大二物理下-专题讲座半导体

一、半导体的物理基础1、半导体中的电子状态电子运动状态孤立原子电子绕核运动晶体电子共有化运动原子能级分裂成能带

电子能量（自由态；孤立原子；晶体）能带对应孤立原子的每个能量状态开始分裂，扩展成几乎连续的带状而形成能带。允带和禁带导带和价带空带禁带成因布喇格条件：2asinθ＝nλ

入射角θ＝π／2

得λ＝2a／n

即k＝nπ／a

一维晶格中电子波exp(ikx)的布喇格反射相反方向传播的波叠加起来形成驻波正弦波态和余弦波态之间产生能量差入射波与反射波叠加：均匀势场中，电子能量：当k＝π／a，电子能量：一维晶体的势场和对应k＝±π／a的波函数及其几率密度

在波数k满足布喇格条件处出现能隙一维晶体在k＝±π／a处出现带隙

电子按能量分布单位体积传导电子数dn：单体体积，E到E+dE中量子态被电子占据的数目。

dn=f(E)g(E)dE上式：态密度g(E)：单体体积、单位能量间隔内的量子态数。费米–狄拉克分布f(E)：能量为E的一个量子态被电子占据的几率。费米–狄拉克分布函数费米能级EF：在任何温度下，电子占据几率为1/2所对应的能级。

导体、半导体、绝缘体的能带固体的电学性质由原子最外层的价电子决定空穴：价带中未被电子占据或空着的量子态。带正电荷对电导有贡献具有正有效质量 晶体的导电性取决于电子在能带中的填充情况。半导体：两种载流子两种独立的导电机制电导率2、电子和空穴固体能带本征半导体 因热激发在导带和价带中分别产生数量相等的电子和空穴，起导电作用。杂质半导体p型半导体：主要依靠空穴导电Si晶体中的B原子3、本征半导体和杂质半导体受主能级和受主电离Si晶体中的P原子n型半导体：主要依靠电子导电施主能级和施主电离杂质补偿作用

有效杂质浓度二、半导体的光学性质1、半导体的光吸收2、半导体的光发射3、光电导光跃迁本征吸收：电子在价带和导带之间跃迁所形成的光吸收过程条件：两种形式直接跃迁略去光子动量，得1、半导体的光吸收电子的直接跃迁间接跃迁略去光子动量，得光吸收与原子中电子跃迁的区别： 光吸收：连续的吸收带 原子中电子跃迁：吸收线电子的间接跃迁2、半导体的光发射电子从高能态向低能态跃迁过程中伴随着可见光或近可见光的电磁波的发射本征跃迁直接跃迁间接跃迁光照引起半导体光电导率改变的现象电导率 无光照时 光照下，产生电子，产生空穴 附加光电导率 光照下电导率 上式中:

半导体中光电导效应显著3、光电导P–n结势垒和空间电荷区三、pn结PN结：根据杂质补偿原理，用适当的工艺方法掺杂，使单晶的不同区域分别具有n型和p型的导电类型，在二者的交界面处就形成了所谓的p–n结。特性：单向导电性1、pn结能带图扩散运动漂移运动平衡pn结空间电荷区内建电场内建电势差由载流子浓度梯度导致的运动载流子在电场作用下的运动p–n结附近的电离施主和电离受主所带电荷存在的区域空间电荷区中的正、负电荷产生的电场平衡p–n结的空间电荷区两端间的电势差平衡、非平衡pn结能带图2、pn结的伏安特性单向导电性或整流特性正向导通当pn结的p区接电源正极，n区接负极时，有较大电流通过，称正向导通。反向截止当p区接电源负极，n区接正极时，有极小电流通过，称反向截止。

pn结的特性对温度十分敏感整流特性机理正向电流 势垒降低，扩散运动超过漂移运动，多子电流反向电流 势垒增高，漂移运动超过扩散运动，少子电流反向饱和电流随反偏电压增大，反向电流将趋于一个恒定值击穿电压 反向电流密度突然开始迅速增大时对应的反向偏压影响pn结特性的主要因素温度 温度升高，反向饱和电流增大频率 频率增高，整流变坏工作电压

p–n结击穿：雪崩击穿、隧道击穿和热电击穿禁带宽度 禁带宽度越小，反向电流越大四、半导体的应用半导体特性电导率介于导体和绝缘体之间电导率与杂质有关系电导率与外界条件密切相关具有比较高的温差电动势半导体器件双极晶体管太阳能电池MOS场效应晶体管其它元器件 二极管、激光器、发光二极管、各种敏感元件等1、双极晶体管晶体三极管 两个互有影响，背靠背的p–n结组成的一种有源三端器件晶体管种类

p﹣n﹣p型

n﹣p﹣n型基本功能 放大和开关作用（a）电路联接(b)电流–电压特性(c)能带图n﹣p﹣n型晶体管的放大作用n﹣p﹣n型晶体管的放大机理发射极电流Ie

发射结正向偏压，p–n结势垒降低，电子电流。基极电流Ib

电子向集电区扩散，小部分与基区中的空穴复合，形成基极电流Ib。集电极电流Ic

集电结反向偏置，将从基区扩散过来的电子拉入集电区，形成集电极电流Ic。2、太阳能电池光生伏特效应 当用适当波长的光照射具有p–n结结构的半导体表面时，由于内建电场的作用，半导体内部产生电动势。Pn结光生伏特效应能带图入射光hυ≥Eg

电子–空穴对在空间上分开光生载流子要有一定的寿命太阳能电池太阳能电池是实现太阳能向电能转换的光电子器件硅太阳能电池示意图短路的情况下，在p–n结内部形成自n区向p区的光生电流开路的情况下，光生电流和正向电流相等时，p–n结两端建立起稳定的电势差，即光电池的开路电压光电池的工作原理开路电压的最大值将受到结的自建势的限制太阳能电池效率与禁带宽度关系密切3、MOS场效应晶体管基本结构

场效应晶体管（英文缩写为FET）是一种电压控制器件，其导电过程主要涉及一种载流子，故也称为“单极”晶体管。场效应晶体管种类

nMOSFET：电子导电型

pMOSFET：空穴导电型nMOSFET工作过程栅电压VG＝0时，不论漏源之间是否加电压VGS，漏和源之间也没有明显电流栅电压VG＞0时，漏源之间加电压，就会有明显电流流过。MIS结构中，即使在栅与半导体衬底之间施加电压也没有电流流过pMOSFET工作原理积累状态VG＜0时，在半导体表面形成多子（空穴）的积累耗尽状态VG＞0，多子被排斥,在半导体表面形成耗尽层反型状态VG>>0，在表面形成一个电子导电层nMOSFET在各种栅压下的能带及电荷分布4、其它元器件1960年，TheodoreMalman和他的人造红宝石激光器。半导体科学技术的发展历程1833年英国物理学家法拉第发现氧化银的电阻率随温度升高而增高光电导效应、光生伏特效应和半导体整流效应1931年，英国物理学家威尔逊（H.A.Wilson）提出能带理论1939年，前苏联物理学家达维多夫、英国物理学家莫特、德国物理学家肖特基各自提出并建立了解释金属－半导体接触整流作用的理论普渡大学和康乃尔大学的科学家发明了纯净晶体的生长技术和掺杂技术1946年1月，Bell实验室正式成立相关的研究小组1947年12月诞生第一个点接触型晶体管1950