1、 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第1页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第2页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 半导体材料的晶格结构 电子和空穴的概念 半导体的电性能和导电机理 载流子的漂移运动和扩散运动 非平衡载流子的产生和复合 第3页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第4页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第5页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第6页，共554
2、页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第7页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第8页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第9页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第10页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理2/3a2/3a2/3a2/3a第11页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第12页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第13页，共554
3、页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第14页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第15页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第16页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理100111 第17页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理试求ADDA的密勒指数。第18页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 任何两个原子之间的任何两个原子之间的连线在空间有许多与连线在空间有许多与它相同的平行线
4、。它相同的平行线。一族平行线所指的方向一族平行线所指的方向用晶列指数表示用晶列指数表示 晶列指数是按晶列矢量晶列指数是按晶列矢量在坐标轴上的投影的比在坐标轴上的投影的比例取互质数例取互质数 111、100、110第19页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同的平任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同的平行晶面行晶面一族平行晶面用晶面指数来表示一族平行晶面用晶面指数来表示它是按晶面在坐标轴上的截距的倒数的比例取互质它是按晶面在坐标轴上的截距的倒数的比例取互质数数(111)、(100)、(110)相同指数的晶面和晶列
5、互相垂直。相同指数的晶面和晶列互相垂直。第20页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第21页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第22页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第23页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第24页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第25页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理E1E2E3第26页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半
6、导体器件物理半导体器件物理第27页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理半导体中的电子是在周期性排列半导体中的电子是在周期性排列且固定不动的大量原子核的势场且固定不动的大量原子核的势场和其他大量电子的和其他大量电子的平均势场平均势场中运动。中运动。这个平均势场也是这个平均势场也是周期性变化周期性变化的，的，且周期与晶格周期相同。且周期与晶格周期相同。第28页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理当原子之间距离逐步接近时，原子周围电子的能级当原子之间距离逐步接近时，原子周围电子的能级逐步转变为能带，下图是金刚石结构能级向能带
7、演逐步转变为能带，下图是金刚石结构能级向能带演变的示意图。变的示意图。第29页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第30页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第31页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第32页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了一些价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了一些，价带即成了部分占满的能带（相当于半满带），在外电场作用，价带即成了部分占满的能带（相当于半满带），在外电
8、场作用下，仍留在价带中的电子也能起导电作用。下，仍留在价带中的电子也能起导电作用。价带电子的这种导电作用相当于把这些空的量子状态看作价带电子的这种导电作用相当于把这些空的量子状态看作带正电荷带正电荷的的“准粒子准粒子”的导电作用，常把这些满带中因失去了电子而留下的导电作用，常把这些满带中因失去了电子而留下的空位称为空穴。的空位称为空穴。所以，所以，在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电，这，这与金属导体导电有很大的区别。与金属导体导电有很大的区别。第33页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理既然半导体电子和
9、空穴都能导电，而导体只有电子导电，为什么半导体的导电能力比导体差？第34页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理图图1-7 一定温度下半导体的能带示意图一定温度下半导体的能带示意图导带电子的最低能量导带电子的最低能量价带电子的最高能量价带电子的最高能量Eg=Ec-Ev由于温度，价键上的电子由于温度，价键上的电子激发成为准自由电子，亦激发成为准自由电子，亦即价带电子激发成为导带即价带电子激发成为导带电子的过程电子的过程第35页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理准连续准粒子准自由第36页，共554页。江西科技师范大学江西科
10、技师范大学半导体器件物理半导体器件物理整理空带、满带、半满带、价带、导带、禁带、导带底、价带顶、禁带宽度的概念。简述空穴的概念。第37页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 十分纯净十分纯净不含任何杂质不含任何杂质晶格中的原子严格按晶格中的原子严格按周期排列的周期排列的原子并不是静止在具有严格周期性原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近衡位置附近振动振动并不是纯净的，而是含有若干并不是纯净的，而是含有若干杂质杂质，即，即在半导体晶格中存在着与组成半导在半导体晶格中存在着与组成半导体的元素不同的其
11、他化学元素的原体的元素不同的其他化学元素的原子子晶格结构并不是完整无缺的，而存晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的在着各种形式的缺陷缺陷第38页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 在硅晶体中，若以在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一个个硅原子中掺入一个杂质杂质原子的原子的比例掺入硼（比例掺入硼（B）原子，则硅晶体的导电率在室温下将增加）原子，则硅晶体的导电率在室温下将增加103倍。倍。用于生产一般硅平面器件的硅单晶，用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错位错密度要求控制在密度要求控制在103cm-2以下，若位错密度过高，则不可能生产出性能良好的器
12、件。以下，若位错密度过高，则不可能生产出性能良好的器件。第39页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产生的由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产生的周期性势场受到破坏周期性势场受到破坏，有可能在，有可能在禁带中引入禁带中引入允许电子存在的能量状允许电子存在的能量状态（即态（即能级能级），从而对半导体的性质产生决定性的影响。），从而对半导体的性质产生决定性的影响。一）制备半导体的原材料一）制备半导体的原材料纯度不够高纯度不够高；二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的二）半导体单晶制备过程中及器件
13、制造过程中的沾污沾污；三）为了半导体的性质而三）为了半导体的性质而人为地掺入人为地掺入某种化学元素的原子。某种化学元素的原子。第40页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理原子只占晶胞体积的原子只占晶胞体积的34%，还有，还有66%是空隙，是空隙，这些空隙通常称为这些空隙通常称为间隙位置间隙位置。一）杂质原子位于晶格一）杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，原子间的间隙位置，间隙式杂质间隙式杂质/填充填充；二）杂质原子取代晶格二）杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，原子而位于晶格格点处，替位式杂质替位式杂质/填充填充。第41页，共554页。江西科技师范大学江西
14、科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理间隙式杂质间隙式杂质原子半径一般比较小原子半径一般比较小，如锂离子（，如锂离子（Li+）的半径为）的半径为0.68，所以锂，所以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。替位式杂质替位式杂质原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它们的，且它们的价价电子壳层结构也比较相近电子壳层结构也比较相近。如硅、锗是。如硅、锗是族元素，与族元素，与、族元素族元素的情况比较相近，所以的情况比较相近，所以、族元素在硅、锗晶体中都是替位式杂族元素在硅、锗晶体中都
15、是替位式杂质。质。单位体积中的杂质原子数，单位单位体积中的杂质原子数，单位cm-3第42页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理硅中掺入磷（硅中掺入磷（P）为例，研究）为例，研究族族元素杂质的作用。当一个磷原子元素杂质的作用。当一个磷原子占占据据了硅原子的位置，如图所示，磷了硅原子的位置，如图所示，磷原子有五个价电子，其中四个价电原子有五个价电子，其中四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩余一个价电子。磷原子成为一还剩余一个价电子。磷原子成为一个带有一个正电荷的磷离子（个带有一个正电荷的磷离子（P+），），称为称为正电中
16、心磷离子正电中心磷离子。其效果相。其效果相当于形成了当于形成了一个正电中心和一个一个正电中心和一个多余的电子多余的电子。第43页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理多余的电子束缚在正电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作多余的电子束缚在正电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余电子挣脱束缚，成为自由电用弱得多，只要很小的能量就可以使多余电子挣脱束缚，成为自由电子在晶格中运动，起到导电的作用。这时磷原子就成了一个少了一个子在晶格中运动，起到导电的作用。这时磷原子就成了一个少了一个价电子的磷离子，它是一个不能移动的正电
17、中心。价电子的磷离子，它是一个不能移动的正电中心。多余电子脱离杂质原子成为导电电子的过程称为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杂质电离。使这个。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杂质电离能，用，用ED表示。表示。实验测得，实验测得，族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余电子很容族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余电子很容易挣脱原子的束缚成为导电电子），在硅中电离能约为易挣脱原子的束缚成为导电电子），在硅中电离能约为0.040.05eV，在锗中电离能约为在锗中电离能约为0.01 eV，比硅、锗的禁带宽度小
18、得多。，比硅、锗的禁带宽度小得多。第44页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理族元素杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而族元素杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生产生导电电子导电电子并形成并形成正电中心正电中心。施放电子的过程称为施放电子的过程称为施主电离施主电离。施主杂质在未电离时是中性的，称为施主杂质在未电离时是中性的，称为束缚态束缚态或或中性态中性态，电离后成为正电中心，称为电离后成为正电中心，称为离化态离化态。施主杂质施主杂质/N型杂质型杂质电子型半导体电子型半导体/N型半导体型半导体纯净半导体中掺入施主杂质后，施主杂质电离，使导带中的导电纯净
19、半导体中掺入施主杂质后，施主杂质电离，使导带中的导电电子增多（电子密度大于空穴密度），增强了半导体的导电能力，电子增多（电子密度大于空穴密度），增强了半导体的导电能力，成为主要依靠电子导电的半导体材料。成为主要依靠电子导电的半导体材料。第45页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理施主能级施主能级用离导带底用离导带底Ec为为ED处的处的短线段短线段表示，表示，施主能级上的小黑点表示被施主杂施主能级上的小黑点表示被施主杂质束缚的电子质束缚的电子。箭头箭头表示被束缚的电子表示被束缚的电子得到电离能后从施主能级跃迁到导带成得到电离能后从施主能级跃迁到导带成为导电电
20、子的为导电电子的电离过程电离过程。导带中的小黑导带中的小黑点表示进入导带中的电子点表示进入导带中的电子，表示施表示施主杂质电离后带主杂质电离后带正电，成为不可移动的正电，成为不可移动的正点中心正点中心。电子得到能量电子得到能量ED后，就后，就从施主的束缚态跃迁到导带从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，成为导电电子，被施主杂被施主杂质束缚时的电子的能量比质束缚时的电子的能量比导带底导带底Ec低低ED，称为，称为施施主能级主能级，用，用ED表示。由于表示。由于ED远小于禁带宽度远小于禁带宽度Eg，所以所以施主能级位于离导带施主能级位于离导带底很近的禁带中底很近的禁带中。由于施。由于施主杂质相对较
21、少，杂质原子主杂质相对较少，杂质原子间的相互作用可以忽略，所间的相互作用可以忽略，所以以施主能级施主能级可以看作是可以看作是一一些具有相同能量的孤立能些具有相同能量的孤立能级级，第46页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理硅中掺入硼（硅中掺入硼（B）为例，研究）为例，研究族元族元素杂质的作用。当一个硼原子素杂质的作用。当一个硼原子占据占据了硅原子的位置，如图所示，硼原子了硅原子的位置，如图所示，硼原子有三个价电子，当它和周围的四个硅有三个价电子，当它和周围的四个硅原子形成共价键时，还缺少一个电子，原子形成共价键时，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一
22、个价电必须从别处的硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴。硼原子成为一个带有一个一个空穴。硼原子成为一个带有一个负电荷的硼离子（负电荷的硼离子（B-），称为），称为负电负电中心硼离子中心硼离子。其效果相当于形成。其效果相当于形成了了一个负电中心和一个多余的空穴一个负电中心和一个多余的空穴。第47页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理多余的空穴束缚在负电中心周围，但这种束缚作用比共价键的多余的空穴束缚在负电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余空穴挣脱束缚，束缚作用弱
23、得多，只要很小的能量就可以使多余空穴挣脱束缚，成为自由空穴在晶格中运动，起到导电的作用。这时硼原子就成为自由空穴在晶格中运动，起到导电的作用。这时硼原子就成了一个多了一个价电子的硼离子，它是一个不能移动的负电成了一个多了一个价电子的硼离子，它是一个不能移动的负电中心。中心。多余空穴脱离杂质原子成为导电空穴的过程称为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杂质电离。使这个。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杂质电离能，用用EA表示。表示。实验测得，实验测得，族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余空穴很容易族元素原子
24、在硅、锗中的电离能很小（即多余空穴很容易挣脱原子的束缚成为导电空穴），挣脱原子的束缚成为导电空穴），第48页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理族元素杂质在硅、锗中能接受电子而产生族元素杂质在硅、锗中能接受电子而产生导电空穴导电空穴，并，并形成形成负电中心负电中心。受主杂质受主杂质/P型杂质型杂质空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离受主电离。受主杂质未电离时是中性的，称为受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态束缚态或或中性态中性态。空穴型半导体空穴型半导体/P型半导体型半导体纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的
25、导电纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的导电空穴增多（空穴密度大于电子密度），增强了半导体的导电能力，空穴增多（空穴密度大于电子密度），增强了半导体的导电能力，成为主要依靠空穴导电的半导体材料。成为主要依靠空穴导电的半导体材料。第49页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理受主能级受主能级用离价带顶用离价带顶EV为为EA处的处的短线段短线段表示，表示，受主能级上的小圆圈表示被施主杂质束缚的空受主能级上的小圆圈表示被施主杂质束缚的空穴穴。箭头箭头表示被束缚的空穴得到电离能后从受主表示被束缚的空穴得到电离能后从受主能级跃迁到价带成为导电空穴（即价
26、带顶的电子能级跃迁到价带成为导电空穴（即价带顶的电子跃迁到受主能级上填充空位）的跃迁到受主能级上填充空位）的电离过程电离过程。价带价带中的小圆圈表示进入价带中的空穴中的小圆圈表示进入价带中的空穴，表示受主杂表示受主杂质电离后带负电，成为不可移动的质电离后带负电，成为不可移动的负点中心负点中心。空穴得到能量空穴得到能量EA后，就从后，就从受主的束缚态跃迁到价带受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，成为导电空穴，被受主杂被受主杂质束缚时的空穴的能量比质束缚时的空穴的能量比价带顶价带顶EV低低EA，称为，称为受主受主能级能级，用，用EA表示。由于表示。由于EA远小于禁带宽度远小于禁带宽度Eg，所，所以
27、受以受主能级位于价带顶很主能级位于价带顶很近的禁带中近的禁带中。由于受主杂。由于受主杂质相对较少，杂质原子间质相对较少，杂质原子间的相互作用可以忽略，所的相互作用可以忽略，所以以受主能级受主能级可以看作是可以看作是一一些具有相同能量的孤立能级些具有相同能量的孤立能级，第50页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理综上所述综上所述第51页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第52页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理第53页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半
28、导体器件物理施主和受主杂质之间有相互抵消的作用施主和受主杂质之间有相互抵消的作用第54页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理ND 施主杂质浓度施主杂质浓度 NA 受主杂质浓度受主杂质浓度n 导带中的电子浓度导带中的电子浓度 p 价带中的空穴浓度价带中的空穴浓度假设施主和受主杂质全部电离时，分情况讨论杂质的补偿作用。假设施主和受主杂质全部电离时，分情况讨论杂质的补偿作用。第55页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理当当NDNA时，因为受主能级低于时，因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子施主能级，所以施主杂质的电子
29、首先跃迁到受主能级上，填满首先跃迁到受主能级上，填满NA个受主能级，还剩（个受主能级，还剩（ND-NA）个）个电子在施主能级上，在杂质全电子在施主能级上，在杂质全部电离的条件下，它们跃迁到部电离的条件下，它们跃迁到导带中成为导电电子，这时，导带中成为导电电子，这时，n=ND-NAND，半导体是，半导体是N型的型的第56页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理当当NAND时，施主能级上时，施主能级上的全部电子跃迁到受主能的全部电子跃迁到受主能级上后，受主能级还有级上后，受主能级还有(NA-ND)个空穴，它们可以个空穴，它们可以跃迁到价带成为导电空穴，跃迁到价带
30、成为导电空穴，所以，所以，p=NA-NDNA，半，半导体是导体是P型的型的第57页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理经过补偿之后，半导体中的经过补偿之后，半导体中的净杂质浓度净杂质浓度当当ND NA时，则（时，则（ND-NA）为）为有效施主浓度有效施主浓度；当当NA ND时，则（时，则（NA-ND）为）为有效受主浓度有效受主浓度。利用杂质补偿的作用，就可以根利用杂质补偿的作用，就可以根据需要用据需要用扩散扩散或或离子注入离子注入等方法等方法来改变半导体中某一区域的导来改变半导体中某一区域的导电类型，以制备各种器件。电类型，以制备各种器件。若控制不当，会出
31、现若控制不当，会出现NDNA的现象，这时，的现象，这时，施主电子刚好填充受主能级，虽然晶体中杂施主电子刚好填充受主能级，虽然晶体中杂质可以很多，但不能向导带和价带提供电子质可以很多，但不能向导带和价带提供电子和空穴，（和空穴，（杂质的高度补偿杂质的高度补偿）。这种材料）。这种材料容易被误认为是高纯度的半导体，实际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。上却含有很多杂质，性能很差。第58页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理非非、族元素掺入硅、锗中也会在禁带中引入能级。族元素掺入硅、锗中也会在禁带中引入能级。非非、族元素产生的能级有以下
32、两个族元素产生的能级有以下两个特点特点：（1）施主能级距离导带底较远，产生的受主能级距离价带顶也）施主能级距离导带底较远，产生的受主能级距离价带顶也较远。称为较远。称为深能级深能级，相应的杂质称为，相应的杂质称为深能级杂质深能级杂质；（2）这些深能级杂质能产生）这些深能级杂质能产生多次电离多次电离，每一次电离相应地有一，每一次电离相应地有一个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往引入若干个能级引入若干个能级。而且，而且，有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。第59页，共554页。江西科技师范大学江西科技
33、师范大学半导体器件物理半导体器件物理 当半导体中的某些区域，晶格中的原子周期性排列被破坏时就形成了各种缺陷。缺陷分为三类：点缺陷：如空位，间隙原子，替位原子；线缺陷：如位错；面缺陷：如层错等。第60页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理在在一定温度一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近作振动运动（通常下，晶格原子不仅在平衡位置附近作振动运动（通常称之为称之为热振动热振动），而且有一部分原子会获得足够的能量，克服），而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子间隙原
34、子，原来的位置就成为原来的位置就成为空位空位。间隙原子和空位成对出现的缺陷间隙原子和空位成对出现的缺陷只在晶格内形成空位而无间隙原子只在晶格内形成空位而无间隙原子的缺陷的缺陷均由温度引起，又称之为均由温度引起，又称之为热缺陷热缺陷，它们总是，它们总是同时存在同时存在的。的。第61页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理间隙原子和空位一方面不断地产生，另一方面两者又间隙原子和空位一方面不断地产生，另一方面两者又不断地复合，达到一个平衡浓度值。不断地复合，达到一个平衡浓度值。由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙位置，而且迁移时由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙
35、位置，而且迁移时激活能很小，所以晶体中激活能很小，所以晶体中空位比间隙原子多得多空位比间隙原子多得多，空位成了常，空位成了常见的点缺陷。见的点缺陷。在在元素半导体硅、锗元素半导体硅、锗中存在的中存在的空位空位最邻近有四个原子，每个原子各有最邻近有四个原子，每个原子各有一个不成对的价电子，成为不饱和的共价键，这些键倾向于接受电子，一个不成对的价电子，成为不饱和的共价键，这些键倾向于接受电子，因此空位表现出因此空位表现出受主作用受主作用。而每一个而每一个间隙原子间隙原子有四个可以失去的未形成共价键的价电子，有四个可以失去的未形成共价键的价电子，表现出表现出施主作用施主作用。第62页，共554页。江
36、西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 位错也是半导体中的一种缺陷，它对半导体材料和器件的性位错也是半导体中的一种缺陷，它对半导体材料和器件的性能也会产生很大的影响。能也会产生很大的影响。在硅、锗晶体中位错的情况相当复杂在硅、锗晶体中位错的情况相当复杂。由位错引入禁带的能级也十由位错引入禁带的能级也十分复杂分复杂。根据实验测得，位错能级都是根据实验测得，位错能级都是深受主能级深受主能级。当位错密度较高时，。当位错密度较高时，由于它和杂质的补偿作用，能使含有浅施主杂质的由于它和杂质的补偿作用，能使含有浅施主杂质的N型硅、锗中的型硅、锗中的载流子浓度降低，而对载流子浓度降低，而
37、对P型硅、锗却没有这种影响。型硅、锗却没有这种影响。第63页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理写出常见缺陷的种类并举例。试述弗仑克耳缺陷和肖特基缺陷的特点、共同点和关系。位错对半导体材料和器件有什么影响？第64页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子。本征激发本征激发 电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴杂质电离杂质电离 第65页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理
38、半导体器件物理在导电电子和空穴产生的同时，还存在与之相反的过程，即电在导电电子和空穴产生的同时，还存在与之相反的过程，即电子也可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向晶格子也可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向晶格放出一定的能量。放出一定的能量。第66页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 在在一定温度一定温度下，载流子产生和复合的过程建立起下，载流子产生和复合的过程建立起动态平衡动态平衡，即即，称为热平衡状态。，称为热平衡状态。这时，半导体中的这时，半导体中的 导电电子浓度和空穴浓度都保持一个稳导电电子浓度和空穴浓度都保持一个稳定的数值定
39、的数值。处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为。处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡热平衡载流子载流子。第67页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 实践表明，半导体的导电性与温度密切相关。实实践表明，半导体的导电性与温度密切相关。实际上，这主要是由于际上，这主要是由于半导体中的载流子浓度随温度半导体中的载流子浓度随温度剧烈变化剧烈变化所造成的。所造成的。所以，要深入了解半导体的导电性，必须研究半所以，要深入了解半导体的导电性，必须研究半导体中导体中载流子浓度随温度变化的规律载流子浓度随温度变化的规律。因此，解决如何计算一定温度下，半导体中因此，解决如
40、何计算一定温度下，半导体中热平衡载流子浓度的问题成了本节的中心问题。热平衡载流子浓度的问题成了本节的中心问题。第68页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理能量在能量在EE+dE范围内的电子数（统计方法）范围内的电子数（统计方法）电子填充能级电子填充能级E的几率的几率N(E)单位体积晶体中在能量单位体积晶体中在能量E处的电子能级密度处的电子能级密度能量为能量为E的状态密度的状态密度能量无限小量能量无限小量第69页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理能量为能量为E的电子状态密度（测不准关系）的电子状态密度（测不准关系）EC
41、 导带底导带底mn*电子的有效质量电子的有效质量第70页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理能量为能量为E的空穴状态密度的空穴状态密度mp*空穴的有效质量空穴的有效质量EV 价带顶价带顶第71页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 晶体中的电子除了受到外力作用外，还受到晶格原子和其他晶体中的电子除了受到外力作用外，还受到晶格原子和其他电子的作用，为了把这些作用等效为晶体中的电子质量，所以电子的作用，为了把这些作用等效为晶体中的电子质量，所以引入有效质量的概念。（当电子在外力作用下运动时，它一方引入有效质量的概念。（当电
42、子在外力作用下运动时，它一方面受到外电场力的作用，同时还和半导体内部原子、电子相互面受到外电场力的作用，同时还和半导体内部原子、电子相互作用着，电子的加速度应该是半导体内部势场和外电场作用的作用着，电子的加速度应该是半导体内部势场和外电场作用的综合效果。但是要找出内部势场的具体形式并且求出加速度遇综合效果。但是要找出内部势场的具体形式并且求出加速度遇到一定的困难，引进到一定的困难，引进有效质量后可使问题变得简单有效质量后可使问题变得简单，直接把外直接把外力和电子的加速度联系起来，而内部势场的作用则由有效质量加力和电子的加速度联系起来，而内部势场的作用则由有效质量加以概括以概括。特别是。特别是有
43、效质量可以直接由试验测定有效质量可以直接由试验测定，因而可以很方便，因而可以很方便地解决电子的运动规律。）地解决电子的运动规律。）第72页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理费米费米-狄拉克分布函数狄拉克分布函数量为量为E的一个量子态被一个电子占据的几率的一个量子态被一个电子占据的几率E 电子能量电子能量 k0 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数 T 热力学温度热力学温度EF 费米能级费米能级 常数，大多数情况下，它的数值在半导体能带常数，大多数情况下，它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、杂质的含量的禁带范围内，和温度、半导体材料的导电类
44、型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。只要知道了以及能量零点的选取有关。只要知道了EF的数值，在一定温度的数值，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。下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。第73页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理费米费米-狄拉克分布函数的特性狄拉克分布函数的特性当当T=0K时，时，若若EEF，则，则f（E）=0绝对零度时，费米能级绝对零度时，费米能级EF可看成量子态可看成量子态是否被电子占据的一个界限。是否被电子占据的一个界限。第74页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理当当T
45、0K时，时，若若E1/2若若E=EF，则，则f（E）=1/2若若E EF，则，则f（E）p0，费米能级比较靠近导带；，费米能级比较靠近导带；P型半导体型半导体 p0n0，费米能级比较靠近价带；，费米能级比较靠近价带；掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。第81页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理本征半导体的载流子浓度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，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，这就是同时价带中产生空穴，这就是本征激发本
46、征激发。由于。由于电子和空穴成对出电子和空穴成对出现现，导带中的电子浓度应等于价带中的空穴浓度导带中的电子浓度应等于价带中的空穴浓度n0=p0将式（将式（1-6）、（）、（1-7）代入（）代入（1-8），可以求得本征半导体的费），可以求得本征半导体的费米能级米能级EF，并用符号，并用符号Ei表示，称为本征费米能级表示，称为本征费米能级第82页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理等式右边第二项近似为零，可忽略，所以本征半导体的费米能级等式右边第二项近似为零，可忽略，所以本征半导体的费米能级Ei基本基本上在禁带中线处。上在禁带中线处。将式（将式（1-9）分别代
47、入式（）分别代入式（1-6）、（）、（1-7），），可得本征半导体载流子浓度可得本征半导体载流子浓度ni第83页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 一定的半导体材料，其本征载流子浓度一定的半导体材料，其本征载流子浓度ni随温度上随温度上而迅速增加；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，不同的半导体材料在同一温度下，禁带宽度越大，本征载流子浓度本征载流子浓度ni就越小。就越小。由（由（1-6）（）（1-7）得载流子浓度乘积，并与（）得载流子浓度乘积，并与（1-11）比较，可得）比较，可得n0p0=ni2第84页，共554页。江西科技师范大
48、学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 在一定温度下，任何在一定温度下，任何非简并半导体非简并半导体（电子或空（电子或空穴的浓度分别远低于导带或价带的有效能级密度）穴的浓度分别远低于导带或价带的有效能级密度）的热平衡载流子浓度的乘积的热平衡载流子浓度的乘积n0p0等于该温度下的本等于该温度下的本征半导体载流子浓度征半导体载流子浓度ni的平方，与所含杂质无关。的平方，与所含杂质无关。式（式（1-12）不仅适用于本征半导体，而且也适用）不仅适用于本征半导体，而且也适用于非简并的杂质半导体材料。于非简并的杂质半导体材料。n0p0=ni2第85页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半
49、导体器件物理半导体器件物理表表1-1 300K下锗、硅、砷化镓的本征载流子浓度下锗、硅、砷化镓的本征载流子浓度第86页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度一般来说，在室温下所有的杂质都已电离，一个杂质原子可以提供一般来说，在室温下所有的杂质都已电离，一个杂质原子可以提供一个载流子；一个载流子；假设掺入半导体中的杂质浓度远大于本征激发的载流子浓度假设掺入半导体中的杂质浓度远大于本征激发的载流子浓度N型半导体型半导体P型半导体型半导体(ND为施主杂质浓度为施主杂质浓度)(NA为受主杂质浓度为受主杂质浓度)N型半导体中
50、，电子为型半导体中，电子为多数载流子多数载流子（简称（简称多子多子），空穴为），空穴为少数载流少数载流子子（简称（简称少子少子）；）；P型半导体中，空穴为多数载流子，电子为少型半导体中，空穴为多数载流子，电子为少数载流子。数载流子。第87页，共554页。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理n0p0=ni2由式（由式（1-12），可以确定少数载流子的浓度），可以确定少数载流子的浓度N型半导体型半导体P型半导体型半导体 由于由于ND（或（或NA）远大于）远大于ni，因此，因此在杂质半导体中少数载流子比在杂质半导体中少数载流子比本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度ni
