wqiu半導(dǎo)體物理與器件ppt課件

1、半導(dǎo)體物理與器件第四章第二講邱偉彬2019.09.224.3 非本征半導(dǎo)體非本征半導(dǎo)體：摻入定量的特定的雜質(zhì)原子施主或受主，從而熱平衡電子和空穴濃度不同于本征載流子濃度的半導(dǎo)體資料。摻入的雜質(zhì)原子會(huì)改動(dòng)電子和空穴的分布。費(fèi)米能級(jí)偏離禁帶中心位置。摻入施主雜質(zhì)，雜質(zhì)電離構(gòu)成導(dǎo)帶電子和正電中心施主離子，而不產(chǎn)生空穴實(shí)踐上空穴減少，因此電子濃度會(huì)超越空穴，我們把這種半導(dǎo)體叫做n型半導(dǎo)體；在n型半導(dǎo)體中，電子稱為多數(shù)載流子，相應(yīng)空穴成為少數(shù)載流子。相反，摻入受主雜質(zhì)，構(gòu)成價(jià)帶空穴和負(fù)電中心受主離子，空穴濃度超越電子，p型，多子為空穴。 摻入施主雜質(zhì)，費(fèi)米能級(jí)向上導(dǎo)帶挪動(dòng)，導(dǎo)帶電子濃度添加，空穴濃度減少

2、 過程：施主電子熱激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶添加導(dǎo)帶電子濃度；施主電子躍遷到價(jià)帶與空穴復(fù)合，減少空穴濃度；施主原子改動(dòng)費(fèi)米能級(jí)位置，導(dǎo)致重新分布 摻入受主雜質(zhì)，費(fèi)米能級(jí)向下價(jià)帶挪動(dòng)，導(dǎo)帶電子濃度減少，空穴濃度添加 過程：價(jià)帶電子熱激發(fā)到受主能級(jí)產(chǎn)生空穴，添加空穴濃度；導(dǎo)帶電子躍遷到受主能級(jí)減少導(dǎo)帶電子濃度；受主原子改動(dòng)費(fèi)米能級(jí)位置，導(dǎo)致重新分布 載流子濃度n0和p0的公式： 只需滿足玻爾茲曼近似條件，該公式即可成立 只需滿足玻爾茲曼近似條件，n0p0的乘積亦然為本征載流子濃度和資料性質(zhì)有關(guān)，摻雜無關(guān)的平方。雖然在這里本征載流子很少 例4.5直觀地闡明了費(fèi)米能級(jí)的挪動(dòng)，對(duì)載流子濃度呵斥的影響：費(fèi)米能級(jí)抬高了

3、約0.3eV，那么電子濃度變?yōu)楸菊鳚舛鹊?00000倍，空穴濃度的100000000000倍。0expcFcEEnNkT0expFvvEEpNkT200/giEkTcvn pnN N e 載流子濃度n0、p0的另一種表達(dá)方式：0)(expexpexpcFiFFicFiFFiccEEEEEEEEnNNkTkTkTexpcFiicEEnNkT0expFFiiEEnnkT同樣地：同樣地：0expFFiiEEpnkTEFEFi電子濃度超電子濃度超越本征載流子濃度；越本征載流子濃度；EF0時(shí)，實(shí)踐上意味著費(fèi)米能級(jí)曾經(jīng)進(jìn)入到導(dǎo)帶中簡(jiǎn)并。時(shí)，實(shí)踐上意味著費(fèi)米能級(jí)曾經(jīng)進(jìn)入到導(dǎo)帶中簡(jiǎn)并。mP91給出了費(fèi)米積分曲

4、線，利用它可以計(jì)算費(fèi)米積分。給出了費(fèi)米積分曲線，利用它可以計(jì)算費(fèi)米積分。m例例4.6E4.8給出了一個(gè)用費(fèi)米積分計(jì)算出的電子濃度。給出了一個(gè)用費(fèi)米積分計(jì)算出的電子濃度。m小于用玻爾茲曼近似計(jì)算值小于用玻爾茲曼近似計(jì)算值m典型的簡(jiǎn)并半導(dǎo)體電子濃度典型的簡(jiǎn)并半導(dǎo)體電子濃度費(fèi)米費(fèi)米狄拉克積分狄拉克積分與此類似，熱平衡形狀下的空穴濃度也可以表示為：與此類似，熱平衡形狀下的空穴濃度也可以表示為：可見，當(dāng)可見，當(dāng)F0F0時(shí)，實(shí)踐上也就意味著費(fèi)米能級(jí)曾時(shí)，實(shí)踐上也就意味著費(fèi)米能級(jí)曾經(jīng)進(jìn)入到價(jià)帶中。經(jīng)進(jìn)入到價(jià)帶中。其中：其中： 簡(jiǎn)并與非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 在n0、p0的推導(dǎo)過程中，運(yùn)用了玻爾茲曼假設(shè)，該假設(shè)只能處置非

5、簡(jiǎn)并系統(tǒng)。而當(dāng)導(dǎo)帶電子價(jià)帶空穴濃度超越了形狀密度NcNv時(shí)，費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶價(jià)帶內(nèi)部，稱這種半導(dǎo)體為np型簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。 發(fā)生簡(jiǎn)并的條件 大量摻雜 溫度的影響低溫簡(jiǎn)并 簡(jiǎn)并系統(tǒng)的特點(diǎn)： 雜質(zhì)未完全電離 雜質(zhì)能級(jí)相互交疊分裂成能帶，甚至能夠與帶邊相交疊。雜質(zhì)上未電離電子也可發(fā)生共有化運(yùn)動(dòng)參與導(dǎo)電。從費(fèi)米積分曲線上可以看出當(dāng)從費(fèi)米積分曲線上可以看出當(dāng)FkT此時(shí)對(duì)于導(dǎo)帶電子來說，波爾茲曼假設(shè)成立此時(shí)對(duì)于導(dǎo)帶電子來說，波爾茲曼假設(shè)成立0expcFcEEnNkT 那么占據(jù)施主能級(jí)的電子數(shù)和總的電子數(shù)導(dǎo)帶中和施主能級(jí)中的比值為：02exp2expexpdFddddFcFdcEENkTnnnEEEENNkTk

6、T11exp2cdcdEENNkTexpexpcddFEEEEkTkTNc在在1019左右，而左右，而Ec-Ed為雜質(zhì)電離能，幾十為雜質(zhì)電離能，幾十meV，那么指數(shù)項(xiàng)的數(shù)，那么指數(shù)項(xiàng)的數(shù)量級(jí)為量級(jí)為1/e，因此在摻雜濃度不高，因此在摻雜濃度不高1017)的情況下，雜質(zhì)完全電離。的情況下，雜質(zhì)完全電離。例例4.7 同樣，對(duì)于摻入受主雜質(zhì)的p型非本征半導(dǎo)體資料來說，在室溫下，對(duì)于1016cm-3左右的典型受主雜質(zhì)摻雜濃度來說，其摻雜原子也曾經(jīng)完全處于離化形狀。室溫條件下室溫條件下n型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體中雜質(zhì)的完全電離形狀型半導(dǎo)體中雜質(zhì)的完全電離形狀 絕對(duì)零度時(shí)EF位于Ec和Ed之間，雜質(zhì)

7、原子處于完全未電離態(tài)，稱為束縛態(tài) 例4.8的結(jié)果闡明，即使在零下100度的低溫條件下，依然有90%的受主雜質(zhì)發(fā)生了電離。這闡明完全電離假設(shè)在常溫條件附近是近似成立的。00111exp2dTdcdcdnnnEENNkT絕對(duì)零度時(shí)，一切施主雜質(zhì)絕對(duì)零度時(shí)，一切施主雜質(zhì)能級(jí)都被電子所占據(jù)，導(dǎo)帶能級(jí)都被電子所占據(jù)，導(dǎo)帶無電子。無電子。4.5 摻雜半導(dǎo)體的載流子濃度前邊討論了本征半導(dǎo)體的載流子濃度；討論了施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)在半導(dǎo)體中的表現(xiàn)。定性的給出了雜質(zhì)在不同溫度下的電離情況，并且定性的知道了載流子濃度和摻雜程度的相關(guān)性。這節(jié)我們要詳細(xì)推導(dǎo)摻雜半導(dǎo)體的載流子濃度和摻雜的關(guān)系。EcEv 補(bǔ)償半導(dǎo)體：同時(shí)

8、施有施主摻雜和受主摻雜的半導(dǎo)體稱為補(bǔ)償半導(dǎo)體。 補(bǔ)償?shù)暮x：施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)電子電子空穴空穴施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)抬高費(fèi)抬高費(fèi)米能級(jí)米能級(jí)降低費(fèi)降低費(fèi)米能級(jí)米能級(jí)施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)EdEan0p0電電離施主離施主Nd+電電離受主離受主Na-未未電電離施主離施主未未電電離受主離受主施主電子施主電子受主空穴受主空穴本征電子本征電子本征空穴本征空穴q電中性條件電中性條件q在平衡條件下，補(bǔ)償半導(dǎo)體中存在著導(dǎo)帶電子，在平衡條件下，補(bǔ)償半導(dǎo)體中存在著導(dǎo)帶電子，價(jià)帶空穴，還有離化的帶電雜質(zhì)離子。但是作為價(jià)帶空穴，還有離化的帶電雜質(zhì)離子。但是作為一個(gè)整體，半導(dǎo)體處于電中性形狀。因此有：一個(gè)整體，半導(dǎo)體

9、處于電中性形狀。因此有：0000adaaddnNpNnNppNn其中，其中，n0:導(dǎo)帶電子濃度；導(dǎo)帶電子濃度；p0：價(jià)帶空穴濃度。：價(jià)帶空穴濃度。nd是施主中電子密度；是施主中電子密度；Nd+代表離化的施主雜代表離化的施主雜質(zhì)濃度；質(zhì)濃度；pa：受主中的空穴密度；：受主中的空穴密度；Na-：離化：離化的受主雜質(zhì)濃度。的受主雜質(zhì)濃度。 完全電離常溫低摻雜的條件下， 、 都等于零2000022000iadaddainnNpNnNNnnNNnn在非簡(jiǎn)并條件下在非簡(jiǎn)并條件下關(guān)系依然成立關(guān)系依然成立200in pndnap求解該方程，得到：求解該方程，得到：22022dadaiNNNNnn根式取正號(hào)，由

10、于要求根式取正號(hào)，由于要求零摻雜時(shí)為本征載流子零摻雜時(shí)為本征載流子濃度濃度摻雜程度相等時(shí)，完全摻雜程度相等時(shí)，完全補(bǔ)償，類本征半導(dǎo)體補(bǔ)償，類本征半導(dǎo)體摻雜濃度大于摻雜濃度大于ni時(shí)，雜時(shí)，雜質(zhì)電子濃度才起主要作質(zhì)電子濃度才起主要作用用 同理利用可推導(dǎo)出空穴濃度為：200inpneffdaadNNNNN或例例4.9的結(jié)果顯示，在非的結(jié)果顯示，在非簡(jiǎn)并條件下，多數(shù)載流簡(jiǎn)并條件下，多數(shù)載流子濃度近似等于摻雜濃子濃度近似等于摻雜濃度非補(bǔ)償度非補(bǔ)償例例4.10結(jié)果顯示，在摻結(jié)果顯示，在摻雜濃度和本征載流子濃雜濃度和本征載流子濃度相差不大時(shí)，須思索度相差不大時(shí)，須思索本征載流子濃度的影響本征載流子濃度的影

11、響例例4.11結(jié)果顯示，對(duì)于結(jié)果顯示，對(duì)于非簡(jiǎn)并完全電離的補(bǔ)償非簡(jiǎn)并完全電離的補(bǔ)償半導(dǎo)體，多子濃度等于半導(dǎo)體，多子濃度等于有效摻雜濃度。有效摻雜濃度。有效摻雜濃度有效摻雜濃度少數(shù)載流子濃度該當(dāng)根少數(shù)載流子濃度該當(dāng)根據(jù)據(jù)推導(dǎo)推導(dǎo)200in pn22022adadiNNNNpn不同摻雜程度下半導(dǎo)體中多子與少子的數(shù)量差別雜質(zhì)原子不僅僅添加了多數(shù)載流子濃度，而且還減少了少數(shù)載流子濃度 高溫下的載流子濃度 由于本征載流子濃度ni是溫度的強(qiáng)函數(shù)，因此隨著溫度的添加，ni迅速增大而使得本征激發(fā)載流子濃度超越雜質(zhì)載流子濃度，這將導(dǎo)致半導(dǎo)體的摻雜效應(yīng)弱化或消逝。22022dadaiNNNNnn在一個(gè)施主雜質(zhì)濃度為在一個(gè)施主雜質(zhì)濃度為5 514cm-314cm-3的半導(dǎo)體資料中，電子的半導(dǎo)體資料中，電子濃度隨著溫度的變化關(guān)系如以下圖所示，當(dāng)溫度由絕對(duì)濃度隨著溫度的變化關(guān)系如以下圖所示，當(dāng)溫度由絕對(duì)零度不斷升高時(shí)，圖中曲線分別閱歷了雜質(zhì)凍結(jié)區(qū)、雜零度不斷升高時(shí)，圖中曲線分別閱歷了雜質(zhì)凍結(jié)區(qū)、雜質(zhì)部分離化區(qū)、雜質(zhì)完全離化區(qū)非本征激發(fā)區(qū)和本質(zhì)部分離化區(qū)、雜質(zhì)完全離化區(qū)非本征激發(fā)區(qū)和本征激發(fā)區(qū)。征激發(fā)區(qū)。低溫未完全低溫未完全電離區(qū)電離區(qū)完全電離區(qū)完全電離區(qū)飽和電離區(qū)飽和電離區(qū)非本征區(qū)非本征區(qū)本征激發(fā)區(qū)本