第五章 半导体材料课件
62页1、第五章 半导体材料,半导体材料是构成许多有源元件的基体材料,如半导体激光器、二极管、半导体集成电路、半导体存储器和光电二极管等等,在光通讯设备、信息的储存、处理、加工及显示方面都有重要应用。它是能源、信息、航空、航天、电子技术必不可少的一种功能材料,在电子信息材料中占有极其重要的地位。,5.1.1 导体和非导体的能带模型,图5.1 导体和非导体的能带模型,5.1 半导体材料的物理基础,半导体的导电性能往往是由于存在一定的杂质,它们对于能带填充情况有所改变,使导带中有少数电子或价带缺少了少数电子,从而产生一定的导电性叫掺杂导电。 即使半导体中不存在任何杂质,也会由于热激发使少数电子从价带热激发到导带底,产生所谓的本征导电。,5.1.2 杂质(或掺杂)半导体 在半导体中,可通过引入杂质产生载流子。掺入杂质后所产生的额外能级处于禁带中间,并对实际半导体的性能起决定性作用。 根据对导电性的影响,杂质态可分为施主杂质和受主杂质,相应地两者所产生的额外能级分别为施主能级和受主能级,并最终引出两种杂质半导体,即n型半导体和P型半导体。,(1) n型半导体 主要依靠电子导电的半导体,称为n型半导体。
2、(2) P型半导体 含受主杂质的半导体,由于价带中有些电子激发到受主能级而产生许多空穴,这种主要依靠空穴导电的半导体,称为p型半导体。,图5.2 n型半导体与p型半导体的能带模型,5.1.3 光电导 光电导是指半导体受到光照而使其电导率发生变化的现象。 光电导光谱特性的测量,已成为确定半导体禁带宽度的有效方法, 即 Eg=E-E+=h0,5.1.4 非平衡载流子 在无光照的情况下,热平衡时单位体积有一定数目的电子n0和一定数目的空穴p0,它们由热平衡决定。在光照下由价带激发电子至导带而产生电子空穴对,使电子密度增加n,空穴密度增加p,多余的载流子称为非平衡载流子。 非平衡载流子会自发地产生复合。,5.1.5 p-n结及其作用、应用 1. p-n结的形成 在同一半导体样品中,用不同的掺杂工艺使其一边形成N型半导体,另一边形成P型半导体,那么在两种半导体交界面附近就形成了PN结。,PN结的形成由于P区的多数载流子是空穴,少数载流子是电子;N区多数载流子是电子,少数载流子是空穴,这就使交界面两侧明显地存在着两种载流子的浓度差。因此,N区的电子必然越过界面向P区扩散,并与P区界面附近的空穴复合
3、而消失,在N区的一侧留下了一层不能移动的施主正离子;同样,P区的空穴也越过界面向N区扩散,与N区界面附近的电子复合而消失,在P区的一侧,留下一层不能移动的受主负离子。扩散的结果,使交界面两侧出现了由不能移动的带电离子组成的空间电荷区,因而形成了一个由N区指向P区的电场,称为内电场。随着扩散的进行,空间电荷区加宽,内电场增强,由于内电场的作用是阻碍多子扩散,促使少子漂移,所以,当扩散运动与漂移运动达到动态平衡时,将形成稳定的空间电荷区,称为PN结。,当电源正极接P区,负极接N区时,称为给p-n结加正向电压或正向偏置。结果在电路中形成了较大的正向电流。,当电源正极接N区、负极接P区时,称为给p-n结加反向电压或反向偏置。结果在电路中形成了很小的反向电流。,p-n结的电压、电流关系单向导电性,p-n结的电压、电流关系,当电源正极接P区,负极接N区时,称为给pN结加正向电压或正向偏置,如图Z0106所示。由于PN结是高阻区,而P区和N区的电阻很小,所以正向电压几乎全部加在PN结两端。在PN结上产生一个外电场,其方向与内电场相反,在它的推动下,N区的电子要向左边扩散,并与原来空间电荷区的正离子中
4、和。同样,P区的空穴也要向右边扩散,并与原来空间电荷区的负离子中和,使空间电荷区变窄。结果使内电场减弱,破坏了PN结原有的动态平衡。于是扩散运动超过了漂移运动,扩散又继续进行。与此同时,电源不断向P区补充正电荷,向N区补充负电荷,结果在电路中形成了较大的正向电流。而且随着正向电压的增大而增大。,当电源正极接N区、负极接P区时,称为给PN结加反向电压或反向偏置。反向电压产生的外加电场的方向与内电场的方向相同,使PN结内电场加强,它把P区的多子(空穴)和N区的多子(自由电子)从PN结附近拉走,使PN结进一步加宽, PN结的电阻增大,打破了PN结原来的平衡,在电场作用下的漂移运动大于扩散运动。这时通过PN结的电流,主要是少子形成的漂移电流,称为反向电流。由于在常温下,少数载流子的数量不多,故反向电流很小,而且当外加电压在一定范围内变化时,它几乎不随外加电压的变化而变化,因此反向电流又称为反向饱和电流。,p-n结的应用 用作高效率的半导体整流器,在pn结的基础上发展了晶体管技术。还可以利用n区与p区之间产生的电势差光电伏特效应发展效率较高的半导体光电池。,二极管的工作原理 晶体二极管为一个由p
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