半导体器件物理-半导体特性-课件.pdf

半导体器件物理第一章半导体特忤半导体特性L1半导体的晶格结构L2半导体的导电性1.3 半导体中的电子状态和能带1.4 半导体中的杂质与缺陷L5载流子的运动L6非平衡载流子1.7 习题上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理本章重点 半导体材料的晶格结构 电子和空穴的概念 半导体的电性能和导电机理 载流子的漂移运动和扩散运 动 非平衡载流子的产生和复合半导体器件物电阻率介于导体和绝缘体之间。导体（电阻率小于10-8dm）,绝缘体电阻率大于10 6 Qm）oUHZ）自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶 体如石英、金刚石、硫酸铜等和非晶体玻璃、松香、沥青等）。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤晶体的原子按一 定规律在空间周半导体器件物理第一章半导体特忤ZX半导体器件物理第一童半导彳金刚石结构由两个面心立方结构 沿空间对角线错开四 分之一的空间对角线 长度相互嵌套而成。错(Ge)上海电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特忤大量的硅S i)、错(Ge)原子靠共价键 结合组合成晶体，每 个原子周围都有四个 最邻近的原子，组成 正四面体结构，。这 四个原子分别处在正 四面体的四个顶角上,任一顶角上的原子各 贡献一个价电子和中 心原子的四个价电子 分别组成电子对，作 为两个原子所共有的 价电子对。1上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理上海电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特忤a唐!：2寸体器件物理第一章半导体特忤假使体心结构的原子是刚性的小球，口中心原子与立方体八个角落 的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。t解在体心立方单胞中，每个角落的原子与邻近的八个单胞共用，因此每 个单胞各有8个1/8角落原子和1个中心原子。可得每个单胞中的原子数n=(1/8)X8(角落)+1=2；相邻两原子距离(沿体对角线方向)=ag 2；每个原子半径r=aj?4；每个原子体积V原子=4/3x(aJJ 4)3=75/3 16.单胞中所能填的最大空间比率=原子数X每个原子体积/每个单胞总体积(原子)=2i3V3/(1 6a3)=7ry/3/8 0.68,单胞因此整个体心立方单胞有68%被原子所占据，32%的体积是空的。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与面顶点四个角 落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面心立方单胞的空间比率。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤例硅S i）在30 0 K时的晶格常数为5.43A。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.0 9g/mol）解每个单胞中有8个原子。因此每立方厘米体积中的硅原子数为 8/a3=8/（5.43x108）3=5 x 10”（个原子/cn?）密度=每立方厘米中的原子数X每摩尔原子质量/阿夫伽德罗常数=5 x 1022 x 28.0 9/（6.0 2x 1023）g/cm3=2.33g cm3上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤练习试计算常温下错的数密度。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤晶体的各向异性沿晶格的不同方向，原子排列的周期 性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在 不同方向的物理特性也不同。晶体的各向异性具体表现在晶体不同 方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强 度、磁化率和折射率等都是不同的。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤小Z在ACC A，平面 内有六个原子,在ADD，平面 内有五个原子,且这两个平面 内原子的间距 不同。A上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤晶面指数(密勒指数)数来标志曼附吸句。密勒指数是这样得到的：(1)确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并 以晶格常数为单位测得相应的截距；(2取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的 整数，即将其化简成最简单的整数比；(3将此结果以“(hkl)”表示，即为此平面的密 勒指数。上海电3信息职业技木学浣第一章半导体特忤半导体器件物理如图，晶面ACCA，在 坐标轴上的截距为1,1,8,其倒数为L 1，0，此平面用密勒指数表示 为110）,此晶面的晶向晶列指 数）即为110；晶面ABB，用密勒指 数表示为（）；晶面ITAC用密勒指数 表示为（）。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤练习试求ADD,A，的密勒指数。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理晶列指数第一章半导体特忤晶向指数 任何两个原子之间的 连线在空间有许多与 它相同的平行线。一族平行线所指的方 向用晶列指数表示 晶列指数是按晶列矢 量在坐标轴上的投影 的比例取互质数 111、100、110BQObJ AF-二二二二论|上诲电3信息职业技术学浣半导体器件物理晶面指数(密勒指数)任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同 的平行晶面 一族平行晶面用晶面指数来表示 它是按晶面在坐标轴上的截距的倒数的比例取互 质数(111)(100)、(110)相同指数的晶面和晶列互相垂直。某一确定的晶面常用密勒指数表示为(hid),(hlND时，那么NAND）为有效受主浓度利用杂质补偿的作用，就可 以根据需要用扩散或离子注 入等方法来改变半导体中某 一区域的导电类型，以制备 各种器件。若控制不当，会出现NDpNA的现象,这时，施主电子刚好填充受主能级，虽然晶体中杂质可以很多，但不能 向导带和价带提供电子和空穴，（杂质的高度补偿）。这种材料容 易被误认为是高纯度的半导体，实 际上却含有很多杂质，性能很差。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤(深能级杂质)非ni、v族元素掺入硅、错中也会在禁带中引入能级。非III、V族元素产生的能级有以下两个特点：(1)施主能级距离导带底较远，产生的受主能级距离价带 顶也较远。称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质；(2)这些深能级杂质能产生多次电离，每一次电离相应地 有一个能级。因此，这些杂质在硅、楮的禁带中往往引入若干 个能级。而且，有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能 级。0上海电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特忤金，I族元素，掺入楮中，中性金原子AuO)只有一个 价电子，替位式填充。金比铠少三个价电子，中性金原子 的这一个价电子可以电离而跃入导带，施主能级为ED,电离能为EC-ED)o因为金的这个价电子被共价键所束缚，电离能很大，略小 于错的禁带宽度，所以这个施主能级靠近价带顶。电离以 后，中性金原子就成为带一个电子电荷的正电中心Au+。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤另一方面，中性金原子还可以和周围的四个楮原子形成共价 键，在形成共价键时，它可以从价带接受三个电子，形成 EAL EA2、EA3三个受主能级。金原子AuO接受第一个电子后变为Au，相应的受主能级为 EA1,其电离能为fEAl-EV)o接受第二个电子后，Au便 为Au=,相应的受主能级为EA2,其电离能为EA2-EV)o 接受第三个电子后，Au=便为Au三，相应的受主能级为EA3,其电离能为(EA3-EV)o上述的Au-、Au=、Au三分别表示成为带一个、两个、三个电 子电荷的负电中心。EA3EA2EA1 o EA1离价带顶相对近一 些，但是比HI族杂质引入的浅能级还是深的多，EA2更深，EA3就几乎靠近导带底了。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤金在信中一共有Au+、AuO、Au-、Au=、Au三五 个荷电状态，相应地存在着ED、EAL EA2、EA3四个孤立能级，它们都是深能级。深能级杂质，一般情况下在半导体中的含量极少，而且能 级较深，它们对半导体中的导电电子浓度、导电空穴浓度 和导电类型的影响没有浅能级杂质明显，但对于载流子的 复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称为复合中心，它们引入的能级就称为复合中心能级。金是一种很典型的 复合中心，在制造高速开关器件时，常有意地掺入金以提 高器件的速度。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特性练习试画出错中金的能带图。半导体器件物理第一章半导体特忤半导体中的缺陷和缺陷能级当半导体中的某些区域，晶格中的原子 周期性排列被破坏时就形成了各种缺陷。缺陷分为三类：点缺陷：如空位，间隙原子，替位原子;线缺陷：如位错；面缺陷：如层错等。上诲电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特件点缺陷在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近作振动运 动通常称之为热振动），而且有一部分原子会获得足 够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间 的间隙，形成间隙原子，原来的位置就成为空位。间隙原子和空位成对出现的缺陷只在晶格内形成空位而无间隙原子 的缺陷均由温度引起，又称之为热缺陷，它们总是同时存在的。B上海电3信息职业技术学浣半导体器件物理（动态平衡）第一章半导体特忤间隙原子和空位一方面不断地产生，另一方面两 者又不断地复合，达到一个平衡浓度值。由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙位置，而且迁移 时激活能很小，所以晶体中空位比间隙原子多得多，空位 成了常见的点缺陷。在元素半导体硅、错中存在的空位最邻近有四个原子，每个 原子各有一个不成对的价电子，成为不饱和的共价键，这些 键倾向于接受电子，因此空位表现出受主作用。而每一个间隙原子有四个可以失去的未形成共价键的价电子,表现出施主作用。半导体器件物理第一章半导体特忤在niv族化合物中，除了热振动因素形成空位和间隙原子外,由于成分偏离正常的化学比，也形成点缺陷。例如，在碎化钱中，由于热振动可以使钱原子离开晶格格点 形成像空位和线间隙原子；也可以使神原子离开格点形成神 空位和神间隙原子。另外，由于神化像中像偏多或神偏多，也能形成碑空位或钱 空位。(替位原子/反结构缺陷化合物半导体中,存在的另外一种点缺，比如，二元化合物AB中，替位原子可以有两种，A取代B或B 取代A,一般认为AB是受主，BA是施主。例如，在碑化线中，神取代线后为AsGa起施主作用，而像取 代神后为GaAs起受主作用。半导体器件物理第一章半导体特忤位错位错也是半导体中的一种缺陷，它对半导体材料和器件 的性能也会产生很大的影响。在硅、错晶体中位错的情况相当复杂。由位错引入禁带 的能级也十分复杂。根据实验测得，位错能级都是深受主能级。当位错密度 较高时，由于它和杂质的补偿作用，能使含有浅施主杂质 的N型硅、楮中的载流子浓度降低，而对P型硅、楮却没有 这种影响。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤练习 写出常见缺陷的种类并举例。试述弗仑克耳缺陷和肖特基缺陷的特点、共同点和关系。位错对半导体材料和器件有什么影响？上诲电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特忤参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子。载流子的产生半导体器件物理第一章半导体特忤载流子的复合在导电电子和空穴产生的同时，还存在与之相反的过程，即 电子也可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向 晶格放出一定的能量。载流子数目减少上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤（热平衡状态在一定温度下，载流子产生和复合的过程建立起动态 平衡，即单位时间内产生的电子空穴对数等于复合掉的电 子空穴对数，称为热平衡状态。这时，半导体中的导电电子浓度和空穴浓度都保持一 个稳定的数值。处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为 热平衡载流子。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤实践表明，半导体的导电性与温度密切相 关。实际上，这主要是由于半导体中的载流子 浓度随温度剧烈变化所造成的。所以，要深入了解半导体的导电性，必须 研究半导体中载流子浓度随温度变化的规律。因此，解决如何计算一定温度下，半导体 中热平衡载流子浓度的问题成了本节的中心问 题。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理在EE+dE范围卤第一章半导体特忤台匕量电子填充能级E的几率d n=/()今式E八玲N(E)单位体积晶体中在能量E处的电子能级密度d NE d E能量为E的状态密度d E能量无限小量0上海电3信息职业技术学浣EC导带底h普朗克常数mn*电子的有效质量半导体器件物理第一章半导体特性能量为E的空穴状态密度d Na 4水 2折）%d E（厮-的*mp*空穴的有效质量EV 价带顶B上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤_ 00晶体中的电子除了受到外力作用外，还受到晶格原子和 其他电子的作用，为了把这些作用等效为晶体中的电子质 量，所以引入有效质量的概念。（当电子在外力作用下运 动时，它一方面受到外电场力的作用，同时还和半导体内 部原子、电子相互作用着，电子的加速度应该是半导体内 部势场和外电场作用的综合效果。但是要找出内部势场的 具体形式并且求出加速度遇到一定的困难，引进有效质量 后可使问题变得简单，直接把外力和电子的加速度联系起 来，而内部势场的作用则由有效质量加以概括。特别是有 效质量可以直接由试验测定，因而可以很方便地解决电子 的运动规律。）2上海电半导体器件物理第一章半导体特忤费米狄拉克分布函数量为E的一个量子态被一个电子占据的几率/=-l+exp(-上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特性当T=OK时,若EvEF,贝状(E)=1若EEF,贝Uf(E)=0/(=-14-exp(1E-%绝对零度时，费米能级EF可看成量子态是否被电子占据的一个界限。0上海电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特忤当TOK时，若EvEF,则f(E)1/2#E=EF,贝Ijf(E)=1/2若EEF,则f(E)pO和EF的关菱Ec EdEfCD F i V E E E F E 二-二一二-。二-OEc Ec-Ec _ E i i.-.-5s i.11Ef-pK n F*-，-E *七）O OO O O OO O O O E V o oo O O OOO E,r0 0 o o oo oV o oo o o oo o（a）强螳（b）弱性（c）本征情况（d）弱P型（e）强P型本征半导体一块没有杂质和缺陷的半导体），nO=pO,费 米能级大致在禁带的中央；N型半导体nOpO,费米能级比较靠近导带；P型半导体P0 n0,费米能级比较靠近价带；掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤课前复习 载流子产生和复合的特点。什么是热平衡？费米能级与半导体类型的关系?费米能级与掺杂浓度的关系？上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤当半导体的温度大于绝对零度时，就有电子从价带激发到导带 去，同时价带中产生空穴，这就是本征激发。由于电子和空穴 成对出现，导带中的电子浓度应等于价带中的空穴浓度nO=pO式(1-8)将式1-6)、(1-7)代入(1-8),可以求得本征半导体 的费米能级EF,并用符号Ei表示，称为本征费米能级上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤令w式(1-9)等式右边第二项近似为零，可忽略，所以本征半导体的费米 能级Ei基本上在禁带中线处。将式口-9)分别代入式(1-6)(1-7)可得本征半导体载流子浓度山半导体器件物理第一章半导体特忤ni=no=Po=(NcNv)exp(-Eg式1-11)一定的半导体材料，其本征载流子浓度ni随温度上 而迅速增加；不同的半导体材料在同一温度下，禁带宽度越大，本征载流子浓度ni就越小。由(1-6)(1-7)得载流子浓度乘积，并与1-11)比较，可得n0p0=ni2式 fl-12)上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤式(1-12)n0p0=ni2在一定温度下，任何非简并半导体(电子或空穴的浓度分别远低于导带或价带的有效能级 密度)的热平衡载流子浓度的乘积nOpO等于该温 度下的本征半导体载流子浓度ni的平方，与所含 杂质无关。式(1-12)不仅适用于本征半导体，而且也 适用于非简并的杂质半导体材料。上诲电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特忤表 30 0 K下楮、硅、碑化钱的本征载流子浓度各项 鳏Eg(eV)mJ叫“Nc(cm)Nv(cm)g(cm。十篁值%(cm)融僵阖Ge0.67056叫0.37 取1.05X1。5.7X10132.0X10132.4X101，s11.12108 mo0.59 wo2.8X10 尸1.1 X10199.65 X1091.5X1O10GaAs1.4280.068 加0.47 叫45 Ml广8.1 x 1O1C2.25X10-1.1X10-0上海电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特忤杂质半导体的载流子浓度一般来说，在室温下所有的杂质都已电离，一个杂质原子可以 提供一个载流子；假设掺入半导体中的杂质浓度远大于本征激发的载流子浓度。N型半导体 P型半导体（ND为施主杂质浓度）（NA为受主杂质浓度）N型半导体中，电子为多数载流子简称多子），空穴为少 数载流子简称少子）；P型半导体中，空穴为多数载流子,电子为少数载流子。0上海电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特忤n0p0=ni2可以确定少数载流子的浓度式(1-12)N型半导体由式(1-12)，P型半导体由于ND(或NA)远大于ni,因此在杂质半导体中少数载 流子比本征半导体的载流子浓度ni小得多。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤本征激发时=Po=niEj=Ep,Eq Ep%=Ng exp(一:)式（1-6可改写如下ni=Ncexp 一千LI；K。/式(1-6)上海电3信息职业技术学浣半导体器件物理-nt=Ncexp-式代入式（1-6）可得半导体器件物理第一章半导体特忤当一块半导体中同时掺入P型杂质和N型杂质时，考虑室温下，杂质全部电离，以及杂质的补偿作用，载流子浓度为|ND NA|oN型半导体 P型半导体少子浓度计算多子浓度计算p=na-nd上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤杂质浓度与费米能级的关系对于杂质浓度一定的半导体，随着温度的升高，载流子则是从以杂质电离为主要来源过渡到以本征 激发为主要来源的过程。相应地，费米能级则从位 于杂质能级附近逐渐移近到禁带中线处。当温度一定时，费米能级的位置由杂质浓度所 决定，例如N型半导体，随着施主浓度的增加，费米 能级从禁带中线逐渐移向导带底方向。对于P型半导体，随着受主杂质浓度的增加，费 米能级从禁带中线逐渐移向价带顶附近。上诲电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特忤在杂质半导体中，费米能级的位置不但反映了半导 体的导电类型，而且还反映了半导体的掺杂水平。对于N型半导体，费米能级位于禁带中线以上，ND 越大，费米能级位置越高。对于P型半导体，费米能级位于禁带中线以下，NA 越大，费米能级位置越低。如图1-15所示。Ed：5.Ec.E,_ Ec 产二:二二二 Ed-Ef Ef_Fi-F-j i 上x H 1Ef-ev-Ev-Ev-引-Ea-o O OOO O OOO O OO tv OOOOOOOO EOOOOOOOOv O OO O O OO o（a）强理（b）弱峭（c）本征情况（d）弱P型（e）强P型上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤练习判断半导体的导电类型并计算载流子浓度硅中掺入P原子，浓度为1016cm-3；错中掺入B原子，浓度为1017cm-3；硅中先掺入P原子，浓度为2*1016cm-3,再掺入B 原子，浓度为4*1016cm-3;错中先掺入P原子，浓度为2*1016cm-3,再掺入As 原子，浓度为4*1016cm-3。上诲电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特忤载流子的漂移运动半导体中的载流子在电场作用下作漂移运动。在运动过程中，载流子会与晶格原子、杂质原 子或其他散射中心碰撞，速度和运动方向将会 发生改变，可能从晶格中获得能量，速度变大,也有可能把能量交给晶格，速度变小。平均自由程 大量载流子在两次碰撞之间路程的平均值 平均自由时间 大量载流子在两次碰撞之间时间的平均值上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤欧姆定律以金属导体为例，在导体两端加以电压V时,导体内形成电流，电流强度为R为导体的电阻，且阻值与导体的长度1成正比，与截面积s成反比，p为导 体的电阻率。电阻率的倒数为电导率。，即1P上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤电流密度在半导体中，通常电流分布是不均匀的，即流过 不同截面的电流强度不一定相同。我们引入电流密度 的概念，它定义为通过垂直于电流方向的单位面积的 电流，用j表示，即了 AZJ AsAI：通过垂直于电流方向的面积元As的电流强度0上海电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特忤欧姆定律的微分形式一段长为L截面积为s,电阻率为p的均匀导体，若两端外加电压V,则导体内部各处均建立起电场,rr电场强度大小E欧姆定律的微分形式电流密度和s该处的电导 率及电场强度直接联系 起来B上海电3信息职业技术学浣J=7半导体器件物理第一章半导体特忤漂移电流密度导体内部的自由电子受到电场力的作用，沿着电场的反方向 作定向运动，构成电流。电子在电场力作用下的这种运动称 为漂移运动，定向运动的速度称为漂移速度。电子的平均漂移速度一秒种内通过导体某一截面的电子电量就是电流强度I-+的为 x 1X sJ=%=+丽d=仃|豆|n：电子的浓度上海电半导体器件物理I-+也抗xlxJ=%=+=平均漂移速度的大小与电场强度成正比第一章半导体特件I斗l J=加夕|E|因电子的迁移率，习惯取正值表示单位场强下电子的平均漂移速度上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤I-+的为 x 1 x sJ=%=+%=6亘I比较上面两个式子，可得。和N之间的关系b=叩上海电3信息职业技术学浣第一章半导体特件半导体器件物理一块均匀半导体，两端加以电压，在半导体内部就形成电场电子带负电，空穴带正电，所以两者漂移运动的方向不同，电子反电场方向漂移，空穴沿电场方向漂移。电场强度方向电子襟移方向,电子电流-空穴电流二半导体中的导电 作用应该是电子 导电和空穴导电 的总和。空左漂移方向“半导体器件物理第一章半导体特忤un：电子迁移率 Jn：电子电流密度 n：电子浓度up：空穴迁移率Jp：空穴电流密度P：空穴浓度总电流密度JJ=4+L=（附/+网）I/1J=R即两式相比可以得到半导体的电导率b=的4+pqN fB上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤b=方叫+pqN f电导率与载流子浓度 和迁移率之间的关系对于两种载流子浓度相差很悬殊而迁移率差别不太大的杂质半 导体来说，它的电导率主要取决于多数载流子。r N型半导体p型半导体b=nq/b=p吗本征半导体 nO=pO=ni5=qM+/上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤半导体的电阻率可以用四探针直接测量读出，比较方便,所以实际工作中常习惯用电阻率来讨论问题。N型半导体P型半导体1P/1叫4在30 0 K时，本征硅的电阻率约为 2.3X10 5 n-cm,本征错的电阻率约为47fl-cmo本征半导体nO=pO=ni上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理爵医tfT300K.*Ge-Si-GaAsO-210P-Ge：-n-Ge2 3 4 56 8 2 3 4 56 81014 I015电阻率与杂质浓度 成简单反比关系，杂质浓度越高，电 阻率越小。P21图1172 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 8 2 3 4 56 81016 1017 1018杂质被度/cm-3图1-1 7浅和GaAs的电阻率与浓度的关系S i、Ge和GaAs 的电阻率与杂 质浓度的关系i）上海电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特忤一块每立方厘米掺入10 16个磷原子的N型硅，求其在室温下 的电导率和电阻率。知，电子的迁移率为130 0 cm2/(V-s)。n 日匹=1 01 6cm-3电导率b=nq4=1,6x1049x1016 xl300=2.08Q-1 cm1电阻率p=0.480,cm a-1上海电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特忤载流子的扩散运动分子、原子、电子等微观粒子，在气体、液体、固体中都可 以产生扩散运动。只要微观粒子在各处的浓度不均匀，由于无规则热运动，就 可以引起粒子由浓度高的地方向浓度低的地方扩散。扩散运动完全是由粒子浓度不均匀所引起，它是粒子的有规 则运动，但它与粒子的无规则运动密切相关。对于一块均匀掺杂的半导体，例如N型半导体，电离施主带 正电，电子带负电，由于电中性的要求，各处电荷密度为零，所以载流子分布也是均匀的，即没有浓度差异，因而均匀材料 中不会发生载流子的扩散运动。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤扩散流密度单位时间内通过单位面积的载流子数目Ootl时刻在晶体内的某 一平面上引入一些载流子,由于载流子热运动的结果,在x=0处原来高密度的载 流子要向外扩散，直至载 流子均匀分布于整个区域 内。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理费克第一定律扩散流服从费克第一定律。F=-D-dx.F扩散流密度D 扩散系数N 载流子密度扩散电流密度第一章半导体特忤L=qD.dndx电子空穴了上海电3倍息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特忤既有浓度梯度，又有电场作用若半导体中非平衡载流子浓度不均匀，同时又有外加电场 的作用，那么除了非平衡载流子的扩散运动外，载流子还要作 漂移运动。这时扩散电流和漂移电流叠加在一起构成半导体的 总电流。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤爱因斯坦关系迁移率：反映载流子在电场作用下运动难易程度；扩散系数：反映存在浓度梯度时载流子运动的难易程度在平衡条件下，不存在宏观电流，因此电场的方向必须是反抗扩散电流,使平衡时电子的总电流和空穴的总电流分布等于零，即Jr=仃n）源+口乳；*Jp=Qp%+您）#=上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特件以电子电流为例(1-17)n(x)Nexp且士鲁旦 koT呵x)旦.还 dx knT dxI E|=一dV(x)(1-19)需上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤岂二hl 人 q表明了载流子迁移率和扩散系 数之间的关系。虽然是针对平衡载流子推导出 来的，但实验证明，这个关系可直 接应用于非平衡载流子。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一童半导体特忤由于载流子的迁移率与半导体的杂质浓度有关系，故 载流子的扩散系数也与半导体杂质浓度有关。上海电3倍息职业我木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤10()001016 10 广 101810杂质浓度(cm-3)10o O o O 2 1O10192001005020105上海电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特件假设T=30 0 K,一个N型半导体中，电子浓度在0.1cm的 距离中从1 x 10 18cm-3至7X 10 17cm-3作线性变化，计算扩散 电流密度。假设电子扩散系数Dn=22.5 cm2/s。扩散电流密度为dnJtt=qDn-qDn=1.6x1 0-1 9x2 2.5AnAx 1x1018-7x1017 04=10.8A/cm2上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤练习 P30 9 写出欧姆定律的一般形式和微分形式。电子和空穴的漂移方向如何判断？扩散运动又 如何？为什么说平衡态下电场的方向必须是反抗扩散 电流？上诲电3信息职业技术学浣第一章半导体特忤半导体器件物理L6非平衡载流子半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外加作用，破坏了热平衡状态的条件，这就迫使它处 于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。用nO和pO分别表示平衡时的电子浓度和空穴浓度，它们的乘积满足、5 5 Efe V$noPo=Nxr Nc exp(-=%kT处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度将不再是n(5 0,可 以比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为 非平衡载流子，有时也称过剩载流子，用An和Ap分别表示非 平衡电子和非平衡空穴。0上海电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特忤例如在一定温度下，当没有光照时，一块半导体 中的电子和空穴浓度分别为nO和pO,假设是N型半导 体，贝lhOpO,当用适当波长的光照射该半导体时，只要光子的能量大于该半导体的禁带宽度，那么光子 就能把价带电子激发到导带上去，产生电子空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子An,价带比平衡时 多出一部分空穴Ap,且An=Ap o在一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡 时的多数载流子浓度小得多。对于N型半导体，An远 小于nO,Ap远小于nO,满足这个条件的注入称为小 注入。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤上海电3信息职业技术学浣半导体器件物理二三光注入必然导致半导体电导率增大，即引起附加电导率=Apq(4+/)=叫(/+4)除了光照，还可以用其他方法产生非平衡载流子,最常用的是用电的方法，称为非平衡载流子的电注入。如以后讲到的P-N结正向工作时，就是常遇到的电 注入。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤半导体器件物理第一章半导体特忤热平衡并不是一种绝对静止的状态。就半导体中的载 流子而言，任何时候电子和空穴总是不断地产生和复合，在热平衡状态，产生和复合处于相对平衡，每秒钟产生的 电子空穴对数目与复合掉的数目相等，从而保持载流子浓 度稳定不变。I当用光照射半导体时，打破了产生和复合的相对平衡，产生超过了复合，在半导体中产生了非平衡载流子，半导 体处于非平衡状态。光照停止初期，半导体中仍然存在非平衡载流子。由 于电子和空穴的数目比热平衡时增多了，它们在热运动中 相遇而复合的机会也将增大。这时复合超过了产生而造成 一定的净复合，非平衡载流子逐渐消失，最后恢复到平衡 值，半导体又回到了热平衡状态。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤非平衡载流子的寿命相对于非平衡多数载流子而言，非平衡少数载流子的 影响处于主导的、决定的地位，因而非平衡载流子的寿命 通常指少数载流子的寿命。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤当 t=T,则 Ap(t)=(Ap)O/e o寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原来数值的1/e所 经历的时间。寿命不同，非平衡载流子衰减的快慢不同，寿命越短,衰减越快。o通常寿命可用实验方法测量直流光电导衰减法；高频光电导衰减法；光磁电法；扩散长度法；双脉冲法；漂移法。半导体器件物理第一章半导体特忤不同材料的寿命很不相同。一般来说，楮比硅容易获得较高的寿命，而神化钱的 寿命要短得多。在比较完整的错单晶中，寿命可超过 10 4gS o纯度和完整性特别好的硅材料，寿命可达10 3Hs以上。神化钱的寿命极短，约为10-8109s或更低。即使是同种材料，在不同的条件下，寿命也可在一 个很大的范围内变化。通常制造晶体管的楮材料，寿命在几十微秒到二百 多微秒范围内。平面器件中的硅寿命一般在几十微秒以上上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤复合理论由于半导体内部的相互作用，使得任何半导体在平衡态 总有一定数目的电子和空穴。从微观角度讲，平衡态指的 是由系统内部一定的相互作用所引起的微观过程之间的平 衡。也正是这些微观过程促使系统由非平衡态向平衡态过 渡，引起非平衡载流子的复合，因此，复合过程是属于统 计性的过程。根据长期的研究结果，就复合过程的微观机构讲，复合 过程大致可以分为两种：直接复合，即电子在价带和导 带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合；间接 复合，即电子和空穴通过禁带的能级复合中心进行复 合。根据复合发生的位置，又可以将它分为体内复合和表 面复合。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤直接复合电子在导带与价带间直接跃迁而引起非平衡载流子的复合过程1 工日r电子-空穴复合几率一般来说，禁 带宽度越小，直 接复合的几率越 大。在小注入条件下，当温度和掺杂一 定时，寿命是一个常数。寿命与多数载流子浓度成反比，或 者说，半导体电导率越高，寿命就越短。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤间接复合半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级,它们除了影响半导体的电特性以外，对非平衡载流 子的寿命也有很大的影响。实验发现，半导体中杂质越多，晶格缺陷越多，寿命就越短。这说明杂质和缺陷有促进复合的作用。这些促进复合过程的杂质和缺陷称为复合中心。间接复合:非平衡载流子通过复合中心的复合。上海电3信息职业技木学浣上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤甲EcT丙o(a)过程前 E v上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特性半导体器件物理第一章半导体特忤表面复合表面复合是指在半导体表面发生的复合过程。少数载流子寿命值在很大程度上受半导体样品的 形状和表面状态的影响。例如，实验发现，经过吹砂处理或用金刚砂粗磨 的样品，其寿命很短。而细磨后再经过适当化学腐蚀 的样品，寿命要长得多。实验还表明，对于同样的表面情况，样品越小，寿命越短。可见，半导体表面确实有促进复合的作用。上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤表面处的杂质和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中 心能级，因此，就复合机构讲，表面复合仍然是间接复 合。口间接复合理论完全可以用来处理表面复合问题。考虑了表面复合，实际测得的寿命应该是体内复合和 表面复合的综合结果。设这两种复合是单独平行地发生的。用工V表示体内复 合寿命，则1/tv就是体内复合几率。若用工s表示表面复合 寿命，贝U1/TS就表示表面复合几率。总的复合几率1 1 1-=-+-上海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤俄歇复合载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子 空穴复合时，把多余的能量传递给另一个载流 子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上 去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量以 声子的形式放出，这种复合称为俄歇复合。俄歇复合又可分为带间俄歇复合和与杂质 和缺陷有关的俄歇复合。一般来说，带间俄歇复合在窄禁带半导体 中及高温情况下起着重要作用，而与杂质和缺 陷有关的俄歇复合过程，常常会影响半导体发 光器件的发光效率。上诲电3信息职业技术学浣半导体器件物理第一章半导体特忤影响非平衡载流子寿命的因素 材料的种类杂质的含量特别是深能级杂质）表面状态 缺陷的密度 外部条件1外界气氛）睡性.可以衡量材料的质量，年上结构灵敏色海电3信息职业技木学浣半导体器件物理第一章半导体特忤练习P30 10,11上海电3信息职业技木学浣