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1、第3节 半导体基础知识第1页，共26页，编辑于2022年，星期一本征半导体热热平平衡衡下下载载流流子子浓浓度度第3节半导体基础知识非非平平衡衡下下载载流流子子浓浓度度载载流流子子的的扩扩散散与与漂漂移移N型半导体 掺杂半导体P型半导体载流子能带结构能带的形成能带的形成 能带理论晶体晶体第2页，共26页，编辑于2022年，星期一1、能带的形成原子能级：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。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。第3页，共26页，编辑
2、于2022年，星期一晶体能带（EnegyBand）：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，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，这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。电子共有化，能子共有化，能级扩展展为能能带示意示意图a)单个原子b)N个原子第4页，共26页，编辑于2022年，星期一不同材料的能带表示不同材料的能带表示a)绝缘体体 b)半半导体体 c)金属金属 导体：电阻率10-610-3cm绝缘体：电阻率1
3、012cm半导体：绝缘体电阻率导体第5页，共26页，编辑于2022年，星期一2、能带结构晶体是由大量的原子有序组合而成，各个原子间的能量相近能级必须对应于整个晶体的多个能量稍有差别的能级，这些能级相互靠的很近，分布在一定的能量区域，称之为能带。第6页，共26页，编辑于2022年，星期一允带：允许被电子占据的能带称为允带。禁带：界于导带和价带之间的区域称为禁带。满带：被电子占满的允带。价带：原子最外层电子为价电子，这一层分裂所形成的能带 为价带。导带：价带以上的空带中，能量最低的能带称为导带。空带：没有电子进入的能带称为空带第7页，共26页，编辑于2022年，星期一价带导电：价带中的一些电子在外
4、界作用下跃迁到导带，留下”空位“，在外电场作用下，这些”空位“会被其它电子补充。新产生的”空位“又会被重新补充，从而形成电流。导带导电时，导带电子越多，导电能力越强；价带导电时，价带的电子”空位“越多，电子越少，导电能力越强。电子和空穴统称为”载流子“。第8页，共26页，编辑于2022年，星期一3、晶体1、现代固体电子与光电子器件大多由半导体材料制备，半导体材料大多为晶体。2、晶体中原子有序排列，非晶体中原子无序排列。3、晶体分为单晶与多晶：单晶在一块材料中，原子全部作有规则的周期排列。多晶只在很小范围内原子作有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界隔开。(a)金刚石结构（Ge
5、、Si晶体）(b)闪锌矿结构（GaAs晶体）第9页，共26页，编辑于2022年，星期一（1）本征半导体1、结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。例如纯净的硅称为本征硅。2、本征硅中，自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产生的，所以电子浓度n等于空穴浓度p，并称之为本征载流子浓度ni。3、ni随温度升高而增加，随禁带宽度的增加而减小。4、室温下硅的ni约为1010/cm3。半导体导电特性分析：半导体导电特性分析：硅原子外层4个电子与相邻原子形成共价键形成原子外层有8个电子的稳定结构共价键上电子束缚力较小受激跃过禁带且占据价带上的能带（电子跃迁）电子由价带跃迁到导带形成自由电子电场作用形成电流价带中
6、产生自由空穴外场作用电子填补空缺若空穴发生定向移动形成电流第10页，共26页，编辑于2022年，星期一（2）掺杂半导体（非本征半导体）半导体中人为地掺入少量杂质形成掺杂半导体。掺杂半导体分为施主能级和受主能级施主能级：释放电子，能级靠近导带低部，电子浓度高。受主能级：接受电子，能级靠近价带顶部，空穴浓度高。据此又分为N型半导体和P型半导体杂质成分与含量对半导体导电性能影响很大。在技术上通常用控制杂质含量（即掺杂）来控制半导体导电特性。第11页，共26页，编辑于2022年，星期一1)N型半导体1、在四价原子硅（Si）晶体中掺入五价原子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半导体。2、在晶格中某个硅
7、原子被磷原子所替代，五价原子用四个价电子与周围的四价原子形成共价键，而多余一个电子，此多余电子受原子束缚力要比共价键上电子所受束缚力小得多，容易被五价原子释放，游离跃迁到导带上形成自由电子。3、易释放电子的原子称为施主，施主束缚电子的能量状态称为施主能级ED。ED位于禁带中，较靠近材料的导带底。ED与Ec间的能量差称为施主电离能。4、N型半导体由施主控制材料导电性。总结:N型半导体中主要载流子是电子,也有少量的空穴电子:多数载流子(多子)空穴:少数载流子(少子)第12页，共26页，编辑于2022年，星期一第13页，共26页，编辑于2022年，星期一2)P型半导体型半导体1、在四价原子硅（Si）
8、晶体中掺入三价原子，例如硼（B），形成P型半导体。2、晶体中某个硅原子被硼原子所替代，硼原子的三个价电子和周围的硅原子中四个价电子要组成共价键，形成八个电子的稳定结构，尚缺一个电子。于是很容易从硅晶体中获取一个电子形成稳定结构，使硼原子外层多了一个电子变成负离子，而在硅晶体中出现空穴。3、容易获取电子的原子称为受主。受主获取电子的能量状态称为受主能级EA，也位于禁带中。在价带顶Ev附近，EA与Ev间能量差称为受主电离能。4、P型半导体由受主控制材料导电性。总结:P型半导体中主要载流子是空穴,也有少量的电子载流子空穴:多数载流子(多子)电子:少数载流子(少子)第14页，共26页，编辑于2022年
9、，星期一第15页，共26页，编辑于2022年，星期一N型半型半导体与体与P型半型半导体的比体的比较半导体所掺杂质多数载流子(多子)少数载流子(少子)特性N型型施主施主杂质电子子空穴空穴电子浓度nn空穴浓度pnP型型受主受主杂质空穴空穴电子子电子浓度np空穴浓度pp杂质硅的原子硅的原子图象和能象和能带图a)N型半导体b)P型半导体第16页，共26页，编辑于2022年，星期一掺杂对半半导体体导电性能的影响性能的影响的理论解释的理论解释半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。因此虽然只有少量杂质，
10、却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。第17页，共26页，编辑于2022年，星期一4、热平衡下载流子浓度、热平衡下载流子浓度1、在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导体中的自由电子和空穴是由热激激发产生的。2、电子从不断热振动的晶体中获得一定的能量，从价带跃迁到导带，形成自由电子，同时在价带中出现自由空穴。3、在热激发同时，电子也从高能量的量子态跃迁到低能量的量子状态，向晶格放出能量，这就是载流子的复合。4、在一定温度下，激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态，此时载流子浓度即为某一稳定值。1）热平衡状平衡状态第18页，共26页，编辑于2022年，星
11、期一2）热平衡状平衡状态时的载流子浓度时的载流子浓度热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：1、在能带中能态（或能级）的分布。根据量子理论和泡利不相容原理，能态分布服从费米统计分布规律。2、这些能态中每一个能态可能被电子占据的概率。在某温度下热平衡态，能量为E的能态被电子占据的概率由费米-狄拉克函数给出，即：f(E)：费米分布函数，能量E的概率分布函数，k：波耳兹曼常数，1.3810-23J/K T：绝对温度，EF：费米能级第19页，共26页，编辑于2022年，星期一5、非平衡下载流子浓度、非平衡下载流子浓度非平衡非平衡载流子流子的概念的概念1、半导体在外界条件有变化（如受光照、外电场作
12、用、温度变化）时，载流子浓度要随之发生变化，此时系统的状态称为非热平衡态。2、载流子浓度对于热平衡状态时浓度的增量称为非平衡载流子。电注入注入：通过半导体界面把载流子注入半导体，使热平衡受到破坏。光注入光注入：光注入下产生非平衡载流子表现为价带中的电子吸收了光子能量从价带跃迁到导带，同时在价带中留下等量的空穴。第20页，共26页，编辑于2022年，星期一（1）半导体材料的光吸收效应本征吸收：本征半导体吸收光子能量过程称为本征吸收。它只取决于半导体本身的性质，与所含的杂质无关。本征半导体吸收条件：光子的能量大于禁带宽度：(1)则存在一个波长红限：（2）第21页，共26页，编辑于2022年，星期一
13、杂质吸收掺杂半导体在光照的作用下，中性施主电子可以吸收光子而跃迁到导带，中性受主的束缚空穴也可吸收光子跃迁到价带，这种吸收称为杂质吸收。它们所需的能量即为电离能ED 和EA，则：（3）2）非平衡下载流子浓度）非平衡下载流子浓度光照半导体材料载流子浓度增加停止光照光生载流子不再产生载流子浓度减小到热平衡时的浓度复合产生第22页，共26页，编辑于2022年，星期一6、载流子的扩散、漂移和复合、载流子的扩散、漂移和复合1）扩散当材料的局部位置受到光照时，该位置的光生载流子的浓度比平均值要高，这时电子将丛浓度高的点向浓度低的点运动，这种现象称为扩散扩散。扩散的特点：具有一定的方向，可以形成电流。电子电
14、流密度JnD和空穴电流密度JpD与光生电子浓度梯度dn/dx和光生空穴浓度载流子梯度dp/dx的关系为：（4）Dn和Dp分别为电子的扩散系数和空穴的扩散系数。（5）第23页，共26页，编辑于2022年，星期一2）漂移半导体受外场作用时其中电子向正极方向运动,空穴向负极运动，这种运动称为漂移漂移。由欧姆定律的微分形式知电流密度矢量J正比于电场矢量E（沿x方向）:（6）电流密度J大小和载流子浓度以及其沿电场漂移的速度成正比，对N型有：（7）电子沿x方向的速度与电场成线性关系：（8）第24页，共26页，编辑于2022年，星期一n为电子的迁移率,单位为:cms-1/(vcm-1),由(6)-(8)得：
15、（9）同样对P型有：（10）则漂移产生的电子和空穴电流密度矢量分别为:（11）当扩散与漂移同时存在时,总的电子和空穴电流密度矢量分别为分别为:（12）总电流密度为:（13）第25页，共26页，编辑于2022年，星期一3）复合 直接复合直接复合导带中中电子直接跳回到价子直接跳回到价带，与价，与价带中的空穴复合。中的空穴复合。间接复合接复合通通过复合中心复合复合中心复合。自由电子和自由空穴直接复合自由电子和自由空穴直接复合：导带电子直接落在价带空穴的位置上，与空穴结合失去其自由态的过程。通过复合中心的间接复合通过复合中心的间接复合：半导体中由于晶体结构不完整和杂质的存在，在禁带中存在一些深能级，这些深能级可以俘获电子和空穴，从而使他们复合。这个过程称为间接复合。第26页，共26页，编辑于2022年，星期一