关关雎鸠 南邮 微电子导论课件 ch2

1、第二讲半导体物理基础电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲目录半导体的概念半导体的晶体结构能带理论半导体的掺杂载流子的输运电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲什么是半导体？超导体超导体: : 大于大于10106 6( ( cmcm) )-1-1导导 体体: 10: 106 610104 4( ( cmcm) )-1-1半导体半导体: 10: 104 41010-10-10( ( cmcm) )-1-1 绝缘体绝缘体: : 小于小于1010-10-10( ( cmcm) )-1-1电电导导率率2.1 半导体的概念电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学

2、导论第二讲半导体材料的分类单晶半导体：单晶硅（Ge）、单晶锗（Ge）多晶半导体：多晶硅化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP） 、碳化硅（SiC）非晶半导体：非晶硅有机半导体：OLED2.1 半导体的概念电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲目录半导体的概念半导体的晶体结构能带理论半导体的掺杂载流子的输运电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲最常见的半导体材料硅硅：Silicon符号：Si元素周期表位置： 第IV主族，第2周期（14号元素）电子数：14价电子数：41s2s2p3s3p3d原子核2.2 半导体的晶体结构电子科学与工程学院微电子技术系

3、郭宇锋微电子学导论第二讲Si原子的结合形式共价键结合正四面体结构Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+2.2 半导体的晶体结构电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲Si的晶体结构金刚石结构八个顶点各一个原子，共8个原子六个面心各一个原子，共6个原子两条体对角线的1/4和3/4处各一个原子，共4个原子每个体对角线上的原子和相邻的三个面心原子和一个顶角原子构成一个正四面体。2.2 半导体的晶体结构电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲Si的晶体结构xyz2.2 半导体的晶体结构电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第

4、二讲目录半导体的概念半导体的晶体结构能带理论半导体的掺杂载流子的输运电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲自由电子的运动2222max1122DR q BEmVm能量连续2.3 能带理论电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲单原子中电子的运动电子的运动量子化。电子的能量不再连续，每个电子只能处于确定的能量状态，称为能级。1s2s2p3s3p3d原子核2.3 能带理论电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲晶体中电子的运动晶体由大量的原子组成（1023个/cm3）。每个原子由原子核和电子组成，在一定温度下电子围绕原子核运动，而原子核在平衡位置附

5、近做无规则振动。因此晶体中电子的运动是个典型的多体问题。Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+2.3 能带理论电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲多体问题的单体化假设一：绝热近似 原子核的质量远远大于电子的质量，运动速度比较慢，因此将电子的运动和原子核的运动（晶格震动）分开处理，即在研究电子的运动时假设原子核是固定不动的。从而将多体问题转化为多电子问题Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+2.3.1 能带论电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4

6、+Si4+Si4+Si4+多体问题的单体化假设二：单电子近似 电子间的相互作用可以用某种平均作用来替代，从而每个电子的运动都看做是在固定的离子势场和其它电子的平均势场下的运动。从而多电子问题转化为单电子问题。2.3.1 能带论电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+多体问题的单体化假设三：周期性势场近似。 根据晶体中原子的周期性排列，可以认为晶体中单电子运动所处的势场（离子势场和电子平均势场）是一个周期性势场。2.3.1 能带论电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲能带论基于以上三个假设，

7、可以得到在晶体中运动的电子能量由一系列允许能量和禁止能量隔开，即电子处于能带状态。其中由允许能量构成的能量区域称为能带，而禁止能量构成的能量区域称为禁带。 原子能级 晶体能带能带能带能带禁带禁带2.3.1 能带论电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲几个概念满带：所有状态数都被电子填满的能带。满带：所有状态数都被电子填满的能带。空带：没有任何电子的能带。空带：没有任何电子的能带。价带：价带：0K0K时时被电子填充的能量最高的能带被电子填充的能量最高的能带（为价电子填充）。（为价电子填充）。导带：导带：0 0K K时时未被电子填充的能量最低的能带未被电子填充的能量最低的能带。价

8、带导带空带禁带ECEVEG禁带：禁带：导带底与导带底与价带顶之间能带价带顶之间能带间隙。间隙。带隙带隙（禁带宽（禁带宽度）度）：导带底与：导带底与价带顶之间的能价带顶之间的能量差量差。满带满带2.3.1 能带论电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲电子的跃迁当温度从0K升高时，半导体价带顶的电子会取得热能而跃迁到导带（通常位于导带底），如果对导带上的电子施加电压，电子将自由地在晶体中运动，从而形成电流，称为电子电流。价带中因电子跃迁出现的空位在外加电压的作用下，可以像带正电的粒子一样在晶体中运动，也将形成电流。这个虚拟的粒子称为空穴，所形成的电流称为空穴电流。价带导带禁带EC

9、EVEGSi:EG=1.1eV2.3.1 能带论电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲电子的跃迁2.3.1 能带论满带导带电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲半导体中的电流2.3.1 能带论电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲固体的导电模型绝缘体：晶体只有满带和空带，且满带与空带之间的禁带较宽。满带满带空带满带满带空带满带部分填充能带满带绝缘体半导体金属2.3.2 固体的导电模型电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲固体的导电模型半导体：晶体只有满带和空带，但满带与空带之间的禁带较窄（0K2.4.1本征半导体电子科学与

10、工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲杂质半导体施主：施主：Donor，掺入半掺入半导体的杂质原子向半导导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。并成为带正电的离子。如如Si中中掺掺的的V族元素磷族元素磷（P）和和砷（砷（As）。）。进行施主掺杂的半导体进行施主掺杂的半导体叫叫N型半导体。型半导体。 施施 主主 掺掺 杂杂Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+As5+施主浓度：施主浓度：ND2.4.2杂质半导体电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲半导体的掺杂 受受 主主 掺掺 杂杂Si4+Si4+Si4

11、+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+B3+受主：受主：Acceptor，掺掺入半导体的杂质原子入半导体的杂质原子向半导体中提供导电向半导体中提供导电的空穴，并成为带负的空穴，并成为带负电的离子。如电的离子。如Si中掺中掺的的III族元素硼（族元素硼（B）进行受主掺杂的半导进行受主掺杂的半导体叫体叫P型半导体。型半导体。受主浓度：受主浓度：NA2.4.2杂质半导体电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲杂质能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态，从而在能带中引入附加的能级。子态，从而在能带中引入附加的能级。ECEV施主能

12、级施主能级（T0K）ECEV受主能级受主能级（T0K）2.4.3杂质能级电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲杂质能级ECEV施主能级施主能级（T0K）ECEV受主能级受主能级（T0K）2.4.3杂质能级电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲杂质能级的补偿ECEVN型补偿型补偿（NDNA）ECEVP型补偿型补偿（NAND）2.4.3杂质能级电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲目录半导体的概念半导体的晶体结构能带理论半导体的掺杂载流子的输运电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲电子：电子：Electron，带负电的导电，带

13、负电的导电载流子，是价电子脱离载流子，是价电子脱离原子束缚原子束缚 后形成的自由后形成的自由电子，对应于导带中占电子，对应于导带中占据的电子。据的电子。空穴：空穴：Hole，带正电的导电载流，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子子，是价电子脱离原子束缚束缚 后形成的电子空位，后形成的电子空位，对应于价带中的电子空对应于价带中的电子空位。位。半导体中的载流子PBSi4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+ 电电 子子 浓浓 度度 n（negative） 空空 穴穴 浓浓 度度 p（positive）2.5.1 半导体中的载流子电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲本

14、征载流子浓度n=p=ni本征浓度本征浓度ni的影响因素：的影响因素：（1）禁带宽度）禁带宽度EGEG，ni； EG ，ni 。（2）温度）温度T。T，ni； T ，ni 。ECEV室温时硅的本征载流子浓度为：室温时硅的本征载流子浓度为：ni=1.51010cm-3 2.5.1 半导体中的载流子电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲2innp pn 在非本征情形在非本征情形: 热平衡时热平衡时:N型半导体：型半导体：n大于大于pP型半导体：型半导体：p大于大于n非本征载流子浓度2.5.1 半导体中的载流子电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲多子：多数载流子多

15、子：多数载流子n型半导体：电子型半导体：电子p型半导体：空穴型半导体：空穴少子：少数载流子少子：少数载流子n型半导体：空穴型半导体：空穴p型半导体：电子型半导体：电子多子和少子2.5.1 半导体中的载流子电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲n型半导体：电子型半导体：电子 n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半导体：空穴型半导体：空穴 p Na 电子电子 n ni2/Na2.5.1 半导体中的载流子电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲载流子的输运机制一扩散运动：扩散运动：载流子在浓度差作用下载流子在浓度差作用下的运动。的运动。扩散运动产生的电流叫扩散运

16、动产生的电流叫扩散电流。扩散电流。影响扩散电流的因素：(1)扩散系数：D，J(2)浓度差：n，J2.5.2 载流子的输运机制电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲载流子的输运机制二漂移运动：漂移运动：载流子在电场作用下的载流子在电场作用下的运动。运动。漂移运动产生的电流叫漂移运动产生的电流叫漂移电流。漂移电流。影响漂移电流的因素：(1)载流子浓度：n，J(2)电场强度：E ，J(3)迁移率：，J2.5.2 载流子的输运机制电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲迁移率迁移率迁移率：单位电场作用下单位时间内单位电场作用下单位时间内载流子运动的距离，反映了载流子在

17、电载流子运动的距离，反映了载流子在电场作用下输运能力。场作用下输运能力。影响迁移率的主要因素：影响迁移率的主要因素：原子的热震动原子的热震动电离杂质电离杂质在硅中，常温下电子迁移率大约是空穴在硅中，常温下电子迁移率大约是空穴迁移率的迁移率的2.52.5倍。倍。2.5.2 载流子的输运机制电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲正负电荷之和为正负电荷之和为0p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互补偿施主和受主可以相互补偿p = n + Na Ndn = p + Nd Na电中性条件2.5.1 半导体中的载流子电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲半导体中的总电流总电流扩散电流漂移电流总电流扩散电流漂移电流（内因驱动）（内因驱动）（外因驱动）（外因驱动）2.5.2 载流子的输运机制电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲载流子的复合载流子在移动过程中，遇到符号相反的载流子双方会一起消失，称之为复合。2.5.2 载流子的输运机制ECEVECEVSi4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+Si4+载流子产生载流子复合电子科学与工程学院微电子技术系 郭宇锋微电子学导论第二讲作业用于推导能带论的基本假设有哪些？什么用于推导能带论的基本假设有哪些？什么是能带论？用能