Presentation on theme: "半導體物理 基本原理 半導體物理-基本原理."— Presentation transcript: 1 半導體物理 基本原理 半導體物理-基本原理
2 大綱 半導體的定義與分類 半導體的晶體結構 量子力學的基本概念 晶體能帶的基本概念 在固體中的電傳導 電洞的概念 金屬、絕緣體與半導體
3 半導體的定義與分類 半導體物理-基本原理
4 材料的分類 導體(Conductors) 半導體(Semiconducrors) 絕緣體(Isulators)
大部分為金屬 5 什麼是半導體(Semiconductor)?
6 什麼是半導體? 半導體是能隙(energy gap)大於零但小於4 eV*的固體。如此的能隙可使半導體在室溫時具有適度的傳導性與載子*密度。
7 半導體的分類 元素半導體(elemental semiconductors) 化合物半導體(compound
semiconductors)
8 III-V族化合物半導體 IV族元素半導體
II-VI族化合物半導體 半導體物理-基本原理 83, 86
9 常見的元素半導體與化合物半導體 矽 鍺 磷化鋁 砷化鋁 磷化鎵 砷化鎵 磷化銦 半導體物理-基本原理
10 化合物半導體 二元素(二元)化合物(binary compounds) 三元素(三元)化合物 (ternary
compounds) 11
半導體的晶體結構 半導體物理-基本原理 12 固體的種類 非晶體(amorphous) 晶體(crystal) 多晶(polycrystalline) 13 半導體的晶體結構 多數半導體以結晶形式存在 常見的半導體晶體結構 鑽石結構(Diamond structure) 14 鑽石結構(Diamond structure)
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鑽石結構由四面體結構為基底所組成 每個原子有4個最近鄰原子。 半導體物理-基本原理 16 閃鋅礦結構(Zincblende strucure)
17 閃鋅礦結構 每一個Ga原子有4個最近鄰As原子,而每個As原子亦有4個最近鄰Ga原子。 半導體物理-基本原理 18
量子力學的基本概念 半導體物理-基本原理 19 電磁波頻譜 半導體物理-基本原理
20 電磁波頻譜 半導體物理-基本原理
21 光的波長 紫外光(Ultraviolet, UV) 可見光(Visible, VIS) 紅外光(Infrared, IR) 22
愛因斯坦(Einstein)的光量子假說(1905年) 23
德布洛依(de Broglie)的物質波假說(1924年) 24 波-粒二重性(Wave-particle duality)
25 波動力學(wave
mechanics) 薛丁格(Schrödinger)在1926年提出處理物質波的數學架構,稱為波動力學。
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波函數的意義 Max Born的機率詮釋(1926) 總波函數為位置相關函數(x) 與時間相關函數(t)的乘積
27 氫原子 氫原子:一個質子(proton)與一個電子(electron)藉由庫倫(Coulomb)吸引力束縛在一起。 電子的位能函數
28 氫原子的Schrödinger波方程式 半導體物理-基本原理
29 氫原子中電子的能態與能量 電子的能態與能量可用一些量子數來標示 能量為負值表示電子被原子核所束縛 30
氫原子的最低能量狀態 (基態ground state)
31 電子在原子中的能階 電子在原子中的能階可以用量子數 (Quantum numbers)來標示。 一個電子僅能留存於許多軌道當中的一個軌道上。
32 電子在能階間的躍遷 當電子吸收一個光子獲得能量時,有可能從較低的能階跳躍至較高的能階。
33 電子的躍遷並不是隨意的 當電子吸收一個光子獲得能量時,必須合乎能階間的能量差,才會從較低的能階躍遷至較高的能階。否則,遷躍不會發生。
34 對分析半導體材料有用的重要結論 Schrödinger波方程式的解表示電子的機率函數 束縛的電子所容許的能量是量子化的。
35 晶體能帶的基本概念 半導體物理-基本原理
36 單一原子 對氫原子的量子力學分析顯示︰ 我們可將單原子的結果擴展到晶體,並得到能帶的概念。 束縛電子的能量是量子化的︰ 電子具有波動的特性。
37 能帶 (energy bands)
我們可利用量子力學與Schrodinger波動方程式解電子在晶體中的問題。 38 庖立不相容原理 (Pauli exclusion
principle)
39 能階的分裂 當兩個原子互相接近時 : 兩個原子的電子的波函數重疊,因此電子將交互作用。 此交互作用導致原先的量子化能階再分裂成兩分離的能階。
40 能階分裂形成能帶 許多原子聚集,形成有規律的週期性排列(晶體): 原先量子化的能階將分裂成許多分立的能階。
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在能帶內兩個能階相差極小 設系統內有1019 個單電子原子;能帶寬度為1 eV。 兩能階相差 10-19 eV
42 三個能階分裂形成能帶
考慮多電子原子形成週期性排列。設原子中電子有三個能階。 43 矽原子 Si︰ 1s22s22p63s23p2 在 n = 1 和 n =2 殼層裡有10 個緊束縛電子。 在 n = 3殼層
44 矽的能帶分裂 當原子間距減少時,3 s 和 3p能態相互作用並且重疊。
45 晶體中的週期性位能 圖(a)︰單電子原子的位能函數。 圖(b)︰當許多原子緊密排列成一維陣列時,相臨的原子的位能函數重疊。
46 Kronig-Penny 模型 描述一維晶體的理想化的週期位能。 此模型的結果可說明電子在週期性晶格中運動的重要特性。 半導體物理-基本原理
47 Bloch定理 在週期性位能中運動的電子的波函數,具有下列形式: ψ(x)= u(x) exp (ikx) k :與運動有關的參數
48 自由電子 動量 p = k 能量 E vs k 曲線為拋物線。
半導體物理-基本原理 49 Kronig-Penny 模型的 E vs k 圖
50 折合區表示法(reduced zone representation)
51 在固體中的電傳導 半導體物理-基本原理
52 半導體在溫度 T = 0 K時 每個矽原子利用共價鍵與另外四個矽原子鍵結。 每個矽原子由8個價電子包圍,這些價電子處於最低的能態。
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半導體在溫度 T > 0 K 時 某些價帶電子可能獲得足夠熱能以打斷共價鍵,進而躍遷到導帶中。
54 在T = 0 K與 T > 0 K 時E vs K 能帶圖 T = 0
K時,價帶的能態全滿而導帶的能態全空。 55 電洞(hole)的概念 半導體物理-基本原理
56 電洞的產生 當一個價電子帶提升到導帶時,會在價帶產生一個帶正電的”空能態 (empty state)”,即電洞(hole)。
57 電洞的移動 當在晶體中的價電子輪流地填入一個空的能態,並產生另一個新的空能態,相當於一個正電荷在價帶中運動。 半導體物理-基本原理
58 半導體中的載子(carriers) 在半導體中能移動而貢獻電流的粒子稱為載子 在半導體中存在兩種載子: 電子:帶負電荷 q = e 59
漂移電流密度 半導體物理-基本原理 60 完全填滿能帶的漂移電流密度 半導體物理-基本原理
61 近乎完全填滿的能帶的漂移電流密度 半導體物理-基本原理
62 電洞的概念
表示價帶內大部分的能態填入帶負電荷的電子,有少部分的能態是空的。 63 金屬, 絕緣體與半導體
半導體物理-基本原理
64 全空或全滿的能帶 完全空的能帶 若電場作用,因無粒子可移動,故不產生電流。 完全滿的能帶 全滿或全空的能帶不產生淨電流 半導體物理-基本原理
65 絕緣體的能帶 簡化的絕緣體的能帶圖 能隙Eg約在 4 eV 以上 在室溫時,基本上沒有電子在導帶,而價帶保持全滿。 不產生淨電流
66 絕緣體 (Insulator) 具有全空或者全滿能帶的物質稱為絕緣體。 沒有帶電粒子可貢獻電流。 有很大的電阻率,或很小的傳導率。
67 近乎全空的能帶 近乎全空的能帶,但有一些電子處在靠近能帶底部的能態。 若電場作用,電子可獲得能量,移動到較高的能態,並在晶體中移動。
68 近乎全滿的能帶 能帶近乎由電子填滿。 可視為能帶單純只有電洞。 若電場作用,電洞會移動並產生電流。 半導體物理-基本原理
69 半導體的能帶 在溫度T > 0 K時,簡化的半導體能帶圖. 能隙 約1 eV的數量級 有一些電子會躍遷到導帶,在價帶留下電洞。
70 金屬的兩種可能能帶 部分填滿的能帶,有許多電子參與導電。 在平衡時,價帶與導帶有部分重疊。 金屬材料顯現很大的傳導率。 71 半導體物理-基本原理
72 半導體中載子的產生與復合 價帶中的電子可吸收能量躍遷到導帶,形成導電電子與電洞。所需的最小能量即為能隙(energy gap) Eg,此過程稱為產生(Generation) 導電電子在晶格中碰到了電洞,可結合形成填滿的共價鍵(即電子回到價帶),並以熱能(晶格的振盪)或光子形式放出和Eg差不多的能量,此過程稱為復合(Recombination)。 半導體物理-基本原理
73 摻雜半導體 半導體物理-基本原理
74 本徵半導體與摻雜半導體 本徵半導體(Intrinsic semiconductor) 75
本徵矽晶格的二維示意圖 半導體物理-基本原理
76 摻雜一個磷原子的矽晶格 磷原子(Phosphorus atom, P) 磷原子取代矽原子,形成雜質原子: 五族元素 5個價電子
77 施體能階圖 在矽中的磷原子稱為施體原子(donor atom) 在低溫時,施體電子受磷原子束縛,其能階為Ed 。 78
n型半導體 (n-type semiconductor)
79 摻雜一個硼原子的矽晶格 硼原子 (Boron atom, B) 取代矽原子的硼形成雜質原子: III族元素 3 個價電子
80 受主能階圖 在矽中的硼原子稱為受體原子(acceptor atom) 受體原子的空位能階為Ed 。 81 P型半導體(p-type semiconductor) 82 CHAPTER 2 Introduction to Quantum Mechanics
83 二極體之基本結構─ pn 接面 半導體物理-基本原理
84 半導體物理-基本原理
85 加偏壓後之pn接面 半導體物理-基本原理
86 二極體的電流─電壓特性曲線 半導體物理-基本原理
87 二極體具有整流的效應 半導體物理-基本原理
88 電晶體(transistor)的功能 電晶體如同水管中控制水流量的水閥,其在電路中的主要功能是做為電流的開關。 半導體物理-基本原理
89 金氧半場效電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)
90 MOSFET的操作原理 當閘極與源極間加上正電壓VGS ,在氧化物的另一邊會吸引負電,使p型半導體內形成空乏區。
91 結論 半導體可藉由外加電場、摻入雜質或照光等方式,大幅改變其的電特性,甚至使其發光。 |