半导体材料与特性

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半导体材料与特性 (12/25)
受体体杂质产生电洞,但不产生电子. p型半导体:含受体杂质原子之半导体.
外质半导体
含杂质原子之半导体材料,亦称掺杂半导体. 掺杂过程中可控制以决定材料之导电度及电流.
Semiconductor Materials and Diodes
半导体材料与特性 pn接面 二极体电路:直流分析与模型 二极体电路: 交流等效电路 其他形式二极体
半导体材料与特性 (1/25)
前言
最常见的半导体为矽,用在半导体元件及 矽 积体电路 其他特殊用途的则有砷化镓 砷化镓及相关的化合 砷化镓 物,用在非常高速元件及光元件
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半导体材料与特性 (23/25)
电洞扩散方向与电流方向:
总漂移电流密度:半导体有电子及电洞
J = en n E + ep p E = (en n + ep p ) E = σ E = 1 E
ρ
≈ 为半导体的导电度与电子电洞之浓度有关,单位 为(-cm)-1.制成时选择掺杂可控制导电度. σ
= 1
ρ
, ρ为电阻率,单位为(-cm) .
可看成另一形式的欧姆定律.
半导体
原子:质子,中子,电子
电子能量随壳层半径增加而增加 价电子:最外层的电子,化学活性主要由其数 目而定
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半导体材料与特性 (2/25)
周期表依价电子数而排列
室温下每个施(受)体原子产生一个自由电子(电洞)
(Nd )Na
远大於本质浓度.
n ≈ N (p ≈ N ) 0 d 0 a ni2 ni2
p0 = Nd (n0 = Na )
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(1.5 ×1010 )
1016
2
= 2.25 × 104 cm 3
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半导体材料与特性 (16/25)
漂移与扩散
两种导致电子电洞(统称载子)在半导体内移 动之程序
J p = +envdp = +ep( + p E ) = + ep n E
p是电洞浓度(个/cm3),e是电子电荷 漂移电流与电场与电洞流同向
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半导体材料与特性 (19/25)
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半导体材料与特性 (20/25)
Example 1.3:求漂移电流密度 考虑在 T=300° K 下之矽掺杂浓度Nd=8*1015cm-3的砷原子. 假设迁移率各为 与 .且 n = 1350cm 2 / V s 外加电场为100 V/cm. p = 480cm2 / V - S 解:由例1.1 之结果知,室温下矽之ni=1.5×1010cm-3. 所以,从(1.9)式得
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半导体材料与特性 (11/25)
受体杂质:接受价电子
常用第三族元素有硼. 三个价电子用在三个共价键 ,剩下一开放的键结位置. 室温下邻近的价电子可有足够 热能而离至这个位置,因而产生电洞. 剩下之原子带负电荷,不可移动,有产生电洞而产 生电洞电流.
半导体材料与特性 (6/25)
本质半导体
电子及电洞浓度为半导体材料特性之重要参数,因其 直接影向电流之大小 本质半导体 无其他物质在晶格内之单一晶格半导体材料 电子与电洞之密度相同,因皆由热产生 本质载子浓度
ni =
Eg 3 / 2 2 kT BT e
B为常数,与特定之半导体材导有关 Eg与温度之关系不重 k为Boltzmann常数=86×10-6 eV/°K
半导体材料与特性 (4/25)
半导体内之电流
自由电子流动 电洞流:价电子获得能量而流动至
邻近的的空位如同正电荷反向移动.
能隙能量Eg:破坏共价键的最低能量
能隙能量在3-6 eV者为绝缘体,由於室温之下几乎没 有自由电子存在,反之为导体 半导体的数量级约为1 eV (=1.6×10-19焦耳)
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半导体材料与特性 (7/25)
Example 1.1:T=300 °K求矽之本质载子浓度 解:代入公式即可
ni =
Eg 3 / 2 2 kT BT e
结果为1.5×1010 cm-3,虽不小,但比起原子浓度 5×1022 cm-3则很小
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半导体材料与特性 (8/25)
外质半导体
加入杂质
本质半导体的电子电洞浓度相当小,仅可有微 量电流.适当地加入控制量的某些杂质可大为 提高. 适宜的杂质可进入晶格取代原来的电子(即使价 电子结构不同),常用杂质来自三五族
半导体材料与特性 (5/25)
能带图观念(a)
EV为价电带最高能量 EC为导电带最低能量 Eg= EV - EC 两能带间为禁止能隙
电子无法在禁止能隙中存在
(b)显示传导电子产生过程 电子获得足够能量从价电带跃迁到导电带
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半导体材料与特性 (3/25)
电子与电洞
T=0°K时矽为绝缘体:电子在最低能态,一个小电场 无法使电子移动,因被束缚於所属的原子 增加温度:价电子得到足够的热能Eg (能隙能量)以破 坏共价键而移出原位,成为晶格内的自由电子,且在 原位之空能态为正电荷,此粒子即为电洞
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半导体材料与特性 (10/25)
剩下之原子带正电荷,但在晶格内不可移动,所以对 电流无贡献 施体杂质产生自由电子,但不产生电洞 掺杂:加入杂质,控制自由电子(洞)浓度 n型半导体:含施体杂质原子之半导体
ni2 (1.5 ×1010 ) 2 p= = = 2.81×104 cm 3 Nd 8 ×1015
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半导体材料与特性 (21/25)
由於两种载子的浓度有很大的差异,因此导电度可 简化为
半导体材料与特性 (22/25)
扩散:粒子由高浓度向低浓度流动
是一种统计现象,与动力学理论有关
高浓度粒子一半往低浓度流,低浓度亦一半往高浓度流, 所以净结果是高浓度粒子往低浓度流
电子扩散方向与电流方向:
一维方程式 J n = eDn dn dx e电荷量 Dn为电子扩散系数 dn 电子浓度梯度 dx 电流方向为正X轴方向
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半导体材料与特性 (18/25)
p型半导体:电场方向与对电洞产生之力量同向
漂移速度vdp = + p E ,正号表相同方向 为电洞迁移率,低掺杂矽之典型值为480 (cm2/V-s),略小 P 於一半的电子迁移率 漂移电流密度
第四族之矽与锗为元素半导体 砷化镓为三五族的化合物半导体
原子,晶格,共价键
无交互作用之原子(如图),靠太近则价电子交互作用形 ( ) 成晶格,此共用之价电子称为共价键 因最外边的价电子仍为可用的,所以可再加入额外原子 形成更大的单一晶格结构
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半导体材料与特性 (13/25)
电子电洞之浓度关系
在热平衡下为 n0 p0 = ni2 n0 为自由电子之热平衡浓度, p0为电洞之热平衡浓度, ni
为本质载子浓度 若施(受)体浓度
半导体材料与特性 (15/25)
Example 1.2:求热平衡下之电子电洞浓度带入公式即可 考虑在 T=300° K 下矽被磷掺杂至 Nd=1016cm-3 的浓度. 请记得例1.1中ni=1.5×1010cm-3 解:因Nd>>ni,电子浓度为 而电洞浓度变为
po = ni = Nd
2
no N d = 1016 cm 3
漂移:由电场引起 扩散:由浓度改变(浓度梯度)所引起
梯度的成因可为非均匀掺杂分布或在某区注入某量的 电子或电洞
漂移---假设给半导体一个电场,此场产生力 量作用在自由电子及电洞而产生漂移速度与 移动
17/86 ---Donald A. Neamen---Microelectronics Circuit Analysis and Design
σ = e n n + e p p e n n
或
σ = (1.6 ×1019 )(1350)(8 ×1015 ) = 1.73( cm) 1
漂移电流可为
J = σ E = (1.73)(100) = 173 A / cm 2
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半导体材料与特性 (9/25)
施体杂质:贡献自由电子,如磷
常用第五族元素有磷与砷. 四个价电子用以满足共价键的要求. 第五个价电子则松散去束缚在原子上,室温下可有足 够热能破坏键结而成自由电子,因而对半导体电流有 所贡献. 当第五个价电子移动到导电带,磷离子则形成带正电 的离子.
半导体材料与特性 (14/25)
多数及少数载子:相差数个阶级 多数及少数载子: n型半导体:电子为多数载子,电洞为少数载子 p型半导体:电洞为多数载子,电子为少数载子
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半导体材料与特性 (17/25)
n型半导体:电场方向与对电子产生之力量反向
漂移速度 vdn = n E ,负号表电场相反方向 为电子迁移率,可想成电子在半导体内移动效果的参 n 数.低掺杂矽之典型值为1350 (cm2/V-s) 漂移电流密度 J n = envdn = en( n E ) = +en n E n是电子浓度(个/cm3),e是电子电荷 漂移电流与电子流反向,但与电场同向