/26,41,（红线区-电阻：阻碍运输）对于本征半导体，本征激发起决定性因素，所以T升高，电阻下降；对于杂质半导体，在温度很低时，本征电离可忽略，T升高，杂质电离的载流子越来越多，电阻下降；进入室温区，杂质已经全部电离，而本征激发还不重要，T升高，晶格震动散射加剧，电阻升高；高温区，本征激发起主要作用，T升高，本征激发明显，电阻下降。,半导体的电阻特性,2022/11/26,42,对于本征半导体，电导率为：,5.1 载流子的漂移运动 5.1.3 电导率,一般来说，电子迁移率和空穴迁移率并不相等，所以本征电导率并不是某给定温度下可能的最小值。,2022/11/26,43,5.1 载流子的漂移

29、运动 5.1.4 饱和速度,在弱电场下，平均漂移速度是电场强度的线性函数，斜率即为迁移率；在强电场区，载流子的速度漂移特性严重偏离了弱电场区的线性关系。,例如，硅中的电子漂移速度在外加电场强度约为30 kV/cm时达到饱和，饱和速度约为107 cm/s。如果载流子的漂移速度达到饱和，那么漂移电流密度也达到饱和，不再随外加电场变化。,载流子的运动速度不再随电场增加而增加,P124,2022/11/26,44,低能谷中的电子有效质量mn*=0.067m0。有效质量越小，迁移率就越大。随着电场强度的增加，低能谷电子能量也相应增加，并可能被散射到高能谷中，有效质量变为0.55m0。高能谷中，有效质量变

30、大，迁移率变小。这种多能谷间的散射机构导致电子的平均漂移速度随电场增加而减小，从而出现负微分迁移率特性。,5.1 载流子的漂移运动 5.1.4 饱和速度,负微分迁移率的含义,2022/11/26,45,总电流密度,半导体中所产生的电流种类：,电子漂移电流、空穴漂移电流电子扩散电流、空穴扩散电流,总电流密度是漂移电流与扩散电流的和,迁移率描述了半导体中载流子在电场力作用下的运动情况；扩散系数描述了半导体中载流子在浓度梯度作用下的运动情况。,5.2 载流子扩散 5.2.2 总电流密度,爱因斯坦关系,由于晶格散射作用的影响，迁移率是温度的强函数，因此扩散系数也是温度的强函数。,(kT)/e也被看作为

31、Vt,2022/11/26,46,5.4 霍尔效应,VH为正，为p型半导体；VH为负，为n型半导体；,y方向上的感生电场称为霍尔电场EH。霍尔电场在半导体内产生的电压称为霍尔电压VH。,电场和磁场对运动电荷施加力的作用产生的效应为霍尔效应。它是针对于多数载流子而言的,用途：判断半导体的导电类型、计算多数载流子的浓度和迁移率。,2022/11/26,47,一般来说：n型半导体中：n n0，p n0。 p型半导体中：n p0，p p0。,小注入：过剩载流子浓度远小于平衡态时的多子浓度,要说明的是即使满足小注入条件，非平衡少子浓度仍然可以比平衡少子浓度大得多!因此相对来说非平衡多子的影响轻微，而非平

32、衡少子的影响起重要作用。通常说的非平衡载流子都是指非平衡少子。,大注入：过剩载流子浓度接近或大于平衡时多子的浓度,6.1载流子的产生与复合 6.1.2过剩载流子,2022/11/26,48,2. 非平衡载流子的产生：,光照前半导体中电子和空穴浓度分别是n0和p0，并且n0p0。光照后的非平衡态半导体中电子浓度n=n0+n ，空穴浓度p=p0+p ，并且n=p 。比平衡态多出来的这部分载流子n和p就称为过剩载流子。n 和p分别为过剩电子和空穴浓度。,过剩载流子的扩散、漂移和复合都具有相同的有效扩散系数、漂移迁移率和寿命。这种现象称为双极输运。针对于少数载流子而言,2022/11/26,49,4.

33、 过剩少子的寿命,光照停止后非平衡载流子生存一定时间然后消失，所以过剩少子浓度是一个与时间有关的量。把撤除光照后非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命。 由于非平衡少子的影响占主导作用，故非平衡载流子寿命称为少子寿命。 为描述非平衡载流子的复合消失速度，定义单位时间单位体积内净复合消失的电子-空穴对数为非平衡载流子的复合率。,6.1载流子的产生与复合 6.1.2过剩载流子,2022/11/26,50,按复合过程中载流子跃迁方式不同分为： 直接复合：是电子在导带和价带之间的直接跃迁而引起电子-空穴的消失； 间接复合：指电子和空穴通过禁带中的能级(称为复合中心)进行的复合。按复合发生的部

34、位分为体内复合和表面复合。伴随复合载流子的多余能量要予以释放，其方式包括发射光子(有发光现象)、把多余能量传递给晶格或者把多余能量交给其它载流子(俄歇复合)。,5. 非平衡载流子几种不同的复合形式：,6.1载流子的产生与复合 6.1.2过剩载流子,2022/11/26,51,表面效应我们前面所讨论的半导体是无限长的理想的半导体，但是实际中的半导体的长度是有限制的，因此造成表面处的缺陷的密度大于内部缺陷的密度，进而造成表面处的过剩少子寿命要比相应材料内部的寿命短。无限的表面复合速度，会导致表面的过剩载流子浓度和寿命为零。半导体的表面载流子浓度小于内部的载流子浓度。,海恩斯-肖克莱实验是用于测少子

35、的迁移率，扩散系数和寿命,2022/11/26,52,冶金结p区和n区的交界面突变结线性缓变结超突变结突变结均匀分布，交界处突变,7.1 pn结的基本结构,2022/11/26,53,空间电荷区，也被称为耗尽区（SCR）即没有可自由移动的净电荷，高阻区。它的宽度主要在掺杂浓度少的一侧的半导体,n结的形成,7.1 pn结的基本结构,2022/11/26,54,内建电势差,本章开始Nd,Na分别指n区和p区内的净施主和受主杂质！,7.2 零偏 7.2.1内建电势差,热电压,由此图可知：内建电势差主要是在重掺杂的一侧的半导体,2022/11/26,55,反偏 与内建电场方向相同,EF不再统一,7.3

36、 反偏 7.3.1空间电荷区宽度与电场,2022/11/26,56,7.3 反偏 7.3.3单边突变结,由图可知：空间电荷区主要由轻掺杂的半导体决定,加反偏电压使空间电荷区增大，反偏电压越大，空间电荷区宽度越宽；加正偏电压使空间电荷区宽度变窄，电压越大，空间电荷区宽度越窄。,2022/11/26,57,反偏能带图,零偏能带图,正偏能带图,2022/11/26,58,齐纳(隧穿)击穿(重掺杂)和雪崩击穿(轻掺杂),结击穿两种机制,隧道二极管：p区与n区都为简并掺杂的pn结成为隧道二极管,2022/11/26,59,10.1双极晶体管的工作原理,结构和符号,一个加号代表重掺杂，两个加号代表比重掺杂

37、还重的掺杂,2022/11/26,60,10.1双极晶体管的工作原理,IE=IC+IB,VEC=VEB+VBC=-VBE-VCB,四种工作模式VBE、VCB 正反、反反、反正、正正,正向有源,截止,反向有源,饱和,发射结正偏集电结反偏,零偏能带图,发射结反偏集电结反偏,发射结反偏集电结正偏,发射结正偏集电结正偏,2022/11/26,61,三极管的三种连接方式,三极管在电路中的连接方式有三种： 共基极接法； 共发射极接法， 共集电极接法。共什么极是指电路的输入端及输出端以这个极作为公共端。必须注意，无论那种接法，为了使三极管具有正常的电流放大作用，都必须外加大小和极性适当的电压。即必须给发射结

38、加正向偏置电压，发射区才能起到向基区注入载流子的作用；必须给集电结加反向偏置电压（一般几几十伏），在集电结才能形成较强的电场，才能把发射区注入基区，并扩散到集电结边缘的载流子拉入集电区，使集电区起到收集载流子的作用。,2022/11/26,62,发射极注入效率系数,基区输运系数,复合系数,为了使发射极注入效率增大，则应使发射极的掺杂浓度远大于基区掺杂浓度；为使基区输运系数增大，则应使基区宽度较小，通常小于1微米；为了使复合系数增大，则使VBE足够大。对于共基极电路而言，,共基极电流增益。1,对于共发射极电路而言,共发射极电流增益。1,增益：,2022/11/26,63,如下图所示，基区宽度的减

39、小会使得少子浓度梯度增加，这种效应成为基区宽度调制效应，也称厄利效应。,2022/11/26,64,10. 4非理想效应,基区宽度调制效应,Early电压典型值在100-300V之间。,例10.5,2022/11/26,65,大注入(注入的少子比多子还多)的两种效应：大注入效应一：发射极注入效率降低Jpe增加大注入效应二：集电极电流增速变小,另一个影响发射机注入效率降低的是禁带变窄，发射区掺杂浓度很高时，由于禁带变窄效应，会使电流增益比理想状况下小。电流集边效应：导致局部过热或局部大注入。非均匀掺杂：浓度梯度导致静电场，改变少子分布。,2022/11/26,66,10. 4非理想效应,击穿电压

40、：穿通击穿（距离太近）和雪崩击穿（较远）,为什么缩小MOSFET尺寸？ 1.提高集成度：同样功能所需芯片面积更小 2.提升功能：同样面积可实现更多功能 3.降低成本：单管成本降低 4.改善性能：速度加快，单位功耗降低,2022/11/26,67,阈值反型点条件：表面势=2倍的费米势，表面处的空穴浓度=体内的电子浓度，栅电压=阈值电压此刻的空间电荷区的厚度最大,功函数差是导致能带倾斜或弯曲的根本原因。,金属氧化物半导体场效应管，即MOSFET，其结构中的金属可以是铝或铜或重掺杂的多晶硅。表面势s：半导体表面电势与体内电势之差。费米势fp：半导体体内费米能级与禁带中心能级之差的电势,对以P型衬底的

41、半导体而言，加正栅压，形成电子反型层，与氧化层接触面的能带向下弯曲，当电压足够大时，表面可变为n型；加负栅压，形成空穴堆积层，与氧化层接触面的能带向上弯曲。对以N型衬底的半导体而言，加正栅压，形成电子堆积层，与氧化层接触面的能带向下弯曲；加负栅压，形成空穴反型层，与氧化层接触面的能带向上弯曲。当电压足够大时，表面可变为p型,绝缘体不允许电荷在金属和半导体之间进行交换，,2022/11/26,69,11.1 MOS电容 阈值电压:导通类型,VTN0MOSFET为增强型VG=0时未反型，加有正栅压时才反型（才开启）,VTN0MOSFET为耗尽型VG=0时已反型，加有负栅压后才能脱离反型（才关闭）,P型衬底MOS结构,例11.4, 11.5,为了得到增强型的器件，一定重掺杂,VTN是阈值电压,N型衬底是阈值电压为负时增强型,