半导体物理I课件.ppt

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1、第3章 导电物理,3.4 半导体物理,1,半导体物理I,3.4 半导体物理,3.4.1 半导体与p-n结,3.4.2 半导体的物理效应,3.4.3 能带理论在半导体中的应用,3.4.4 半导体陶瓷的缺陷化学理论基础,2,半导体物理I,半导体与p-n结,半导体: 本征半导体和非本征半导体（掺杂半导体）,四族元素半导体和化合物半导体,（一）本征半导体,本征半导体：没有杂质和缺陷、理想半导体,禁带,价带,导带,EC,EV,本征半导体,能带特征：,价带全满、导带全空、禁带中无能级,分类：,四族元素半导体：,3,半导体物理I,化合物半导体：,IV-IV 族：,III-V 族：,（锑化铟）,II-VI 族

2、：,（硫化镉），,（碲化锌）,宽禁带、大功率半导体材料,SiC与Si的物性比较,4,半导体物理I,把一对Si原子和C原子看作一个小球,若把第一层作为A层，第2层有B和C两种可能， B上的层有C和A两种可能， C上的层有A和B两种可能，,5,半导体物理I,3C-SiC積層順序,4H-SiC 積層順序,6H-SiC 積層順序,6,半导体物理I,多型：,1.多型是一种元素或化合物以两种或两种以上层状结构存在的现象。这些晶体结构的结构单元层基本上是相同的，只是它们的叠置顺序有所不同，从而可以构成不同的多型变体。 2.多型的符号是由一个数字和一个字母组成，数字代表一个重复周期内的结构单元层的层数，字母表

3、示晶系。例如C（立方），H（六方）、T（三方）、R（三方菱面体格子）、Q（四方）、O或OR（斜方）、M（单斜）等。,7,半导体物理I,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，该原子失去一个价电子出现另一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,8,半导体物理I,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两

4、部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流,图1 在外加电压作用下,半导体中的电子在导带中移动, 空穴则在价带中朝相反方向移动,9,半导体物理I,自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,电导率：,导带电子和价带空穴的数密度。,导带电子和价带空穴的迁移率。,通常：,本征半导体:,10,半导体物理I,本征半导体基本参数,11,半导体物理I,本征半导体之应用特性,本征半导体中，通过控制温度来控制载流子的数量及其导电性。在绝对零度时，所有的电子都处于价带，

5、导带中的所有能级都是空的。当温度升高时，电子占据导带能级的可能性也增加，半导体的导电性也随之增加。半导体中的导电性与温度的这种关系刚好与金属相反。,在实际应用中，本征半导体由于两种载流子的数量相等，显示不出它们彼此的特性。所以不能用来制作晶体管之类的电子器件。但是本征半导体对光、射线、温度的作用非常敏感，使半导体的载流子数量随之发生明显变化，因此可用来制作一些探测器。,12,半导体物理I,锗比硅容易提纯，所以最初发明的半导体三极管是锗制成的。但是，锗的禁带宽度（0.67eV）只有硅的禁带宽度（1.11eV）的大约一半，所以硅的电阻率比锗大，而且在较宽的禁带中能够更加有效地设置杂质能级，所以后来

6、硅半导体逐渐取代了锗半导体。硅取代锗的另一个主要原因是在硅的表面能够形成一层极薄的SiO2绝缘膜，从而能够制备MOS型三极管。,本征半导体之应用特性,除了硅和锗以外，还出现了像砷化镓（GaAs）这样由族元素和族元素组成的化合物半导体。在化合物半导体中，载流子的移动速率远远大于硅和锗，所以能够制备更加高速的大规模集成电路。,13,半导体物理I,缺点：由于温度会影响本征半导体的导电性，所以很难严格控制本征半导体的性能。 解决办法：但是，如果在半导体材料中加入杂质，可以得到非本征半导体。非本征半导体的导电性主要取决于添加的杂质原子的数量，而在一定温度范围内与温度关系不大。,注意： (1) 本征半导体

7、中载流子数目极少, 其导电性能较差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,14,半导体物理I,（二）非本征半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,硅或锗中掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体，可使其导电性能大大增强。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,N 型半导体,15,半导体物理I,Si单晶,Sb,P,As,N型半导体能带结构,5价杂质

8、原子（施主杂质）掺入， 在导带底引入施主杂质能级Ed,杂质能级上的束缚电子很易被（热和电）激发到导带,5价杂质原子向导带提供电子,室温下，施主激发产生的电子数远大于本征激发的电子数,N型半导体：电子是多数载流子；空穴是少数载流子,16,半导体物理I,P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,硅或锗中掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,17,半导体物理I,P 型半导体能带结构,3价杂质原子掺入，相当在价带顶引入受主杂质能级,价带电子很易被（热和电）激发到受

9、主能级上,Si单晶,B,Al,Ga,同样，室温下，受主激发在价带中产生的空穴数远大于本征激发的空穴数,P 型半导体：电子是少数载流子；空穴是多数载流子,等效于空位被激发到价带中、成为空穴,18,半导体物理I,硅与锗中的施主能级Ed(eV)和受主的能级Ea(eV),19,半导体物理I,非本征半导体导电与温度的关系,以施主掺杂为例，分三个温区： 施主的富余价电子所处的杂质原子的电子能级低于半导体的导带。这个富余价电子并没有被施主原子束缚得很紧，只要有一个很小的能量Ed就可以使这个电子进入导带。施主的这个价电子进入导带后，不会在价带中产生空穴。 温区1-非本征区：电导率随T增大而增大， 温区2-耗尽

10、区：随着温度的升高，越来越多的施主电子越过禁带Ed进入导带，最后所有的施主的电子都进入导带，此时称为施主耗尽。温度继续升高，电导率将维持一个常量。 温区3-本征区：在更高的温度下，才会出现本征半导体产生的导电性。,20,半导体物理I,N型半导体的电导率与温度的关系,施主电导,施主耗尽,本征电导,21,半导体物理I,载流子数量：本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的数量相等，而非本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的数量是不相等的。 多子与少子：非本征半导体中的由于杂质原子而形成的载流子称为多数载流子，虽然掺入的杂质原子的数量与半导体原子数量相比只是少数。而本征半导体中由于热激发等产生的载流子称

11、为少数载流子。,本征半导体和非本征半导体的主要区别,22,半导体物理I,化合物半导体通常具有与硅和锗相似的能带结构。 周期表的族元素和族元素是典型的例子。族元素镓（Ga）和族元素砷（As）结合在一起形成化合物砷化镓。在砷化镓中，每个原子平均有4个价电子。镓的4s24p1 能级与砷的 4s24p3 的能级形成2个杂化能带。每个能带能够容纳4N个电子。价带和导带之间的禁带宽度为1.35eV。砷化镓半导体掺杂后也可以形成p型半导体或n型半导体。 化合物半导体的禁带较大，所以耗尽区平台也较宽。而且化合物半导体中载流子的移动速率较大，所以它的导电性比较好。,化合物半导体,23,半导体物理I,n型半导体Z

12、nO的形成,离子化合物半导体又称为缺陷半导体。在离子化合物半导体中，如果含有多余的阴离子，则为p型半导体；含有多余的阳离子，则为n型半导体。许多氧化物和硫化物都有这种半导体性能。,24,半导体物理I,图为N型和P型硅单晶材料在室温(300K)条件下电阻率随掺杂浓度的变化关系曲线。,电阻率和杂质浓度的关系,（三）半导体电导率的影响因素,25,半导体物理I,N型和P型锗、砷化镓以及磷化镓单晶材料在室温(300K)条件下电阻率随掺杂浓度的变化关系曲线。,26,半导体物理I,电阻率（电导率）同时受载流子浓度（杂质浓度）和迁移率的影响，因而电阻率和杂质浓度不是线性关系。 对于非本征半导体来说，材料的电阻

13、率（电导率）主要和多数载流子浓度以及迁移率有关。 杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线，主要原因： 杂质在室温下不能完全电离 迁移率随杂质浓度的增加而显著下降 由于电子和空穴的迁移率不同，因而在一定温度下，不一定本征半导体的电导率最小。,27,半导体物理I,右图所示为一块N型半导体材料中，当施主杂质的掺杂浓度ND为1E15cm-3时，半导体材料中的电子浓度及其电导率随温度的变化关系曲线。,电导率和温度的关系,本征导电时,28,半导体物理I,1）温度比较低时：则由于杂质原子的冻结效应，载流子浓度和半导体材料的电导率都随着温度的下降而不断减小。2）在非本征激发为主的中等温度区间内（即大约200K至45

14、0K之间）：此时杂质完全离化，即电子的浓度基本保持不变，但是由于在此温度区间内载流子的迁移率随着温度的升高而下降，因此在此温度区间内半导体材料的电导率也随着温度的升高而出现了一段下降的情形。3）当温度进一步升高，则进入本征激发区：此时本征载流子的浓度随着温度的上升而迅速增加，因此电导率也随着温度的上升而迅速增加。,从图中可分为三个温区：,29,半导体物理I,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电

15、压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,思考作业：如何通过实验来区别n、p型半导体？,30,半导体物理I,半导体热电仪。半导体的导电性与温度有关。利用这一特性可以制成半导体热电仪，用于火灾报警器。,压力传感器。能带结构和禁带结构与材料中的原子之间的距离有关。处于高压下的半导体材料，其原子间距离变小，禁带也随之变小，电导率增大。所以通过测量电导率的变化，就可以测量压力。,半导体的应用,31,半导体物理I,PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使

16、空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区,(四) PN结及其单向导电性,32,半导体物理I,PN结的单向导电性,PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,33,半导体物理I,PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,34,半导体物理I,PN 结加反向电压（反向偏置）,PN 结变宽,内电场被加强，少子的漂移加强，

17、由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,35,半导体物理I,p-n结的导电行为,正偏压,负偏压,36,半导体物理I,p-n结的伏安特性:单向导通,37,半导体物理I,p-n结的整流效应,38,半导体物理I,p-n结的反向击穿,在p-n结处于反向偏压时，一般只有很小的漏电流，这是由于热激发的少量电子和空穴引起的。但是，如果反向偏压太大，通过p-n结绝缘区的漏电流的载流子将会被大大加速，从而激发出其他的载流子，导致在反向偏压下也产生一个很大的电流

18、。这种现象称为p-n结的反向击穿。,39,半导体物理I,可以通过调节半导体掺杂和p-n结的结构来改变p-n结的反向许可电压。当电路上的电压超过反向许可电压时，p-n结的反向电流将迅速增加，其结果不仅有可能损坏p-n结，也会对电路的其他部分产生影响。 调研：利用p-n结的反向电流特性制备稳压二极管或齐纳（ Zener ）二极管，可以用来保护电路不受突然出现的过高电压的危害。,40,半导体物理I,P-N结的应用之一： 晶体管又称半导体三极管,晶体管是最重要的一种半导体器件之一，它的放大作用和开关作用，促使了电子技术的飞跃。,41,半导体物理I,晶体管的结构,1. NPN型晶体管结构示意图和符号,(

19、2) 根据使用的半导体材料分为: 硅管和锗管,(1) 根据结构分为: NPN型和PNP型,晶体管的主要类型,42,半导体物理I,n-p-n型晶体管电路及其结构,43,半导体物理I,发射区,集电区,基区,发射极E(e),集电极C(c),发射结JE,集电结JC,基极B(b),NPN型晶体管结构示意图,44,半导体物理I,NPN型晶体管符号,45,半导体物理I,2. PNP型晶体管结构示意图和符号,46,半导体物理I,(1) 发射区小，掺杂浓度高。,3. 晶体管的内部结构特点（具有放大作用的内部条件）,平面型晶体管的结构示意图,47,半导体物理I,(2) 集电区面积大。,(3) 基区掺杂浓度很低，且

20、很薄。,48,半导体物理I,晶体管的工作原理（以NPN型管为例）,依据两个PN结的偏置情况,放大状态,饱和状态,截止状态,倒置状态,49,半导体物理I,1发射结正向偏置、集电结反向偏置放大状态,原理图,电路图,50,半导体物理I,(1) 电流关系,a. 发射区向基区扩散电子,形成发射极电流IE,发射区向基区扩散电子,称扩散到基区的发射区多子为非平衡少子,51,半导体物理I,b. 基区向发射区扩散空穴,基区向发射区扩散空穴,发射区向基区扩散电子,形成空穴电流,52,半导体物理I,因为发射区的掺杂浓度远大于基区浓度，空穴电流可忽略不记。,基区向发射区扩散空穴,发射区向基区扩散电子,53,半导体物理

21、I,c. 基区电子的扩散和复合,非平衡少子在基区复合，形成基极电流IB,非平衡少子向集电结扩散,54,半导体物理I,非平衡少子到达集电区,d. 集电区收集从发射区扩散过来的电子,形成集电极电流IC,55,半导体物理I,少子漂移形成反向饱和电流ICBO,e. 集电区、基区少子相互漂移,集电区少子空穴向基区漂移,基区少子电子向集电区漂移,56,半导体物理I,晶体管的电流分配关系动画演示,57,半导体物理I,发射结回路为输入回路，集电结回路为输出回路。,基极是两个回路的公共端，称这种接法为共基极接法。,输入回路,输出回路,58,半导体物理I,n-p-n型MOS场效应管,59,半导体物理I,小组作业：,稳压二极管工作原理 P-N-P型三极管放大原理 MOS场效应管工作原理,60,半导体物理I,