Ch半导体的均匀掺杂.pdf
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Ch半导体的均匀掺杂.pdf
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1Ch2-4半導體的均勻摻雜2導電性?
本節只討論載子濃度分佈均勻分佈均勻的半導體,故無擴散電流問題?
矽晶體的電阻係數頗大,其導電性甚差而難實用於電子電路中?
為了提高導電性,必須讓傳導電子或電洞的數量能夠增多?
最簡單有效的方法,就是摻加雜質摻加雜質於半導體中?
但是加入雜質會破壞晶格結構,為使晶格結構之改變不明顯,加入之雜質不可過量加入之雜質不可過量,且摻雜劑之性質必須接近於摻雜劑之性質必須接近於4A族元素族元素3摻雜(doping)?
半導體中添加一定比例雜質稱為摻雜摻雜(doping)?
摻雜後之半導體即為摻雜半導體摻雜半導體(dopedsemiconductor),或稱外質外質(extrinsic)半導體半導體?
未摻雜質之純質半導體又稱本質半導體本質半導體(intrinsicsemiconductor)?
摻雜方式有兩種?
使傳導電子變多,材料變成N-type半導體半導體,摻雜少許5A族族元素?
讓電洞增加,半導體變成P-type半導體半導體,摻雜少許3A族族元素4本質半導體?
熱平衡載子濃度?
共價鍵吸收足夠能量後,將發生破裂而產生電子電子電洞對電洞對?
溫度愈高,就愈多的共價鍵破裂?
在熱平衡下,本質半導體本質半導體中具有相同數目的傳導電子與電洞,此濃度特稱為本質載子濃度本質載子濃度(intrinsiccarrierconcentration),以ni表示?
ni=n=p?
ni值是T與EG的函數5本質半導體?
A是一常數,與材料種類有關,如表?
以矽為例,27C時,ni=1.45*1010載子/cm3,矽的原子密度約為5*1022原子/cm3.?
在在1012個原子中,才有一個原子共價鍵斷裂個原子中,才有一個原子共價鍵斷裂,故純矽之導電性甚差純矽之導電性甚差6質量作用定律?
在無電流無電流與定溫定溫之情形下,半導體材料中任何一處的傳導電子濃度與電洞濃度之乘積傳導電子濃度與電洞濃度之乘積為一定值?
與位置無關?
此定律適用所有的半導體材料,無關是否摻雜。
7電子電洞對之產生與復合?
價電子價電子吸收足夠能量後,變成傳導電子傳導電子?
有高能傳導電子較不穩定,經歷一段時間,會以光或熱等形式來釋放能量,繼而掉回價電帶中有高能傳導電子較不穩定,經歷一段時間,會以光或熱等形式來釋放能量,繼而掉回價電帶中?
與電洞重新結合,破裂之共價鍵可恢復,如此過程稱為復合與電洞重新結合,破裂之共價鍵可恢復,如此過程稱為復合(recombination)8電子電洞對之產生與復合?
以產生速率以產生速率(generationrate)來表示電子電洞對之增加率來表示電子電洞對之增加率?
復合速率復合速率(recombinationrate)則來代表單位時間內所消失的電子電洞對數目則來代表單位時間內所消失的電子電洞對數目9電子電洞對之產生與復合?
當溫度上升,共價鍵容易破裂?
產生速率產生速率將大於復合速率復合速率,於是載子濃度會增加?
若溫度下降?
產生速率將會變小,載子濃度下降?
由生至滅之期間為壽命,電子電洞對電子電洞對由產生至復合消失的平均時長,稱平均壽命平均壽命,又名生命週期生命週期(lifecycle)10電子電洞對之產生與復合?
在熱平衡熱平衡(thermalequilibrium)時,產生速率與復合速率相同產生速率與復合速率相同?
材料內之載子濃度會維持一定數便是ni(本質半導體)?
如圖,雖然電子電洞對電子電洞對一直在演變,但是圖中之傳導帶內總是維持著2個傳導電子11復合之分類?
共價鍵吸收足夠能量後,將生成電子電洞對電子電洞對?
傳導電子與電洞分道揚鑣,各自運動?
電子電洞對電子電洞對在復合時,速度與質量皆不同之二粒子將結成一體?
除了釋放能量外,尚須滿足動量不滅動量不滅方能結合?
動量動量上的問題使復合分為兩大類?
直接復合(directrecombination)?
間接復合(indirectrecombination)12直接復合(directrecombination)?
復合時傳導電子可直接由傳導帶落入價電帶?
這種情形見於III-V族化合物半導體材料族化合物半導體材料?
其復合時所釋放之能量形式可分為兩種?
光輻射復合:
復合時釋放之能量是光光?
此類材料(如GaAs)可做發光二極體發光二極體或雷射二極體雷射二極體等光電元件?
熱輻射復合:
復合時所釋放之能量是熱熱13間接復合(indirectrecombination)?
有些材料(如矽矽和鍺)因無法滿足動量守恆,故傳導電子與電洞不能直接復合?
傳導電子必須先迂迴地轉至所謂的復合中心復合中心(recombinationcenters,位於能隙之間)?
此現象稱間接復合?
這般的間接復合,僅能以熱熱的形式來釋放能量?
因此,矽半導體無法被製成發光元件矽半導體無法被製成發光元件14例題2?
對於單晶矽材料而言,下列何者敘述為真?
?
(a)元素半導體?
(b)共價鍵結?
(c)室溫時,Eg=1.12eV?
(d)鑽石結構?
(e)傳導載體全是電子15例題2?
對於單晶矽材料而言,下列何者敘述為真?
?
(a)元素半導體?
(b)共價鍵結?
(c)室溫時,Eg=1.12eV?
(d)鑽石結構?
(e)傳導載體全是電子?
Ans:
?
(a),(b),(c),(d)16外質半導體?
利用高溫來增加載子濃度乃不實際做法,因所能增加之載子濃度實在過於渺小?
本質半導體中,載子過少乃因完整鍵結完整鍵結之故?
若能讓鍵結有先天上之缺陷,則自然可產生多餘之電洞或電子,毋需藉共價鍵之破裂來提高載子濃度?
以非非4A族族原子來取代部份的矽或鍺等原子?
不可因摻入雜質而破壞四面體之鑽石結構,摻雜的原則是?
雜質必須與4A族元素相近?
摻入量應甚小17外質半導體?
N型半導體?
常摻雜的5A元素有磷磷(P)、砷砷(As)和銻銻(Sb)等?
P型半導體?
摻雜劑為3A元素,如硼硼(B)、鎵(Ga)和銦(In)等18N型半導體?
以摻入磷為例以摻入磷為例?
在鑽石結構下,在鑽石結構下,P和鄰近的四個和鄰近的四個Si原子共價鍵結,共享原子共價鍵結,共享4個價電子,但個價電子,但P原子多一個未鏈結的價電子原子多一個未鏈結的價電子?
此價電子之游離能此價電子之游離能(ionizationenergy)甚小,在矽中約為甚小,在矽中約為0.05eV,甚易變成傳導電子,甚易變成傳導電子19N型半導體?
以摻入磷為例以摻入磷為例?
一個一個P原子提供一個不受束縛的傳導電子原子提供一個不受束縛的傳導電子,遂稱此雜質原子為施體施體(donor)?
此價電子游離後,晶格上留下不能移動不能移動的P+離子離子20N型半導體?
以摻入磷為例以摻入磷為例?
摻雜的施體原子濃度摻雜的施體原子濃度ND。
?
在外質半導體中,除了共價鍵破裂所產生的傳導電子在外質半導體中,除了共價鍵破裂所產生的傳導電子(數量極少數量極少),將多出由施體所提供的大量傳導電子,將多出由施體所提供的大量傳導電子?
傳導電子的濃度數量遠大於電洞者稱傳導電子的濃度數量遠大於電洞者稱N型半導體型半導體21N型半導體?
施體提供傳導電子,使電洞被復合機率升高故復合機率升高故濃度降低,但卻無法降至為0?
只要溫度大於絕對零度絕對零度,就有共價鍵發生破裂,必有電洞生成?
N型半導體中的載子並非全為傳導電子,仍有電洞之存在,只是濃度甚小型半導體中的載子並非全為傳導電子,仍有電洞之存在,只是濃度甚小?
電子是N型材料的多數載子多數載子(majoritycarriers)?
電洞是少數載子少數載子(minoritycarriers)22P型半導體?
雜質原子和鄰近的4個Si原子共價鍵結,只填滿3個共價鍵,形成一電洞?
一一3A族原子提供一個電洞,族原子提供一個電洞,稱雜質原子為受體受體(acceptor)?
當電洞接受了傳導電子,3A原子將變成無法移動(因共價鍵結之故)的陰離子陰離子23P型半導體?
摻雜的受體原子濃度受體原子濃度NA。
?
在外質半導體中,電洞來自?
共價鍵破裂所產生的電洞(數量極少)?
來自於受體(大部分)?
電洞之數目甚大於傳導電子?
電洞是多數載子多數載子,傳導電子是少數載子少數載子,稱P型型(P-type)半導體半導體24電中性與載子濃度?
無論N型或P型半導體,電子總數(包括價電子與傳導電子)與質子總數是相同的?
摻雜半導體維持電中性電中性?
N型半導體中,若摻入可提供電洞的受體原子?
則傳導電子濃度會下降,於是導電性變差而傾向於本質半導體?
若同時摻雜若同時摻雜N型與型與P型,則此二者效果將相剋型,則此二者效果將相剋25濃度計算?
據電中性電中性在熱平衡下正電荷總濃度正電荷總濃度p+ND與負電荷總濃度與負電荷總濃度n+NA必須相等必須相等?
n和和p也滿足質量作用定律也滿足質量作用定律?
聯立解可得載子濃度聯立解可得載子濃度?
N型半導體中,若型半導體中,若NDni,NDNA,?
nND(多數載子多數載子)?
pn2i/ND(少數載子濃度需由質量作用定律解少數載子濃度需由質量作用定律解)26濃度計算?
P型半導體中,若型半導體中,若NAni,NAND,?
pNA(多數載子多數載子)?
nn2i/NA(少數載子濃度需由質量作用定律解少數載子濃度需由質量作用定律解)27例題3?
對於純質矽而言,下列何者為真?
?
(a)摻雜砷將形成p-型?
(b)摻雜硼將形成n-型?
(c)n=p=ni?
(d)溫度上升,ni增加?
(e)以上皆非28例題3?
對於純質矽而言,下列何者為真?
?
(a)摻雜砷將形成p-型?
(b)摻雜硼將形成n-型?
(c)n=p=ni?
(d)溫度上升,ni增加?
(e)以上皆非?
Ans:
?
(c),(d)29例題4?
對本質鍺,電洞或電子濃度是2.5*1013/cm3。
若n型摻雜是每109個鍺原子中加入一個施體。
已知亞佛加厥數(Avogadrosnumber)=6.02*1023/mole,鍺之原子量為72.6g/mole,密度為5.32g/cm3,n=3800cm2/V-sec,p=1800cm2/V-sec,q=1.6*10-19C?
試求此半導體於室溫下的電阻係數30例題4?
Ans:
?
1mole鍺原子體積=鍺原子量72.6/密度5.32?
鍺原子濃度=亞佛加厥數/1mole鍺原子體積=4.41*1022/cm3。
?
ND=4.41*1022/109=4.41*1013/cm3又ni=2.5*1013/cm3。
ND並未遠大於ni,故需精確解出p與n?
n*p=(p+4.41*1013)*p=(2.5*1013)2.31例題4?
n*p=(p+4.41*1013)*p=(2.5*1013)2.?
p=1.13*1013/cm3.,n=5.53*1013/cm3.32例題5?
有一摻雜均勻之P型矽,其電阻係數為0.04-cm。
僅考慮pn的情形,試求此矽中之電子濃度n?
已知n=1500cm2/V-sec,p=475cm2/V-sec,ni=1.45*1013cm-3.33例題5?
有一摻雜均勻之P型矽,其電阻係數為0.04-cm。
僅考慮pn的情形,試求此矽中之電子濃度n?
已知n=1500cm2/V-sec,p=475cm2/V-sec,ni=1.45*1013cm-3.?
Ans:
34例題6?
矽樣品A摻雜硼51016原子/cm3濃度?
矽樣品B摻雜磷51016原子/cm3,?
而樣品C是同時摻雜了上述的兩種濃度?
各樣品在室溫下的導電率大小依序為何?
35例題6?
矽樣品A摻雜硼51016原子/cm3濃度?
矽樣品B摻雜磷51016原子/cm3,?
而樣品C是同時摻雜了上述的兩種濃度?
各樣品在室溫下的導電率大小依序為何?
Ans:
?
A=nqn+pqppqp.?
B=nqn+pqpnqn.?
nqnpqp.(電子mobility大於電洞且n=p)?
BAC(C因兩種摻雜互克徒增離子,故導電性最差)36例題7?
一N型矽,其磷摻雜濃度為1016atoms/cm3,在室溫下的電阻率為0.48-cm。
?
電子遷移率n等於_cm2/voltsec37例題7?
一N型矽,其磷摻雜濃度為1016atoms/cm3,在室溫下的電阻率為0.48-cm。
?
電子遷移率n等於_cm2/voltsec?
Ans:
?
=1/(nqn+pqp
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- Ch 半导体 均匀 掺杂