半导体材料-短篇.doc

半导体材料-短篇.doc1 半导体基础知识张光春 固体材料按其导电性能可分为三类:绝缘体、半导体及导体,它们典型的电阻率如下: 半导体又可以分为元素半导体和化合物半导体,它们的定义如下: 元素半导体( element ) :由一种材料形成的半导体物质,如硅和锗。 2 《半导体器件与物理工艺》化合物( compound )半导体:由两种或两种以上元素形成的物质。 1) 二元化合物 GaAs ? ???—***化镓 SiC —碳化硅? ZnS —硫化锌? GaN —氮化镓 2) 三元化合物 AlGa 11 As —***化镓铝 Al In 11 As —***化铟铝 半导体根据其是否掺杂又可以分为本征半导体和非本征半导体。它们的定义分别为: 本征半导体:当半导体中无杂质掺入时,此种半导体称为本征半导体( Intrinsic Semiconductor ),此时 E F在禁带中央。非本征半导体:当半导体被掺入杂质时,本征半导体就成为非本征( extrinsic ) 半导体。 掺入本征半导体中的杂质,按释放载流子的类型分为施主与受主,即: 施主: 当杂质掺入半导体中时,若能释放一个电子,这种杂质被称为施主。如磷、***就是硅的施主。受主: 当杂质掺入半导体中时, 若能接受一个电子, 就会相应地产生一个空穴, 这种杂质称为受主。如硼、铝就是硅的受主。 3 掺入施主的半导体称为 N 型半导体,如掺磷的硅。由于施主释放电子,因此在这样的半导体中电子为多数导电载流子(简称多子) ,而空穴为少数导电载流子(简称少子)。相对的,掺入受主的半导体称为 P 型半导体,如掺硼的硅。由于受主接受电子,因此在这样的半导体中空穴为多数导电载流子(简称多子) ,而电子为少数导电载流子(简称少子)。 载流子浓度本征半导体的载流子浓度 n i =n 0 =p 0n 0p 0=n i 2 热平衡条件非本征半导体的载流子浓度 4 一般情况下: DnNn? 0 ,APNp? 0 。如下图: 另外,电阻率与杂质浓度有如下关系: ??? pnpq nq?? 1 本征半导体: )( 1??? pn iqn ??另外,根据不同导电类型的半导体,上述公式可以简化为: n 型半导体: ?? nnq 1? p 型半导体: ?? ppq 1?5 平衡载流子处于热平衡状态的半导体, 在一定温度下, 载流子浓度是一定的, 这种处于热平衡状态下的载流子浓度,称为平衡载流子浓度。) exp( 0 KT EEnn iFi??) exp( 0 KT EEnp Fii?? n 0p 0=n i 2 非平衡载流子处于非平衡状态的半导体,其载流子浓度也不再是 n 0和p 0, 可以比他们多出一部分,多出这部分载流子称为非平衡载流子,用△n和△p 表示。光照产生非平衡载流子 6 非平衡载流子的寿命—非平衡载流子平均生存的时间称为非平衡载流子的寿命。由于相对于非平衡多数载流子,非平衡少数载流子的影响处于主导地位,因而非平衡载流子的寿命(常称为少数载流子寿命,简称少子寿命)被用来衡量材料的质量。? teptp ???? 0)()( 当??t 时,e ptp 0)()( ???,即此时就是材料的少子寿命。 复合理论 1) 直接复合( direct bination ) 由电子在导带与价带间直接跃进而引起的非平衡载流子的复合过程。 2) 间接复合( indirect bination ) - 非平衡载流子通过复合中心的复合。 7 3. 表面复合( surface bination ) 是指在半导体表面发生的复合过程表面处的杂质和表面处特有的缺陷也在禁带形成复合中心能级, 因而, 就复合机制讲, 表面复合仍然是间接复合。实际测得的少子寿命应是体内复合和表面复合的综合结果。设这两种复合是单独平行发生的。用? b 表示体内复合, 用? s 表示表面复合。总的复合机率为: ??? sb eff111??,其中τ eff 称为有效少子寿命。复合过程中能量的释放载流子复合时,一定要释放多余的能量,放出能量的方法有三种: ①发射光子,即伴随着复合,将有发光现象,常称为发光复合或辐射复合。②发射声子,载流子将多余的能量传给晶格,加强晶格的振动(使硅体发热)。③将能量给予其它载流子,增加它们的动能,称为俄歇( Auger )复合。二. P-N 结 P-N 结的形成在一块 n 型(或 P 型)半导体上,用适当的工艺方法把 P 型(或 n 型)杂质掺入其中, 使不同区域分别