《半导体的导电性能》PPT课件.ppt

天津理工大学天津理工大学2.1.4 半导体材料导电特性半导体材料导电特性 一一 半导体中的载流子半导体中的载流子 二二 本征半导体本征半导体三三 非本征半导体非本征半导体四四 半导体中载流子的运动半导体中载流子的运动五五 半导体的电学性质半导体的电学性质1 天津理工大学天津理工大学h 价价 带带导 带Eg自由电子自由电子空穴空穴半导体中电子和空穴总是成对出现的半导体中电子和空穴总是成对出现的一一 半导体中的载流子半导体中的载流子2 天津理工大学天津理工大学空穴下面能级上的电子可以跃空穴下面能级上的电子可以跃迁到空穴上来迁到空穴上来,这相当于空穴这相当于空穴向下跃迁。向下跃迁。满带上带正电的空满带上带正电的空穴向下跃迁也是形成电流穴向下跃迁也是形成电流,这称为这称为空穴导电空穴导电。导带导带价带价带Eg在外电场作用下在外电场作用下导带的自由电子在电场力的作导带的自由电子在电场力的作用下会产生定向运动，形成电用下会产生定向运动，形成电流，这称为流，这称为电子电子导电。导电。3 天津理工大学天津理工大学半导体的导电半导体的导电 导带的电子导电和价带的空穴导电共同作用的结果导带的电子导电和价带的空穴导电共同作用的结果载流子：载流子：电荷的定向移动形成电流，电荷的电荷的定向移动形成电流，电荷的自由粒子称为载流子。自由粒子称为载流子。自由电子自由电子 带负电带负电半导体中有两种导电的载流子半导体中有两种导电的载流子空空 穴穴 带正电带正电4 天津理工大学天津理工大学 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。化学成分纯净的半导体。制造半制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%99.9999999%，常称为常称为“九个九个9”9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。（没有杂质和缺陷的半导体）。没有杂质和缺陷的半导体）。二二.本征半导体本征半导体5 天津理工大学天津理工大学 本征晶体中各原子之间靠得很近，如硅晶中，面心立方结本征晶体中各原子之间靠得很近，如硅晶中，面心立方结构，每个原子分别与周围的四个原子形成四面体，原子之间的构，每个原子分别与周围的四个原子形成四面体，原子之间的价电子形成价电子形成共价键共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。面心立方 硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图6 天津理工大学天津理工大学共价键性质共价键性质共价键上的两个电子同时受两个原子的约束，如果没有共价键上的两个电子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量，不易脱离轨道，没有自由电子，不导电。足够的能量，不易脱离轨道，没有自由电子，不导电。当温度升高或受到光的照射时，有些电子获得足够的当温度升高或受到光的照射时，有些电子获得足够的能量，从价带跃迁到导带，成为导带的自由电子，能量，从价带跃迁到导带，成为导带的自由电子，同时价同时价带出现等数量的空穴带出现等数量的空穴，这种激发为本征激发，载流子主要这种激发为本征激发，载流子主要来源于本征激发的半导体成为本征半导体。来源于本征激发的半导体成为本征半导体。7 天津理工大学天津理工大学 一分为二一分为二载流子的产生载流子的产生 复复 合合 合二为一合二为一温度一定时，动态平衡状态温度一定时，动态平衡状态本征半导体本征半导体平衡时半导体内部的载流子成为平衡时半导体内部的载流子成为平衡载流子平衡载流子 自由电子和自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。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，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。半导体中载流子便维持一定的数目。8 天津理工大学天津理工大学 本征半导体本征半导体自自由电子和空穴的数目是相等的由电子和空穴的数目是相等的 单位体积的电子数单位体积的电子数电子浓度电子浓度 n0 单位体积的空穴数单位体积的空穴数空穴浓度空穴浓度p0 n0=p0 =n0qn+n0qp=n0q(n+p)n电子迁移率电子迁移率p空穴迁移率空穴迁移率9 天津理工大学天津理工大学n对于导带：温度对于导带：温度T时，导带内会有多少电子时，导带内会有多少电子导带中的电子数导带中的电子数单位能量内的量子态数单位能量内的量子态数（状态密度）（状态密度）温度温度T时时，能量为，能量为E的量子态的量子态被一个电子占据的几率被一个电子占据的几率EC：导带底，导带电子最低能量导带底，导带电子最低能量Ev：价带顶，：价带顶，价带电子最高能量价带电子最高能量Eg：禁带宽度禁带宽度Ef：费米能级，数值上等于处于：费米能级，数值上等于处于热平衡状态时，系统增加一个电热平衡状态时，系统增加一个电 子所引起系统自由能的变化。子所引起系统自由能的变化。费费米能级处于禁带中米能级处于禁带中价价 带带导导 带带ECEv EgEf10 天津理工大学天津理工大学如果：如果：EC-EF k0T 电子的波尔兹曼分布函数电子的波尔兹曼分布函数电子费米分布函数电子费米分布函数 温度温度T时时，能量为，能量为E的量子态被的量子态被 一个电子占据的几率一个电子占据的几率空穴费米分布函数空穴费米分布函数温度温度T时时，能量为，能量为E的量子态不被的量子态不被 一个一个电子占据的几率，（被空占据的几率）电子占据的几率，（被空占据的几率）空穴的波尔兹曼分布函数空穴的波尔兹曼分布函数11 天津理工大学天津理工大学实际半导体中：实际半导体中：价价 带带导导 带带ECEvEF 导带底附近：导带底附近：E-EF k0T 电子服从波尔兹曼分布电子服从波尔兹曼分布 (1)导带中，所有量子态被电子占据的几率导带中，所有量子态被电子占据的几率f(E)1 (2)随着随着E增加，增加，fB(E)下降，所以导带中的电子分布在导带底附近下降，所以导带中的电子分布在导带底附近 价带顶附近：价带顶附近：EF-Ek0T 空穴服从波尔兹曼分布空穴服从波尔兹曼分布 (1)价带中，所有量子态被空穴占据的几率价带中，所有量子态被空穴占据的几率1-f(E)1 (2)随着随着E增加，增加，1-f(E)增加，所以价带中的空穴分布在价带顶附近增加，所以价带中的空穴分布在价带顶附近12 天津理工大学天津理工大学=NcNc：导带的有效状态密度，导带的有效状态密度，可以理解为把导带中的所可以理解为把导带中的所 有状态都集中在导带底，它的状态密度认为是有状态都集中在导带底，它的状态密度认为是Nc。导带中的电子数：导带中的电子数：导带中的电子浓度：导带中的电子浓度：13 天津理工大学天津理工大学空穴大多分布在价带顶附近空穴大多分布在价带顶附近价带中的空穴浓度：价带中的空穴浓度：Nv：价带的有效状态密度，价带的有效状态密度，可以理解为把价带中的所可以理解为把价带中的所 有状态都集中在价带电脑顶，它的状态密度认为是有状态都集中在价带电脑顶，它的状态密度认为是Nv。14 天津理工大学天津理工大学 本征半导体：本征半导体：n0=p0价价 带带导导 带带ECEvEF 一定的半导体材料，一定的温度下，一定的半导体材料，一定的温度下，n0p0一定，一定，适用于本征半导体、杂质半导体。适用于本征半导体、杂质半导体。15 天津理工大学天津理工大学 本征半导体电子空穴成对出现，电子、空穴浓度本征半导体电子空穴成对出现，电子、空穴浓度相等，它们的浓度称相等，它们的浓度称本征载流子浓度本征载流子浓度ni ni=n0=p0结论：结论：ni 与与Eg关系密切，关系密切，Eg 越大，越大，ni 越小越小ni 与与T关系密切，关系密切，T越高，越高，ni 越大越大1/Tni16 天津理工大学天津理工大学 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。(1)N型半导体(2)P型半导体三三.非本征半导体非本征半导体17 天津理工大学天津理工大学（1）四价的本征半导体）四价的本征半导体 Si、等，掺入少量五价的、等，掺入少量五价的杂质元素（如杂质元素（如P、As等），出现若束缚电子。等），出现若束缚电子。（2）量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带）量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠导带处中紧靠导带处,极容易被激发到导带中，极容易被激发到导带中，形成电子导电。这形成电子导电。这种激发后能给导带提供电子的杂质称种激发后能给导带提供电子的杂质称施主杂质施主杂质。该能级称为该能级称为施主能级施主能级，EDSiSiSiSiSiSiSiP n 型半导体型半导体 18 天津理工大学天津理工大学（3）掺施主的半导体的导带电子数主要有施主数）掺施主的半导体的导带电子数主要有施主数决定，半导体导电的载流子主要是电子决定，半导体导电的载流子主要是电子。导导 带带价价 带带施主能级施主能级EDEgECEV19 天津理工大学天津理工大学nN型半导体特征：型半导体特征：(1)从价带跃迁到导带的电子数相对于从施主从价带跃迁到导带的电子数相对于从施主 能级激发到导带的电子数项小得多，可忽略。能级激发到导带的电子数项小得多，可忽略。电子电子多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子 (2)n p =nqn20 天津理工大学天津理工大学（1）四价的本征半导体四价的本征半导体Si、e等，掺入少量三价的等，掺入少量三价的杂杂质质元素（如、元素（如、Ga、n等）。在掺杂原子周围，就缺等）。在掺杂原子周围，就缺一个电子，可以看作微弱结合的空穴。一个电子，可以看作微弱结合的空穴。（2）量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁）量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠价带处，很容易接受从价带激发来的电子，从而带中紧靠价带处，很容易接受从价带激发来的电子，从而在价带留下一个空穴，产生空穴导电。在价带留下一个空穴，产生空穴导电。这种杂质称受主杂这种杂质称受主杂质，该能级称为受主能级，质，该能级称为受主能级，EA。p 型半导体型半导体 SiSiSiSiSiSiSi+B21 天津理工大学天津理工大学 p型半导体中型半导体中 空穴空穴多数载流子多数载流子 电子电子少数载流子少数载流子导导 带带EA价价 带带受主能级受主能级EgECEV（3）掺受主的半导体的空穴数主要有受主数决定，）掺受主的半导体的空穴数主要有受主数决定，半导体导电的载流子主要是空穴。半导体导电的载流子主要是空穴。p n =pqp22 天津理工大学天津理工大学非本征半导体的载流子浓度 导导 带带价价 带带 施主能级施主能级EDEgECEV导导 带带EA价价 带带 受主能级受主能级EgECEVn型半导体型半导体p型半导体型半导体电子（空穴）被正电核（负电核）吸引，要真正电离电子（空穴）被正电核（负电核）吸引，要真正电离进入导带，需克服正电核所施的束缚能进入导带，需克服正电核所施的束缚能电离能电离能23 天津理工大学天津理工大学回答：不能，能带的能级能容纳自旋方向相反的两个电子回答：不能，能带的能级能容纳自旋方向相反的两个电子 施主能级所束缚的电子是任一自旋方向施主能级所束缚的电子是任一自旋方向（半导体物理）（半导体物理）电子占据杂质能级的几率是否服从费米分布函数？电子占据杂质能级的几率是否服从费米分布函数？n型半导体电子占据施主能级的几率型半导体电子占据施主能级的几率：P型半导体空穴占据受主能级的几率型半导体空穴占据受主能级的几率：24 天津理工大学天津理工大学 引入：引入：ND施主杂质浓度施主杂质浓度 NA受主杂质浓度受主杂质浓度(1)施主能级的电子浓度施主能级的电子浓度nD没有电离的施主浓度没有电离的施主浓度 nD=ND fD(E)(2)受主能级的空穴浓度受主能级的空穴浓度pA没有电离的受主浓度没有电离的受主浓度 pA=NA fA(E)(3)电离施主浓度电离施主浓度进入导带中的电子进入导带中的电子 nD+=ND-nD(4)电离受主浓度电离受主浓度 pA-=NA-pA25 天津理工大学天津理工大学nD=ND fD(E)ED-EFk0T施主杂质全部电离施主杂质全部电离nD=0nD+=ND EF-EDk0T施主杂质几乎没电离施主杂质几乎没电离nD=ND nD+=0 ED=EFnD=2/3 ND nD+=1/3 ND 施主杂质施主杂质2/3没电离没电离1/3电离电离26 天津理工大学天津理工大学n型半导体的载流子浓度：型半导体的载流子浓度：n0=nD+p0导带的电子浓度导带的电子浓度=电离施主浓度电离施主浓度+价带空穴浓度价带空穴浓度27 天津理工大学天津理工大学N型半导体不同温度下载流子的浓度变化型半导体不同温度下载流子的浓度变化nD+ND(1)低温弱电离区：低温弱电离区：温度较低，本征激发几乎不发生，少量施主杂质发生电离温度较低，本征激发几乎不发生，少量施主杂质发生电离少量电子进入导带少量电子进入导带n0=nD+施主杂质的电离能施主杂质的电离能T,n0 指数增加指数增加28 天津理工大学天津理工大学低温弱电离区费低温弱电离区费米能级表达式：米能级表达式：T ,EF 复杂,ND2NC，ND，EF 价价 带带导导 带带ECEvEFEiED29 天津理工大学天津理工大学(2)中间电离区：中间电离区：T ,NDNC，ND，EF n0=nD+价价 带带导导 带带ECEvEFEiED30 天津理工大学天津理工大学nD+ND(3)强电离区：强电离区：温度升高，大部分施主杂质发生电离温度升高，大部分施主杂质发生电离电子进入导带电子进入导带n0=nD+p0P0很小很小n0=NDn0与温度无关与温度无关31 天津理工大学天津理工大学强电离区费强电离区费米能级表达式：米能级表达式：ND一定，一定，T,EF 靠近靠近EiT一定，一定，ND，EF 靠近靠近Ec价价 带带导导 带带ECEvEFEi32 天津理工大学天津理工大学(4)过渡区：过渡区：温度升高，施主杂质完全电离，同时本征激发不可忽视温度升高，施主杂质完全电离，同时本征激发不可忽视n0=ND+p0本征半导体本征半导体 ni=n0=p0导导 带带EC价价 带带EvEFEi33 天津理工大学天津理工大学(5)高温本征激发区高温本征激发区 温度升高，本征激发的载流子数远大于施主杂质电离的温度升高，本征激发的载流子数远大于施主杂质电离的n0 NDp0 NDn0=p0导导 带带EC价价 带带EvEFEi34 天津理工大学天津理工大学非本征半非本征半导体（导体（n型）型）1/Tn0本本征征区区非非本本征征区区耗耗尽尽区区低温区低温区：n0=nD+,相同温度下，非本征半导体电子浓度相同温度下，非本征半导体电子浓度 比本征半导体大得多，但对温度的依赖性小。比本征半导体大得多，但对温度的依赖性小。中温区中温区：n0=ND,电子浓度基本与温度无关。电子浓度基本与温度无关。这个温度对于这个温度对于 非本征半导体材料来说非常重要，（半导体的使用温度）。非本征半导体材料来说非常重要，（半导体的使用温度）。耗尽区的上限温度越高表示此种半导体的使用温度越高。耗尽区的上限温度越高表示此种半导体的使用温度越高。35 天津理工大学天津理工大学本征半导体：本征半导体：1/Tnin型型 耗尽区，因为所有的施主原子因为失去电子而离子化耗尽区，因为所有的施主原子因为失去电子而离子化P型型饱和区，因为所有的受主原子因为得到电子而饱和区，因为所有的受主原子因为得到电子而 离子化离子化高温区：高温区：本征激发区本征激发区36 天津理工大学天津理工大学四四 半导体中载流子的运动半导体中载流子的运动漂移和扩散漂移和扩散漂移和扩散漂移和扩散 载流子在电场作用下的运动称载流子在电场作用下的运动称漂移运动，漂移运动，所形所形成的电流称成的电流称漂移电流。漂移电流。漂移与漂移电流漂移与漂移电流半导体载流子半导体载流子没有电场没有电场载流子是无规则的随机运动载流子是无规则的随机运动不会产生电流不会产生电流加上电场加上电场载流子定向运动载流子定向运动会产生电流会产生电流 电子电流电子电流空穴电流空穴电流37 天津理工大学天津理工大学漂移速度：迁移率，单位电场强度作用下，载流子的平均漂移速度。表明了载流子在半导体材料中运动的难易程度。(cm2/V.S)与与材料性质材料性质，掺杂浓度掺杂浓度，载流子种类载流子种类，温度温度有关有关38 天津理工大学天津理工大学ND0T一定一定NA0T一定一定(1)随着掺杂浓度，迁移率。因为载流子在迁移过程不仅(2)受到晶格振动的散射还受到杂质的散射；(2)当浓度较低时，迁移率接近常数(载流子主要受晶格振动的散射)；39 天津理工大学天津理工大学1.电离杂质的散射电离杂质的散射+半导体的主要散射（附加势场）机构有：半导体的主要散射（附加势场）机构有：电离施主杂质的散射电离施主杂质的散射电离受主杂质的散射电离受主杂质的散射电子电子空穴空穴杂质离子杂质离子，散射几率，散射几率 温度温度，散射几率，散射几率40 天津理工大学天津理工大学2.晶格振动的散射晶格振动的散射 晶格中的原子在其平衡位置作微振动，引起周期晶格中的原子在其平衡位置作微振动，引起周期性势场的破坏，原子振动的具体表现形式为声子，晶性势场的破坏，原子振动的具体表现形式为声子，晶格振动的散射可以看作声子与电子的碰撞。格振动的散射可以看作声子与电子的碰撞。温度温度，声子数，声子数，散射几率，散射几率41 天津理工大学天津理工大学3.其它因素引起的散射其它因素引起的散射（3）载流子之间的散射）载流子之间的散射低温下没有充分电离的中性杂质通过对周期性势场的微扰作低温下没有充分电离的中性杂质通过对周期性势场的微扰作用引起散射。一般在低温情况下起作用。用引起散射。一般在低温情况下起作用。在刃型位错处，刃口上的原子共价键不饱和，易于俘获电子成在刃型位错处，刃口上的原子共价键不饱和，易于俘获电子成为受主中心，在位错线成为一串负电中心，在其周围由电离了为受主中心，在位错线成为一串负电中心，在其周围由电离了的施主杂质形成一个圆拄体的正空间电荷区。的施主杂质形成一个圆拄体的正空间电荷区。（2）位错散射）位错散射 （1）中性杂质的散射）中性杂质的散射+42 天津理工大学天津理工大学五.半导体的电学性质本征半导体：本征半导体：1/Tln 1/Tniln=C-Eg/2k0T=nq43 天津理工大学天津理工大学1/Tn0本本征征区区非非本本征征区区耗耗尽尽区区非本征半导体：非本征半导体：N型：型：n=nqnP型：型：p =nqpN型：型：p=1/nqnP型：型：p =1/nqp44 天津理工大学天津理工大学Tp本本征征区区非非本本征征区区耗耗尽尽区区非本征区非本征区:温度很低，载流子主要由电离杂质温度很低，载流子主要由电离杂质提供，它随温度升高而增加；散射提供，它随温度升高而增加；散射主要有电离杂质决定，迁移率也随主要有电离杂质决定，迁移率也随温度的升高而增大，所以电阻率随温度的升高而增大，所以电阻率随温度的升高而下降。温度的升高而下降。耗尽区耗尽区:温度继续升高，杂质全部电离，载流子基本不随温度变化，温度继续升高，杂质全部电离，载流子基本不随温度变化，晶格振动散射上升为主要矛盾，迁移率随温度的升高而降低，所以电阻晶格振动散射上升为主要矛盾，迁移率随温度的升高而降低，所以电阻率随温度的升高而增加。率随温度的升高而增加。本征区本征区:温度增加，本征激发占优势，大量本征载流子的产生远远超温度增加，本征激发占优势，大量本征载流子的产生远远超过迁移率减小对电阻率影响，电阻率随温度增加急剧下降。过迁移率减小对电阻率影响，电阻率随温度增加急剧下降。半导体电阻率半导体电阻率-温度关系温度关系45