半导体器件原理绪论

1、1.1.尼曼（美）著，赵毅强，姚素英，解晓东等译，尼曼（美）著，赵毅强，姚素英，解晓东等译，半导体物理与半导体物理与器件器件第四版（第四版（20132013）. .2.2.黄均鼐等著，黄均鼐等著，半导体器件原理半导体器件原理，复旦大学出版社（，复旦大学出版社（20112011）3.3.安德森（美）等著，安德森（美）等著，半导体器件基础半导体器件基础，清华大学出版社，清华大学出版社（20102010）4.4.曾树荣，曾树荣，半导体器件物理基础半导体器件物理基础，北京大学出版社（，北京大学出版社（20022002）. .5.5.滨川圭弘（日）编著，滨川圭弘（日）编著，半导体器件半导体器件，科学出版

2、社（，科学出版社（20022002）. .6.6.施敏（美）著，武国钰，施敏（美）著，武国钰， 半导体器件物理半导体器件物理，西安交通大学出，西安交通大学出版社，第三版（版社，第三版（20082008）. . 【S. M. S. M. SzeSze, , Physics of Physics of Semiconductor Devices, 2nd, John Semiconductor Devices, 2nd, John Wiley and Sons Inc. Wiley and Sons Inc. (1981).(1981).】7.7.R. M. Warner, B. L. R. M.

3、 Warner, B. L. GrungGrung，半导体器件电子学半导体器件电子学（英文原（英文原版），电子工业出版社（版），电子工业出版社（20022002）. .课程简介课程简介本课程是本课程是电子科学与技术电子科学与技术( (微电子、光电子微电子、光电子) )等专业的专业等专业的专业基础课，也是其他相关专业的重要选修课之一。基础课，也是其他相关专业的重要选修课之一。本课程结合一些主要的、常见的半导体器件，介绍半导体本课程结合一些主要的、常见的半导体器件，介绍半导体器件的基本结构、基本工作原理、基本性能和基本制造工器件的基本结构、基本工作原理、基本性能和基本制造工艺。主要讨论艺。主要讨论

4、同质同质pnpn结结、金属半导体接触金属半导体接触、异质结异质结以及以及BJTBJT、MOSFETMOSFET、MESFETMESFET等几种核心半导体器件。等几种核心半导体器件。学习和掌握这些半导体器件的基本理论和分析方法，为学学习和掌握这些半导体器件的基本理论和分析方法，为学习诸如习诸如集成电路工艺集成电路工艺、集成电路设计集成电路设计等后续课程等后续课程打下基础，也为将来从事微电子学的研究以及现代打下基础，也为将来从事微电子学的研究以及现代VLSIVLSI与与系统设计和制造工作打下坚实的基础。系统设计和制造工作打下坚实的基础。教学目的和要求教学目的和要求掌握掌握半导体器件的基本结构、物理

5、原理和特性半导体器件的基本结构、物理原理和特性；熟悉熟悉半导体器件的主要工艺技术及其对器件性能的半导体器件的主要工艺技术及其对器件性能的影响影响；了解了解现代半导体器件的发展过程和发展趋势，对典现代半导体器件的发展过程和发展趋势，对典型的新器件和新的工艺技术有所了解，为进一步学型的新器件和新的工艺技术有所了解，为进一步学习相关的专业课打下坚实的理论基础。习相关的专业课打下坚实的理论基础。一、半导体器件的分类一、半导体器件的分类二二. . 本课程的任务本课程的任务1. 1. 半导体器件的工作原理半导体器件的工作原理2. 2. 器件特性与器件特性与 （电学） IV IV3. 3. 半导体器件模型化

6、（半导体器件模型化（modelingmodeling） 等效电路等效电路4. 4. 半导体器件小型化趋势半导体器件小型化趋势材料参数（材料参数（ND, NA, n, p, n, p, ）几何尺寸（几何尺寸（Wb, Lg, ）偏置电压偏置电压V频率频率 t的关系的关系三三. . 本课程与其它课程的关系本课程与其它课程的关系四四. . 本课程内容本课程内容第一章：绪论第一章：绪论 半导体器件的物理基础半导体器件的物理基础0晶体结构、能带、半导体统计，非平衡载流子输运，器晶体结构、能带、半导体统计，非平衡载流子输运，器件工作基本方程件工作基本方程第二章：第二章：pnpn结二极管结二极管 第三章：金半

7、接触和半导体异质结第三章：金半接触和半导体异质结第四章：双极型晶体管第四章：双极型晶体管第五章：第五章：MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管0基本原理，输出特性基本原理，输出特性第六章第六章 结型场效应晶体管结型场效应晶体管半导体接触的物理机半导体接触的物理机制（基本器件构件）制（基本器件构件）典型典型的半的半导体导体器件器件第七章第七章 光器件光器件太阳能电池、光电二极管太阳能电池、光电二极管LEDLED等等专用专用半导半导体器体器件件课程性质课程性质：专业必修：专业必修学分学分：3课程特点课程特点：微观物理过程多：微观物理过程多成绩评定方法：成绩评定方法：期末考试期末考试70平时成绩平时成

8、绩30绪论：半导体物理基础绪论：半导体物理基础1.1 1.1 半导体材料半导体材料1.2 1.2 晶体结构晶体结构1.3 1.3 能带能带1.4 1.4 半导体中的载流子半导体中的载流子1.5 1.5 半导体掺杂半导体掺杂1.6 1.6 半导体中的载流子及其输运半导体中的载流子及其输运1.7 1.7 半导体中的光电特性半导体中的光电特性1.1 1.1 半导体材料半导体材料1 1、什么是半导体？、什么是半导体？ 固体材料从导电特性上分成：固体材料从导电特性上分成： 超导体、导体、超导体、导体、半导体半导体、绝缘体、绝缘体 从导电特性和机制来分：从导电特性和机制来分： 不同的禁带宽度及其温度特性，

9、不同的禁带宽度及其温度特性， 不同的输运机制不同的输运机制能带结构能带结构Semiconductor导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，叫做半导导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，叫做半导体。电阻率在体。电阻率在1010-3-3-10-1010 10 cm. .半导体物理基础半导体物理基础绝缘体、半导体和导体电导率的典型范围绝缘体、半导体和导体电导率的典型范围181016101410121010108106104102101210410610810181016101410121010108106104102101210410610810电阻率 /(cm)S-1电导率 /(cm )Ge锗()硅(

10、Si)GaAs砷化镓()GaP磷化镓()CdS硫化镉()铜银铝铂硫化铋玻璃金刚石(纯)硫熔融石英181016101410121010108106104102101210410610810181016101410121010108106104102101210410610810电阻率 /(cm)S-1电导率 /(cm )Ge锗()硅(Si)GaAs砷化镓()GaP磷化镓()CdS硫化镉()铜银铝铂硫化铋玻璃金刚石(纯)硫熔融石英半导体的基本特性半导体的基本特性p元素半导体和化合物半导体元素半导体和化合物半导体p晶态半导体、非晶及多晶半导体晶态半导体、非晶及多晶半导体p无机半导体和有机半导体无机半

11、导体和有机半导体p本征半导体和杂质半导体本征半导体和杂质半导体 半导体的种类半导体的种类温度效应温度效应-负温度系数负温度系数掺杂效应掺杂效应-杂质敏感性杂质敏感性光电效应光电效应-光电导光电导电场、磁场效应电场、磁场效应周期表中与半导体有关的部分周期表中与半导体有关的部分硅、锗硅、锗都是由单一原子所都是由单一原子所组成的元素半导体，均为组成的元素半导体，均为周期表第周期表第IVIV族元素。族元素。2020世纪世纪5050年代初年代初期期，锗曾是最主要的，锗曾是最主要的半导体材料；半导体材料；6060年代初期以后年代初期以后，硅已取代硅已取代锗锗成为半导成为半导体制造的主要材料。体制造的主要材

12、料。周期IIIIIIVVVI2 BC N 硼炭氮3Mg AlSiPS镁铝硅磷硫4ZnGaGeAsSe锌镓锗砷硒5CdInSnSbTe铬铟锡锑碲6HgPb汞铅周期IIIIIIVVVI2 BC N 硼炭氮3Mg AlSiPS镁铝硅磷硫4ZnGaGeAsSe锌镓锗砷硒5CdInSnSbTe铬铟锡锑碲6HgPb汞铅硅的优势：硅的优势：硅器件在室温下有较佳的特性；高品质的硅氧化硅器件在室温下有较佳的特性；高品质的硅氧化层可由热生长的方式产生，成本低；硅含量占地表的层可由热生长的方式产生，成本低；硅含量占地表的25%25%，仅，仅次于氧，储量丰富。次于氧，储量丰富。元素元素(elements)(eleme

13、nts)半导体半导体元素与化合物半导体元素与化合物半导体用于高速器用于高速器件、高速集件、高速集成电路。成电路。主要用于主要用于异质结、异质结、超晶格和超晶格和远红外探远红外探测器。测器。半导体材料的半导体材料的制备制备从熔体中制备从熔体中制备Growth from melt：晶体晶体外延生长外延生长Epitaxial growth:晶体晶体区域熔炼法）：区域熔炼法）：利用籽晶生长利用籽晶生长提拉法）提拉法）refining( Zone:( iCzochralsh Epitaxy phase-LiquiMBEEpitaxy phaseVapor CVD、PVD方法：方法： (非晶薄膜非晶薄膜）

14、提拉法：提拉法：构成晶体的原料放在坩埚构成晶体的原料放在坩埚中加热熔化，在熔体表面接籽晶提中加热熔化，在熔体表面接籽晶提拉熔体，在受控条件下，使拉熔体，在受控条件下，使籽晶籽晶和和熔体的交界面上不断进行原子或分熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出单晶体。生长出单晶体。半导体材料的形态：按照构成固体的半导体材料的形态：按照构成固体的粒子在空间的排列粒子在空间的排列情况情况晶体晶体：原子有规律排列，具有确定的晶体结构，各向异性。：原子有规律排列，具有确定的晶体结构，各向异性。非晶非晶：原子排列长程无序，有一些非晶材料常态下是绝缘体或：原子

15、排列长程无序，有一些非晶材料常态下是绝缘体或高阻体，但在达到一定值的外界条件高阻体，但在达到一定值的外界条件(如电场、光、温度等如电场、光、温度等)时，时，呈现出半导体电性能，称之为非晶态半导体材料。开关元件、呈现出半导体电性能，称之为非晶态半导体材料。开关元件、记忆元件、固体显示、热敏电阻、太阳能电池等。记忆元件、固体显示、热敏电阻、太阳能电池等。多晶多晶：由大的晶粒和晶界组成，也可能包括部分非晶：由大的晶粒和晶界组成，也可能包括部分非晶,保留了单保留了单晶的基本性质（迁移率比较大），总体性质上表现出各向同性。晶的基本性质（迁移率比较大），总体性质上表现出各向同性。价格比较便宜，应用较多。价

16、格比较便宜，应用较多。 1.2 1.2 半导体结构半导体结构单晶有周期性非晶无周期性多晶每个小区域有周期性晶体中原子的周期性排列称为晶格，整个晶格可以用晶体中原子的周期性排列称为晶格，整个晶格可以用单胞单胞来描述，重复单胞能够形成整个晶格。来描述，重复单胞能够形成整个晶格。三种三种立方晶体单胞立方晶体单胞金属原子分布在立方体金属原子分布在立方体的八个角和六个面的中的八个角和六个面的中心。心。每个原子有12个最邻近原子。八个原子处于立方体的八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立角上，一个原子处于立方体的中心。方体的中心。每一个原子有八个最邻近原子。金属原子分布在立方体金属原子分布在立方体的八个

17、角上，的八个角上，且每个原且每个原子都有六个等距的邻近子都有六个等距的邻近原子。原子。晶体结构与原子结合的形式有关晶体结构与原子结合的形式有关l晶体结合的基本形式：共价结合、离子结合、金属晶体结合的基本形式：共价结合、离子结合、金属结合、范德瓦耳斯结合结合、范德瓦耳斯结合l半导体的晶体结构：主要有半导体的晶体结构：主要有l金刚石结构金刚石结构（ GeGe、SiSi）l闪锌矿结构闪锌矿结构（GaAsGaAs等等III-VIII-V族和族和CdTeCdTe等等II-VIII-VI族化族化合物）合物）l纤锌矿结构纤锌矿结构（部分（部分III-VIII-V族和族和II-VIII-VI族化合物族化合物)

18、 )晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构金刚石结构金刚石结构，属立方晶系，属立方晶系，由由两个面心立方子晶格两个面心立方子晶格相互相互嵌套而成。嵌套而成。硅，锗硅，锗，每个原子有四个最，每个原子有四个最近邻。近邻。闪锌矿结构闪锌矿结构，大部分的大部分的III-V族化合物半导体族化合物半导体( (如如GaAs) )具具有闪锌矿结构。有闪锌矿结构。金刚石结构金刚石结构中中, 顶点的原子用其他的原顶点的原子用其他的原子替代。子替代。两种元素，两种元素，GaAs, GaP等等晶体结构晶体结构纤锌矿结构纤锌矿结构（六方硫化锌型结构）（六方硫化锌型结构），六角密堆积，属六方晶系，六角密堆积，属六方晶系，ABA

19、B型共型共价键晶体，其中价键晶体，其中A A原子作六方密堆原子作六方密堆积，积，B B原子填充在原子填充在A A原子构成的四面原子构成的四面体空隙中。体空隙中。 CdS, ZnSCdS, ZnS岩盐结构（岩盐结构（NaCl结构），结构），属属等轴晶系。等轴晶系。AB型化合物结构型化合物结构类型之一，其中阴离子类型之一，其中阴离子B排排列成立方密堆积，阳离子列成立方密堆积，阳离子A填充在阴离子构成的八面体填充在阴离子构成的八面体空隙中。空隙中。选择单胞的规则：选择单胞的规则：1 1）对称性与整个晶体的对称性一致；）对称性与整个晶体的对称性一致；2 2）直角最多；直角最多；3 3）满足前两点的基础

20、上体积最小）满足前两点的基础上体积最小晶体学单胞或晶体学单胞或惯用单胞惯用单胞一些半导体材料的晶体结构和晶格常数一些半导体材料的晶体结构和晶格常数闪锌闪锌矿结矿结构构纤锌矿纤锌矿结构结构一些半导体材料的晶体结构和晶格常数一些半导体材料的晶体结构和晶格常数晶列指数和晶面指数晶列指数和晶面指数晶列：在一个晶格结构中通过任意两个结点的连线。晶列：在一个晶格结构中通过任意两个结点的连线。晶列族：平行于某一晶列的所有晶列的组合。晶列族：平行于某一晶列的所有晶列的组合。晶面晶面：在一个晶：在一个晶格结构中通过任格结构中通过任意不在同一晶轴意不在同一晶轴上的三个结点构上的三个结点构成的平面成的平面晶面族晶面

21、族：平行于：平行于某一晶面的所有某一晶面的所有晶面的组合晶面的组合晶体的晶面用晶面指数（密勒指数）表示：该晶面与坐晶体的晶面用晶面指数（密勒指数）表示：该晶面与坐标轴截距的倒数可以化为互质整数。标轴截距的倒数可以化为互质整数。u110晶面就是指平行于晶轴晶面就是指平行于晶轴c，在，在a，b轴截长相等的晶面轴截长相等的晶面u100晶面就是平行于晶面就是平行于b，c两个晶轴，在两个晶轴，在a轴截长为轴截长为C的晶面。的晶面。u111晶面就是在晶面就是在a,b,c三个晶轴上的截长都相等的晶面。三个晶轴上的截长都相等的晶面。u值得注意的是值得注意的是110晶面不单是指一个平面，在晶面不单是指一个平面，

22、在晶体晶体中所有和它中所有和它平行的平面都是。平行的平面都是。 1.3 1.3 半导体的半导体的能带能带 电子的微观运动服从量子力学规律。电子的微观运动服从量子力学规律。 其基本特点包含以下两种运动形式：其基本特点包含以下两种运动形式：电子做稳恒的运动，具有完全确定的能量电子做稳恒的运动，具有完全确定的能量。 这种这种稳恒的运动状态称为稳恒的运动状态称为量子态量子态。相应的能量称为能。相应的能量称为能级。在半导体中，由于价电子的共有化，由单个级。在半导体中，由于价电子的共有化，由单个原子的能级变成平直的能带。原子的能级变成平直的能带。在一定条件下，电子可以发生在一定条件下，电子可以发生从一个量

23、子态转移从一个量子态转移到另一个量子态的突变，这种突变称为到另一个量子态的突变，这种突变称为量子跃迁量子跃迁。晶体中电子的共有化运动晶体中电子的共有化运动孤立原子孤立原子电子能级分立电子能级分立晶体晶体由大量的原子结合而成由大量的原子结合而成 各原子的电子轨道有不同程度的交叠各原子的电子轨道有不同程度的交叠 电子的运动出现共有化电子的运动出现共有化 单一的能级分裂成单一的能级分裂成N N个新的能级个新的能级 N N个新能级之间的差别较小，个新能级之间的差别较小，N N很大，因此成为具有很大，因此成为具有一定宽度的能带。一定宽度的能带。原子原子 晶体晶体 半导体晶体中的电子的能量既不像自由电子半

24、导体晶体中的电子的能量既不像自由电子那样连续，也不象孤立原子那样是一个个分立那样连续，也不象孤立原子那样是一个个分立的能级，而是形成能带，每一带内包含了大量的能级，而是形成能带，每一带内包含了大量的，能量很近的能级。的，能量很近的能级。 能带的产生能带的产生价带：价带：0 K 条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带：0 K 条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：禁带：导带底与价带顶之间能带导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差 导带、价带、禁带导带、价带、禁带本征半导体的能带

25、本征半导体的能带E Ec c为导带底为导带底E EV V为价带顶为价带顶能带结构与导电特性能带结构与导电特性导带全空，没有能导带全空，没有能够参与导电的电子够参与导电的电子价带全满，电子无价带全满，电子无法在外场下运动，法在外场下运动，产生净电流产生净电流半导体和绝缘体半导体和绝缘体没有什么差别没有什么差别导带有少量电子，导带有少量电子，能够参与导电能够参与导电价带有部分空位，价带有部分空位，也能够在外场下运也能够在外场下运动，产生净电流动，产生净电流。半导体的导电特性由半导体的导电特性由材料的禁带宽度决定材料的禁带宽度决定满带不导电！满带不导电！由于热振由于热振动可能会动可能会使电子获使电子

26、获得足够的得足够的能量，脱能量，脱离价键的离价键的束缚，由束缚，由价带激发价带激发到导电到导电0K0K时：时：一定温度下时：一定温度下时：不满带导电机理不满带导电机理 金属、半导体及绝缘体的电导率存在巨大差异，这种金属、半导体及绝缘体的电导率存在巨大差异，这种差异可用它们的能带来作定性解释。人们发现，电子在最差异可用它们的能带来作定性解释。人们发现，电子在最高能带或最高两能带的占有率决定此固体的导电性。高能带或最高两能带的占有率决定此固体的导电性。 金属、半导体和绝缘体的能带金属、半导体和绝缘体的能带能带结构的不同造成导电性能的不同。能带结构的不同造成导电性能的不同。金属、半导体和绝缘体的能带

27、金属、半导体和绝缘体的能带价电子与近邻原子形价电子与近邻原子形成强键，很难打破，成强键，很难打破，没有电子参与导电。没有电子参与导电。能带图上表现为大的能带图上表现为大的禁带宽度，价带内能禁带宽度，价带内能级被填满，导带空着，级被填满，导带空着，热能或外场不能把价热能或外场不能把价带顶电子激发到导带。带顶电子激发到导带。导带或者被部分导带或者被部分填充，或者与价填充，或者与价带重叠。很容易带重叠。很容易产生电流。产生电流。近邻原子形成的键结合强近邻原子形成的键结合强度适中，热振动使一些键度适中，热振动使一些键破裂，产生电子和空穴。破裂，产生电子和空穴。能带图上表现为禁带宽度能带图上表现为禁带宽

28、度较小，价带内的能级被填较小，价带内的能级被填满，一部分电子能够从价满，一部分电子能够从价带跃迁到导带，在价带留带跃迁到导带，在价带留下空穴。外加电场，导带下空穴。外加电场，导带电子和价带空穴都将获得电子和价带空穴都将获得动能，参与导电动能，参与导电。金属：不含禁带，半导体：含禁带，绝缘体：禁带较宽金属：不含禁带，半导体：含禁带，绝缘体：禁带较宽1.4 半导体中的载流子半导体中的载流子载流子：能够自由移动的电子和空穴；载流子：能够自由移动的电子和空穴；电子电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子。缚后形成的自

29、由电子，对应于导带中占据的电子。空穴空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位。缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位。半导体的共价键结构半导体的共价键结构 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。所束缚，在空间形成排列有序的晶体

30、。这种结构的立体和平面示意图。这种结构的立体和平面示意图。硅原子空间排列及共价键结构平面示意图硅原子空间排列及共价键结构平面示意图 (a) 硅晶体的空间排列硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图共价键结构平面示意图(c)电子空穴对电子空穴对 当导体处于热力学温度当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以高，有的价电子可以挣脱挣脱原子核的束缚，而参与导原子核的束缚，而参与导电，成为电，成为自由电子自由电子。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中自由电子产生的同

31、时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为常称呈现正电性的这个空位为空穴空穴。 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。半导体半导体中的两种载流子中的两种载流子 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为对出现的，称为电子空穴对电子空穴对。游离的部分自由电子也游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为可能回到空穴中去，称为复合，复合，如图所示。

32、如图所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。本征激发和复合的过程本征激发和复合的过程半导体中的两种载流子半导体中的两种载流子 空穴的移动空穴的移动 自由电子的定向运动形自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现价电子依次充填空穴来实现的，因此，空穴的导电能力的，因此，空穴的导电能力不如自由电子。不如自由电子。空穴在晶格中的移动空穴在晶格中的移动半导体中的两

33、种载流子半导体中的两种载流子1 1、半导体的杂质和缺陷、半导体的杂质和缺陷杂质：在半导体晶体中引入的新的原子或离子杂质：在半导体晶体中引入的新的原子或离子缺陷：晶体按周期性排列的结构受到破坏缺陷：晶体按周期性排列的结构受到破坏杂质和缺陷的存在会使严格按周期性排列的晶体原子杂质和缺陷的存在会使严格按周期性排列的晶体原子所产生的周期势场受到破坏，其结果是在半导体中引所产生的周期势场受到破坏，其结果是在半导体中引入新的电子能级态，这将对半导体的特性产生决定性入新的电子能级态，这将对半导体的特性产生决定性的影响。的影响。SiSi能够得到广泛应用的重要原因是：可对其杂质实现可能够得到广泛应用的重要原因是

34、：可对其杂质实现可控操作，从而实现对半导体性能的精确控制。控操作，从而实现对半导体性能的精确控制。1.5 1.5 半导体的掺杂半导体的掺杂完整半导体电阻率很高，不具有实际应用价值，完整半导体电阻率很高，不具有实际应用价值，通常用掺杂降低其电阻率。通常用掺杂降低其电阻率。室温下半导体的导电性主要由室温下半导体的导电性主要由掺入半导体中的微量的杂质掺入半导体中的微量的杂质（简称掺杂）来决定，（简称掺杂）来决定，这是半导体能够制造各种器件的重这是半导体能够制造各种器件的重要原因。要原因。2 2、半导体的掺杂、半导体的掺杂 掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导掺入在半导体中的杂质原子，能够向

35、半导体中提供导电的电子而本身成为带正电的离子。这种杂质称为电的电子而本身成为带正电的离子。这种杂质称为施主杂施主杂质质。如。如 在在Si中中掺入掺入V族族的的P 和和As。施主施主( (DonorDonor) )掺杂掺杂受主受主(Acceptor)掺杂掺杂 掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴而本身成为带负电的离子。这种杂质称为的空穴而本身成为带负电的离子。这种杂质称为受主杂质受主杂质。如在如在 Si中中掺入掺入III族族的的硼硼(B)元素。元素。掺杂：掺杂：q为控制半导体的性质，人为掺入杂质的工艺过程为控制半导体的性质，人为掺

36、入杂质的工艺过程q掺杂杂质一般为替位式杂质掺杂杂质一般为替位式杂质q扩散和注入是典型的掺杂工艺扩散和注入是典型的掺杂工艺q杂质浓度是掺杂的重要因子：单位体积中杂质原子数杂质浓度是掺杂的重要因子：单位体积中杂质原子数替位式杂质替位式杂质：取代本体原子位置，处于晶格点上；这类杂：取代本体原子位置，处于晶格点上；这类杂质原子价电子壳层结构接近本体原子，如质原子价电子壳层结构接近本体原子，如、族在族在SiSi、Ge(Ge(族族) )中的情况；中的情况；、族在族在化合物中。化合物中。A：间隙杂质间隙杂质本征半导体：本征半导体：化学成分纯净的半导体晶体化学成分纯净的半导体晶体p 当半导体中的杂质远小于由热

37、产生的电子当半导体中的杂质远小于由热产生的电子空穴时，此种半导体称为空穴时，此种半导体称为本征半导体本征半导体。p 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到到99.9999999%，常称为，常称为“九个九个9”。它在。它在物理结构上呈单晶体形态。物理结构上呈单晶体形态。3 3、本征半导体本征半导体与杂质半导体与杂质半导体本征半导体：没有掺入杂质的纯净半导体本征半导体：没有掺入杂质的纯净半导体本征半导体的能带结构：禁带中无载流子可占据本征半导体的能带结构：禁带中无载流子可占据的能级状态的能级状态本征载流子浓度：电子和空穴浓度相同本征载流子浓度：电子和空穴浓度相同

38、n=pn=p3 3、本征半导体本征半导体与杂质半导体与杂质半导体杂质半导体(1) (1) N型半导体型半导体(2) (2) P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的本征半导体称为本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。3 3、本征半导体与、本征半导体与杂质半导体杂质半导体 (1）N型半导体 在在N型半导体中型半导体中自由电子是多数载流子自由电子是多数载流子,它主要由杂质原它主要由杂质原子提

39、供子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, 由热激发形成。由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因提供自由电子的五价杂质原子因自由电子自由电子脱离而带正电脱离而带正电荷成为正离子，因此，五价杂质原子也被称为荷成为正离子，因此，五价杂质原子也被称为施主杂质施主杂质。 在本征半导体中掺入五价杂在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成质元素，例如磷，可形成 N型半型半导体导体, ,也称也称电子型半导体电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因

40、无共价键束缚而的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。很容易形成自由电子。N型半导体结构示意图型半导体结构示意图(2) P型半导体型半导体 本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成 P型半导体型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。因三价杂质原子与硅原子。因三价杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。穴。 P型半导体中型半导体中空穴是多空穴是多数载流子数载流子，主要由掺杂形，主要由掺杂形成；成；电子是少数载流子电子是少数载流子，由，由热激发形成

41、。热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。P型半导体的结构示意图型半导体的结构示意图施主施主：掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导：掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如SiSi中掺入五价的中掺入五价的P P 和和As.As. As As：V V族，其中的四个价电子与族，其中的四个价电子与SiSi形成共价键，但多出一个形成共价键，但多出一个电子只需要很低的能量便能该电子电离进入导带，形成导电子只需要很低

42、的能量便能该电子电离进入导带，形成导电电子和带正电的电离施主。电电子和带正电的电离施主。受主受主：掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导：掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如SiSi中掺入三价的中掺入三价的B.B. B B：IIIIII族，只有三个价电子，与族，只有三个价电子，与SiSi形成共价键，并出现一形成共价键，并出现一个空位，只需要很低的能量便能使价带中的电子填补空位，个空位，只需要很低的能量便能使价带中的电子填补空位，并形成价带空穴和带负电的电离受主。并形成价带空穴和带负电的电离受主。施主和施主能级施主

43、和施主能级 由于施主杂质的掺入而在半导体带隙中新引入由于施主杂质的掺入而在半导体带隙中新引入的电子能级的电子能级AsAs多余的电子由多余的电子由于受正离子的吸于受正离子的吸引，能量较导带引，能量较导带电子能量要低，电子能量要低，同时，吸引作用同时，吸引作用比共价键结合要比共价键结合要弱，因此能量较弱，因此能量较价带电子要高，价带电子要高，施主能级位于带施主能级位于带隙中，离导带很隙中，离导带很近：近：0.03eV0.03eV。电离：施主向导带释放电子的过程。未电离前，施主电离：施主向导带释放电子的过程。未电离前，施主能级是被电子占据的能级是被电子占据的, ,电离后导带有电子，施主本身带电离后导

44、带有电子，施主本身带正电。正电。施主的电离和电离能施主的电离和电离能电离所需要的最小能量称为电离所需要的最小能量称为电离能，通常为导带底与施电离能，通常为导带底与施主能级之差。主能级之差。受主和受主能级受主和受主能级 由于受主杂质掺入而在半导体带隙中新引入由于受主杂质掺入而在半导体带隙中新引入的电子能级，该能级未占据电子，是空的，容易的电子能级，该能级未占据电子，是空的，容易从价带获得电子。从价带获得电子。B B原子多出的原子多出的电子空位很容电子空位很容易接受价带电易接受价带电子，形成共价子，形成共价键，因此较导键，因此较导带更接近价带：带更接近价带：0.05eV0.05eV。受主电离和电离

45、能受主电离和电离能受主能级从价带接受电子的过程称为受主的电离，受主能级从价带接受电子的过程称为受主的电离，未电离前，未被电子占据。未电离前，未被电子占据。电离所需要的最小能量即为受主电电离所需要的最小能量即为受主电离能，为价带顶与受主能级之差。离能，为价带顶与受主能级之差。施主杂质与受主杂质比较施主杂质与受主杂质比较1 1）杂质的带电性）杂质的带电性 未电离：均为电中性未电离：均为电中性 电离后：施主失去电子带正电，受主得到电子电离后：施主失去电子带正电，受主得到电子带负电带负电2 2）对载流子数的影响）对载流子数的影响 掺入施主后：电子数大于空穴数掺入施主后：电子数大于空穴数 掺入受主后：电

46、子数小于空穴数掺入受主后：电子数小于空穴数杂质的补偿原理杂质的补偿原理-pn-pn结实现原理结实现原理（a）NDNA当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，这当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，这种两种不同类型的杂质有相互抵偿的作用，称为种两种不同类型的杂质有相互抵偿的作用，称为杂质补杂质补偿作用偿作用。补偿后半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度，。补偿后半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度，只有有效的杂质浓度才能有效地提供载流子浓度。只有有效的杂质浓度才能有效地提供载流子浓度。（b）ND 0kT0k，若若E= EE= EF F ， 则则f(E) =1/2 f(E) =1/2 ；若

47、；若E EE1/2 f(E) 1/2 ；若；若E E E EF F ， 则则f(E) 1/2f(E) 空空穴迁移率穴迁移率 GaAs Ge Si-平均自由时间，即相邻两次碰撞之间的平均时间。平均自由时间，即相邻两次碰撞之间的平均时间。其影响因素与散射模式相关其影响因素与散射模式相关电离杂质散射电离杂质散射晶格散射晶格散射当半导体中存在载流子浓度梯度时，将发生载流子的当半导体中存在载流子浓度梯度时，将发生载流子的扩散运动，满足扩散方程，并形成扩散电流。扩散运动，满足扩散方程，并形成扩散电流。在一维分布情形下，载流子的扩散密度为：在一维分布情形下，载流子的扩散密度为： 扩散流密度扩散流密度 负号反

48、映扩散流总是从高浓度向低浓度流动。负号反映扩散流总是从高浓度向低浓度流动。电子扩散电流：电子扩散电流： 空穴扩散电流：空穴扩散电流：载流子的扩散运动载流子的扩散运动dxdNDdxdnqDjndiffn,dxdpqDjpdiffp,爱因斯坦关系爱因斯坦关系在平衡条件下，利用电流方程，可导出在平衡条件下，利用电流方程，可导出 爱因斯坦关系爱因斯坦关系这是半导体中重要的基本关系式之一，反映了漂这是半导体中重要的基本关系式之一，反映了漂移和扩散运动的内在联系移和扩散运动的内在联系qkTD 当同时存在电场和载流子浓度梯度时，载流子边当同时存在电场和载流子浓度梯度时，载流子边漂移边扩散。漂移边扩散。如果在

49、半导体一面稳定地注入非平衡载流子，它如果在半导体一面稳定地注入非平衡载流子，它们将一边扩散一边复合，形成一个有高浓度到低们将一边扩散一边复合，形成一个有高浓度到低浓度的分布浓度的分布N N（x x）：）：非平衡载流子的扩散长度非平衡载流子的扩散长度L L：非平衡载流子在被复：非平衡载流子在被复合前扩散的平均距离。合前扩散的平均距离。LxeNxN/0)(复杂体系复杂体系半导体中载流子遵守的半导体中载流子遵守的连续性方程连续性方程连续性方程：连续性方程： ( (非平衡载流子在未达到稳定状态前，载流子非平衡载流子在未达到稳定状态前，载流子随时间的变化率必须等于其产生率加上积累率再减去复合率随时间的变

50、化率必须等于其产生率加上积累率再减去复合率) )（产生、复合、漂移、扩散）共同存在（产生、复合、漂移、扩散）共同存在Jq1ngtnnJq1pgtpp对空穴对空穴对电子对电子辐射跃迁和光吸收辐射跃迁和光吸收 在固体中，光子和电子之间在固体中，光子和电子之间的相互作用有三种基本过程：的相互作用有三种基本过程：吸收、自发发射和受激发射。吸收、自发发射和受激发射。两个能级之间的三种基本跃迁过程两个能级之间的三种基本跃迁过程(a) 吸收吸收 (b) 自发发射自发发射 (c) 受激发射受激发射1.7 1.7 半导体中的光电特性半导体中的光电特性电光效应和电光效应和光电效应光电效应pnpn结注入式场致发光原

51、理结注入式场致发光原理半导体发光包括半导体发光包括激发激发过程和过程和复合复合过程。这两个过过程。这两个过程衔接，是发光必不可少的两个环节。程衔接，是发光必不可少的两个环节。在在pnpn结上施加正偏压，产生注入效应，使结区及结上施加正偏压，产生注入效应，使结区及其左右两边各一个少子扩散长度范围内的少子浓其左右两边各一个少子扩散长度范围内的少子浓度超过其热平衡少子浓度。超过部分就是由电能度超过其热平衡少子浓度。超过部分就是由电能激发产生的处于不稳定高能态的非平衡载流子，激发产生的处于不稳定高能态的非平衡载流子，它们必须通过第二过程：它们必须通过第二过程：复合复合，达到恒定正向注，达到恒定正向注入

52、下新稳态。入下新稳态。电光效应电光效应复合分为复合分为辐射复合辐射复合和和非辐射复合非辐射复合。辐射复合过程。辐射复合过程中，自由电子和空穴具有的能量将变成光而自然中，自由电子和空穴具有的能量将变成光而自然放出。非辐射复合过程中，释放的能量将转变为放出。非辐射复合过程中，释放的能量将转变为其它形式的能，如热能。因此，为提高发光效率其它形式的能，如热能。因此，为提高发光效率应尽量避免非辐射复合。应尽量避免非辐射复合。辐射复合的几条辐射复合的几条途径途径是：是：带带- -带复合带复合、浅施主浅施主- -价价带或导带带或导带- -浅受主间复合浅受主间复合、施施- -受主之间复合受主之间复合、通通过深

53、能级复合过深能级复合等。等。发光器件发光器件q发光二极管：靠注入载流子自发复合而发光二极管：靠注入载流子自发复合而引起的自发辐射；引起的自发辐射；非相干光。非相干光。q半导体激光器则是在外界诱发的作用下半导体激光器则是在外界诱发的作用下促使注入载流子复合而引起的受激辐射促使注入载流子复合而引起的受激辐射；相干光，具有单色性好、方向性强、亮相干光，具有单色性好、方向性强、亮度高等特点。度高等特点。光电效应光电效应当光照射到半导体上时，光能量作用于物体而释放当光照射到半导体上时，光能量作用于物体而释放出电子的现象称为出电子的现象称为光电效应光电效应。光电效应分为。光电效应分为内、外内、外光电效应光

54、电效应两大类。两大类。1 外光电效应外光电效应光电发射效应光电发射效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。基于这类效应的器件有发射的现象称为外光电效应。基于这类效应的器件有光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管。能否产生光电效应由爱因斯坦。能否产生光电效应由爱因斯坦光电效应方程判别：光电效应方程判别：从上式可知：当光子能量大于逸出功时，才产生光电效应；从上式可知：当光子能量大于逸出功时，才产生光电效应；当光子能量恰好等于逸出功时的当光子能量恰好等于逸出功时的 0 0称为称为红限频率红限频率( (对应于长对应于长波限波限) )。小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电。小于红限频率的入射光，