半导体导电性

多余 电子
失去一个 电子变为 正离子
磷原子
在N 型半导体中自由电子是 多数载流子，空穴是少数载 流子。
二、非本征载流子
掺入三价元素 空穴 Si Si 掺杂后空穴数目大量 增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方 – Si Si B 式，称为空穴半导体或 P型半导体。 硼原子 在 P 型半导体中空穴是多 接受一个 数载流子，自由电子是少数 电子变为 负离子 载流子。 无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。
在漂移－扩散模型中 在漂移－扩散模型中
方程形式1
jn = qμ n n E + qDn∇n
j p = qμ p p E − qD p ∇p
漂移项 扩散项
重
点
微电子技术概论
价电子
Si
Si
Si 共价健
Si
非晶体 单晶 多晶 Si晶体的共价健
一、半导体及其共价键结构
自由电子
Si Si
本征半导体的导电机理 价电子在获得一定能量（温度升 高或受光照）后，即可挣脱原子核的 束缚，成为自由电子（带负电），同 时共价键中留下一个空位，称为空穴 （带正电）。 这一现象称为本征激发。 温度愈高，晶体中产生的自由电子 便愈多。 在外电场的作用下，空穴吸引相邻 原子的价电子来填补，而在该原子 中出现一个空穴，其结果相当于空 穴的运动（相当于正电荷的移 动）。
Si
Si
空穴
价电子
一、半导体及其共价键结构
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
第二章 集成器件物理基础
2-1 半导体及其能带模型
+ D
ρ = q (N
−N
−
A
+ p−n
)
四、半导体基本方程
电流连续方程 可动载流 可动载流 子的守恒 子的守恒
电子
∂n 1 = ∇ jn + (G − R ) ∂t q
1 ∂p = − ∇ j p + (G − R ) q ∂t
热平衡时： 产生率＝复合率 np=ni2
空穴
四、半导体基本方程
电流密度方程 载流子的输运方程 载流子的输运方程
一、半导体及其共价键结构 二、半导体的能带模型 三、费米分布函数
2-2 半导体的导电性
一、本征半导体 二、非本征载流子 三、半导体中的电流 四、半导体基本方程
二、半导体的能带模型
单个原子的能级是分立的，N个相距无限远的原子能级也是分立 的，当固体中N个原子紧密排列时，由于原子间的相互作用，原 来同一大小的能级这时彼此数值上就有小的差异。同一能级就分 裂成为一系列和原来能级很接近的仍包含N个能量的新能级。这 些新能级基本上连成一片形成能带。
二、非本征载流子
二、非本征载流子
二、非本征载流子
二、非本征载流子
二、非本征载流子
第二章 集成器件物理基础
2-1 半导体及其能带模型
一、半导体及其共价键结构 二、半导体的能带模型 三、费米分布函数
2-2 半导体的导电性
一、本征半导体 二、非本征载流子 三、半导体中的电流 四、半导体基本方程
一、本征半导体
一、本征半导体
ni=pi=AT3/2e-Eg/2kT Si: A=3.87x1016 室温下： Si：1.45x1010/cm3 Ge：2.4x1013/cm3 GaAs：1.79x106/cm3 Si:温度升高11ºC，本征载流 子浓度增加1倍。
第二章 集成器件物理基础
2-1 半导体及其能带模型
一、半导体及其共价键结构
“掺杂”对半导体电导率的影响
Si (原子密度 5ⅹ1022/cm3 电阻率 1Ωcm)
+ P (5ⅹ1015/cm3 )=>电阻率 2.3ⅹ105Ωcm
元素半导体：Si Ge 化合物半导体：GaAs InP SiC AlGaN
一、半导体及其共价键结构
一、半导体及其共价键结构
二、半导体的能带模型
半导体的能带结构
导 带
Eg
价 带
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K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 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
二、半导体的能带模型
导体中价带和导带重叠，没有禁带，价带电子全为自有电子，导电性很强！ 绝缘体禁带很宽，室温下，束缚电子无法成为自由电子。ΔEg 约为3 ~ 6eV。 半导体的禁带宽度相较于绝缘体较窄， ΔEg约为 0.1 ~ 2eV。
第二章 集成器件物理基础
2-1 半导体及其能带模型
一、半导体及其共价键结构 二、半导体的能带模型 三、费米分布函数
2-2 半导体的导电性
一、本征半导体 二、非本征载流子 三、半导体中的电流 四、半导体基本方程
一、半导体及其共价键结构
热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强 (可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。 光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
1eV=1.60x10-19J Si Eg=1.205-0.28x10-3T
第二章 集成器件物理基础
2-1 半导体及其能带模型
一、半导体及其共价键结构 二、半导体的能带模型 三、费米分布函数
2-2 半导体的导电性
一、本征半导体 二、非本征载流子 三、半导体中的电流 四、半导体基本方程
三、费米分布函数
一、半导体及其共价键结构 二、半导体的能带模型 三、费米分布函数
2-2 半导体的导电性
一、本征半导体 二、非本征载流子 三、半导体中的电流 四、半导体基本方程
二、非本征载流子
在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）, 形成杂质半导体。 在常温下即可 变为自由电子 掺入五价元素
Si Si
p+ Si
Si
微电子技术概论
西安电子科技பைடு நூலகம்学 微电子学院 董刚
gdong@mail.xidian.edu.cn 电话：88202562
第二章 集成器件物理基础
2-1 半导体及其能带模型
一、半导体及其共价键结构 二、半导体的能带模型 三、费米分布函数
2-2 半导体的导电性
一、本征半导体 二、非本征载流子 三、半导体中的电流 四、半导体基本方程
一、费米分布函数
第二章 集成器件物理基础
2-1 半导体及其能带模型
一、半导体及其共价键结构 二、半导体的能带模型 三、费米分布函数
2-2 半导体的导电性
一、本征半导体 二、非本征载流子 三、半导体中的电流 四、半导体基本方程
一、本征半导体
本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 →电子电流 (2)价电子递补空穴 →空穴电流 自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子 的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。 注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温 度对半导体器件性能影响很大。
三、半导体中电流
三、半导体中电流
三、半导体中电流
三、半导体中电流
三、半导体中电流
三、半导体中电流
第二章 集成器件物理基础
2-1 半导体及其能带模型
一、半导体及其共价键结构 二、半导体的能带模型 三、费米分布函数
2-2 半导体的导电性
一、本征半导体 二、非本征载流子 三、半导体中的电流 四、半导体基本方程
四、半导体基本方程
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
Ei ϕ =− q
四、半导体基本方程
方程的形式1
ρ ∇ ϕ (x, t ) = − ε sε 0
2
方程的形式2
E =
1
ε sε 0
∫ ρ (x )dx
s
均匀Si中 无外加偏压时 静电势为常数
电荷 密度 ρ(x)
可动的 －载流子（n,p) 固定的 －电离的施主、受主