1、景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院半導(dǎo)體課程設(shè)計報告 設(shè) 計 題 目 n型半導(dǎo)體材料的設(shè)計與性能分析 專業(yè)班級 姓名 學(xué)號 指 導(dǎo) 教 師 完 成 時 間 一雜質(zhì)半導(dǎo)體的應(yīng)用背景半導(dǎo)體中的雜質(zhì)對電離率的影響非常大，本征半導(dǎo)體經(jīng)過摻雜就形成雜質(zhì)半導(dǎo)體，半導(dǎo)體中摻雜微量雜質(zhì)時，雜質(zhì)原子的附近的周期勢場的干擾并形成附加的束縛狀態(tài)，在禁帶只能夠產(chǎn)生的雜質(zhì)能級。能提供電子載流子的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)，相應(yīng)能級稱為施主能級，位于禁帶上方靠近導(dǎo)帶底附近。一、N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)提硅（或鍺）中摻入微量的5價元素，例如磷，則磷原子就取代了硅晶體中少量的硅原子，占據(jù)晶格上的某些位置。 磷原子最外層有5個價電子，其中4個價電子分別與鄰近4

2、個硅原子形成共價鍵結(jié)構(gòu)，多余的1個價電子在共價鍵之外，只受到磷原子對它微弱的束縛，因此在室溫下，即可獲得掙脫束縛所需要的能量而成為自由電子，游離于晶格之間。失去電子的磷原子則成為不能移動的正離子。磷原子由于可以釋放1個電子而被稱為施主原子，又稱施主雜質(zhì)。在本征半導(dǎo)體中每摻入1個磷原子就可產(chǎn)生1個自由電子，而本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴的數(shù)目不變。這樣，在摻入磷的半導(dǎo)體中，自由電子的數(shù)目就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了空穴數(shù)目，成為多數(shù)載流子（簡稱多子），空穴則為少數(shù)載流子（簡稱少子）。顯然，參與導(dǎo)電的主要是電子，故這種半導(dǎo)體稱為電子型半導(dǎo)體，簡稱N型半導(dǎo)體。二、P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體硅（或鍺）中，若摻入微量的3價元素，如硼

3、，這時硼原子就取代了晶體中的少量硅原子，占據(jù)晶格上的某些位置。硼原子的3個價電子分別與其鄰近的3個硅原子中的3個價電子組成完整的共價鍵，而與其相鄰的另1個硅原子的共價鍵中則缺少1個電子，出現(xiàn)了1個空穴。這個空穴被附近硅原子中的價電子來填充后，使3價的硼原子獲得了1個電子而變成負(fù)離子。同時，鄰近共價鍵上出現(xiàn)1個空穴。由于硼原子起著接受電子的作用，故稱為受主原子，又稱受主雜質(zhì)。在本征半導(dǎo)體中每摻入1個硼原子就可以提供1個空穴，當(dāng)摻入一定數(shù)量的硼原子時，就可以使半導(dǎo)體中空穴的數(shù)目遠(yuǎn)大于本征激發(fā)電子的數(shù)目，成為多數(shù)載流子，而電子則成為少數(shù)載流子。顯然，參與導(dǎo)電的主要是空穴，故這種半導(dǎo)體稱為空穴型半導(dǎo)體

4、，簡稱P型半導(dǎo)體。由于本征載流子濃度隨溫度的迅速變化，用本征材料制作的器件性能很不穩(wěn)定，所以制造半導(dǎo)體器件需用含適當(dāng)雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料。 從20世紀(jì)70年代到現(xiàn)在，雜質(zhì)摻雜主要是由高溫的擴(kuò)散方式來完成，雜質(zhì)原子通過氣相源或摻雜過的氧化物擴(kuò)散或淀積到基體的表面上，這些雜質(zhì)濃度將從表面逐漸下降，而雜質(zhì)分布主要是由高溫與擴(kuò)散時間來決定的。在半導(dǎo)體中，雜質(zhì)對電導(dǎo)率的影響非常大，本征半導(dǎo)體經(jīng)過摻雜就形成雜質(zhì)半導(dǎo)體，一般可分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)時，雜質(zhì)原子附近的周期勢場受到干擾并形成附加的束縛狀態(tài)，在禁帶中產(chǎn)生附加的雜質(zhì)能級。能提供電子載流子的雜質(zhì)稱為施主雜質(zhì)，相應(yīng)能級稱為施主能級

5、，位于禁帶上方靠近導(dǎo)帶底附近。相應(yīng)地，能提供空穴載流子的雜質(zhì)稱為受主雜質(zhì)，相應(yīng)能級稱為受主能級，位于禁帶下方靠近價帶頂附近。對于該半導(dǎo)體材料的性能要求是工作溫度區(qū)間在300500K之間；飽和區(qū)雜質(zhì)要完全電離，即磷的濃度在10113*1017cm-3）的范圍內(nèi)；電導(dǎo)率相比于本征半導(dǎo)體增加非常大；載流子濃度保持等于雜質(zhì)濃度。 二參數(shù)說明表1 Si半導(dǎo)體材料的性質(zhì)性質(zhì)符號材料Si本征載流子濃度（cm）1.02*1010雜質(zhì)電離能（）0.044電子有效質(zhì)量1.062m0禁帶寬度（），300K1.1242基態(tài)簡并度2施主濃度3*1017態(tài)密度有效質(zhì)量m0電子1.062空穴0.591注該數(shù)據(jù)來源于 劉恩科

6、、朱秉升、羅晉生編著，半導(dǎo)體物理學(xué)，電子工業(yè)出版社，2008年第七版。表2 物理常數(shù)名稱數(shù)值波爾茲曼常數(shù)k01.380*10-23J/K電子伏特 1.602*10-19J普朗克常量h6.625*10-34Js電子靜止質(zhì)量m09.108*10-31kg室溫（300K）的k0T值0.026熱力學(xué)零溫度0K-273.16 三性能指標(biāo)分析（1) 雜質(zhì)全部電離溫度 式中 D-未電離施主占施主雜質(zhì)數(shù)的百分比 施主濃度 k0波爾茲曼常數(shù) M*n電子有效質(zhì)量 h普朗克常量 施主能級 T溫度利用上述關(guān)系式對不同的和，可以決定雜質(zhì)基本上全部電離（90)所需的溫度。=3*1017，=0.044eV，k0=1.380

7、*10-23J/K，=1.062m0，m0=9.108*10-31kgD-=10,=6.625*10-34Js帶入式得：T300K（2） 載流子濃度分析1. 低溫弱電離區(qū) 當(dāng)溫度很低時，大部分施主雜質(zhì)能級仍為電子所占據(jù)，只有很少量的施主雜質(zhì)發(fā)生電離，導(dǎo)帶中的電子全部由電離施主雜質(zhì)所提供。P0=0,no=n+D,因此： 式中 導(dǎo)帶的有效狀態(tài)密度 導(dǎo)帶底能量 費米能級上式 即為雜質(zhì)電離是的電中性條件。因遠(yuǎn)比小，所以，則式簡化為： 上式 說明，低溫弱電離區(qū)費米能級與溫度雜質(zhì)濃度以及摻入何種雜質(zhì)原子有關(guān)。 E EC EF ED T NC=0.11ND（1）低溫弱電離區(qū) EF 與 T 的關(guān)系將費米能級對

8、溫度求微商得： 圖（1）可以看出T0K時，0，開始為,EF上升很快。隨著的增大，不斷減小，EF隨溫度升高而增大的速度變小。當(dāng)溫度上升使得時，達(dá)到極值。因此雜質(zhì)含量越高，達(dá)到極值的溫度也越高。當(dāng)溫度再升高時，EF開始下降。2. 中間電離區(qū) 溫度繼續(xù)升高，當(dāng)后，式中的第二項為負(fù)值，這時下降至以下。當(dāng)溫度升高使=時，則，施主雜質(zhì)有1/3電離。3. 強(qiáng)電離區(qū) 當(dāng)溫度升高至大部分雜質(zhì)都電離時，這時，有，E位于之下。 由上式可知，由溫度和施主雜質(zhì)濃度所決定。4. 過渡區(qū) 當(dāng)半導(dǎo)體處于飽和區(qū)和完全本征激發(fā)之間時，導(dǎo)帶中的電子一部分來源于全部電離的雜質(zhì)，另一部分則由本征激發(fā)提供，價帶中產(chǎn)生一定量空穴電中性條件

9、為： 式中 導(dǎo)帶中電子濃度 價帶中空穴濃度 已全部電離的雜質(zhì)濃度 式中 禁帶中部位置 本征載流子濃度在一定溫度時，如果已知及，就能算出，從而算出（-）。當(dāng)很小時，-也很小，即接近，半導(dǎo)體接近于本征激發(fā)；當(dāng)很大時，則-也很大，接近于飽和區(qū)。5. 高溫本征激發(fā)區(qū) 當(dāng)溫度足夠高時，本征激發(fā)產(chǎn)生的本征載流子數(shù)遠(yuǎn)多于雜質(zhì)電離產(chǎn)生的載流子數(shù)，這時的電中性條件是。接近于禁帶中線，載流子濃度隨溫度升高而迅速增加。 n n ni 0 200 400 600 T(K)圖（2）n型Si中電子濃度n與溫度T的關(guān)系圖（2）是摻p的n型硅的電子濃度與溫度的關(guān)系曲線，可知，在低溫時，電子濃度隨溫度的說過而增加。溫度升高10

10、0K時，雜質(zhì)全部電離，溫度高于500K后，本征激發(fā)開始起主要作用。所以溫度在100500K之間雜質(zhì)全部電離，載流子濃度基本上就是雜質(zhì)濃度。（3）材料飽和區(qū)特征1. 飽和區(qū)的溫度范圍 對于摻P的Si，摻雜濃度在（5*10153*1017)cm-3范圍內(nèi)，其對應(yīng)的溫度范圍為：,，即： 由上 兩式得該飽和區(qū)的溫度范圍為：300500K（4） 摻雜后性能改善分析1. 溫度對載流子濃度的影響 當(dāng)溫度處于飽和區(qū)時，因施主雜質(zhì)幾乎完全電離，所以載流子的濃度，因此溫度對載流子濃度幾乎沒影響。對比于本征半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體具有穩(wěn)定的工作區(qū)間，便于半導(dǎo)體在器件中使用。2. 電導(dǎo)率與載流子濃度的關(guān)系 10101010

11、10101010101010101010201819151617-314-21013-13210雜質(zhì)濃度（cm-3）圖（3）硅雜質(zhì)半導(dǎo)體電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)對于n型半導(dǎo)體電阻率為： 式中 電子遷移率 q電子電荷300K時，由圖（3）可看出輕摻雜時（雜質(zhì)濃度10161018cm-3），載流子濃度近似雜質(zhì)濃度，即nND,pNA,而遷移率隨雜質(zhì)的變化不大，可認(rèn)為是常數(shù)。因而電阻率與雜質(zhì)濃度成反比關(guān)系，雜質(zhì)濃度越高，電阻率越?。划?dāng)雜質(zhì)濃度增高時，曲線偏離直線，原因是：一是雜質(zhì)在室溫下不能全部電離，二是遷移率隨雜質(zhì)濃度的增加將顯著下降。 四工藝可行性分析1. 摻雜元素與晶體結(jié)構(gòu)的匹配性 由于硅原子和磷原

12、子的大小相近，并且它們的價電子殼層結(jié)構(gòu)比較相近。所以磷在硅中都是替位式雜質(zhì)。如下圖（4）所示。正電中心圖（4）P在晶體硅中的位置如圖（4）所示，一個P原子占據(jù)了Si原子的位置，P是5價原子，其中4個價電子與周圍的4個Si原子形成共價鍵，剩余一個價電子。并且P原子所在位置也多余一個正電荷+q，摻雜后其效果是形成一個正電中心和一個多余的價電子。由于這個價電子受到的束縛作用很弱，極小的能量就能使它掙脫束縛，成為“自由電子”在晶格中自由運動。實驗測得該能量大小為。因此雜質(zhì)電離后，導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子增多，增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。五總結(jié)本征硅晶體摻雜p后，性能大量提高。其導(dǎo)電率更是有顯著提升。P型硅的制作技術(shù)比較成熟，通過實驗周的學(xué)習(xí)，收獲很多，初步了解了半導(dǎo)體材料行業(yè)，對自己的專業(yè)光伏，太陽能材料也有更深一部的了解，對行業(yè)的現(xiàn)狀了解程度更加