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《半導(dǎo)體材料》ppt課件 (2)-文庫吧

2025-04-18 18:11 本頁面


【正文】 …人工摻雜 —— 半導(dǎo)體材料設(shè)計 —— 器件 ……摻雜工藝 —— 擴散、離子注入 ……摻雜種類:施主摻雜( n型) —— 高價元素?fù)诫s,雜質(zhì)原子提供的價電子數(shù)目多于半導(dǎo)體原子,多余的價電子很容易進(jìn)入導(dǎo)帶而成為電子載流子,半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。受主摻雜( p型) —— 低價元素?fù)诫s,雜質(zhì)原子提供的價電子數(shù)目少于半導(dǎo)體原子,很容易在價帶中形成空穴,半導(dǎo)體的電導(dǎo)率同樣增加。Si的 施主摻雜 —— V族 P摻雜?特點 — 多余價電子與 P+的弱庫侖引力形成局域化的弱束縛態(tài),很容易電離 。?電離出來的電子填充在導(dǎo)帶底部,成為導(dǎo)電載流子 。?束縛態(tài)能級 — 施主能級 Ed位于導(dǎo)帶底部,比價帶至導(dǎo)帶的本征躍遷容易,可顯著提高半導(dǎo)體的電導(dǎo)率!中性施主 — 未電離的施主;電離施主 — 電離后的施主;利用類氫原子模型可以計算出施主能級,并將施主提供的多余電子近似看成是在相對介電常數(shù)為 εr的介質(zhì)中運動,且基態(tài)是穩(wěn)定的,可得:Si的 施主摻雜 —— V族 P摻雜施主摻雜 —— 弱束縛態(tài),使得電子很容易從施主能級 Ed躍遷到導(dǎo)帶,實現(xiàn)施主電離;主要載流子是導(dǎo)帶上的電子 —— 多數(shù)載流子(多子);價帶頂部的空穴 —— 少數(shù)載流子(少子);—— n型半導(dǎo)體Si的受 主摻雜 —— III族 B摻雜特點 —B 等可與 Si形成固溶體共價網(wǎng)絡(luò);在三價 B使得在四價 Si的某個鍵上形成電子空位,相當(dāng)于一個帶正電荷的粒子— 空位;空位如果在 Si中是非局域化的,將位于價帶頂部,形成空穴;空位與 B的弱庫侖引力形成局域化的弱束縛態(tài) — 受主能級 Ea,受主的中性束縛態(tài)即是空穴占據(jù)的能級 Ea;電離態(tài) —— 空穴從 Ea躍遷到價帶頂部,即電子從價帶頂部躍遷到 Ea ,易于成為導(dǎo)電載流子,這種電子從價帶頂部很容易躍遷到受主能級 ,因而會有效提高半導(dǎo)體的電導(dǎo)率 —— 受主能級 Ea :Si的受 主摻雜 —— III族 B摻雜受主摻雜 —— 弱束縛態(tài),使得電子很容易從價帶頂躍遷到施主能級 Ea。主要載流子是價帶頂附近的空穴 —— 多數(shù)載流子(多子);導(dǎo)帶底附近的電子 —— 少數(shù)載流子(少子);——p 型半導(dǎo)體q 熱平衡載流子分布q 本征半導(dǎo)體的熱平衡載流子分布q 雜質(zhì)半導(dǎo)體的熱平衡載流子分布q 非平衡載流子(1) 熱平衡載流子分布q 由 FermiDirac分布函數(shù)q 得導(dǎo)帶上的電子數(shù)q 最后得到:EF為 Fermi能級kB為 Boltzman Con.Et為導(dǎo)帶頂?shù)哪芰縢c(E)為導(dǎo)帶上的態(tài)密度n為導(dǎo)帶上的電子濃度F(xF)為 Fermi積分Nc導(dǎo)帶上的等效電子密度半導(dǎo)體中的載流子分布q 各個中間參量計算出來之后,可得導(dǎo)帶電子密度q 注意到空穴的統(tǒng)計分布為 1f(E),同樣計算可得價帶空穴密度為(1) 熱平衡載流子分布Nv價帶上的等效電子密度Nc導(dǎo)帶上的等效電子密度半導(dǎo)體中的載流子分布q由上兩式可得 — Mass Action Law(1) 熱平衡載流子分布Eg為半導(dǎo)體的禁帶寬度:q質(zhì)量作用定律的意義: 對一個給定半導(dǎo)體而言,導(dǎo)帶上電子濃度與價帶上空穴濃度的乘積為常數(shù),僅取決與半導(dǎo)體的禁帶寬度。半導(dǎo)體中的載流子分布(2)本征半導(dǎo)體的熱平衡載流子分布對本征半導(dǎo)體而言,導(dǎo)帶上的電子全部來源于價帶上電子向?qū)У谋菊骷ぐl(fā),因而,導(dǎo)帶上的電子濃度與價帶上的空穴濃度必然相等。故:本征半導(dǎo)體的熱平衡載流子濃度:相應(yīng)可以得到費米能級:絕對零度下,費米能級位于禁帶中央,隨溫度升高,費米能級逐漸增加。半導(dǎo)體中的載流子分布v 雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度來源: 本征激發(fā) +雜質(zhì)電離 ;v 對于 n型半導(dǎo)體,對導(dǎo)帶上的電子載流子濃度是由 本征激發(fā)和施主電離 兩者的貢獻(xiàn)。由電中性方程:v 把 n、 p代入電中性方程得:(3)雜質(zhì)半導(dǎo)體的熱平衡載流子分布n為導(dǎo)帶電子濃度, N+ d為電離施主濃度, p價帶上空穴濃度Nd為電離施主濃度從這里,即可求出各種給定溫度下的費米能級 EF。從而求出導(dǎo)帶上的電子載流子濃度。半導(dǎo)體中的載流子分布該方程沒有解析解,只能給出數(shù)值解。關(guān)于 Si的費米能級與溫度和雜質(zhì)的關(guān)系:(3)雜質(zhì)半導(dǎo)體的熱平衡載流子分布半導(dǎo)體中的載流子分布q 當(dāng)溫度很低時,略去式中最后一項,可得:q 當(dāng) T=0K時, Fermi能級位于導(dǎo)帶底和施主能級的中央,溫度升高時,逐漸升高 。(3)雜質(zhì)半導(dǎo)體的熱平衡載流子分布半導(dǎo)體中的載流子分布v 對于 P型半導(dǎo)體,價帶上的空穴載流子濃度是由 本征躍遷和受主電離 兩者的貢獻(xiàn)。v 由電中性方程可寫為:(3)雜質(zhì)半導(dǎo)體的熱平衡載流子分布P為價帶上空穴載流子濃度Nd為電離受主濃度n為導(dǎo)帶中電子載流子濃度半導(dǎo)體中的載流子分布非平衡載流子的概念 —— 當(dāng)半導(dǎo)體受到外界作用時,除了熱平衡載流子以外,還將受到光照、電場等的作用,這些外界條件也將激發(fā)載流子,稱為非平衡載流子。Pn結(jié)的工作就是與非平衡載流子的注入和抽取有關(guān)。例:光輻照半導(dǎo)體產(chǎn)生的非平衡載流子與復(fù)合過程:(4) 非平衡載流子半導(dǎo)體中的載流子分布? 當(dāng)用光子能量大于禁帶寬度的光輻照半導(dǎo)體時,價帶電子就可以躍遷到導(dǎo)帶,形成非平衡載流子。? 相應(yīng)的導(dǎo)帶電子和價帶空穴濃度為:(4) 非平衡載流子n0和 p0分別為熱平衡時電子和空穴的濃度結(jié)論:? 非平衡載流子使得導(dǎo)電載流子濃度增加,半導(dǎo)體的導(dǎo)電率增加!? 由光激發(fā)所增加的部分電導(dǎo)率稱為 光電導(dǎo) !? 光敏元件的原理!當(dāng)光停止照射后,出現(xiàn)復(fù)合過程!需要一定時間 — 非平衡載流子的壽命!二 .半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì)載流子的漂移運動及電導(dǎo)率在外電場作用下,半導(dǎo)體中的載流子要受到電場力的作用,從而獲得一定的漂移速率,在半導(dǎo)體中形成電流。? 電子和空穴漂移方向相反;? 電子和空穴漂移速率一般不同:電子大于空穴;? 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為電子和空穴電導(dǎo)率之和。二 .半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì)如果載流子的電荷為 e,濃度為 ρ,則電流密度為:載流子的漂移運動及電導(dǎo)率216。 對 n型:主要以電子電導(dǎo)率為主;216。 對 p型:主要以空穴電導(dǎo)率為主;216。 對本征半導(dǎo)體, n=p=ni, 則:二 .半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì)(1) 載流子的濃度電導(dǎo)率的主要影響因素167。 載流子的濃度受溫度影響 —— 熱激發(fā) :167。 本征半導(dǎo)體:載流子的濃度因本征激發(fā)而增加;167。 雜質(zhì)半導(dǎo)體:由雜質(zhì)濃度和溫度共同決定;雜質(zhì)電離本征激發(fā)二 .半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì)(2)載流子的散射電導(dǎo)率的主要影響因素受到各種散射作用的弛豫時間:二 .半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì)有效質(zhì)量一定時,影響遷移率的主要因素是弛豫時間左式對于電子載流子和空穴載流子都是適用的(2)載流子的散射二 .半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì)電離雜質(zhì) 對載流子的散射機制 — 類 Rutherford 散射:(2)載流子的散射晶格振動 對載流子的散射機制 — 聲子
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