半導(dǎo)體基本知識(shí)-修改-1課件

半導(dǎo)體物理和器件的基礎(chǔ)知識(shí)

（補(bǔ)充材料）

陳朝

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2008年10月10日于廈門(mén)什么是半導(dǎo)體？半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體基本概念、性質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)和能帶理論簡(jiǎn)介PN結(jié)的形成及其基本性能半導(dǎo)體材料的表征：基本參數(shù)及其檢測(cè)半導(dǎo)體光電材料簡(jiǎn)介：第一類Ge、Si；第二類GaAs、InP；第三類GaN、ZnO等。

目錄一、半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)和能帶理論1、什么是半導(dǎo)體？的基本性質(zhì)：（1）半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間電阻率ρ：?jiǎn)挝唬é浮m）：絕緣體（橡膠）：1010～1022Ω·cm半導(dǎo)體（鍺、硅）：10－2～109Ω·cm導(dǎo)體（金屬）：10－5

Ω·cm超導(dǎo)體（YBaCuO）：接近零0

Ω·cm

（2）半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的下降而上升（和導(dǎo)體相反）半導(dǎo)體：σ＝σ0exp（-E/KT),σ＝Δneμ,E=ED-EF

即：ρ＝1/σ＝σ-10exp（E/KT)導(dǎo)體：ρ＝ρ0T,R=ρL/S

這是區(qū)別導(dǎo)體、半導(dǎo)體的主要標(biāo)志。

2、半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)

（3）半導(dǎo)體對(duì)外界各種作用（光、電、磁、熱、力）很敏感利用半導(dǎo)體的這特性，可以制備各種傳感器（sensor）。例如：光敏電阻、晶體管、磁場(chǎng)儀、熱敏電阻、壓力傳感器等（4）半導(dǎo)體的各種性能對(duì)雜質(zhì)非常敏感一般半導(dǎo)體的原子密度：1022/cm3,如果含有1013～1016/cm3的雜質(zhì),即ppb（億萬(wàn)分之一10－9）（深能級(jí)雜質(zhì)）—半導(dǎo)體純（電子純9N）～ppm（百萬(wàn)分之一10－6）（淺能級(jí)雜質(zhì)）——光譜純(6N)就對(duì)半導(dǎo)體性能有很明顯的改變。所以，半導(dǎo)體材料的提純非常主要，沒(méi)有達(dá)到半導(dǎo)體純的半導(dǎo)體材料，一般不顯現(xiàn)半導(dǎo)體的性能。

半導(dǎo)體工程，又稱為雜質(zhì)工程！

ppb——半導(dǎo)體純——≥99.999999999%——≥9N～14N3、半導(dǎo)體的導(dǎo)類型：n型和p型在半導(dǎo)體中電流的載體稱為載流子，帶負(fù)電荷的載流子稱為n型載流子，n型載流子是電子；帶正負(fù)電荷的載流子稱為p型載流子，p型載流子是空穴；電子濃度大于空穴濃度的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體，電子多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子），空穴為少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）；空穴濃度大于電子濃度的半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體，空穴多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子），電子為少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）?？昭ǎ盒蜗笳f(shuō)法：共價(jià)鍵的空位（類似于水中的氣泡）稱為空穴；嚴(yán)格定義：滿帶電子的空位稱為空穴高純、不摻雜的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體；同時(shí)含有電子和空穴兩種載流子的半導(dǎo)體稱為補(bǔ)償半導(dǎo)體，電子濃度和空穴濃度相等的半導(dǎo)體稱為完全補(bǔ)償半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子。

Si

Si

Si

Si價(jià)電子N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻入五價(jià)元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)電子變?yōu)檎x子在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。

在N

型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。動(dòng)畫(huà)N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。摻入三價(jià)元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子空穴動(dòng)畫(huà)無(wú)論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。（1）PN結(jié)的形成載流子的兩種運(yùn)動(dòng)——擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：電中性的半導(dǎo)體中，載流子從濃度高的區(qū)域向濃度較低區(qū)域的運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)：在電場(chǎng)作用下，載流子有規(guī)則的定向運(yùn)動(dòng)。（6）兩種類型半導(dǎo)體冶金學(xué)接觸的界面稱為pn結(jié)，pn結(jié)具有單向?qū)щ娦?、pn結(jié)的形成和基本性質(zhì)PN結(jié)的單向?qū)щ娦允疽鈭D1.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄P接正、N接負(fù)外電場(chǎng)IF內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場(chǎng)PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++動(dòng)畫(huà)+–2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng)P接負(fù)、N接正內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－動(dòng)畫(huà)–+PN結(jié)變寬2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IRP接負(fù)、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。動(dòng)畫(huà)–+PN結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場(chǎng)PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－（3）半導(dǎo)體二極管基本結(jié)構(gòu)(a)點(diǎn)接觸型(b)面接觸型

結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。陰極引線陽(yáng)極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽(yáng)極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽(yáng)極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型圖1–12半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽(yáng)極(

d

)符號(hào)D半導(dǎo)體pn結(jié)二極管的伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點(diǎn)：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。6、能帶理論簡(jiǎn)介（1）能帶理論的重要性

能帶理論是上世紀(jì)科學(xué)家應(yīng)用量子力學(xué)原理在處理無(wú)限晶體的電子能量狀態(tài)時(shí)建立發(fā)展的理論，它已成為研究固體性質(zhì)和應(yīng)用的主要理論?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，沒(méi)有能帶理論，就沒(méi)有半導(dǎo)體的發(fā)展，就沒(méi)有晶體管和IC，也就沒(méi)有大型計(jì)算機(jī)和電腦，沒(méi)有今天的各種信息產(chǎn)業(yè)和信息設(shè)備。

（2）固體價(jià)電子的共有化運(yùn)動(dòng)1.固體能帶的形成

1）電子共有化固體具有大量分子、原子或離子有規(guī)則排列的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。電子受到周期性勢(shì)場(chǎng)的作用。a（3）固體的能帶結(jié)構(gòu)

解定態(tài)薛定格方程(略），可以得出兩點(diǎn)重要結(jié)論：１.電子的能量是量子化的;２.電子的運(yùn)動(dòng)有隧道效應(yīng)。原子的外層電子(高能級(jí))，勢(shì)壘穿透概率較大，電子可以在整個(gè)固體中運(yùn)動(dòng),稱為共有化電子。原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊,一般不是共有化電子。能帶的寬度記作E，數(shù)量級(jí)為E～eV。

若N~1023,則能帶中兩能級(jí)的間距約10-23eV。一般規(guī)律：

1.越是外層電子，能帶越寬，E越大。

2.點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，E越大。3.兩個(gè)能帶有可能重疊。離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖3).能帶中電子的排布固體中的一個(gè)電子只能處在某個(gè)能帶中的某一能級(jí)上。

排布原則：

１.服從泡里不相容原理（費(fèi)米子）

２.服從能量最小原理設(shè)孤立原子的一個(gè)能級(jí)Enl，它最多能容納2(2+1)個(gè)電子。這一能級(jí)分裂成由N條能級(jí)組成的能帶后，能帶最多能容納２Ｎ(2+1)個(gè)電子。2.導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體（conductor．insulator）

它們的導(dǎo)電性能不同，是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶圖在外電場(chǎng)的作用下，大量共有化電子很易獲得能量，集體定向流動(dòng)形成電流。從能級(jí)圖上來(lái)看，是因?yàn)槠涔灿谢娮雍芤讖牡湍芗?jí)躍遷到高能級(jí)上去。E導(dǎo)體從能級(jí)圖上來(lái)看，是因?yàn)闈M帶與空帶之間有一個(gè)較寬的禁帶（Eg約3～6eV?），共有化電子很難從低能級(jí)（滿帶）躍遷到高能級(jí)（空帶）上去。在外電場(chǎng)的作用下，共有化電子很難接受外電場(chǎng)的能量，所以形不成電流。的能帶結(jié)構(gòu),滿帶與空帶之間也是禁帶，但是禁帶很窄（Eg約0.1～2eV?)。絕緣體半導(dǎo)體絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿當(dāng)外電場(chǎng)非常強(qiáng)時(shí)，它們的共有化電子還是能越過(guò)禁帶躍遷到上面的空帶中的。絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體３.半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)一.本征半導(dǎo)體（semiconductor）本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。介紹兩個(gè)概念：1.電子導(dǎo)電……半導(dǎo)體的載流子是電子2.空穴導(dǎo)電……半導(dǎo)體的載流子是空穴滿帶上的一個(gè)電子躍遷到空帶后,滿帶中出現(xiàn)一個(gè)空位。例.半導(dǎo)體CdS滿帶空帶hEg=2.42eV這相當(dāng)于產(chǎn)生了一個(gè)帶正電的粒子(稱為“空穴”),把電子抵消了。電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的?？諑M帶空穴下面能級(jí)上的電子可以躍遷到空穴上來(lái),這相當(dāng)于空穴向下躍遷。滿帶上帶正電的空穴向下躍遷也是形成電流,這稱為空穴導(dǎo)電。Eg在外電場(chǎng)作用下,解上例中,半導(dǎo)體CdS激發(fā)電子,光波的波長(zhǎng)最大多長(zhǎng)？為什么半導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而降低？4雜質(zhì)半導(dǎo)體１)n型半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ｇｅ等，摻入少量五價(jià)的雜質(zhì)（impurity）元素（如P、As等）形成電子型半導(dǎo)體,稱n型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級(jí)在禁帶中緊靠空帶處,ED～10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電。該能級(jí)稱為施主（donor）能級(jí)。

n型半導(dǎo)體在n型半導(dǎo)體中

電子……多數(shù)載流子空帶滿帶施主能級(jí)EDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴……少數(shù)載流子２)ｐ型半導(dǎo)體四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、Ｇe等，摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素（如Ｂ、Ga、Ｉn等）形成空穴型半導(dǎo)體，稱p型半導(dǎo)體。量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴的能級(jí)在禁帶中緊靠滿帶處，ED～10-2eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。該能級(jí)稱受主（acceptor）能級(jí)?？諑a滿帶受主能級(jí)

P型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+BEg在p型半導(dǎo)體中空穴……多數(shù)載流子電子……少數(shù)載流子3)n型化合物半導(dǎo)體例如，化合物GaAs中摻Ｔｅ，六價(jià)的Te替代五價(jià)的As可形成施主能級(jí)，成為n型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。4)ｐ型化合物半導(dǎo)體例如，化合物GaAs中摻Zn，二價(jià)的Zn替代三價(jià)的Ga可形成受主能級(jí)，成為p型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。5)雜質(zhì)補(bǔ)償作用實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃度nd），又有受主雜質(zhì)（濃度na），兩種雜質(zhì)有補(bǔ)償作用：若ndna——為n型（施主）若ndna——為p型（受主）利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，可以制成P-Ｎ結(jié)。7、Ｐ-Ｎ結(jié)的形成、性能和應(yīng)用一.Ｐ-Ｎ結(jié)的形成在一塊n型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，該區(qū)就成為ｐ型半導(dǎo)體。由于Ｎ區(qū)的電子向Ｐ區(qū)擴(kuò)散，Ｐ區(qū)的空穴向Ｎ區(qū)擴(kuò)散，在ｐ型半導(dǎo)體和Ｎ型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個(gè)電場(chǎng),稱為內(nèi)建場(chǎng)。內(nèi)建場(chǎng)大到一定程度,不再有凈電荷的流動(dòng)，達(dá)到了新的平衡。在ｐ型n型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為P-N結(jié)，約0.1m厚。P-N結(jié)n型p型內(nèi)建場(chǎng)阻止電子和空穴進(jìn)一步擴(kuò)散，記作。P-N結(jié)處存在電勢(shì)差Uo。也阻止N區(qū)帶負(fù)電的電子進(jìn)一步向P區(qū)擴(kuò)散。它阻止P區(qū)帶正電的空穴進(jìn)一步向N區(qū)擴(kuò)散；U0電子能級(jí)電勢(shì)曲線電子電勢(shì)能曲線P-N結(jié)考慮到P-Ｎ結(jié)的存在，半導(dǎo)體中電子的能量應(yīng)考慮進(jìn)這內(nèi)建場(chǎng)帶來(lái)的電子附加勢(shì)能。電子的能帶出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象?？諑Э諑-N結(jié)施主能級(jí)受主能級(jí)滿帶滿帶二.Ｐ-Ｎ結(jié)的單向?qū)щ娦裕ㄐ阅埽?正向偏壓在Ｐ-Ｎ結(jié)的p型區(qū)接電源正極，叫正向偏壓。阻擋層勢(shì)壘被削弱、變窄，有利于空穴向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，

形成正向電流（mＡ級(jí)）。p型n型I外加正向電壓越大，正向電流也越大，而且是呈非線性的伏安特性(圖為鍺管)。V（伏）３０２０１０（毫安）正向00.21.0I２.反向偏壓在Ｐ-Ｎ結(jié)的ｐ型區(qū)接電源負(fù)極,叫反向偏壓。阻擋層勢(shì)壘增大、變寬，不利于空穴向Ｎ區(qū)運(yùn)動(dòng)，也不利于電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng),沒(méi)有正向電流。p型n型I但是，由于少數(shù)載流子的存在，會(huì)形成很弱的反向電流，當(dāng)外電場(chǎng)很強(qiáng),反向電壓超過(guò)某一數(shù)值后，反向電流會(huì)急劇增大----反向擊穿。稱為漏電流（Ａ級(jí)）。擊穿電壓V(伏)I-１０-２０-３０（微安）反向-20-30三、P-N結(jié)的應(yīng)用

可以作成具有整流、開(kāi)關(guān)等作用的晶體二極管（diode）。1947年12月23日，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的半導(dǎo)體小組做出了世界上第一只具有放大作用的點(diǎn)接觸型晶體三極管。固定針B探針固定針AGe晶片1956年小組的三位成員獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。pnp電信號(hào)cbVebVcbRe~后來(lái)，晶體管又從點(diǎn)接觸型發(fā)展到面接觸型。晶體管比真空電子管體積小，重量輕，成本低，可靠性高，壽命長(zhǎng)，很快成為第二代電子器件。集成電路大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路

下圖為INMOST900微處理器:每一個(gè)集成塊（圖中一個(gè)長(zhǎng)方形部分）約為手指甲大小，它有300多萬(wàn)個(gè)三極管。4、半導(dǎo)體材料的表征純度：光譜純（太陽(yáng)能級(jí)）6N（<1ppma）以上;

電子純（半導(dǎo)體純）9N（<1ppba）以上。能帶參數(shù)：禁帶寬度Eg；躍遷類型（直接、間接）電學(xué)參數(shù)：導(dǎo)電類型（n型或p型）

電阻率ρ（Ω·cm）

摻雜濃度ND或NA（cm-3)

補(bǔ)償度：(ND-NA

）/ND完整性參數(shù)：少子壽命（μs)

少子擴(kuò)散長(zhǎng)度（μM）遷移率：μ（cm2/(v·s)）位錯(cuò)密度（個(gè)/cm2)幾何參數(shù)：直徑（英寸），厚度（毫米）冶金學(xué)參數(shù)：晶向（111）、（110）、（100）單晶（s)、多晶(m)、非晶（a）、微晶（μ

）、柱晶8、半導(dǎo)體材料簡(jiǎn)介（1）數(shù)量：

元素半導(dǎo)體：8種：Ge、Si、Sn、C（金剛石）、α-Sn、B、P、Se、Te。

二元化合物半導(dǎo)體：600多種三元化合物半導(dǎo)體：400多種：三元和四元固熔體。（2）分類：半導(dǎo)體：更多種；有機(jī)半導(dǎo)體：10多種

可按：化學(xué)成分、晶態(tài)、功能和發(fā)展過(guò)程來(lái)分類半導(dǎo)體與元素周期表類別：二元化合物半導(dǎo)體：由兩種元素組成。三元化合物半導(dǎo)體：由三種元素組成。多元化合物半導(dǎo)體：由三種及以上元素組成。二元化合物半導(dǎo)體：IV－IV族元素化合物半導(dǎo)體：碳化硅（SiC）鍺硅（Ge1－xSix）；

III-V族元素化合物半導(dǎo)體：砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）、磷化銦（InP）、氮化鎵（GaN）等；II-VI族元素化合物半導(dǎo)體：氧化鋅（ZnO）、硫化鋅（ZnS）、碲化鎘（CdTe）、硫化鎘（CdS）、硒化鋅（ZnSe）等；IV-VI族元素化合物半導(dǎo)體：硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、碲化鉛（PbTe）化合物(compound)半導(dǎo)體材料化合物(compound)半導(dǎo)體材料三元化合物與多元化合物半導(dǎo)體：由III族元素鋁(Al)、鎵(Ga)及V族元素砷(As)所組成的合金半導(dǎo)體AlxGax-1As即是一種三元化合物半導(dǎo)體，具有AxB1-xCyD1-y形式的四元化合物半導(dǎo)體鍺可由許多二元及三元化合物半導(dǎo)體組成。例如，合金半導(dǎo)體GaxIn1-xAsyp1-y是由磷化鎵(GaP)、磷化銦(InAs)及砷化鎵(GaAs)所組成。CuInGaSe2、CuInGaS2等?；衔锇雽?dǎo)體的優(yōu)勢(shì)與不足：許多化合物半導(dǎo)體具有與硅不同的電和光電特性。這些半導(dǎo)體，特別是砷化鎵