第二章PN结
1. PN结：由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接触）所形成的结构。
任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结（junction）,有时也叫做接触（contact）。
2. PN结是几乎所有半导体器件的基本单元。除金属－半导体接触器件外，所有结型器件都由PN结构成。
3. 按照杂质浓度分布，PN 结分为突变结和线性缓变结.
突变结杂质分布线性缓变结杂质分布
4. 空间电荷区：PN结中，电子由N区转移至P区，空穴由P区转移至N区。电子和空穴的转移分别在N区和P区留下了未被补偿的施主离子和受主离子。它们是荷电的、固定不动的，称为空间电荷。空间电荷存在的区域称为空间电荷区。
5. 内建电场：P区和N区的空间电荷之间建立了一个电场——空间电荷区电场，也叫内建电场。
PN结自建电场：在空间电荷区产生
缓变基区自建电场：基区掺杂是不均匀的，产生出一个加速少数载流子运动的电场，电场沿杂质浓度增加的方向，有助于电子在大部分基区范围内输运。
大注入内建电场：在空穴扩散区（这有利于提高BJT的电流增益和频率、速度性能）。
6. 内建电势差：由于内建电场，空间电荷区两侧存在电势差，这个电势差叫做内建电势差（用表示）。
7. 费米能级：平衡PN结有统一的费米能级。
准费米能级：当pn结加上外加电压V后，在扩散区和势垒区范围内，电子和空穴没有统一的费米能级，分别用准费米能级。
8. PN结能带图
热平衡能带图
平衡能带图
非平衡能带图
正偏压：P正N负
反偏压：P负N正
9. 空间电荷区、耗尽区、势垒区、中性区
势垒区：N区电子进入P区需要克服势垒，P区空穴进入N区也需要克服势垒。于是空间电荷区又叫做势垒区。
耗尽区：空间电荷区内的载流子完全扩散掉，即完全耗尽，空间电荷仅由电离杂质提供。这时空间电荷区又可称为“耗尽区”。
中性区：PN结空间电荷区以外的区域(P区和N区)。
耗尽区主要分布在低掺杂一侧，重掺杂一边的空间电荷层的厚度可以忽略。
10. 单边突变结电荷分布、电场分布、电势分布
11. 载流子
载流子：能够导电的自由粒子。（电子，空穴）
本征激发（热激发）：温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。（同时产生电子-空穴对）
——本征激发产生的的是平衡载流子
复合：游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。
本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
过剩载流子（非平衡载流子）：由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子。
——其他因素产生的偏离平衡态分布的载流子非平衡载流子。
产生与复合是过剩载流子运动的主要形式。
12.
空间电荷效应
在PN结的中性区，有注入的过量非平衡少子，建立起一瞬间电场，此电场吸引过量的多子以中和注入的少子，并使电中性得以恢复。结果造成有很高的过量载流子浓度但无显著的空间电荷效应。
小注入：
产生过剩载流子的数量显著低于热平衡时的多子浓度，此时为小注入。
半导体的导电性仍由自身掺杂条件决定。（内建电场决定）
大注入：
如外加正向电压增大，致使注入的非平衡少子浓度达到或超过多子浓度时，称为大注入。此时，空间电荷效应显著，存在大注入电场。
13. 本征半导体：没有掺入杂质的纯净半导体。
杂质半导体：分N型和P型
N型（电子型），自由电子是多数载流子，由杂质原子提供（杂质原子带正电荷Nd+，施主杂质），空穴是少数载流子, 由热激发形成。
P型（空穴型），空穴是多数载流子，主要由掺杂形成（Na-，受主杂质），电子是少数载流子，由热激发形成。
14. 扩散和漂移
扩散：从浓度高到浓度低
漂移：电场引起
15.
少子扩散区：空间电荷区两侧中性区里一到几个扩散长度的区域内注入少子以扩散方式运动，这个区域称为少子扩散区，简称为扩散区。
1.布喇格定律（相长干涉）：点阵周期性导致布喇格定律。 2.晶体性质的周期性：电子数密度n(r)是r的周期性函数，存在 3.2πp/a被称为晶体的倒易点阵中或傅立叶空间中的一个点，倒易点中垂线做直线可得布里渊区。 3.倒易点阵： 4.衍射条件：当散射波矢等于一个倒易点阵矢量G时，散射振幅 达到最大 波矢为k的电子波的布喇格衍射条件是： 一维情况（布里渊区边界满足布拉格）简化为： 当电子波矢为±π/a时，描述电子的波函数不 再是行波，而是驻波（反复布喇格反射的结果） 5.布里渊区： 6.布里渊区的体积应等于倒易点阵初基晶胞的体积。 7.简单立方点阵的倒易点阵，仍是一个简立方点阵，点阵常数为2π/a，第一布里渊区是个以原点为体心，边长为2π/a的立方体。 体心立方点阵的倒易点阵是个面心立方点阵，第一布里渊区是正菱形十二面体。面心立方点阵的倒易点阵是个体心立方点阵，第一布里渊区是截角八面体。 8.能隙（禁带）的起因：晶体中电子波的布喇格反射－周期性势场的作用。（边界处布拉格反射形成驻波，造成能量差）
9.第一布里渊区内允许的波矢总数=晶体中的初基晶胞数N －每个初基晶胞恰好给每个能带贡献一个独立的k值； －直接推广到三维情况考虑到同一能量下电子可以有两个相反的自旋取向，于是每个能带中存在2N个独立轨道。 －若每个初基晶胞中含有一个一价原子，那么能带可被电子填满一半； －若每个原子能贡献两个价电子，那么能带刚好填满；初基晶胞中若含有两个一价原子，能带也刚好填满。 绝缘体：至一个全满，其余全满或空（初基晶胞内的价电子数目为偶数,能带不 交叠）2N. 金属：半空半满 半导体或半金属：一个或两个能带是几乎空着或几乎充满以外，其余全满 （半金属能带交叠） 10.自由电子： 11.半导体的E-k关系： 导带底：E(k)>E(0)，电子有效质量为正值； 价带顶：E(k) 实验题目：PN 结正向压降温度特性的研究 实验目的：了解PN 结正向压降随温度变化的基本关系式。在恒流供电条件下，测绘PN 结正向压降随温度变化曲线，并由此确定其灵敏度和被测PN 结材料的禁带宽度。学习用PN 结测温的方法。 实验原理：理想PN 结的正向电流I F 和压降V F 存在近似关系： )exp( kT qV Is I F F = 其中q 为电子电荷，k 为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度，I S 为反向饱和电流： ]) 0(ex p[kT qV CT Is g r -= 由上面可以得到： 11)0(n r F g F V V InT q kT T I c In q k V V +=-??? ? ? ?-= 其中 () r n F g InT q KT V T I c In q k V V -=???? ? ?-=11)0( 在上面PN 结正向压降的函数中，令I F =常数，那么V F 就是T 的函数。 考虑V n1引起的线性误差，当温度从T 1变为T ，电压由V F1变为V F ： [] r n F g g F T T q kT T T V V V V ??? ? ??---=111 1)0()0( )(111T T T V V V F F F -??+=理想 ()[] ()r T T q k T T V V V T T r q k T V V V V F g g F g F 1111111)0()0(----=-????? ?---+=理想 两个表达式相比较，有： ()r F T T Ln q kT T T r q k V V )(1 1+-- =-=?理想 综上可以研究PN 结正向压降温度特性。 实验内容：1、求被测PN 结正向压降随温度变化的灵敏度S （mv/℃）。作?V —T 曲线（使用Origin 软件工 具），其斜率就是S 。 2、估算被测PN 结材料硅的禁带宽度E g (0)=qV g (0)电子伏。根据（6）式，略去非线性，可得 P N结物理特性及玻尔兹 曼常数测量 Prepared on 21 November 2021 PN 结物理特性及玻尔兹曼常数测量 半导体PN 结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一。使用本实验的仪器用物理实验方法，测量PN 结扩散电流与电压关系，证明此关系遵循指数分布规律，并较精确地测出玻尔兹曼常数(物理学重要常数之一),使学生学会测量弱电流的一种新方法。本实验的仪器同时提供干井变温恒温器和铂金电阻测温电桥，测量PN 结结电压be U 与热力学温度T 关系，求得该传感器的灵敏度，并近似求得0K 时硅材料的禁带宽度。 【实验目的】 1、在室温时，测量PN 结扩散电流与结电压关系，通过数据处理证明此关系遵循指数分布规律。 2、在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数。 3、学习用运算放大器组成电流—电压变换器测量10-6A 至10-8A 的弱电流。 4、测量PN 结结电压be U 与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度。 5、计算在0K 时半导体（硅）材料的禁带宽度（选作）。 6、学会用最小二乘法拟合数据。 【实验仪器】 FD-PN-4型PN 结物理特性综合实验仪（如下图）,TIP31c 型三极管（带三根引线）一只，长连接导线11根（6黑5红），手枪式连接导线10根，3DG6（基极与集电极已短接，有二根引线）一只，铂电阻一只。 FD-PN-4 型PN 节物理特性测定仪 【实验原理】 1. 测量三极管发射极与基极电压U 1和集电极与基极电压U 2之间的关系 (a)PN 结伏安特性及玻尔兹曼常数测量由半导体物理学可知，PN 结的正向电流-电压关系满足： [] 1/0-=KT eU e I I (1) 式(1)中I 是通过PN 结的正向电流，I 0是反向饱和电流，在温度恒定是为常数，T 是热力学温度，e 是电子的电荷量，U 为PN 结正向压降。由于在常温(300K)时，kT /e ≈ ，而PN 结正向压降约为十分之几伏，则KT eU e />>1,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有： KT eU e I I /0= (2) 也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN 结I-U 关系值，则利用(1)式可以求出e /kT 。在测得温度T 后，就可以得到e /k 常数，把电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。 在实际测量中，二极管的正向I-U 关系虽然能较好满足指数关系，但求得的常数k 往往偏小。这是因为通过二极管电流不只是扩散电流，还有其它电流。一般它包括三个部分： [1]扩散电流，它严格遵循(2)式； [2]耗尽层复合电流，它正比于KT eU e 2/； [3]表面电流，它是由Si 和SiO 2界面中杂质引起的，其值正比于mKT eU e /,一般m >2。 第一章、 半导体中的电子状态习题 1-1、 什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？试定性说 明之。 1-2、 试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。 1-3、试指出空穴的主要特征。 1-4、简述Ge 、Si 和GaAS 的能带结构的主要特征。 1-5、某一维晶体的电子能带为 [])sin(3.0)cos(1.01)(0ka ka E k E --= 其中E 0=3eV ，晶格常数a=5х10-11m 。求： （1） 能带宽度； （2） 能带底和能带顶的有效质量。 题解： 1-1、 解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（≥E g ）被激发到导带成 为导电电子的过程就是本征激发。其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。如果温度升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。 1-2、 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。温 度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。反之，温度降低，将导致禁带变宽。因此，Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数。 1-3、 解：空穴是未被电子占据的空量子态，被用来描述半满带中的大量电子的 集体运动状态，是准粒子。主要特征如下： A 、荷正电：+q ； B 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）； C 、E P =-E n D 、m P *=-m n *。 1-4、 解： （1） Ge 、Si: a ）Eg (Si ：0K) = 1.21eV ；Eg (Ge ：0K) = 1.170eV ； b ）间接能隙结构 c ）禁带宽度E g 随温度增加而减小； （2） GaAs ： a ）E g （300K ）= 1.428eV ，Eg (0K) = 1.522eV ； b ）直接能隙结构； c ）Eg 负温度系数特性： dE g /dT = -3.95×10-4eV/K ； 1-5、 解： （1） 由题意得： [][])sin(3)cos(1.0)cos(3)sin(1.002 2 20ka ka E a k d dE ka ka aE dk dE +=-= 半导体物理知识点总结 本章主要讨论半导体中电子的运动状态。主要介绍了半导体的几种常见晶体结构，半导体中能带的形成，半导体中电子的状态和能带特点，在讲解半导体中电子的运动时，引入了有效质量的概念。阐述本征半导体的导电机构，引入了空穴散射的概念。最后，介绍了Si、Ge和GaAs的能带结构。 在1.1节，半导体的几种常见晶体结构及结合性质。（重点掌握）在1.2节，为了深入理解能带的形成，介绍了电子的共有化运动。介绍半导体中电子的状态和能带特点，并对导体、半导体和绝缘体的能带进行比较，在此基础上引入本征激发的概念。（重点掌握）在1.3节，引入有效质量的概念。讨论半导体中电子的平均速度和加速度。（重点掌握）在1.4节，阐述本征半导体的导电机构，由此引入了空穴散射的概念，得到空穴的特点。（重点掌握）在1.5节，介绍回旋共振测试有效质量的原理和方法。（理解即可）在1.6节，介绍Si、Ge的能带结构。（掌握能带结构特征）在1.7节，介绍Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带结构，主要了解GaAs的能带结构。（掌握能带结构特征）本章重难点： 重点： 1、半导体硅、锗的晶体结构（金刚石型结构）及其特点； 三五族化合物半导体的闪锌矿型结构及其特点。 2、熟悉晶体中电子、孤立原子的电子、自由电子的运动有何不同：孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中运动，自由电子是在恒定为零的势场中运动，而晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动（共有化运动），单电子近似认为，晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格周期相同。 3、晶体中电子的共有化运动导致分立的能级发生劈裂，是形成半导体能带的原因，半导体能带的特点： ①存在轨道杂化，失去能级与能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带，上能带称为导带，下能带称为价带②低温下，价带填满电子，导带全空，高温下价带中的一部分电子跃迁到导带，使晶体呈现弱导电性。 半导体PN 结的物理特性实验 实验目的 1．测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合指数分布规律。 2．测量玻尔兹曼常数。 3．测量PN 结电压与温度的关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度。 4．计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度。 实验原理 1． PN 结伏安特性及玻尔兹曼常数测量 由半导体物理学可知，PN 结的正向电流-电压关系满足： []1)/exp(0-=kT eU I I (1) 式中I 是通过PN 结的正向电流，0I 是反向饱和电流，在温度恒定是为常数，T 是热力学温度，e 是电子的电荷量，U 为PN 结正向压降。由于在常温(300K)时，e kT /≈0.026v ，而PN 结正向压降 约为十分之几伏，则)/exp( kT eU >>1，(1)式括号内－1项完全可以忽略，于是有： )/exp(0kT eU I I = (2) 也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN 结I-U 关系值，则利用(1)式可以求出 kT e /。在测得温度T 后，就可以得到k e /常数，把电子电量作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼 常数k 。 在实际测量中，二极管的正向I-U 关系虽然能较好满足指数关系，但求得的常数k 往往偏小。这是因为通过二极管电流不只是扩散电流，还有其它电流。一般它包括三个部分：1）扩散电流， 它严格遵循(2)式；2）耗尽层符合电流，它正比于)2/exp(kT eU ；3)表面电流，它是由硅和二氧 化硅界面中杂质引起的，其值正比于)/exp( mkT eU ，一般m >2。因此，为了验证(2)式及求出准确的e /k 常数，不宜采用硅二极管，而采用硅三极管接成共基极线路，因为此时集电极与基极短接，集电极电流中仅仅是扩散电流。复合电流主要在基极出现，测量集电极电流时，将不包括它。本实验中选取性能良好的硅三极管(TIP31型),实验中又处于较低的正向偏置，这样表面电流影响也完全可以忽略，所以此时集电极电流与结电压将满足(2)式。实验线路如图1所示。 图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图 2.PN 结的结电压be U 与热力学温度T 关系测量。 当PN 结通过恒定小电流（通常电流A I μ1000=），由半导体理论可得be U 与T 近似关系： go be U ST U += （5） 式中S ≈－2.3C mV o /为PN 结温度传感器灵敏度。由go U 可求出温度0K 时半导体材料的近似禁带宽度go E ＝go qU 。硅材料的go E 约为1.20eV 。 实验仪器 1. 直流电源、数字电压表、温控仪组合装置（包括±15V 直流电源、0－1.5V 及3.0V 直流电源、三位半数字电压表、四位半数字电压表、温控仪）。 2. TIP31型三极管（带三根引线）1个,3DG 三极管1个。 基本概念题： 第一章半导体电子状态 1.1 半导体 通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料，其导带在绝对零度时全空，价带全满，禁带宽度较绝缘体的小许多。 1.2能带 晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。 1.2能带论是半导体物理的理论基础，试简要说明能带论所采用的理论方法。 答： 能带论在以下两个重要近似基础上，给出晶体的势场分布，进而给出电子的薛定鄂方程。通过该方程和周期性边界条件最终给出E-k关系，从而系统地建立起该理论。 单电子近似： 将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑，这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。 绝热近似： 近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换，而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。 1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法 答案： 克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型，如下图所示 利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式，进而确定波函数并给出E-k关系。由此得到的能量分布在k空间上是周期函数，而且某些能量区间能级是准连续的（被称为允带），另一些区间没有电子能级（被称为禁带）。从而利用量子力学的方法解释了能带现象，因此该模型具有重要的物理意义。 1.2导带与价带 1.3有效质量 有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。它概括了周期性势场对载流子运动的影响，从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。其大小由晶体自身的E-k 天津大学 物理实验报告 姓名： 专业： 班级： 学号： 实验日期： 实验教室： 指导教师： 【实验名称】 PN 结物理特性综合实验 【实验目的】 1. 在室温时，测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律 2. 在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数 3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流 4. 测量PN 结电压与温度关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度 5. 计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】 半导体PN 结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】 1．PN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足： ]1)/[ex p(0-=kT eU I I (1) 当()exp /1eU kT >>时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有： 0exp(/)I I eU kT = (2) 也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN 结I U -关系值，则利用(1)式可以求出 /e kT 。在测得温度T 后，就可以得到/e k ，把电子电量e 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。 实验线路如图1所示。 2、弱电流测量 LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等效输入阻抗。 运算放大器的输入电压0U 为： 00i U K U =- (3) 式(3)中i U 为输入电压，0K 为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻f R →∞时的电压增益（f R 称反馈电阻）。因而有： 00(1) i i s f f U U U K I R R -+= = (4) 由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗x Z 为 00 1i f f x s U R R Z I K K = =≈+ (5) 由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流s I 与输出电压0U 之间的关系式，即： 图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图 图2 电流－电压变换器 PN 结物理特性及玻尔兹曼常数测量 半导体PN 结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一。使用本实验的仪器用物理实验方法，测量PN 结扩散电流与电压关系，证明此关系遵循指数分布规律，并较精确地测出玻尔兹曼常数(物理学重要常数之一),使学生学会测量弱电流的一种新方法。本实验的仪器同时提供干井变温恒温器和铂金电阻测温电桥，测量PN 结结电压be U 与热力学温度T 关系，求得该传感器的灵敏度，并近似求得0K 时硅材料的禁带宽度。 【实验目的】 1、在室温时，测量PN 结扩散电流与结电压关系，通过数据处理证明此关系遵循指数分布规律。 2、在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数。 3、学习用运算放大器组成电流—电压变换器测量10-6A 至10-8A 的弱电流。 4、测量PN 结结电压be U 与温度关系，求出结电压随温度变化的灵敏度。 5、计算在0K 时半导体（硅）材料的禁带宽度（选作）。 6、学会用最小二乘法拟合数据。 【实验仪器】 FD-PN-4型PN 结物理特性综合实验仪（如下图）,TIP31c 型三极管（带三根引线）一只，长连接导线11根（6黑5红），手枪式连接导线10根，3DG6（基极与集电极已短接，有二根引线）一只，铂电阻一只。 FD-PN-4 型PN 节物理特性测定仪 【实验原理】 1. 测量三极管发射极与基极电压U 1和集电极与基极电压U 2之间的关系 (a)PN 结伏安特性及玻尔兹曼常数测量由半导体物理学可知，PN 结的正向电流-电压关系满足： [] 1/0-=KT eU e I I (1) 式(1)中I 是通过PN 结的正向电流，I 0是反向饱和电流，在温度恒定是为常数，T 是热力学温度，e 是电子的电荷量，U 为PN 结正向压降。由于在常温(300K)时，kT /e ≈0.026v ，而PN 结正向压降约为十分之几伏，则KT eU e />>1,(1)式括号内-1项完全可 以忽略，于是有： KT eU e I I /0= (2) 也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN 结I-U 关系值，则利用(1) 半导体物理 绪 论 一、什么是半导体 导体 半导体 绝缘体 电导率ρ <10- 9 3 10~10- 9 10> cm ?Ω 此外，半导体还有以下重要特性 1、 温度可以显著改变半导体导电能力 例如：纯硅（Si ） 若温度从 30C 变为C 20时，ρ增大一倍 2、 微量杂质含量可以显著改变半导体导电能力 例如：若有100万硅掺入1个杂质（P . Be ）此时纯度99.9999% ，室温（C 27 300K ）时，电阻率由214000Ω降至0.2Ω 3、 光照可以明显改变半导体的导电能力 例如：淀积在绝缘体基片上（衬底）上的硫化镉（CdS ）薄膜，无光照时电阻（暗电阻）约为几十欧姆，光照时电阻约为几十千欧姆。 另外，磁场、电场等外界因素也可显著改变半导体的导电能力。 综上： ● 半导体是一类性质可受光、热、磁、电，微量杂质等作用而改变其性质的材料。 二、课程内容 本课程主要解决外界光、热、磁、电，微量杂质等因素如何影响半导体性质的微观机制。 预备知识——化学键的性质及其相应的具体结构 晶体：常用半导体材料Si Ge GaAs 等都是晶体 固体 非晶体：非晶硅（太阳能电池主要材料） 晶体的基本性质：固定外形、固定熔点、更重要的是组成晶体的原子（离子）在较大范围里（6 10-m ）按一定方式规则排列——称为长程有序。 单晶：主要分子、原子、离子延一种规则摆列贯穿始终。 多晶：由子晶粒杂乱无章的排列而成。 非晶体：没有固定外形、固定熔点、内部结构不存在长程有序，仅在较小范围（几个原子距）存在结构有 序——短程有序。 §1 化学键和晶体结构 1、 原子的负电性 化学键的形成取决于原子对其核外电子的束缚力强弱。 电离能：失去一个价电子所需的能量。 亲和能：最外层得到一个价电子成为负离子释放的能量。(ⅡA 族和氧除外) 原子负电性=（亲和能+电离能）18.0? （Li 定义为1） ● 负电性反映了两个原子之间键合时最外层得失电子的难易程度。 ● 价电子向负电性大的原子转移 ⅠA 到ⅦA ，负电性增大，非金属性增强 第七章 一、基本概念 1.半导体功函数: 半导体的费米能级E F 与真空中静止电子的能量E 0的能量之差。 金属功函数：金属的费米能级E F 与真空中静止电子的能量E 0的能量之差 2.电子亲和能: 要使半导体导带底的电子逸出体外所需的最小能量。 3. 金属-半导体功函数差o: (E F )s-(E F )m=Wm-Ws 4. 半导体与金属平衡接触平衡电势差: q W W V s m D -= 5.半导体表面空间电荷区 : 由于半导体中自由电荷密度的限制，正电荷分布在表面相当厚的一层表面层内，即空间电荷区。表面空间电荷区=阻挡层=势垒层 6.电子阻挡层：金属功函数大于N 型半导体功函数（Wm>Ws ）的MS 接触中，电子从半导体表面逸出到金属，分布在金属表层，金属表面带负电。半导体表面出现电离施主，分布在一定厚度表面层内，半导体表面带正电。电场从半导体指向金属。取半导体内电位为参考，从半导体内到表面，能带向上弯曲，即形成表面势垒，在势垒区，空间电荷主要有带正电的施主离子组成，电子浓度比体内小得多，因此是是一个高阻区域，称为阻挡层。 【电子从功函数小的地方流向功函数大的地方】 7.电子反阻挡层：金属功函数小于N 型半导体功函数（Wm 半导体PN 结的物理特性实验报告 姓名：陈晨 学号：12307110123 专业：物理学系 日期：2013年12月16日 一、引言 半导体PN 结是电子技术中许多元件的物质基础具有广泛应用，因此半导体PN 结的伏安特性是半导体物理学的重要内容。本实验利用运算放大器组成电流-电压变换器的方法精确测量弱电流，研究PN 结的正向电流I ，正向电压U ，温度T 之间的关系。本实验桶过处理实验数据得到经验公式，验证了正向电流与正向电压的指数关系，正向电流与温度的指数关系以及正向电压与温度的线性关系，并由此与计算玻尔兹曼常数k 与0K 时材料的禁带宽度E ，加深了对半导体PN 节的理解。 二、实验原理 1、 PN 结的物理特性 （1）PN 结的定义：若将一块半导体晶体一侧掺杂成P 型半导体，即有多余电子的半导体，另一侧掺杂成N 型半导体，即有多余空穴的半导体，则中间二者相连的接触面就称为PN 结。 （2）PN 结的正向伏安特性：根据半导体物理学的理论，一个理想PN 结的正向电流I 与正向电压U 之间存在关系 ①，其中I S 为反向饱和电流，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，e 为电子电量。在常温（T=300K ）下和实验所取电压U 的范围内， 故①可化为 ②，两边取对数可得 。 （3）当温度T 不变时作lnI-U 图像并对其进行线性拟合，得到线性拟合方程的斜率为e/kT ，带入已知常数e 和T ，便得玻尔兹曼常数k 。 2、反向饱和电流I s （1）禁带宽度E ：在固体物理学中泛指半导体或是绝缘体的价带顶端至传导带底端的能量差距。对一个本征半导体而言，其导电性与禁带宽度的大小有关，只有获得足够能量的电子才能从价带被激发，跨过禁带宽度跃迁至导带。 （2）根据半导体物理学的理论，理想PN 结的反向饱和电流Is 可以表示为 ③，代入②得 ，其中I 0为与结面积和掺杂浓度等有关的常数，γ取决于少数载流子迁移率对温度的关系，通常取γ=3.4，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度．E 为0K 时材料的禁带宽度。两边取对数得 ，其中γlnT 随温度T 的变 化相比（eU-T ）/kT 很缓慢，可以视为常数。 （3）当正向电压U 不变时作lnI-1/T 图像并进行线性拟合，得到拟合方程斜率（eU-E ）/k ，代入已知常数便得0K 时PN 结材料的禁带宽度E ；当正向电流I 不变时作U-T 图并进行线性拟合，得到拟合直线截距E/e ，带入已知常数，便得0K 时PN 结材料的禁带宽度E 。 3、实验装置及其原理 （1）如图所示为由运算放大器组成的电流-电压变换器电路图，电压表V1测量的是正向电压U1，电压表V2测量的是正向电流I 经运算放大器放大后所对应的电压U2，分析电路后可知，正向电流I ≈U 2/R f ，其中R f 为反馈电阻。通过二极管的正向电流除了扩散电流外，还 (1)eU kT s I I e =-1 eU kT e >>eU kT s I I e =lnI lnI s eU kT =+0E kT s I I T e γ - =0eU E kT I I T e γ-=0ln lnI ln eU E I T kT γ-=++ 半导体PN结的物理特性数据处理数据记录： 室温：28.0℃θ1=28.0℃θ2=28.0℃ 0. 28 = θ℃ 数据处理： 1．按U2=BU1+A处理 表2 第2、和第1列数据的相关系数γ=0.844996；斜率B=54.03297 ；截距A= –18.3031。拟合方程为： U2=54.03297U1-18.3031 (1) 根据（1）式计算出表2中的第3 列U2的期望值U20；再根据（U2-U20）2 算出表2中第4列数据，第4列数据的 总和为： Σ（U2-U20）2=26.60278 (2) 根据表2第1、2列数据作图如图 1所示。从U1和U2的相关系数和图中数 据点的分布和线性趋势线的走向均可 看出，U1和U2并不相关，因此采用线性 相拟合并不好。 2．按U2=BU12+A进行拟合 表3 图 1 按线性拟合 表3第2、和第3列数据的相关系 数γ=0.8675393；斜率B=73.881948； 截距A=–8.550421。拟合方程为： U 2=73.881948U 12 -8.550421 (3) 根据（3）式计算出表3中的第4列U 2的期望值U 20；再根据（U 2-U 20）2 算出表3中第5列数据，第5列数据的 总和为： Σ（U 2-U 20）2 =23.011569 (4) 根据表3第3、2列数据作图如图1所示。从U 12 和U 2的相关系数和图中 数据点的分布和线性趋势线的走向均 可看出，U 12 和U 2并不相关，因此采用幂函数拟合并不好。 3.按U 2=AU 1B 进行拟合 对表4的第1、2列数据取对数构成表4中的第3 、4列。 图 2 按幂函数拟合 一、半导体的电子状态）Ge、金刚石结构（Si、1个空间对角线4对角线互相平移1/Si、Ge原子组成，正四面体结构，由两个面心立方沿空间长度套构而成。由相同原子构成的复式格子。）2、闪锌矿结构（GaAs对角线族化合物分子构成，与金刚石结构类似，由两类原子各自形成的面心立方沿空间3-5。由不同原子构成有一定离子键/4个空间对角线长度套构而成。由共价键结合，相互平移1 的复式格子。）3、纤锌矿结构（ZnS六方由两类原子各自组成的以正四面体结构为基础，具有六方对称性，与闪锌矿结构类似，。而成。是共价化合物，但具有离子性，且离子性占优排列的双原子层堆积）、氯化钠结构（NaCl4 ，形成的复式格子。/2沿棱方向平移1 、原子能级与晶体能带5导致能由于原子间距非常小，于是电子可以在整个晶体中做共有化运动，原子组成晶体时，级劈裂形成能带。、脱离共价键所需的最低能量就是禁带宽度。价带上的电子激发为准自由电子，即价带电6 子激发为导带电子的过程，称为本征激发。7、有效质量的意义有效质量为负说明晶格对粒子做负功）a.有效质量概括了半导体内部势场的作用（ b.有效质量可以直接由实验测定有效质量越大。能带越窄，二次微商越小，c.有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比。的方法、8测量有效质量。测出共振吸收时共振吸收角频率等于回旋频率时，就可以发生回旋共振。当交变电磁场要求为能观测出明显的共振吸收峰，电磁波的角频率和磁感应强度，就可以算出有效质量。下进行。，且实验要在低温样品纯度较高、空穴9，+q价带中空着的状态被看成带正电的粒子，称为空穴。这是一种假想的粒子，其带正电荷。 m*而且具有正的有效质量p /重空穴10、轻重空穴：有效质量较大的空穴轻空穴：有效质量较小的空穴11、间接带隙半导体的半导体。不同k值价带顶导带底和处于 二、半导体中的杂质和缺陷能级、晶胞空间体积计算1 8个原子占晶胞空间的百分数：个硅原子，每个原子看做半径为晶胞中有8r的圆球，则Si且等于，4体对角线长度处的圆球中心间的距离为2r/立方体某顶角的圆球中心与距此顶角13a）的1/4。边长为a的立方体体对角线长（2、杂质类型 ：原子较小，存在于晶格原子间的间隙位置间隙式 替位式：原子大小及价电子壳层结构与晶格原子相近，取代晶格原子而位于晶格格点处（3、5族元素属于替位式） 3、杂质能级 被施主/受主杂质束缚的电子/空穴的能量状态称为施主E/受主E能级，位于离导带/价带很AD近的禁带中。电子/空穴挣脱杂质束缚成为导电粒子所需的能量称为杂质电离能。杂质电离能小的杂质能级很接近导带底/价带顶，称为浅能级，在室温下就几乎全部离化。 4、杂质补偿 施主、受主杂质间的相互抵消作用称为杂质补偿。高度补偿的半导体虽然导电性类似高纯半导体，但实际性能很差。 5、深能级杂质 施主杂质能级距离导带底、受主杂质能级距离价带顶很远的能级称为深能级。深能级杂质能够多次电离，往往在禁带引入若干个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。深能级杂质对载流子浓度和导电类型的影响没有浅能级杂质显著，但对于载流子复合作用比浅能级杂质强，故也称为复合中心。 6、缺陷 点缺陷、位错 三、载流子统计分布 1、热平衡 载流子产生： 半導體的基本特性 自然界的物質依照導電程度的難易，可大略分為三大類：導體、半導體和絕緣體。顧名思義，半導體的導電性介於容易導電的金屬導體和不易導電的絕緣體之間。半導體的種類很多，有屬於單一元素的半導體如矽（Si）和鍺（Ge），也有由兩種以上元素結合而成的化合物半導體如砷化鎵（GaAs）和砷磷化鎵銦（GaxIn1-xAsyP1-y）等。在室溫條件下，熱能可將半導體物質內一小部分的原子與原子間的價鍵打斷，而釋放出自由電子並同時產生一電洞。因為電子和電洞是可以自由活動的電荷載子，前者帶負電，後者帶正電，因此半導體具有一定程度的導電性。 電子在半導體內的能階狀況，可用量子力學的方法加以分析。在高能量的導電帶內（Ec以上），電子可以自由活動，自由電子的能階就是位於這一導電帶內。最低能區（Ev以下）稱為「價帶」，被價鍵束縛而無法自由活動的價電子能階，就是位於這一價帶內。導電帶和價帶之間是一沒有能階存在的「禁止能帶」（或稱能隙，Eg），在沒有雜質介入的情況下，電子是不能存在能隙裡的。 在絕對溫度的零度時，一切熱能活動完全停止，原子間的價鍵完整無損，所有電子都被價鍵牢牢綁住無法自由活動，這時所有電子的能量都位於最低能區的價帶，價帶完全被價電子占滿，而導電帶則完全空著。價電子欲脫離價鍵的束縛而成為自由電子，必須克服能隙Eg，提升自己的能階進入導電帶。熱能是提供這一能量的自然能源之一。 近導電帶，而游離後的施體離子則帶正電。這種半導體稱為n型半導體，其費米能階EF比較靠近導電帶。一般n型半導體內的電子數量遠比電洞為多，是構成電流傳導的主要載子（或稱多數載子）。 1. 導電性介於導體和半導體之間的物體,稱為半導體 2. 此物體需要高溫和高電量才能通電的物體. 3.在溫度是0和電導率是0,當溫度上升後,價能帶內的電子,由於熱激發躍進到導帶,致使導帶內充滿一些電子,導電率隨之增加----------這就是半導體. #半導體的特性: 1. 溫度上升電阻下降的特性 2. 整流效應 3 光伏特效應 4. 光電導效應 第一章半导体的能带理论 共价键：硅锗原子之间组合靠的是共价键结合，他们的晶格结构与碳原子组成的金刚石类似。四原子分别处于正四面体的顶角，任意顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为两原子共有，共有的电子在两原子之间形成较大的电子云密度，通过他们对原子实的引力把两个原子结合在一起。 闪锌矿型结构：类似于金刚石的结构但是是由两种原子构成的，一个中心原子周围有4个不同种类的原子。因为原子呈现电正性或者电负性，有离子键的成分。 纤锌矿结构：离子性结合占优的话，就形成该结构。不具有四方对称性，取而代之是六方对称性。 共有化运动：原子的电子分列不同能级，也即是电子壳层。当原子互相接近形成晶体时，电子壳层互相交叠，电子可以转移到相邻原子上去，可以在整个晶体中移动，这种运动叫做电子的共有化运动。 能带：电子的能级在受到其他原子影响之后，就会出现分裂现象，这种分裂后产生n个很近的能级叫做能带。 禁带：分裂的每一个能带称为允带，允带之间则称为禁带。 单电子近似：晶体中某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场，以及其他大量电子的平均势场中运动，势场是周期性变化的，周期于晶格周期相同。电子在周期性势场中的运动特点和自由电子的运动十分相似。 导体、半导体、绝缘体的能带：导体是通过上层的不满带导电的。对于半导体和绝缘体，从上到下分别是空带、禁带、价带（满带），在外电场作用下并不导电，但是当外界条件（加热光照）发生变化时，满带中的少量电子可能被激发到空带当中，这些电子可以参与导电，同时满带变成部分占满，满带也会起导电作用。这种导电作用等效于把这些空的量子状态看作带正电荷的准粒子的导电作用，常称这些空的量子状态为空穴。绝缘体的禁带宽度很大，激发点很困难，而半导体相对容易，在常温下就有电子被激发到导带。 有效质量：在描述电子运动规律的方程中出现的是电子的有效质量mn*，而不是电子的惯性质量m0。这是因为其中f并非全部外力，其实电子还收到原子和其他电子的作用，此时用有效质量进行计算可以简化问题，f和加速度挂钩，而内部势场作用用有效质量概括。使得探讨半导体电子在外力作用下规律时可以不涉及内部势场作用。另外地mn*可以实验测得，方便有效。 本征激发：当温度大于0k时，有电子从价带激发到导带，价带中同时产生空穴，这个过程叫做本征激发。本征半导体就是没有掺杂的半导体，也即电子和空穴都参加导电的半导体。载流子和载流子浓度：可移动带电荷的物质微粒被称作载流子，而在半导体中就是电子和空穴。载流子浓度就是单位体积载流子的数目。 第二章半导体中的杂质与缺陷能级 间隙式杂质：杂质原子进入半导体以后，位于晶格原子间叫做间隙式杂质。一般原子比原原子要小。 替位式杂质：取代晶格原子而位于格点处，叫做替位式杂质。两种原子大小近似，价电子壳层也类似。 施主杂质：V族元素为替位式杂质，它释放一个电子，增加导电性，如P+，是一个不能移动的正电中心。使之电离的能量远远小于禁带宽度Eg。释放电子的过程叫做施主电离。又叫n型杂质。 施主能级：施主能级Ed位于禁带中离导带很近处。由于杂质数量较少，为一些具有相同能量的孤立能级。 成都信息工程学院 物理实验报告 姓名： 石朝阳 专业： 班级： 学号： 实验日期： 2009-9-15下午 实验教室： 5102-1 指导教师： 【实验名称】 PN 结物理特性综合实验 【实验目的】 1. 在室温时，测量PN 结电流与电压关系，证明此关系符合波耳兹曼分布规律 2. 在不同温度条件下，测量玻尔兹曼常数 3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流 4. 测量PN 结电压与温度关系，求出该PN 结温度传感器的灵敏度 5. 计算在0K 温度时，半导体硅材料的近似禁带宽度 【实验仪器】 半导体PN 结的物理特性实验仪 资产编号：××××，型号：×××（必须填写） 【实验原理】 1．PN 结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量 PN 结的正向电流-电压关系满足： ]1)/[ex p(0-=kT eU I I (1) 当()exp /1eU kT >>时,(1)式括号内-1项完全可以忽略，于是有： 0exp(/)I I eU kT = (2) 也即PN 结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN 结I U -关系值，则利用(1)式可以求出 /e kT 。在测得温度T 后，就可以得到/e k ，把电子电量e 作为已知值代入，即可求得玻尔兹曼常数k 。 实验线路如图1所示。 2、弱电流测量 LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流-电压变换器(弱电流放大器),如图2所示。其中虚线框内电阻r Z 为电流-电压变换器等效输入阻抗。 运算放大器的输入电压0U 为： 00i U K U =- (3) 式(3)中i U 为输入电压，0K 为运算放大器的开环电压增益，即图2中电阻f R →∞时的电压增益（f R 称反馈电阻）。因而有： 00(1) i i s f f U U U K I R R -+= = (4) 由（4）式可得电流-电压变换器等效输入阻抗x Z 为 00 1i f f x s U R R Z I K K = =≈+ (5) 由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流s I 与输出电压0U 之间的关系式，即： 图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图 图2 电流－电压变换器 半导体PN结的物理特性 简介：半导体PN结的物理特性是物理学和电子学的重要基础内容之一，它在实践中有着广泛的应用，如各种晶体管、太阳能电池、半导体制冷、半导体激光器、发光二极管都是由半导体PN结组成。本实验主要研究的两个问题是： （1）测量PN结扩散电流与电压的关系； （2）研究PN结电压与热力学温度的关系。 一、实验目的 （1）了解用运算放大器测量弱电流的原理和方法； （2）测量PN结结电压与电流关系，证明此关系符合指数分布规律，用作图法求玻尔兹曼常数； （3）测量PN结结电压与温度的关系，求出PN结温度传感器的灵敏度； （4）计算在绝对零度时，半导体材料的禁带宽度。 二、实验仪器：FD-PN-4 PN结物理特性实验仪 三、 实验原理 1．PN 结伏安特性及玻尔兹曼常数的测量 半导体在常温下PN 结电压与电流有如下指数关系： 0qU kT S I I e = （1） 公式（1）中0I 为反向饱和电流，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，q 为电子电量，U 为电压。本实验用常规方法测量时，当PN 结电压较小时，PN 结没导通，通过的电流很弱，普通电流表很难准确测量，无法验证真实的电压电流关系和测量玻尔兹曼常数，而采用集成运放对弱电流放大可解决这些问题。 2．弱电流测量 实验装置如图1所示，所用PN 结由三极管提供，LF356是一个高输入阻抗集成运算放大器，用它组成电流－电压变换器，它可对弱电流放大并转换成电压形式。其工作原理如图2所示，S I 为被测弱电流，r Z 为电路的等效输入阻抗， f R 为负反馈电阻，运放的开环放大倍数为0K ，运算放大器的输出电压为： 00i U K U =- （2） 由于运放输入阻抗i r 为无限大，反馈电阻f R 流过的电流近似为S I ， 00 00 1 () (1)i S f f f U U U I U R R R K -= =-+ ≈- （3） 只要测得输出电压0U 和已知f R 值，即可求得S I ，将上式代入0qU kT S I I e =可 得： 102qU kT U U Ae == （4） 图1 PN 结扩散电源与结电压关系测量线路图 半导体物理复习归纳 ————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期: 一、半导体的电子状态 1、金刚石结构（Ｓi、Ge） Si、Ge原子组成，正四面体结构，由两个面心立方沿空间对角线互相平移１/４个空间对角线长度套构而成。由相同原子构成的复式格子。 2、闪锌矿结构（GaAｓ) ３-5族化合物分子构成，与金刚石结构类似,由两类原子各自形成的面心立方沿空间对角线相互平移1/４个空间对角线长度套构而成。由共价键结合,有一定离子键。由不同原子构成的复式格子。 3、纤锌矿结构（ＺnＳ) 与闪锌矿结构类似，以正四面体结构为基础,具有六方对称性,由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积而成。是共价化合物，但具有离子性，且离子性占优。 4、氯化钠结构（NaＣl) 沿棱方向平移1／2,形成的复式格子。 5、原子能级与晶体能带 原子组成晶体时,由于原子间距非常小,于是电子可以在整个晶体中做共有化运动，导致能级劈裂形成能带。 6、脱离共价键所需的最低能量就是禁带宽度。价带上的电子激发为准自由电子，即价带电子激发为导带电子的过程,称为本征激发。 7、有效质量的意义 a.有效质量概括了半导体内部势场的作用（有效质量为负说明晶格对粒子做负功) b.有效质量可以直接由实验测定 c.有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比。能带越窄,二次微商越小，有效质量越大。 8、测量有效质量的方法 回旋共振。当交变电磁场角频率等于回旋频率时,就可以发生共振吸收。测出共振吸收时电磁波的角频率和磁感应强度,就可以算出有效质量。为能观测出明显的共振吸收峰，要求样品纯度较高,且实验要在低温下进行。 9、空穴 价带中空着的状态被看成带正电的粒子，称为空穴。这是一种假想的粒子，其带正电荷+q，而且具有正的有效质量m p＊。 10、轻／重空穴 重空穴:有效质量较大的空穴 轻空穴：有效质量较小的空穴 11、间接带隙半导体 导带底和价带顶处于不同k值的半导体。 二、半导体中的杂质和缺陷能级 1、晶胞空间体积计算 Ｓi晶胞中有8个硅原子,每个原子看做半径为r的圆球，则8个原子占晶胞空间的百分数：立方体某顶角的圆球中心与距此顶角１／４体对角线长度处的圆球中心间的距离为2ｒ,且 等于边长为a的立方体体对角线长(a3）的1／４。 2、杂质类型 间隙式：原子较小,存在于晶格原子间的间隙位置大学物理实验PN结正向压降温度特性的研究实验报告
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