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1、第二章半導體物理和器件物理基礎主要內容半導體材料基本特性pn結雙極晶體管金屬-氧化物-半導體場效應管半導體材料的基本特性電導率：超導體:大于106(?cm)-1(conductivity)導體:106~104(?cm)-1半導體:104~10-10(?cm)-1絕緣體:小于10-10(?cm)-1？什么是半導體(semiconductor)半導體的結構原子結合形式：共價鍵形成的晶體結構：具有金剛石晶體結構半導體的主要特點在純凈半導體材料中，電導率隨溫度的上升而指數(shù)地增加。半導體中雜質（impurity）的種類和數(shù)量決定著半導體的電導率，而且在摻雜（do
2、pe）的情況下，溫度對電導率的影響較弱。在半導體中可以實現(xiàn)非均勻摻雜。光的輻照、高能電子等的注入（injection）可以影響半導體的電導率。常見的半導體材料電子：Electron，帶負電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的自由電子，對應于導帶中占據(jù)的電子空穴：Hole，帶正電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對應于價帶中的電子空位半導體的摻雜半導體就是靠電子和空穴的移動導電的，在半導體中，電子和空穴統(tǒng)稱載流子（carrier）。自由電子帶負電荷電子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E＋－＋總電流載流子空穴帶正電荷空
3、穴流半導體的導電性取決于外加能量：溫度變化，導電性變化；光照變化，導電性變化。導電機制N型半導體，在半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，砷等。主要依靠電子導電。多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴++++++++++++N型半導體施主離子自由電子電子空穴對P型半導體在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵等。主要依靠空穴導電?？昭ㄅ鹪庸柙佣鄶?shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導體受主離子空穴電子空穴對施主：Donor，摻入半導體的雜質原子向半導體中提供導電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻的
4、P和As。依靠施主提供的電子導電的半導體稱為n型半導體。受主：Acceptor，摻入半導體的雜質原子向半導體中提供導電的空穴，并成為帶負電的離子。如Si中摻的B。依靠受主提供的空穴導電的半導體稱為p型半導體。在半導體中摻入雜質可以控制半導體的導電性。實際上，半導體中通常含有施主和受主雜質，當施主數(shù)量大于受主時，半導體是n型的；反之，當受主數(shù)量大于施主時，則是p型的。半導體的電導率和電阻率均勻導電材料的導電能力通常采用電阻或電導來描述，滿足歐姆定律。半導體的導電性質可以通過摻雜雜質來實現(xiàn)，通過半導體的電流是不均勻的，因此采用微分形式的歐姆定律，并且利用電
5、導率（conductivity）?和電阻率（resistivity）?描述半導體的導電性質。半導體的電導率（電阻率）與載流子濃度(concentration)（摻雜濃度）和遷移率(mobility)有關。半導體的遷移率（mobility）遷移率是指載流子（電子和空穴）在單位電場作用下的平均漂移速度，即載流子在電場作用下運動速度的快慢的量度，運動得越快，遷移率越大；運動得慢，遷移率小。它是反映半導體導電能力的重要參數(shù)。它對半導體器件的導電能力和工作速度有直接的影響。同一種半導體材料中，載流子類型不同，遷移率不同，一般是電子的遷移率高于空穴。遷移率滿足方程
6、：載流子在電場中并不是不受阻力的，不斷加速的。事實上，要與晶格、雜質、缺陷等發(fā)生碰撞，這種碰撞現(xiàn)象稱為散射（scattering）。散射主要包括兩種：晶格散射和電離雜質散射。單位電場作用下載流子獲得平均速度。反映了載流子在電場作用下輸運能力。晶格散射晶格散射是由晶格振動，也就是熱運動引起的載流子散射。因此，溫度越高，晶格振動越劇烈，更加阻礙了載流子的運動，遷移率下降。EcEv晶格原子熱振動導致勢場的周期性遭到破壞，相當于增加了一個附加勢理想晶格原子排列以一定模式振動的晶格原子電離雜質散射電離雜質散射是由電離雜質形成的正負電中心對載流子的吸引或排斥作用引
7、起的。雜質越多，載流子和帶點中心越多，它們相遇的機會也就越多，就更加阻礙載流子的運動。因此，摻雜濃度越高，遷移率越低。電離雜質散射影響遷移率的因素：溫度摻雜濃度半導體中載流子的散射機制：晶格散射（熱運動引起）電離雜質散射半導體中的載流子量子態(tài)和能級用波函數(shù)描述電子的狀態(tài)，也稱為態(tài)函數(shù)，這個狀態(tài)就稱為量子態(tài)（quantumstate）。一個量子態(tài)上只有一個電子。并且在一定條件下，電子從一個量子態(tài)轉移到另一個量子態(tài)，稱為量子躍遷（transition）。價帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導帶底與價帶
8、頂之間能帶帶隙：導帶底與價帶頂之間的能量差半導體的能帶結構導帶價帶Eg施主能級受主能級雜質能級
