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1、北京大學(xué) 微電子學(xué)研究所,半導(dǎo)體及,其,其基本特,性,性,固體材料,：,：超導(dǎo)體:大于10,6,(,cm,),-1,導(dǎo),體,體:10,6,10,4,(,cm,),-1,半導(dǎo)體:10,4,10,-10,(,cm,),-1,絕緣體:小,于,于10,-10,(,cm,),-1,？什么,是,是半導(dǎo),體,體,從導(dǎo)電,特,特性和,機,機制來,分,分：,不同電,阻,阻特性,不同輸,運,運機制,1.,半,半導(dǎo)體,的,的結(jié)構(gòu),原子結(jié),合,合形式,：,：共價,鍵,鍵,形成的,晶,晶體結(jié),構(gòu),構(gòu)：,構(gòu),構(gòu) 成,一,一,個,個正四,面體，,具,具,有,有金 剛,石,石,晶,晶 體,結(jié),結(jié),構(gòu),構(gòu),半導(dǎo)體,的結(jié)合,和,
2、和晶體,結(jié),結(jié)構(gòu),金剛石,結(jié),結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體,有,有元素,半,半導(dǎo)體,，,，如：Si、Ge,化合物,半,半導(dǎo)體,，,，如：GaAs、InP、ZnS,2.,半,半導(dǎo)體,中,中的載流子：能夠,導(dǎo),導(dǎo)電的,自,自由粒,子,子,本征半,導(dǎo),導(dǎo)體：,n=p=n,i,電子：Electron,，,，帶負,電,電的導(dǎo),電,電載流,子,子，是,價,價電子,脫,脫離原,子,子束縛,后,后形,成,成的自,由,由電子,，,，對應(yīng),于,于導(dǎo)帶,中,中占據(jù),的,的電子,空穴：Hole，,帶,帶正電,的,的導(dǎo)電,載,載流子,，,，是價,電,電子脫,離,離原子,束,束縛,后,后形成,的,的電子,空,空位，,對,對應(yīng)于,價,價帶
3、中,的,的電子,空,空位,3.,半,半導(dǎo)體,的,的能帶(價帶、,導(dǎo),導(dǎo)帶和,帶,帶隙),量子態(tài),和,和能級,固體的,能,能帶結(jié),構(gòu),構(gòu),原子能,級,級,能,能帶,共價鍵,固,固體中,價,價電子,的,的量子,態(tài),態(tài)和能,級,級,共價鍵,固,固體：,成,成鍵態(tài),、,、反鍵,態(tài),態(tài),原 子 能 級,反 成 鍵 態(tài),成 鍵 態(tài),價帶：0K,條件下,被,被電子,填,填充的,能,能量最,高,高的能,帶,帶,導(dǎo)帶：0K,條,條件下,未,未被電,子,子填充,的,的能量,最,最低的,能,能帶,禁帶：,導(dǎo),導(dǎo)帶底,與,與價帶,頂,頂之間,能,能帶,帶隙：,導(dǎo),導(dǎo)帶底,與,與價帶,頂,頂之間,的,的能量,差,差,半
4、導(dǎo)體,的,的能帶,結(jié),結(jié)構(gòu),導(dǎo) 帶,價 帶,E,g,半導(dǎo)體,中,中載流,子,子的行,為,為可以,等,等效為,自,自由粒,子,子，但,與,與真空,中,中的自,由,由粒子,不,不同，,考,考慮了,晶,晶格作,用,用后的,等,等效粒,子,子,有效質(zhì),量,量可正,、,、可負,，,，取決,于,于與晶,格,格的作,用,用,電子和,空,空穴的有效質(zhì),量,量m*,4.半,導(dǎo),導(dǎo)體的摻雜,B,As,受 主,摻,摻,雜,雜,施 主,摻,摻,雜,雜,施主和,受,受主濃,度,度：N,D,、N,A,施主：Donor,，,，摻入,半,半導(dǎo)體,的,的雜質(zhì),原,原子向,半,半導(dǎo)體,中,中,提供導(dǎo),電,電的電,子,子，并,成,
5、成為帶,正,正電的,離,離子。,如,如,Si,中摻的P 和As,受主：Acceptor,，,，摻入,半,半導(dǎo)體,的,的雜質(zhì),原,原子向,半,半導(dǎo)體,中,中,提供導(dǎo),電,電的空,穴,穴，并,成,成為帶,負,負電的,離,離子。,如,如,Si,中摻的B,施主能,級,級,受主能,級,級,雜質(zhì)能,級,級：雜,質(zhì),質(zhì)可以,使,使電子,在,在其周,圍,圍運動,形,形成量,子,子態(tài),本征載,流,流子濃,度,度：,n=p=n,i,np=n,i,2,n,i,與禁帶,寬,寬度和,溫,溫度有,關(guān),關(guān),5.本征載,流,流子,本征半,導(dǎo),導(dǎo)體：,沒,沒有摻,雜,雜的半,導(dǎo),導(dǎo)體,本征載,流,流子：,本,本征半,導(dǎo),導(dǎo)體中
6、,的,的載流,子,子,載流子,濃,濃度,電 子,濃,濃,度,度,n,空 穴,濃,濃,度,度,p,6.,非,非本征,半,半導(dǎo)體,的,的載流,子,子,在非本,征,征情形:,熱平衡,時,時:,N,型半導(dǎo),體,體：,n大于p,P型半,導(dǎo),導(dǎo)體：,p大于n,多子：,多,多數(shù)載,流,流子,n型半,導(dǎo),導(dǎo)體：,電,電子,p型半,導(dǎo),導(dǎo)體：,空,空穴,少子：,少,少數(shù)載,流,流子,n型半,導(dǎo),導(dǎo)體：,空,空穴,p型半,導(dǎo),導(dǎo)體：,電,電子,7.電中性,條,條件:正負電,荷,荷之和,為,為0,p+N,d,n,N,a,=0,施主和,受,受主可,以,以相互,補,補償,p=n+N,a,N,d,n=p+N,d,N,a,
7、n型半,導(dǎo),導(dǎo)體：,電,電子n,N,d,空穴p,n,i,2,/N,d,p型半,導(dǎo),導(dǎo)體：,空,空穴p,N,a,電子n,n,i,2,/N,a,8.過剩載,流,流子,由于受,外,外界因,素,素如光,、,、電的,作,作用，,半,半導(dǎo)體,中,中載流,子,子的分,布,布偏離,了,了平衡,態(tài),態(tài)分布,，,，稱這,些,些偏離,平,平衡分,布,布的載,流,流子為,過,過剩載,流,流子,公式,不成立,載流子,的,的產(chǎn)生,和,和復(fù)合,：,：電子,和,和空穴,增,增加和,消,消失的,過,過程,電子空,穴,穴對：,電,電子和,空,空穴成,對,對產(chǎn)生,或,或復(fù)合,9.載流,子,子的輸運,漂移電流,遷移率,電阻率,單位電
8、場作,用,用下載流子,獲,獲得平均速,度,度,反映了載流,子,子在電場作,用,用下輸運能,力,力,載流子的漂,移,移運動：載流子在電,場,場作用下的,運,運動,引 入 遷,移,移 率,的,的 概 念,影 響 遷,移,移 率,的,的 因 素,影響遷移率,的,的因素：,有效質(zhì)量,平均弛豫時,間,間（散射,體現(xiàn)在：溫,度,度和,摻雜濃度,半導(dǎo)體中載,流,流子的散射,機,機制：,晶格散射（,熱,熱 運,動,動 引 起,）,）,電離雜質(zhì)散,射,射,擴散電流,電子擴散電,流,流：,空穴擴散電,流,流：,愛因斯坦關(guān),系,系:,載流子的擴,散,散運動：載流子在化,學(xué),學(xué)勢作用下,運,運動,過剩載流子,的,的擴
9、散和復(fù),合,合,過剩載流子,的,的復(fù)合機制,：,：,直接復(fù)合、,間,間接復(fù)合、,表面復(fù)合、,俄,俄歇復(fù)合,過剩載流子,的,的擴散過程,擴散長度,L,n,和,L,p,:L=(D,),1/2,描述半導(dǎo)體,器,器件工作的,基,基本方程,泊松方程,高斯定律,描述半導(dǎo)體,中,中靜電勢的,變,變化規(guī)律,靜電勢由本,征,征費米能級Ei,的變化決定,能帶向下彎,，,，,靜電勢增加,方程的形式1,方程的形式2,電荷密度,(x),可動的 載流子（n,p),固定的 電離的施主、受主,特例：,均勻Si,中，無外加,偏,偏壓時，,方程RHS,0，,靜電勢為常,數(shù),數(shù),電流連續(xù)方,程,程,可動載流子,的,的守恒,熱平衡時
10、：,產(chǎn)生率復(fù),合,合率,np=n,i,2,電子：,空穴,電流密度方,程,程,載流子的輸,運,運方程,在漂移擴,散,散模型中,擴散項,漂移項,方程形式1,愛因斯坦關(guān)系,波耳茲曼關(guān)系,方程形式2,電子和空穴,的,的準費米勢,：,：,費米勢,重,點,點,半導(dǎo)體、N,型,型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體,、,、本征半導(dǎo),體,體、非本征,半,半導(dǎo)體,載流子、,電,電子、空,穴,穴、平衡,載,載流子、,非,非平衡載,流,流子、過,剩,剩載流子,能帶、導(dǎo),帶,帶、價帶,、,、禁帶,摻雜、施,主,主、受主,輸運、漂,移,移、擴散,、,、產(chǎn)生、,復(fù),復(fù)合,作,業(yè),業(yè),載流子的,輸,輸運有哪,些,些模式，,對,對這些輸,運,運模式進,行,行簡單的,描,描述,設(shè)計一個,實,實驗：首,先,先將一塊,本,本征半導(dǎo),體,體變成N,型,型半導(dǎo)體,，,，然后再,設(shè),設(shè)法使它,變,變成P型,半,半導(dǎo)體。,第二次作,業(yè),業(yè),簡單敘述,微,微電子學(xué),對,對人類社,會,會的作用,第一次作,業(yè),業(yè),列舉出你,見,見到的、,想,想到的不,同,同類型的,集,集成電路,及,及其主要,作,作用,用你自己,的,的話解釋,微,微電子學(xué),、,、集成電,路,路的概念,
《微電子學(xué)概論》--B03
