半導體基礎知識
張光春2006.3
一．半導體材料
1.1固體材料按其導電性能可分為三類：絕緣體、半導體及導體，它們典型的電阻率如下：
1.2半導體又可以分為元素半導體和化合物半導體，它們的定義如下：
元素半導體（element）：由一種材料形成的半導體物質，如矽和鍺。
半導體器件與物理工藝》
化合物（compound）半導體：由兩種或兩種以上元素形成的物質。
1) 二元化合物
gaas — 砷化鎵
sic — 碳化矽？
zns — 硫化鋅？
gan — 氮化鎵
2) 三元化合物
alga11as — 砷化鎵鋁
alin11as — 砷化銦鋁
1.3半導體根據其是否摻雜又可以分為本徵半導體和非本徵半導體。它們的定義分別為：
本徵半導體：當半導體中無雜質摻入時，此種半導體稱為本徵半導體（intrinsic semiconductor），此時ef在禁帶**。
非本徵半導體：當半導體被摻入雜質時，本徵半導體就成為非本徵（extrinsic）半導體。
1.4摻入本徵半導體中的雜質，按釋放載流子的型別分為施主與受主，即：
施主：當雜質摻入半導體中時，若能釋放乙個電子，這種雜質被稱為施主。如磷、砷就是矽的施主。
受主：當雜質摻入半導體中時，若能接受乙個電子，就會相應地產生乙個空穴，這種雜質稱為受主。如硼、鋁就是矽的受主。
1.5摻入施主的半導體稱為n型半導體，如摻磷的矽。由於施主釋放電子，因此在這樣的半導體中電子為多數導電載流子（簡稱多子），而空穴為少數導電載流子（簡稱少子）。
相對的，摻入受主的半導體稱為p型半導體，如摻硼的矽。由於受主接受電子，因此在這樣的半導體中空穴為多數導電載流子（簡稱多子），而電子為少數導電載流子（簡稱少子）。
1.6載流子濃度
本徵半導體的載流子濃度
ni=n0=p0
n0 p0= ni2 熱平衡條件
非本徵半導體的載流子濃度
一般情況下：，。如下圖：
另外，電阻率與雜質濃度有如下關係：
本徵半導體：
另外，根據不同導電型別的半導體，上述公式可以簡化為：
n型半導體：
p型半導體：
平衡載流子
處於熱平衡狀態的半導體，在一定溫度下，載流子濃度是一定的，這種處於熱平衡狀態下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。
n0 p0= ni2
非平衡載流子
處於非平衡狀態的半導體，其載流子濃度也不再是n0和p0，可以比他們多出一部分，多出這部分載流子稱為非平衡載流子，用△n和△p 表示。
光照產生非平衡載流子
非平衡載流子的壽命
— 非平衡載流子平均生存的時間稱為非平衡載流子的壽命。
由於相對於非平衡多數載流子，非平衡少數載流子的影響處於主導地位，因而非平衡載流子的壽命（常稱為少數載流子壽命，簡稱少子壽命）被用來衡量材料的質量。
當時，，即此時就是材料的少子壽命。
1.7復合理論
1) 直接復合（direct recombination）
由電子在導帶與價帶間直接躍進而引起的非平衡載流子的復合過程。
2) 間接復合（indirect recombination）
-非平衡載流子通過復合中心的復合。
3.表面復合（su***ce recombination）
是指在半導體表面發生的復合過程
表面處的雜質和表面處特有的缺陷也在禁帶形成復合中心能級，因而，就復合機制講，表面復合仍然是間接復合。
實際測得的少子壽命應是體內復合和表面復合的綜合結果。設這兩種復合是單獨平行發生的。用表示體內復合，用表示表面復合。
總的復合機率為：，其中τeff稱為有效少子壽命。
復合過程中能量的釋放
載流子復合時，一定要釋放多餘的能量，放出能量的方法有三種：
① 發射光子，即伴隨著復合，將有發光現象，常稱為發光復合或輻射復合。
② 發射聲子，載流子將多餘的能量傳給晶格，加強晶格的振動（使矽體發熱）。
③ 將能量給予其它載流子，增加它們的動能，稱為俄歇（auger）復合。
二．p-n結
2.1 p-n結的形成
在一塊n 型（或p型）半導體上，用適當的工藝方法把p型（或n型）雜質摻入其中，使不同區域分別具有n型和p型的導電型別，在二者的交界處就形成了p-n結。
2.2 p-n結的雜質分布
2.3 平衡pn結的電場，電勢和結寬（以突變結為例）
電荷分布：
2.4 不同偏壓條件下，p-n結的能帶圖
《半導體器件物理與工藝》
2.5 p-n結的電流電壓特性
1.理想特性
4個假設：①耗盡區為突變邊界
小注入③耗盡區內無產生和復合
④邊界載流子濃度和結的靜電勢有關
p-n結理想曲線
2.非理想的p-n結電流電壓特性
引起理想曲線與實際曲線差別的主要原因有：
1 表面效應
2 勢壘區中的產生及復合
3 大注入條件
4 串聯電阻效應
一般而言，擴散電流的特點是：它與成正比
復合電流的特點是：它與成正比
實際結果可以被表示成：
n稱為理想係數（ideality factor）
當理想擴散電流佔優勢時：n=1
當復合電流佔優勢時：n=2
當二者電流相差不大時：n在1和2之間
在更高的電流區域 n=2，這主要由串聯電阻效率和大注入效率有關。
2.6 典型pn結地電流電壓特性
半導體材料 複習
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半導體材料複習
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半導體材料30題
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