简述半导体P-N的物理特性

简述半导体P-N的物理特性,第1张

【n型半导体】“n”表示负电的意思,在这类半导体中,参与导电的主要是带负电的电子,这些电子来自半导体中的“施主”杂质.所谓施主杂质就是掺入杂质能够提供导电电子而改变半导体的导电性能.例如,半导体锗和硅中的五价元素砷、锑、磷等原子都是施主杂质.如果在某一半导体的杂质总量中,施主杂质的数量占多数,则这种半导体就是n型半导体.如果在硅单晶中掺入五价元素砷、磷.则在硅原子和砷、磷原子组成共价键之后,磷外层的五个电子中,四个电子组成共价键,多出的一个电子受原子核束缚很小,因此很容易成为自由电子.所以这种半导体中,电子载流子的数目很多,主要kao电子导电,叫做电子半导体,简称n型半导体.

【p型半导体】“p”表示正电的意思.在这种半导体中,参与导电的主要是带正电的空穴,这些空穴来自于半导体中的“受主”杂质.所谓受主杂质就是掺入杂质能够接受半导体中的价电子,产生同数量的空穴,从而改变了半导体的导电性能.例如,半导体锗和硅中的三价元素硼、铟、镓等原子都是受主.如果某一半导体的杂质总量中,受主杂质的数量占多数,则这半导体是p型半导体.如果在单晶硅上掺入三价硼原子,则硼原子与硅原子组成共价键.由于硼原子数目比硅原子要少很多,因此整个晶体结构基本不变,只是某些位置上的硅原子被硼原子所代替.硼是三价元素,外层只有三个价电子,所以当它与硅原子组成共价键时,就自然形成了一个空穴.这样,掺入的硼杂质的每一个原子都可能提供一个空穴,从而使硅单晶中空穴载流子的数目大大增加.这种半导体内几乎没有自由电子,主要kao空穴导电,所以叫做空穴半导体,简称p型半导体.

【p-n结】在一块半导体中,掺入施主杂质,使其中一部分成为n型半导体.其余部分掺入受主杂质而成为p型半导体,当p型半导体和n型半导体这两个区域共处一体时,这两个区域之间的交界层就是p-n结.p-n结很薄,结中电子和和空穴都很少,但在kao近n型一边有带正电荷的离子,kao近p型一边有带负电荷的离子.这是因为,在p型区中空穴的浓度大,在n型区中电子的浓度大,所以把它们结合在一起时,在它们交界的地方便要发生电子和空穴的扩散运动.由于p区有大量可以移动的空穴,n区几乎没有空穴,空穴就要由p区向n区扩散.同样n区有大量的自由电子,p区几乎没有电子,所以电子就要由n区向p区扩散.随着扩散的进行,p区空穴减少,出现了一层带负电的粒子区;n区电子减少,出现了一层带正电的粒子区.结果在p-n结的边界附近形成了一个空间电荷区,p型区一边带负电荷的离子,n型区一边带正电荷的离子,因而在结中形成了很强的局部电场,方向由n区指向p区.当结上加正向电压(即p区加电源正极,n区加电源负极)时,这电场减弱,n区中的电子和p区中的空穴都容易通过,因而电流较大;当外加电压相反时,则这电场增强,只有原n区中的少数空穴和p区中的少数电子能够通过,因而电流很小.因此p-n结具有整流作用.当具有p-n结的半导体受到光照时,其中电子和空穴的数目增多,在结的局部电场作用下,p区的电子移到n区,n区的空穴移到p区,这样在结的两端就有电荷积累,形成电势差.这现象称为p-n结的光生伏特效应.由于这些特性,用p-n结可制成半导体二极管和光电池等器件.如果在p-n结上加以反向电压(n区加在电源正极,p区加在电源负极),电压在一定范围内,p-n结几乎不通过电流,但当加在p-n结上的反向电压越过某一数值时,发生电流突然增大的现象.这时p-n结被击穿.p-n结被击穿后便失去其单向导电的性能,但结并不一定损坏,此时将反向电压降低,它的性能还可以恢复.根据其内在的物理过程,p-n结击穿可分为雪崩击穿和隧道击穿两种.

无论是半导体物理考研专业课,还是本科课程学习,搭建框架都挺重要的。不知道哪里是重点?这篇文章介绍《半导体物理学》的框架,有助于初学者了解这个科目的整体结构。

面对比较复杂的科目,初学者可能会遇到这种情况——学了好几章,仍然云里雾里,不知自己在学什么,接下来又要学什么。等到学完,只记得一些零零散散的知识点,无法形成完整体系。这可能是因为忽略了一些内容,那就是这个科目的框架。

接下来以刘恩科《半导体物理学(第七版)》为参考书,讲讲半导体物理学的框架。当然,同样的知识可以有很多种分类方式,我非常鼓励大家按自己的理解去划分,以下内容可供参考借鉴。

这本《半导体物理学》共13章,但大部分本科课程及考研大纲,重点在1~8章(半导体的电效应),剩余章节仅对少量内容作要求。

按大的来分,就是两个部分:1~9章是半导体的电效应(核心)、10~13章是其他效应和拓展。再分细一点,我们可以把整本书分为四个部分:

第一部分:固体物理基础(1,2章)

第二部分:载流子的性质(3,4,5章)

第三部分:器件结构(6,7,8,9章)

第四部分:其他效应及拓展(10,11,12,13章)

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第1章 半导体中的电子状态 

第2章 半导体中的杂质和缺陷能级

第一部分,主要解决【半导体是什么】、【半导体中有什么】这两个问题。

首先介绍半导体作为晶体的性质:晶格结构,以及晶体的能带。

然后介绍半导体中有什么:载流子(电子和空穴),以及杂质等缺陷。

电子和空穴这两种载流子,决定了半导体的电、光、热、磁等基本性质。而杂质,则是调控半导体这些性质最重要的手段。

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第3章 半导体中载流子的统计分布 

第4章 半导体的导电性 

第5章 非平衡载流子

第二部分中,主要解决【如何调控载流子浓度】、【如何调控半导体电学性质】这两个问题。

第3章介绍“温度、杂质浓度和载流子浓度的关系”。温度和杂质浓度对载流子浓度有决定性的影响,控制这两个量,就能控制载流子浓度,调控半导体的各种性质。

第4章介绍“温度、杂质浓度和导电性的关系”。从σ=nqμ知道,半导体导电性主要受载流子浓度、迁移率的影响,其中迁移率主要受散射影响。无论是载流子浓度还是散射,都由温度和杂质浓度控制。因此,确定了温度和杂质浓度,就能调控半导体的导电性。

第5章介绍“载流子的动态变化”。载流子不是静态的,它有产生、复合、扩散、漂移等活动,载流子浓度会因此发生动态变化。我们据此采取措施,可以进一步调控载流子浓度。

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第6章 pn结

第7章 金属和半导体的接触

第8章 半导体表面与MIS结构

第9章 半导体异质结构

第三部分主要解决【半导体有什么用】这个问题。

半导体最重要的性质就是电效应,1~9章都在讲电效应,后面的10~13章,研究方法与电效应是相通的。

半导体电效应的应用,最重要的就是6~9章对应的四种结构——pn结、肖特基结、MIS结构、异质结。重中之重是pn结和MIS结构,它们是信息时代的基石。

基于pn结的双极晶体管,是集成电路的滥觞,它的问世掀起了一场技术革命,让人类社会从工业时代进入了信息时代。

基于MIS结构的场效应晶体管,占今天所用晶体管的绝大部分(具体比例没查到,可能要高于99%)。你现在拿着的手机里,就有几十亿、上百亿个基于MIS结构的场效应晶体管。[1]

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第10章 半导体的光学性质和光电与发光现象 

第11章 半导体的热电性质 

第12章 半导体磁和压阻效应

第13章 非晶态半导体

第四部分,解决的是【半导体还有什么用】、【介绍特殊的半导体】这两个问题。

光、热、磁效应的研究方法,与电效应是相通的,也是从载流子、能带、温度、杂质这几个方面去研究。看看采取什么措施能调控这些性质,能做出什么有用的器件。

1~12章的内容都是基于半导体晶体,因为我们日常所用的绝大部分半导体,都是晶态半导体。但除此之外,还有一种特殊的半导体——非晶态半导体。

如果要对非晶态半导体进行研究,方法和1~12章是一样的,我们同样按以下顺序,解决非晶态半导体的问题即可:

【半导体是什么】

【半导体中有什么】

【如何调控载流子浓度】   

【如何调控半导体电学性质】

【半导体有什么用(电效应)】

【半导体还有什么用(光热磁)】

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怎么样,现在对半导体物理学的框架有概念了吧?在接下来的学习过程中,一步步解决问题,就能学懂半导体物理了。加油!

怎样学好半导体物理?

武忠祥这个是在营销吗?

PS. 写干货好累啊,一不小心就到一两点了。真吃不消。少熬夜。休息一段时间。

参考文献:[1] 麒麟9000集成153亿晶体管


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