第一章半导体物理基础.课件.ppt

1、Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices 主讲教师主讲教师解光军解光军 教授教授研究生院学科建设办公室主任研究生院学科建设办公室主任霍英东青年教师奖获得者霍英东青年教师奖获得者安徽省高校中青年学科带头人培养对象安徽省高校中青年学科带头人培养对象第七届安徽省优秀青年第七届安徽省优秀青年教育经历教育经历1988-1992，合肥工业大学，本科，合肥工业大学，本科1992-1995，合肥工业大学，硕士，合肥工业大学，硕士1999-2002，中国科技大学

2、，博士，中国科技大学，博士2003-2005，中国科技大学，博士后中国科技大学，博士后科研方向科研方向集成电路设计、量子信息处理集成电路设计、量子信息处理集成电路设计研究中心集成电路设计研究中心http:/ic-http:/ic- /Brussel，2007Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of

3、Semiconductor Devices主要讲授内容主要讲授内容1 1、半导体物理基础、半导体物理基础2 2、PNPN结结3 3、双极结型晶体管、双极结型晶体管4 4、金属、金属- -半导体结半导体结5 5、JFETJFET和金属和金属- -半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管6 6、MOSMOS场效应晶体管场效应晶体管Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices课程要求课程要求掌握半导体器件的原理、特点及应用掌握半导体器件的原理、特点及应用学习

4、分析各类半导体器件的方法学习分析各类半导体器件的方法提高解决实际问题的能力（器件设计）提高解决实际问题的能力（器件设计）要求要求v平时成绩平时成绩 30%（作业（作业20实验实验10）v期末考试期末考试 70Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesReferencesS. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd Ed, Wiley, 1981 Y. Taur & T. K. Ning, Fun

5、damentals of Modern VLSI Devices, Cambridge Univ. Press, 1998 M. Shur, Introduction to Electronic Devices, John Wiley, 1996Robert F. Pierret, Advanced Semiconductor Fundamentals, 2nd Ed, Prentice Hall, 2002刘树林，半导体器件物理，电刘树林，半导体器件物理，电子工业出版社，子工业出版社，2005曹培栋，微电子技术基础曹培栋，微电子技术基础双双级、场效应晶体管原理，电子级、场效应晶体管原理，电子

6、工业出版社，工业出版社，2001陈星弼，唐茂成，晶体管原理陈星弼，唐茂成，晶体管原理与设计，成都电讯工程学院出与设计，成都电讯工程学院出版社，版社，1987张屏英，周佑谟，晶体管原理，张屏英，周佑谟，晶体管原理，上海科学技术出版社，上海科学技术出版社，1985Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices半导体器件物理半导体器件物理 作者： 孟庆巨 刘海波 出版社： 科学出版社 出版日期：2005-6-2 ISBN：7030139518版次：第1版P

7、hysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices晶体管原理与设计晶体管原理与设计(第第2版版)作者：陈星弼作者：陈星弼/张庆中张庆中出版社：电子工业 第1版 第2次印刷ISBN：7121022680出版日期：2006-02-01 Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices半导体器件电子学（英文版）半导体器件

8、电子学（英文版）作者：（美）沃纳，格朗作者：（美）沃纳，格朗 著著出版社：出版社：电子工业出版社电子工业出版社ISBN：7505379623印次：印次：1出版日期：出版日期：2002-9-1 版次：版次：1Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices半导体器件电子学半导体器件电子学国外电子与通信教材系列国外电子与通信教材系列作者：（美）沃纳，（美）格朗作者：（美）沃纳，（美）格朗 著，吕长志著，吕长志 等译等译出版社：出版社：电子工业出版社电子工业

9、出版社ISBN：7121008823印次：印次：1出版日期：出版日期：2005-2-1 字数：字数：1069000版次：版次：1Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices by Simon M. SzeWiley-Interscience; 2 edition (September 1981) Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Se

10、miconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesAdvanced Semiconductor Fundamentals (2nd Edition) by Robert F. Pierret Prentice Hall; 2 edition (August 9, 2002)11课程网址课程网址http:/ of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices*半导体中的电子和空穴半导体中的电子和空穴/半导体的结构半导体的

11、结构/半导体的能带半导体的能带/半导体中的载流子半导体中的载流子/半导体的类型及其掺杂半导体的类型及其掺杂/半导体中载流子的统计半导体中载流子的统计*半导体中载流子的输运半导体中载流子的输运/漂移和扩散漂移和扩散/产生和复合产生和复合/迁移率、扩散系数迁移率、扩散系数/速度饱和速度饱和Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices* 据统计：半导体器件主要有据统计：半导体器件主要有67种，另外还有种，另外还有110个相个相关的变种关的变种 （2000

12、）* 所有这些器件都是由少数的基本模块构成：所有这些器件都是由少数的基本模块构成： 金属半导体接触金属半导体接触 pn结结 MOS结构结构 异质结异质结 量子阱量子阱Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices前言：半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间(电阻率电阻率)。cm310cmcm931010cm910半导体一些重要特性：半导体一些重要特性：1、电阻率具有温度效应；、电阻率具有温度效应；2、掺杂可改变电阻率

13、；、掺杂可改变电阻率；3、适当波长的光照可改变导电能力；、适当波长的光照可改变导电能力；4、其导电能力随电场、磁场的作用而改变。、其导电能力随电场、磁场的作用而改变。概括的说：概括的说：半导体的特性受到温度、光照、磁场、电场和半导体的特性受到温度、光照、磁场、电场和微量杂质含量的影响而改变微量杂质含量的影响而改变导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Device

14、sPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices一一 半导体的晶体结构半导体的晶体结构二二 晶体的晶向与晶面晶体的晶向与晶面三三 半导体中的缺陷半导体中的缺陷1.1 1.1 半导体晶体结构和缺陷半导体晶体结构和缺陷Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices固体：固体：1、晶体：、晶体：具有一定的外形、固定的熔点，更重要的是组成晶体的原子（或离子）在至具有一定的外形、

15、固定的熔点，更重要的是组成晶体的原子（或离子）在至少微米量级的较大范围内都是按一定的方式规则排列而成，称为少微米量级的较大范围内都是按一定的方式规则排列而成，称为长程有序长程有序。 单晶：单晶：单晶主要是由原子（或离子）的一种规则排列。单晶主要是由原子（或离子）的一种规则排列。 元素半导体，如元素半导体，如 GeGe、SiSi； 化合物半导体，如化合物半导体，如GaAsGaAs 多晶：多晶：是由很多晶粒杂乱地堆积而成的。是由很多晶粒杂乱地堆积而成的。2、非晶态半导体：、非晶态半导体：没有规则的外形，没有固定的熔点，内部结构不存在长程有序，只是在若干没有规则的外形，没有固定的熔点，内部结构不存在

16、长程有序，只是在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列，称为原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列，称为短程有序短程有序。如：非晶。如：非晶态硅，非晶态锗等。态硅，非晶态锗等。一一 半导体的晶体结构半导体的晶体结构Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices SolidsSolids can be classified as crystal, polycrystalline and amorphousA.Crystal three di

17、mensional long range order of atoms.B.Polycrystalline medium range order, many small regions called grains, each having crystalline structure, joined at “grain boundaries” which are full of defects.C.Amorphous no well defined order .Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhy

18、sics of Semiconductor Devices二维情况下的示意图非晶非晶多晶多晶单晶单晶Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices晶体结构：晶体结构：许多重要的半导体，如许多重要的半导体，如Si、Ge，具有属于四面相的金刚石或闪锌矿晶格结具有属于四面相的金刚石或闪锌矿晶格结构：亦即每个原子被位于四面体顶角的四个等距紧邻原子所包围。两个紧构：亦即每个原子被位于四面体顶角的四个等距紧邻原子所包围。两个紧邻原子之间的键由自旋相反的两个电子形

19、成。称为共价晶体。邻原子之间的键由自旋相反的两个电子形成。称为共价晶体。图1 共价四面体共价键具有方向性和饱和性。共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角是109o28，这种正四面体称为共价四面体。Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices图2 金刚石结构晶胞（由四个共价键四面体所组成）正立方体的边长称为正立方体的边长称为晶格常数晶格常数a金刚石结构晶胞也可以看成两个面金刚石结构晶胞也可以看

20、成两个面心立方沿空间对角线相互平移心立方沿空间对角线相互平移1/4对角线长度套构而成。对角线长度套构而成。面心立方Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices二二 晶体的晶向与晶面晶体的晶向与晶面晶体是由晶胞周期性重复排列构成的，整个晶体就像网格，称为晶格，组晶体是由晶胞周期性重复排列构成的，整个晶体就像网格，称为晶格，组成晶体的原子（或离子）的重心位置称为格点，格点的总体称为点阵。成晶体的原子（或离子）的重心位置称为格点，格点的总体称为点阵。立方

21、晶系的晶轴立方晶胞的三个垂直方向为三个坐标轴Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices CrystalLattice: The periodic arrangement of points in a crystal.Basis: The constituent atoms attached to each lattice point. Every basis is identical in composition, arrangement, an

22、d orientation. Crystal= Lattice+ BasisR=ma+nb+pca: lattice constant晶格晶格基元基元Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devicescnbnanr321 CrystalThe lattices is defined by three fundamental translation vectors基矢基矢Physics of Semiconductor DevicesPhysics of

23、Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesUnit cell: Lattice can be constructed by repeatedly arranging unit cell.Unit Cell晶胞晶胞Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPrimitive Cell : A unit cell is called as primitive unit cell if t

24、here is no cell of smaller volume that can serve as a building block for crystal structure.Primitive Cell原胞原胞Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices立方晶系立方晶系四角晶系四角晶系Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semi

25、conductor Devices斜方晶体 斜方晶体 三角晶系三角晶系六角晶系六角晶系斜方晶系斜方晶系Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices单斜晶系单斜晶系三斜晶系 三斜晶系三斜晶系Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices1. 晶向概念：通过晶格中任意两点可以作一条直线，而且通过其他格点还可以

26、作概念：通过晶格中任意两点可以作一条直线，而且通过其他格点还可以作出很多条与它彼此平行的直线，晶格中的所有格点全部位于这一系列相互出很多条与它彼此平行的直线，晶格中的所有格点全部位于这一系列相互平行的直线系上，这些直线系称为晶列。晶列的取向称为晶向。平行的直线系上，这些直线系称为晶列。晶列的取向称为晶向。两种不同的晶列晶向的表示从一个格点沿某个晶向到另一个格点 P 作位移矢量Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesclblalR321若三个系数

27、不是互质的，则通过：若三个系数不是互质的，则通过：pnmlll:321化为互质整数化为互质整数mnp称为晶列指数，用来表示晶向。称为晶列指数，用来表示晶向。 pnm相反晶向相反晶向同类晶向记为同类晶向记为 , 如如 ： 就代表了就代表了6个同类晶向：个同类晶向：代表了立方晶胞所有空间对角线的代表了立方晶胞所有空间对角线的8个晶向。个晶向。表示立方晶胞所有表示立方晶胞所有12个面对角线的晶向。个面对角线的晶向。001010100100010001Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of S

28、emiconductor Devices2. 晶面概念：晶格所有格点也可以看成全部位于一系列相互平行等距的平概念：晶格所有格点也可以看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，这样的平面系称为晶面族。面系上，这样的平面系称为晶面族。晶面族Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices取某一晶面与三晶轴的截距，将截距倒数的互质数取某一晶面与三晶轴的截距，将截距倒数的互质数h，k，l 称为称为晶面指数晶面指数或密勒指数，记为或密勒指数，记为（hkl），并用

29、来表示某一晶面。并用来表示某一晶面。lkhtsr:)/1 ( : )/1 ( : )/1 (晶面的截距同类晶面用同类晶面用hkl表示。如果晶面和某个晶表示。如果晶面和某个晶轴平行，则截距为轴平行，则截距为 ，相应的指数为零。，相应的指数为零。Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesMiller IndicesThe Miller indices are obtained using the following steps1.Find the i

30、ntercepts of the plane on the three Cartesian coordinate in terms of the lattice constant.2.Take the reciprocals of these numbers and reduce them to the smallest three integers having the same radio.3.Enclose the result in parentheses (hkl) as the Miller indices for a single plane.Physics of Semicon

31、ductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesMiller Indices12=4x+3yMiller indices 4 34131Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices立方晶系中的一些常用晶向和晶面一个特点：一个特点：立方晶系中，晶列指数和晶面指数相同的晶向和晶面之间是互相垂直的。立方晶系中，晶列指数和晶面指数相同的晶向和晶面之间

32、是互相垂直的。如：如：100 (100), 110 (110)等等Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices三三 缺陷缺陷实际半导体中存在各种缺陷，它们对半导体的物理、化学性质起着显著的甚至是决定性的作用。主要晶体缺陷有：点缺陷，线缺陷，面缺陷等。（1）弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷(Frenkel Defect)：原子脱离正常格点移到间隙位置，：原子脱离正常格点移到间隙位置，形成一个自间隙原子，同时在原来的格点位置处产生一个空位间隙原子形成一个自间隙

33、原子，同时在原来的格点位置处产生一个空位间隙原子和空位成对出现的缺陷称为弗仑克尔缺陷。和空位成对出现的缺陷称为弗仑克尔缺陷。 弗仑克尔缺陷1、点缺陷：、点缺陷：Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices（2）肖特基缺陷：原子脱离正常格点位置后可以不在晶体内部形成间隙肖特基缺陷：原子脱离正常格点位置后可以不在晶体内部形成间隙原子，而是占据晶体表面的一个正常位置，并在原来的格点位置处产生原子，而是占据晶体表面的一个正常位置，并在原来的格点位置处产生一

34、个空位。在晶体内部只形成空位的热缺陷称为肖特基缺陷。一个空位。在晶体内部只形成空位的热缺陷称为肖特基缺陷。一点说明：一点说明：它们依靠热运动不断产生和消失着，在一定温度下达到动态平衡，使缺陷具有一定它们依靠热运动不断产生和消失着，在一定温度下达到动态平衡，使缺陷具有一定的平衡浓度值。在的平衡浓度值。在Si，Ge中形成间隙原子一般需要较大的能量，所以中形成间隙原子一般需要较大的能量，所以肖脱基缺陷存肖脱基缺陷存在的可能性远比弗仑克尔缺陷大在的可能性远比弗仑克尔缺陷大，因此，因此Si，Ge中主要的点缺陷是空位。中主要的点缺陷是空位。肖特基缺陷Physics of Semiconductor Dev

35、icesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices2、线缺陷线缺陷，如位错；半导体单晶制备和器件生产的许多步骤都是，如位错；半导体单晶制备和器件生产的许多步骤都是在高温下进行，因此在晶体中产生一定的应力。在应力作用下晶体在高温下进行，因此在晶体中产生一定的应力。在应力作用下晶体的一部分原子相对于另一部分原子会沿某一晶面发生移动。的一部分原子相对于另一部分原子会沿某一晶面发生移动。3、面缺陷面缺陷，如晶界、孪晶界、相界、堆垛层错等；，如晶界、孪晶界、相界、堆垛层错等；其它缺陷：其它缺陷：体缺陷，如包裹体、夹杂物

36、、第二相团等；微缺陷，加漩涡缺陷，体缺陷，如包裹体、夹杂物、第二相团等；微缺陷，加漩涡缺陷，其几何尺寸为微米或亚微米级其几何尺寸为微米或亚微米级Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesFrom Sand to Wafer COSiCSiOHeat222Qu

37、artziteCoalMGSCarbon monoxidepurification23)300(03HSiHClHClSiCHeatMGS hrydrochlorideTCShydrogenHClSiHSiHClCHeat3)1100(230TCShydrogenhrydrochlorideEGSPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesGrowth Techniques1.Reduction of quartzite to metallurgi

38、cal grade silicon (MGS) with a purity of 98%.2.Conversion of MGS to trichlorosilane (SiHCl3).3.Purification of SiHCl3 by distillation.4.Chemical vapor deposition (CVD) of Si from the purified SiHCl3, as EGS.Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devi

39、ces1.2 1.2 半导体的能带与杂质能级半导体的能带与杂质能级纯净的、不含任何杂质和缺陷的半导体称为纯净的、不含任何杂质和缺陷的半导体称为本征半导体。一定温度下，共。一定温度下，共价键上的电子可以获得能量挣脱共价键的束缚从而脱离共价键，成为参与价键上的电子可以获得能量挣脱共价键的束缚从而脱离共价键，成为参与共有化运动的共有化运动的“自由自由”电子。电子。共价键上的电子脱离共价键的束缚所需要的最低能量就是禁带宽度：共价键上的电子脱离共价键的束缚所需要的最低能量就是禁带宽度：Eg。本征激发：将共价键上的电子激发成为准自由电子，也就是价带电子激发本征激发：将共价键上的电子激发成为准自由电子，也就

40、是价带电子激发成为导带电子的过程，成为本征激发。其特征是：成对的产生导带电子和成为导带电子的过程，成为本征激发。其特征是：成对的产生导带电子和价带空穴。价带空穴。本征半导体的导带电子和价带空穴都参与导电，将电子和空穴统称为本征半导体的导带电子和价带空穴都参与导电，将电子和空穴统称为载流子。Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices一一 半导体的能带半导体的能带T0K的半导体能带的半导体能带如下图如下图所示，这时半导体中电子的最高填充带（称为所示，

41、这时半导体中电子的最高填充带（称为价带）是满带，而满带的上一能带（称为导带）是空带，所以半导体不导价带）是满带，而满带的上一能带（称为导带）是空带，所以半导体不导电。当温度升高或其他外界因素作用下，价带电子被激发到导带底，使得电。当温度升高或其他外界因素作用下，价带电子被激发到导带底，使得导带变为半满带，而价带也成为半满带，这时导带和价带中的电子都可以导带变为半满带，而价带也成为半满带，这时导带和价带中的电子都可以参与导电。参与导电。半导体中真正对导电有贡献的是那些导带底部附近的电子和价带顶部附近半导体中真正对导电有贡献的是那些导带底部附近的电子和价带顶部附近电子跃迁留下的空态（等效为空穴）。

42、电子跃迁留下的空态（等效为空穴）。Ec导带底导带底Ev价带顶价带顶禁带宽度禁带宽度Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices二二 杂质半导体杂质半导体1 替位式杂质和间隙式杂质替位式杂质和间隙式杂质间隙式杂质：杂质进入半导体后可以存在于晶格原子的间隙位置上。间隙式杂质：杂质进入半导体后可以存在于晶格原子的间隙位置上。替位式杂质：取代晶格原子而位于格点上。替位式杂质：取代晶格原子而位于格点上。晶胞内存在的间隙Physics of Semicondu

43、ctor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices2 浅能级和浅能级杂质浅能级和浅能级杂质N型半导体？施主杂质？施主电离？型半导体？施主杂质？施主电离？P型半导体？受主杂质？受主电离？型半导体？受主杂质？受主电离？掌握几个概念：掌握几个概念：Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices（1）在）在Si掺入掺入V族元素磷（族元素磷（P），），由于由于

44、Si中每个中每个Si原子的最近邻有原子的最近邻有4个个Si原子，原子，当当5个价电子的磷原子取代个价电子的磷原子取代Si原子而位于格点上时，磷原子原子而位于格点上时，磷原子5个价电子中的个价电子中的4个与周围的个与周围的4个个Si原子组成原子组成4个共价键，还多出了一个价电子，磷原子所在处个共价键，还多出了一个价电子，磷原子所在处也多余一个正电荷，称为也多余一个正电荷，称为“正离子磷中心正离子磷中心”（2）由于以磷为代表的）由于以磷为代表的V族元素在族元素在Si中能够释放导电电子，称中能够释放导电电子，称V族元素为族元素为“施主杂质施主杂质”，电子脱离施主杂质的束缚成为导电电子的过程称为，电子

45、脱离施主杂质的束缚成为导电电子的过程称为“施主电施主电离离”（3）多余的这个电子虽然不受共价键的束缚，但被正电中心磷离子所吸引）多余的这个电子虽然不受共价键的束缚，但被正电中心磷离子所吸引只能在其周围运动，不过只能在其周围运动，不过这种吸引要远弱于共价键，只需很小的能量这种吸引要远弱于共价键，只需很小的能量ED 就就可以使其挣脱束缚，称为可以使其挣脱束缚，称为“电离电离” ，形成能在整个晶体中，形成能在整个晶体中“自由自由”运动的运动的导电电子。主要依靠电子导电的半导体称为导电电子。主要依靠电子导电的半导体称为“N型半导体”1、施主、施主Physics of Semiconductor Dev

46、icesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices（1）在）在Si掺入掺入III族元素硼（族元素硼（B），），由于由于Si中每个中每个Si原子的最近邻有原子的最近邻有4个个Si原原子，当子，当3个价电子的硼原子取代个价电子的硼原子取代Si原子而位于格点上时，硼原子必须从附近原子而位于格点上时，硼原子必须从附近的的Si原子共价键中夺取原子共价键中夺取1个电子才能和个电子才能和4个个Si原子组成原子组成4个共价键，这样硼原个共价键，这样硼原子就多出了一个电子，形成子就多出了一个电子，形成“负电中心硼离子负电中心硼

47、离子”（2）由于以硼为代表的）由于以硼为代表的III族元素在族元素在Si中能够接受电子而产生导电空穴，称中能够接受电子而产生导电空穴，称III族元素为族元素为“受主杂质受主杂质”或或“P型杂质型杂质”，空穴脱离受主杂质的束缚过程称，空穴脱离受主杂质的束缚过程称为为“受主电离受主电离”，所需的能量称为受主杂质电离能所需的能量称为受主杂质电离能EA （3）同时在同时在Si共价键中产生一个空穴，这个被负电中心硼离子依靠静电引共价键中产生一个空穴，这个被负电中心硼离子依靠静电引力束缚的空穴还不是自由的，不能导电，但力束缚的空穴还不是自由的，不能导电，但这种束缚作用同样很弱，只需很小的能量EA 就可以使

48、其成为在整个晶体中就可以使其成为在整个晶体中“自由自由”运动的导电空穴。主要运动的导电空穴。主要依靠空穴导电的半导体称为依靠空穴导电的半导体称为“P型半导体”2、受主、受主Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices3、 杂质能级杂质能级施主能级施主能级ED上电子获得能量跃迁到导带称为导电电子，因此施主能级位上电子获得能量跃迁到导带称为导电电子，因此施主能级位于导带底能级低于导带底能级低ED的禁带中，且有的禁带中，且有 ED Eg;受主能级上的空穴

49、得到受主能级上的空穴得到能量能量EA后，就从受主的束缚态跃迁到价带称为导电空穴，因此受主能后，就从受主的束缚态跃迁到价带称为导电空穴，因此受主能级位于价带顶能级高级位于价带顶能级高EA的禁带中，且有的禁带中，且有 EA Eg。ED 和和EA都很小，这样的杂质能级称为浅能级，相应的杂质就称都很小，这样的杂质能级称为浅能级，相应的杂质就称为浅能级杂质。为浅能级杂质。能级接近能级接近能级接近能级接近Physics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor DevicesPhysics of Semiconductor Devices3 杂质的补

50、偿作用杂质的补偿作用如果在半导体中既掺入施主杂质又掺入受主杂质，施主杂质和受主杂质具如果在半导体中既掺入施主杂质又掺入受主杂质，施主杂质和受主杂质具有相互抵消的作用，称为有相互抵消的作用，称为“杂质的补偿作用杂质的补偿作用”。在半导体器件和集成电路中，通过在在半导体器件和集成电路中，通过在N型型Si外延层上特定区域掺入浓度更外延层上特定区域掺入浓度更高的受主杂质，该区域经过杂质补偿作用就称为高的受主杂质，该区域经过杂质补偿作用就称为P型区型区，而在，而在N型与型与P型型的交界处就形成的交界处就形成PN结结。如果在此掺入更高浓度的施主杂质，在二次补偿。如果在此掺入更高浓度的施主杂质，在二次补偿区