半导体特性、PN结小结.ppt

1、 微电子技术专业微电子技术专业半导体器件第第1 1章章 半导体特性半导体特性第第2 2章章 P-NP-N结结讲授教师：马讲授教师：马 颖颖第第 1 章章 半导体特性半导体特性 1 1 半导体的晶格结构、各向异性半导体的晶格结构、各向异性掌握几种典型材料的计算2 2 半导体的导电性半导体的导电性 熟悉影响半导体导电性能的因素3 3 半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带了解相关概念，及Eg的指导工艺4 4 半导体中的杂质与缺陷半导体中的杂质与缺陷了解两者的分类及特点掌握施、受主杂质及其能级的概念 本章重点本章重点本章重点本章重点5 5 载流子的运动载流子的运动熟悉载流子浓度公式与EF位

2、置的关系漂移运动与扩散运动的特点掌握杂质半导体的载流子浓度计算、材料电阻率电导率的计算6 6 非平衡载流子非平衡载流子了解非平衡载流子的产生和复合概念寿命及其测量方法几种复合理论的概念及特点一、半导体的晶格结构、各向异性一、半导体的晶格结构、各向异性晶体有哪5种常见的晶体结构，都有哪些典型的元素。简单立方结构简单立方结构 钋钋钋钋(Po)(Po)体心立方结构体心立方结构钠（钠（钠（钠（NaNa）钼（）钼（）钼（）钼（MoMo）钨（）钨（）钨（）钨（WW）面心立方结构面心立方结构铝（铝（铝（铝（AlAl）铜（）铜（）铜（）铜（CuCu）金（）金（）金（）金（AuAu）银（）银（）银（）银（AgA

3、g）金刚石结构金刚石结构碳（碳（碳（碳（C C）硅（）硅（）硅（）硅（SiSi）锗（锗（锗（锗（GeGe）闪锌矿结构闪锌矿结构 砷化镓砷化镓砷化镓砷化镓(GaAsGaAs)磷化镓磷化镓磷化镓磷化镓(GaPGaP)硫化锌硫化锌硫化锌硫化锌(ZnSZnS)硫化镉硫化镉硫化镉硫化镉(CdSCdS)一、半导体的晶格结构、各向异性一、半导体的晶格结构、各向异性金刚石结构和闪锌矿结构有什么区别（在结构、元素、化学键各方面描述）。由两个面心立方结构沿空间对角线错开四分之一的由两个面心立方结构沿空间对角线错开四分之一的空间对角线长度相互嵌套而成。空间对角线长度相互嵌套而成。结构结构结构结构正四面体结构正四面体

4、结构正四面体结构正四面体结构共价键概念共价键概念共价键概念共价键概念金刚石结构金刚石结构金刚石结构金刚石结构闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构族元素族元素如如Al、Ga、In和和族元素族元素如如 P、As、Sb合成的合成的-族化合物都族化合物都是半导体材料，为是半导体材料，为极性半导体极性半导体极性半导体极性半导体。族元素中的硅族元素中的硅(Si)、锗、锗(Ge)课构成纯课构成纯净的半导体材料，为净的半导体材料，为单元素半导体单元素半导体单元素半导体单元素半导体。元素元素元素元素化学键化学键化学键化学键金刚石结构金刚石结构金刚石结构金刚石结构闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构混合键

5、：混合键：共价键共价键+离子键离子键 一、半导体的晶格结构、各向异性一、半导体的晶格结构、各向异性掌握几种晶格结构单胞的空间比率计算。1.每个单胞中的原子数n2.每个原子的半径r3.每个原子的体积V原子=4r3/34.最大空间比率=n V原子/V单胞掌握硅、锗两种材料的原子数密度和质量密度的计算。一、半导体的晶格结构、各向异性一、半导体的晶格结构、各向异性什么是晶体的各向异性？表现在哪些方面？用什么来表示，这2者有何关系？沿沿晶格的不同方向晶格的不同方向，原子排列的，原子排列的周期性周期性和和疏密程度不疏密程度不尽相同尽相同，由此导致晶体在，由此导致晶体在不同方向的物理特性也不同不同方向的物理

6、特性也不同。晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性膜弹性膜量量、硬度硬度、热膨胀系数热膨胀系数、导热性导热性、电阻率电阻率、电位移矢量电位移矢量、电极化强度电极化强度、磁化率磁化率和和折射率折射率等都是不同的。等都是不同的。一族平行晶面用一族平行晶面用晶面指数（密勒指数），晶面指数（密勒指数），“（hkl）”来来表示表示一族平行线所指的方向用一族平行线所指的方向用晶列（晶向）指数，晶列（晶向）指数，“hkl”来来表示表示 相同指数的晶面和晶列互相垂直，相同指数的晶面和晶列互相垂直，如如100100定义为垂直定义为垂直于（于（100100）平面的方向

7、。）平面的方向。一、半导体的晶格结构、各向异性一、半导体的晶格结构、各向异性密勒指数密勒指数是这样得到的：是这样得到的：（1）确定某平面在直角坐标系三个）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并以晶格常数为单位测轴上的截点，并以晶格常数为单位测得相应的截距；得相应的截距；（2）取截距的倒数，然后约简为三）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的整数，即将其化简成个没有公约数的整数，即将其化简成最简单的整数比；最简单的整数比；（3）将此结果以）将此结果以“（hkl）”表示，表示，即为此平面的密勒指数。即为此平面的密勒指数。晶向指数晶向指数是这样得到的：是这样得到的：（1）晶列指数是按晶列矢量在坐

8、标）晶列指数是按晶列矢量在坐标轴上的投影的比例取轴上的投影的比例取互质数互质数（2）将此结果以）将此结果以“hkl”表示表示二、半导体的导电性二、半导体的导电性影响半导体材料导电性能的因素有哪些？半导体的电性能有哪些？温度、光照、杂质温度、光照、杂质，还有，还有电场、磁场及其他外界因素电场、磁场及其他外界因素（如外应力）（如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力。的作用也会影响半导体材料的导电能力。热敏特性、光敏特性、掺杂特性热敏特性、光敏特性、掺杂特性热敏特性、光敏特性、掺杂特性热敏特性、光敏特性、掺杂特性 现今硅已取而代锗成为半导体制造的主要材料。主要现今硅已取而代锗成为半导体制造的主

9、要材料。主要原因，是因为原因，是因为硅器件工艺的突破硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化，硅平面工艺中，二氧化硅的运用在其中起着决定性的作用，硅的运用在其中起着决定性的作用，经济上的考虑经济上的考虑也是原也是原因之一，在二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的因之一，在二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%，仅次于氧。仅次于氧。三、半导体中的电子状态和能带三、半导体中的电子状态和能带 电子公有化的概念及特点电子公有化的概念及特点 由于晶体中原子的周期性排列而使电子不再为单个原子所有的现象，由于晶体中原子的周期性排列而使电子不再为单个原子所有的现象，称为称为电子共有化电子共有化电子共有化电子共有化

10、。内层电子的轨道交叠较少，共有化程度弱些，外层电子轨道交叠较内层电子的轨道交叠较少，共有化程度弱些，外层电子轨道交叠较多，共有化程度强些。多，共有化程度强些。能级的概念能级的概念 原子系统的能量呈现不连续状态，即量子化的，也就是电子的能原子系统的能量呈现不连续状态，即量子化的，也就是电子的能量只能取一系列不连续的可能值，这种量只能取一系列不连续的可能值，这种量子化的能量量子化的能量称为称为能级能级能级能级。能带的概念能带的概念 晶体中每个原子都受到周围原子势场的作用，使原先每个原晶体中每个原子都受到周围原子势场的作用，使原先每个原子中具有相同能量的电子能级分裂成子中具有相同能量的电子能级分裂成

11、N个与原来能级很接近的能级，个与原来能级很接近的能级，形成一个形成一个“准连续准连续”的的能带能带能带能带。能带中的几个基本概念：允带、禁带、空能带中的几个基本概念：允带、禁带、空带、满带、半满带带、满带、半满带三、半导体中的电子状态和能带三、半导体中的电子状态和能带 允带允带允带允带 禁带禁带禁带禁带 满带满带满带满带 空带空带空带空带允许电子存在的一系列允许电子存在的一系列准连续的准连续的准连续的准连续的能量状态能量状态禁止电子存在的一系列能量状态禁止电子存在的一系列能量状态被电子填充满的一系列被电子填充满的一系列准连续准连续准连续准连续的能量状态的能量状态 满带不导电满带不导电满带不导电

12、满带不导电没有电子填充的一系列准连续的能量状态没有电子填充的一系列准连续的能量状态 空带不导电空带不导电空带不导电空带不导电 半满带半满带半满带半满带被电子部分填充的一系列被电子部分填充的一系列准连续准连续准连续准连续的能量状态的能量状态 半满带中的电子可以参与导电半满带中的电子可以参与导电半满带中的电子可以参与导电半满带中的电子可以参与导电半导体能带中的几个概念：价带、导带、半导体能带中的几个概念：价带、导带、导带底、价带顶、禁带宽度。导带底、价带顶、禁带宽度。三、半导体中的电子状态和能带三、半导体中的电子状态和能带 导带导带导带导带 价带价带价带价带 有电子能够参与导电的能带有电子能够参与

13、导电的能带，在半导体材，在半导体材料中由料中由价电子价电子形成的形成的高能级能带高能级能带通常称为导带。通常称为导带。由价电子形成的能带由价电子形成的能带，在半导体材料中由，在半导体材料中由价电子价电子形成的形成的低能级能带低能级能带通常称为价带。通常称为价带。导带底导带底导带底导带底E EC C 价带顶价带顶价带顶价带顶E EV V导带电子的最低能量导带电子的最低能量 价带电子的最高能量价带电子的最高能量 EcEcEvEv半导体能带中的几个概念：价带、导带、半导体能带中的几个概念：价带、导带、导带底、价带顶、禁带宽度。导带底、价带顶、禁带宽度。三、半导体中的电子状态和能带三、半导体中的电子状

14、态和能带 禁带宽度禁带宽度禁带宽度禁带宽度/E/Eg g 导带和价带之间的能级宽度，导带和价带之间的能级宽度，Eg=Ec-Ev绝缘体：绝缘体：Eg=36eV半导体：半导体：硅硅1.12eV、锗、锗0.67 eV、砷化镓、砷化镓1.42 eV EcEcEvEv利用各种半导体材料的不同禁带宽利用各种半导体材料的不同禁带宽度可以在器件生产工艺中给予指导。度可以在器件生产工艺中给予指导。禁带宽度大禁带宽度大EgEg的材料常用来制备的材料常用来制备高温工作高温工作的器件。的器件。选择材料的禁带宽度正好与可见光的光子能量相匹选择材料的禁带宽度正好与可见光的光子能量相匹配，可制备配，可制备可见光发射器件可见

15、光发射器件。禁带宽度小禁带宽度小EgEg的材料可用来制备的材料可用来制备红外探测器红外探测器。简述空穴的概念。简述空穴的概念。三、半导体中的电子状态和能带三、半导体中的电子状态和能带 当外界条件发生变化时，半导体当外界条件发生变化时，半导体满带满带中少量中少量电子电子可被可被激发到激发到上面的上面的空带空带中去，使导带底附近中去，使导带底附近有了一些电子，同时价带中由于少了一些电子，有了一些电子，同时价带中由于少了一些电子，在在价带顶部价带顶部附近出现了一些附近出现了一些空的量子状态空的量子状态，价带，价带即成了半满带，在外电场作用下，仍留在价带中即成了半满带，在外电场作用下，仍留在价带中的电

16、子也能起导电作用，相当于把这些空的量子的电子也能起导电作用，相当于把这些空的量子状态看作状态看作带正电荷的带正电荷的“准粒子准粒子准粒子准粒子”的导电作用，常的导电作用，常把这些满带中因失去了电子而留下的把这些满带中因失去了电子而留下的空位空位称为称为空空穴穴。本征激发的概念。本征激发的概念。由于温度，价带上的电子激发成为导带电子即由于温度，价带上的电子激发成为导带电子即“准自由准自由准自由准自由”电电子的过程子的过程 。杂质和缺陷杂质和缺陷对导电性能产生影响的对导电性能产生影响的机理机理是什么？是什么？四、四、半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷 由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产生的所产生的周期性势场受到破坏周期性势场受到破坏，有可能在，有可能在禁带中引入禁带中引入允许允许电子存在的能量状态（即电子存在的能量状态（即能级能级），从而对半导体的性质产），从而对半导体的性质产生决定性的影响。生决定性的影响。实际应用的半导体材料偏离理想情况的现象有哪些？实际应用的半导体材料偏离理想情况的现象有哪些？1.1.原子原子并不是静