第一章 半导体物理基础

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1、第一章第一章 半导体物理基础半导体物理基础1.1 半导体结构半导体结构1.2 半导体能带模型半导体能带模型1.3 半导体中的载流子半导体中的载流子1.4 态密度与费米能级态密度与费米能级1.5 载流子的传输载流子的传输1.6 PN结结1.7 金属金属半导体接触半导体接触1.8 MOS FET器件基础器件基础1.1 半导体结构半导体结构 一切晶体，不论外形如何，其内部质点（原子、离子、离子团一切晶体，不论外形如何，其内部质点（原子、离子、离子团或分子）都是有规律排列的。即晶体内部或分子）都是有规律排列的。即晶体内部相同质点在相同质点在三维空间均三维空间均呈周期性重复呈周期性重复。可分成单晶体和多

2、晶体可分成单晶体和多晶体 单晶：单晶：整个晶体由单一的晶格连续组成。整个晶体由单一的晶格连续组成。 多晶：多晶：晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成 非晶：固体中存在许多小区域，每个小区域的原子排列不同于其非晶：固体中存在许多小区域，每个小区域的原子排列不同于其它小区域的原子排列它小区域的原子排列 硅晶体是金刚石结构硅晶体是金刚石结构, , 均为四面体结构，并向空间无限伸展成空均为四面体结构，并向空间无限伸展成空间网状结构。间网状结构。按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以讲固体分为：按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以讲固体分为：硅的晶体

3、结构硅的晶体结构 硅晶体中任何一原子都有硅晶体中任何一原子都有4个最近邻的原子与之形成共个最近邻的原子与之形成共价键。一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共价键。一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共价的原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面价的原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面体。体。1s2p2sEo原子间距原子间距禁带禁带禁带禁带能带能带当有当有N个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能级，它们是级，它们是N重简并的，当这重简并的，当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子的

4、中的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相容原则）原子的中的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相容原则）从而只能分裂成从而只能分裂成N个非常靠近的能级（个非常靠近的能级（10-22ev）1.2 半导体能带模型半导体能带模型能带论能带论原子能级分裂成能带的示意图原子能级分裂成能带的示意图电子能量简化能带图简化能带图价带导带Eg=带隙EcEv在一般的原子中，内层电子的能级是被在一般的原子中，内层电子的能级是被电子填满的。当原子组成晶体后，与这电子填满的。当原子组成晶体后，与这些原子的内层电子能级相对应的那些能些原子的内层电子能级相对应的那些能带也是被电子所填满的。其中能级较高带也是被电子所填

5、满的。其中能级较高的被电子填满的能带称为价带，价带以的被电子填满的能带称为价带，价带以上的能带未被填满，称为导带，导带和上的能带未被填满，称为导带，导带和价带间的能隙叫禁带价带间的能隙叫禁带 1.3 半导体中的载流子半导体中的载流子 导带中的电子和价带中的空穴统称为导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子载流子，是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。满带满带半（不）满带半（不）满带EE 当电子从原来状态转移当电子从原来状态转移到另一状态时，另一电子到另一状态时，另一电子必作相反的转移。没有额必作相反的转移。没有额外的定向运动。满带中电外的定向运动。满带中电子

6、不能形成电流。子不能形成电流。半满带的电子可在外半满带的电子可在外场作用下跃迁到高一场作用下跃迁到高一级的能级形成电流。级的能级形成电流。空带空带满带满带禁带禁带-e-e-e-eEIeIP 1. 本征半导体本征半导体-不含杂质的半导体不含杂质的半导体本征激发本征激发空空穴穴电电流流导电机制：导电机制：本征导电中的载流子是电子和空穴本征导电中的载流子是电子和空穴（本征导电）（本征导电）2. 杂质半导体杂质半导体-含有少量杂质的半导体含有少量杂质的半导体n型半导体（施主杂质半导体）型半导体（施主杂质半导体）在纯净半导中掺入少量可提供导电电子的在纯净半导中掺入少量可提供导电电子的杂质所形成的半导体。

7、杂质所形成的半导体。例在四价硅（例在四价硅（Si）元素半导体中掺入五价砷（）元素半导体中掺入五价砷（AS）所形成的半导体所形成的半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeASAS+5+5+5+5 掺入掺入AS以后，五个以后，五个价电子中，有四个电子价电子中，有四个电子与周围的与周围的Ge组成共价键组成共价键晶体，还多余一个电子，晶体，还多余一个电子，此电子处于特殊的能级。此电子处于特殊的能级。满带满带空带空带施主能级施主能级gE能带结构：能带结构： 理论证明理论证明:

8、掺入这种掺入这种杂质后电子处于靠近空杂质后电子处于靠近空带下沿处的一个能级中带下沿处的一个能级中(“施主能级施主能级”)DE施主能级与上施主能级与上空带下能级的空带下能级的能级间隔称能级间隔称“施主杂质电离施主杂质电离能能”( )DE这种杂质可提这种杂质可提供导电电子故供导电电子故称为施主杂质称为施主杂质满带满带空带空带gE导电机制：导电机制：施主能级施主能级DEDE由于由于 较小较小,施主能级中的电子很容易激发到施主能级中的电子很容易激发到空带而在施主能级上留下不可移动的空穴空带而在施主能级上留下不可移动的空穴.此称此称“杂质激发杂质激发”,当然也存在本征激发当然也存在本征激发. 总之总之,

9、跃入空带中的电子数等于满带及施主跃入空带中的电子数等于满带及施主能级中的空穴数能级中的空穴数,由于施主能级中的空穴不能移由于施主能级中的空穴不能移动动,故在常温下故在常温下,能导电的空穴数远小于电子数能导电的空穴数远小于电子数,导电作用主要靠跃入空带中的电子导电作用主要靠跃入空带中的电子.（多数载流（多数载流子）子）导电机制：导电机制：故故n型半导体又称型半导体又称电子型半导体电子型半导体这种杂质可提这种杂质可提供导电电子故供导电电子故称为施主杂质称为施主杂质满带满带空带空带gE施主能级施主能级DE1.4 态密度与费米能级态密度与费米能级 态密度态密度 在能带中，能量在能带中，能量E附近单位能

10、量间隔内的量子附近单位能量间隔内的量子态数态数dZ/dE)(Eg在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态费米狄拉克统计分布规律费米狄拉克统计分布规律 温度为温度为T T（绝对温度）的热平衡态下，半导体中电子占据能量为（绝对温度）的热平衡态下，半导体中电子占据能量为E E的量子态的几率是的量子态的几率是 k k是玻尔兹曼常数，是玻尔兹曼常数，E EF F是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。 当当E-EE-EF FkTkT时，时，f f（E E）=0=0，说明高于，说明高于E EF F几个几个kTkT以上的能级都是

11、空的；而当以上的能级都是空的；而当E-EE-EF FkTkT时，时，f f（E E）1 1，说明低于，说明低于E EF F几个几个kTkT以下的能级被电子填满。特别是在绝对零度时以下的能级被电子填满。特别是在绝对零度时，EEEEEEF F的能级全是空的的能级全是空的, , E EF F是电子所占据的最高量子态的能是电子所占据的最高量子态的能量量。 E EF F反应了半导体中被电子填满了的能级水平，反应了半导体中被电子填满了的能级水平，费米能级的物理意义是，该能级上费米能级的物理意义是，该能级上的一个状态被电子占据的几率是的一个状态被电子占据的几率是1/2。费米能级是理论上引入的虚构的能级费米能