【精编】半导体简易原理PPT课件

1fF(E)11exp1EEF
也就是被空穴占据的几率。
kT 16
费米概率函数
• 理想情况，能量小于EF的能级被电子占据的概率为１
fF
(E)
1
1exp EEF
kT
能量 E>Ef E<Ef E=Ef
概率＝０
１
1/2
17
费米能级ＥF
• 有一定温度时 T>0
18
玻尔兹曼分布函数
fF
(E)
1
1exp EEF
间隙式杂质，替位式杂质
• 杂质进入半导体后可以存在于晶格 原子之间的间隙位置上，称为间隙
式杂质，间隙式杂质原子一般较小。
• 也可以取代晶格原子而位于格点上，
图 替位式杂质和间隙式杂质
称为替（代）位式杂质，替位式杂
Ⅲ、Ⅴ族元素掺入Ⅳ族的Si
质通常与被取代的晶格原子大小比 或Ge中形成替位式杂质，用单位 较接近而且电子壳层结构也相似。 体积中的杂质原子数，也就是杂质
满带 =价带
半满 带=导 带
满带与半满带 13
固体中电的传导 能带和键模型
T=0K的半导体能带见图 (a)， 这时半导体的价带是满带，而导带是空带，所以半导体不导电。 当温度升高或在其它外界因素作用下，原先空着的导带变为半
满带，而价带顶附近同时出现了一些空的量子态也成为半满带， 这时导带和价带中的电子都可以参与导电，见图 (b)。 常温下半导体价带中已有不少电子被激发到导带中，因而具备 一定的导电能力。图 (c)是最常用的简化能带图。
• 又因为这些量子态上并不是 全部被电子占据，因此还要 知道能量为E的量子态被电子 占据的几率是多少。
nEgcEfFE
价带空穴的分布
• 将两者相乘后除以体积就得 到区间的电子浓度，然后再 由导带底至导带顶积分就得 到了导带的电子浓度。
pE gvE 1fFE
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掺杂原子与能级 定性描述
非本征半导体：掺杂半导体
n0表示导带中平衡电子浓度 p0表示价带中平衡空穴浓度 本征半导体中有：
n0=p0 =ni ni为本征载流子浓度 ni的大小与什么因素有关？
T、Eg
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半导体中载流子 电子空穴的平衡分布
导带电子浓度与价带空穴浓度
• 要计算半导体中的导带电子 浓度，必须先要知道导带中
导带电子的分布
能量间隔内有多少个量子态。
n型半导体是电子导电。H2、CO等还原性气体，在吸附时它们 把电子给与氧化物，所以在n型半导体上容易吸附。 p型半导体是带正电荷的空穴导电。O2在p型半导体上容易吸附， 因为需要从氧化物中得到电子，使O2变为O-，p型半导体的金属 离子易脱出电子而容易生成O-。
以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷）为 例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由 大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 • 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力
如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的电阻 为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ • 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
允带与禁带 简约布里渊区
/2π
(a) E(k)~k/2π关系
(b) 能带
图 晶体中电子的E(k)~ k/2π关系
(c) 第一布里渊区
/2π
11
固体中电的传导 能带和键模型
本征激发：共价键上的电子激发成为准自由电子，也就 是价带电子激发成为导带电子的过程。 本征激发的特点：成对的产生导带电子和价带空穴1。2
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统计力学——费米分布函数
热平衡条件下半导体中电子按能量大小服从一定的统
计分布规律。能量为E的一个量子态被一个电子占据的几
率为
fF
(E)
1
1exp EEF
kT
仅 高为达据09.9上7.%3式%；。，而能能量量比比EEF高F低55kkTT的的量量子子态态被被电电子子占占据据的的几几率率
fF(E)表示能量为E的量子态被电子 占据的几率，那么1-fF(E)就是能量 为E的量子态不被电子占据的几率，
固体中电的传导 能带和键模型
在图 (a)中，A点的状态和a点的状态完 全相同，也就是由布里渊区一边运动出 去的电子在另一边同时补充进来，因此 电子的运动并不改变布里渊区内电子分 布情况和能量状态，所以满带电子即使 存在电场也不导电。
但对于图(b)的半满带，在外电场的作用 下电子的运动改变了布里渊区内电子的 分布情况和能量状态，电子吸收能量以 后跃迁到未被电子占据的能级上去了， 因此半满带中的电子在外电场的作用下 可以参与导电。
(a) 施主能级和施主电离
(b) 受主能级和受主电离
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图 杂质能级和杂质电离
费米能级的位置
• n型和p型
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费米能级的位置
• 与掺杂浓度的关系
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pn结的基本结构
• 冶金结＿P区和n区的交界面
• 突变结 线性缓变结 超突变结
• 突变结＿均匀分布，交界处突变
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pn结的基本结构
PN结的形成
• 空间电荷区＝耗尽区（没有可自由移动的净电荷，
半导体的能带
(a) T=0K
(b) T>0K
(c) 简化能带图14
统计力学
• 在一定温度下，半导体中的大量电子不停地作无规则热运动，从 一个电子来看，它所具有的能量时大时小，经常变化。但是，从 大量电子的整体来看，在热平衡状态下，电子按能量大小具有一 定的统计分布规律性，即电子在不同能量的量子态上统计分布几 率是一定的。
半导体简易原理
什么是半导体
按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体
表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围
材料 电阻率ρ(Ωcm)
导体 ＜ 10-3
半导体 10-3～109
绝缘体 ＞109
2
半导体具有一些重要特性，主要包括： • 温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降
如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相应地降 低50%左右 • 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力
硼只有三个价电子，为与周围四个Si原子形成四个共价 键，必须从附近的Si原子共价键中夺取一个电子，这样 硼原子就多出一个电子，形成负电中心硼离子，同时在 Si的共价键中产生了一个空穴。
这个被负电中心硼离子依靠静电引力束缚的空穴还不是 自由的，不能参加导电，但这种束缚作用同样很弱，很 小的能量ΔEA就使其成为可以“自由”运动的导电空穴。
7
固体中的缺陷和杂质
• 替位式杂质 • 填隙式杂质
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固体中的缺陷和杂质
• 掺杂 为了改变半导体的导电性而向其中加入杂质的技术．
• 高温扩散 １０００度 • 离子注入 50kev 损伤与退火
9
允带与禁带 能级分裂为能带r0 平衡时的距离 r0 处存 Nhomakorabea能量的允带
准连续分布
外层先分裂 允带和禁带
10
3
固体类型 半导体的晶体结构
一、晶体的基本知识 长期以来将固体分为：晶体和非晶体。
晶体的基本特点： 具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子（或离子）在较
大的范围内（至少是微米量级）是按一定的方式有规则的排列而成 －－长程有序。（如Si，Ge，GaAs） • 非晶体（无定型） • 多晶 • 单晶
多余的这个电子被正电中心磷离子所吸引只能在其周围 运动，不过这种吸引要远弱于共价键的束缚，只需很小 的能量就可以使其挣脱束缚，形成能在整个晶体中“自 由”运动的导电电子。
而正电中心磷离子被晶格所束缚，不能运动。
25
掺杂原子与能级 受主杂质
• 掺入３价的硼原子
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掺杂原子与能级
受主杂质
以Si中掺入Ⅲ族元素硼(B)为例：
浓度来定量描述杂质含量多少，杂
质浓度的单位为1/cm3 。
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掺杂原子与能级 施主杂质
• 掺入５价的磷原子
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掺杂原子与能级
施主杂质
以Si中掺入V族元素磷(P)为例： 当有五个价电子的磷原子取代Si原子而位于格点上时，
磷原子五个价电子中的四个与周围的四个Si原子组成四 个共价键，还多出一个价电子，磷原子所在处也多余一 个称为正电中心磷离子的正电荷。
4
空间晶格
晶体是由原子周期性重复排 列构成的，整个晶体就像网格， 称为晶格，组成晶体的原子(或 离子)的重心位置称为格点，格 点的总体称为点阵。
5
空间晶格
晶胞和原胞
• 原胞＿可以形成晶体的最小的晶胞
广义三维晶胞的表示方法： 晶胞和晶格的关系
rpaqbsc
6
固体中的缺陷和杂质
• 晶格振动 • 点缺陷 （空位和填隙） • 线缺陷
1expEF
E
kT
同理，当EF-E>>kT时，上式转化为下面的空穴玻耳兹曼分布
1 f ( E ) e x p E F k T E e x p k E T F e x p k E T B e x p k 1E 9T
费米能级
费米能级标志了电子填充能级的水平。 半导体中常见的是费米能级EF位于禁带之中，
正偏电流电压关系式：
温度升高，二极管电流密度也会增大，但不如 反向饱和电流增大的那么明显。
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结击穿
• 齐纳击穿和雪崩击穿
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结击穿
• 低浓度雪崩，高浓度隧穿
Emax
eNd xn
s
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肖特基势垒二极管
肖特基势垒：
内建电势差：
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9固体催化剂的设计详解
二、催化剂主要组分的设计
一般而言，大多数固体催化剂由三部分组成：活性组分、助剂 和载体。 催化剂中主要组分就是指催化剂中最主要的活性组分，是催化 剂中产生活性、可活化反应分子的部分。 一般来说，只有催化剂的局部位置才产生活性，称为活性中心 或活性部位。 催化剂的非均匀性。 活性中心可以是原子、原子簇、离子、离子缺位等，但在反应 中活性中心的数目和结构往往发生变化。 主要组分的选择依据：1）根据有关催化理论归纳的参数；2） 基于催化反应的经验规律；3）基于活化模式的考虑。
2.1 根据有关催化理论的参数进行考虑
1、d特性百分数：在成键轨道中d轨道占的百分率称为d特性百 分数。
金属的d特性百分数越大，表明电子留在d带中的百分数越多， 也就表明d带中空穴越少。 对化学吸附而言，催化反应要求吸附不能太强，也不能太弱。 金属的d特性百分数与其催化活性有一定关系。在金属加氢催化 剂中，d特性百分数在40%-50%之间为佳。如乙烯在各种金属薄 膜上的催化加氢，随d特性百分数增加，加氢活性也增加，Rh > Pd > Pt > Ni > Fe > Ta。
2、未成对电子数：过渡金属的不成对电子在化学吸附时，可与 被吸附分子形成吸附键。按能带理论，这是催化活性的根源。
3、半导体费米能级和脱出功
由半导体的费米能级和脱出功来判断电子得失的能难易程度， 进而了解适合于何种反应。 半导体催化剂是使用很广泛的非化学计量的氧化物，非化学计 量往往是由杂质或缺陷所引起的。如： 合成气制甲醇催化剂：ZnO-Cr2O3-CuO 丙烯氨氧化催化剂：MoO3-Bi2O3-P2O5/SiO2 丁烯氧化脱氢催化剂：P2O5-MoO3-Bi2O3/SiO2 二甲苯氧化制苯酐催化剂：V2O5-TiO2-K2O-P2O5/SiO2
kT
费米分布函数中，若E-EF>>kT，则分母中的1可以忽略，此时
fB ( E ) e x p E k T E F e x p k E T F e x p k E T A e x p k E T
上式就是电子的玻耳兹曼分布函数。
1fF(E)
1
并且满足 Ec-EF>>kT或EF-Ev>>kT的条件。 因此对导带或价带中所有量子态来说，电子或
空穴都可以用玻耳兹曼统计分布描述。 由于分布几率随能量呈指数衰减，因此导带绝
大部分电子分布在导带底附近，价带绝大部分 空穴分布在价带顶附近，即起作用的载流子都 在能带极值附近。
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本征半导体中究竟有多少电子和空穴？
高阻区）
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零偏
• pn结能带图
内建电势差
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零偏
内建电势差
内建电势差
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pn结电流
定性描述
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pn结电流 理想电流电压关系
• 理想关系
Js称为反向饱和电流密度
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pn结电流 理想电流电压关系
• 物理学小结
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pn结电流 理想电流电压关系
• 温度特性
理想反向饱和电流密度： 温度升高，反向饱和电流密度增大。
而负电中心硼离子被晶格所束缚，不能运动。
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掺杂原子与能级 施主能级受主能级
• 掺入施主杂质的半导体，施主能级Ed上的电子获得能量ΔEd后由束 缚态跃迁到导带成为导电电子，因此施主能级Ed位于比导带底Ec低 ΔEd的禁带中，且ΔEd<<Eg。
• 对于掺入Ⅲ族元素的半导体，被受主杂质束缚的空穴能量状态(称 为受主能级Ea)位于比价带顶Ev低ΔEa的禁带中,ΔEa<<Eg，当受主能级 上的空穴得到能量ΔEa后，就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电 空穴。