半導(dǎo)體理論基礎(chǔ)[共64頁(yè)]

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1、目錄固體能帶理論半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體特性載流子的復(fù)合與壽命載流子的傳輸結(jié)二極管性質(zhì)硅材料的物理化學(xué)特性固體的能帶理論 能帶的形成原子中的電子在原子核的勢(shì)場(chǎng)和其他電子的作用下，它們分別在不同的能級(jí)上，形成電子殼層。晶體中，各個(gè)原子互相靠的很近，不同原子的內(nèi)、外殼層都有一定的重疊，電子不在局限在某一個(gè)原子中，可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上，導(dǎo)致電子共有化運(yùn)動(dòng)，結(jié)果使孤立原子的單一能級(jí)分裂形成能帶。根據(jù)電子先填充低能級(jí)的的原理，下面的能帶先填滿(mǎn)電子，這個(gè)帶被稱(chēng)為價(jià)帶或滿(mǎn)帶，上面的未被電子填滿(mǎn)的能帶或空能帶稱(chēng)為導(dǎo)帶，中間以?xún)H帶相隔。 已被電子填滿(mǎn)的能帶稱(chēng)為價(jià)帶固體的能帶理論 能帶的形成電子在

2、原子之間的轉(zhuǎn)移不是任意的，電子只能在能量電子在原子之間的轉(zhuǎn)移不是任意的，電子只能在能量相同的軌道之間發(fā)生轉(zhuǎn)移相同的軌道之間發(fā)生轉(zhuǎn)移.當(dāng)電子獲得足夠能量的時(shí)候當(dāng)電子獲得足夠能量的時(shí)候?qū)⒃竭^(guò)禁帶發(fā)生躍遷。將越過(guò)禁帶發(fā)生躍遷。能帶能帶禁帶禁帶能帶能帶禁帶禁帶能帶能帶固體的能帶理論 金屬、絕緣體、半導(dǎo)體絕緣體絕緣體半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)體導(dǎo)體EcEvE9E9導(dǎo)導(dǎo)帶帶禁禁帶帶價(jià)價(jià)帶帶固體的能帶理論 金屬、絕緣體、半導(dǎo)體導(dǎo)體：能帶交疊，即使極小的外加能量就會(huì)引起導(dǎo)電。絕緣體：能帶間距很大，不可能導(dǎo)電。半導(dǎo)體：禁帶比絕緣體窄很多，部分電子因熱運(yùn)動(dòng)從價(jià)帶跳到導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶中有少量電子，價(jià)帶中有少量空穴，從而有一定的導(dǎo)電

3、能力。固體的能帶理論 金屬、絕緣體、半導(dǎo)體物體的導(dǎo)電能力，一般用材料電阻率的大小來(lái)衡量。電阻率越大，說(shuō)明這種材料的導(dǎo)電能力越弱。 物體電阻率 導(dǎo)體 半導(dǎo)體 絕緣體 半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)硅太陽(yáng)電池生產(chǎn)中常用的硅（），磷（），硼（）元素的原子結(jié)構(gòu)模型如下：第三層第三層4個(gè)電子個(gè)電子第二層第二層8個(gè)電子個(gè)電子第一層第一層2個(gè)電子個(gè)電子Si+14P+15B最外層最外層5個(gè)電子個(gè)電子最外層最外層3個(gè)電子個(gè)電子siPB半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu) 原子最外層的電子稱(chēng)為價(jià)電子，有幾個(gè)價(jià)電子就稱(chēng)它為幾族元素。 若原子失去一個(gè)電子，稱(chēng)這個(gè)原子為正離子，若原子得到一個(gè)電子，則成為一個(gè)帶負(fù)電的負(fù)離子。原子變成離子的過(guò)程

4、稱(chēng)為電離。半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 固體可分為晶體和非晶體兩大類(lèi)。原子無(wú)規(guī)則排列所組成的物質(zhì)為非晶體。而晶體則是由原子規(guī)則排列所組成的物質(zhì)。晶體有確定的熔點(diǎn)，而非晶體沒(méi)有確定熔點(diǎn)，加熱時(shí)在某一溫度范圍內(nèi)逐漸軟化，如玻璃。半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)單晶和多晶的區(qū)別 在整個(gè)晶體內(nèi)，原子都是周期性的規(guī)則排列，稱(chēng)之為單晶。由許多取向不同的單晶顆粒雜亂地排列在一起的固體稱(chēng)為多晶。半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)硅晶體內(nèi)的共價(jià)鍵硅晶體內(nèi)的共價(jià)鍵 硅晶體的特點(diǎn)是原子之間靠共有硅晶體的特點(diǎn)是原子之間靠共有電子對(duì)連接在一起。硅原子的個(gè)價(jià)電子電子對(duì)連接在一起。硅原子的個(gè)價(jià)電子和它相鄰的個(gè)原子組成對(duì)共有電子對(duì)。和它相鄰的個(gè)

5、原子組成對(duì)共有電子對(duì)。這種共有電子對(duì)就稱(chēng)為這種共有電子對(duì)就稱(chēng)為“共價(jià)鍵共價(jià)鍵”。半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)硅晶體的金剛石結(jié)構(gòu)硅晶體的金剛石結(jié)構(gòu) 晶體對(duì)稱(chēng)的，有規(guī)則的排列叫做晶晶體對(duì)稱(chēng)的，有規(guī)則的排列叫做晶體格子，簡(jiǎn)稱(chēng)晶格，最小的晶格叫晶胞。體格子，簡(jiǎn)稱(chēng)晶格，最小的晶格叫晶胞。以下是較重要的幾個(gè)晶胞：以下是較重要的幾個(gè)晶胞：(a)簡(jiǎn)單立方簡(jiǎn)單立方（Po）(b)體心立方體心立方（Na、W）(c)面心立方面心立方（Al、Au）半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu) 金剛石結(jié)構(gòu)是一種復(fù)式格子，它是兩個(gè)面金剛石結(jié)構(gòu)是一種復(fù)式格子，它是兩個(gè)面心立方晶格沿對(duì)角線(xiàn)方向上移互相套構(gòu)而成。心立方晶格沿對(duì)角線(xiàn)方向上移互相套構(gòu)而成。正四

6、面實(shí)體結(jié)構(gòu)正四面實(shí)體結(jié)構(gòu)金鋼石結(jié)構(gòu)金鋼石結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)晶面和晶向 晶體中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上，這些平面就稱(chēng)為晶面。每個(gè)晶面的垂直方向稱(chēng)為晶向。(100晶面晶面)(110晶面晶面)(111晶面晶面)半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)原子密排面和解理面 在晶體的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若將原子看成是一些硬的球體，按照下圖方式排列的晶面就稱(chēng)為原子密排面。半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的一種包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。而金剛石晶格又是兩個(gè)面心立方晶格套在一起，相互之間沿著晶胞體對(duì)角線(xiàn)方向平移而構(gòu)成的。我們來(lái)看面心立方晶格中的原子密排面。按照硬球模型可以區(qū)分在

7、()()()幾個(gè)晶 面上原子排列的情況。半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)(100)(110)(111)半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu)金鋼石晶格是由面心立方晶格構(gòu)成，所以它的()晶面也是原子密排面，它的特點(diǎn)是，在晶面內(nèi)原子密集、結(jié)合力強(qiáng)，在晶面之間距離較大，結(jié)合薄弱，由此產(chǎn)生以下性質(zhì)： 、由于()密排面本身結(jié)合牢固而相互間結(jié)合脆弱，在外力作用下，晶體很容易沿著()晶面劈裂，晶體中這種易劈裂的晶面稱(chēng)為晶體的解理面。 半導(dǎo)體材料硅的晶體結(jié)構(gòu) 、由于()密排面結(jié)合牢固，化學(xué)腐蝕就比較困難和緩慢，而()面原子排列密度比()面低。所以()面比()面的腐蝕速度快，選擇合適的腐蝕液和腐蝕溫度，()面腐蝕速度比()面大的多，因此

8、，用()面硅片采用這種各向異性腐蝕的結(jié)果，可以使硅片表面產(chǎn)生許多密布表面為()面的四面方錐體，形成絨面狀的硅表面。半導(dǎo)體的特性 純度半導(dǎo)體特性，是建立在半導(dǎo)體材料的純度很高的基礎(chǔ)上的。半導(dǎo)體的純度常用幾個(gè)“”來(lái)表示。比如硅材料的純度達(dá)到個(gè)“”，就是說(shuō)硅的純度達(dá)到，其余（即 ）為雜質(zhì)總含量。半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)含量，通常還以“” 與“”來(lái)表示。一個(gè)就是十億分之一（ ），一個(gè)“”就是百萬(wàn)分之一（ ）半導(dǎo)體的特性 導(dǎo)電特性導(dǎo)電能力隨溫度靈敏變化 導(dǎo)體，絕緣體的電阻率隨溫度變化很小，導(dǎo)體溫度每升高一度，電組率大約升高。而半導(dǎo)體則不一樣，溫度每升高或降低度，其電阻就變化百分之幾，甚至幾十，當(dāng)溫度變化幾十度

9、時(shí)，電阻變化幾十，幾萬(wàn)倍，而溫度為絕對(duì)零度（）時(shí)，則成為絕緣體。半導(dǎo)體的特性 導(dǎo)電特性導(dǎo)電能力隨光照顯著改變 當(dāng)光線(xiàn)照射到某些半導(dǎo)體上時(shí)，它們的導(dǎo)電能力就會(huì)變得很強(qiáng)，沒(méi)有光線(xiàn)時(shí)，它的導(dǎo)電能力又會(huì)變得很弱。雜質(zhì)的顯著影響 在純凈的半導(dǎo)體材料中，適當(dāng)摻入微量雜質(zhì)，導(dǎo)電能力會(huì)有上百萬(wàn)的增加。這是最特殊的獨(dú)特性能。其他特性 溫差電效應(yīng)，霍爾效應(yīng)，發(fā)光效應(yīng)，光伏效應(yīng)，激光性能等。 半導(dǎo)體的特性 導(dǎo)電過(guò)程描述純凈的半導(dǎo)體，在不受外界作用時(shí)，導(dǎo)電能力很差。而在一定的溫度或光照等作用下，晶體中的價(jià)電子有一部分可能會(huì)沖破共價(jià)鍵的束縛而成為一個(gè)自由電子。同時(shí)形成一個(gè)電子空位，稱(chēng)之為“空穴”。從能帶圖上看，就是電子

10、離開(kāi)了價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而在價(jià)帶中留下了空穴，產(chǎn)生了一對(duì)電子和空穴。如圖，通常將這種只含有“電子空穴對(duì)”的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體?！氨菊鳌敝钢簧婕鞍雽?dǎo)體本身的特性。半導(dǎo)體就是靠著電子和空穴的移動(dòng)來(lái)導(dǎo)電的，因此，電子和空穴被統(tǒng)稱(chēng)為載流子。半導(dǎo)體的特性 導(dǎo)電過(guò)程描述導(dǎo)帶導(dǎo)帶(禁帶寬禁帶寬)價(jià)帶價(jià)帶gE半導(dǎo)體的特性 本征半導(dǎo)體、摻雜半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：絕對(duì)純的且沒(méi)有缺陷的半 導(dǎo)體摻雜半導(dǎo)體：摻有其他元素 施主摻雜（型硅）： 電流主要 靠電子來(lái)運(yùn)輸。 受主摻雜（型硅）： 電流主要 靠空穴來(lái)運(yùn)輸。 太陽(yáng)能電池用的是型硅襯底，型擴(kuò)散層nnnpppnp半導(dǎo)體的特性 產(chǎn)生、復(fù)合由于熱或光激發(fā)而成對(duì)地產(chǎn)生電子空穴對(duì)

11、，這種過(guò)程稱(chēng)為“產(chǎn)生”?？昭ㄊ枪矁r(jià)鍵上的空位，自由電子在運(yùn)動(dòng)中與空穴相遇時(shí)，自由電子就可能回到價(jià)鍵的空位上來(lái)，而同時(shí)消失了一對(duì)電子和空穴，并釋放能量，這就是“復(fù)合”。在一定溫度下，又沒(méi)有光照射等外界影響時(shí)，產(chǎn)生和復(fù)合的載流子數(shù)相等，半導(dǎo)體中將在產(chǎn)生和復(fù)合的基礎(chǔ)上形成熱平衡。此時(shí)，電子和空穴的濃度保持穩(wěn)定不變，但是產(chǎn)生和復(fù)合仍在持續(xù)的發(fā)生。半導(dǎo)體的特性 雜質(zhì)與摻雜半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體材料中若含有其它元素的原子，那么，這些其它元素的原子就稱(chēng)為半導(dǎo)體材料中的雜質(zhì)原子。對(duì)硅的導(dǎo)電性能有決定影響的主要是三族硼和五族磷元素原子。還有些雜質(zhì)如金，銅，鎳，錳，鐵等，在硅中起著復(fù)合中心的作用，影響壽命，產(chǎn)生缺陷，

12、有著許多有害的作用。半導(dǎo)體的特性 型半導(dǎo)體（施主摻雜）磷（)，銻（ )等五族元素原子的最外層有五個(gè)電子，它在硅中是處于替位式狀態(tài)，占據(jù)了一個(gè)原來(lái)應(yīng)是硅原子所處的晶格位置。磷原子最外層五個(gè)電子中只有四個(gè)參加共價(jià)鍵，另一個(gè)不在價(jià)鍵上，成為自由電子，失去電子的磷原子是一個(gè)帶正電的正離子，沒(méi)有產(chǎn)生相應(yīng)的空穴。正離子處于晶格位置上，不能自由運(yùn)動(dòng)，它不是載流子。因此，摻入磷的半導(dǎo)體起導(dǎo)電作用的，主要是磷所提供的自由電子，這種依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱(chēng)為電子型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱(chēng)型半導(dǎo)體。這種族雜質(zhì)原子稱(chēng)為施主雜質(zhì)。半導(dǎo)體的特性 型半導(dǎo)體（施主摻雜）多余電子多余電子半導(dǎo)體的特性 型半導(dǎo)體（施主摻雜）施主施主能級(jí)能級(jí)導(dǎo)帶

13、導(dǎo)帶電離能電離能價(jià)帶價(jià)帶半導(dǎo)體的特性 型半導(dǎo)體（受主摻雜）型半導(dǎo)體 硼（）鋁（）鎵（）等三族元素原子的最外層有三個(gè)電子，它在硅中也是處于替位式狀態(tài)。硼原子最外層只有三個(gè)電子參加共價(jià)鍵，在另一個(gè)價(jià)鍵上因缺少一個(gè)電子而形成一個(gè)空位，鄰近價(jià)鍵上的價(jià)電子跑來(lái)填補(bǔ)這個(gè)空位，就在這個(gè)鄰近價(jià)鍵上形成了一個(gè)新的空位，這就是“空穴”。硼原子在接受了鄰近價(jià)鍵的價(jià)電子而成為一個(gè)帶負(fù)電的負(fù)離子。因此在產(chǎn)生空穴的同時(shí)沒(méi)有產(chǎn)生相應(yīng)的自由電子。這種依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱(chēng)為空穴型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱(chēng)型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的特性 型半導(dǎo)體（受主摻雜）空鍵空鍵接受電子接受電子空穴空穴半導(dǎo)體的特性 型半導(dǎo)體（受主摻雜）導(dǎo)帶電離能價(jià)帶受主能級(jí)載流

14、子的復(fù)合與壽命 多數(shù)載流子、少數(shù)載流子摻雜半導(dǎo)體中，新產(chǎn)生的載流子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)原來(lái)未摻入雜質(zhì)前載流子的數(shù)量，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)主要由占多數(shù)的新產(chǎn)生的載流子來(lái)決定，所以，在型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，而電子是少數(shù)載流子。在型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。摻入的雜質(zhì)越多，多載流子的濃度（單位體積內(nèi)載流子的數(shù)目）越大，則半導(dǎo)體的電阻率越低，它的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。載流子的復(fù)合與壽命 平衡載流子、非平衡載流子一塊半導(dǎo)體材料處于某一均勻的溫度中，且不受光照等外界因素的作用的狀態(tài)，此時(shí)半導(dǎo)體中的載流子稱(chēng)為平衡態(tài)載流子。 半導(dǎo)體一旦受到外界因素作用（如光照，電流注入或其它能量傳遞形式）時(shí)，它內(nèi)部載

15、流子濃度就多于平衡狀態(tài)下的載流子濃度。半導(dǎo)體就從平衡狀態(tài)變?yōu)榉瞧胶鉅顟B(tài)，就把處于非平衡狀態(tài)時(shí)，比平衡狀態(tài)載流子增加出來(lái)的一部分載流子成為非平衡載流子。載流子的復(fù)合與壽命 平衡載流子、非平衡載流子當(dāng)引起非平衡載流子產(chǎn)生的外界因素停止后，非平衡載流子不會(huì)永久地存在下去。但也不是一下全部都消失掉，而是隨著時(shí)間逐漸減少消失的，他們的存在時(shí)間有些長(zhǎng)些，有些短些，有一個(gè)平均的存在時(shí)間，也就是 “非平衡載流子的壽命”。半導(dǎo)體內(nèi)部和表面的復(fù)合作用是使得非平衡載流子逐漸減少直至消失的原因。非平衡載流子復(fù)合的主要方式：.體內(nèi)復(fù)合直接復(fù)合、間接復(fù)合（三種輻射復(fù)合，聲子復(fù)合，俄歇復(fù)合）、表面復(fù)合刪除。表面復(fù)合載流子的

16、復(fù)合與壽命 直接復(fù)合 電子和空穴在半導(dǎo)體內(nèi)部直接相遇放出光子或引起熱運(yùn)動(dòng)而復(fù)合，復(fù)合的過(guò)程是電子直接在能帶間躍進(jìn)，中間無(wú)須經(jīng)過(guò)任何間接過(guò)程刪除，這種復(fù)合稱(chēng)為直接復(fù)合。電子和空穴通過(guò)禁帶的能級(jí)（復(fù)合中心）進(jìn)行復(fù)合，稱(chēng)為間接復(fù)合。給局能量釋放的方式可以分為三種：輻射復(fù)合，聲子復(fù)合，俄歇復(fù)合。一般的雜質(zhì)半導(dǎo)體壽命是與多數(shù)載流子的密度成反比的，或者說(shuō)半導(dǎo)體的電阻率越低，則壽命越短。電阻率越低，多數(shù)載流子濃度越高，這種非平衡載流子就越有機(jī)會(huì)與多數(shù)載流子相遇復(fù)合，所以壽命就越短。載流子的復(fù)合與壽命 直接復(fù)合載流子的復(fù)合與壽命 間接復(fù)合晶體中的雜質(zhì)原子和缺陷有促進(jìn)非平衡載流子的復(fù)合作用。間接復(fù)合與直接復(fù)合不

17、同，它是通過(guò)禁帶中某些雜質(zhì)（缺陷）能級(jí)做為“跳板”來(lái)完成的。 靠禁帶中的雜質(zhì)（缺陷）能級(jí)俘獲導(dǎo)帶中的電子與滿(mǎn)帶中的空穴在其上面間接進(jìn)行復(fù)合的稱(chēng)之為間接復(fù)合，那些起復(fù)合作用的雜質(zhì)（缺陷）能級(jí)被稱(chēng)為復(fù)合中心。復(fù)合中心是不斷地起著復(fù)合作用，而不是起了一次復(fù)合作用就停止了。通過(guò)復(fù)合中心的間接復(fù)合過(guò)程比直接復(fù)合過(guò)程強(qiáng)得多。因?yàn)殚g接復(fù)合過(guò)程每次所要放出的能量比直接復(fù)合的要少，相當(dāng)于分階段放出能量，所以容易得多。因而間接復(fù)合過(guò)程大多情況下決定著半導(dǎo)體材料得壽命值。載流子的復(fù)合與壽命 間接復(fù)合 直接復(fù)合和間接復(fù)合都是在半導(dǎo)體內(nèi)部完成的，所以統(tǒng)稱(chēng)為直接復(fù)合和間接復(fù)合都是在半導(dǎo)體內(nèi)部完成的，所以統(tǒng)稱(chēng)為“體體內(nèi)復(fù)合

18、內(nèi)復(fù)合”。載流子的復(fù)合與壽命 表面復(fù)合半導(dǎo)體表面吸附著外界空氣來(lái)的雜質(zhì)分子或原子，半導(dǎo)體表面存在著表面缺陷。這種缺陷是從體內(nèi)延伸到表面的晶格結(jié)構(gòu)上的中斷，表面原子出現(xiàn)懸空鍵，或者是半導(dǎo)體在加工過(guò)程中在表面留下的嚴(yán)重?fù)p傷或內(nèi)應(yīng)力，造成在體內(nèi)更多的缺陷和晶格畸變，這些雜質(zhì)和缺陷形成能接受或施放電子的表面能級(jí)，表面復(fù)合就是依靠表面能級(jí)對(duì)電子空穴的俘獲來(lái)進(jìn)行復(fù)合的。實(shí)際上表面復(fù)合過(guò)程屬于間接復(fù)合，此時(shí)的復(fù)合中心位于半導(dǎo)體材料的表面。載流子的復(fù)合與壽命 表面復(fù)合半導(dǎo)體表面表面復(fù)合中心能級(jí)E2表面復(fù)合載流子的傳輸 漂移半導(dǎo)體中的載流子在不停地做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有固定方向地移動(dòng)，所以半導(dǎo)體中并不產(chǎn)生電流。

19、若在半導(dǎo)體兩端加上一個(gè)電壓，即半導(dǎo)體處于一個(gè)電場(chǎng)中，載流子在電場(chǎng)加速作用下，獲得了附加的運(yùn)動(dòng)，這就稱(chēng)之為載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上晶體中加速的電子會(huì)與雜質(zhì)原子，缺陷，晶格原子相碰撞，這種碰撞會(huì)造成電子運(yùn)動(dòng)方向不斷發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱(chēng)之為散射載流子的傳輸 漂移與遷移率遷移率是衡量半導(dǎo)體中載流子平均漂移速度的一個(gè)重要參數(shù)，其數(shù)值等于在單位電場(chǎng)作用下電子和空穴的定向運(yùn)動(dòng)速度。因此，它反映了載流子運(yùn)動(dòng)的快慢程度。 載流子的遷移率隨著溫度，摻雜濃度和缺陷濃度變化。同一種半導(dǎo)體材料，溫度升高，遷移率下降，摻雜濃度，缺陷濃度增加，遷移率同樣逐漸下降。載流子的傳輸 漂移與遷移率遷移率還和載流子的有效質(zhì)量有關(guān)。電子

20、的有效質(zhì)量比空穴小，所以電子的遷移率比空穴大。遷移率是反映半導(dǎo)體中載流子導(dǎo)電能力的重要參數(shù)，摻雜半導(dǎo)體的電導(dǎo)率一方面取決于摻雜濃度，另一方面取決于遷移率的大小。載流子的傳輸 擴(kuò)散向半導(dǎo)體中注入非平衡載流子時(shí)，注入部分的載流子密度比其它部分高，載流子會(huì)由密度大的地方向密度小的地方遷移，這種現(xiàn)象叫做載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散的強(qiáng)弱是由載流子濃度的變化決定的，濃度梯度越大，擴(kuò)散也越容易，同時(shí)，擴(kuò)散的強(qiáng)弱還與載流子的種類(lèi)，運(yùn)動(dòng)的速度以及散射的次數(shù)等有關(guān)，我們用擴(kuò)散系數(shù)來(lái)表示載流子擴(kuò)散能力的強(qiáng)弱。載流子的傳輸 擴(kuò)散長(zhǎng)度非平衡載流子在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷地復(fù)合而消失。結(jié)果非平衡載流子密度由注入部分開(kāi)始向密度小的

21、方向逐漸減小。在連續(xù)注入的條件下，非平衡載流子密度由大到小形成一個(gè)穩(wěn)定的分布。由注入部位到非平衡載流子密度減小到數(shù)值位置之間的距離稱(chēng)為載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。它也是半導(dǎo)體材料的重要參數(shù)之一。擴(kuò)散長(zhǎng)度：非平衡載流子在平均壽命時(shí)間內(nèi)經(jīng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)所通過(guò)的距離。載流子的傳輸 擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散長(zhǎng)度擴(kuò)散長(zhǎng)度距離距離載流子密度載流子密度0結(jié)二極管性質(zhì) 結(jié)在一塊完整的半導(dǎo)體晶體中，如果一部分是型半導(dǎo)體，另一部分是型半導(dǎo)體。在型半導(dǎo)體中，多數(shù)載流子是電子，電子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)少數(shù)載流子空穴的濃度，而在型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，空穴濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)少數(shù)載流子電子的濃度，如下圖：結(jié)二極管性質(zhì) 空間電荷區(qū)的形成過(guò)程在型和型半導(dǎo)體的交

22、界面處存在有電子和空穴濃度梯度，區(qū)中的電子就向區(qū)滲透擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果是型區(qū)域中鄰近型區(qū)域一邊的薄層內(nèi)有一部分電子擴(kuò)散到型中去了。由于這個(gè)薄層失去了一些電子，在區(qū)就形成帶正電荷的區(qū)域。同樣，型區(qū)域中鄰近型區(qū)域一邊的薄層內(nèi)有一部分空穴擴(kuò)散到型區(qū)域一邊去了。由于這個(gè)薄層失去了一些空穴，在區(qū)就形成了帶負(fù)電荷的區(qū)域。這樣在型區(qū)和型區(qū)交界面的兩側(cè)形成了帶正，負(fù)電荷的區(qū)域，叫做空間電荷區(qū)。結(jié)二極管性質(zhì) 自建電場(chǎng)的定義空間電荷區(qū)中的正負(fù)電荷間形成電場(chǎng)。電場(chǎng)的方向是由型區(qū)域指向型區(qū)域，這個(gè)由于載流子濃度不均勻而引起擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)后形成的電場(chǎng)稱(chēng)為自建電場(chǎng)。載流子在電場(chǎng)作用下，會(huì)產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。自建電場(chǎng)將區(qū)向區(qū)擴(kuò)散的電子接

23、回到區(qū)，把區(qū)向區(qū)擴(kuò)散的空穴接回到區(qū)，由此可見(jiàn)，在空間電荷區(qū)內(nèi)，自建電場(chǎng)引起電子和空穴的漂移運(yùn)動(dòng)方向與它們各自的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向正好 相反。N型型P型型空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)結(jié)二極管性質(zhì) 結(jié)的形成空間電荷區(qū)也叫阻擋層，就是我們通常講的結(jié)。結(jié)是許多半導(dǎo)體組件的核心，結(jié)的性質(zhì)集中反映了半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的特點(diǎn)，如：存在兩種載流子，載流子有漂移擴(kuò)散和產(chǎn)生，復(fù)合等基本運(yùn)動(dòng)的形成。所以，結(jié)是半導(dǎo)體組件入門(mén)的基礎(chǔ)。隨著電子和空穴的不斷擴(kuò)散，空間電荷的數(shù)量不斷增加，自建電場(chǎng)也越來(lái)越強(qiáng)，直到與載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相抵消時(shí)，就會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。結(jié)二極管性質(zhì) 正反向偏置的結(jié)的導(dǎo)電特性使區(qū)電位高于區(qū)電位的接法，稱(chēng)結(jié)加正向電

24、壓或正向偏置(簡(jiǎn)稱(chēng)正偏)，如下圖：使區(qū)電位低于區(qū)電位的接法，稱(chēng)結(jié)加反向電壓或反向偏置(簡(jiǎn)稱(chēng)反偏)，如下圖：結(jié)二極管性質(zhì) 結(jié)電流的解析描述理論分析證明，流過(guò)結(jié)的電流與外加電壓之間的關(guān)系為 式中， 為反向飽和電流，其大小與結(jié)的材料、制作工藝、溫度等有關(guān)；，稱(chēng)為溫度的電壓當(dāng)量或熱電壓。在(室溫)時(shí)， 。這是一個(gè)今后常用的參數(shù)。/1/1()()Tu Uqu kTSSiIeIe結(jié)二極管性質(zhì) 結(jié)電流的解析描述加正向電壓時(shí)，只要大于幾倍以上，即隨呈指數(shù)規(guī)律變化；加反向電壓時(shí)，只要大于幾倍以上，則(負(fù)號(hào)表示與正向參考電流方向相反)。結(jié)的伏安特性曲線(xiàn)，如右圖。圖中還畫(huà)出了反向電壓大到一定值時(shí)，反向電流突然增大的

25、情況， 即擊穿效應(yīng)。硅材料的物理化學(xué)性質(zhì) 物理性質(zhì)及常數(shù)物理量物理量單位單位數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)原子序原子序禁帶寬度禁帶寬度電子伏電子伏 原子量原子量 晶格結(jié)構(gòu)晶格結(jié)構(gòu)金剛石金剛石電子遷移率電子遷移率厘米伏秒厘米伏秒化學(xué)鍵化學(xué)鍵共價(jià)鍵共價(jià)鍵空穴遷移率空穴遷移率厘米伏秒厘米伏秒密度密度電子擴(kuò)散系數(shù)電子擴(kuò)散系數(shù)厘米伏秒厘米伏秒硬度硬度莫氏莫氏空穴擴(kuò)散系數(shù)空穴擴(kuò)散系數(shù)厘米伏秒厘米伏秒熔點(diǎn)熔點(diǎn)本征電阻率本征電阻率歐姆厘米歐姆厘米*熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率介質(zhì)常數(shù)介質(zhì)常數(shù)熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)*折射率折射率為為反射率反射率 為為硅材料的物理化學(xué)性質(zhì) 化學(xué)性質(zhì)硅在高溫下能與氯，氧，水蒸氣等作用，生成四氯化硅，二氧化硅。硅不溶于以及

26、王水（），硅與可以發(fā)生反應(yīng)，但反應(yīng)速度比較緩慢。 4 2SiCl C 1200 2ClSi22 C 2H2SiO 1050 OSi 242HSiF4HFSi硅材料的物理化學(xué)性質(zhì) 化學(xué)性質(zhì)硅和硝酸，氫氟酸的混合液起作用 它利用濃的強(qiáng)氧化作用。使硅表面生成一層，另一方面利用的絡(luò)合作用，能與反應(yīng)生成可溶性的六氟硅酸絡(luò)合物。硅能與堿相互作用生成相應(yīng)的硅酸鹽。 硅能與等金屬離子發(fā)生置換反應(yīng)。 O4H4NOSiFH6HF4HNOSi22623 23222HSiONaOH2NaOHSi硅材料的物理化學(xué)性質(zhì) 化學(xué)性質(zhì) 硅能溶解在熔融的鋁，金，銀，錫，鉛等金屬之中，形成合金。硅和這些金屬的量可在一定范圍內(nèi)變化。

27、 硅在高溫下硅與鎂，鈣，銅，鐵，鉑，鉍等金屬能形成具有一定組成的硅化物。硅材料的物理化學(xué)性質(zhì) 參數(shù)的測(cè)量導(dǎo)電類(lèi)型的檢測(cè)（冷熱探針?lè)ǎ?導(dǎo)電類(lèi)型是指半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的類(lèi)型。用兩根溫度不同的探針與半導(dǎo)體接觸時(shí)，熱探針處的半導(dǎo)體由于溫度升高使半導(dǎo)體內(nèi)載流子的速度和濃度都將增加，并由熱接觸點(diǎn)擴(kuò)散到冷接觸點(diǎn)。 如果半導(dǎo)體是型的，多數(shù)載流子為電子，擴(kuò)散的結(jié)果使熱接觸點(diǎn)比冷接觸點(diǎn)缺少電子，而冷接觸點(diǎn)有過(guò)多電子，即熱接觸點(diǎn)比冷接觸點(diǎn)有較高的正電勢(shì)。 對(duì)于型半導(dǎo)體，熱探針處的空穴濃度和速度增大，并向冷探針?lè)较驍U(kuò)散，熱探針處缺少空穴，冷探針處有過(guò)剩的空穴。因此，在冷探針處有較高的正電勢(shì)。 因此根據(jù)冷熱探針之間

28、的電勢(shì)方向可以確定半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類(lèi)型。硅材料的物理化學(xué)性質(zhì) 參數(shù)的測(cè)量電阻率的測(cè)量（直流四探針?lè)ǎ河盟母结樀染嚯x沿一直線(xiàn)與被測(cè)樣品壓觸，從外側(cè)一對(duì)探針通以恒定的直流電流，由中間兩根探針測(cè)量該電流所產(chǎn)生的電位差。再由下式求出電阻率： 其中為探針常數(shù)/CV I硅材料的物理化學(xué)性質(zhì) 參數(shù)的測(cè)量高頻光電導(dǎo)衰退法測(cè)量少數(shù)載流子壽命 在光激發(fā)下，樣品電導(dǎo)發(fā)生變化，這時(shí)流過(guò)樣品的電流也隨著發(fā)生變化。光照停止后，非平衡載流子不會(huì)永久地存在下去，隨時(shí)間逐漸減少消失。取樣電阻兩端的電壓就反映了流過(guò)樣品電流的變化，而得到光電導(dǎo)衰退曲線(xiàn)。硅材料的物理化學(xué)性質(zhì) 參數(shù)的測(cè)量晶向的測(cè)定 利用擇優(yōu)腐蝕使晶體的解理面充分暴露并形成腐蝕坑，用一束平行光束垂直地照射到被測(cè)表面，在光屏上就可以看到從腐蝕小平面反射回來(lái)的特征反射圖象，根據(jù)圖象可以確定晶體的晶向。典型的特征光圖見(jiàn)下圖：