半导体物理知识复习

1、物质的分类物质的分类导体导体( (电阻率小于电阻率小于 ) )410cm绝缘体绝缘体( (电阻率大于电阻率大于 ) )910cm半导体（电阻率介于两者之半导体（电阻率介于两者之间）间）典型的半导体：典型的半导体：硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及砷化砷化镓镓GaAsGaAs等。等。按照导电按照导电能力的差能力的差别，可以别，可以将物质分将物质分为：为：固体结构晶体结构 硅、锗等半导体都属于金刚石型结构。 III-V族化合物（如砷化镓等）大多是属于闪锌矿型结构，与金刚石结构类似。 晶格常数是晶体的重要参数。 aGe=0.5658nm,aSi=0.5431nm半导体的原子结构半导体的原子结构价电

2、子价电子SiSi硅原子硅原子GeGe锗原子锗原子+4价电子价电子正离子正离子本征半导体中的共价键本征半导体中的共价键完全纯净、结构完整的半导体晶体，完全纯净、结构完整的半导体晶体，被称为被称为本征半导体本征半导体。例如理想的硅或。例如理想的硅或锗单晶。锗单晶。在硅和锗晶体在硅和锗晶体中，每个原子中，每个原子与其相临的原与其相临的原子之间形成子之间形成共共价键价键，共用一，共用一对价电子。对价电子。+4+4+4+4+4+4+4+4晶体中的共价键结构晶体中的共价键结构价电子价电子共价键共价键正离子正离子本征激发本征激发+4+4+4+4+4+4+4+4当温度很低，没有激发时，当温度很低，没有激发时，

3、半导体不能导电。半导体不能导电。当温度逐渐升高或有足够当温度逐渐升高或有足够光照时，将有少数价电子光照时，将有少数价电子获得足够能量，可以克服获得足够能量，可以克服共价键的束缚而成为共价键的束缚而成为自由自由电子电子，使得本征半导体具，使得本征半导体具有了微弱的导电能力。有了微弱的导电能力。产生自由电子后，在原有产生自由电子后，在原有的共价键中形成的共价键中形成空穴空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴可以依靠相邻共价键中的价电子依次填充可以依靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现空穴的移动。空穴来实现空穴的移动。载流子的概念载流子的概念自由电子与空穴均可视为自由电子

4、与空穴均可视为载流子载流子，但所携带，但所携带电荷的电荷的极性不同极性不同。在在本征半导体本征半导体中，自由电中，自由电子与空穴总是子与空穴总是成对出现成对出现，成为电子成为电子- -空穴对空穴对, ,从而从而两两种载流子的浓度相等种载流子的浓度相等。带正电带正电带负电带负电+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴载流子：载运电流的粒子载流子：载运电流的粒子电子浓度：电子浓度：in空穴浓度：空穴浓度：ipiipn 本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度(1)热平衡状态下，本征半导体中：热平衡状态下，本征半导体中：本征激发本征激发不断产生自由电子不断产生自由电子-空穴对空穴

5、对自由电子与空穴相遇时，自由电子可自由电子与空穴相遇时，自由电子可填入共价键的空穴，两者成对消失并填入共价键的空穴，两者成对消失并释放出一定能量，即为释放出一定能量，即为“复合复合”电子浓度：电子浓度：0n空穴浓度：空穴浓度：0p本征浓度：本征浓度：00inpn200in pnkTEigeTAn22300本征半导体的载流子浓度(2)可见，本征半导体中载流子的浓度可见，本征半导体中载流子的浓度与以下因素相关：与以下因素相关：半导体材料半导体材料本身的性质本身的性质随着随着温度温度的升高基本上按照指数规的升高基本上按照指数规律增加律增加kTEigeTAn223000A：与半导体材料有关：与半导体材

6、料有关的常数的常数0gE：禁带宽度，代表一：禁带宽度，代表一个价电子克服共价键个价电子克服共价键而成为自由电子所需而成为自由电子所需的最小能量的最小能量Tk杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某种特定的杂质在本征半导体中掺入某种特定的杂质（掺杂掺杂），成为杂质半导体后，可以），成为杂质半导体后，可以使其导电性能发生使其导电性能发生质的变化质的变化。根据所掺元素的不同，又可将掺杂后根据所掺元素的不同，又可将掺杂后的半导体分为的半导体分为N N型型半导体（掺入半导体（掺入5 5价元价元素）和素）和P P型型半导体（掺入半导体（掺入3 3价元素）。价元素）。增加载流子的数量增加载流子的数量提高导电

7、率提高导电率N型半导体及其性质型半导体及其性质+4+4+5+5+4+4+4+4自由电子自由电子施主杂质施主杂质对于对于N N型半导体型半导体来说，其中的电来说，其中的电子浓度大大高于子浓度大大高于空穴的浓度，又空穴的浓度，又被称为被称为电子型半电子型半导体导体。其中的。其中的5 5价杂质被称为价杂质被称为施施主杂质主杂质。N N型半导体中型半导体中: :电子为多数载流子（电子为多数载流子（多子多子），主要由），主要由杂质原子提供杂质原子提供空穴为少数载流子（空穴为少数载流子（少子少子），主要由），主要由热激发产生热激发产生+N型硅表示型硅表示不能导电不能导电P型半导体及其性质型半导体及其性质+

8、4+4+3+3+4+4+4+4空位空位受主杂质受主杂质对于对于P P型半导体型半导体来说，其中的空来说，其中的空穴浓度大大高于穴浓度大大高于电子的浓度，又电子的浓度，又被称为被称为空穴型半空穴型半导体导体。其中的。其中的3 3价杂质被称为价杂质被称为受受主杂质主杂质。P P型半导体中型半导体中: :空穴为多数载流子空穴为多数载流子电子为少数载流子电子为少数载流子 多子少子N型半导体电子空穴P型半导体空穴电子P型硅表示型硅表示不能导电不能导电杂质半导体的性质杂质半导体的性质在杂质半导体中：在杂质半导体中：+-N N型半导体的型半导体的简化表示法简化表示法P P型半导体的型半导体的简化表示法简化表

9、示法多子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度多子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度少子的浓度主要取决于温度少子的浓度主要取决于温度半导体杂质的补偿原理半导体杂质的补偿原理: :杂质的补偿作用：如果在半导体中既掺入施主杂质，又掺入受主杂质，两者具有相互抵消的作用，这种作用称为杂质的补偿作用。载流子在半导体中的运动载流子在半导体中的运动当无外加电场作用时，半导体中的载当无外加电场作用时，半导体中的载流子做不规则热运动，对外不呈现电流子做不规则热运动，对外不呈现电特性特性在外加或内建电场作用下，载流子将在外加或内建电场作用下，载流子将有定向的有定向的“漂移运动漂移运动”并产生并产生漂移电漂移电流流当载流子浓度

10、分布不均匀时，将从高当载流子浓度分布不均匀时，将从高浓度区域向低浓度区域做定向运动，浓度区域向低浓度区域做定向运动，即即“扩散运动扩散运动”，同时产生，同时产生扩散电流扩散电流半导体中的电流为漂移电流与扩散电半导体中的电流为漂移电流与扩散电流之和流之和半导体中的能带 电子的共有化运动 轨道交迭：电子可从一个原子转移到相邻的原子上去 原子组合成晶体：电子的量子态发生质的变化，电子穿行于整个晶体的运动 电子只能在能量相同的量子态之间转移 共有化的量子态与原子能级之间存在对应关系 在同一个原子能在同一个原子能级上产生的共有化级上产生的共有化运动多样运动多样可以有各种速度可以有各种速度 从一个原子能级

11、从一个原子能级可以演变出许多共可以演变出许多共有化量子态有化量子态 原子能级原子能级 能带能带一组密集的能级：能带一组密集的能级：能带 禁带禁带，带隙，带隙半导体中的能带价带：价带：被电子填充的能量最高的能带，被电子填充的能量最高的能带，价电子填充价电子填充 能量最高能量最高 价带以上能带基本为空价带以上能带基本为空导带：导带： 未被电子填充的能量最低的能带未被电子填充的能量最低的能带禁带：禁带：导带底与价带顶之间能带导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体中的能带半导体中的能带(价带、导带和带隙价带、导带和带隙)Si，Ge等晶体中，内层到最

12、等晶体中，内层到最外层价电子填满相应的能带外层价电子填满相应的能带 电子摆脱共价键束缚形成一对电子和空穴 电子从价带到导带的跃迁过程 导带增加一个电子、价带增加一个空穴 禁带宽度：摆脱共价键所需的能量 导电的电子：导带中的电子 导电的空穴：填满的价带中出现的空能级，实质是价带中电子的导电 从低向高能级跃迁：吸收能量；反之放出能量 杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态杂质能级一般处于禁带中杂质能级一般处于禁带中施主能级施主能级V族施主电离能很小族施主电离能很小施主的电离：施主能级施主的电离：施主能级上的电子跃迁到导带上的电子跃迁到导带 受主

13、能级受主能级负电中心束缚空穴负电中心束缚空穴III族受主电离能很小族受主电离能很小受主的电离：价带电子跃迁受主的电离：价带电子跃迁到受主能级，失去空穴的负到受主能级，失去空穴的负电中心电中心n型半导体：主要电子导电，有少量空穴型半导体：主要电子导电，有少量空穴P型半导体：主要空穴导电，有少量电子型半导体：主要空穴导电，有少量电子多子：多数载流子多子：多数载流子 n型半导体：电子型半导体：电子p型半导体：空穴型半导体：空穴少子：少数载流子少子：少数载流子n型半导体：空穴型半导体：空穴p型半导体：电子型半导体：电子晶格热振动晶格热振动 产生产生电子跃迁：产生电电子跃迁：产生电子空穴对子空穴对复合：

14、导带电子落复合：导带电子落入价带空能级入价带空能级热平衡时，电子、热平衡时，电子、空穴浓度维持不变空穴浓度维持不变热平衡：无光照、热平衡：无光照、PN结注入等结注入等半导体中少子和多子的平衡半导体中少子和多子的平衡2innp pn 在非本征情形在非本征情形: 热平衡时热平衡时:N型半导体：型半导体：n大于大于pP型半导体：型半导体：p大于大于n非本征半导体的载流子非本征半导体的载流子p + Nd n Na = 0施主和受主可以相互补偿施主和受主可以相互补偿p = n + Na Ndn = p + Nd Na电中性条件电中性条件: 正负电荷之和为正负电荷之和为0n型半导体：电子型半导体：电子 n

15、 Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半导体：空穴型半导体：空穴 p Na 电子电子 n ni2/Na 由于受外界因素如光、电的作用，半导体由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为非平衡离平衡分布的载流子为非平衡(过剩过剩)载流子载流子2innp 公式公式不成立不成立外界因素撤除后，过剩载流子复合外界因素撤除后，过剩载流子复合非平衡载流子非平衡载流子费米能级 费米能级：反映电子填充能带到什么水平：电子统计规律的一个基本概念 从重掺杂P型到重掺杂N型半导体，填进能带的电子逐渐增多，费米能级逐渐增高 费

16、米能级画到能带图中，反映电子填充能带情况，不代表电子的量子态 费米能级以下基本 填满电子 费米能级在禁带中央：本征 费米能级在禁带上半部：N型 费米能级在禁带下半部：P型Ef反映了电子的占据情况，是系统的化学势反映了电子的占据情况，是系统的化学势载流子的统计分布函数 费米狄拉克分布费米狄拉克分布 量量 子子 的的 统统 计计 分分 布布kTEEfeEf11kTEEfeEf玻尔兹曼分布玻尔兹曼分布 经经 典典 粒粒 子子 的的 统统 计计 分分 布布E-Ef大于几个大于几个kT时时简化形式简化形式热平衡时电子占据能级热平衡时电子占据能级E的几率的几率nneiEEkTFnipneiEEkTiFp漂

17、移电流漂移电流EqnqnvJdDeift迁移率迁移率 电阻率电阻率单位电场作用下载流单位电场作用下载流子获得平均速度子获得平均速度反映了载流子在电场反映了载流子在电场作用下输运能力作用下输运能力 载流子的漂移运动：载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动载流子在电场作用下的运动 引引 入入 迁迁 移移 率率 的的 概概 念念迁移率：迁移率：电子和空穴不同电子和空穴不同掺杂浓度影响掺杂浓度影响温度影响温度影响.载流子的输运载流子的输运 载流子在运动过程中，与晶格、杂质、缺陷发生碰撞，无规则地改变运动方向，发生散射；经历一次散射载流子丧失了原有定向运动速度 载流子的平均漂移速度等于载流子在两次散

18、射之间电场力加速获得的平均速度mq影响迁移率的因素：影响迁移率的因素：有效质量有效质量平均弛豫时间平均弛豫时间迁移率迁移率 漂移速度与迁移率的关系：Vd=E其中，迁移率即表示单位场强下电子的平均漂移速度（cm2/Vs)I=-nqVd1 sJ=- nqVd =-nq ESi: n=1350 cm2/Vs, p=500cm2/Vs重要半导体材料的属性重要半导体材料的属性Si中迁移率和杂质浓度的关系中迁移率和杂质浓度的关系电阻率 J=E=nqnE+pqpE)(11pnqpn扩散电流扩散电流电子扩散电流：电子扩散电流：dxdnqDJndiffn,空穴扩散电流：空穴扩散电流：dxdpqDJpdiffp,

19、爱因斯坦关系爱因斯坦关系:qkTD 载流子的扩散运动：载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动载流子在化学势作用下运动由载流子非均匀分布引起由载流子非均匀分布引起扩散系数，描述载扩散系数，描述载流子的扩散能力流子的扩散能力 电流密度方程电流密度方程 载流子的输运方程载流子的输运方程在漂移扩散模型中在漂移扩散模型中扩散项漂移项nqDnqnnnEjpqDpqpppEj方程形式方程形式1nBnqTkDpBpqTkD爱因斯坦关系爱因斯坦关系波耳兹曼关系波耳兹曼关系kTqifenn/ )(kTqifenp/ )(innnqkTlnqEFf方程形式方程形式2ipnpqkTlnnnnqnJpppqnJ电子和空穴的准费米势：电子和空穴的准费米势：费米势2200200022idaddiadanNaNNNnNnnNnNpNn电荷守恒定律电荷守恒定律连续性方程和泊松方程连续性方程和泊松方程连续性方程：在半导体材料中同时存在载流子的