《微电子学概论》--B03

北京大学微电子学研究所半导体及其基本特性北京大学微电子学研究所固体材料：超导体:大于106(cm)-1导体:106~104(cm)-1半导体:104~10-10(cm)-1绝缘体:小于10-10(cm)-1？什么是半导体从导电特性和机制来分：不同电阻特性不同输运机制北京大学微电子学研究所1.半导体的结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构北京大学微电子学研究所半导体的结合和晶体结构金刚石结构半导体有元素半导体，如：Si、Ge化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS北京大学微电子学研究所2.半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：n=p=ni北京大学微电子学研究所电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位北京大学微电子学研究所3.半导体的能带(价带、导带和带隙)量子态和能级固体的能带结构原子能级能带北京大学微电子学研究所共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态原子能级反成键态成键态北京大学微电子学研究所价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导带价带Eg北京大学微电子学研究所半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的有效质量m*北京大学微电子学研究所4.半导体的掺杂BAs受主掺杂施主掺杂北京大学微电子学研究所施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P和As受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中掺的B北京大学微电子学研究所施主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态北京大学微电子学研究所本征载流子浓度：n=p=ninp=ni2ni与禁带宽度和温度有关5.本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度电子浓度n,空穴浓度p北京大学微电子学研究所6.非本征半导体的载流子2innppn在非本征情形:热平衡时:N型半导体：n大于pP型半导体：p大于n北京大学微电子学研究所多子：多数载流子n型半导体：电子p型半导体：空穴少子：少数载流子n型半导体：空穴p型半导体：电子北京大学微电子学研究所7.电中性条件:正负电荷之和为0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互补偿p=n+Na–Ndn=p+Nd–Na北京大学微电子学研究所n型半导体：电子nNd空穴pni2/Ndp型半导体：空穴pNa电子nni2/Na北京大学微电子学研究所8.过剩载流子由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子2innp公式不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合北京大学微电子学研究所9.载流子的输运漂移电流EqnqnvJdDeift迁移率电阻率pnqpqn1mq单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动引入迁移率的概念影响迁移率的因素北京大学微电子学研究所影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间（散射〕体现在：温度和掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：晶格散射（热运动引起）电离杂质散射北京大学微电子学研究所扩散电流电子扩散电流：dxdnqDJndiffn,空穴扩散电流：dxdpqDJpdiffp,爱因斯坦关系:qkTD载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动北京大学微电子学研究所过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制：直接复合、间接复合、表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程扩散长度Ln和Lp:L=(D)1/2描述半导体器件工作的基本方程泊松方程高斯定律描述半导体中静电势的变化规律静电势由本征费米能级Ei的变化决定qEi能带向下弯，静电势增加方程的形式102x,st方程的形式2ssdxxE01电荷密度(x)可动的－载流子（n,p)固定的－电离的施主、受主npNNqAD特例：均匀Si中，无外加偏压时，方程RHS＝0，静电势为常数电流连续方程可动载流子的守恒RGqtnnj1RGqtppj1热平衡时：产生率＝复合率np=ni2电子：空穴电流密度方程载流子的输运方程在漂移－扩散模型中扩散项漂移项nqDnqnnnEjpqDpqpppEj方程形式1nBnqTkDpBpqTkD爱因斯坦关系波耳兹曼关系kTqifenn/)(kTqifenp/)(innnqkTlnqEFf方程形式2ipnpqkTlnnnnqnJpppqnJ电子和空穴的准费米势：费米势北京大学微电子学研究所重点•半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体•载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平衡载流子、过剩载流子•能带、导带、价带、禁带•掺杂、施主、受主•输运、漂移、扩散、产生、复合北京大学微电子学研究所作业载流子的输运有哪些模式，对这些输运模式进行简单的描述设计一个实验：首先将一块本征半导体变成N型半导体，然后再设法使它变成P型半导体。北京大学微电子学研究所第二次作业•简单叙述微电子学对人类社会的作用北京大学微电子学研究所第一次作业•列举出你见到的、想到的不同类型的集成电路及其主要作用•用你自己的话解释微电子学、集成电路的概念