b体育爱问共享资料半导体的基础知识文档免费下载，数万用户每天上传大量最新资料，数量累计超一个亿 ，半导体的特点半导体之所以得到广泛的应用其主要原因并不在于它的电阻率大小而是因为它存在着一些导体和绝缘体所没有的独特性能①导电能力随温度灵敏变化导体绝缘体的电阻率随温度变化很小导体温度每升高一度电组率大约升高04而半导体则不一样温度每升高或降低1度其电阻就变化百分之几甚至几十当温度变化几十度时电阻变化几十几万倍而温度为绝对零度-273℃时则成为绝缘体②导电能力随光照显著改变当光线照射到某些半导体上时它们的导电能力就会变得很强没有光线时它的导电能力又会变得很弱③杂质的显著影响在纯净的半导体材料中适当掺入微量杂质导电能力会有上百万的...

　　半导体的特点半导体之所以得到广泛的应用其主要原因并不在于它的电阻率大小而是因为它存在着一些导体和绝缘体所没有的独特性能①导电能力随温度灵敏变化导体绝缘体的电阻率随温度变化很小导体温度每升高一度电组率大约升高04而半导体则不一样温度每升高或降低1度其电阻就变化百分之几甚至几十当温度变化几十度时电阻变化几十几万倍而温度为绝对零度-273℃时则成为绝缘体②导电能力随光照显著改变当光线照射到某些半导体上时它们的导电能力就会变得很强没有光线时它的导电能力又会变得很弱③杂质的显著影响在纯净的半导体材料中适当掺入微量杂质导电能力会有上百万的增加这是最特殊的独特性能④其他特性温差电效应霍尔效应发光效应光伏效应激光性能等本征半导体常用的半导体材料主要有硅Si和锗Ge高纯度的硅和锗都是单晶结构它们的原子整齐的按一定得规律排列着原子之间的距离不仅很小而且相等我们把这种非常纯净的且原子排列整齐的半导体称为本征半导体硅硼磷原子结构示意图如下正常情况下他们的原子都是呈中性的在硅制成单晶后其最外层的4个电子不仅受自身原子核的约束还与相邻的4个原子核相吸引2个相邻的原子之间共有1对电子称为共价键结构如果共价键中的电子受到一定的热或光照等作用下晶体中的共价电子有一部分受到激发可能会冲破共价键的束缚而成为一个自由电子同时这个电子原来所在的共价键的位置上形成一个电子空位称之为空穴从能带图上看就是电子离开了价带跃迁到导带从而在价带中留下了空穴产生了一对电子和空穴在本征半导体中自由电子和空穴的数目是相等的称为电子空穴对电子空穴对的运动是杂乱无章的就整体而言对外不显电性只有在外加电场的作用下电子空穴运动才具有方向性能带图硅原子在晶体中的共价键结构半导体材料硅的晶体结构硅晶体的金刚石结构晶体对称的有规则的排列叫做晶体格子简称晶格最小的晶格叫晶胞金刚石结构是一种复式格子它是两个面心立方晶格沿对角线互相套构而成晶面晶向原子密排面和解理面晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上这些平面就称为晶面每个晶面的垂直方向称为晶向下面左图是几种常用到的晶面和晶向在晶体的不同面上原子的疏密程度是不同的若将原子看成是一些硬的球体它们在一个平面上最密集的排列方式将如右图所示按照这样方式排列的晶面就称为原子密排面比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起相互之间沿着晶胞体对角线而构成的我们来看面心立方晶格中的原子密排面按照硬球模型可以区分在100110111几个晶面上原子排列的情况如图12-7所示金钢石晶格是由面心晶格构成所以它的111晶面也是原子密排面它的特点是在晶面内原子密集结合力强在晶面之间距离较大结合薄弱由此产生以下性质a由于111密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱在外力作用下晶体很容易沿着111晶面劈裂晶体中这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面b由于111密排面结合牢固化学腐蚀就比较困难和缓慢而100面原子排列密度比111面低所以100面比111面的腐蚀速度快选择合适的腐蚀液和腐蚀温度100面腐蚀速度比111面大的多因此用100面硅片采用这种各向异性腐蚀的结果可以使硅片表面产生许多密布表面为111面的四面方锥体形成绒面状的硅表面掺杂半导体本征半导体的实际价值不大但如果在本征半导体中掺入微量的某种元素就会形成N型或P型半导体1N型半导体在本征半导体以硅为例中掺入5价元素如磷等因磷原子的最外层有5个电子其中的4个电子同硅的4个电子组成共价键形成稳定结构多余的电子很容易受到激发形成自由电子掺入的磷元素越多则自由电子就越多这种掺入5价元素的半导体称为N型半导体其主要依靠自由电子导电称为多数载流子而空穴数量远远少于电子数量称为少数载流子2P型半导体在本征半导体中掺入3价元素如硼等因硼原子的最外层只有3个电子其中3个电子和硅原子外的3个电子组成共价键后就留下一个空穴空穴数目增多自由电子则相对很少故掺入3价元素的半导体称为P型半导体P型半导体主要依靠空穴来导电称为多数载流子而自由电子因数量远少于空穴数量故称为少数载流子一块半导体材料处于某一均匀的温度中且不受光照等外界因素的作用即这块半导体处于平衡状态此时半导

　　体中的载流子称为平衡态载流子半导体一旦受到外界因素作用如光照电流注入或其它能量传递形式时它内部载流子浓度就多于平衡状态下的载流子浓度半导体就从平衡状态变为非平衡状态人们把处于非平衡状态时比平衡状态载流子增加出来的一部分载流子成为非平衡载流子当引起非平衡载流子产生的外界因素停止后非平衡载流子不会永久地存在下去但也不是一下全部都消失掉而是随着时间逐渐减少消失的他们的存在时间有些长些有些短些有一个平均的存在时间这就是我们所说的非平衡载流子的寿命半导体内部和表面的复合作用是使得非平衡载流子逐渐减少直至消失的原因非平衡载流子也就是由于外界因素引起产生的电子空穴对复合的主要方式有三种直接复合间接复合和表面复合a直接复合电子和空穴在半导体内部直接相遇放出光子或引起热运动而复合复合的过程在是电子直接在能带间跃进中间无须经过任何间接过程这种复合称为直接复合一般的杂质半导体寿命是和多数载流子的密度成反比的或者说半导体的电阻率越低则寿命越短电阻率越低多数载流子浓度越高这种非平衡载流子就越有机会与多数载流子相遇复合所以寿命就越短b间接复合某些杂质元素即使是很少量地存在于半导体材料中便对材料的寿命数值有决定性的影响晶体中的缺陷也有类似的作用这说明晶体中的杂质原子和缺陷有促进非平衡载流子的复合作用这种复合与直接复合不同它是通过禁带中某些杂质缺陷能级做为跳板来完成的靠禁带中的杂质缺陷能级俘获导带中的电子与满带中的空穴在其上面间接进行复合的称之为间接复合那些起复合作用的杂质缺陷能级被称为复合中心复合中心是不断地起着复合作用而不是起了一次复合作用就停止了通过复合中心的间接复合过程比直接复合过程强得多这是因为间接复合过程每次所要放出的能量比直接复合的要少相当于分阶段放出能量所以容易得多因而间接复合过程大多情况下决定着半导体材料得寿命值直接复合和间接复合都是在半导体内部完成得所以也称为体内复合c表面复合半导体表面吸附着外界空气来的杂质分子或原子半导体表面存在着表面缺陷这种缺陷是从体内延伸到表面的晶格结构在表面中断表面原子出现悬空键或者是半导体在加工过程中在表面留下的严重损伤或内应力造成在体内更多的缺陷和晶格畸变这些杂质和缺陷形成能接受或施放电子的表面能级表面复合就是依靠表面能级对电子空穴的俘获来进行复合的实际上表面复合过程属于间接复合此时的复合中心位于半导体材料的表面d载流子的漂移运动和迁移率半导体中的载流子在不停地作无规则的热运动没有固定方向的流动所以半导体中并不产生电流若在半导体两端加上一个电压即半导体处于一个电场中载流子在电场加速作用下获得了附加的运动这就称之为载流子的漂移运动实际的晶体中有杂质原子缺陷晶格原子也不停地振动这些因素都使晶体中载流子的运动状态或运动方向不断发生变化载流子运动方向不断发生变化的现象称之为散射由于散射的作用漂移运动是曲折前进的运动迁移率是衡量半导体中载流子平均漂移速度的一个重要参数其数值等于在单位电场作用下电子和空穴的定向运动速度因此它反映了载流子运动的快慢程度载流子的迁移率随着温度掺杂浓度和缺陷浓度变化同一种半导体材料温度升高迁移率下降掺杂浓度缺陷浓度增加迁移率同样逐渐下降迁移率还和载流子的有效质量有关电子的有效质量比空穴小所以电子的迁移率比空穴大迁移率是反映半导体中载流子导电能力的重要参数掺杂半导体的电导率一方面取决于掺杂浓度另一方面取决于迁移率的大小e载流子的扩散运动扩散系数扩散长度向半导体中注入非平衡载流子时注入部分的载流子密度比其它部分高载流子会由密度大的地方向密度小的地方迁移这种现象叫做载流子的扩散运动扩散的强弱是由载流子浓度的变化决定的浓度梯度越大扩散也越容易同时扩散的强弱还与载流子的种类运动的速度以及散射的次数等有关我们用扩散系数来表示载流子扩散能力的强弱非平衡载流子在扩散运动过程中不断地复合而消失结果非平衡载流子密度由注入部分开始向密度小的方向逐渐减小在连续注入的条件下非平衡载流子密度由大到小形成一个稳定的分布由注入部位到非平衡载流子密度减小到1e数值位置之间的距离称为载流子的扩散长度如图112-1所示它也是半导体材料的重要参数之一扩散长度可以理解为非平衡载流子在平均寿命时间内经扩散运动所通过的距离

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