2 半導體理論

1、2 半導體導電理論半導體導電理論一一. 本征半導體本征半導體（semiconductor） 本征半導體是指本征半導體是指純凈的純凈的半導體。半導體。本征半導體的導電性能在導體與絕緣體本征半導體的導電性能在導體與絕緣體之間。之間。電子導電電子導電：導帶中的電子在外磁場中的定向運動：導帶中的電子在外磁場中的定向運動. .空穴導電空穴導電：滿帶中存在空穴的情況下，電子在滿：滿帶中存在空穴的情況下，電子在滿帶內(nèi)的遷移，相當于空穴沿相反方向運動帶內(nèi)的遷移，相當于空穴沿相反方向運動. .空穴空穴相當于帶正電的粒子相當于帶正電的粒子. . 滿帶上的一個電躍遷到導帶后滿帶上的一個電躍遷到導帶后, ,滿帶中出現(xiàn)

2、滿帶中出現(xiàn)一個空位，稱為一個空位，稱為空穴空穴. .例例. 半導體半導體 Cd S滿滿 帶帶空 帶h Eg=2.42eV這相當于產(chǎn)生了一個帶正電的粒子這相當于產(chǎn)生了一個帶正電的粒子(稱為稱為“空穴空穴”) , 把電子抵消了。把電子抵消了。電子和空穴總是成對出現(xiàn)的。電子和空穴總是成對出現(xiàn)的。空帶空帶滿帶滿帶空穴下面能級上空穴下面能級上的電子可以躍遷的電子可以躍遷到空穴上來到空穴上來,這相當于空穴這相當于空穴向下躍遷。向下躍遷。滿帶上帶正電的滿帶上帶正電的空穴向下躍遷也空穴向下躍遷也是形成電流是形成電流,這稱為空穴導電。這稱為空穴導電。 Eg在外電場作用下在外電場作用下, 本征半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)本

3、征半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)束縛電子束縛電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在絕對溫度在絕對溫度T=0K時，時，所有的價電子都被共價鍵所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不緊緊束縛在共價鍵中，不會成為會成為自由電子自由電子，因此本因此本征半導體的導電能力很弱征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。，接近絕緣體。本征半導體 本征半導體本征半導體化學成分純凈的半導體晶體。化學成分純凈的半導體晶體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常，常稱為稱為“九個九個9”。 這一現(xiàn)象稱為這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)本征激發(fā)，也稱也稱熱激發(fā)熱激發(fā)。 當溫度升

4、高或受到當溫度升高或受到光的照射時，束縛光的照射時，束縛電子能量增高，有電子能量增高，有的電子可以掙脫原的電子可以掙脫原子核的束縛，而參子核的束縛，而參與導電，成為與導電，成為自由自由電子電子。自由電子自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由電子產(chǎn)生的自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空位，稱為空穴空穴。 可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對。電子空穴對。 外加能量越高（外加能量越高（溫度溫度越高），產(chǎn)生的電子空越高），產(chǎn)生的電子空穴對越多。穴對越多。與本征激發(fā)相反的與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象現(xiàn)象復合復合在

5、一定溫度下，本征激在一定溫度下，本征激發(fā)和復合同時進行，達發(fā)和復合同時進行，達到動態(tài)平衡。電子空穴到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。對的濃度一定。常溫常溫300K時：時：電子空穴對的濃度電子空穴對的濃度硅：硅：310cm104 . 1鍺：鍺：313cm105 . 2自由電子自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴電子空穴對電子空穴對自由電子自由電子 帶負電荷帶負電荷 電子流電子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子自由電子E總電流總電流載流子載流子空穴空穴 帶正電荷帶正電荷 空穴流空穴流本征半導體的導電性取決于外加能量：本征半導體的導電性取決于外加能量：溫度變化，導電性變化

6、；光照變化，導電性變化。溫度變化，導電性變化；光照變化，導電性變化。導電機制導電機制本征本征Si 原子鍵合與導電機制：原子鍵合與導電機制：電場電場Si每當一個電子從價帶被激發(fā)到導帶，每當一個電子從價帶被激發(fā)到導帶，便在價帶中留下一個電子空位，便在價帶中留下一個電子空位， 空穴空穴導帶電子和價帶導帶電子和價帶空穴成對出現(xiàn)空穴成對出現(xiàn):導帶電子導帶電子:準自由電子、可在電場的作準自由電子、可在電場的作用下定向運動、形成電流用下定向運動、形成電流導帶電子導帶電子價帶空穴價帶空穴:電場電場Si等效載流子等效載流子其導電過程實質(zhì)其導電過程實質(zhì)上是電場的作用上是電場的作用下價電子向空穴下價電子向空穴的跳躍

7、過程的跳躍過程等效于帶正電的空穴沿與價電子相反方向的運動等效于帶正電的空穴沿與價電子相反方向的運動空穴帶正電量：空穴帶正電量：e本征半導體導電：本征半導體導電： 導帶電子和價帶空穴的共同貢獻導帶電子和價帶空穴的共同貢獻電導率電導率：hemene,:n m導帶電子和價帶空穴的數(shù)密度。導帶電子和價帶空穴的數(shù)密度。導帶電子導帶電子二二. 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體 在本征半導體中，以擴散的方式摻入微量其它元素的原子，這樣的半導體稱為雜質(zhì)半導體。例如，在半導體鍺（Ge）中摻入百萬分之一的砷（As），它的導電率將提高數(shù)萬倍。 雜質(zhì)半導體，由于所摻雜質(zhì)的類型不同，又可分為P型半導體和N型半導體。. n型半導體型

8、半導體四價的本征半導體四價的本征半導體 Si、等，摻入少量、等，摻入少量五價的五價的雜質(zhì)雜質(zhì)（impurity）元素（如元素（如P、As等）形成電子型半導體等）形成電子型半導體,稱稱 n 型半導體。型半導體。施主能級的形成施主能級的形成 常用作參雜的半導體基體多為常用作參雜的半導體基體多為量子力學表明，這種摻雜后多余的電子的能量子力學表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中緊靠空帶處級在禁帶中緊靠空帶處, ED10-2eV，極易，極易形成電子導電。形成電子導電。 計算表明，此時的雜質(zhì)即稱為施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)。 n 型半導體型半導體 在在n型半導體中型半導體中 電子電子多數(shù)載流子多數(shù)載流子EDSi

9、SiSiSiSiSiSiP空穴空穴少數(shù)載流子少數(shù)載流子空空 帶帶滿滿 帶帶施主能級施主能級Eg兩點說明：兩點說明： 第一，施主雜質(zhì)中多余的價電子，當其處于施主能級上時是不參與導電的。只是在其受激（不論何種原因）后遷入導帶后才能參與導電。 第二，在N型半導體中，除了躍入導帶中的施主雜質(zhì)中的多余價電子外，還有基體半導體中的電子空穴對，即還有本征載流子。但這時導帶中的電子主要是來自施主雜質(zhì)中的價電子。.型半導體型半導體四價的本征半導體四價的本征半導體Si、e等，摻入少量等，摻入少量三價的三價的雜質(zhì)雜質(zhì)元素（如、元素（如、Ga、n等）等）形成空穴型半導體，稱形成空穴型半導體，稱 p 型半導體。型半導體

10、。受主能級的形成受主能級的形成 在此時的雜質(zhì)即稱為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)?？湛?帶帶Ea滿滿 帶帶受主能級受主能級 P型半導體型半導體SiSiSiSiSiSiSi+BEg在在p型半導體中型半導體中 空穴空穴多數(shù)載流子多數(shù)載流子電子電子少數(shù)載流子少數(shù)載流子兩點說明：兩點說明： （1）受主能級中的空穴并不參與導電，參與導電的是：滿價能帶中電子躍遷到受主能級后遺留下的空穴。 （2）同樣，在P型半電體中也有兩種載流子，但主要是空穴載流子。雜質(zhì)半導體的示意圖雜質(zhì)半導體的示意圖+N型半導體多子多子電子電子少子少子空穴空穴P型半導體多子多子空穴空穴少子少子電子電子少子濃度少子濃度與溫度有關(guān)與溫度有關(guān)多子濃度多子濃

11、度與溫度無關(guān)與溫度無關(guān)3. n型化合物半導體型化合物半導體 例如，化合物例如，化合物GaAs中摻，六價的中摻，六價的Te替代五價的替代五價的As可形成施主能級，可形成施主能級，成為成為n型型GaAs雜質(zhì)半導體。雜質(zhì)半導體。4.型化合物半導體型化合物半導體例如，化合物例如，化合物 GaAs中摻中摻Zn，二價的，二價的Zn替代三價的替代三價的Ga可形成受主能級，可形成受主能級，成為成為p型型GaAs雜質(zhì)半導體。雜質(zhì)半導體。三三. 雜質(zhì)補償作用雜質(zhì)補償作用實際的半導體中既有施主雜質(zhì)（濃度實際的半導體中既有施主雜質(zhì)（濃度nd），），又有受主雜質(zhì)（濃度又有受主雜質(zhì)（濃度na），），兩種雜質(zhì)有補償作用：兩

12、種雜質(zhì)有補償作用： 若若nd na為為n型（施主）型（施主） 若若nd na為為p型（受主）型（受主）利用雜質(zhì)的補償作用，利用雜質(zhì)的補償作用，可以制成可以制成P-結(jié)。結(jié)。4 -結(jié)結(jié)一一.-結(jié)的形成結(jié)的形成在一塊在一塊 n 型半導體基片的一側(cè)摻入型半導體基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的較高濃度的受主雜質(zhì)，由于雜質(zhì)的補償作用，該區(qū)就成為型半導體。補償作用，該區(qū)就成為型半導體。由于區(qū)的電子向區(qū)擴散，區(qū)的由于區(qū)的電子向區(qū)擴散，區(qū)的空穴向區(qū)擴散，空穴向區(qū)擴散，在型半導體和在型半導體和型半導體的交界面附近產(chǎn)生了一個電型半導體的交界面附近產(chǎn)生了一個電場場,稱為內(nèi)稱為內(nèi)建場建場。內(nèi)建場大到一定內(nèi)建

13、場大到一定程度程度,不再有凈電不再有凈電荷的流動，達到荷的流動，達到了新的平衡。了新的平衡。在型在型 n型交界面型交界面附近形成的這種特附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為殊結(jié)構(gòu)稱為P-N結(jié)，結(jié)，約約0.1 m厚。厚。P-N結(jié)結(jié)阻阻En型型p型型內(nèi)建場阻止電子內(nèi)建場阻止電子和空穴進一步擴和空穴進一步擴散，記作散，記作 。阻阻EP-N結(jié)處存在電勢差結(jié)處存在電勢差Uo。 也阻止也阻止 N區(qū)區(qū)帶負電的電子進帶負電的電子進一步向一步向P區(qū)擴散。區(qū)擴散。它阻止它阻止 P區(qū)區(qū)帶正電的空穴進帶正電的空穴進一步向一步向N區(qū)擴散；區(qū)擴散；U00eU 電子能級電子能級電勢曲線電勢曲線電子電勢能曲線電子電勢能曲線P-N結(jié)結(jié)考

14、慮到考慮到P-結(jié)的存在，半導體中電子結(jié)的存在，半導體中電子的能量應(yīng)考慮進這內(nèi)建場帶來的電子的能量應(yīng)考慮進這內(nèi)建場帶來的電子附加勢能。附加勢能。 電子的能帶電子的能帶出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象?？諑Э諑Э諑Э諑-N結(jié)結(jié)0eU 施主能級施主能級受主能級受主能級滿帶滿帶滿帶滿帶二二 . -結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦? 正向偏壓正向偏壓在在-結(jié)結(jié)的的p型區(qū)接型區(qū)接電源正極，電源正極，叫正向偏壓。叫正向偏壓。阻擋層勢壘被削弱、變窄，阻擋層勢壘被削弱、變窄，有利于空穴有利于空穴向向N區(qū)運動，電子向區(qū)運動，電子向P區(qū)運動，區(qū)運動， 形成正向電流（形成正向電流（m級）。級）。Ep型型n型型I阻阻E外加正向

15、電壓越大，外加正向電壓越大，正向電流也越大，正向電流也越大，而且是呈非線性的而且是呈非線性的伏安特性伏安特性(圖為鍺管圖為鍺管)。V（伏）（伏）（毫安）（毫安）正向正向00.21.0I. 反向偏壓反向偏壓在在-結(jié)的型區(qū)接電源負極結(jié)的型區(qū)接電源負極,叫反向偏壓。叫反向偏壓。阻擋層勢壘增阻擋層勢壘增大、變寬，大、變寬，不不利于空穴向利于空穴向區(qū)運動，也不區(qū)運動，也不利于電子向利于電子向P區(qū)運動區(qū)運動,沒有正沒有正向電流。向電流。Ep型型n型型I阻阻E但是，由于少數(shù)但是，由于少數(shù)載流子的存在，載流子的存在，會形成很弱的反會形成很弱的反向電流，向電流，當外電場很強當外電場很強,反向電壓超過某一數(shù)值后，

16、反向電壓超過某一數(shù)值后，反向電流會急劇增大反向電流會急劇增大-反向擊穿。反向擊穿。稱為漏電流稱為漏電流（ 級）。級）。擊穿電壓擊穿電壓V(伏伏)I-（微安）（微安）反向反向-20-30利用利用P-N結(jié)結(jié) 可以作成具有整流、開關(guān)等可以作成具有整流、開關(guān)等作用的晶體二極管作用的晶體二極管（diode）。）。 半導體的其他特性和應(yīng)用半導體的其他特性和應(yīng)用 熱敏電阻熱敏電阻（自學）（自學） 光敏電阻（光敏電阻（自學）自學） 溫差電偶溫差電偶（自學）（自學） P-N結(jié)的適當組合可以作成具有放大結(jié)的適當組合可以作成具有放大作用的晶體三極管作用的晶體三極管（trasistor），），以以及其他一些晶體管。及

17、其他一些晶體管。 集成電路：集成電路：1947年年12月月23日，美國貝爾實驗室日，美國貝爾實驗室的半導體小組做出了世界上第一只的半導體小組做出了世界上第一只具有放大作用的具有放大作用的點接觸型點接觸型晶體三極管晶體三極管。固定針固定針B探針探針固定針固定針AGe晶片晶片1956年小組的三位成員獲諾貝爾物理獎。年小組的三位成員獲諾貝爾物理獎。pnp電信號電信號cbVebVcbRe后來，晶體管又從點接觸型發(fā)展到后來，晶體管又從點接觸型發(fā)展到面接觸型。面接觸型。晶體管比真空電子管體積小，重量輕，晶體管比真空電子管體積小，重量輕，成本低，可靠性高，壽命長，很快成為成本低，可靠性高，壽命長，很快成為第

18、二代電子器件。第二代電子器件。集成電路集成電路 大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路 超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路 下圖為下圖為INMOS T900 微處理器微處理器:每一個集成塊（圖中一個長方形部分）每一個集成塊（圖中一個長方形部分）約為手指甲大小，約為手指甲大小，它有它有300多萬個三極管。多萬個三極管。 半導體激光器半導體激光器半導體激光器是光纖通訊中的重半導體激光器是光纖通訊中的重要光源，在創(chuàng)建信息高速公路的要光源，在創(chuàng)建信息高速公路的工程中起著極重要的作用。工程中起著極重要的作用。核心部分是核心部分是p型型 GaAs 和和 n型型 GaAs構(gòu)成的構(gòu)成的 P-N結(jié)結(jié)（通過摻雜補償工藝制得）。（通過摻雜補償工藝制得）。最簡單的最簡單的GaAs同質(zhì)結(jié)半導體激光器，同質(zhì)結(jié)半導體激光器， 典型尺寸：典型尺寸： 長長 L = 250500 m 寬寬 = 510 m 厚厚 d = 0.10.2 m它的它的激勵能源激勵能源是外加電壓是外加電壓(電泵電泵)在正向在正向偏壓下工作。偏壓下工作。解理面解理面P-N結(jié)結(jié)P-N結(jié)結(jié)當正向電壓大到一定程度時，在某些特當正向電壓大到一定程度時，在某些特定的能級之間造成定的能級之間造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，的狀態(tài)，形成電子與空穴復合發(fā)光。