半导体特性、pn结小结

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1、 微电子技术专业微电子技术专业半导体器件半导体器件第第1 1章章 半导体特性半导体特性 第第2 2章章 P-NP-N结结 讲授教师：马讲授教师：马 颖颖第第1 1 章章 半导体特性半导体特性1 半导体的晶格结构、各向异性掌握几种典型材料的计算2 半导体的导电性 熟悉影响半导体导电性能的因素3 半导体中的电子状态和能带了解相关概念，及Eg的指导工艺4 半导体中的杂质与缺陷了解两者的分类及特点掌握施、受主杂质及其能级的概念 本章重点本章重点5 载流子的运动熟悉载流子浓度公式与EF位置的 关系漂移运动与扩散运动的特点掌握杂质半导体的载流子浓度计 算、材料电阻率电导率的计算6 非平衡载流子了解非平衡载

2、流子的产生和复合 概念寿命及其测量方法几种复合理论的概念及特点一、半导体的晶格结构、各向异性 晶体有哪5种常见的晶体结构，都有哪些典 型的元素。 简单立方结构 钋钋(Po) (Po) 体心立方结构钠（钠（NaNa）钼（）钼（MoMo）钨（）钨（WW） 面心立方结构铝（铝（AlAl）铜（）铜（CuCu）金（）金（AuAu）银（）银（AgAg） 金刚石结构碳（碳（C C）硅（）硅（SiSi） 锗（锗（GeGe） 闪锌矿结构 砷化镓砷化镓( (GaAsGaAs) )磷化镓磷化镓( (GaPGaP) ) 硫化锌硫化锌( (ZnSZnS) ) 硫化镉硫化镉( (CdSCdS) ) 一、半导体的晶格结构、

3、各向异性 金刚石结构和闪锌矿结构有什么区别（在 结构、元素、化学键各方面描述）。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。 结构结构正四面体结构正四面体结构共价键概念共价键概念金刚石结构金刚石结构闪锌矿结构闪锌矿结构族元素如Al、Ga、In和族元素 如 P、As、Sb合成的-族化合物都 是半导体材料，为极性半导体极性半导体。族元素中的硅(Si)、锗(Ge) 课构成纯 净的半导体材料，为单元素半导体单元素半导体。元素元素化学键化学键金刚石结构金刚石结构闪锌矿结构闪锌矿结构混合键：共价键+离子键 一、半导体的晶格结构、各向异性 掌握几种晶格结构单胞的空间比率计算。

4、每个单胞中的原子数n 每个原子的半径r 每个原子的体积V原子=4r3/3 最大空间比率=n V原子/ V单胞 掌握硅、锗两种材料的原子数密度和质量 密度的计算。一、半导体的晶格结构、各向异性 什么是晶体的各向异性？表现在哪些方面？ 用什么来表示，这2者有何关系？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。 一族平行晶面用晶面指数（密勒指数）， “（hkl）”来表示 一族平行线所指的方向用晶列（晶向）指数

5、， “hkl”来表示相同指数的晶面和晶列互相垂直，如100定义为垂直 于（100）平面的方向。一、半导体的晶格结构、各向异性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。晶向指数是这样得到的：（1）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（2）将此结果以“hkl”表示二、半导体的导电性 影响半导体材料导电性能的因素有哪些？ 半导体的电性能有哪些？温度、光照、杂质，还有电场、磁场及其他

6、外界因素（ 如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力。热敏特性、光敏特性、掺杂特性热敏特性、光敏特性、掺杂特性现今硅已取而代锗成为半导体制造的主要材料。主要 原因，是因为硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化 硅的运用在其中起着决定性的作用，经济上的考虑也是原 因之一，在二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%， 仅次于氧。三、半导体中的电子状态和能带三、半导体中的电子状态和能带 电子公有化的概念及特点由于晶体中原子的周期性排列而使电子不再为单个原子所有的现象 ，称为电子共有化电子共有化。内层电子的轨道交叠较少，共有化程度弱些，外层电子轨道交叠较 多，共有化程度强些。 能级的概念原子系统的

7、能量呈现不连续状态，即量子化的，也就是电子的能 量只能取一系列不连续的可能值，这种量子化的能量称为能级能级。 能带的概念晶体中每个原子都受到周围原子势场的作用，使原先每个原 子中具有相同能量的电子能级分裂成N个与原来能级很接近的能级 ，形成一个“准连续”的能带能带。 能带中的几个基本概念：允带、禁带、空 带、满带、半满带三、半导体中的电子状态和能带三、半导体中的电子状态和能带 允带允带 禁带禁带 满带满带 空带空带允许电子存在的一系列准连续的准连续的能量状态禁止电子存在的一系列能量状态被电子填充满的一系列准连续准连续的能量状态 满带不导电满带不导电没有电子填充的一系列准连续的能量状态 空带不导

8、电空带不导电 半满带半满带被电子部分填充的一系列准连续准连续的能量状态 半满带中的电子可以参与导电半满带中的电子可以参与导电 半导体能带中的几个概念：价带、导带、 导带底、价带顶、禁带宽度。三、半导体中的电子状态和能带三、半导体中的电子状态和能带 导带导带 价带价带 有电子能够参与导电的能带，在半导体材 料中由价电子形成的高能级能带通常称为导带 。由价电子形成的能带，在半导体材料中由 价电子形成的低能级能带通常称为价带。 导带底导带底E EC C 价带顶价带顶E EV V导带电子的最低能量 价带电子的最高能量 EcEcEvEv 半导体能带中的几个概念：价带、导带、 导带底、价带顶、禁带宽度。三

9、、半导体中的电子状态和能带三、半导体中的电子状态和能带 禁带宽度禁带宽度/E/Eg g导带和价带之间的能级宽度， Eg=Ec-Ev 绝缘体：Eg= 36eV 半导体：硅1.12eV、锗0.67 eV、砷化镓1.42 eV EcEcEvEv 利用各种半导体材料的不同禁带宽 度可以在器件生产工艺中给予指导 。禁带宽度大Eg的材料常用来制备高温工作的器件。 选择材料的禁带宽度正好与可见光的光子能量相匹 配，可制备可见光发射器件。 禁带宽度小Eg的材料可用来制备红外探测器。 简述空穴的概念。三、半导体中的电子状态和能带三、半导体中的电子状态和能带 当外界条件发生变化时，半导体满带中少量 电子可被激发到

10、上面的空带中去，使导带底附近 有了一些电子，同时价带中由于少了一些电子， 在价带顶部附近出现了一些空的量子状态，价带 即成了半满带，在外电场作用下，仍留在价带中 的电子也能起导电作用，相当于把这些空的量子 状态看作带正电荷的“准粒子准粒子”的导电作用，常 把这些满带中因失去了电子而留下的空位称为空 穴。 本征激发的概念。由于温度，价带上的电子激发成为导带电子即“准自由准自由”电 子的过程 。 杂质和缺陷对导电性能产生影响的机理是什么？四、四、半导体中的杂质和缺陷由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子 所产生的周期性势场受到破坏，有可能在禁带中引入允许 电子存在的能量状态（即能级），从而

11、对半导体的性质产 生决定性的影响。 实际应用的半导体材料偏离理想情况的现象有哪些？1. 原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上 ，而是在其平衡位置附近震动。2.半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质。3.实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着 各种形式的缺陷。 写出常见杂质的种类并举例。四四、半导体中的杂质和缺陷1、杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，间隙式杂质；原子 半径一般比较小，如锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙 式杂质的形式存在。 2、杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，替位式杂质。 原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且 它们的价电子壳层结构也比较相

12、近。如、族元素在 族元素硅、锗晶体中都是替位式杂质。 杂质的主要来源有哪些？1、制备半导体的原材料纯度不够高； 2、半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污； 3、为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。 四、四、半导体中的杂质和缺陷 施、受主杂质的概念及其特点？在纯净的半导体材料中掺入族族元素杂质，形成施主 杂质或 N 型杂质。在常温下，杂质都处于离化态，施主 杂质向导带（导带或价带）提供电子（空穴或电子）并形 成正电（正电或负电）中心，成为主要依靠电子（空穴或 电子）导电的半导体材料。 在纯净的半导体材料中掺入族族元素杂质，形成受主 杂质或 P 型杂质。在常温下，杂质都处于离化态

13、，受主 杂质向价带提供空穴并形成负电中心，成为主要依靠空穴 导电的半导体材料。 施主能级与受主能级的位置。四、四、半导体中的杂质和缺陷施主能级ED，位于离导带底很近的禁带中，比导带底导带底EcEc低低EED D 。 受主能级EA，位于离价带顶很近的禁带中，比价带顶价带顶EvEv高高EEA A 。施主能级施主能级 受主能级受主能级EDEA 从能带角度分析为什么掺入施主或受主杂 质后半导体的导电性能能大大加强。四、四、半导体中的杂质和缺陷实验测得，族元素原子（施主杂质）在硅硅中电离能 约为0.040.04 0.05eV0.05eV，在锗锗中电离能约为0.01 0.01 eVeV，其电离能 比硅、锗

14、的禁带宽度小得多。使得多余电子很容易挣脱原 子的束缚成为导电电子，从而增强了半导体的导电性。同样，族元素原子（受主杂质）在硅、锗中的电离 能也很小，在硅硅中约为0.0450.045 0.065eV0.065eV，在，在锗锗中约为0.01 0.01 eVeV。 使得多余空穴很容易挣脱原子的束缚成为导电空穴， 从而增强了半导体的导电性。 什么是浅能级？四、四、半导体中的杂质和缺陷很靠近导带底的施主能级、很靠近价带顶的受主能级。 什么是深能级？主要由什么杂质元素引入 ？有什么 特点？非、族元素掺入硅、锗在禁带中引入的施主能级距离 导带底较远，受主能级距离价带顶也较远，这种能级称为深能 级，相应的非、

15、族元素杂质称为深能级杂质；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、锗的禁带中往往引入若干个能若干个能 级级。而且，有的杂质既能引入施主能级施主能级，又能引入受主能级受主能级。 对于载流子的复合作用比浅能级杂质强复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称为复复 合中心合中心，它们引入的能级就称为复合中心能级复合中心能级。 什么是杂质的补偿作用？四、四、半导体中的杂质和缺陷施主和受主杂质之间有相互抵消的作用。 什么是缺陷？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。 缺陷的分类？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。四、半导体中的杂质和缺陷点缺陷：如空位，间隙原子；替位原子（反结构缺陷反结构缺陷 ）；肖特基缺陷：肖特基缺陷：只在晶格内形成空位而无间隙原子的缺陷。弗仑克耳缺陷：弗仑克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现的缺陷 。这两种缺陷均由温度引起，又称之为热缺陷，它们总是同时存 在的。