第2章半導體物理基礎講解

第2章半導體物理基礎講解電子共有化示意圖

第2章半導體物理基礎講解

2.1.2能帶

在孤立原子中，原子核外的電子按照一定的殼層排列，每一殼層容納一定數(shù)量的電子。每個殼層上的電子具有分立的能量值，也就是電子按能級分布，這種能量值稱為能級。

1.能帶

晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近（以硅為例，每立方厘米的體積內(nèi)有5×1022個原子，原子之間的最短距離為0.235nm），致使離原子核較遠的殼層發(fā)生交疊，殼層交疊使電子不再局限于某個原子上，有可能轉移到相鄰原子的相似殼層上去，也可能從相鄰原子運動到更遠的原子殼層上去。從而使本來處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此相對應的能級擴展為能帶。

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2．允帶、禁帶、滿帶、空帶

允許被電子占據(jù)的能帶稱為允許帶，也叫允帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，此范圍稱為禁帶。原子殼層中的內(nèi)層允許帶總是被電子先占滿，然后再占據(jù)能量更高的外面一層的允許帶。被電子占滿的允許帶稱為滿帶，每一個能級上都沒有電子的能帶稱為空帶。第2章半導體物理基礎講解

3.價帶、導帶

1）價帶與導帶的意義對于半導體，所有價電子所處的能帶是所謂價帶，比價帶能量更高的能帶是導帶。導帶是半導體最外面（能量最高）的一個能帶，是由許多準連續(xù)的能級組成的；是半導體的一種載流子，即自由電子（簡稱為電子）所處的能量范圍。

2）價帶與導帶的關系導帶底是導帶的最低能級，可看成是電子的勢能，通常，電子就處于導帶底附近；離開導帶底的能量高度，則可看成是電子的動能。導帶的底能級表示為Ec，價帶的頂能級表示為Ev，Ec與Ev之間的能量間隔為禁帶寬度Eg，單位是能量單位：eV（電子伏特）。第2章半導體物理基礎講解價帶與導帶的關系

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導體中的載流子是自由電子，半導體中的載流子則是帶負電的電子和帶正電的空穴。對于不同的材料，禁帶寬度不同，導帶中電子的數(shù)目也不同，從而有不同的導電性。第2章半導體物理基礎講解對于未摻雜的本征半導體，導帶中的電子是由它下面的一個能帶（即價帶）中的電子（價電子）躍遷上來而形成的，這種產(chǎn)生電子（同時也產(chǎn)生空穴，空穴是半導體的另外一種載流子）的過程，稱為本征激發(fā)。在本征激發(fā)過程中，電子和空穴是成對產(chǎn)生的，則總是電子濃度等于空穴濃度，這實際上就是本征半導體的特征。價帶頂與導帶底之間的能量差，就是所謂半導體的禁帶寬度。這就是產(chǎn)生本征激發(fā)所需要的最小平均能量。這是半導體最重要的一個特征參量。第2章半導體物理基礎講解

2.1.3雜質能級

理想的半導體晶體是十分純凈不含任何雜質，晶格中的原子嚴格按周期排列的。但實際應用中的半導體材料原子并不是靜止在具有嚴格周期性的晶格的格點位置上，而是在其平衡位置附近振動，半導體材料并不是純凈的，而是含有若干雜質的。

1.半導體中的雜質半導體中的雜質主要有兩方面的來源，一是制備半導體的原材料純度不夠高以及單晶制備過程中及器件制造過程中的沾污；二是為了半導體的性質而人為地摻入某種化學元素的原子。

第2章半導體物理基礎講解雜質存在半導體晶體中的填充方式有兩種，一種是雜質原子位于晶格原子間的間隙位置，叫做間隙式雜質填充；第二種是雜質原子取代晶格原子而位于晶格格點處，叫做替位式雜質填充。第2章半導體物理基礎講解

2.施主（donor）雜質和施主能級以硅中摻入磷（P）為例，來說明Ⅴ族元素雜質的作用。當一個磷原子占據(jù)了硅原子的位置，磷原子成為一個帶有一個正電荷的磷離子（P+），稱為正電中心磷離子。其效果相當于形成了一個正電中心和一個多余的電子。

第2章半導體物理基礎講解Ⅴ族元素雜質在硅、鍺中電離時，能夠施放電子而產(chǎn)生導電電子并形成正電中心，稱為施主雜質，也稱為N型雜質。施放電子的過程稱為施主電離。多余電子脫離雜質原子成為導電電子的過程稱為雜質電離。使這個多余電子掙脫束縛成為導電電子所需要的能量稱為雜質電離能，用ΔED表示。施主雜質的電離過程用能帶圖表示，電子得到能量ΔED后，就從施主的束縛態(tài)躍遷到導帶成為導電電子，被施主雜質束縛時的電子的能量比導帶底EC低ΔED，稱為施主能級，用ED表示，施主電離能ΔED=EC-ED。

第2章半導體物理基礎講解施主雜質的電離能帶圖

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3.受主（acceptor）雜質和受主能級以硅中摻入硼（B）為例，來說明Ⅲ族元素雜質的作用。當一個硼原子占據(jù)了硅原子的位置，硼原子成為一個帶有一個負電荷的硼離子（B-），稱為負電中心硼離子。其效果相當于形成了一個負電中心和一個多余的空穴。

第2章半導體物理基礎講解Ⅲ族元素雜質在硅、鍺中能接受電子而產(chǎn)生導電空穴，并形成負電中心，稱為受主雜質，也稱為P型雜質?？昭⊕昝撌苤麟s質束縛的過程稱為受主電離。多余空穴脫離雜質原子成為導電空穴的過程稱為雜質電離。使這個多余空穴掙脫束縛成為導電空穴所需要的能量稱為雜質電離能，用ΔEA表示。受主雜質的電離過程用能帶圖表示，如圖2-9所示，空穴得到能量ΔEA后，就從受主的束縛態(tài)躍遷到價帶成為導電空穴，被受主雜質束縛時的空穴的能量比價帶頂EV低ΔEA，稱為受主能級，用EA表示，施主電離能ΔEA=EV-EA。

第2章半導體物理基礎講解受主雜質的電離能帶圖

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4.雜質的補償作用在半導體材料中，同時存在著施主和受主雜質，應該比較兩者濃度的大小，由濃度大的雜質來決定半導體的導電類型，從而判斷半導體是N型還是P型。施主和受主雜質之間有相互抵消的作用，稱為雜質的補償作用。

若晶體中雜質很多，但不能向導帶和價帶提供電子和空穴，此時稱為雜質的高度補償。這種材料容易被誤認為是高純度的半導體，實際上卻含有很多雜質，性能很差。第2章半導體物理基礎講解施主雜質濃度高于受主雜質濃度補償作用示意圖第2章半導體物理基礎講解受主雜質濃度高于施主雜質濃度補償作用示意圖第2章半導體物理基礎講解

2.2

半導體的載流子運動

參與導電的電子和空穴統(tǒng)稱為半導體的載流子。對于本征半導體產(chǎn)生載流子主要通過本征激發(fā)，電子從價帶躍遷到導帶，形成導帶電子和價帶空穴，電子和空穴同時參與導電。在導電電子和空穴產(chǎn)生的同時，還存在與之相反的過程，這一與載流子產(chǎn)生過程相反的過程稱為載流子的復合。一定溫度下，載流子產(chǎn)生和復合的過程建立起動態(tài)平衡，即單位時間內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)等于復合掉的電子-空穴對數(shù)，稱為熱平衡狀態(tài)。半導體的導電性與溫度密切相關，這主要是由于半導體中的載流子濃度隨溫度劇烈變化所造成的。

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2.2.1載流子濃度與費米能級

1.費米能級在一定的溫度熱平衡狀態(tài)下，電子按能級大小具有一定的統(tǒng)計分布規(guī)律，即電子在不同的能量的量子態(tài)上統(tǒng)計分布幾率是一定的。費米能級EF，大多數(shù)情況下，費米能級的數(shù)值在半導體能帶的禁帶范圍內(nèi)，和溫度、半導體材料的導電類型、雜質的含量以及能量零點的選取有關。費米能級在半導體物理中是個很重要的物理參數(shù)，只要知道了他的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計分布就完全確定了。第2章半導體物理基礎講解根據(jù)量子統(tǒng)計理論，電子遵循費米統(tǒng)計規(guī)律，對于能量為E的一個量子態(tài)被一個電子占據(jù)的幾率為費米分布函數(shù)f（E），因此，費米能級是量子態(tài)基本上被電子占據(jù)或基本上是空的一個標志。

當T＞0K時，若E＜EF，則f（E）＞1/2；若E=EF，則f（E）=1/2；若E＞EF，則f（E）＜1/2。對于本征半導體，費米能級大致在禁帶的中央；對于N型半導體費米能級比較靠近導帶，并且摻雜濃度越高，費米能級離導帶越近；對于P型半導體費米能級比較靠近價帶，并且摻雜濃度越高，費米能級離價帶越近。第2章半導體物理基礎講解不同溫度的費米分布函數(shù)曲線

第2章半導體物理基礎講解不同摻雜半導體的費米能級

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2.本征半導體的載流子濃度當半導體的溫度大于絕對零度時，就有電子從價帶激發(fā)到導帶去，同時價帶中產(chǎn)生空穴，這就是本征激發(fā)。由于電子和空穴成對出