半导体器件物理期末复习课件第二章、第三章

1、半导体器件物理半导体器件物理 semiconductor device physics第第1部分半导体物理部分半导体物理23 半导体材料的晶格结构半导体材料的晶格结构 电子和空穴的概念电子和空穴的概念 半导体的电性能和导电机理半导体的电性能和导电机理 载流子的漂移运动和扩散运载流子的漂移运动和扩散运动动 非平衡载流子的产生和复合非平衡载流子的产生和复合 4物质按照物质按照导电能力导电能力分为：导体分为：导体 绝缘体绝缘体 半导体半导体1. 导体：导体：电阻率电阻率 109 cm 物质。如橡胶、物质。如橡胶、塑料等。塑料等。3. 半导体：半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物导电性能介于导体和

2、绝缘体之间的物质。电阻率质。电阻率 10- -3 109 9 cm。大多数半导体器件。大多数半导体器件所用的主要材料是硅所用的主要材料是硅( (Si) )和锗和锗( (Ge) )。半导体的重要特性？半导体的重要特性？5半导体的电性能半导体的电性能6789半导体的重要特性半导体的重要特性 温度升高温度升高使半导体使半导体导电能力增强导电能力增强，电导率下降，电导率下降 杂质杂质可以显著可以显著增强增强半导体的导电能力半导体的导电能力 适当波长的适当波长的光照光照可以可以增强增强半导体的导电能力半导体的导电能力101112单晶体单晶体：由原子或分子在空间按一定规律由原子或分子在空间按一定规律周期性

3、周期性地重复排列地重复排列构成的固体物质。构成的固体物质。多晶体：多晶体：小区域小区域内原子内原子周期性排列周期性排列，整体不规则整体不规则非晶体：非晶体：原子原子排列无序排列无序131415161718191.1.2 晶体的晶向与晶面晶体的晶向与晶面晶格：晶体中周期性的重复单元晶格：晶体中周期性的重复单元格点：组成晶体的原子的重心位置格点：组成晶体的原子的重心位置晶轴：以某一格点为原点，取三个相互垂晶轴：以某一格点为原点，取三个相互垂 直的坐标轴直的坐标轴20晶列晶列：通过任意两格点所作的直线（晶列上有一系通过任意两格点所作的直线（晶列上有一系列格点）列格点） 特征特征：同一格点可引出无限晶

4、列；：同一格点可引出无限晶列；平行晶列构成族。平行晶列构成族。晶向晶向：在坐标系中晶列的方向（确定晶向的方法待在坐标系中晶列的方向（确定晶向的方法待定）；用定）；用晶列指数晶列指数表示，如表示，如110。晶面晶面：通过晶体中三个不在同一晶轴上的三个质点：通过晶体中三个不在同一晶轴上的三个质点所作的平面。晶面用所作的平面。晶面用晶面指数晶面指数（密勒指数）（密勒指数）表示，表示，如（如（111），（），（100） 特征：特征：平行晶面格点分布相同，称平行晶面格点分布相同，称同一族晶面同一族晶面1.1.2 1.1.2 晶体的晶向与晶面晶体的晶向与晶面21a、晶列的表征、晶列的表征-晶列指数晶列指数

5、 三个轴上互质整数表示。三个轴上互质整数表示。 一列用一列用a b ca b c表示，表示，如：如： 100100 110110 111111 一族用一族用表示，表示，如：如： b b、晶面的表征晶面的表征-晶面指数晶面指数（密勒指数）（密勒指数） 三个轴上截距倒数的互质整数表示。三个轴上截距倒数的互质整数表示。 某晶面用某晶面用(a b c)(a b c)表示，表示，如：如：(100)(100) (110)(110) (111)(111) 一族用一族用a b ca b c表示，表示，如：如： 100 110 111100 110 111 晶列与晶面表征晶列与晶面表征2223一个简单的晶体结构

6、一个简单的晶体结构24252627相同指数的晶面和晶列互相垂直相同指数的晶面和晶列互相垂直。28291.1.3 半导体中的缺陷半导体中的缺陷 当半导体中的某些区域，晶格中的原子当半导体中的某些区域，晶格中的原子周期性周期性排列被破坏排列被破坏时就形成了各种缺陷。时就形成了各种缺陷。 缺陷分为缺陷分为三类三类： 点缺陷点缺陷：如空位，间隙原子，替位原子；：如空位，间隙原子，替位原子； 线缺陷：如线缺陷：如位错位错； 面缺陷：如层错等。面缺陷：如层错等。 30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

7、，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。311、热缺陷热缺陷：当晶体的温度高于绝对当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热时，由于晶格内原子热运动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成运动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。的缺陷。 （1） Frankel缺陷缺陷 特点特点 空位和间隙成对产生空位和间隙成对产生 ；晶体密度不变。；晶体密度不变。 32Frankel缺陷的产生缺陷的产生33（2） Schttky缺陷缺陷正常格点的原子由于热运动跃迁到晶体表面，正常格点的原子由于热运动跃迁到晶体表面，在晶体内正常格点留下在晶体内正常格

8、点留下空位。空位。Schttky缺陷形成的能量缺陷形成的能量小于小于Frankel 缺陷形成的能量因缺陷形成的能量因此对于大多数晶体来说，此对于大多数晶体来说，Schttky 缺陷是主要的。缺陷是主要的。Si，Ge中的主要点缺陷是空位中的主要点缺陷是空位形成形成 从形成缺陷的能量来分析从形成缺陷的能量来分析 34Schottky缺陷的产生缺陷的产生351.能级能级 电子绕原子核是按层电子绕原子核是按层分布的，每层电子的能分布的，每层电子的能量是固定的。我们把电量是固定的。我们把电子所具有的能量用线条子所具有的能量用线条表示出来，标志电子能表示出来，标志电子能量高低的线条就叫量高低的线条就叫能级

9、能级。E1E2E336+ 原子的能级（电子壳层）原子的能级（电子壳层）+2.能级特点能级特点越是外层，电子的能量越高越是外层，电子的能量越高3738+原子结合成晶体时晶体中电子的共有化运动原子结合成晶体时晶体中电子的共有化运动+3940 共有化的电子不像单个原子那样具有一个固定的能量，即有一个固定的能级，而是具有若干分布在一定范围内的能级，这些能级相互靠的很近，基本联成一片。这些连成一片的能级，就叫能带。41当原子之间距离逐步接近时，原子周围电子的能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，下图是能级向能带演变的示级逐步转变为能带，下图是能级向能带演变的示意图。意图。4243

10、图图 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价带电子激发成为导带电价带电子激发成为导带电子的过程子的过程444546导带和价带重叠导带和价带重叠, ,中间中间无禁带无禁带。价带价带被被电子部分填满电子部分填满, ,电子可以在晶体中自由运动电子可以在晶体中自由运动. .因此即使在低温下因此即使在低温下, ,也有大量电子参与导电也有大量电子参与导电, ,电阻率低电阻率低, ,导电能力强导电能力强. .从能级图上来看，从能级图上来看，是因为电子很易从是因为电子很易从低能级跃迁到低能级跃迁到高能级

11、高能级上去。上去。导体导体导体参与导电的有几种载流子导体参与导电的有几种载流子? ?47导带价带间有一个禁带导带价带间有一个禁带(禁带宽度窄禁带宽度窄),价带填满电子价带填满电子(所以所以绝对零度不导电绝对零度不导电). 室温下室温下, 有部分电子从价带跳到导带参与导电有部分电子从价带跳到导带参与导电.导体参与导电的有几种载流子导体参与导电的有几种载流子?电流电流=导带电子电流导带电子电流+价带空穴电流之和价带空穴电流之和半导体半导体T,更多电子被激发到导带更多电子被激发到导带,导电能力导电能力禁带宽度的存在禁带宽度的存在,被激发的电子少于导体中的自由电子被激发的电子少于导体中的自由电子,导电

12、能力比导电能力比导体差导体差.导带价带间导带价带间,禁带宽度比较大禁带宽度比较大,价带被电子填满价带被电子填满,一般情况下一般情况下,价带电子从热激发中得到的能量不足以使它跳到导带上价带电子从热激发中得到的能量不足以使它跳到导带上去去,因此导带电子极少因此导带电子极少,绝缘体不导电绝缘体不导电.绝缘体绝缘体48满带中因失去了电子而留下的空位称为满带中因失去了电子而留下的空位称为空穴空穴。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，这与，这与金属导体导电有很大的区别。金属导体导电有很大的区别。49 晶体中的电子除了受到外力作用外，还受到晶格原子和晶体

13、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，所以引入有效质量的概念。（当电子在外力作用下运量，所以引入有效质量的概念。（当电子在外力作用下运动时，它一方面受到外电场力的作用，同时还和半导体内动时，它一方面受到外电场力的作用，同时还和半导体内部原子、电子相互作用着，电子的加速度应该是半导体内部原子、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综合效果。但是要找出内部势场的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到一定的困难，引进具体形式并且求

14、出加速度遇到一定的困难，引进有效质量有效质量后可使问题变得简单后可使问题变得简单，直接把外力和电子的加速度联系起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以概括来，而内部势场的作用则由有效质量加以概括。特别是。特别是有有效质量可以直接由试验测定效质量可以直接由试验测定，因而可以很方便地解决电子，因而可以很方便地解决电子的运动规律。）的运动规律。）1.2.2 1.2.2 1.2.2 有效质量有效质量有效质量有效质量有效质量有效质量50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本征激发的特征：本征激发的特征：

15、 成对的产生导带电子和价带空穴成对的产生导带电子和价带空穴参与导电的参与导电的电子和空穴电子和空穴统称为半导体的载流子统称为半导体的载流子。纯净的，不含任何杂质和缺陷的半导体纯净的，不含任何杂质和缺陷的半导体51杂质半导体杂质半导体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晶格中的原子严格按周期排列的按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，即在半导体晶格中存在着与组成半即在半导体晶格中存在着与组成半导

16、体的元素不同的其他化学元素的导体的元素不同的其他化学元素的原子原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52一）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；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。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-353间隙式杂质间隙式杂质原子半径一般原子半径一般比较小比较小。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原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近半径大小

17、比较相近，且它，且它们的们的价电子壳层结构也比较相近价电子壳层结构也比较相近。三三/五族五族元素掺入硅和锗中形成元素掺入硅和锗中形成替位式杂质替位式杂质54硅中掺入磷（硅中掺入磷（P）为例，研究）为例，研究族元素杂质的作用。当一个族元素杂质的作用。当一个磷原子磷原子占据占据了硅原子的位置，了硅原子的位置，如图所示，磷原子有五个价电如图所示，磷原子有五个价电子，其中四个价电子与周围的子，其中四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩四个硅原子形成共价键，还剩余一个价电子。室温下，很容余一个价电子。室温下，很容易脱离磷原子束缚，成为自由易脱离磷原子束缚，成为自由电子。磷原子成一个带有一个电子。磷

18、原子成一个带有一个正电荷的磷离子（正电荷的磷离子（P+），称为），称为正电中心磷离子正电中心磷离子。其效果相当。其效果相当于形成了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。55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。施主释放电子的过程称为施主释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

19、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，使导带中的导电电子增多（电子密度大于空穴密度），增强了半导的导电电子增多（电子密度大于空穴密度），增强了半导体的导电能力，成为体的导电能力，成为主要依靠电子导电主要依靠电子导电的半导体材料。的半导体材料。56施主能级施主能级用离导带底用离导带底Ec为为ED处的处的短短线段线段表示，表示，施主能级上的小黑点表示施主能级上的小黑点表示被施主杂质束缚的电子被施主杂质束缚的电子。箭头箭头表示被表示被束缚的电子得到电离能后从施主能级束缚的电子得到电离能后从施主能级跃迁到导带成为导电

20、电子的跃迁到导带成为导电电子的电离过程电离过程。导带中的小黑点表示进入导带中的电导带中的小黑点表示进入导带中的电子子， 表示施主杂质电离后带表示施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，后，就从施主的束缚态跃迁就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，到导带成为导电电子，被施主杂质束缚时的电被施主杂质束缚时的电子的能量子的能量比导带底比导带底Ec低低ED，称为，称为施主能级施主能级，用用ED表示。由于表示。由于ED远远小于禁带宽度小于禁带宽度Eg，所以，所以施主能级位于离导带底施主能级位于离导带底很近的禁带中很近的禁带中。57硅中掺

21、入硼（硅中掺入硼（B）为例，研究）为例，研究族元素杂质的作用。当一个硼原族元素杂质的作用。当一个硼原子子占据占据了硅原子的位置，如图所了硅原子的位置，如图所示，硼原子有三个价电子，当它示，硼原子有三个价电子，当它和周围的四个硅原子形成共价键和周围的四个硅原子形成共价键时，还缺少一个电子，必须从别时，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子，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空穴。硼原子成为一个带有一个负电荷的硼离子（一个负电荷的硼离子（B-），称），称为为负电中心硼离子负电中心硼离子。其效果相当。其效果

22、相当于形成了于形成了一个负电中心和一个多一个负电中心和一个多余的空穴余的空穴。58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。导电能力，成为主要依靠

23、空穴导电的半导体材料。59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表示，示，受主能级上的小圆圈表示被施主杂质束受主能级上的小圆圈表示被施主杂质束缚的空穴缚的空穴。箭头箭头表示被束缚的空穴得到电离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能后从受主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（即价带顶的电子跃迁到受主能级上填充空位）的位）的电离过程电离过程。价带中的小圆圈表示进入价带中的小圆圈表示进入价带中的空穴价带中的空穴，表示受主杂质电离后带负表示受主杂质电离后带负电，成为不可移动的电，成为不可移动的负点中心负点中心。空穴得

24、到能量空穴得到能量EA后，后，就从受主的束缚态跃迁就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，到价带成为导电空穴，被受主杂质束缚时的空被受主杂质束缚时的空穴的能量穴的能量比价带顶比价带顶EV低低EA，称为，称为受主能级受主能级，用用EA表示。由于表示。由于EA远远小于禁带宽度小于禁带宽度Eg，所以，所以受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。60综上所述综上所述6162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63ND 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

25、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。64当当NDNA时，因为受主能级时，因为受主能级低于施主能级，所以施主杂低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到受主能质的电子首先跃迁到受主能级上，填满级上，填满NA个受主能级，个受主能级，还剩（还剩（ND-NA）个电子在施主）个电子在施主能级上，在杂质全部电离的能级上，在杂质全部电离的条件下，它们跃迁到导带中条件下，它们跃迁到导带中成为导电电子，这时，成为导电电子，这时，n=ND-NAND，半导体是，半导体是N型的型的65当当NAND时，施主能级时，施主能级上的全部电子跃迁到上的全

26、部电子跃迁到受主能级上后，受主受主能级上后，受主能级还有能级还有(NA-ND)个空个空穴，它们可以跃迁到穴，它们可以跃迁到价带成为导电空穴，价带成为导电空穴，所以，所以，p=NA-NDNA，半导体是半导体是P型的型的66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。67称为称为深能级深能级，相应的杂质称为，相应的杂质称为深能级杂质深能级杂质；能级距离导带底较远，产生的受主能级距离价顶能级距离导带底较远，产生的受主能级距离价顶也

27、较远。称为也较远。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；68费米分布函数：费米分布函数：能量为能量为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、杂质的含量以及能量零点的选取有关。只要知道了含量以及能量零点的选取有关。只要知道了EF的数值，在一的数值，在一定温度下，电子在

28、各量子态上的统计分布就完全确定了。定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。69玻耳兹曼分布函数玻耳兹曼分布函数70非简并半导体：非简并半导体：服从玻耳兹曼统计服从玻耳兹曼统计分布规分布规 律的半导体律的半导体简并半导体简并半导体：服从费米统计分布规服从费米统计分布规 律的半导体律的半导体71导带电子浓度导带电子浓度导带的有效能级密度导带的有效能级密度72价带空穴浓度（同理）价带空穴浓度（同理）价带的有效能级密度价带的有效能级密度73 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动态平衡平衡，即，即，称为热平衡状态。，称为热平衡状态。 这时，

29、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导电电子浓度和空穴浓度都保持一个稳定的数值个稳定的数值。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载流子热平衡载流子。741.3.2 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，这就是去，同时价带中产生空穴，这就是本征激发本征激发。由于。由于电子和空穴电子和空穴成对出现成对出现，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本征半

30、导体的费米能级本征半导体的费米能级EF，并用符号，并用符号Ei表示，称为本征费表示，称为本征费米能级米能级75 在一定温度下，在一定温度下，任何非简并半导体任何非简并半导体（电子（电子或空穴的浓度分别远低于导带或价带的有效能级或空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密度）的热平衡载流子浓度的乘积n0p0等于该温等于该温度下的本征半导体载流子浓度度下的本征半导体载流子浓度ni的平方，与所含的平方，与所含杂质无关。杂质无关。 式（式（1-45）不仅适用于本征半导体，而且也）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。适用于非简并的杂质半导体材料。n0p

31、0=ni276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77781.3.3 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；提供一个载流子；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，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

32、为），空穴为少少数载流子数载流子（简称（简称少子少子）；）；P型半导体中，空穴为多数载流子，型半导体中，空穴为多数载流子，电子为少数载流子。电子为少数载流子。79n0p0=ni2由式（由式（1-45），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在杂质半导体中少数载流子比本征半导体的载流子浓度子比本征半导体的载流子浓度ni小得多小得多。80当一块半导体中同时掺入当一块半导体中同时掺入P型杂质和型杂质和N型杂质时，考虑室温下，型杂质时，考虑室温下，杂质全部电离，以及杂质的补

33、偿作用，载流子浓度为杂质全部电离，以及杂质的补偿作用，载流子浓度为|ND-NA|N型半导体型半导体P型半导体型半导体8182半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外加作用，破坏了热平衡状态的条件，这就迫使它处如果对半导体施加外加作用，破坏了热平衡状态的条件，这就迫使它处于于与热平衡状态相偏离的状态与热平衡状态相偏离的状态，称为，称为非平衡状态非平衡状态。用用n0和和p0分别表示平衡时的电子浓度和空穴浓度，它们的乘积满足分别表示平衡时的电子浓度和空穴浓度，它们的乘积满足处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度将不再是处于非平衡状态的半导体，其载流

34、子浓度将不再是n0和和p0，可，可以比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为以比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子非平衡载流子，有时也称，有时也称过剩载流子过剩载流子，用，用np 。8384 例如在一定温度下，当没有光照时，一块半导体例如在一定温度下，当没有光照时，一块半导体中的电子和空穴浓度分别为中的电子和空穴浓度分别为n0和和p0，假设是，假设是N型半导型半导体，则体，则n0p0，当用适当波长的，当用适当波长的光照射该半导体光照射该半导体时，时，只要光子的能量大于该半导体的禁带宽度，那么光子只要光子的能量大于该半导体的禁带宽度，那么光子就能把价带电子

35、激发到导带上去，就能把价带电子激发到导带上去，产生电子产生电子-空穴对空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子使导带比平衡时多出一部分电子n，价带比平衡时，价带比平衡时多出一部分空穴多出一部分空穴 p，且，且n=p0085例例 1cm的的N型硅中，型硅中，n05.51015cm-3，p03.1104cm-3，若注入非平衡载流子若注入非平衡载流子n=p=1010cm-3，n远小于远小于n0，是小注入，但是，是小注入，但是p几乎是几乎是p0的的106倍，即倍，即p远大于远大于p0。 说明说明 即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子浓度即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子浓度还是可以比平衡少数载流子浓

36、度大得多，它的影响就显还是可以比平衡少数载流子浓度大得多，它的影响就显得十分重要了，而相对来说非平衡多数载流子的影响可得十分重要了，而相对来说非平衡多数载流子的影响可以忽略。所以实际上往往是以忽略。所以实际上往往是非平衡少数载流子起着重要非平衡少数载流子起着重要作用作用，因此通常说的，因此通常说的非平衡载流子都是指非平衡少数载非平衡载流子都是指非平衡少数载流子流子。86 除了光照，还可以用其他方法产生非平衡载流子，除了光照，还可以用其他方法产生非平衡载流子，最常用的是用电的方法，称为非平衡载流子的最常用的是用电的方法，称为非平衡载流子的电注入电注入。 如以后讲到的如以后讲到的P-N结正向工作结

37、正向工作时，就是常遇到的电时，就是常遇到的电注入。注入。87复合复合 注入的非平衡载流子并不能一直存在下去，注入的非平衡载流子并不能一直存在下去，光照停止后，它们会逐渐消失光照停止后，它们会逐渐消失，也就是原来激发，也就是原来激发到导带的电子又回到价带，电子和空穴又成对地到导带的电子又回到价带，电子和空穴又成对地消失了。最后载流子浓度恢复到平衡时的值，半消失了。最后载流子浓度恢复到平衡时的值，半导体又回到了平衡状态。导体又回到了平衡状态。（由于半导体的内部作用，使它由非平衡状态恢（由于半导体的内部作用，使它由非平衡状态恢复到平衡状态，过剩载流子逐渐消失）复到平衡状态，过剩载流子逐渐消失）非平衡

38、载流子的复合非平衡载流子的复合abcEvE88 热平衡热平衡并不是一种绝对静止的状态。就半导体中的载并不是一种绝对静止的状态。就半导体中的载流子而言，流子而言，任何时候电子和空穴总是不断地产生和复合任何时候电子和空穴总是不断地产生和复合，在热平衡状态，在热平衡状态，产生和复合处于相对平衡产生和复合处于相对平衡，每秒钟产生的，每秒钟产生的电子电子-空穴对数目与复合掉的数目相等，从而保持载流子浓空穴对数目与复合掉的数目相等，从而保持载流子浓度稳定不变。度稳定不变。 当用当用光照射半导体光照射半导体时，打破了产生和复合的相对平衡，时，打破了产生和复合的相对平衡，产生超过了复合产生超过了复合，在半导体

39、中产生了非平衡载流子，半导，在半导体中产生了非平衡载流子，半导体处于体处于非平衡状态非平衡状态。 光照停止初期光照停止初期，半导体中仍然存在非平衡载流子。由，半导体中仍然存在非平衡载流子。由于电子和空穴的数目比热平衡时增多了，它们在热运动中于电子和空穴的数目比热平衡时增多了，它们在热运动中相遇而复合的机会也将增大。这时相遇而复合的机会也将增大。这时复合超过了产生复合超过了产生而造成而造成一定的净复合，非平衡载流子逐渐消失，最后恢复到平衡一定的净复合，非平衡载流子逐渐消失，最后恢复到平衡值，半导体又回到了热平衡状态。值，半导体又回到了热平衡状态。89 实验表明实验表明 对于对于N型半导体，光照停

40、止后，型半导体，光照停止后，p随时间按随时间按指数规律减少。这说明非平衡载流子并不是立刻全部消失，指数规律减少。这说明非平衡载流子并不是立刻全部消失，而是有一个过程，即它们在导带和价带中有一定的生存时而是有一个过程，即它们在导带和价带中有一定的生存时间，有的长些，有的短些。间，有的长些，有的短些。 非平衡载流子的平均生存时间非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿称为非平衡载流子的寿命，用命，用表示。表示。 相对于非平衡多数载流子而言，相对于非平衡多数载流子而言，非平衡少数载流子的非平衡少数载流子的影响处于主导的、决定的地位影响处于主导的、决定的地位，因而，因而非平衡载流子的寿命非平衡载

41、流子的寿命通常指少数载流子的寿命通常指少数载流子的寿命。90t p-tptpexp)0()(91t p-tptpexp)0()(e/ )0(tppte) 0(p) 0(pp 非平衡载流子的寿非平衡载流子的寿命命? :非平衡载流子衰减到原来浓度的非平衡载流子衰减到原来浓度的e分之一所需时间分之一所需时间92 不同材料的寿命很不相同。不同材料的寿命很不相同。 一般来说，锗比硅容易获得较高的寿命，而砷化镓的一般来说，锗比硅容易获得较高的寿命，而砷化镓的寿命要短得多。在比较完整的锗单晶中，寿命可超过寿命要短得多。在比较完整的锗单晶中，寿命可超过104s。 纯度和完整性特别好的硅材料，寿命可达纯度和完整

42、性特别好的硅材料，寿命可达103s以上。以上。 砷化镓的寿命极短，约为砷化镓的寿命极短，约为10-810-9s或更低。或更低。 即使是同种材料，在不同的条件下，寿命也可在一即使是同种材料，在不同的条件下，寿命也可在一个很大的范围内变化。个很大的范围内变化。 通常制造晶体管的锗材料，寿命在几十微秒到二百通常制造晶体管的锗材料，寿命在几十微秒到二百多微秒范围内。多微秒范围内。 平面器件中的硅寿命一般在几十微秒以上平面器件中的硅寿命一般在几十微秒以上93 由于半导体内部的相互作用，使得任何半导体在平衡态由于半导体内部的相互作用，使得任何半导体在平衡态总有一定数目的电子和空穴。从微观角度讲，总有一定数

43、目的电子和空穴。从微观角度讲，平衡态指的平衡态指的是由系统内部一定的相互作用所引起的微观过程之间的平是由系统内部一定的相互作用所引起的微观过程之间的平衡衡。也正是这些微观过程促使系统由非平衡态向平衡态过。也正是这些微观过程促使系统由非平衡态向平衡态过渡，引起非平衡载流子的复合，因此，复合过程是属于统渡，引起非平衡载流子的复合，因此，复合过程是属于统计性的过程。计性的过程。 根据长期的研究结果，就根据长期的研究结果，就复合过程复合过程的微观机构讲，复合的微观机构讲，复合过程大致可以分为两种：过程大致可以分为两种：直接复合直接复合，即电子在价带和导，即电子在价带和导带之间的直接跃迁，引起电子和空穴

44、的直接复合；带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合；间接间接复合复合，即电子和空穴通过禁带的能级，即电子和空穴通过禁带的能级（复合中心）（复合中心）进行复进行复合。根据合。根据复合发生的位置复合发生的位置，又可以将它分为，又可以将它分为体内复合体内复合和和表表面复合面复合。94电子在导带与价带间电子在导带与价带间直接跃迁直接跃迁而引起非平衡载流子的复合过程而引起非平衡载流子的复合过程 在小注入条件下，当温度和掺杂一在小注入条件下，当温度和掺杂一定时，寿命是一个常数。定时，寿命是一个常数。 寿命与多数载流子浓度成反比寿命与多数载流子浓度成反比，或，或者说，者说，半导体电导率越高，寿命就越短半

45、导体电导率越高，寿命就越短。 一般来说，一般来说，禁禁带宽度越小，直带宽度越小，直接复合的几率越接复合的几率越大大。abcEvE直接复合直接复合95 半导体中的半导体中的杂质和缺陷杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级，在禁带中形成一定的能级，它们除了影响半导体的电特性以外，它们除了影响半导体的电特性以外，对非平衡载流对非平衡载流子的寿命也有很大的影响子的寿命也有很大的影响。 实验发现，实验发现，半导体中杂质越多，晶格缺陷越多，半导体中杂质越多，晶格缺陷越多，寿命就越短寿命就越短。 这说明杂质和缺陷有促进复合的作用。这些促进这说明杂质和缺陷有促进复合的作用。这些促进复合过程的杂质和缺陷称为复合中心。

46、复合过程的杂质和缺陷称为复合中心。 间接复合间接复合:非平衡载流子通过复合中心的复合非平衡载流子通过复合中心的复合。EcEvEt96讨论具有一种复合中心能级的简单情况讨论具有一种复合中心能级的简单情况 禁带中有了复合中心能级，就好像多了一个禁带中有了复合中心能级，就好像多了一个台阶，电子台阶，电子-空穴的复合可分两步走：空穴的复合可分两步走：第一步第一步，导带电子落入复合中心能级；，导带电子落入复合中心能级；第二步第二步，这个电子再落入价带与空穴复合。，这个电子再落入价带与空穴复合。 复合中心恢复到原来空着的状态，又可以再复合中心恢复到原来空着的状态，又可以再去完成下一次的复合过程。去完成下一

47、次的复合过程。97研究发现研究发现 非平衡载流子寿命与复合中心浓度成反比非平衡载流子寿命与复合中心浓度成反比，即复，即复合中心浓度越高，非平衡载流子复合得越快，复合中合中心浓度越高，非平衡载流子复合得越快，复合中心浓度越小，非平衡载流子复合得越慢。心浓度越小，非平衡载流子复合得越慢。实验证明实验证明 在在锗锗中，锰（中，锰（Mn）、铁（）、铁（Fe）、钴（）、钴（Co）、金）、金（Au）、铜（）、铜（Cu）、镍（）、镍（Ni）等可以形成复合中心；）等可以形成复合中心； 在在硅硅中金（中金（Au）、铜（）、铜（Cu）、铁（）、铁（Fe）、锰）、锰（Mn）、铟（）、铟（In）等可以形成复合中心。）

48、等可以形成复合中心。98表面复合是指在表面复合是指在半导体表面发生的复合半导体表面发生的复合过程。过程。 少数载流子寿命值在很大程度上受半导体样品的少数载流子寿命值在很大程度上受半导体样品的形状形状和和表面状态表面状态的影响。的影响。 例如，实验发现，经过吹砂处理或用金刚砂粗磨例如，实验发现，经过吹砂处理或用金刚砂粗磨的样品，其寿命很短。而细磨后再经过适当化学腐蚀的样品，其寿命很短。而细磨后再经过适当化学腐蚀的样品，寿命要长得多。的样品，寿命要长得多。 实验还表明，对于同样的表面情况，样品越小，实验还表明，对于同样的表面情况，样品越小，寿命越短。寿命越短。 可见，可见，半导体表面确实有促进复合

49、的作用半导体表面确实有促进复合的作用。99影响非平衡载流子寿命的因素影响非平衡载流子寿命的因素 材料的种类材料的种类 杂质的含量（特别是深能级杂质）杂质的含量（特别是深能级杂质） 表面状态表面状态 缺陷的密度缺陷的密度 外部条件（外界气氛）外部条件（外界气氛）100101以金属导体为例，在导体两端加以电压以金属导体为例，在导体两端加以电压V时，时，导体内形成电流，导体内形成电流，电流强度电流强度为为R为导体的为导体的电阻电阻，且，且阻值与导体的长度阻值与导体的长度l成正比，与截面积成正比，与截面积s成反比，成反比，为导为导体的体的电阻率电阻率。电阻率的倒数为电阻率的倒数为电导率电导率102 在

50、半导体中，通常电流分布是在半导体中，通常电流分布是不均匀不均匀的，即流过的，即流过不同截面的电流强度不一定相同。我们引入电流密度不同截面的电流强度不一定相同。我们引入电流密度的概念，它定义为的概念，它定义为通过垂直于电流方向的单位面积的通过垂直于电流方向的单位面积的电流电流，用，用J表示，即表示，即I：通过垂直于电流方向的面积元：通过垂直于电流方向的面积元s的电流强度的电流强度103一段长为一段长为l，截面积为，截面积为s，电阻率为，电阻率为的均匀的均匀导体导体，若两端外加电压若两端外加电压V，则导体内部各处均建立起电场，则导体内部各处均建立起电场，电场强度电场强度大小大小电流密度电流密度 1

51、04导体导体内部的自由电子受到电场力的作用，沿着电场的内部的自由电子受到电场力的作用，沿着电场的反方向反方向作定向运动，构成电流。电子在电场力作用下的这种运动称作定向运动，构成电流。电子在电场力作用下的这种运动称为为漂移运动漂移运动，定向运动的速度称为，定向运动的速度称为漂移速度漂移速度。电子的平均漂移速度电子的平均漂移速度一秒种内通过导体某一截面的电子电量就是一秒种内通过导体某一截面的电子电量就是电流强度电流强度n：电子的浓度：电子的浓度105平均漂移速度的大小与电场强度成正比平均漂移速度的大小与电场强度成正比：电子的：电子的迁移率迁移率，习惯取正值，习惯取正值表示单位场强下电子的平均漂移速

52、度表示单位场强下电子的平均漂移速度106比较上面两个式子，可得比较上面两个式子，可得和和之间的关系之间的关系107一块均匀半导体，两端加以电压，在半导体内部就形成电场一块均匀半导体，两端加以电压，在半导体内部就形成电场电子带负电，空穴带正电，所以两者漂移运动的方向不同，电子带负电，空穴带正电，所以两者漂移运动的方向不同，电子反电场方向漂移电子反电场方向漂移，空穴沿电场方向漂移空穴沿电场方向漂移。半导体中的导电半导体中的导电作用应该是电子作用应该是电子导电和空穴导电导电和空穴导电的总和。的总和。108 un：电子迁移率：电子迁移率 up：空穴迁移率：空穴迁移率 Jn：电子电流密度：电子电流密度 Jp: 空穴电流密度空穴电流密度 n：电子浓度：电子浓度 p：空穴浓度：空穴浓度总电流密度总电流密度J两式相比可以得到半导体的电导率两式相比可以得到半导体的电导率 109对于两种载流子浓度相差很悬殊而迁移率差别不太大的杂质半对于两种载流子浓度相差很悬殊而迁移率差别不太大的杂质半导体来说，它的导体