《固体物理基础教学课件-》第5章-半导体.ppt

1、第五章第五章 半导体半导体1.1.半导体材料半导体材料 2.2.半导体掺杂机制半导体掺杂机制3.3.半导体能带结构半导体能带结构4.4.载流子漂移载流子漂移5.5.P-NP-N结结6.6.半导体发光机制半导体发光机制7.7.半导体光伏电池半导体光伏电池5.1 5.1 半导体材料半导体材料半导体材料的分类半导体材料的分类 I I（按功能分类）（按功能分类）电子材料电子材料检波检波/放大放大/整流整流/存储存储 光电材料光电材料发光发光/探测探测/光伏光伏/成像成像 热电材料热电材料 测温、发电测温、发电 传感材料传感材料气敏气敏/湿敏湿敏/热敏热敏/光敏光敏/磁敏磁敏 光子材料光子材料激光激光/

2、光传输光传输/光放大光放大/光计算光计算/光存储光存储 微波材料微波材料5.1 5.1 半导体材料半导体材料半导体材料的分类半导体材料的分类 IIII（按成分分类）（按成分分类）元素半导体元素半导体由单一元素构成的半导体材料，如锗、硅、硒等 化合物半导体化合物半导体由两种或两种以上元素构成的半导体材料，如InP,GaAs，Ga1-xAlxAs,GaN，ZnO，SiC等 有机半导体有机半导体由有机高分子材料构成的半导体，如电荷转移络合物，芳香族化合物 复合半导体复合半导体：两种或两种以上半导体材料的复合，如无机/无机，有机/无机，有机/有机复合5.1 5.1 半导体材料半导体材料半导体材料的分类

3、半导体材料的分类 IIIIII（按结构分类）（按结构分类）单晶半导体单晶半导体：整块半导体材料中的原子周期性地有序排列。：整块半导体材料中的原子周期性地有序排列。多晶半导体多晶半导体：半导体材料中分成许多区域，各区域内的原：半导体材料中分成许多区域，各区域内的原 子周期性地有序排列。子周期性地有序排列。非晶态半导体非晶态半导体：半导体材料中的原子排列长程没有周期性，：半导体材料中的原子排列长程没有周期性，但短程有序。但短程有序。异质结构半导体异质结构半导体：指外延层与衬底材料不同的半导体多层：指外延层与衬底材料不同的半导体多层 膜结构。膜结构。超晶格半导体超晶格半导体：利用外延技术制备的人工晶

4、体结构。：利用外延技术制备的人工晶体结构。纳米半导体纳米半导体：结构尺度为纳米的半导体材料，如纳米颗粒：结构尺度为纳米的半导体材料，如纳米颗粒 或纳米薄膜。或纳米薄膜。复合半导体复合半导体：两种或两种以上半导体材料的复合，如无机：两种或两种以上半导体材料的复合，如无机/无机，有机无机，有机/无机，有机无机，有机/有机复合。有机复合。5.1 5.1 半导体材料半导体材料常见半导体材料的结构常见半导体材料的结构 金刚石结构金刚石结构 轨道杂化导致四个价电轨道杂化导致四个价电子等价。子等价。(1s)(1s)2 2(2s)(2s)2 2(2p)(2p)2 2-(1s)(1s)2 2(2s)(2s)1

5、1(2p)(2p)3 3 面心立方面心立方两个面心立方点阵沿对两个面心立方点阵沿对角线相对移动角线相对移动1/41/4距离距离Si,Ge5.1 5.1 半导体材料半导体材料常见半导体材料的结构常见半导体材料的结构 闪锌矿结构：闪锌矿结构：与金刚石结构相似，闪与金刚石结构相似，闪锌矿结构也是一种由面锌矿结构也是一种由面心立方构成的复式格子，心立方构成的复式格子，但两套格子各自的原子但两套格子各自的原子不同。在这种结构中，不同。在这种结构中，既有轨道杂化，又有原既有轨道杂化，又有原子间的电荷转移，原子子间的电荷转移，原子间的键为离子键与共价间的键为离子键与共价键组成的混合键。所以键组成的混合键。所

6、以电子云的分布呈非对称电子云的分布呈非对称分布而偏向某一原子分布而偏向某一原子 GaAsGaAs，ZnSZnS5.1 5.1 半导体材料半导体材料热力学稳定相为热力学稳定相为钎锌矿结构钎锌矿结构，宽带隙，缺乏中心对称性，具有，宽带隙，缺乏中心对称性，具有强的压电特性，对可见光透明等（强的压电特性，对可见光透明等（ZnOZnO）+-P常见半导体材料的结构常见半导体材料的结构5.2 5.2 半导体的导电机制半导体的导电机制n 本征半导体本征半导体（semiconductorsemiconductor）#本征半导体是指本征半导体是指纯净的纯净的半导体。半导体。#本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间

7、。本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。*本征半导体的能带结构：本征半导体的能带结构：所以加热、光照、加电场都能把电子所以加热、光照、加电场都能把电子从满带激到发空带中去，同时在满带从满带激到发空带中去，同时在满带中形成中形成 “空穴空穴”（holehole）半导体半导体的满带与空带之间也是禁带，的满带与空带之间也是禁带，但是但是禁带宽度禁带宽度E Eg g 很很窄窄 (0.1 0.1 2eV)2eV)E E空带空带(导带导带)满带满带 E Eg g=0.1=0.1 2eV2eV禁带禁带本征（纯净）半导体本征（纯净）半导体 T T=0K=0K时（绝缘体）时（绝缘体）以半导体以半导体 CdSC

8、dS为例为例满满 带带空空 带带h Eg=2.42eVp 满带上的一个电子跃迁满带上的一个电子跃迁到空带后，满带中出现一到空带后，满带中出现一个个带正电的带正电的空位，称为空位，称为 “空穴空穴”p 电子和空穴总是成对出电子和空穴总是成对出现的。现的。电子和空穴叫电子和空穴叫本征载流子，本征载流子，它们形成半导体的它们形成半导体的本征导电性本征导电性5.2 5.2 半导体的导电机制半导体的导电机制 当光照当光照 h h E Eg g 时，时，可发生可发生本征吸收，本征吸收，形成形成本征光电导。本征光电导。解解 maxmin hchEg nm514106.142.21031063.619834m

9、ax gEhc 例例 要使半导体要使半导体 Cd SCd S产生产生本征光电导本征光电导，求激求激发电子的光波的波长最大多长？发电子的光波的波长最大多长？5.2 5.2 半导体的导电机制半导体的导电机制空带空带满带满带在外电场作用下，电在外电场作用下，电子可以跃迁到空穴上子可以跃迁到空穴上来，这相当于来，这相当于 空穴反空穴反向跃迁向跃迁空穴跃迁也形成电流，空穴跃迁也形成电流，这称为这称为空穴导电空穴导电 Eg两种导电机制：两种导电机制：电子导电：电子导电：半导体的载流子是电子半导体的载流子是电子空穴导电：空穴导电：半导体的载流子是空穴半导体的载流子是空穴5.2 5.2 半导体的导电机制半导体

10、的导电机制 当当外电场足够强时，外电场足够强时，共有化电子还是能越过禁共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中，使带跃迁到上面的空带中，使半导体击穿半导体击穿 为什么导体的电阻随温度升为什么导体的电阻随温度升高而升高，高而升高，而半导体的电阻却随而半导体的电阻却随温度升高而降低？温度升高而降低？半导体半导体导体导体5.2 5.2 半导体的导电机制半导体的导电机制n 杂质杂质（impurityimpurity）半导体半导体1.n1.n型半导体型半导体 量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处，带中紧靠空带处，E ED D1010-2

11、-2eVeV，极易形成电子导电，极易形成电子导电该能级称为该能级称为施主施主（donordonor）能级。能级。本征半导体本征半导体 SiSi、GeGe等的四个价电子，与另四等的四个价电子，与另四个原子形成共价结合，当掺入少量五价的个原子形成共价结合，当掺入少量五价的杂质杂质元素（如元素（如P P、AsAs等）时，就形成了等）时，就形成了电子型半导体，电子型半导体，又称又称 n n 型半导体。型半导体。5.2 5.2 半导体掺杂半导体掺杂 n 型半导体型半导体 空空 带带满满 带带施主能级施主能级EDEgSiSiSiSiSiSiSiP5.2 5.2 半导体掺杂半导体掺杂Si Si 原子浓度原子

12、浓度101022 22 cmcm 3 3则则P P 原子浓度原子浓度101018 18 cmcm 3 3n np p=1.5=1.5101010 10 cmcm 3 3 室温下：室温下：本征激发本征激发杂质激发杂质激发导带中电子浓度导带中电子浓度n nn n=1.5=1.510101010 10101818101018 18 cmcm 3 3满带中空穴浓度满带中空穴浓度设设 SiSi中中P P的含量为的含量为1010 4 4在在n n型半导体中：型半导体中：电子是多数载流子，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。空穴是少数载流子。电子浓度电子浓度n nn n 施主杂质浓度施主杂质浓度n nd d

13、5.2 5.2 半导体掺杂半导体掺杂2.p型半导体型半导体 四价的本征半导体四价的本征半导体SiSi、e e等掺入少量三价等掺入少量三价的的杂质杂质元素（如、元素（如、GaGa、InIn等）时，就形成等）时，就形成空穴空穴型半导体，型半导体，又称又称 p p 型半导体。型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴能级在禁量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴能级在禁带中紧靠满带处，带中紧靠满带处，E EA A 10 10-1-1eVeV，极易产生空穴导电。，极易产生空穴导电。该能级称该能级称受主受主（acceptoracceptor）能级。能级。5.2 5.2 半导体掺杂半导体掺杂空空 带带EA满

14、满 带带受主能级受主能级 P型半导体型半导体SiSiSiSiSiSiSi+BEg5.2 5.2 半导体掺杂半导体掺杂SiSi原子浓度原子浓度101022 22 cmcm 3 3则则B B 原子浓度原子浓度101018 18 cmcm 3 3n np p=1.5=1.51010101010101818101018 18 cmcm 3 3 室温下：室温下：本征激发本征激发杂质激发杂质激发导带中电子浓度导带中电子浓度n nn n=1.5=1.510101010cmcm 3 3满带中空穴浓度满带中空穴浓度设设 SiSi中中B B的含量为的含量为10104 4 在在p p型半导体中：型半导体中：空穴是多

15、数载流子，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。电子是少数载流子。空穴浓度空穴浓度n np p 受主杂质浓度受主杂质浓度n na a5.2 5.2 半导体掺杂半导体掺杂3.n3.n型化合物半导体型化合物半导体 例如，化合物例如，化合物GaAsGaAs中掺中掺TeTe，六价的，六价的TeTe替代五替代五价的价的AsAs可形成施主能级，可形成施主能级，成为成为n n型型GaAsGaAs杂质半导体。杂质半导体。4.p4.p型化合物半导体型化合物半导体 例如，化合物例如，化合物 GaAsGaAs中掺中掺ZnZn，二价的，二价的ZnZn替代三替代三价的价的GaGa可形成受主能级，可形成受主能级，成为成为p

16、 p型型GaAsGaAs杂质半导体。杂质半导体。5.2 5.2 半导体掺杂半导体掺杂 SiSi可以替代可以替代GaGa，施主，施主 SiSi可以替代可以替代AsAs，受主，受主 施主施主/受主受主5/15/1化合物化合物GaAsGaAs中掺中掺SiSiu 杂质补偿作用杂质补偿作用 实际的半导体中既有施主杂质（浓度实际的半导体中既有施主杂质（浓度n nd d），又），又有受主杂质（浓度有受主杂质（浓度n na a），两种杂质有补偿作用：），两种杂质有补偿作用：若若nd na为为n n型（施主）型（施主）若若nd na为为p p型（受主）型（受主）利用杂质的补偿作用，利用杂质的补偿作用，可以制成可

17、以制成 p-n p-n 结结5.2 5.2 半导体掺杂半导体掺杂n 以上形成的施主或受主，称为类氢杂质能级以上形成的施主或受主，称为类氢杂质能级 特点：束缚能很小，对于产生电子和空穴特别有效，施特点：束缚能很小，对于产生电子和空穴特别有效，施主或受主的能级非常接近导带或价带，称主或受主的能级非常接近导带或价带，称浅能级杂质浅能级杂质n 深能级杂质深能级杂质一些掺杂半导体中的杂质或缺陷一些掺杂半导体中的杂质或缺陷在带隙中引入的能级较深，称在带隙中引入的能级较深，称 深能级杂质深能级杂质 掺掺AuAu的的SiSi半导体半导体 受主能级：导带下受主能级：导带下0.54 eV0.54 eV 施主能级：

18、价带上施主能级：价带上0.35 eV0.35 eV5.2 5.2 半导体掺杂半导体掺杂一般情况下深能级杂质大多为多重能级一般情况下深能级杂质大多为多重能级 在在SiSi中掺杂的中掺杂的AuAu原子为两重能级原子为两重能级 多重能级反映了杂质带电的情况多重能级反映了杂质带电的情况1)1)两个能级均无电子填充时，两个能级均无电子填充时，AuAu杂质带正电杂质带正电2)2)受主能级填充一个电子，施主受主能级填充一个电子，施主能级无电子填充时，能级无电子填充时，AuAu为中性为中性带电状态；带电状态；3)3)受主能级和施主能级都有电子受主能级和施主能级都有电子填充时，填充时，AuAu杂质带负电杂质带负

19、电5.2 5.2 半导体掺杂半导体掺杂n 深能级杂质和缺陷的作用深能级杂质和缺陷的作用1)1)可以成为有效复合中心，大可以成为有效复合中心，大大降低载流子的寿命；大降低载流子的寿命；2)2)可以成为非辐射复合中心，可以成为非辐射复合中心，影响半导体的发光效率；影响半导体的发光效率；3)3)可以作为补偿杂质，大大提可以作为补偿杂质，大大提高半导体材料的电阻率高半导体材料的电阻率18/185.2 5.2 半导体掺杂半导体掺杂掺杂的要求掺杂的要求高浓度高浓度 降低能量、可行性降低能量、可行性高效率高效率 能级小能级小高质量高质量 迁移率大迁移率大稳定性稳定性 化学键能大化学键能大高性价比高性价比 最

20、便宜最便宜环保性环保性 无毒、污染小无毒、污染小5.2 5.2 半导体掺杂半导体掺杂1.1.半导体载流子半导体载流子半导体中的电子服从费米半导体中的电子服从费米 狄拉克统计狄拉克统计 在金属中，电子填充空带的部分形成导带，相在金属中，电子填充空带的部分形成导带，相应的费米能级位于导带中应的费米能级位于导带中01/13 对于掺杂不太多的半导体，热平衡下，施主对于掺杂不太多的半导体，热平衡下，施主电子激发到导带中，同时价带中还有少量的空穴电子激发到导带中，同时价带中还有少量的空穴 半导体中电子的费米能级位于带隙之中半导体中电子的费米能级位于带隙之中5.3 5.3 半导体中电子的费米统计分布半导体中

21、电子的费米统计分布TkEETkEEBFBF11)(/)(TkEEBFeEf电子在导带各能级分布的几率电子在导带各能级分布的几率半导体中费米能级位于带隙之中且有半导体中费米能级位于带隙之中且有TkEEBFeEf/)()(导带中的电子接近经典导带中的电子接近经典 玻耳兹曼分布玻耳兹曼分布 导带中每个能级上电导带中每个能级上电子的平均占据数很小子的平均占据数很小1)(Ef5.3 5.3 半导体中电子的费米统计分布半导体中电子的费米统计分布111)(1/)(TkEEBFeEf()/11FBEEk TeTkEEBFeEf)(1满带中空穴占据的几率满带中空穴占据的几率 能级不被电子占据的几率能级不被电子占

22、据的几率TkEEEEBFF应用应用 空穴占据状态的空穴占据状态的E E越低越低(电子电子的能量的能量)，空穴的能量越高，空穴，空穴的能量越高，空穴平均占据数越小平均占据数越小(电子占据数越大电子占据数越大)5.3 5.3 半导体中电子的费米统计分布半导体中电子的费米统计分布 半导体中的导带能级和满带能级远离费密能量半导体中的导带能级和满带能级远离费密能量 导带接近于空的，满带接近于充满导带接近于空的，满带接近于充满 5.3 5.3 半导体中电子的费米统计分布半导体中电子的费米统计分布导带底附近的能量导带底附近的能量*222)(mkEkE*222)(mkEkE*2()/2()/kmEEkmEEE

23、EmhVENEEmhVEN2/3*32/3*3)2(4)()2(4)(满带顶附近的能量满带顶附近的能量应用自由电子能态密度应用自由电子能态密度 dSEVENk34)(22344)(kkmVEN05/135.3 5.3 费米能级和载流子浓度费米能级和载流子浓度 导带中电子的浓度导带中电子的浓度()()Enf E NE dEETkEEdEEEemhnBF2/3*3)2(4ETkEETkEEdEEEeemhnBBF2/3*3)2(4EEmhVEN2/3*3)2(4)(TkEEBFeEf/)()(5.3 5.3 费米能级和载流子浓度费米能级和载流子浓度 ETkEETkEEdEEEeemhnBBF2/3

24、*3)2(4令令TkEEB02/12/3*3)2(4deeTkmhnTkEEBBFTkEEBBFehTkmn32/3*)2(232/3*)2(2hTkmNB 有效能级密度有效能级密度5.3 5.3 费米能级和载流子浓度费米能级和载流子浓度 导带电子浓度导带电子浓度TkEEBFeNn单位体积中导电电子数就是如同导带底单位体积中导电电子数就是如同导带底 处的处的 个能级个能级所应含有的电子数所应含有的电子数EN32/3*)2(2hTkmNB空穴浓度空穴浓度1()()Epf E NE dETkEEBFeNp32/3*)2(2hTkmNBTkEEBeNNnp 温度不变，导带中电子越多，空穴越少，反之亦

25、然温度不变，导带中电子越多，空穴越少，反之亦然5.3 5.3 费米能级和载流子浓度费米能级和载流子浓度 n 杂质激发杂质激发 如果如果N N型半导体主要含有一种施主，施主的能级型半导体主要含有一种施主，施主的能级:E:ED D 施主的浓度施主的浓度:N:ND D)(1 EfNnDTkEEBFeNn/)(足够低的温度下，载流子主要是从施主能级激发到导足够低的温度下，载流子主要是从施主能级激发到导 带的电子带的电子导带中电子的数目是空的施主能级数目导带中电子的数目是空的施主能级数目 两式消去两式消去 E EF F因为因为11/)(TkEEDBDFeNn11)(/)(TkEEBFeEf5.3 5.3

26、 费米能级和载流子浓度费米能级和载流子浓度 DiEEE 导带底与施主能级差导带底与施主能级差DEE 施主的电离能施主的电离能DTkENnneNBi2/1/1/2/1 14()(2/)iBiBEk TDEk TNeNnNe 导带中电子的数目导带中电子的数目TkEEDBDeNnNn/)(110/135.3 5.3 费米能级和载流子浓度费米能级和载流子浓度 /1/2/114(/)2/iBiBEk TDEk TNNeneN 温度很低时温度很低时iBETkTkEDBieNNn2/2/1)(32/3*)2(2hTkmNB/1iBEk TDNeNNeeNNnTkETkEDBiBi/2)/(21 1/很少的施

27、主被电离很少的施主被电离温度足够高时温度足够高时DN 施主几乎全被电离，导带中的电子数接近于施主数施主几乎全被电离，导带中的电子数接近于施主数 5.3 5.3 费米能级和载流子浓度费米能级和载流子浓度 n P P型半导体型半导体 受主的能级位置受主的能级位置:E:EA A 受主浓度受主浓度:N:NA A/1/2/114()2/iBiBEk TAEk TNeNpeN/21/2()iBEk TApN Ne足够低的温度下，载流子主要是从受主能级足够低的温度下，载流子主要是从受主能级激发到满带的空穴激发到满带的空穴满带中空穴的浓度满带中空穴的浓度EEEAi 受主的电离能受主的电离能iBETk在足够低的

28、温度下在足够低的温度下 只有很少的受主被电离只有很少的受主被电离5.3 5.3 费米能级和载流子浓度费米能级和载流子浓度 n 本征激发本征激发 足够高的温度下，本征激发占主导地位足够高的温度下，本征激发占主导地位 特点为每产生一个电子同时将产生一个空穴特点为每产生一个电子同时将产生一个空穴pn TkEEBeNNnpTkEBgeNNpn2EEEg 带隙宽度带隙宽度igEE 因为因为u 本征激发随温度变化更为陡峭本征激发随温度变化更为陡峭u 测量分析载流子随温度的变化，可以确定带隙宽度测量分析载流子随温度的变化，可以确定带隙宽度满带到导带的电子激发满带到导带的电子激发5.3 5.3 费米能级和载流

29、子浓度费米能级和载流子浓度 p 假定与能级假定与能级E E对应的有对应的有G(E)G(E)个量子态，则个量子态，则p 由于由于N N和和G G（E E）与半导体材料本身的能带结构及掺杂）与半导体材料本身的能带结构及掺杂情况有关，因此只要知道了情况有关，因此只要知道了N N、G(E)G(E)和温度和温度T T，就可，就可以求出以求出E Ef f。反过来，如果知道了。反过来，如果知道了E Ef f，由此可以确定各，由此可以确定各能级上的电子数及总粒子数能级上的电子数及总粒子数N Np 可以证明费米函数等于化学势，处于热平衡状态系可以证明费米函数等于化学势，处于热平衡状态系统有相同的化学势，所以对一

30、个处于热平衡的系统，统有相同的化学势，所以对一个处于热平衡的系统，各处费米能级相同各处费米能级相同 G E f EG EeNE EkTEEf()()()15.4 5.4 费米能级与能态密度费米能级与能态密度p 对于费米子，一个量子态要么被电子占据，要么对于费米子，一个量子态要么被电子占据，要么空着，能量为空着，能量为E E的能级被占据的几率为的能级被占据的几率为f(E)f(E)，因此，因此空着的几率为空着的几率为p 不难看出，不难看出，f(E)f(E)与与1-f(E)1-f(E)相对相对E=EE=Ef f是对称的，在该是对称的，在该点占据及空着的几率均为点占据及空着的几率均为1/21/2。能量

31、比费米能级高。能量比费米能级高的能级空着的几率大，反之，能量比费米能级低的的能级空着的几率大，反之，能量比费米能级低的能级充满的几率较大。当能量很大时，即能级充满的几率较大。当能量很大时，即 时，费米分布与玻色分布趋向同一函数，时，费米分布与玻色分布趋向同一函数，111 f EeEEkTf()()/1)(kTEEfkTEEfeEf)(5.4 5.4 费米函数性质费米函数性质5.45.4费米函数与波耳兹曼函数费米函数与波耳兹曼函数u 大多数情况下费米能级与导带底的距离比大多数情况下费米能级与导带底的距离比kTkT大得多，大得多，所以费米函数可以用玻尔兹曼函数代替所以费米函数可以用玻尔兹曼函数代替

32、u f(E)f(E)随随E E按指数下降，导带宽度为按指数下降，导带宽度为eVeV量级，因此将上量级，因此将上限扩展至无穷大处也不会引起较大的误差限扩展至无穷大处也不会引起较大的误差n 导带中所有能级上电子的总密度等价于能量为导带中所有能级上电子的总密度等价于能量为EcEc，态，态密度为密度为NcNc的一个能级。即把一个涉及许多能级的复杂的一个能级。即把一个涉及许多能级的复杂的能带问题简化成了只有一个能级问题，即可以将导的能带问题简化成了只有一个能级问题，即可以将导带理解为一个电子都集中于导带底带理解为一个电子都集中于导带底EcEc，密度为，密度为NcNc的能的能级。因此级。因此NcNc称为导

33、带的有效状态密度。同理称为导带的有效状态密度。同理NvNv称为价称为价带的有效状态密度。带的有效状态密度。5.45.4 状态有效密度状态有效密度p用两个能级代替导带和价带，大大简化各种分析用两个能级代替导带和价带，大大简化各种分析p有效状态密度反映了导带或价带容纳电子或空穴的有效状态密度反映了导带或价带容纳电子或空穴的能力能力p有效状态密度是温度的有效状态密度是温度的3/23/2次方函数，温度愈高，次方函数，温度愈高，N N愈大愈大p对对T=300KT=300K，两者对硅分别为，两者对硅分别为2.82.810101919cmcm-3-3和和1.041.0410101818cmcm-3-3 ，大

34、大小于价电子密度，大大小于价电子密度 232319232319)()300(1050.2)()300(1050.2mmTNmmTNpnvdnc322105cm5.45.4 状态有效密度状态有效密度 如果将如果将n n与与p p相乘，则可以发现相乘，则可以发现乘积乘积pnpn与与E Ef f无关无关，即即 对特定的半导体材料，对特定的半导体材料，E Ef f与掺杂种类及掺杂浓度与掺杂种类及掺杂浓度有关有关，因此由，因此由npnp与与E Ef f无关可以推论此无关可以推论此乘积乘积pnpn与掺与掺杂种类及掺杂浓度无关，即只与半导体材料本身杂种类及掺杂浓度无关，即只与半导体材料本身能带结构有关能带结

35、构有关 如果由于某种原因使得电子增加，则其中的空穴如果由于某种原因使得电子增加，则其中的空穴数目必然减少。数目必然减少。当掺杂浓度很大时，当掺杂浓度很大时，费米能级可能进入导带或价费米能级可能进入导带或价带，玻尔兹曼近似不再成立带，玻尔兹曼近似不再成立，因此电子空穴数目，因此电子空穴数目乘积不再与乘积不再与E Ef f无关。无关。npN eN eN N ecEEkTvEEkTcvEkTcffvg ()/()/5.45.4 质量作用定律质量作用定律l 由由p=np=n，我们得到，我们得到l 因为因为NvNc,NvNc,所以对本征半导体来说，所以对本征半导体来说，费米能级位于禁带中费米能级位于禁带

36、中间稍偏下面的部位，但十分接近中间位置间稍偏下面的部位，但十分接近中间位置。不过如果某种。不过如果某种半导体的半导体的NcNc与与NvNv及及m mdndn与与m mdpdp相差太大，则本征半导体的相差太大，则本征半导体的E Ef f偏偏离中心位置的距离可能较远。例如锑化铟的费米能级偏离离中心位置的距离可能较远。例如锑化铟的费米能级偏离禁带中心达禁带中心达0.2eV 0.2eV)(21ln21)(21 /)(/)(vccvvcfkTEEvkTEEcEENNkTEEEeNeNvffc5.4 5.4 本征半导体的费米能级本征半导体的费米能级 将上面的将上面的E Ef f 代入代入n n与与p p的

37、表达式，我们可以得到的表达式，我们可以得到 同样可得同样可得 本征载流子浓度随温度指数增加，而且本征载流子浓度随温度指数增加，而且p pi i=n=ni ikTEvcikTEvEckTNcNvEvEcEccigeNNneNcNveNn2/)(21/ln21)(21 ikTEvcikTEvEckTENcNvEvEcvineNNpeNcNveNpgv2/)(21/ln21)(21 5.4 5.4 本征载流子浓度本征载流子浓度l 室温下硅的本征载流子浓度为室温下硅的本征载流子浓度为 而有效状态密度分别为而有效状态密度分别为N Nc c=2.81=2.8110101919 cm cm-3-3和和N N

38、v v=1.04=1.0410101818 cm cm-3-3，即，即导带及价带只有约导带及价带只有约1010亿亿分之一的能级被电子或空穴填充分之一的能级被电子或空穴填充。因此室温下。因此室温下本征半导体的导电能力一般是很差的。本征半导体的导电能力一般是很差的。3102105.1cmeNNpnkTEcviig5.4 5.4 实例实例硅的能带结构硅的能带结构:导带导带 导带在导带在 与与X X间有一极小值，间有一极小值，偏离中心点偏离中心点4/54/5，共有，共有6 6个对个对称的极小点，称为能谷。因称的极小点，称为能谷。因为为4 4度对称轴，所以度对称轴，所以y,zy,z方向等价，因此方向等价

39、，因此E kEkkmkkmclt()()2101212322l l表示纵向、表示纵向、t t表示横向质量。表示横向质量。等能面为旋转椭球面，中心轴等能面为旋转椭球面，中心轴为为轴轴5.5 5.5 半导体能带结构半导体能带结构硅的能带结构硅的能带结构:价带价带 有有3 3个子能带，都在个子能带，都在k=0k=0处有极大值处有极大值1 1、2 2两个能带简并，但曲率不同，因此它们两个能带简并，但曲率不同，因此它们对应的空穴有效质量不同，重的一个称为重空对应的空穴有效质量不同，重的一个称为重空穴，轻的为轻空穴穴，轻的为轻空穴第三个能带与第三个能带与1 1、2 2两个有距离两个有距离特点特点:间接能带

40、：导带底与价带顶不重合间接能带：导带底与价带顶不重合 5.5 5.5 半导体能带结构半导体能带结构锗的能带结构锗的能带结构:导带导带 在在 与与L L之间的布里渊边之间的布里渊边界上有一极小值，截角界上有一极小值，截角8 8面体共有面体共有8 8个极小值，但个极小值，但因为极小值刚好位于布因为极小值刚好位于布里渊区边界，相对两个里渊区边界，相对两个极小之间相差一个倒格极小之间相差一个倒格矢，所以实际上只有矢，所以实际上只有4 4个个极小值，即只有极小值，即只有4 4个能谷，个能谷，同样，等能面也是旋转同样，等能面也是旋转椭 球 面，但 中 心 轴 为椭 球 面，但 中 心 轴 为轴轴5.5 5

41、.5 半导体能带结构半导体能带结构GaAsGaAs的能带结构的能带结构 导带底与价带顶都在导带底与价带顶都在k=0k=0处，即处，即为直接能带；等能面为球形；为直接能带；等能面为球形；导带在导带在(100)(100)方向接近布里渊边方向接近布里渊边界区还有另外一个极小值；界区还有另外一个极小值；它的价带情况与硅、锗的类似，它的价带情况与硅、锗的类似，也有三个子能带，也有轻重空也有三个子能带，也有轻重空穴之分穴之分 直接带隙直接带隙E kEkkkmct()212123225.5 5.5 半导体能带结构半导体能带结构本征半导体本征半导体N N型本征半导体型本征半导体P P型本征半导体型本征半导体E

42、cEiEvEfEcEvEfEdEcEvEfEa室温下、正常掺杂浓度室温下、正常掺杂浓度5.55.5半导体的费米能级半导体的费米能级施主能级施主能级掺入价数较高的杂质原子；晶格缺陷；杂质掺入价数较高的杂质原子；晶格缺陷；杂质-缺陷复合体。缺陷复合体。受主能级受主能级掺入价数较的杂质原子；晶格缺陷；杂质掺入价数较的杂质原子；晶格缺陷；杂质-缺陷复合体。缺陷复合体。激子能级：束缚的电子激子能级：束缚的电子-空穴对空穴对极化子能级：电子极化子能级：电子-晶格相互作用晶格相互作用5.5 5.5 半导体禁带中的能级半导体禁带中的能级 表面态表面态:表面原子状态与体内的不同表面原子状态与体内的不同 等电子杂

43、质等电子杂质:杂质价电子数与母体的相同杂质价电子数与母体的相同 固有原子缺陷固有原子缺陷 (A A格子空位格子空位VA,BVA,B格子空位格子空位,A,A元素间隙原子元素间隙原子,B B元素间隙原子元素间隙原子)错位原子错位原子:化合物半导体中两种原子换位化合物半导体中两种原子换位 间隙杂质间隙杂质 5.5 5.5 半导体禁带中的能级半导体禁带中的能级硅的介电常数为硅的介电常数为1414，有效质量分别，有效质量分别1.0m1.0m0 0，代，代入可得硅中施主电子能级离开导带的距离入可得硅中施主电子能级离开导带的距离0.087eVpnp）而对而对p p型半导体而言，可简化为（因为型半导体而言，可

44、简化为（因为pnpn）1.pqp5.5 5.5 载流子的漂移载流子的漂移常见半导体材料的迁移率（厘米常见半导体材料的迁移率（厘米2 2/伏秒）伏秒）材料材料电子迁移率电子迁移率空穴迁移率空穴迁移率硅硅13501350480480锗锗39003900500500砷化镓砷化镓80008000100-3000100-3000 对硅而言，由于电子的有效质量小于空穴的有对硅而言，由于电子的有效质量小于空穴的有效质量，因而电子的迁移率比空穴的大，因此效质量，因而电子的迁移率比空穴的大，因此对于同样尺寸的器件，相对来说，对于同样尺寸的器件，相对来说，N N型材料制作型材料制作的器件工作频率较高的器件工作频率

45、较高 5.5 5.5 载流子的漂移载流子的漂移当半导体中通以电流时，电子与空穴除热运动外还在电场的作当半导体中通以电流时，电子与空穴除热运动外还在电场的作用下作漂移运动，带电粒子在磁场中运动时要受到磁场引起的用下作漂移运动，带电粒子在磁场中运动时要受到磁场引起的洛伦兹力洛伦兹力FqvB5.5 5.5 霍尔效应原理霍尔效应原理eEevBEvBnenev BnejBRjB 11()当霍耳电场引起的力与磁场引起的力最后达到平衡时，有当霍耳电场引起的力与磁场引起的力最后达到平衡时，有由此我们得到一个十分重要的公式由此我们得到一个十分重要的公式即霍耳电势与流过的电流大小及磁场强度成正比即霍耳电势与流过的

46、电流大小及磁场强度成正比比例系数称为霍耳系数比例系数称为霍耳系数对电子对电子R=R=为为-1/ne-1/ne，对空穴为，对空穴为R=1/peR=1/pe5.5 5.5 霍尔效应原理霍尔效应原理hRneRpenhnphp 11,对声学波散射对电离杂质散射对兼并半导体hhh381931,.,霍耳迁移率霍耳迁移率 由于磁场的存在，电子的漂移运动方向发生变化，因此由于磁场的存在，电子的漂移运动方向发生变化，因此以上所指的迁移率严格来说应是磁场下的迁移率以上所指的迁移率严格来说应是磁场下的迁移率引入霍耳迁移率后，霍耳系数要进行修改，引入霍耳迁移率后，霍耳系数要进行修改，对简单能带半导体，对简单能带半导体

47、，RnRn与与RpRp没有差别没有差别由半导体的具体能带结构可以算出霍耳迁移率由半导体的具体能带结构可以算出霍耳迁移率 与一般迁与一般迁移率的比值，它们为移率的比值，它们为通过霍尔系数测量，可以确定材料的导电类型，载流子通过霍尔系数测量，可以确定材料的导电类型，载流子浓度，电导率等十分重要的参数浓度，电导率等十分重要的参数5.5 5.5 霍尔效应原理霍尔效应原理5.6 5.6 pn 结结n p-n 结的形成结的形成 在在n n型半导体基片的一侧掺入型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质较高浓度的受主杂质，该区就成为该区就成为p p型半导体（补偿作用）型半导体（补偿作用）电子和空穴的扩散，电子

48、和空穴的扩散，在在p p型和型和n n型半导体交型半导体交界面附近产生了一个界面附近产生了一个内建内建(电电)场场内内En型型p型型内E 阻止电子和空穴阻止电子和空穴 进一步扩散进一步扩散内内E 内建场大到一定内建场大到一定程度，不再有净电程度，不再有净电荷的流动，达到了荷的流动，达到了新的平衡新的平衡在在p p型型 n n型交界面附近形成的这种特殊结构称为型交界面附近形成的这种特殊结构称为p-np-n结（阻挡层，耗尽层），结（阻挡层，耗尽层），约约0.10.1 m m厚厚 p-n结结内内Ep型型n型型5.6 5.6 pn 结结n p-n p-n结处存在结处存在电势差电势差U U0 0形成的势

49、垒区形成的势垒区 。#它阻止它阻止 p p区带正电的空穴区带正电的空穴进一步向进一步向n n区区扩散；也阻止扩散；也阻止n n区带负电的电子进一步向区带负电的电子进一步向p p区区扩散扩散U00eU 电子能级电子能级电势曲线电势曲线电子电势能曲线电子电势能曲线p-n结结np对对Ge:U0=0.20.3 V对对 Si:U0=0.60.7 V5.6 5.6 pn 结结n 由于由于p-np-n结的存在，结的存在，电子电子的能量应考虑进势垒带的能量应考虑进势垒带来的来的附加势能附加势能。电子的能带出现弯曲现象电子的能带出现弯曲现象空带空带空带空带p-n结结0eU 施主能级施主能级受主能级受主能级满带满

50、带满带满带5.6 5.6 pn 结结n 扩散和漂移形成平衡电荷分布，满足扩散和漂移形成平衡电荷分布，满足玻耳兹曼统计玻耳兹曼统计规律规律TkEENBFeNn0TkEqVEPBFDeNn)(0TkqVNPBDenn/00TkqVNPBDenn/00TkqVPNBDepp/00 N N区和区和P P区空穴浓度之比区空穴浓度之比TkqVPNBDepp/00热平衡下热平衡下N N区和区和P P区电子浓度区电子浓度 P P区和区和N N区电子浓度之比区电子浓度之比5.6 5.6 pn 结结n p-n p-n结的单向导电性结的单向导电性1.1.正向偏压正向偏压p-np-n结的结的p p型区接电源正极，叫型