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1、06微微电电子学概子学概论论B03半半导导体及其基本特性体及其基本特性固体材料：超导体固体材料：超导体:大于大于106(cm)-1 导导 体体:106104(cm)-1 半导体半导体:10410-10(cm)-1 绝缘体绝缘体:小于小于10-10(cm)-1？什么是半导体？什么是半导体从导电特性和从导电特性和机制来分：机制来分：不同电阻特性不同电阻特性不同输运机制不同输运机制1.半导体的结构半导体的结构原子结合形式：共价键原子结合形式：共价键形成的晶体结构：形成的晶体结构：构构 成成 一一 个正四个正四面体，面体，具具 有有 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构构半导体的结合和晶体结构半导体
2、的结合和晶体结构金刚石结构金刚石结构 半导体有元素半导体，如：半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS2.半导体中的半导体中的载流子载流子：能够导电的自由粒子：能够导电的自由粒子本征半导体：本征半导体：n=p=ni电子电子：Electron，带负电的导电载流，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚子，是价电子脱离原子束缚 后后形成的自由电子，对应于导带形成的自由电子，对应于导带中占据的电子中占据的电子空穴空穴：Hole，带正电的导电载流子，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚是价电子脱离原子束缚 后形成后形成的电子空位，对应于价带中
3、的的电子空位，对应于价带中的电子空位电子空位3.半导体的半导体的能带能带(价带、导带和带隙价带、导带和带隙)量子态和能级量子态和能级固体的能带结构固体的能带结构 原子能级原子能级 能带能带共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态共价键固体：成键态、反键态 原原 子子 能能 级级 反反 成成 键键 态态 成成 键键 态态价带：价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带
4、底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构导导导导 带带带带价价价价 带带带带E E E Eg g g g半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子等效粒子有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的电子和空穴的有效质量有效质量m*m*4.半导体的半导体的掺杂掺杂BAs 受受 主主 掺掺 杂杂 施施 主主 掺掺 杂杂施主和受主浓度施主和受主浓度：ND、NA施主施主：Donor
5、，掺入半导体的杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的电子，并成为带正电的离子。如提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺的中掺的P 和和As 受主受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的中掺的B施主能级施主能级受主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态本征载流子浓度：本征载流子浓度：n=p=ni np=ni2ni与禁带宽度和温度有关与禁带宽度和温度有关5.本征载流
6、子本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度载流子浓度 电电 子子 浓浓 度度 n,空空 穴穴 浓浓 度度 p6.6.非本征半导体的载流子非本征半导体的载流子在非本征情形在非本征情形:热平衡时热平衡时:N型半导体：型半导体：n大于大于pP型半导体：型半导体：p大于大于n多子：多数载流子多子：多数载流子n型半导体：电子型半导体：电子p型半导体：空穴型半导体：空穴少子：少数载流子少子：少数载流子n型半导体：空穴型半导体：空穴p型半导体：电子型半导体：电子7.电中性条件电中性条件:正负电荷之和为正负电荷
7、之和为0p+Nd n Na=0施主和受主可以相互补偿施主和受主可以相互补偿p=n+Na Ndn=p+Nd Nan型半导体：电子型半导体：电子 n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半导体：空穴型半导体：空穴 p Na 电子电子 n ni2/Na8.过剩载流子过剩载流子 由于受外界因素如光、电的作用，半导由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子公式公式不成立不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程失的过程电子
8、空穴对：电子和空穴成对产生或复合电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合9.9.载流子的输运载流子的输运漂移电流漂移电流迁移率迁移率 电阻率电阻率单位电场作用下载流子获得平均速度单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力反映了载流子在电场作用下输运能力 载流子的漂移运动：载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动载流子在电场作用下的运动 引引 入入 迁迁 移移 率率 的的 概概 念念 影影 响响 迁迁 移移 率率 的的 因因 素素影响迁移率的因素：影响迁移率的因素：有效质量有效质量平均弛豫时间（散射平均弛豫时间（散射体现在：温度和体现在：温度和掺杂浓度掺杂浓度半导体中载流子的
9、散射机制：半导体中载流子的散射机制：晶格散射（晶格散射（热热 运运 动动 引引 起）起）电离杂质散射电离杂质散射扩散电流扩散电流电子扩散电流：电子扩散电流：空穴扩散电流：空穴扩散电流：爱因斯坦关系爱因斯坦关系:载流子的扩散运动：载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动载流子在化学势作用下运动过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制：过剩载流子的复合机制：直接复合、间接复合、直接复合、间接复合、表面复合、俄歇复合表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程过剩载流子的扩散过程扩散长度扩散长度扩散长度扩散长度L Ln n和和和和L Lp p:L=(D:L=(D )1/21/2描
10、述半导体器件工作的基本方程描述半导体器件工作的基本方程 泊松方程泊松方程 高斯定律高斯定律 描述半导体中静电势的变化规律描述半导体中静电势的变化规律静电势由本征费米静电势由本征费米能级能级Ei的变化决定的变化决定能带向下弯，能带向下弯，静电势增加静电势增加方程的形式方程的形式1方程的形式方程的形式2电荷电荷密度密度(x)可动的 载流子（n,p)固定的 电离的施主、受主特例：特例：均匀均匀Si中，中，无外加偏无外加偏压时，压时，方程方程RHS0，静电势为静电势为常数常数 电流连续方程电流连续方程 可动载流可动载流子的守恒子的守恒热平衡时：热平衡时：产生率复合率产生率复合率np=ni2电子：空穴
11、电流密度方程电流密度方程 载流子的输运方程载流子的输运方程在漂移扩散模型中在漂移扩散模型中扩散项漂移项方程形式方程形式1爱因斯坦关系爱因斯坦关系波耳兹曼关系波耳兹曼关系方程形式方程形式2电子和空穴的准费米势：电子和空穴的准费米势：费米势重 点半导体、半导体、N型半导体、型半导体、P型半导体、本征型半导体、本征半导体、非本征半导体半导体、非本征半导体载流子、电子、空穴、平衡载流子、非载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子平衡载流子、过剩载流子能带、导带、价带、禁带能带、导带、价带、禁带掺杂、施主、受主掺杂、施主、受主输运、漂移、扩散、产生、复合输运、漂移、扩散、产生、复合作作 业业载流子的输运有哪些模式，对这载流子的输运有哪些模式，对这些输运模式进行简单的描述些输运模式进行简单的描述设计一个实验：首先将一块本征设计一个实验：首先将一块本征半导体变成半导体变成N型半导体，然后再型半导体，然后再设法使它变成设法使它变成P型半导体。型半导体。第一次作业列举出你见到的、想到的不同类型的集成电路及其主要作用用你自己的话解释微电子学、集成电路的概念