集成电路设计---常用半导体器件.ppt

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集成电路设计基础
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常用半导体器件
半导体基础知识
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能带
1、孤立原子能级
原子中电子分层绕核运动,从能量观点看,在各
层轨道上运动的电子具有一定的能量,这些能量
是不连续的,只能取某些确定的数值,称为能级,
可以用电子的能级来描述这些材料;
2、共有化运动
原子的电子壳层交叠;子壳层间电子相互转移
运动。
3、能带形成
每个孤立原子某子壳层电子可能取的能量状态(能级)完全相同,但原子彼此靠近时,共有化运动使得电子就不仅受到原来所属原子的作用,还要受到其他原子的作用,这使得电子能量发生微小变化,孤立原子的每个能级将演化成由密集能级组成的准连续能带。孤立原子的每个能级都有一个能带与之对应,所有这些能带称为允许带,相邻两个允许带间的空隙代表晶体所不能占有的能量状态,称为禁带。
Si
+14
n=1
n=2
n=3
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n=2
n=3
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导带、价带(满带)和禁带
a、导带—激发态形成的能带;
电子未填满或空带;
电子在电场作用下形成电流。
b、价带—价电子所填充的能带;
如价带中所有量子态均被电子占满,称为满带,满带不具有导电作用。无任何电子占据的能带称为空带。
c、禁带—导带与价带间的能量间隔。
导带
禁带
价带
EV
Ec
Ec
EV
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1 价带为未满带能导电
2 价带为满带,但禁带宽度为零,价带与较高的空带相交叠
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电子遵循费米-狄拉克(Fermi-Dirac)统计分布规律。能量为E的一个独立的量子态被一个电子占据的几率为:
费米分布函数
晶体中电子的能量状态呈能带分布,
那么晶体中电子本身又是如何按照能量分布的呢?
空穴分布几率
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费米能级物理意义
T=0K时:
E <= EF , f(E) ≈ 1
E > EF , f(E) ≈ 0
费米能级以下能级完全被电子填满,
费米能级以上的能级全空,没有一
个电子
T>0K时:
E < EF , f(E) > 1/2
E =EF , f(E) = 1/2
E > EF , f(E) < ½
费米分布函数以EF点向两边对称伸展。
物理意义:晶体中费米能级在能带中的位置反映了各能级电子占据的情况
F(E)
E
Ef
0
1/2
1
T
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当E-EF》k0T时,
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对导带或价带中所有量子态,电子或空穴都可以用玻耳兹曼统计分布描述。由于分布几率随能量呈指数衰减,因此导带绝大部分电子(浓度) 分布在导带底附近,价带绝大部分空穴分布在价带顶附近,起作用的载流子都在能带极值附近。
载流子浓度与温度和费米能级的位置有关。
价带顶附近
导带底附近
能带中的能级
电子
空穴
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* 材料性质取决于其短程序:同一材料的非晶、多晶性质与单晶相同。
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