Ch半导体物理和半导体器件物理基础
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正是因为电中性条件的要求，所以不管半导体中两 种载流子的浓度相差如何的大，都不会出现多于的 电荷
n型半导体：电子 n Nd 空穴 p ni2/Nd
p型半导体：空穴 p Na 电子 n ni2/Na
载流子的输运
载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动
漂移电流 JDe ifq t nd vqnE 引 入 迁 移 率 的 概 念
•电导率是电阻率的倒数 ; •电导率越大则导电性能越强，反之越小 ;
➢ 彼此之间的界线不是绝对的 .导体和半导体区别 是有无禁带，半导体和绝缘体区别是禁带宽度 及温度特性。
➢ 半导体有以下主要特点：
a) 在纯净的半导体材料中，电导率随温度的上升 而指数增加；
b) 半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电 导率，而且在重掺杂情况，温度对电导率的影 响较弱；
它是共价键结构。
在热力学温度零度 和没有外界激发时, 本征半导体不导电。
来自百度文库
+4
+4
+4
硅原子
+4
+4
+4
价电子
+4
+4
+4
本征半导体的共价键结构
在常温下自由电子和空穴的形成
+4
成对消失
复合
+4
+4
+4
+4
+4
+4
空
自由电子
穴
成对出现
+4
+4
本征激发
➢ 共价键中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强， 如果能从外界获得一定的能量(如光照、温升、电磁场激发 等)，一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子 （同时产生出一个空穴），这就是本征激发。
np ni2
在非本征情形: n p
N型半导体：n大于p P型半导体：p大于n
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
电中性条件: 正负电荷之和为0
p + Nd – n – Na = 0
施主和受主可以相互补偿
p = n + Na – Nd n = p + Nd – Na
在外电场作用下， 电子和空穴均能 参与导电。
空穴导电的 实质是共价 键中的束缚 电子依次填 补空穴形成 电流。故半 导体中有电 子和空穴两 种载流子。
+4
+4
+4
+4
+4
+4
价电子填补空穴 空穴移动方向
电子移动方向
+4
+4
+4
外电场方向
N 型半导体
+4
在硅或锗的晶体
中 掺入少量的
五价元 素,如磷,
迁移率 电阻率
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
q
m
影响迁移率的因素： 有效质量
1
qnn qpp
平均弛豫时间（散射〕
体现在：温度和 掺杂浓度
重点
➢半导体、N型半导体、P型半导体、本征 半导体、非本征半导体
➢载流子、电子、空穴、平衡载流子、非 平衡载流子、过剩载流子
施主和受主浓度：ND、NA
本征载流子
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
载流子浓度
电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p
本征载流子浓度： n=p=ni
np=ni2
ni与禁带宽度和温度有关
***半导体中同时存在电子和空穴的根本原因是晶格的热振动
非本征半导体的载流子
热平衡时:
c) 在半导体中可以实现非均匀掺杂；
d) 光的辐照、高能电子等的注入可以影响半导体 的电导率。
半导体的结合和晶体结构
金刚石结构
硅晶体平面结构
硅晶体立体结构
半导体分类：
半导体有元素半导体，如：Si、Ge
化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS
半导体的掺杂
本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷
本征半导体特点：
➢能带、导带、价带、禁带
据统计：半导体器件主要有67种，另外 还有110个相关的变种
所有这些器件都由少数基本模块构成： • pn结 •金属－半导体接触 • MOS结构 • 异质结 • 超晶格
2.2 PN 结
➢大量半导体器件都是由PN结构成; ➢PN结的性能集中的反应了半导体导电性能
特点：
存在两种载流子； 载流子产生与复合； 载流子漂移：载流子在外部电场的作用下的定向运动； 载流子扩散：由于某些外部条件使得半导体内部的载流子
➢电子浓度＝空穴浓度； ➢载流子少； ➢导电性差； ➢温度特性差。
载流子
电子：Electron，带负电的导电载流 子，是价电子脱离原子束缚 后 形成的自由电子，对应于导带 中占据的电子
空穴：Hole，带正电的导电载流子， 是价电子脱离原子束缚 后形成 的电子空位，对应于价带中的 电子空位
把纯净的没有结 构缺陷的半导体单晶 称为本征半导体。
+4
则形成N型半导
体。
+4
+4
+4
正磷原离子子
++54
+4
多余价电子
自由电子
+4
+4
N 型半导体结构示意图 少数载流子
正离子
多数载流子
在N型半导中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。
P型半导体
+4
在硅或锗的晶体中
掺入少量的三价元
素,如硼,则形成P 型
半导体。
+4
+4
+4
+4
负硼离原子子
+43
微电子学概论
唐军
上一章课程内容回顾
➢第一块晶体管、IC诞生的时间 ➢IC的概念 ➢集成电路的作用 ➢集成电路的分类 ➢微电子学的特点
➢ 第一章 绪论 ➢ 第二章 半导体物理和半导体器件物理基础 ➢ 第三章 大规模集成电路基础 ➢ 第四章 集成电路制造工艺 ➢ 第五章 半导体材料 ➢ 第六章 集成电路设计 ➢ 第七章 集成电路设计的CAD系统 ➢ 第八章 几类重要的特种微电子器件 ➢ 第九章 微机电系统 ➢ 第十章 微电子技术发展的规律和趋势
第二章 半导体物理和半导体器件物理基础
➢2.1 半导体及其导电特性 ➢2.2 PN结 ➢2.3 双极晶体管 ➢2.4 MOS场效应晶体管 ➢2.5 小结
2.1 半导体的导电特性
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分：
不同电阻特性
不同输运机制
导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1
+4
填补空位
空穴
+4
+4
P 型半导体结构示意图
空穴是多数载流子
负离子
电子是少数载流子
在P型半导中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。
半导体的掺杂
B
受主掺杂
As
施主掺杂
施主：Donor，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 Si中掺的P 和As
受主：Acceptor，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 Si中掺的B
n型半导体：电子 n Nd 空穴 p ni2/Nd
p型半导体：空穴 p Na 电子 n ni2/Na
载流子的输运
载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动
漂移电流 JDe ifq t nd vqnE 引 入 迁 移 率 的 概 念
•电导率是电阻率的倒数 ; •电导率越大则导电性能越强，反之越小 ;
➢ 彼此之间的界线不是绝对的 .导体和半导体区别 是有无禁带，半导体和绝缘体区别是禁带宽度 及温度特性。
➢ 半导体有以下主要特点：
a) 在纯净的半导体材料中，电导率随温度的上升 而指数增加；
b) 半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电 导率，而且在重掺杂情况，温度对电导率的影 响较弱；
它是共价键结构。
在热力学温度零度 和没有外界激发时, 本征半导体不导电。
来自百度文库
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硅原子
+4
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价电子
+4
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本征半导体的共价键结构
在常温下自由电子和空穴的形成
+4
成对消失
复合
+4
+4
+4
+4
+4
+4
空
自由电子
穴
成对出现
+4
+4
本征激发
➢ 共价键中的价电子不完全像绝缘体中价电子所受束缚那样强， 如果能从外界获得一定的能量(如光照、温升、电磁场激发 等)，一些价电子就可能挣脱共价键的束缚而成为自由电子 （同时产生出一个空穴），这就是本征激发。
np ni2
在非本征情形: n p
N型半导体：n大于p P型半导体：p大于n
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
电中性条件: 正负电荷之和为0
p + Nd – n – Na = 0
施主和受主可以相互补偿
p = n + Na – Nd n = p + Nd – Na
在外电场作用下， 电子和空穴均能 参与导电。
空穴导电的 实质是共价 键中的束缚 电子依次填 补空穴形成 电流。故半 导体中有电 子和空穴两 种载流子。
+4
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+4
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价电子填补空穴 空穴移动方向
电子移动方向
+4
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外电场方向
N 型半导体
+4
在硅或锗的晶体
中 掺入少量的
五价元 素,如磷,
迁移率 电阻率
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
q
m
影响迁移率的因素： 有效质量
1
qnn qpp
平均弛豫时间（散射〕
体现在：温度和 掺杂浓度
重点
➢半导体、N型半导体、P型半导体、本征 半导体、非本征半导体
➢载流子、电子、空穴、平衡载流子、非 平衡载流子、过剩载流子
施主和受主浓度：ND、NA
本征载流子
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
载流子浓度
电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p
本征载流子浓度： n=p=ni
np=ni2
ni与禁带宽度和温度有关
***半导体中同时存在电子和空穴的根本原因是晶格的热振动
非本征半导体的载流子
热平衡时:
c) 在半导体中可以实现非均匀掺杂；
d) 光的辐照、高能电子等的注入可以影响半导体 的电导率。
半导体的结合和晶体结构
金刚石结构
硅晶体平面结构
硅晶体立体结构
半导体分类：
半导体有元素半导体，如：Si、Ge
化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS
半导体的掺杂
本征半导体：完全不含杂质且无晶格缺陷
本征半导体特点：
➢能带、导带、价带、禁带
据统计：半导体器件主要有67种，另外 还有110个相关的变种
所有这些器件都由少数基本模块构成： • pn结 •金属－半导体接触 • MOS结构 • 异质结 • 超晶格
2.2 PN 结
➢大量半导体器件都是由PN结构成; ➢PN结的性能集中的反应了半导体导电性能
特点：
存在两种载流子； 载流子产生与复合； 载流子漂移：载流子在外部电场的作用下的定向运动； 载流子扩散：由于某些外部条件使得半导体内部的载流子
➢电子浓度＝空穴浓度； ➢载流子少； ➢导电性差； ➢温度特性差。
载流子
电子：Electron，带负电的导电载流 子，是价电子脱离原子束缚 后 形成的自由电子，对应于导带 中占据的电子
空穴：Hole，带正电的导电载流子， 是价电子脱离原子束缚 后形成 的电子空位，对应于价带中的 电子空位
把纯净的没有结 构缺陷的半导体单晶 称为本征半导体。
+4
则形成N型半导
体。
+4
+4
+4
正磷原离子子
++54
+4
多余价电子
自由电子
+4
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N 型半导体结构示意图 少数载流子
正离子
多数载流子
在N型半导中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。
P型半导体
+4
在硅或锗的晶体中
掺入少量的三价元
素,如硼,则形成P 型
半导体。
+4
+4
+4
+4
负硼离原子子
+43
微电子学概论
唐军
上一章课程内容回顾
➢第一块晶体管、IC诞生的时间 ➢IC的概念 ➢集成电路的作用 ➢集成电路的分类 ➢微电子学的特点
➢ 第一章 绪论 ➢ 第二章 半导体物理和半导体器件物理基础 ➢ 第三章 大规模集成电路基础 ➢ 第四章 集成电路制造工艺 ➢ 第五章 半导体材料 ➢ 第六章 集成电路设计 ➢ 第七章 集成电路设计的CAD系统 ➢ 第八章 几类重要的特种微电子器件 ➢ 第九章 微机电系统 ➢ 第十章 微电子技术发展的规律和趋势
第二章 半导体物理和半导体器件物理基础
➢2.1 半导体及其导电特性 ➢2.2 PN结 ➢2.3 双极晶体管 ➢2.4 MOS场效应晶体管 ➢2.5 小结
2.1 半导体的导电特性
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1
从导电特性和 机制来分：
不同电阻特性
不同输运机制
导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1
+4
填补空位
空穴
+4
+4
P 型半导体结构示意图
空穴是多数载流子
负离子
电子是少数载流子
在P型半导中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。
半导体的掺杂
B
受主掺杂
As
施主掺杂
施主：Donor，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 Si中掺的P 和As
受主：Acceptor，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 Si中掺的B