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1、微电子学概论章-第1页，共25页，编辑于2022年，星期六第二章 半导体物理和器件物理基础2.1 半导体及其基本特性导体106104绝缘体10-10半导体10410-10各种物质的电导率(cm)第2页，共25页，编辑于2022年，星期六半导体的特点各种物质的电阻率(.cm)1010-6-61010-4-41010-2-21010-0-010102 210104 410106 610108 81010101010101212101014141010161610101818银银半导体半导体镍镍玻璃玻璃第3页，共25页，编辑于2022年，星期六半导体的特点电导率温度系数杂质作用显著正种载流子光电导效
2、应光电子效应光生伏特效应第4页，共25页，编辑于2022年，星期六半导体材料元素半导体（IV族）Si Ge化合物半导体（III-V族）GaAs多元化合物 AlGaAs 有机半导体 AlGaAs 第5页，共25页，编辑于2022年，星期六硅晶体的平面结构IV族元素，外层电子共价键第6页，共25页，编辑于2022年，星期六 硅的金刚石结构:面心立方晶格常数：5.410-8cm原子序号原子量熔点密度 2.33原子密度：51022/cm3第7页，共25页，编辑于2022年，星期六2.2.载流子2.2.1 能带 单原子的能级多原子的能级分裂形成能带导带禁带价带满满空空1s2s2p第8页，共25页，编辑于
3、2022年，星期六金属导体Eg=0绝缘体Eg很大10eV以上半导体Eg适中在0.1-5eV典型半导体禁带宽度 Si 1.1 Ge 0.67 GaAs 1.43第9页，共25页，编辑于2022年，星期六本征激发：高电阻率激发的概率 绝对温度 禁带宽度EXP(-Eg/kT)以硅为例，室温kT=0.026eVEg=1.1eV所以EXP(-Eg/kT)=3*10-19很小。每立方厘米有5E22原子有1500个导带电子 第10页，共25页，编辑于2022年，星期六本征激发特点电子=空穴室温下Si电子和空穴的浓度为ni=1.5*1010/cm3 第11页，共25页，编辑于2022年，星期六SiPSiSiS
4、iSiBSiSiSi很容易获得自由的电子P等V族元素提供这样的电子施主杂质很容易接受自由的电子让这个空穴跑出去B等III族杂质提供这样的空穴受主杂质第12页，共25页，编辑于2022年，星期六施主能级V族元素，P,As,SbP 0.044eV受主能级 III族元素BB 0.045eV杂质能级第13页，共25页，编辑于2022年，星期六2.2.3 费米能级电子占有几率为1/2的能级位置,是一个电子分布状态的指标电子占有概率：f(E)=1/1+exp(E-Ef)/kT 当E=Ef时,f(E)=0.5当E Ef时,f(E)接近0第14页，共25页，编辑于2022年，星期六费米能级的位置本征半导体，费
5、米能级位于禁带的中央 Ef=Ei，体现n=p杂质半导体，费米能级偏离禁带的中央，N型半导体，Ef=kTln(Nd/ni)+Ei费米能级位于禁带的上半部，Nd越大，距离Ei越远P型半导体，Ef=-kTln(Na/ni)+Ei费米能级位于禁带的下半部，Na越大，距离Ei越远第15页，共25页，编辑于2022年，星期六2.2.2 平衡载流子：处于热平衡状态下电子 n=ni exp(Ef-Ei)/kT 空穴 p=ni exp(Ei-Ef)/kT 这里k波尔兹曼常数=1.38*10-23J/K绝对温度室温T=300,kT=0.026eV例题：n型半导体，Ef距禁带中央0.4eV,求n,p解：Ef-Ei=
6、0.4eV，kT=0.026eV，ni=1.5*10(cm-3)n=ni e(Ef-Ei)/kT=1.5*1010e(0.4/0.026)=1.5*1010*4.9*106=7.5*1016(cm-3)第16页，共25页，编辑于2022年，星期六非平衡载流子：处于非热平衡状态下，过剩载流子例如光激发电子注入如果去掉注入，逐渐复合,寿命n=n0e(-t/)第17页，共25页，编辑于2022年，星期六价带导带禁带Ni（本征费米能级n型p型高浓度 低浓度第18页，共25页，编辑于2022年，星期六迁移率 mobility电场力f=qE加速度a=f/m=qE/m所以电子在真空中加速运动晶体里，受到散射
7、做匀速运动V=E:迁移率，单位cm2/vs 第19页，共25页，编辑于2022年，星期六散射机理晶格散射杂质散射+第20页，共25页，编辑于2022年，星期六迁移率与什么因素有关（1）半导体材料:InSb,80000 GaAs,8500，400 Si,1350，480 Ge，3900，1900（2）载流子种类：电子空穴（3）温度高，迁移率低（4）掺杂浓度高，迁移率低 第21页，共25页，编辑于2022年，星期六迁移率与掺杂浓度的关系第22页，共25页，编辑于2022年，星期六迁移率与温度的关系第23页，共25页，编辑于2022年，星期六小结（1）能带结构：导带、价带、禁带（2）本征、n型、p型
8、半导体、电子、空穴（3）施主、受主（杂质、能级）（4）电子占有几率，费米能级（5）费米能级与温度、载流子浓度的关系（6）迁移率，散射记住数据：Eg=1.1eVni=1.5*1010 n=1350cm2/sV，p=480cm2/sV 第24页，共25页，编辑于2022年，星期六习题：1.回答以下概念（1）能带结构：导带、价带、禁带（2）本征、n型、p型半导体（3）施主、受主（杂质、能级）（4）电子占有几率，费米能级（5）费米能级与温度、载流子浓度的关系（6）迁移率、晶格散射、杂质散射2.计算：N型半导体杂质浓度为5*1018/cm3,问常温下电子、空穴浓度多少？费米能级位置在哪里？第25页，共25页，编辑于2022年，星期六