第二章半導(dǎo)體物理和半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)

1、第二章 半導(dǎo)體物理和器件物理基礎(chǔ) 金屬（導(dǎo)體）金屬（導(dǎo)體）: 106104( cm)-1 半導(dǎo)體半導(dǎo)體: 10410-10( cm)-1 絕緣體絕緣體: 小于小于10-10( cm)-1半導(dǎo)體材料（半導(dǎo)體材料（semiconductor material）是一類具）是一類具有半導(dǎo)體性能（導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間）可有半導(dǎo)體性能（導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間）可用來(lái)制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。用來(lái)制作半導(dǎo)體器件和集成電路的電子材料。l溫度升高使半導(dǎo)體導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率下降溫度升高使半導(dǎo)體導(dǎo)電能力增強(qiáng)，電阻率下降 如室溫附近的純硅(Si)，溫度每增加8，電阻率相應(yīng)地降低50%左右 反

2、之，純凈半導(dǎo)體在低溫下的電阻率很高，呈現(xiàn)出絕緣性半導(dǎo)體金屬絕緣體RT幾種材料電阻率與溫度的關(guān)系：l 微量雜質(zhì)含量可以顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力微量雜質(zhì)含量可以顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力 以純硅中每100萬(wàn)個(gè)硅原子摻進(jìn)一個(gè)族雜質(zhì)（比 如磷）為例，這時(shí) 硅的純度仍高達(dá)99.9999%，但電阻率在室溫下卻由大約214,000cm降至0.2cm以下l 適當(dāng)波長(zhǎng)的光照可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力適當(dāng)波長(zhǎng)的光照可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力 如在絕緣襯底上制備的硫化鎘(CdS)薄膜，無(wú)光照時(shí)的暗電阻為幾十M，當(dāng)受光照后電阻值可以下降為幾十K 此外，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還隨電場(chǎng)、磁場(chǎng)等的作用而此外，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力還隨電場(chǎng)、

3、磁場(chǎng)等的作用而改變即半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力可以由外界控制改變即半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力可以由外界控制 1.無(wú)機(jī)半導(dǎo)體晶體材料無(wú)機(jī)半導(dǎo)體晶體材料(1)元素半導(dǎo)體晶體元素半導(dǎo)體晶體Si、Ge、Se 等元素等元素?zé)o機(jī)半導(dǎo)體晶體材料包含元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體晶體材料包含元素半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體及固溶體半導(dǎo)體。體及固溶體半導(dǎo)體。 2.1.3 幾種典型的半導(dǎo)體材料幾種典型的半導(dǎo)體材料 在元素周期表的在元素周期表的AA族至族至AA族分布著族分布著1111種具有半導(dǎo)性的元素種具有半導(dǎo)性的元素。 C C表示金剛石。表示金剛石。C C、P P、SeSe具有絕緣體具有絕緣體與半導(dǎo)體兩種形態(tài)與半導(dǎo)體兩種形態(tài); ; B B

4、、SiSi、GeGe、TeTe具有半導(dǎo)性；具有半導(dǎo)性； SnSn、AsAs、SbSb具有半導(dǎo)體與金屬兩種形具有半導(dǎo)體與金屬兩種形態(tài)。態(tài)。 P P的熔點(diǎn)與沸點(diǎn)太低的熔點(diǎn)與沸點(diǎn)太低,的蒸汽壓太高的蒸汽壓太高、容易分解，所以它們的實(shí)用價(jià)值不、容易分解，所以它們的實(shí)用價(jià)值不大。大。 AsAs、SbSb、SnSn的穩(wěn)定態(tài)是金屬，半導(dǎo)體的穩(wěn)定態(tài)是金屬，半導(dǎo)體是不穩(wěn)定的形態(tài)。是不穩(wěn)定的形態(tài)。 B B、C C、TeTe也因制備工藝上的困難和性也因制備工藝上的困難和性能方面的局限性而尚未被利用。能方面的局限性而尚未被利用。 元素半導(dǎo)體中只有元素半導(dǎo)體中只有GeGe、SiSi、Se 3Se 3種元種元素已得到利用

5、素已得到利用。GeGe、SiSi仍是所有半導(dǎo)仍是所有半導(dǎo)體材料中應(yīng)用最廣的兩種材料。體材料中應(yīng)用最廣的兩種材料。硅是最典型、用量最廣泛而數(shù)量最多的半導(dǎo)體硅是最典型、用量最廣泛而數(shù)量最多的半導(dǎo)體材料。材料。 硅在化學(xué)元素周期表中位于硅在化學(xué)元素周期表中位于族。族。 硅原子中有硅原子中有1414個(gè)電子圍繞原子個(gè)電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)。核運(yùn)動(dòng)。4 4個(gè)電子處于最外層個(gè)電子處于最外層，即價(jià)電子。，即價(jià)電子。a）硅晶體的立體結(jié)構(gòu)示意圖）硅晶體的立體結(jié)構(gòu)示意圖 b）硅晶體的平面結(jié)構(gòu)示意圖）硅晶體的平面結(jié)構(gòu)示意圖 每個(gè)硅原子有四個(gè)近鄰硅原子，每?jī)蓚€(gè)相鄰原子之間有一每個(gè)硅原子有四個(gè)近鄰硅原子，每?jī)蓚€(gè)相鄰原子之間有

6、一對(duì)電子，與對(duì)電子，與2 2個(gè)原子核都有吸引作用，稱為共價(jià)鍵。個(gè)原子核都有吸引作用，稱為共價(jià)鍵。 靠共價(jià)鍵作用，硅原子緊緊結(jié)合在一起構(gòu)成晶體?？抗矁r(jià)鍵作用，硅原子緊緊結(jié)合在一起構(gòu)成晶體。 硅晶體是金剛石結(jié)構(gòu)。硅晶體是金剛石結(jié)構(gòu)。 硅晶體中，共價(jià)鍵上的電子擺脫束縛所需要的能量是硅晶體中，共價(jià)鍵上的電子擺脫束縛所需要的能量是1.121.12電子伏特（電子伏特（eVeV）鍺（鍺（GeGe）是最早實(shí)現(xiàn)提純和完美晶體生長(zhǎng)）是最早實(shí)現(xiàn)提純和完美晶體生長(zhǎng)的半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體材料 鍺在化學(xué)元素周期表中位于鍺在化學(xué)元素周期表中位于族。族。 鍺原子中有鍺原子中有3232個(gè)電子圍繞原子個(gè)電子圍繞原子核運(yùn)動(dòng)。核運(yùn)動(dòng)。

7、4 4個(gè)電子處于最外層，個(gè)電子處于最外層，即價(jià)電子。即價(jià)電子。 靠共價(jià)鍵作用，鍺原子緊緊結(jié)靠共價(jià)鍵作用，鍺原子緊緊結(jié)合在一起構(gòu)成晶體。合在一起構(gòu)成晶體。 鍺晶體是金剛石結(jié)構(gòu)。鍺晶體是金剛石結(jié)構(gòu)。 由于鍺比硅的原子序數(shù)大，鍺由于鍺比硅的原子序數(shù)大，鍺對(duì)價(jià)電子的束縛能力弱，價(jià)鍵對(duì)價(jià)電子的束縛能力弱，價(jià)鍵上的電子擺脫束縛需要的能量上的電子擺脫束縛需要的能量較小，約為較小，約為0.78eV0.78eV。硒硒(Se)(Se)是最早發(fā)現(xiàn)并被利用的元素半導(dǎo)體，曾是最早發(fā)現(xiàn)并被利用的元素半導(dǎo)體，曾是固體整流器和光電池的重要材料。是固體整流器和光電池的重要材料。 鍵型和結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵 金剛石結(jié)構(gòu) a (T=300K

8、)5.43硒之原子密度(cm-3)Z=? 頂點(diǎn)：81/81面心：61/23體內(nèi)：4原子密度：1+3+4 8223383884.99 10(5.43 10)cmacm10-3103223121.45 10 cm1.45 10 cm4.99 103.44 10iinncm1原子密度化合物化合物半導(dǎo)體半導(dǎo)體-族族-族族金金屬氧化物屬氧化物-族族-族族-族族InP、GaN、GaAs、InSb、InAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSSiCGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO2(2)化合物半導(dǎo)體及固溶體半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體及固溶體

9、半導(dǎo)體 -族族:SiC:SiC具有閃鋅礦的結(jié)構(gòu)。具有閃鋅礦的結(jié)構(gòu)。-族族: :由周期表中由周期表中族元素族元素GaGa、InIn和和V V族元素族元素P P、AsAs、SbSb組成，典型的代表為組成，典型的代表為GaAsGaAs，InSbInSb，InPInP。它們。它們都具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)都具有閃鋅礦結(jié)構(gòu), , 在應(yīng)用方面僅次于在應(yīng)用方面僅次于GeGe、Si,Si,有很有很大的發(fā)展前途。大的發(fā)展前途。-族族:族元素族元素ZnZn、CdCd、HgHg和和族元素族元素S S、SeSe、TeTe形成的化合物，是一些重要的光電材料。形成的化合物，是一些重要的光電材料。ZnSZnS、CdTeCdTe、Hg

10、TeHgTe具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。-族：族：族元素族元素AsAs、SbSb、BiBi和和族元素族元素 S S、SeSe、TeTe形成的化合物具有的形式形成的化合物具有的形式, ,如如Bi2Te3Bi2Te3、Bi2Se3Bi2Se3、Bi2S3Bi2S3、As2Te3As2Te3等是重要的溫差電材料。等是重要的溫差電材料。第四周期中的第四周期中的B B族和過(guò)渡族元素族和過(guò)渡族元素CuCu、 ZnZn、ScSc、TiTi、V V、CrCr、MnMn、FeFe、CoCo、NiNi的氧化物的氧化物, ,為主要的熱敏電阻為主要的熱敏電阻材料。材料。 (1)非晶非晶Si、非晶、非晶Ge以及非晶

11、以及非晶Te、Se元素半導(dǎo)體元素半導(dǎo)體 (2)化合物有化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、Se2As3、As2SeTe非晶半導(dǎo)體非晶半導(dǎo)體2.無(wú)機(jī)非晶態(tài)半導(dǎo)體無(wú)機(jī)非晶態(tài)半導(dǎo)體這類半導(dǎo)體與晶態(tài)半導(dǎo)體的最大區(qū)別是這類半導(dǎo)體與晶態(tài)半導(dǎo)體的最大區(qū)別是不不具有嚴(yán)格周期性排列的晶體結(jié)構(gòu)具有嚴(yán)格周期性排列的晶體結(jié)構(gòu)。固體材料固體材料晶體：材料中原子規(guī)則排列晶體：材料中原子規(guī)則排列非晶體：材料中原子無(wú)規(guī)則排列非晶體：材料中原子無(wú)規(guī)則排列有機(jī)半導(dǎo)體通常分為有機(jī)分子晶體、有機(jī)分子絡(luò)有機(jī)半導(dǎo)體通常分為有機(jī)分子晶體、有機(jī)分子絡(luò)合物和高分子聚合物。合物和高分子聚合物。酞菁類及一些多環(huán)、稠環(huán)化合物，聚乙炔和環(huán)化酞

12、菁類及一些多環(huán)、稠環(huán)化合物，聚乙炔和環(huán)化脫聚丙烯腈等導(dǎo)電高分子，他們都具有大脫聚丙烯腈等導(dǎo)電高分子，他們都具有大鍵結(jié)鍵結(jié)構(gòu)。構(gòu)。 3.有機(jī)半導(dǎo)體有機(jī)半導(dǎo)體 電子的微觀運(yùn)動(dòng)服從不同于一般力學(xué)的量子力學(xué)規(guī)律，電子的微觀運(yùn)動(dòng)服從不同于一般力學(xué)的量子力學(xué)規(guī)律，其基本的特點(diǎn)包含以下兩種運(yùn)動(dòng)形式：其基本的特點(diǎn)包含以下兩種運(yùn)動(dòng)形式： （1 1）電子做穩(wěn)恒的運(yùn)動(dòng)，具有完全確定的能量。）電子做穩(wěn)恒的運(yùn)動(dòng)，具有完全確定的能量。這種恒這種恒穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為稱為量子態(tài)量子態(tài)，相應(yīng)的能量相應(yīng)的能量稱為稱為能級(jí)能級(jí)。 （2 2）一定條件下（原子間相互碰撞，或者吸收光能量）一定條件下（原子間相互碰撞，或者吸收光

13、能量等），等），電子可以發(fā)生從一個(gè)量子態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)量子態(tài)電子可以發(fā)生從一個(gè)量子態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)量子態(tài)的突變的突變，這種突變叫做，這種突變叫做量子躍遷量子躍遷。* * *量子態(tài)的最根本的特點(diǎn)是量子態(tài)的最根本的特點(diǎn)是只能取某些特定的值只能取某些特定的值，而不能，而不能取隨意值。取隨意值。 2.2 2.2 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子2.2.1 半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體的能帶量子態(tài)和能級(jí)量子態(tài)和能級(jí)討論電子的統(tǒng)計(jì)分布，最重要的是量子態(tài)的能討論電子的統(tǒng)計(jì)分布，最重要的是量子態(tài)的能量。量。能級(jí)圖：能級(jí)圖：用一系列高低不同的水平橫線來(lái)表示各個(gè)量用一系列高低不同的水平橫線來(lái)表示各個(gè)量子態(tài)所能取的能量子態(tài)所能取

14、的能量。量子態(tài)的能量只能取特定的值。量子態(tài)的能量只能取特定的值。量子態(tài)和能級(jí)量子態(tài)和能級(jí) 通常情況下，具有同一個(gè)能量的幾個(gè)量子態(tài)統(tǒng)稱為一通常情況下，具有同一個(gè)能量的幾個(gè)量子態(tài)統(tǒng)稱為一個(gè)能級(jí)。為了闡述的方便，我們將把每一個(gè)量子態(tài)稱為一個(gè)能級(jí)。為了闡述的方便，我們將把每一個(gè)量子態(tài)稱為一個(gè)能級(jí)。如果有幾個(gè)量子態(tài)具有相同的能量，就看成是幾個(gè)能級(jí)。如果有幾個(gè)量子態(tài)具有相同的能量，就看成是幾個(gè)能級(jí)重疊在一起。個(gè)能級(jí)重疊在一起。 同一個(gè)量子態(tài)不能有兩個(gè)電子。同一個(gè)量子態(tài)不能有兩個(gè)電子。 電子總是從一個(gè)已有電子的量子態(tài)躍遷到一個(gè)空的量子電子總是從一個(gè)已有電子的量子態(tài)躍遷到一個(gè)空的量子態(tài)。態(tài)?！翱漳芗?jí)空能級(jí)”或

15、空量子態(tài)在考慮躍遷的時(shí)候就十分重要。或空量子態(tài)在考慮躍遷的時(shí)候就十分重要。量子態(tài)和能級(jí)量子態(tài)和能級(jí)半導(dǎo)體是由大量原子組成的晶體，由于原子之間的距離很半導(dǎo)體是由大量原子組成的晶體，由于原子之間的距離很近，一個(gè)原子的外層電子不僅受到這個(gè)原子的作用，還將近，一個(gè)原子的外層電子不僅受到這個(gè)原子的作用，還將受到相鄰原子的作用，這樣就與相鄰原子中電子的量子態(tài)受到相鄰原子的作用，這樣就與相鄰原子中電子的量子態(tài)發(fā)生一定程度的交疊。通過(guò)發(fā)生一定程度的交疊。通過(guò)原子態(tài)的交疊原子態(tài)的交疊，電子可以從一，電子可以從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上。個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上。半導(dǎo)體中的能帶半導(dǎo)體中的能帶原子組合成晶體后，電子

16、的量子態(tài)將發(fā)生質(zhì)的變化，它將原子組合成晶體后，電子的量子態(tài)將發(fā)生質(zhì)的變化，它將不再是固定在個(gè)別原子上的運(yùn)動(dòng)，而是穿行于整個(gè)晶體的不再是固定在個(gè)別原子上的運(yùn)動(dòng)，而是穿行于整個(gè)晶體的運(yùn)動(dòng)，電子的這種質(zhì)變運(yùn)動(dòng)，電子的這種質(zhì)變稱為稱為“共有化共有化”。但是電子只能在能量相同的量子態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)移。因此，但是電子只能在能量相同的量子態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)移。因此，共有化的量共有化的量子態(tài)與原子的能級(jí)之間存在著直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系子態(tài)與原子的能級(jí)之間存在著直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。鑒于電子在晶體中。鑒于電子在晶體中的共有化運(yùn)動(dòng)可以有各種速度，的共有化運(yùn)動(dòng)可以有各種速度，從一個(gè)原子能級(jí)將演變出許多共有化從一個(gè)原子能級(jí)將演變出許多共有化

17、量子態(tài)。量子態(tài)。從從共有化量子態(tài)的能級(jí)圖及其與原子能級(jí)共有化量子態(tài)的能級(jí)圖及其與原子能級(jí)的關(guān)系，可以看的關(guān)系，可以看出，晶體中量子態(tài)的能級(jí)分成由高到低的很多組，分別與出，晶體中量子態(tài)的能級(jí)分成由高到低的很多組，分別與原子能級(jí)相對(duì)應(yīng)，每一組內(nèi)含有大量的、能量很接近的能原子能級(jí)相對(duì)應(yīng)，每一組內(nèi)含有大量的、能量很接近的能級(jí)，這樣迷你的能級(jí)看起來(lái)像一條帶子，因此成為級(jí)，這樣迷你的能級(jí)看起來(lái)像一條帶子，因此成為能帶能帶，能帶之間的間隙成為能帶之間的間隙成為禁帶禁帶，禁帶寬度禁帶寬度就是一個(gè)能帶到另一就是一個(gè)能帶到另一個(gè)能帶之間的能量差。個(gè)能帶之間的能量差。在原子中，內(nèi)層電子的能級(jí)都是被在原子中，內(nèi)層電子

18、的能級(jí)都是被電子填滿的。原子組成晶體后，與電子填滿的。原子組成晶體后，與這些內(nèi)層的能級(jí)相對(duì)于的能帶也是這些內(nèi)層的能級(jí)相對(duì)于的能帶也是被電子所填滿的。被電子所填滿的。在這些電子填滿在這些電子填滿的能帶中，能量最高的是價(jià)電子填的能帶中，能量最高的是價(jià)電子填充的能帶充的能帶，稱為，稱為價(jià)帶價(jià)帶。價(jià)帶以上的價(jià)帶以上的能帶基本上是空的，其中最低的沒(méi)能帶基本上是空的，其中最低的沒(méi)有被電子填充的能帶有被電子填充的能帶稱為稱為導(dǎo)帶導(dǎo)帶。能帶圖說(shuō)明的是電子的能量，并不是電子的實(shí)際位置。能帶圖說(shuō)明的是電子的能量，并不是電子的實(shí)際位置。半導(dǎo)體中的能帶半導(dǎo)體中的能帶構(gòu)成共價(jià)鍵的電子就構(gòu)成共價(jià)鍵的電子就是填充價(jià)帶的電子

19、，是填充價(jià)帶的電子，這是因?yàn)闃?gòu)成共價(jià)鍵這是因?yàn)闃?gòu)成共價(jià)鍵的是最外層電子，能的是最外層電子，能量最高，填充的是能量最高，填充的是能量最高的能帶量最高的能帶- -價(jià)帶。價(jià)帶。電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶的量子躍遷過(guò)程電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶的量子躍遷過(guò)程-電子、電子、空穴的產(chǎn)生！空穴的產(chǎn)生！能帶基礎(chǔ)上的電子和空穴能帶基礎(chǔ)上的電子和空穴電子擺脫共價(jià)鍵的過(guò)電子擺脫共價(jià)鍵的過(guò)程，從能帶上看，就程，從能帶上看，就是電子離開(kāi)價(jià)帶留下是電子離開(kāi)價(jià)帶留下空的能級(jí)?？盏哪芗?jí)。擺脫束縛擺脫束縛的電子到導(dǎo)帶中需要的電子到導(dǎo)帶中需要的能量最小。的能量最小。價(jià)帶：價(jià)帶：0K條件下被電子填充的條件下被電子填充的最外層價(jià)電子能級(jí)（最外層價(jià)電子能

20、級(jí)（能能量最高量最高）對(duì)應(yīng)）對(duì)應(yīng)的能帶的能帶導(dǎo)帶：導(dǎo)帶： 0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶條件下未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差（禁帶寬度）（禁帶寬度）半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)Eg電子能量EcEvgCVEEE半導(dǎo)體的能帶圖可簡(jiǎn)化成:導(dǎo)帶導(dǎo)帶半滿帶禁帶價(jià)帶禁帶價(jià)帶滿帶絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體的能帶示意圖導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體常溫下： Si：Eg=1.12ev Ge: Eg=0.67ev GaAs: Eg =1.43ev絕緣體的能帶寬度：6-7eV半導(dǎo)體的能帶寬度：1-3eVT=

21、0K的半導(dǎo)體能帶見(jiàn)圖 (a)，這時(shí)半導(dǎo)體的價(jià)帶是滿帶，而導(dǎo)帶是空帶，所以半導(dǎo)體不導(dǎo)電。當(dāng)溫度升高或在其它外界因素作用下，原先空著的導(dǎo)帶變?yōu)榘霛M帶，而價(jià)帶頂附近同時(shí)出現(xiàn)了一些空的量子態(tài)也成為半滿帶，這時(shí)導(dǎo)帶和價(jià)帶中的電子都可以參與導(dǎo)電，見(jiàn)圖 (b)。常溫下半導(dǎo)體價(jià)帶中已有不少電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中，因而具備一定的導(dǎo)電能力。圖 (c)是最常用的簡(jiǎn)化能帶圖。 (a) T=0K (b) T0K (c) 簡(jiǎn)化能帶圖圖2.7 半導(dǎo)體的能帶 雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)能級(jí) 雜質(zhì)出現(xiàn)在半導(dǎo)體中時(shí)，產(chǎn)生的附加勢(shì)場(chǎng)雜質(zhì)出現(xiàn)在半導(dǎo)體中時(shí)，產(chǎn)生的附加勢(shì)場(chǎng)使嚴(yán)格的周期性勢(shì)場(chǎng)遭到破壞使嚴(yán)格的周期性勢(shì)場(chǎng)遭到破壞半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原半導(dǎo)體中的雜質(zhì)

22、原子可以使電子在其子可以使電子在其周圍運(yùn)動(dòng)而形成周圍運(yùn)動(dòng)而形成量量子態(tài)子態(tài)雜質(zhì)量子態(tài)發(fā)熱能級(jí)位于禁帶之中雜質(zhì)量子態(tài)發(fā)熱能級(jí)位于禁帶之中 Ec 雜質(zhì)能級(jí) Ev 1、施主能級(jí)：、施主能級(jí)：舉例：舉例：Si中摻磷中摻磷P（Si：P） P取代硅的位置后，四個(gè)取代硅的位置后，四個(gè)價(jià)電子形成共價(jià)鍵，多余價(jià)電子形成共價(jià)鍵，多余的一個(gè)價(jià)電子成為自由電的一個(gè)價(jià)電子成為自由電子，雜質(zhì)本身則成為正電子，雜質(zhì)本身則成為正電中心中心正電中心束縛電子在其周正電中心束縛電子在其周圍運(yùn)動(dòng)形成量子態(tài)圍運(yùn)動(dòng)形成量子態(tài)原子對(duì)電子的束縛能力用原子對(duì)電子的束縛能力用電離能表示。電離能越大電離能表示。電離能越大表示原子對(duì)電子的束縛能表示

23、原子對(duì)電子的束縛能力越大。力越大。1、施主能級(jí)：、施主能級(jí)：舉例：舉例：Si中摻磷中摻磷P（Si：P） 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)P的電離能很小，的電離能很小，只有只有0.044eV，因此施主，因此施主上的上的電子幾乎都能全部電電子幾乎都能全部電離離，參與導(dǎo)電。，參與導(dǎo)電。原子對(duì)電子的束縛能力用原子對(duì)電子的束縛能力用電離能電離能表示。電離能越大表示。電離能越大表示原子對(duì)電子的束縛能表示原子對(duì)電子的束縛能力越大。力越大。電離的結(jié)果：導(dǎo)帶中的電子數(shù)增加了，這即是摻施主的意義所在。電離的結(jié)果：導(dǎo)帶中的電子數(shù)增加了，這即是摻施主的意義所在。施主的電離實(shí)質(zhì)上就是原來(lái)在施主能級(jí)上的電子躍遷到導(dǎo)帶中去，施主的電離實(shí)質(zhì)

24、上就是原來(lái)在施主能級(jí)上的電子躍遷到導(dǎo)帶中去，這個(gè)過(guò)程所需要的能量就是電離能。這個(gè)過(guò)程所需要的能量就是電離能。施主能級(jí)在導(dǎo)帶下面，與導(dǎo)帶的距離等于電離能。施主能級(jí)在導(dǎo)帶下面，與導(dǎo)帶的距離等于電離能。施 主 電 離 能：ED=EC-ED EgECEDEV施主能級(jí)與導(dǎo)施主能級(jí)與導(dǎo)帶的距離等于帶的距離等于電離能。電離能。束縛在雜質(zhì)能級(jí)上的施主雜質(zhì)的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶Ec成為導(dǎo)帶電子，該雜質(zhì)電離后成為正電中心（正離子）。 Si、Ge中族雜質(zhì)的電離能ED（eV）晶體 雜 質(zhì) P As Sb Si 0.044 0.049 0.039 Ge 0.0126 0.0127 0.00962、受主能級(jí)：舉例：Si中摻硼

25、B（Si：B）受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)B的電離能很小，的電離能很小，只有只有0.044eV，因此施主，因此施主上的上的電子幾乎都能全部電電子幾乎都能全部電離離，參與導(dǎo)電。，參與導(dǎo)電。受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)B只有只有3個(gè)價(jià)電子，個(gè)價(jià)電子，代替硅形成四個(gè)共價(jià)鍵，代替硅形成四個(gè)共價(jià)鍵，需要奪取一個(gè)電子，將形需要奪取一個(gè)電子，將形成一個(gè)負(fù)電中心同時(shí)產(chǎn)生成一個(gè)負(fù)電中心同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴。一個(gè)空穴。負(fù)電中心可以吸引帶正電負(fù)電中心可以吸引帶正電的空穴在其周圍運(yùn)動(dòng)形成的空穴在其周圍運(yùn)動(dòng)形成量子態(tài)量子態(tài)2、受主能級(jí)：舉例：Si中摻硼B(yǎng)（Si：B）受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)B的電離能很小，的電離能很小，只有只有0.045eV，因此受主，因

26、此受主上的空穴上的空穴幾乎都能全部電幾乎都能全部電離離，形成自由導(dǎo)電的空穴。，形成自由導(dǎo)電的空穴。使空穴擺脫受主束縛的能使空穴擺脫受主束縛的能量就是受主的電離能量就是受主的電離能電離的結(jié)果：價(jià)帶中的空穴數(shù)增加了，這即是摻雜受主的意義所在。電離的結(jié)果：價(jià)帶中的空穴數(shù)增加了，這即是摻雜受主的意義所在。受主雜質(zhì)的電離實(shí)質(zhì)上就是電子躍遷到受主能級(jí)的過(guò)程，這個(gè)過(guò)受主雜質(zhì)的電離實(shí)質(zhì)上就是電子躍遷到受主能級(jí)的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程所需要的能量就是電離能。程所需要的能量就是電離能。受主能級(jí)在價(jià)帶上面，與價(jià)帶的距離等于電離能。受主能級(jí)在價(jià)帶上面，與價(jià)帶的距離等于電離能。受主 電 離 能： EA=EA-EVEgEAEAE

27、VEC受主能級(jí)與價(jià)帶的受主能級(jí)與價(jià)帶的距離等于電離能。距離等于電離能。束縛在雜質(zhì)能級(jí)上的受主雜質(zhì)的空穴被激發(fā)到價(jià)帶Ev成為價(jià)帶空穴，該雜質(zhì)電離后成為負(fù)電中心（負(fù)離子）。Si、Ge中族雜質(zhì)的電離能EA（eV）晶體 雜 質(zhì) B Al Ga In Si 0.045 0.057 0.065 0.16 Ge 0.01 0.01 0.011 0.011能級(jí)在有電子的時(shí)候呈電中性，失去電子后成為正電中能級(jí)在有電子的時(shí)候呈電中性，失去電子后成為正電中心，具有這個(gè)特點(diǎn)的雜質(zhì)能級(jí)稱為心，具有這個(gè)特點(diǎn)的雜質(zhì)能級(jí)稱為施主能級(jí)施主能級(jí)。能級(jí)在沒(méi)有電子的時(shí)候呈電中性，有電子的時(shí)候是帶負(fù)能級(jí)在沒(méi)有電子的時(shí)候呈電中性，有電子

28、的時(shí)候是帶負(fù)電的中心，具有這個(gè)特點(diǎn)的雜質(zhì)能級(jí)稱為電的中心，具有這個(gè)特點(diǎn)的雜質(zhì)能級(jí)稱為受主能級(jí)受主能級(jí)。 上述雜質(zhì)的特點(diǎn)：施主電離能ED Eg受主電離能 EA Eg 淺能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)淺淺能級(jí)雜質(zhì)：施主能級(jí)和受主能級(jí)分別距離導(dǎo)帶能級(jí)雜質(zhì)：施主能級(jí)和受主能級(jí)分別距離導(dǎo)帶和價(jià)帶非常近，電離能很小和價(jià)帶非常近，電離能很小深深能級(jí)雜質(zhì)：施主能級(jí)和受主能級(jí)分別距離導(dǎo)帶能級(jí)雜質(zhì)：施主能級(jí)和受主能級(jí)分別距離導(dǎo)帶和價(jià)帶非常遠(yuǎn)，電離能很大和價(jià)帶非常遠(yuǎn)，電離能很大淺能級(jí)雜質(zhì)與深能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)與深能級(jí)雜質(zhì)（1）淺能級(jí)雜質(zhì)）淺能級(jí)雜質(zhì)E DEAEcEvEDEgEAEg淺淺能級(jí)雜質(zhì)：施主能級(jí)和受主能級(jí)分別距離導(dǎo)帶能

29、級(jí)雜質(zhì)：施主能級(jí)和受主能級(jí)分別距離導(dǎo)帶和價(jià)帶非常近，電離能很小和價(jià)帶非常近，電離能很?。?）深能級(jí)雜質(zhì)）深能級(jí)雜質(zhì)E D EgEA EgE DEAEAE DEcEv深深能級(jí)雜質(zhì)：施主能級(jí)和受主能級(jí)分別距離導(dǎo)帶能級(jí)雜質(zhì)：施主能級(jí)和受主能級(jí)分別距離導(dǎo)帶和價(jià)帶非常遠(yuǎn)，電離能很大和價(jià)帶非常遠(yuǎn)，電離能很大淺能級(jí)雜質(zhì)與深能級(jí)雜質(zhì)淺能級(jí)雜質(zhì)與深能級(jí)雜質(zhì) 同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)時(shí)將同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)時(shí)將相互補(bǔ)償相互補(bǔ)償，這是因?yàn)閷?dǎo)，這是因?yàn)閷?dǎo)帶和施主能級(jí)比價(jià)帶和受主能級(jí)要高很多，導(dǎo)帶和施主能帶和施主能級(jí)比價(jià)帶和受主能級(jí)要高很多，導(dǎo)帶和施主能級(jí)上的電子先去填充空的受主和價(jià)帶能級(jí)。級(jí)上的電子先去填充空的受主和

30、價(jià)帶能級(jí)。（A）NDNA時(shí) n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 所以：有效的施主濃度 ND*=ND-NAEDEA 因 EA 在 ED 之下， ED上的束縛電子首先填充EA上的空位，即施主與受主先相互“抵抵消消”，剩余的束縛電子再電離到導(dǎo)帶上。雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用（B）NAND時(shí)時(shí) p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 因 EA 在 ED 之下， ED上的束縛電子首先填充EA上的空位，即施主與受主先相互“抵消抵消”，剩余的束縛空穴再電離到價(jià)帶上。ED EA所以：有效的受主濃度 NA*=NA-NDniP型補(bǔ)償型補(bǔ)償量子躍遷和禁帶寬度量子躍遷和禁帶寬度 電子的量子躍遷與能量密切相關(guān)。電子必須吸收能量才能從低能電子的量子躍遷與

31、能量密切相關(guān)。電子必須吸收能量才能從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)；電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)則必須把多余的能量級(jí)躍遷到高能級(jí)；電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)則必須把多余的能量放出來(lái)。放出來(lái)。對(duì)于半導(dǎo)體，對(duì)于半導(dǎo)體，電子躍遷中的交換能量可以是熱運(yùn)動(dòng)的能量電子躍遷中的交換能量可以是熱運(yùn)動(dòng)的能量，稱為，稱為熱躍遷熱躍遷。也可以是光能量，稱為。也可以是光能量，稱為光躍遷光躍遷。隨著溫度升高，原子熱振動(dòng)劇烈，更多電子會(huì)從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶隨著溫度升高，原子熱振動(dòng)劇烈，更多電子會(huì)從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶（熱躍遷熱躍遷），同時(shí)也有電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶。本章的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)），同時(shí)也有電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶。本章的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律（熱平衡和偏離平衡

32、）就是基于熱躍遷。律（熱平衡和偏離平衡）就是基于熱躍遷。施主和受主能級(jí)的電離施主和受主能級(jí)的電離也是熱躍遷過(guò)程。也是熱躍遷過(guò)程。 光躍遷的結(jié)果是光躍遷的結(jié)果是產(chǎn)生一對(duì)電子和空穴產(chǎn)生一對(duì)電子和空穴；光躍遷是許多半導(dǎo)體器件；光躍遷是許多半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。（的基礎(chǔ)。（i i）如利用光照產(chǎn)生電子）如利用光照產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)降低半導(dǎo)體電阻的原理空穴對(duì)降低半導(dǎo)體電阻的原理可以制成光敏電阻（可以制成光敏電阻（適合于紅外光的化合物半導(dǎo)體光敏電阻是現(xiàn)在適合于紅外光的化合物半導(dǎo)體光敏電阻是現(xiàn)在紅外探測(cè)的有力工具）。（紅外探測(cè)的有力工具）。（iiii）利用光照產(chǎn)生電子）利用光照產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)，在空穴對(duì)，在

33、PNPN結(jié)結(jié)上可以產(chǎn)生光電流和光生電壓的現(xiàn)象，上可以產(chǎn)生光電流和光生電壓的現(xiàn)象，制成太陽(yáng)能電池，光電二極制成太陽(yáng)能電池，光電二極管等光電轉(zhuǎn)換器件。管等光電轉(zhuǎn)換器件。電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶的空能級(jí)并把多余的能量作為光發(fā)射出來(lái)，電子從導(dǎo)帶躍遷到價(jià)帶的空能級(jí)并把多余的能量作為光發(fā)射出來(lái)，是是半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管半導(dǎo)體激光器、半導(dǎo)體發(fā)光二級(jí)管等新型發(fā)光器件的基礎(chǔ)等新型發(fā)光器件的基礎(chǔ)。這些這些器件利用器件利用PNPN結(jié)注入載流子，產(chǎn)生大量多余的電子和空穴（非平衡載結(jié)注入載流子，產(chǎn)生大量多余的電子和空穴（非平衡載流子），從而造成躍遷發(fā)光的條件。流子），從而造成躍遷發(fā)光的條件。光躍遷光躍遷 電子作光

34、躍遷的時(shí)候，光的吸收和發(fā)射都是取光子的形式。電子作光躍遷的時(shí)候，光的吸收和發(fā)射都是取光子的形式。 要利用光照在半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子要利用光照在半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子- -空穴對(duì)，光子的能量必須空穴對(duì)，光子的能量必須等于等于或大于禁帶寬度或大于禁帶寬度。光躍遷（光吸收）光躍遷（光吸收） 一般來(lái)講，導(dǎo)帶電子集中在導(dǎo)帶的最底部，空穴集中在價(jià)帶頂部，一般來(lái)講，導(dǎo)帶電子集中在導(dǎo)帶的最底部，空穴集中在價(jià)帶頂部，所以，導(dǎo)帶電子躍遷到價(jià)帶空能級(jí)的光躍遷中所發(fā)出的光的波長(zhǎng)所以，導(dǎo)帶電子躍遷到價(jià)帶空能級(jí)的光躍遷中所發(fā)出的光的波長(zhǎng)由由禁帶寬度決定，基本上等于禁帶寬禁帶寬度決定，基本上等于禁帶寬。如如GaPGaP或者或者GaP

35、GaP和和GaAsGaAs的混合晶體（的混合晶體（GaAsGaAs1-x1-xP Px x）可以實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光發(fā)射，）可以實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光發(fā)射，用于可見(jiàn)光二極管器件。用于可見(jiàn)光二極管器件。光躍遷（光發(fā)射）光躍遷（光發(fā)射）本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)通過(guò)一定的材料生長(zhǎng)工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成通過(guò)一定的材料生長(zhǎng)工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成晶體晶體。 現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：完全純凈（無(wú)摻雜）的、結(jié)構(gòu)完整完全純凈（無(wú)摻雜）的、結(jié)構(gòu)完整（無(wú)缺陷）的半

36、導(dǎo)體晶體。（無(wú)缺陷）的半導(dǎo)體晶體。2.2.2 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相鄰的原子之間形成子與其相鄰的原子之間形成共價(jià)鍵共價(jià)鍵，共用一，共用一對(duì)價(jià)電子。對(duì)價(jià)電子。硅 和 鍺 的硅 和 鍺 的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)：金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)SiSiSiSiSi晶體之美在于規(guī)則與共享硅和鍺的硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共共價(jià)鍵共用電子對(duì)用電子對(duì)+4+4+4+4+4表

37、示除表示除去價(jià)電子去價(jià)電子后的原子后的原子共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，常溫共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子自由電子，因此本，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對(duì)

38、在絕對(duì)0度度（T=0K）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí)和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí), ,價(jià)電子完全價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即子（即載流子載流子），它的導(dǎo)電能力為），它的導(dǎo)電能力為 0，相當(dāng)于絕緣體。，相當(dāng)于絕緣體。在較高溫度（激光照射）下，在較高溫度（激光照射）下，由于熱激發(fā)（光子能量激發(fā)由于熱激發(fā)（光子能量激發(fā)) )，使一，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為價(jià)鍵的束縛，成為自由電子自由電子，同時(shí)，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴空穴。這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為本

39、征激發(fā)本征激發(fā)。(1)(1)載流子電子和空穴載流子電子和空穴+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子光照或熱激發(fā)停止后，注入的非平衡載流子并不能一直存在下去，激發(fā)到導(dǎo)帶的電子又回到價(jià)帶，電子和空穴成對(duì)的消失（湮滅），使半導(dǎo)體由非平衡態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)，這一過(guò)程稱為非平衡載流子的復(fù)合。 +4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子空穴吸引附近的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流可以認(rèn)為空穴是載流子。子。所以較高溫度下的本征半導(dǎo)體

40、中存在數(shù)量相所以較高溫度下的本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即等的兩種載流子，即自由自由電子電子和和空穴空穴。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流?？昭ㄒ苿?dòng)產(chǎn)生的電流。本征半導(dǎo)體，載流子的來(lái)源是電子本征半導(dǎo)體，載流子的來(lái)源是電子-空穴對(duì)的產(chǎn)空穴對(duì)的產(chǎn)生，每產(chǎn)生一個(gè)電子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴，所以生，每產(chǎn)生一個(gè)電子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴，所以電子和空穴濃度相等。電子和空穴濃度相等。np這個(gè)共同的濃度稱為本征載流子濃度，用這個(gè)共同的濃度稱為本征載流子濃度，用ni表示。表示。 ni與禁帶寬度和溫度

41、有關(guān)。在熱平衡條件下，電與禁帶寬度和溫度有關(guān)。在熱平衡條件下，電子和空穴的乘積是恒定的。子和空穴的乘積是恒定的。2innp 溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載電能力取決于載流子的濃度。流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。空穴移動(dòng)

42、產(chǎn)生的電流。GO/(2)3/21EkTinpnK TeT=0K時(shí)時(shí), ni=pi=0,絕緣體絕緣體T=300K時(shí)時(shí), 硅的硅的ni=pi=1.431010cm-3（1）半導(dǎo)體中存在兩種載流子，帶負(fù)電的自由電子和帶正）半導(dǎo)體中存在兩種載流子，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴。而導(dǎo)體中只有一種載流子：自由電子，這是電的空穴。而導(dǎo)體中只有一種載流子：自由電子，這是半導(dǎo)體與導(dǎo)體的一個(gè)本質(zhì)區(qū)別。半導(dǎo)體與導(dǎo)體的一個(gè)本質(zhì)區(qū)別。 （2）本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴相伴產(chǎn)生，數(shù)目相同。）本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴相伴產(chǎn)生，數(shù)目相同。 （3）一定溫度下，本征半導(dǎo)體中電子空穴對(duì)的產(chǎn)生與復(fù)）一定溫度下，本征半導(dǎo)體中電

43、子空穴對(duì)的產(chǎn)生與復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，電子空穴對(duì)的數(shù)目相對(duì)穩(wěn)定。合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，電子空穴對(duì)的數(shù)目相對(duì)穩(wěn)定。 （4）光照、溫度升高等外界條件影響下，激發(fā)的電子空）光照、溫度升高等外界條件影響下，激發(fā)的電子空穴對(duì)數(shù)目增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力增強(qiáng)穴對(duì)數(shù)目增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力增強(qiáng)。 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻入的雜質(zhì)使半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。入的雜質(zhì)使半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也空穴濃度

44、大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。稱為（空穴半導(dǎo)體）。N 型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體也稱為（電子半導(dǎo)體) )。SiSiSiSiSi這是本征半導(dǎo)體下面用硅晶體來(lái)解釋下面用硅晶體來(lái)解釋n型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體，1、N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷( (或或銻銻) )，晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的某些原子被雜質(zhì)原子，晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的某些原子被雜質(zhì)原子( (如磷原子如磷原子) )取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電取代，磷原子的最外層有五個(gè)價(jià)電子，其中四個(gè)與

45、相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，子，其中四個(gè)與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱為出一個(gè)電子，稱為施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)。PSiSiSiSi多一個(gè)電子，價(jià)帶中形成一個(gè)電子（負(fù)電荷）?，F(xiàn)在的半導(dǎo)體就成了帶負(fù)電荷的半導(dǎo)體，n型半導(dǎo)體P我是我是V族有族有5個(gè)電子，個(gè)電子，組織派我來(lái)站崗，組織派我來(lái)站崗，與四族兄弟一起，與四族兄弟一起，價(jià)帶多了一個(gè)電子價(jià)帶多了一個(gè)電子

46、+4+4+5+4多余多余電子電子磷原子磷原子(1).(1).由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。(2).(2).本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。本征半導(dǎo)體中成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流多數(shù)載流子子（多子多子），空穴稱為），空穴稱為少數(shù)載流子少數(shù)載流子（少子少子）。）。2.2.P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼（或銦）

47、，晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)（或銦），晶體點(diǎn)陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的取代，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為原子接受電子，所以稱為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiB我是硼原子，組織需要我站在Si的位置。但我只有三個(gè)電子，還能共享嗎？Si

48、SiSiSiSiSi硼原子，是III族元素，只有三個(gè)電子SiSiSiSiSiSiSiSiSiB缺一個(gè)電子，有著特殊的美。B在規(guī)則的Si晶體中是一個(gè)雜質(zhì)，就是這些雜質(zhì)成就了今天的半導(dǎo)體世界。SiSiSiSiSiSiSi+4SiSiSiSi原子核的正電荷數(shù)量與電子的負(fù)電荷數(shù)量相等本征半導(dǎo)體，呈現(xiàn)電中性BSiSiSiSi缺一個(gè)電子，價(jià)帶中形成一個(gè)空穴（hole，正電荷）。現(xiàn)在的半導(dǎo)體就成了帶正電荷的半導(dǎo)體，p型半導(dǎo)體初中物理告訴我們：初中物理告訴我們：電子是負(fù)電荷電子是負(fù)電荷空穴是正電荷空穴是正電荷+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少

49、子。電子電子- -空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合 N N型半導(dǎo)體中，電子是多子（多數(shù)載流子）；空穴是少子型半導(dǎo)體中，電子是多子（多數(shù)載流子）；空穴是少子（少數(shù)載流子）。（少數(shù)載流子）。P P型半導(dǎo)體中，空穴是多子；電子是少子型半導(dǎo)體中，空穴是多子；電子是少子。為什么電子和空穴總是同時(shí)存在于半導(dǎo)體中的呢？為什么電子和空穴總是同時(shí)存在于半導(dǎo)體中的呢？根本原因在于根本原因在于晶格的熱振動(dòng)促使電子不斷地發(fā)生從價(jià)帶到導(dǎo)晶格的熱振動(dòng)促使電子不斷地發(fā)生從價(jià)帶到導(dǎo)帶的熱躍遷。帶的熱躍遷。要注意的是，熱運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是：要注意的是，熱運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)是：不論運(yùn)動(dòng)的方不論運(yùn)動(dòng)的方向或者是運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱，都不是整齊劃一的，

50、而是極不規(guī)則的。向或者是運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱，都不是整齊劃一的，而是極不規(guī)則的。原子的振動(dòng)可以去各個(gè)方向，振動(dòng)的能量有大有小，原子的振動(dòng)可以去各個(gè)方向，振動(dòng)的能量有大有小，kTkT只代只代表一個(gè)平均值。表一個(gè)平均值?？傆猩倭吭拥哪芰窟h(yuǎn)遠(yuǎn)大于總有少量原子的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于kTkT！大量原子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出確定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，具大量原子的不規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出確定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，具有各種不同的熱振動(dòng)能量的原子之間保持確定的比例。有各種不同的熱振動(dòng)能量的原子之間保持確定的比例。根據(jù)熱運(yùn)動(dòng)理論，振動(dòng)能量很大，超過(guò)某一能量根據(jù)熱運(yùn)動(dòng)理論，振動(dòng)能量很大，超過(guò)某一能量E E的原子的原子所占比例為：所占比例為：通常情況下，這

51、個(gè)比例很小，但是考慮到通常情況下，這個(gè)比例很小，但是考慮到單位體積原子單位體積原子總數(shù)很大，每秒振動(dòng)次數(shù)很大總數(shù)很大，每秒振動(dòng)次數(shù)很大，所以，實(shí)際仍有相當(dāng)大，所以，實(shí)際仍有相當(dāng)大量的原子有足夠的振動(dòng)能量是電子不斷發(fā)生從價(jià)帶到導(dǎo)量的原子有足夠的振動(dòng)能量是電子不斷發(fā)生從價(jià)帶到導(dǎo)帶的躍遷。帶的躍遷。比如比如SiSi，帶隙，帶隙E Eg g=1.1eV,=1.1eV,室溫下室溫下kT=0.026eV, kT=0.026eV, 可以計(jì)算得可以計(jì)算得到熱運(yùn)動(dòng)能量超過(guò)到熱運(yùn)動(dòng)能量超過(guò)EgEg的原子占得比例為大約的原子占得比例為大約3 3* *1010-19-19. .kTEe/電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶的熱躍遷電子從

52、價(jià)帶到導(dǎo)帶的熱躍遷被稱為被稱為電子電子- -空穴對(duì)的產(chǎn)生空穴對(duì)的產(chǎn)生過(guò)程過(guò)程。（。（這種熱躍遷還可以間接通過(guò)雜質(zhì)能級(jí)進(jìn)行！這種熱躍遷還可以間接通過(guò)雜質(zhì)能級(jí)進(jìn)行！）永不休止的電子永不休止的電子- -空穴對(duì)的產(chǎn)生總是伴隨著兩者無(wú)休止空穴對(duì)的產(chǎn)生總是伴隨著兩者無(wú)休止的復(fù)合的復(fù)合。 電子和空穴相遇時(shí)，電子可以從導(dǎo)帶落入價(jià)帶的這個(gè)電子和空穴相遇時(shí)，電子可以從導(dǎo)帶落入價(jià)帶的這個(gè)空能級(jí)空能級(jí)，此過(guò)程稱為，此過(guò)程稱為電子電子- -空穴的復(fù)合空穴的復(fù)合。如果沒(méi)有光照或者如果沒(méi)有光照或者PNPN結(jié)注入等結(jié)注入等外界影響，溫度又保持不變，半外界影響，溫度又保持不變，半導(dǎo)體中將在產(chǎn)生和復(fù)合的基礎(chǔ)上導(dǎo)體中將在產(chǎn)生和復(fù)合

53、的基礎(chǔ)上形成熱平衡。形成熱平衡。熱平衡時(shí)，電子和空穴的濃度熱平衡時(shí)，電子和空穴的濃度保持穩(wěn)定不變，但是產(chǎn)生和復(fù)合保持穩(wěn)定不變，但是產(chǎn)生和復(fù)合仍在持續(xù)不斷地發(fā)生。仍在持續(xù)不斷地發(fā)生。平衡是相平衡是相對(duì)的、有條件的，而產(chǎn)生和復(fù)合對(duì)的、有條件的，而產(chǎn)生和復(fù)合這一對(duì)矛盾的斗爭(zhēng)是絕對(duì)的。這一對(duì)矛盾的斗爭(zhēng)是絕對(duì)的。電子、空穴濃度的熱平衡關(guān)系電子、空穴濃度的熱平衡關(guān)系 在單位體積、單位時(shí)間內(nèi)復(fù)合與產(chǎn)生的電子在單位體積、單位時(shí)間內(nèi)復(fù)合與產(chǎn)生的電子- -空穴對(duì)的空穴對(duì)的數(shù)目數(shù)目分別為分別為電子和空穴的復(fù)合率和產(chǎn)生率電子和空穴的復(fù)合率和產(chǎn)生率。 復(fù)合率可以表示為：復(fù)合率可以表示為： 復(fù)合率復(fù)合率= =rnrn*

54、*p p n n和和p p分別為電子和空穴的濃度。分別為電子和空穴的濃度。r r是一個(gè)表示電子與空是一個(gè)表示電子與空穴復(fù)合作用強(qiáng)弱的常數(shù)，稱為穴復(fù)合作用強(qiáng)弱的常數(shù)，稱為 復(fù)合系數(shù)復(fù)合系數(shù)。 產(chǎn)生率可以表示為：產(chǎn)生率可以表示為： 產(chǎn)生率產(chǎn)生率= =KTKT3 3（電子（電子- -空穴對(duì)是由振動(dòng)能量超過(guò)禁帶寬度的原子產(chǎn)生?？昭▽?duì)是由振動(dòng)能量超過(guò)禁帶寬度的原子產(chǎn)生。產(chǎn)生率隨著溫度的升高而增加）產(chǎn)生率隨著溫度的升高而增加）kTEge/ 達(dá)到熱平衡時(shí)，復(fù)合率等于遷移率。因此：達(dá)到熱平衡時(shí)，復(fù)合率等于遷移率。因此： rn rn* *p= KTp= KT3 3 進(jìn)一步寫成：進(jìn)一步寫成： np=np=CTCT

55、3 3公式中兩個(gè)常數(shù)公式中兩個(gè)常數(shù)E Eg g和和C C都是有材料性質(zhì)決定，與摻雜無(wú)關(guān)。都是有材料性質(zhì)決定，與摻雜無(wú)關(guān)。對(duì)于對(duì)于SiSi， E Eg g=1.21 eV, =1.21 eV, C C=1.5=1.5* *10103333思考：如果思考：如果n=p, n=p, 那是一種什么情況呢？那是一種什么情況呢？kTEge/kTEge/本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 半導(dǎo)體中沒(méi)有雜質(zhì)，而完全靠半導(dǎo)體本身提供載流子的半導(dǎo)體中沒(méi)有雜質(zhì)，而完全靠半導(dǎo)體本身提供載流子的半導(dǎo)體半導(dǎo)體稱為稱為本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體（理想情況）。（理想情況）。這種情況下，載流子的形成完全依靠電子這種情況下，載流子的形成完全依靠電子-

56、 -空穴對(duì)的產(chǎn)空穴對(duì)的產(chǎn)生，因此，每產(chǎn)生一個(gè)電子，就同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴，生，因此，每產(chǎn)生一個(gè)電子，就同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴，電電子和空穴的濃度保持相等。子和空穴的濃度保持相等。 n ni i= C= C1/21/2T T3/23/2實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)際應(yīng)用中的“本征情況本征情況”是指溫度足夠高，本征激發(fā)是指溫度足夠高，本征激發(fā)的載流子遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了雜質(zhì)濃度時(shí)的情況。的載流子遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了雜質(zhì)濃度時(shí)的情況。kTEge2/ 對(duì)于半導(dǎo)體晶體管、集成電對(duì)于半導(dǎo)體晶體管、集成電路等器件，本征情況是一種路等器件，本征情況是一種參考標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)說(shuō)明器件使參考標(biāo)準(zhǔn)，用來(lái)說(shuō)明器件使用的溫度限制。用的溫度限制。熱平衡公式可以簡(jiǎn)寫成：熱

57、平衡公式可以簡(jiǎn)寫成： np=n np=ni i2 2非本征半導(dǎo)體的載流子非本征半導(dǎo)體的載流子2innp pn 在非本征情形在非本征情形: 熱平衡時(shí)熱平衡時(shí):n型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：n大于大于pp型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：p大于大于n多子：多數(shù)載流子多子：多數(shù)載流子n型半導(dǎo)體：電子型半導(dǎo)體：電子p型半導(dǎo)體：空穴型半導(dǎo)體：空穴少子：少數(shù)載流子少子：少數(shù)載流子n型半導(dǎo)體：空穴型半導(dǎo)體：空穴p型半導(dǎo)體：電子型半導(dǎo)體：電子電中性條件，多子、少子濃度電中性條件，多子、少子濃度 摻雜半導(dǎo)體中，由于電子摻雜半導(dǎo)體中，由于電子- -空穴對(duì)的產(chǎn)生，多子和少子空穴對(duì)的產(chǎn)生，多子和少子同時(shí)存在。同時(shí)存在。那么多子和少子的濃度

58、分別是多少呢那么多子和少子的濃度分別是多少呢？不能把雜質(zhì)提供的載流子和本征載流子當(dāng)做互不相干的不能把雜質(zhì)提供的載流子和本征載流子當(dāng)做互不相干的兩部分進(jìn)行機(jī)械相加。兩部分進(jìn)行機(jī)械相加。多子、少子的濃度是通過(guò)熱平衡多子、少子的濃度是通過(guò)熱平衡基本公式和電中性條件決定的?；竟胶碗娭行詶l件決定的。半導(dǎo)體內(nèi)部正負(fù)電荷總是保持相等，處于電中性狀態(tài)。半導(dǎo)體內(nèi)部正負(fù)電荷總是保持相等，處于電中性狀態(tài)。摻雜的作用就是通過(guò)電中性表現(xiàn)出來(lái)的。摻雜的作用就是通過(guò)電中性表現(xiàn)出來(lái)的。 電中性條件電中性條件電中性條件是指在半導(dǎo)體內(nèi)部電中性條件是指在半導(dǎo)體內(nèi)部正、負(fù)電荷總保持正、負(fù)電荷總保持相等相等，半導(dǎo)體材料處于電中性的

59、狀態(tài)。，半導(dǎo)體材料處于電中性的狀態(tài)。半導(dǎo)體摻雜的作用通過(guò)半導(dǎo)體摻雜的作用通過(guò)電中性條件電中性條件表現(xiàn)出來(lái)。表現(xiàn)出來(lái)。摻雜半導(dǎo)體中，多子和少子同時(shí)存在，多子和少摻雜半導(dǎo)體中，多子和少子同時(shí)存在，多子和少子的濃度通過(guò)子的濃度通過(guò)多子和少子平衡的基本公式多子和少子平衡的基本公式和和電中電中性條件性條件共同確定。共同確定。2innp n型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：施主濃度為施主濃度為ND電子濃度電子濃度 n Nd室溫下可以認(rèn)為施主全部電離，所以正電荷包括室溫下可以認(rèn)為施主全部電離，所以正電荷包括ND個(gè)電離施主和個(gè)電離施主和p個(gè)空穴，負(fù)電荷為個(gè)空穴，負(fù)電荷為n個(gè)電子個(gè)電子n = Nd+p在一般溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體

60、的雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)本在一般溫度范圍內(nèi)，半導(dǎo)體的雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)本征載流子濃度，少子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于摻雜濃度，少子征載流子濃度，少子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于摻雜濃度，少子濃度濃度p和和ND相比可以忽略相比可以忽略 空穴濃度空穴濃度 p ni2/Nd根據(jù)多子和少子平衡的基本公式根據(jù)多子和少子平衡的基本公式n型半導(dǎo)體：電子型半導(dǎo)體：電子 n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半導(dǎo)體：空穴型半導(dǎo)體：空穴 p Na 電子電子 n ni2/Na多子濃度多子濃度與雜質(zhì)濃度與雜質(zhì)濃度相等相等少子少子濃度與雜質(zhì)濃度濃度與雜質(zhì)濃度成反比成反比雜質(zhì)越多，雜質(zhì)越多，多子越多多子越多，少子越少。少子越少。金屬，全是自由電子，是導(dǎo)體n