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1、第2章半导体物理基础本讲稿第一页，共二十六页电子共有化示意图 本讲稿第二页，共二十六页n 2.1.2 能带 在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布，这种能量值称为能级。n 1.能带 晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近（以硅为例，每立方厘米的体积内有51022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm），致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能
2、量差异，与此相对应的能级扩展为能带。本讲稿第三页，共二十六页n 2允带、禁带、满带、空带 允许被电子占据的能带称为允许带，也叫允带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带。本讲稿第四页，共二十六页n 3.价带、导带n 1）价带与导带的意义 对于半导体，所有价电子所处的能带是所谓价带，比价带能量更高的能带是导带。导带是半导体最外面（能量最高）的一个能带，是由许多准连续的能级组成的；是半导体的一种载流子，即自由电子（简称为电子）所处的能量范围。
3、n 2）价带与导带的关系 导带底是导带的最低能级，可看成是电子的势能，通常，电子就处于导带底附近；离开导带底的能量高度，则可看成是电子的动能。导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔为禁带宽度Eg，单位是能量单位：eV（电子伏特）。本讲稿第五页，共二十六页价带与导带的关系 本讲稿第六页，共二十六页 导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。本讲稿第七页，共二十六页 对于未掺杂的本征半导体，导带中的电子是由它下面的一个能带（即价带）中的电子（价电子）跃迁上来而
4、形成的，这种产生电子（同时也产生空穴，空穴是半导体的另外一种载流子）的过程，称为本征激发。在本征激发过程中，电子和空穴是成对产生的，则总是电子浓度等于空穴浓度，这实际上就是本征半导体的特征。价带顶与导带底之间的能量差，就是所谓半导体的禁带宽度。这就是产生本征激发所需要的最小平均能量。这是半导体最重要的一个特征参量。本讲稿第八页，共二十六页n 2.1.3 杂质能级 理想的半导体晶体是十分纯净不含任何杂质，晶格中的原子严格按周期排列的。但实际应用中的半导体材料原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动，半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质的。n 1.半导体中的杂
5、质 半导体中的杂质主要有两方面的来源，一是制备半导体的原材料纯度不够高以及单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污；二是为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。本讲稿第九页，共二十六页 杂质存在半导体晶体中的填充方式有两种，一种是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，叫做间隙式杂质填充；第二种是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，叫做替位式杂质填充。本讲稿第十页，共二十六页n 2.施主（donor）杂质和施主能级 以硅中掺入磷（P）为例，来说明族元素杂质的作用。当一个磷原子占据了硅原子的位置，磷原子成为一个带有一个正电荷的磷离子（P+），称为正电中心磷离子。其效果相当于形成了一个正电中心和一
6、个多余的电子。本讲稿第十一页，共二十六页 族元素杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质，也称为N型杂质。施放电子的过程称为施主电离。多余电子脱离杂质原子成为导电电子的过程称为杂质电离。使这个多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂质电离能，用ED表示。施主杂质的电离过程用能带图表示，电子得到能量ED后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，被施主杂质束缚时的电子的能量比导带底EC低ED，称为施主能级，用ED表示，施主电离能ED=EC-ED。本讲稿第十二页，共二十六页施主杂质的电离能带图 本讲稿第十三页，共二十六页n 3.受主（acceptor）杂质
7、和受主能级 以硅中掺入硼（B）为例，来说明族元素杂质的作用。当一个硼原子占据了硅原子的位置，硼原子成为一个带有一个负电荷的硼离子（B-），称为负电中心硼离子。其效果相当于形成了一个负电中心和一个多余的空穴。本讲稿第十四页，共二十六页 族元素杂质在硅、锗中能接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，称为受主杂质，也称为P型杂质。空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离。多余空穴脱离杂质原子成为导电空穴的过程称为杂质电离。使这个多余空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为杂质电离能，用EA表示。受主杂质的电离过程用能带图表示，如图2-9所示，空穴得到能量EA后，就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，
8、被受主杂质束缚时的空穴的能量比价带顶EV低EA，称为受主能级，用EA表示，施主电离能EA=EV-EA。本讲稿第十五页，共二十六页受主杂质的电离能带图 本讲稿第十六页，共二十六页n 4.杂质的补偿作用 在半导体材料中，同时存在着施主和受主杂质，应该比较两者浓度的大小，由浓度大的杂质来决定半导体的导电类型，从而判断半导体是N型还是P型。施主和受主杂质之间有相互抵消的作用，称为杂质的补偿作用。若晶体中杂质很多，但不能向导带和价带提供电子和空穴，此时称为杂质的高度补偿。这种材料容易被误认为是高纯度的半导体，实际上却含有很多杂质，性能很差。本讲稿第十七页，共二十六页施主杂质浓度高于受主杂质浓度补偿作用示
9、意图 本讲稿第十八页，共二十六页受主杂质浓度高于施主杂质浓度补偿作用示意图 本讲稿第十九页，共二十六页n 2.2 半导体的载流子运动 参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子。对于本征半导体产生载流子主要通过本征激发，电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴，电子和空穴同时参与导电。在导电电子和空穴产生的同时，还存在与之相反的过程，这一与载流子产生过程相反的过程称为载流子的复合。一定温度下，载流子产生和复合的过程建立起动态平衡，即单位时间内产生的电子-空穴对数等于复合掉的电子-空穴对数，称为热平衡状态。半导体的导电性与温度密切相关，这主要是由于半导体中的载流子浓度随温度剧烈变化所造成的。本
10、讲稿第二十页，共二十六页n 2.2.1 载流子浓度与费米能级 n 1.费米能级 在一定的温度热平衡状态下，电子按能级大小具有一定的统计分布规律，即电子在不同的能量的量子态上统计分布几率是一定的。费米能级EF，大多数情况下，费米能级的数值在半导体能带的禁带范围内，和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。费米能级在半导体物理中是个很重要的物理参数，只要知道了他的数值，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。本讲稿第二十一页，共二十六页 根据量子统计理论，电子遵循费米统计规律，对于能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率为费米分布函数f（E），因此，费米能级是量
11、子态基本上被电子占据或基本上是空的一个标志。当T0K时，若EEF，则f（E）1/2；若E=EF，则f（E）=1/2；若EEF，则f（E）1/2。对于本征半导体，费米能级大致在禁带的中央；对于N型半导体费米能级比较靠近导带，并且掺杂浓度越高，费米能级离导带越近；对于P型半导体费米能级比较靠近价带，并且掺杂浓度越高，费米能级离价带越近。本讲稿第二十二页，共二十六页不同温度的费米分布函数曲线 本讲稿第二十三页，共二十六页不同掺杂半导体的费米能级 本讲稿第二十四页，共二十六页n 2.本征半导体的载流子浓度 当半导体的温度大于绝对零度时，就有电子从价带激发到导带去，同时价带中产生空穴，这就是本征激发。由于电子和空穴成对出现，导带中的电子浓度应等于价带中的空穴浓度也就是本征载流子浓度。一定的半导体材料，其本征载流子浓度随温度上而迅速增加；不同的半导体材料在同一温度下，禁带宽度越大，本征载流子浓度就越小。n 3.杂质半导体的载流子浓度 N型半导体中，电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流子，简称少子；P型半导体中，空穴为多数载流子，电子为少数载流子。本讲稿第二十五页，共二十六页n 2.2.2 载流子的运动 半导体内的载流子有三种运动：载流子的扩散运动，载流子的热运动和载流子的漂移运动。1.热运动 2.载流子的漂移运动 3.载流子的扩散运动本讲稿第二十六页，共二十六页