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1、 微电子技术专业微电子技术专业半导体器件第第1 1章章 半导体特性半导体特性第第2 2章章 P-N P-N结结讲授教师：马讲授教师：马 颖颖第第 1 章章 半导体特性半导体特性 1 1 半导体的晶格结构、各向异性半导体的晶格结构、各向异性掌握几种典型材料的计算2 2 半导体的导电性半导体的导电性 熟悉影响半导体导电性能的因素3 3 半导体中的电子状态和能带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 4 半导体中的杂质与缺陷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 本章重点本章重点本章重点本章重点5 5 载流子的运动载流子的运动熟悉载流子浓度公式与EF
2、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 6 非平衡载流子非平衡载流子了解非平衡载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。简单立方结构简单立方结构 钋钋钋钋(Po)(Po)体心立方结构体心立方结构钠（钠（钠（钠（NaNa）钼（）钼（）钼（）钼（MoMo）钨（）钨（）钨（）钨（WW）面心立方结构面心立方结构铝（铝（铝（铝（AlAl）铜（）铜（）铜（）铜（CuCu）金（）金（）金（）金（AuAu）银（）银（）银（）银（Ag
3、Ag）金刚石结构金刚石结构碳（碳（碳（碳（C C）硅（）硅（）硅（）硅（SiSi）锗（锗（锗（锗（GeGe）闪锌矿结构闪锌矿结构 砷化镓砷化镓砷化镓砷化镓(GaAs)(GaAs)磷化镓磷化镓磷化镓磷化镓(GaP)(GaP)硫化锌硫化锌硫化锌硫化锌(ZnS)(ZnS)硫化镉硫化镉硫化镉硫化镉(CdS)(CdS)一、半导体的晶格结构、各向异性一、半导体的晶格结构、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。空间对角线长度相互嵌套而成。结构结构结构结构正
4、四面体结构正四面体结构正四面体结构正四面体结构共价键概念共价键概念共价键概念共价键概念金刚石结构金刚石结构金刚石结构金刚石结构闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构族元素族元素如如Al、Ga、In和和族元素族元素如如 P、As、Sb合成的合成的-族化合物都族化合物都是半导体材料，为是半导体材料，为极性半导体极性半导体极性半导体极性半导体。族元素中的硅族元素中的硅(Si)、锗、锗(Ge)课构成纯课构成纯净的半导体材料，为净的半导体材料，为单元素半导体单元素半导体单元素半导体单元素半导体。元素元素元素元素化学键化学键化学键化学键金刚石结构金刚石结构金刚石结构金刚石结构闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结
5、构闪锌矿结构混合键：混合键：共价键共价键+离子键离子键 一、半导体的晶格结构、各向异性一、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。1.每个单胞中的原子数n2.每个原子的半径r3.每个原子的体积V原子=4r3/34.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？沿沿晶格的不同方向晶格的不同方向，原子排列的，原子排列的周期性周期性和和疏密程度不疏密程度不尽相同尽相同，由此导致晶体在，由此导致晶体在不同方向的物理特性也
6、不同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晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性膜弹性膜量量、硬度硬度、热膨胀系数热膨胀系数、导热性导热性、电阻率电阻率、电位移矢量电位移矢量、电极化强度电极化强度、磁化率磁化率和和折射率折射率等都是不同的。等都是不同的。一族平行晶面用一族平行晶面用晶面指数（密勒指数），晶面指数（密勒指数），“（hkl）”来来表示表示一族平行线所指的方向用一族平行线所指的方向用晶列（晶向）指数，晶列（晶向）指数，“hkl”来来表示表示 相同指数的晶面和晶列互相垂直，相同指数的晶面和晶列互相垂直，如如100100定义为垂直定义为垂直于（于（100
7、100）平面的方向。）平面的方向。一、半导体的晶格结构、各向异性一、半导体的晶格结构、各向异性密勒指数密勒指数是这样得到的：是这样得到的：（1）确定某平面在直角坐标系三个）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轴上的截点，并以晶格常数为单位测得相应的截距；得相应的截距；（2）取截距的倒数，然后约简为三）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的整数，即将其化简成个没有公约数的整数，即将其化简成最简单的整数比；最简单的整数比；（3）将此结果以）将此结果以“（hkl）”表示，表示，即为此平面的密勒指数。即为此平面的密勒指数。晶向指数晶向指数是这样得到的：是这样得到的：（1）晶列指
8、数是按晶列矢量在坐标）晶列指数是按晶列矢量在坐标轴上的投影的比例取轴上的投影的比例取互质数互质数（2）将此结果以）将此结果以“hkl”表示表示二、半导体的导电性二、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、杂质温度、光照、杂质，还有，还有电场、磁场及其他外界因素电场、磁场及其他外界因素（如外应力）（如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力。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。主要现今硅已取而代锗
9、成为半导体制造的主要材料。主要原因，是因为原因，是因为硅器件工艺的突破硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化，硅平面工艺中，二氧化硅的运用在其中起着决定性的作用，硅的运用在其中起着决定性的作用，经济上的考虑经济上的考虑也是原也是原因之一，在二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的因之一，在二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%，仅次于氧。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，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，称为称为电子共有化电子共有化电
10、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。多，共有化程度强些。能级的概念能级的概念 原子系统的能量呈现不连续状态，即量子化的，也就是电子的能原子系统的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，这种量只能取一系列不连续的可能值，这种量子化的能量量子化的能量称为称为能级能级能级能级。能带的概念能带的概念 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子中具有相同能
11、量的电子能级分裂成N个与原来能级很接近的能级，个与原来能级很接近的能级，形成一个形成一个“准连续准连续”的的能带能带能带能带。能带中的几个基本概念：允带、禁带、空能带中的几个基本概念：允带、禁带、空带、满带、半满带带、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 允带允带允带允带 禁带禁带禁带禁带 满带满带满带满带 空带空带空带空带允许电子存在的一系列允许电子存在的一系列准连续的准连续的准连续的准连续的能量状态能量状态禁止电子存在的一系列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被电子填充满的一系列准连续准连续准连续准连续的能量状态的能量状态 满带不导电满
12、带不导电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没有电子填充的一系列准连续的能量状态 空带不导电空带不导电空带不导电空带不导电 半满带半满带半满带半满带被电子部分填充的一系列被电子部分填充的一系列准连续准连续准连续准连续的能量状态的能量状态 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、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。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 导带导带导带导带 价带价带价带价带 有电子能够参与导电的
13、能带有电子能够参与导电的能带，在半导体材，在半导体材料中由料中由价电子价电子形成的形成的高能级能带高能级能带通常称为导带。通常称为导带。由价电子形成的能带由价电子形成的能带，在半导体材料中由，在半导体材料中由价电子价电子形成的形成的低能级能带低能级能带通常称为价带。通常称为价带。导带底导带底导带底导带底E EC C 价带顶价带顶价带顶价带顶E EV V导带电子的最低能量导带电子的最低能量 价带电子的最高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、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。导带底、价带顶、禁带宽度。三、半导体中的电子状态和能带三
14、、半导体中的电子状态和能带 禁带宽度禁带宽度禁带宽度禁带宽度/E/Eg g 导带和价带之间的能级宽度，导带和价带之间的能级宽度，Eg=Ec-Ev绝缘体：绝缘体：Eg=36eV半导体：半导体：硅、锗硅、锗0.67 eV、砷化镓、砷化镓1.42 eV EcEcEvEv利用各种半导体材料的不同禁带宽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。度可以在器件生产工艺中给予指导。禁带宽度大禁带宽度大EgEg的材料常用来制备的材料常用来制备高温工作高温工作的器件。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，可制备配，可制备可见光发射器
15、件可见光发射器件。禁带宽度小禁带宽度小EgEg的材料可用来制备的材料可用来制备红外探测器红外探测器。简述空穴的概念。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，半导体当外界条件发生变化时，半导体满带满带中少量中少量电子电子可被可被激发到激发到上面的上面的空带空带中去，使导带底附近中去，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，有了一些电子，同时价带中由于少了一些电子，在在价带顶部价带顶部附近出现了一些附近出现了一些空的量子状态空的量子状态，价带，价带即成了半满带，在外电场作用下，仍留在价带中即成了半满带，在外电场作用下，仍留在价带
16、中的电子也能起导电作用，相当于把这些空的量子的电子也能起导电作用，相当于把这些空的量子状态看作状态看作带正电荷的带正电荷的“准粒子准粒子准粒子准粒子”的导电作用，常的导电作用，常把这些满带中因失去了电子而留下的把这些满带中因失去了电子而留下的空位空位称为称为空空穴穴。本征激发的概念。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“准自由准自由准自由准自由”电电子的过程子的过程 。杂质和缺陷杂质和缺陷对导电性能产生影响的对导电性能产生影响的机理机理是什么？是什么？四、四、半导体中的杂质和缺陷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
17、期排列的原子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所产生的周期性势场受到破坏周期性势场受到破坏，有可能在，有可能在禁带中引入禁带中引入允许允许电子存在的能量状态（即电子存在的能量状态（即能级能级），从而对半导体的性质产），从而对半导体的性质产生决定性的影响。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？实际应用的半导体材料偏离理想情况的现象有哪些？1.1.原子原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，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而是在其平衡位置附近震动震动。2.2.半导体材料并不是纯净的，而是含有若干半导体材料并不是
18、纯净的，而是含有若干杂质杂质。3.3.实际的半导体实际的半导体晶格结构晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着并不是完整无缺的，而是存在着各种形式的各种形式的缺陷缺陷。写出常见杂质的种类并举例。写出常见杂质的种类并举例。四四、半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷1 1、杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，、杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，间隙式杂质间隙式杂质；原子原子半径一般比较小半径一般比较小，如锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙，如锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。式杂质的形式存在。2 2、杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，、杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，替位式杂
19、质替位式杂质。原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且，且它们的它们的价电子壳层结构也比较相近价电子壳层结构也比较相近。如。如、族元素在族元素在族元素硅、锗晶体中都是替位式杂质。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？杂质的主要来源有哪些？1 1、制备半导体的原材料、制备半导体的原材料纯度不够高纯度不够高；2 2、半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的、半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污沾污；3 3、为了半导体的性质而、为了半导体的性质而人为地掺入人为地掺入某种化学元素的原子。某种化学元素的原子。四、四、半导体中的
20、杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷施、受主杂质的概念及其特点？施、受主杂质的概念及其特点？在纯净的半导体材料中掺入在纯净的半导体材料中掺入族族族族元素杂质，形成元素杂质，形成施主施主杂质杂质或或 N N 型杂质。在型杂质。在常温下，杂质都处于常温下，杂质都处于离化离化态，态，施主施主杂质向杂质向导带导带（导带或价带）提供（导带或价带）提供电子电子（空穴或电子）并形（空穴或电子）并形成成正电正电（正电或负电）中心，成为主要依靠（正电或负电）中心，成为主要依靠电子电子（空穴或（空穴或电子）导电的半导体材料。电子）导电的半导体材料。在纯净的半导体材料中掺入在纯净的半导体材料中掺入族族族族元素杂质，形成元
21、素杂质，形成受主受主杂质杂质或或 P P 型杂质。在型杂质。在常温下，杂质都处于常温下，杂质都处于离化离化态，态，受主受主杂质向杂质向价带价带提供提供空穴空穴并形成并形成负电中心负电中心，成为主要依靠，成为主要依靠空穴空穴导电的半导体材料。导电的半导体材料。施主能级与受主能级的位置。施主能级与受主能级的位置。四、四、半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷施主能级施主能级E ED D，位于离，位于离导带底导带底很近的禁带中，比很近的禁带中，比导带底导带底导带底导带底EcEcEcEc低低低低EEEED D D D 。受主能级受主能级E EA A，位于离，位于离价带顶价带顶很近的禁带中，比很近的禁
22、带中，比价带顶价带顶价带顶价带顶EvEvEvEv高高高高EEEEA A A A 。施主能级施主能级施主能级施主能级 受主能级受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。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半导体中的杂质和缺陷 实验测得，实验测得，族元素族元素原子（施主杂质）在原子（施主杂质）在硅硅硅硅中电离能中电离能约为约为 ，在，在锗锗锗锗中电离能约为中电离能约为0.01 eV0.01 eV0.01 eV0.01 eV，其电离能比硅、锗的，其电离能比硅、锗的禁带宽度小得多。使得
23、多余电子很容易挣脱原子的束缚成禁带宽度小得多。使得多余电子很容易挣脱原子的束缚成为为导电电子导电电子，从而增强了半导体的导电性。，从而增强了半导体的导电性。同样，同样，族元素族元素原子（受主杂质）在硅、锗中的电离原子（受主杂质）在硅、锗中的电离能也很小，在能也很小，在硅硅硅硅中约为中约为 ，在，在，在，在锗锗锗锗中约为中约为0.01 eV0.01 eV0.01 eV0.01 eV。使得多余使得多余空穴很容易挣脱原子的束缚成为空穴很容易挣脱原子的束缚成为导电空穴导电空穴，从而增强了半，从而增强了半导体的导电性。导体的导电性。什么是浅能级？什么是浅能级？四、四、半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质和
24、缺陷很靠近导带底的施主能级、很靠近价带顶的受主能级。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什么是深能级？主要由什么杂质元素引入？有什么？有什么特点？特点？非非、族元素族元素掺入硅、锗在禁带中引入的施主能级距离掺入硅、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，这种能级称为深能深能级，级，相应的相应的非非、族元素族元素杂质称为杂质称为深能级杂质深能级杂质；这些深能级杂质能产生这些深能级杂质能产生多次电离多次电离，每一次电离相应地有一，每一次电离相应地有一个能级。因此，这些杂质在硅
25、、锗的禁带中往往引入个能级。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若干个能若干个能级级级级。而且，有的杂质既能引入。而且，有的杂质既能引入施主能级施主能级施主能级施主能级，又能引入，又能引入受主能级受主能级受主能级受主能级。对于载流子的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，故这些杂质也称为复复复复合中心合中心合中心合中心，它们引入的能级就称为，它们引入的能级就称为复合中心能级复合中心能级复合中心能级复合中心能级。什么是杂质的补偿作用？什么是杂质的补偿作用？四、四、半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质
26、和缺陷施主和受主杂质之间有施主和受主杂质之间有相互抵消相互抵消的作用。的作用。什么是缺陷？什么是缺陷？当半导体中的某些区域，当半导体中的某些区域，晶格晶格中的原子中的原子周期性排列周期性排列被破坏被破坏时就形成了各种缺陷。时就形成了各种缺陷。缺陷的分类？缺陷的分类？点缺陷点缺陷：如空位，间隙原子，替位原子。：如空位，间隙原子，替位原子。线缺陷线缺陷：如位错。：如位错。面缺陷面缺陷：如层错等。：如层错等。四、四、半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷点缺陷点缺陷：如空位，间隙原子；替位原子：如空位，间隙原子；替位原子（反结构缺陷反结构缺陷反结构缺陷反结构缺陷 ）；肖特基缺陷：肖特基缺陷：肖特基
27、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。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：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，又称之为这两种缺陷均由温度引起，又称之为热缺陷热缺陷，它们总是，它们总是同时存同时存在在的。的。线缺陷线缺陷：如位错：如位错 晶体滑移时，已滑移部分与未滑移部分在滑移面上的分界，称为晶体滑移时，已滑移部分与未滑移部分在滑移面上的分界，称为位错，可分为位错，可分为刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错。位错能级都是。位错能级都是深受主能级深受主能级。当。当位错密度较高
28、时，由于它和杂质的补偿作用，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能使含有浅施主杂质的的N N型硅、锗中的载流子浓度降低型硅、锗中的载流子浓度降低，而，而对对P P型硅、锗却没有这种影响型硅、锗却没有这种影响。面缺陷面缺陷：如层错等。：如层错等。在在-族化合物族化合物中，中，点缺陷点缺陷的形成因素：的形成因素：热振动，成分偏离正常的化学比热振动，成分偏离正常的化学比五、五、载流子的运动载流子的运动载流子的产生有哪些情况？载流子的产生有哪些情况？本征激发：本征激发：电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴杂质电离：杂质电离：当电
29、子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子；当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子；当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴。当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴。电子从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向电子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的过程。晶格放出一定的能量的过程。什么是载流子的复合？什么是载流子的复合？什么是热平衡状态？什么是热平衡状态？在在一定温度一定温度下，载流子产生和复合的过程建立起下，载流子产生和复合的过程建立起动态平动态平衡衡，即，即单位时间内产生的电子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等于复合掉的电子-空穴对数空穴对数
30、，称为，称为热平衡状态热平衡状态。处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子热平衡载流子热平衡载流子热平衡载流子。五、五、载流子的运动载流子的运动什么是有效质量？什么是有效质量？引入有效质量概念的引入有效质量概念的意义意义？把电子受到的把电子受到的内部势场作用内部势场作用等效等效等效等效为晶体中的为晶体中的电子质量电子质量，称为电子的称为电子的有效质量有效质量m*m*m*m*。引入有效质量的引入有效质量的意义意义在于，它概括了内部势场对电子在于，它概括了内部势场对电子的作用，而的作用，而把电子运动的加速度与外力直接联系起来把电子运动的加速度与外力直接联
31、系起来，从，从而而使分析简化使分析简化。特别是。特别是有效质量可以直接由试验测定有效质量可以直接由试验测定，因，因而可以很方便地解决电子的运动规律。而可以很方便地解决电子的运动规律。五、五、载流子的运动载流子的运动写出费米写出费米-狄拉克分布函数的表达式狄拉克分布函数的表达式什么是费米能级？什么是费米能级？能量为能量为E E的一个量子态的一个量子态被一个电子占据的几率被一个电子占据的几率 费米能级费米能级E EF F是是量子态基本上被电子占据或基本上是空的量子态基本上被电子占据或基本上是空的一个标志。一个标志。绝对零度时，费米能级绝对零度时，费米能级E EF F可看成量子态是否被电可看成量子态
32、是否被电子占据的一个界限。子占据的一个界限。大多数情况下，它的数值在半导体能带的大多数情况下，它的数值在半导体能带的禁带范围禁带范围内，内，和和温度温度、半导体材料的导电类型半导体材料的导电类型、杂质的含量杂质的含量以及以及能量零点能量零点的选取的选取有关。只要知道了有关。只要知道了E EF F的数值，在一定温度下，电子在的数值，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。各量子态上的统计分布就完全确定了。五、五、载流子的运动载流子的运动分析费米分析费米-狄拉克分布函数的意义（特性）狄拉克分布函数的意义（特性）当当T=0K时，时，若若EEF，则，则f（E）=0 在绝对零度时，能量比在
33、绝对零度时，能量比E EF F小的量子态被电小的量子态被电子占据的几率是百分之百，因而这些量子态上子占据的几率是百分之百，因而这些量子态上都是有电子的；能量比都是有电子的；能量比E EF F大的量子态，被电子大的量子态，被电子占据的几率是零，因而这些量子态上都没有电占据的几率是零，因而这些量子态上都没有电子，是空的。子，是空的。绝对零度时，费米能级绝对零度时，费米能级E EF F可看成量子态是可看成量子态是否被电子占据的一个界限。否被电子占据的一个界限。当当T0K时，时，若若E1/2若若E=EF，则，则f（E）=1/2若若E EF，则，则f（E）pp0 0，费米能级比较靠近导带；，费米能级比较
34、靠近导带；P P型半导体型半导体 p p0 0nn0 0，费米能级比较靠近价带；，费米能级比较靠近价带；费米能级的位置不但反映了费米能级的位置不但反映了半导体的导电类型半导体的导电类型，而且还反映了半导，而且还反映了半导体的掺杂水平。体的掺杂水平。掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。五、五、载流子的运动载流子的运动本征半导体载流子浓度公式及其影响因素本征半导体载流子浓度公式及其影响因素式（式（式（式（1-111-11）一定的半导体材料，其本征载流子浓度一定的半导体材料，其本征载流子浓度n ni i随随温度上升温度上升而迅速增加而迅速增加；不同的半导体
35、材料在同一温度下，；不同的半导体材料在同一温度下，禁带宽度禁带宽度越大越大，本征载流子浓度，本征载流子浓度n ni i就越小就越小。公式公式n0p0=ni2 的适用范围的适用范围 在一定温度下，任何非简并半导体的在一定温度下，任何非简并半导体的热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度的乘积的乘积n n0 0p p0 0等于该温度下的本征半导体载流子浓度等于该温度下的本征半导体载流子浓度n ni i的平方，的平方，与所含杂质无关与所含杂质无关。该式不仅适用于该式不仅适用于本征半导体本征半导体，而且也适用于非简并的，而且也适用于非简并的杂杂质半导体材料质半导体材料。五、五、载流子的运动载流子的运动杂质半导
36、体载流子浓度公式及杂质半导体载流子浓度公式及计算计算表表1-1 300K下锗、硅、砷化镓的本征载流子浓度下锗、硅、砷化镓的本征载流子浓度N N型半导体型半导体 P P型半导体型半导体 (N(ND D为施主杂质浓度为施主杂质浓度)(N(NA A为受主杂质浓度为受主杂质浓度)多子浓度多子浓度少子浓度少子浓度多子浓度多子浓度少子浓度少子浓度同时掺入同时掺入P P型杂质和型杂质和N N型杂质时型杂质时五、五、载流子的运动载流子的运动载流子的载流子的漂移运动漂移运动和和扩散运动扩散运动是由什么引起的？是由什么引起的？漂移运动漂移运动是半导体中的载流子在是半导体中的载流子在电场作用电场作用下的运动。下的运
37、动。扩散运动扩散运动是由是由粒子浓度不均匀粒子浓度不均匀所引起的运动。所引起的运动。欧姆定律的微分形式？欧姆定律的微分形式？半导体的电导率及其半导体的电导率及其计算计算？电导率电导率 N N型型 P P型型 本征半导体本征半导体n n0 0=p=p0 0=n=ni i 杂质半导体：杂质半导体：五、五、载流子的运动载流子的运动半导体的总电流？半导体的总电流？扩散电流扩散电流和和漂移电流叠加漂移电流叠加在一起构成半导体的在一起构成半导体的总电流总电流。电子电流密度电子电流密度电子电流密度电子电流密度空穴电流密度空穴电流密度空穴电流密度空穴电流密度迁移率迁移率：反映载流子在电场作用下运动难易程度；：
38、反映载流子在电场作用下运动难易程度；扩散系数扩散系数D D：反映存在浓度梯度时载流子运动的难易程度。：反映存在浓度梯度时载流子运动的难易程度。爱因斯坦关系式？爱因斯坦关系式？反映了载流子迁移率和扩反映了载流子迁移率和扩散系数之间的关系。散系数之间的关系。六、非平衡六、非平衡载流子载流子产生非平衡载流子的方法？产生非平衡载流子的方法？非平衡载流子都是指多子还是少子？非平衡载流子都是指多子还是少子？电注入电注入，光注入光注入非平衡载流子都是指非平衡非平衡载流子都是指非平衡少数少数载流子载流子非平衡载流子的产生和复合过程。非平衡载流子的产生和复合过程。如果对半导体如果对半导体施加外加作用施加外加作用
39、，破坏了热平衡状态的条件，这就迫使它，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，称为处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态非平衡状态。处于非平衡状态的半。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度将不再是导体，其载流子浓度将不再是n n0 0和和p p0 0，可以比它们多出一部分。比平衡状，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态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子非平衡载流子，有时也称，有时也称过剩载流子过剩载流子。产生非平衡载流子的产生非平衡载流子的外部作用撤除外部作用撤除后，由于半导体的内部作用，使它后，由于半导体的内部作用，使它由非平衡状态恢复到
40、平衡状态，由非平衡状态恢复到平衡状态，过剩载流子逐渐消失过剩载流子逐渐消失，这一过程称为，这一过程称为非平非平衡载流子的复合衡载流子的复合。六、非平衡六、非平衡载流子载流子什么是非平衡载流子的寿命？什么是非平衡载流子的寿命？非平衡载流子的平均生存时间非平衡载流子的平均生存时间称为称为非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命，用用表示。非平衡载流子的寿命通常指表示。非平衡载流子的寿命通常指少数少数载流子的寿命。载流子的寿命。当当t=t=，则，则p(t)=(p)0/e p(t)=(p)0/e 寿命标志着寿命标志着非平衡载流子浓非平衡载流子浓度减小到原来数值的度减小到原来数值的1/e1/e所经历的时间。
41、所经历的时间。锗比硅容易获得较锗比硅容易获得较高高（高或低）的寿命（高或低）的寿命很大程度上反映了很大程度上反映了晶格晶格的完整性，的完整性，是衡量是衡量材料材料质量质量的一个重要标志的一个重要标志 ，故常被称作，故常被称作“结构灵敏结构灵敏”的参数。的参数。六、非平衡六、非平衡载流子载流子非平衡载流子寿命的检测方法？非平衡载流子寿命的检测方法？直流光电导衰减法；直流光电导衰减法；高频光电导衰减法；高频光电导衰减法；光磁电法；光磁电法；扩散长度法；扩散长度法；双脉冲法；双脉冲法；漂移法。漂移法。影响非平衡载流子寿命的因素？影响非平衡载流子寿命的因素？材料的种类材料的种类杂质的含量（特别是深能级
42、杂质）杂质的含量（特别是深能级杂质）缺陷的密度缺陷的密度表面状态表面状态外部条件（外界气氛）外部条件（外界气氛）什么是直接复合什么是直接复合？什么是间接复合？什么是间接复合？六、非平衡六、非平衡载流子载流子直接复合，即电子在价带和导带之间的直接复合，即电子在价带和导带之间的直接跃迁直接跃迁，引起，引起电子和空穴的直接复合；电子和空穴的直接复合；间接复合，即间接复合，即非平衡载流子通过非平衡载流子通过复合中心复合中心的复合。的复合。根据复合发生的位置，又可以将它分为根据复合发生的位置，又可以将它分为体内体内复合复合和和表面表面复合，表面复合属于复合，表面复合属于间接间接复合。复合。就能量传递的方
43、式来讲，就能量传递的方式来讲，俄歇复合俄歇复合是能量以是能量以声子声子方式传递。方式传递。六、非平衡六、非平衡载流子载流子在小禁带的半导体中，在小禁带的半导体中，直接直接复合占优势。复合占优势。一般来说，一般来说，禁带宽度禁带宽度越小越小越小越小，直接复合直接复合的几率的几率越大越大越大越大。寿命与寿命与多数载流子浓度成多数载流子浓度成反比反比反比反比，或者说，半导体电导率越高，寿，或者说，半导体电导率越高，寿命就命就越短越短越短越短。硅和锗的寿命主要是由硅和锗的寿命主要是由间接间接间接间接复合决定的。复合决定的。能促进复合过程的能促进复合过程的杂质杂质杂质杂质和和缺陷缺陷缺陷缺陷称为复合中心
44、。非平衡载称为复合中心。非平衡载流子寿命与复合中心浓度成流子寿命与复合中心浓度成反比反比反比反比。第第 2 章章 P-N结结 1 PN1 PN结及其能带图结及其能带图 了解了解PNPN结的形成及其制作方法，杂质分布，熟悉结的形成及其制作方法，杂质分布，熟悉PNPN结的能带图特点结的能带图特点。2 2 平衡平衡PNPN结结 了解平衡了解平衡PNPN结的形成过程，空间电荷区、势垒区、耗尽层的概念，接触结的形成过程，空间电荷区、势垒区、耗尽层的概念，接触电势差，熟悉平衡电势差，熟悉平衡PNPN结的特点，载流子浓度与势垒宽度的关系。结的特点，载流子浓度与势垒宽度的关系。3 PN3 PN结的直流特性结的
45、直流特性 掌握非平衡掌握非平衡PNPN结外加正结外加正/反向电压时的特点，反向电压时的特点，掌握掌握PNPN结的伏安特性（单结的伏安特性（单相导电性）；了解理想相导电性）；了解理想PNPN结的条件，表面对漏电流的影响，影响结的条件，表面对漏电流的影响，影响PNPN结伏安结伏安特性偏离理想方程的各种因素。特性偏离理想方程的各种因素。4 PN4 PN结电容结电容 了解分类及特点，掌握施、受主杂质及其能级的概念。了解分类及特点，掌握施、受主杂质及其能级的概念。5 PN5 PN结击穿结击穿 了解分类及产生的机理，影响雪崩击穿的因素；了解分类及产生的机理，影响雪崩击穿的因素；熟悉雪崩击穿和隧道击穿的区别
46、。熟悉雪崩击穿和隧道击穿的区别。本章重点本章重点本章重点本章重点一、一、PNPN结及其能带图结及其能带图PNPN结的形成。结的形成。在一块在一块N N型型(或或P P型型)半导体单晶上，用适当的工艺把半导体单晶上，用适当的工艺把P P型（或型（或N N 型）杂质掺入其中，使这块半导体单晶的不同区域分别具有型）杂质掺入其中，使这块半导体单晶的不同区域分别具有N N型和型和P P型的导电类型，在两者的交界面处就形成了型的导电类型，在两者的交界面处就形成了P-NP-N结。结。按制作按制作PNPN结的半导体单晶材料不同可分类为：结的半导体单晶材料不同可分类为：用用同一种半导体材料同一种半导体材料制成的
47、制成的PNPN结叫结叫同质结同质结。由禁带宽度不同的由禁带宽度不同的两种半导体材料两种半导体材料制成的制成的PNPN结叫结叫异质结异质结。按按PNPN结中杂质分布的情况不同可分类为：结中杂质分布的情况不同可分类为：突变结突变结:在交界面处，杂质浓度从在交界面处，杂质浓度从N NA A（P P区）区）突变突变突变突变为为N ND D（N N区）。区）。缓变结缓变结:杂质浓度从杂质浓度从P P区到区到N N区是区是逐渐变化逐渐变化逐渐变化逐渐变化的。的。一、一、PNPN结及其能带图结及其能带图合金法合金法、扩散法扩散法、离子注入法离子注入法和和外延生长法外延生长法等。等。制造异质结通常采用制造异质
48、结通常采用外延生长法外延生长法。PNPN结的制作方法。结的制作方法。合金结和高表面浓度的浅扩散结一般可认为是合金结和高表面浓度的浅扩散结一般可认为是突变结突变结突变结突变结，而，而低表面浓度的深扩散结一般可认为是低表面浓度的深扩散结一般可认为是线性缓变结线性缓变结线性缓变结线性缓变结。内建电场的方向是从内建电场的方向是从N N N N区区区区指向指向P P P P区区区区。PNPN结的能带图特点。结的能带图特点。当两块半导体结合形成当两块半导体结合形成P-N结时，结时，EFn不断下移，而不断下移，而EFp不断上移，直至不断上移，直至EFn=EFp。P-NP-N结中有结中有统一的费米能统一的费米
49、能级级E EF F，P-NP-N结处于平衡状态。结处于平衡状态。P P区的电势能比区的电势能比N N区的电势能区的电势能高高qVqVD D（高或低多少）（高或低多少）一、一、PNPN结及其能带图结及其能带图 对于对于P P区区空穴离开后，留下了空穴离开后，留下了不可移动的带负电荷的不可移动的带负电荷的电离受主电离受主，这些，这些电离受主没有正电荷与之保持电中性，因此，电离受主没有正电荷与之保持电中性，因此，在在P-NP-N结附近结附近P P区一侧出现了区一侧出现了一个负电荷区一个负电荷区；同理，在同理，在P-NP-N结附近结附近N N区一侧出现了由区一侧出现了由电离施主电离施主构成的一构成的一
50、个正电荷区个正电荷区，通常把在，通常把在P-NP-N结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷，它们所存在的区域称为为空间电荷，它们所存在的区域称为空间电荷区空间电荷区。空间电荷区的概念。空间电荷区的概念。耗尽层的概念。耗尽层的概念。室温附近，室温附近，空间电荷区的载流子浓度比起空间电荷区的载流子浓度比起N N区和区和P P区的多数载流子浓区的多数载流子浓度小得多度小得多，好像已经耗尽了，所以通常也称空间区为耗尽层。，好像已经耗尽了，所以通常也称空间区为耗尽层。在在P-NP-N结的空间电荷区中能带发生弯曲，电子从势能低的结的空间电荷区中能带发生弯