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1 半导体物理基础 p n结 2 目录 一 能带的基本概念二 半导体的分类三 P N结 3 一 能带的基本概念 能带 energyband 包括允带和禁带 允带 allowedband 允许电子能量存在的能量范围 禁带 forbiddenband 不允许电子存在的能量范围 允带又分为空带 满带 导带 价带 空带 emptyband 不被电子占据的允带 满带 filledband 允带中的能量状态 能级 均被电子占据 图1 2金刚石结构价电子能带图 绝对零度 4 导带 conductionband 有电子能够参与导电的能带 但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带 价带 valenceband 由价电子形成的能带 但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带 导带底Ec 导带电子的最低能量价带顶Ev 价带电子的最高能量禁带宽度Eg Eg Ec Ev 图1 3一定温度下半导体的能带示意图 5 图1 4导体 绝缘体 半导体的能带示意图 能带被电子部分占满 在电场作用下这些电子可以导电 禁带很宽 价带电子常温下不能被激发到空的导带 禁带比较窄 常温下 部分价带电子被激发到空的导带 形成有少数电子填充的导带和留有少数空穴的价带 都能带电 3 6eV 硅1 12eV锗0 67eV砷化镓1 42eV 6 二 半导体的分类 一 本征半导体本征半导体是指纯净的半导体 导电性能在导体与绝缘体之间 1 本征半导体的能带结构例如半导体CdS 硫化镉 满带上的一个电子跃迁到空带后 满带中出现一个带正电的空位 称为 空穴 电子和空穴总是成对出现的 电子和空穴叫本征载流子 它们形成半导体的本征导电性 当光照h Eg时 可发生本征吸收 形成本征光电导 7 2 电子和空穴被统称为载流子的原因如果共价键中的电子获得足够的能量 它就可以摆脱共价键的束缚 成为可以自由运动的电子 这时在原来的共价键上就留下了一个缺位 因为邻键上的电子随时可以跳过来填补这个缺位 从而使缺位转移到邻键上去 所以 缺位也是可以移动的 这种可以自由移动的缺位被称为空穴 半导体就是靠着电子和空穴的移动来导电的 因此 电子和空穴被统称为载流子 二 杂质半导体杂质来源一 制备半导体的原材料纯度不够高 二 半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的污染 三 为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子 8 1 N型半导体四价的本征半导体Si Ge等 掺入少量五价的杂质元素 如P As等 形成电子型半导体 称n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带中紧靠空带处 杂质电离能 ED 10 2eV 极易形成电子导电 该能级称为施主能级 在n型半导体中 电子是多数载流子而空穴是少数载流子 9 2 P型半导体四价的本征半导体Si Ge等 掺入少量三价的杂质元素 如B Ga In等 形成空穴型半导体 称p型半导体 量子力学表明 这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处 杂质电离能 EA 10 2eV 极易产生空穴导电 该能级称受主能级 在p型半导体中 空穴是多数载流子而电子是少数载流子 10 3 杂质的补偿作用 实际的半导体中既有施主杂质 浓度nd 又有受主杂质 浓度na 两种杂质有补偿作用 若nd na 为n型 施主 若nd na 为p型 受主 利用杂质的补偿作用 可以制成p n结 11 综上所述 族元素 族元素 掺入半导体 分别成为 受主杂质 施主杂质 在禁带中引入了新的能级 分别为 施主能级 比导带底低 ED 受主能级 比价带顶高 EA 常温下 杂质都处于离化态 施主杂质向导带提供电子而成为正电中心 受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心 分别成为 N型半导体 P型半导体 12 三 P N结 1 p n结定义 p型半导体和n型半导体结合的交界面 2 p n结的形成在一块纯净的半导体晶片上 采用特殊的掺杂工艺 在两侧分别掺入三价元素和五价元素 一侧形成P型半导体 另一侧形成N型半导体 在结合面的两侧分别留下了不能移动的正负离子 呈现出一个空间电荷区 这个空间电荷区就称为p n结 图1 5基本结构示意图 图1 6p n结的形成 13 单纯的p型或n型半导体 仅仅是导电能力增强而已 还不具备半导体器件所要求的各种特性 但如果形成一个p n结 当p型半导体和n型半导体 结合 在一起时 由于p型半导体的空穴浓的高 自由电子的浓度低 而n型半导体的自由电子浓度高 空穴浓度低 所以交界面两侧的载流子在浓度上形成了很大的差别 于是就在交界面附近产生了多数载流子的扩散运动 所谓扩散运动 就是载流子由浓度高的地方向浓度低的地方运动 即p区的多数载流子 空穴 向n区扩散 同时n区的多数载流子 电子 向p区扩散 平衡时 空间电荷区的宽度也达到稳定 电流为零 14 内建电场 内建场阻止电子和空穴进一步扩散 空间电荷区中的正 负电荷间产生的电场 其方向由n区指向p区 平衡p n结 载流子在内建电场的作用下 漂移运动和扩散运动相抵时 所达到的动态平衡 p n结的净电流为零 在p型和n型交界面附近形成的这种特殊结构 p n结 阻挡层 耗尽层 其厚度约为0 1 m 15 2 p n结能带图 平衡p n结的能带图 16 P N结接正向偏压 P N 时 阻挡层势垒降低 变窄 可以导通 接反向偏压 P N 时 阻挡层加宽 电流约为零 这就是P N结的单向导电性 当外电场很强 反向电压超过某一数值后 反向电流会急剧增大 反向击穿 2 PN结的单向导电性 17 光生伏特效应 当具有p n结的半导体受到光照时 其中电子和空穴的数目增多 在结的局部电场作用下 p区的电子移到n区 n区的空穴移到p区 这样在结的两端就有电荷积累 形成电势差 这现象称为p n结的光生伏特效应 由于这些特性 用p n结可制成半导体二极管和光电池等器件 另一方面因击穿后并不损坏而可用来制造稳压管或开关等器件 18 太阳能电池 太阳能电池的作用是把太阳能转化为电能 太阳能电池一般是由N型和P型半导体制备而成 其能量转换的基本原理是利用半导体的光生伏特效应 N型半导体中含有较多的空穴 P型半导体中含有较多的电子 当两种半导体结合在一起的时候 由于扩散作用P型半导体中的电子以及N型半导体中的空穴会相互运动 最后在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层 界面的P型一侧带负电 N型一侧带正电 从而形成内建电场 当入射光垂直入射PN结时 光子进入N型半导体或者穿越PN结进入P型半导体 能量大于禁带宽度的光子 由本征吸收在结的两边产生电子 空穴对 由于PN结势垒区存在的内建场 自N区指向P区 结果两边的光生少数载流子受该场作用 各自向相反方向运动 P区的光生电子穿过PN结进入N区 N区的光生空穴进入P区 于是形成自N区向P区的光生电流 这样的载流子运动 由于中和掉部分空间电荷 使内建场势垒降低 从而产生正向电流 当光生电流和正向电