电子工程物理基础..ppt

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1、电子工程物理基础（电子工程物理基础（5）聂萌聂萌东南大学电子科学与工程学院东南大学电子科学与工程学院第第5 5章章 半导体中电子的控制半导体中电子的控制5.1 5.1 半导体与外界作用半导体与外界作用5.2 5.2 半导体与半导体半导体与半导体5.3 5.3 半导体与金属半导体与金属5.4 5.4 半导体与绝缘体半导体与绝缘体5.1 5.1 半导体与外界作用半导体与外界作用一一.半导体与热半导体与热温度可以影响温度可以影响载流子的浓度载流子的浓度载流子的分布载流子的分布载流子浓度不均匀载流子浓度不均匀扩散运动扩散运动低温弱电离低温弱电离中温全电离中温全电离高温本征激发高温本征激发温度不均匀温度

2、不均匀 费米能级费米能级 载流子浓度载流子浓度中中温温高高温温低低温温1.1.温度对浓度的影响温度对浓度的影响由由4.24.2得知得知（1）n T分析、讨论分析、讨论希望器件工作在此温区希望器件工作在此温区（2）EF TEF ED的相对位置反的相对位置反映了半导体中载流子映了半导体中载流子的的电离程度电离程度低温中温（掺杂一定）（掺杂一定）（3）EF 掺杂（掺杂（T一定，则一定，则NC也一定）也一定）T一定，一定，ND越大，越大，EF越靠近越靠近ECT一定，一定，NA越大，越大，EF越靠近越靠近EV。中温2.2.局部热对分布的影响局部热对分布的影响温度不均匀温度不均匀载流子浓度不均匀载流子浓度

3、不均匀载流子扩散载流子扩散内建电场内建电场温差电动势温差电动势 均匀温度梯度下的半均匀温度梯度下的半导导体的能体的能带图带图+-温差电动势的方向与半导体导电类型相关。温差电动势的方向与半导体导电类型相关。所以可以利用热探针法判断半导体导电类所以可以利用热探针法判断半导体导电类型。型。二二.半导体与光半导体与光产生非平衡载流子半导体中会出现阻碍多半导体中会出现阻碍多子扩散的内建电场，导子扩散的内建电场，导致能带弯曲。但当光注致能带弯曲。但当光注入入载流子量很小时载流子量很小时，该该内建电场可以忽略内建电场可以忽略。类似于温差电动势，半导体吸收光子也会产生电动势类似于温差电动势，半导体吸收光子也会

4、产生电动势光生伏特效应。光生伏特效应。一类是发生在均匀半导体材料内部一类是发生在均匀半导体材料内部丹倍效应丹倍效应非平衡载流子扩散速度的差异而引非平衡载流子扩散速度的差异而引导起的光照方向产生电场和电位差。导起的光照方向产生电场和电位差。一类是发生在半导体的界面一类是发生在半导体的界面pn结光生伏结光生伏特效应特效应 （常用于太阳能电池）（常用于太阳能电池）光在界面层被吸收，产生电子空穴对。通光在界面层被吸收，产生电子空穴对。通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子和过空间电荷的电场作用被相互分离。电子和空穴向相反方向运动。产生一个向外的可测空穴向相反方向运动。产生一个向外的可测试的电压。试的电

5、压。光生伏特效应光生伏特效应三三.半导体与磁半导体与磁1.1.霍耳效应霍耳效应 通了电流通了电流的半导体在垂直电流方向的的半导体在垂直电流方向的磁场磁场作用下，在与电流和磁场垂直作用下，在与电流和磁场垂直的方向上形成电荷积累和出现的方向上形成电荷积累和出现电势差电势差的现象。的现象。磁场磁场 洛仑兹力洛仑兹力 改变载流子运动的方向改变载流子运动的方向磁场作用下的通电磁场作用下的通电n型半导体的霍尔效应型半导体的霍尔效应xyzEH比例系数比例系数RH 霍尔系数霍尔系数-+洛仑兹力洛仑兹力电场力电场力霍尔效应霍尔效应可以测定可以测定载流子浓度载流子浓度及载流子及载流子迁移率迁移率等重要参数，以及判

6、断材等重要参数，以及判断材料的料的导电类型导电类型。还可制作。还可制作霍尔器件霍尔器件。霍尔电压的正负相反霍尔电压的正负相反p p型型n型型（1）判断导电类型）判断导电类型n型型 RH0EH同理：同理：（2）测定载流子浓度及迁移率）测定载流子浓度及迁移率或三参量已知，测出VH求出RH求出求出n或或p测出电导率测出电导率可求出霍尔迁移率可求出霍尔迁移率（3）霍尔器件）霍尔器件保持其中一个量不变，另一个或两个作变量，应用保持其中一个量不变，另一个或两个作变量，应用于不同场合。于不同场合。（b-宽 d-厚）2.回旋共振回旋共振 u Cyclotron resonance experiments测测

7、m*m*能带结构能带结构一些物质如半导体中的载一些物质如半导体中的载(电电)流子在一定的恒定流子在一定的恒定(直流直流)磁场和高频磁场同磁场和高频磁场同时作用下会发生抗磁共振时作用下会发生抗磁共振(常称回旋共振常称回旋共振)电子的初速度为电子的初速度为v,在恒定磁场（在恒定磁场（B）中：）中：回旋频率回旋频率原原 理理fv/vr均匀均匀磁场磁场实验方法实验方法发生共振吸收发生共振吸收以以硅硅为例为例,回旋共振回旋共振实验现象实验现象：（1）B沿沿111方向，观察到一个吸收峰。方向，观察到一个吸收峰。（2）B沿沿110方向，观察到两个吸收峰。方向，观察到两个吸收峰。（3）B沿沿100方向，观察到

8、两个吸收峰。方向，观察到两个吸收峰。（4）B沿任意轴方向，观察到三个吸收峰。沿任意轴方向，观察到三个吸收峰。四四.半导体与力半导体与力压阻效应压阻效应是指半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻是指半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。它是率发生变化的现象。它是C.SC.S史密斯在史密斯在19541954年对硅和锗的电阻率与应力变化特年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。性测试中发现的。半导体半导体施加力施加力晶格间距变化晶格间距变化周期势场变化周期势场变化能带结构变化能带结构变化迁移率变化迁移率变化电导率变化电导率变化压阻系数，四阶张量

9、。反映压电效应的强弱。压阻系数，四阶张量。反映压电效应的强弱。T应力（单位截面所受力）半导体应变计压敏二极管压敏晶体管控制载流子的迁移率应用：压阻式压力传感器、压阻式加速度计传感器应用：压阻式压力传感器、压阻式加速度计传感器第第5 5章章 半导体中电子的控制半导体中电子的控制5.1 半导体与外界作用5.3 半导体与金属5.2 5.2 半导体与半导体半导体与半导体5.4 半导体与绝缘体5.2 5.2 半导体与半导体半导体与半导体半导体与半导体半导体与半导体同质结同质结异质结异质结p-n结结n+-n、p+-p结同型n-n、p-p异型n-p、p-np-n结基本结构结基本结构(1)Alloyed Ju

10、nctions(合金结合金结)(2)Diffused Junctions(扩散结扩散结)(3)Ion Implantation(离子注入离子注入)(4)Epitaxial Growth (外延生长外延生长)1.制备方法制备方法最最常常用用一一.p-n.p-n结结合金温度合金温度降温再结晶降温再结晶(1)Alloyed Junctions(合金结合金结)(2)Diffused Junctions(扩散结扩散结)扩散扩散系统系统(3)Ion Implantation(离子注入离子注入)2.pn结区结区(Space charge region)的形成的形成漂移运动漂移运动扩散运动扩散运动+-内建电场

11、内建电场E 刚接触，扩散刚接触，扩散（达到动态平衡达到动态平衡）扩散扩散=漂移漂移建立内建电场建立内建电场漂移漂移P型半导体型半导体n型半导体型半导体阻挡层阻挡层 耗尽区耗尽区Depletion region空间电荷区空间电荷区Space charge region 当当p p型半导体和型半导体和n n型半导体接触在一起时型半导体接触在一起时,扩散和漂移这一对相反的扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。度固定不变。在两者的交界面处存在着一个过渡区在两者的交界面处存在着一个过渡

12、区,通常称为通常称为p-np-n结结.中性区中性区缓变结缓变结与与突变结突变结1.Alloyed Junctions(合金结合金结)2.Diffused Junctions(扩散结扩散结)3.Ion Implantation(离子注入离子注入)4.Epitaxial Growth (外延生长外延生长)合金结、高表面合金结、高表面浓度的浅扩散结浓度的浅扩散结深扩深扩散结散结突变结空间电荷区的突变结空间电荷区的电场电场E(x)、电势电势V(x)、宽度、宽度XD泊松方程poissons equation:In the p-region:所以所以In the n-region:及及突变结突变结空间电荷

13、区宽度空间电荷区宽度XD 掺杂浓度高的一侧，空间电荷区域窄。掺杂浓度高的一侧，空间电荷区域窄。其中：其中：空间电荷区宽度空间电荷区宽度(Space charge region width)3.pn结能带结能带(Enery band)势垒区势垒区-+0 VDnnoppo势垒区势垒区-+0 VDnnoppo 势垒区势垒区 高度高度qV？空间电荷区的接触电势差空间电荷区的接触电势差 V？势垒区势垒区 宽度宽度 XD？空间电荷区空间电荷区 宽度宽度XD？各区域的载流子浓度分布各区域的载流子浓度分布 n（X）、）、p（X）？）？n(x)4.pn结的物理参量结的物理参量n型半导体中的电子浓度为型半导体中的

14、电子浓度为p型半导体中的电子浓度为型半导体中的电子浓度为接触电势差接触电势差VD*势垒高度势垒高度 qVD ND、NA 、Eg 接触电势差接触电势差 (The Contact Potential)势垒区或空间电荷区宽度 载流子分布载流子分布-Xp Xn 0-Xp Xn 0-Xp Xn 中性区中性区Carrier distributions或二二.p-n.p-n结的常规特性结的常规特性1.1.势垒区的自由载流子全部耗尽势垒区的自由载流子全部耗尽,并并忽略忽略势垒区中载流子的势垒区中载流子的产生产生和和复合复合。现假设现假设:2.2.小注入小注入:注入的少数载流子浓度远小于半导体中的多数载注入的少

15、数载流子浓度远小于半导体中的多数载流子浓度。在注入时，流子浓度。在注入时，扩散区的漂移电场扩散区的漂移电场可可忽略忽略。1.Pn结的结的I-V特性特性中性区中性区nn0np0正向偏压下正向偏压下 外加电场与内建电场方向相反，削弱了内建电场，因而使外加电场与内建电场方向相反，削弱了内建电场，因而使势垒两端的电势差由势垒两端的电势差由V VD D减小为减小为（V VD D-V-Vf f），），相应地势垒区相应地势垒区变薄变薄。(1)正向偏置正向偏置 （Forward bias）由于电场作用而使非平衡载流子进入半导体的过程称为由于电场作用而使非平衡载流子进入半导体的过程称为-电注入电注入非平衡态非平

16、衡态漂移漂移 扩散扩散漂移漂移=扩散扩散Space charge regionNeutral regionDiffusion region漂移漂移 扩散扩散(2)反向偏置反向偏置（Reverse bias）V VD D增大为（增大为（V VD D+V+Vr r），相应地势垒区加宽），相应地势垒区加宽 势垒区两侧边界上的少数载流子势垒区两侧边界上的少数载流子被强电场扫过势垒区。使被强电场扫过势垒区。使边界处的少边界处的少子浓度低于体内子浓度低于体内。产生了少子的扩散。产生了少子的扩散运动，形成了运动，形成了反向扩散电流反向扩散电流。类似于正向偏置的方法，可求得反向电流密度类似于正向偏置的方法，可

17、求得反向电流密度式中，式中，JsJs不随反向电压变化，称为不随反向电压变化，称为反向饱和电流密度反向饱和电流密度；负号表；负号表示反向电流方向与正向电流方向相反。示反向电流方向与正向电流方向相反。p-n结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示：结的正向和反向电流密度公式可统一用下列公式表示：正向：正向：V=Vf反向：反向：V=-Vr（3）I-V characteristic of a p-n junctionp-n结的伏结的伏-安特性安特性v 单向导电性单向导电性-整流整流Ge、Si、GaAs：0.3、0.7、1Vv 具有可变电阻性具有可变电阻性结论结论VTEg VD VTp-n结的单向

18、导电性结的单向导电性-整流整流p-n结的温度效应结的温度效应其中：均与均与T有关有关正向电流密度随温度上升而增加。正向电流密度随温度上升而增加。2.p-n2.p-n结电容结电容 (Capacitance of p-n Junctions)(Capacitance of p-n Junctions)v p-n结的结的直流直流伏伏-安特性表明：安特性表明：1.具有单向导电性。具有单向导电性。2.具有可变电阻性。具有可变电阻性。特别是在特别是在高频运用高频运用时，这个电容效应更为显著。时，这个电容效应更为显著。v p-n结的结的交流交流特性表明特性表明:p-n结还具有结还具有可变电容可变电容的性质的

19、性质p-np-n结电容包括结电容包括势垒电容势垒电容和和扩散电容扩散电容两部分两部分（1 1）势垒电容）势垒电容C CT T由于势垒区电荷的变化表现出来的电容效应由于势垒区电荷的变化表现出来的电容效应-势垒电容势垒电容也称结电容（也称结电容（Junction capacitance）势垒电容势垒电容对于线性缓变结：对于线性缓变结：对于突变结对于突变结对于突变结：对于突变结：*耗尽层近似条件成立耗尽层近似条件成立正偏下：正偏下：其中:对于线性缓变结：对于线性缓变结：扩散电容扩散电容(2)扩散电容扩散电容也称电荷存储电容（也称电荷存储电容（charge storage capacitance ch

20、arge storage capacitance）同理：同理：那么，显然，显然，CT与与CD都与都与p-n结的面积结的面积A成正比，且随外加电压成正比，且随外加电压而变化。而变化。（3）总电容）总电容p-n结的总电容为两者之和：结的总电容为两者之和：大正向偏置大正向偏置p-n结时，以结时，以CD为主，为主，CjCD小正向偏置或反向偏置小正向偏置或反向偏置p-n结时，结时，以以CT为主，为主，CjCT影响影响p-n结伏结伏-安特性的主要因素：安特性的主要因素：产生偏差的原因：产生偏差的原因：（1）正向小电压时忽略了）正向小电压时忽略了势垒区的复合势垒区的复合电流；正向大电压时电流；正向大电压时忽

21、略了忽略了扩散区的漂移电流扩散区的漂移电流和和体电阻体电阻上的压降。上的压降。（2）在反向偏置时忽略了）在反向偏置时忽略了势垒区的产生势垒区的产生电流。电流。三三.p-n.p-n结的异常特性结的异常特性1.p-n结结I-V特性的非理想因素特性的非理想因素空间电荷区的复合电流空间电荷区的复合电流（正向）（正向）注入注入p+-n结的结的n侧的空穴及其所造成的电子分布侧的空穴及其所造成的电子分布大注入大注入 （正向）（正向）扩散区产生内建电场扩散区产生内建电场空间电荷区的产生电流空间电荷区的产生电流（反向）（反向）势垒区由热激发通过复合中心产生的势垒区由热激发通过复合中心产生的电子电子-空穴对来不及

22、复合就被强电场空穴对来不及复合就被强电场驱走了，驱走了，存在净产生。存在净产生。势垒区的复合影响势垒区的复合影响大注入影响大注入影响势垒区的产生影响势垒区的产生影响2.2.p-np-n结的击穿结的击穿(Berakdown)(Berakdown)在反向偏置下，当反向电压很大时，在反向偏置下，当反向电压很大时，p-n结的反向电流结的反向电流突然增加，从而破坏了突然增加，从而破坏了p-n结的整流特性结的整流特性-p-n结的击穿结的击穿。禁带宽度较窄的半导禁带宽度较窄的半导体易发生这种击穿体易发生这种击穿.p-n p-n结中的电场随着结中的电场随着反向电压反向电压的增加而增加，少数载流子通过的增加而增

23、加，少数载流子通过反向扩反向扩散散进入势垒区时获得的动能也就越来越大，当载流子的动能大到一定数进入势垒区时获得的动能也就越来越大，当载流子的动能大到一定数值后，与中性原子碰撞时，可以值后，与中性原子碰撞时，可以把中性原子的价电子激发到导带，形成把中性原子的价电子激发到导带，形成电子电子-空穴对空穴对碰撞电离。碰撞电离。(1)雪崩击穿雪崩击穿(Avalanche berakdown)连锁反应，使载流子的数量连锁反应，使载流子的数量倍增式的急剧增多，倍增式的急剧增多，因而因而p-np-n结的反结的反向电流也急剧增大，形成了向电流也急剧增大，形成了雪崩击穿雪崩击穿。影响雪崩击穿电压的主要因素：影响雪

24、崩击穿电压的主要因素：1.掺杂浓度掺杂浓度:掺杂浓度大掺杂浓度大,击穿电压小。击穿电压小。2.禁带宽度禁带宽度:禁带宽度越宽禁带宽度越宽,击穿电压越大。击穿电压越大。3.温温 度度:温度升高温度升高,击穿电压增大。击穿电压增大。正温度系数正温度系数但，杂质浓度很高但，杂质浓度很高势垒区宽度小势垒区宽度小不易完成载流子加速过程不易完成载流子加速过程不利于雪崩倍增不利于雪崩倍增禁带宽度大禁带宽度大碰撞电离产生电子碰撞电离产生电子-空穴对所需能量大空穴对所需能量大不利于雪崩倍增不利于雪崩倍增温度升高温度升高晶格振动散射增加晶格振动散射增加电子、空穴获得的能量易损失电子、空穴获得的能量易损失不利于雪不

25、利于雪崩倍增效应崩倍增效应杂质浓度高杂质浓度高接触电势差大接触电势差大载流子能够获得更大动能载流子能够获得更大动能利于雪崩倍增利于雪崩倍增(2)(2)齐纳齐纳击穿击穿(Zener berakdown)或隧道击穿或隧道击穿是掺杂浓度较高的非简并是掺杂浓度较高的非简并p-n结中的击穿机制结中的击穿机制.根据量子力学的观点根据量子力学的观点,当势垒宽度当势垒宽度X XABAB足够窄时足够窄时,将有将有p p区电子穿透禁带区电子穿透禁带.当外加当外加反向电压很大时反向电压很大时,能带倾斜严重能带倾斜严重,势垒宽度势垒宽度X XABAB变得更窄变得更窄.造成很大的反向电流造成很大的反向电流.使使p-p-

26、n n结击穿结击穿.XDXAB影响齐纳击穿电压的主要因素：影响齐纳击穿电压的主要因素：1.掺杂浓度掺杂浓度:掺杂浓度掺杂浓度大大,击穿电压击穿电压小小.2.禁带宽度禁带宽度:禁带宽度禁带宽度越宽越宽,击穿电压击穿电压越大越大.3.温度温度:温度升高温度升高,击穿电压下降。击穿电压下降。负负温度系数温度系数杂质浓度高杂质浓度高势垒区宽度窄势垒区宽度窄隧道长度短隧道长度短易发生隧道击穿易发生隧道击穿禁带宽度大禁带宽度大势垒区宽度大势垒区宽度大隧道长度变长隧道长度变长不易隧道击穿不易隧道击穿温度升高温度升高禁带宽度变窄禁带宽度变窄势垒区宽度变小势垒区宽度变小隧道长度变短隧道长度变短 齐纳击穿齐纳击穿

27、电压具有电压具有负负的温度系数的温度系数,而雪崩击穿而雪崩击穿电压具有电压具有正正的的温度系数温度系数,这种温度效应是区分两种击穿机构的重要方法这种温度效应是区分两种击穿机构的重要方法.掺杂浓度高掺杂浓度高,反向偏压不高的情况下反向偏压不高的情况下,易发生齐纳击穿易发生齐纳击穿 反向偏压较高的情况下，易发生雪崩击穿反向偏压较高的情况下，易发生雪崩击穿.结结 论论例，Si、Ge：齐纳击穿（隧道击穿）齐纳击穿（隧道击穿）雪崩击穿雪崩击穿两者均存在两者均存在 当当p-np-n结的两边都是重掺杂时结的两边都是重掺杂时:(1):(1)费米能级分别进入导带费米能级分别进入导带和价带和价带.(2).(2)势

28、垒十分薄势垒十分薄.在外加正向或反向电压下在外加正向或反向电压下,有些载流子将可能穿透势垒产生有些载流子将可能穿透势垒产生额外的电流额外的电流.隧道电流隧道电流平衡时平衡时四四.p-n.p-n结中的隧道效应结中的隧道效应加正向电压的情况加正向电压的情况加反向电压的情况加反向电压的情况热平衡（无外加电压）热平衡（无外加电压）扩散扩散电流电流隧道二极管的优点：隧道二极管的优点：温度影响小、高频特性良好温度影响小、高频特性良好应用于低噪声高频放大器及高频振荡器中（其工作频率可达毫应用于低噪声高频放大器及高频振荡器中（其工作频率可达毫米波段），也可以被应用于高速开关电路中。米波段），也可以被应用于高速

29、开关电路中。江江崎崎二二极极管管单位时间通单位时间通过过p-n结的结的多子数目起多子数目起伏小。伏小。一般一般p-n结结电子穿过电子穿过势垒极其势垒极其迅速迅速隧道隧道p-n结结隧道二极管的伏安特性常用的隧道二极管脉冲电路 若选取若选取R、E的不同数值，可作三种具有代表性的直流负载线的不同数值，可作三种具有代表性的直流负载线：负载线负载线图（图（a)a)与伏安特性交于低压正阻区与伏安特性交于低压正阻区a a点，它是稳定点，用于构成点，它是稳定点，用于构成单稳电路单稳电路。负载线负载线与伏安特性相交于负阻区的与伏安特性相交于负阻区的b b点，它是不稳定点，用于构成点，它是不稳定点，用于构成多谐振

30、荡电路多谐振荡电路。负载线负载线与伏安特性交于与伏安特性交于C C、D D、E E三点，三点，C C、E E为稳定点，为稳定点，D D为不稳定点，用于构成为不稳定点，用于构成双双稳电路稳电路，因此，选取不同的静态工作点负载线，就可获得不同类型的脉冲电路。因此，选取不同的静态工作点负载线，就可获得不同类型的脉冲电路。五五.异质结异质结电子亲和能功函数功函数1.p-n型型2.n-p型型空穴耗尽空穴耗尽电子耗尽电子耗尽3.p-p型型空穴积累空穴积累空穴耗尽空穴耗尽4.n-n 型型电子积累电子积累电子耗尽电子耗尽异质结的主要性质异质结的主要性质1.1.可提高注入比可提高注入比2.2.窗口效应窗口效应3.3.限制光子的光波导壁界限制光子的光波导壁界4.4.限制载流子的势垒限制载流子的势垒在总电流中电子电流与空穴电流之比，称为电子的在总电流中电子电流与空穴电流之比，称为电子的注入比注入比。下面以下面以p-n型为例，并借用同质型为例，并借用同质p-n结的电流表达式，做些定结的电流表达式，做些定性的讨论。性的讨论。外加正偏：外加正偏：1.1.可提高注入比可提高注入比同质pn结2.窗口效应窗口效应应用应用:1.太阳能电池太阳能电池2.发光二极管发光二极管(1)2 (2)(3)3.3.限制光子的光波导壁界限制光子的光波导壁界4.4.限制载流子的势垒限制载流子的势垒