发光物理学 课件 二、半导体理论

半导体理论基础目录固体能带理论半导体材料硅的晶体结构半导体特性载流子的复合与寿命载流子的传输P-N结二极管性质硅材料的物理化学特性固体的能带理论

——能带的形成原子中的电子在原子核的势场和其他电子的作用下，它们分别在不同的能级上，形成电子壳层。晶体中，各个原子互相靠得很近，不同原子的内、外壳层都有一定的重叠，电子不再局限在某一个原子中，可以由一个原子转移到相邻的原子上，导致电子共有化运动，结果使孤立原子的单一能级分裂形成能带。根据电子先填充低能级的原理，下面的能带先填满电子，这个带被称为价带或满带，上面的未被电子填满的能带或空能带称为导带，中间以禁带相隔。已被电子填满的能带称为价带。E5E4E3(4)E2(8)E1(2)固体的能带理论

——能带的形成晶体由大量原子组成，一个原子的电子不仅受到这个原子的作用。还将受到相邻原子的作用。相邻原子上的电子轨道将发生一定程度的相互交迭，通过轨道的交迭，电子可以从一个原子转移到相邻的原子上去。这时电子已不属于个别原子而成为整个晶体所共有，这种电子运动称为“共有化”。电子在原子之间的转移不是任意的，电子只能在能量相同的轨道之间发生转移。下图表示出这种共有化轨道的能级图。

能带禁带能带禁带能带从图中可见，晶体中电子轨道的能级分成由低到高的许多组。分别和各原子能级相对应，每一组都包含着大量的能量很接近的能级。这样一组密集的能级看上去象一条带子，所以被称之为能带。能带之间的间隙叫做禁带。未被电子填满的能带称为导带，已被电子填满的能带称为满带。导体、半导体，绝缘体导电性质的差异可以用它们的能带图的不同来加以说明。固体的能带理论

——金属、绝缘体、半导体绝缘体半导体导体EcEvEgEg导带禁带价带固体的能带理论

——金属、绝缘体、半导体导体：能带交叠，即使极小的外加能量就会引起导电。绝缘体：能带间距很大，不可能导电。半导体：禁带比绝缘体窄很多，部分电子因热运动从价带跳到导带，使导带中有少量电子，价带中有少量空穴，从而有一定的导电能力。固体的能带理论

——金属、绝缘体、半导体物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。

物体电阻率

导体

半导体

绝缘体Ω·cm<10E-410E-3~10E9>10E9ρCu~10-6Ωcm，ρGe~0.2Ωcm半导体材料硅的晶体结构硅太阳电池生产中常用的硅（Si），磷（P），硼（B）元素的原子结构模型如下：第三层4个电子第二层8个电子第一层2个电子Si+14P+15B最外层5个电子最外层3个电子siPB半导体材料硅的晶体结构

原子最外层的电子称为价电子，有几个价电子就称它为几族元素。若原子失去一个电子，称这个原子为正离子，若原子得到一个电子，则成为一个带负电的负离子。原子变成离子的过程称为电离。半导体材料硅的晶体结构晶体结构

固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐软化，如玻璃。单晶和多晶的区别在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。半导体材料硅的晶体结构硅晶体内的共价键

硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有电子对就称为“共价键”。半导体材料硅的晶体结构硅晶体的金刚石结构晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称晶格，最小的晶格叫晶胞。以下是较重要的几个晶胞：(a)简单立方（Po）(b)体心立方（Na、W）(c)面心立方（Al、Au）半导体材料硅的晶体结构

金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿对角线方向上移1/4互相套构而成。正四面实体结构金钢石结构半导体材料硅的晶体结构晶面和晶向晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。(100晶面)(110晶面)(111晶面)半导体材料硅的晶体结构原子密排面和解理面在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若将原子看成是一些硬的球体，按照下图方式排列的晶面就称为原子密排面。半导体材料硅的晶体结构比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间沿着晶胞体对角线方向平移1/4而构成的。我们来看面心立方晶格中的原子密排面。按照硬球模型可以区分在(100)、(110)、(111)几个晶面上原子排列的情况。半导体材料硅的晶体结构(100)(110)(111)具有以下性质：(a)由于(111)密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱，在外力作用下，晶体很容易沿着(111)晶面劈裂，晶体中这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面。(b)由于(111)密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓慢，而(100)面原子排列密度比(111)面低。所以(100)面比(111)面的腐蚀速度快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，(100)面腐蚀速度比(111)面大得多，因此，用(100)面硅片采用这种各向异性腐蚀的结果，可以使硅片表面产生许多密布表面为(111)面的四面方锥体，形成绒面状的硅表面。半导体的特性

——纯度半导体特性，是建立在半导体材料的纯度很高的基础上的。半导体的纯度常用几个“9”来表示。比如硅材料的纯度达到6个“9”，就是说硅的纯度达到99.9999%，其余0.0001%（即10-6

）为杂质总含量。半导体材料中的杂质含量，通常还以“PPb”（partperbillion）与“PPm”来表示。PPb是一个无量纲量，在溶液中是用溶质质量占全部溶液质量的十亿分比来表示的浓度，也称十亿分比浓度（1/109，十亿分之一，10-9）一个“PPm”就是百万分之一（10-6

）那PPT呢？（Partpertrillion万亿分之一）（Partperthousand千分之一）半导体的特性

——导电特性导电能力随温度灵敏变化导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小，导体温度每升高一度，电组率大约升高0.4%。而半导体则不一样，温度每升高或降低1度，其电阻就变化百分之几，甚至几十，当温度变化几十度时，电阻变化几十、几万倍，而温度为绝对零度（-273℃）时，则成为绝缘体。半导体的特性

——导电特性导电能力随光照显著改变当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强，没有光线时，它的导电能力又会变得很弱。杂质的显著影响在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质，导电能力会有上百万的增加。这是最特殊的独特性能。其他特性温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等。

半导体的特性

——导电过程描述纯净的半导体，在不受外界作用时，导电能力很差。而在一定的温度或光照等作用下，晶体中的价电子有一部分可能会冲破共价键的束缚而成为一个自由电子。同时形成一个电子空位，称之为“空穴”。从能带图上看，就是电子离开了价带跃迁到导带，从而在价带中留下了空穴，产生了一对电子和空穴。如下图所示，通常将这种只含有“电子-空穴对”的半导体称为本征半导体。“本征”指只涉及半导体本身的特性。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。半导体的特性

——导电过程描述导带(禁带宽)价带半导体的特性

——本征半导体、掺杂半导体本征半导体：绝对纯的且没有缺陷的半导体掺杂半导体：掺有其他元素施主掺杂（N型硅）：电流主要靠电子来运输。受主掺杂（P型硅）：电流主要靠空穴来运输。

太阳能电池用的是P型硅衬底，N型扩散层半导体的特性

——产生、复合由于热或光激发而成对地产生电子-空穴对，这种过程称为“产生”。空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中与空穴相遇时，自由电子就可能回到价键的空位上来，而同时消失了一对电子和空穴，并释放能量，这就是“复合”。在一定温度下，又没有光照射等外界影响时，产生和复合的载流子数相等，半导体中将在产生和复合的基础上形成热平衡。此时，电子和空穴的浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的发生。半导体的特性

——杂质与掺杂半导体纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子，那么，这些其它元素的原子就称为半导体材料中的杂质原子。对硅的导电性能有决定性影响的主要是三族硼和五族磷元素原子。还有些杂质（如金、铜、镍、锰和铁等），在硅中起着复合中心的作用，影响寿命，产生缺陷，有着许多有害的作用。半导体的特性

——N型半导体（施主掺杂）磷（P）、锑（Sb）等五族元素原子的最外层有五个电子，它在硅中是处于替位式状态，占据了一个原来应是硅原子所处的晶格位置。磷原子最外层五个电子中只有四个参加共价键，另一个不在价键上，成为自由电子，失去电子的磷原子是一个带正电的正离子，没有产生相应的空穴。正离子处于晶格位置上，不能自由运动，它不是载流子。因此，掺入磷的半导体起导电作用的，主要是磷所提供的自由电子，这种依靠电子导电的半导体称为电子型半导体，简称N型半导体。这种V族杂质原子称为施主杂质。半导体的特性

——N型半导体（施主掺杂）多余电子半导体的特性

——N型半导体（施主掺杂）施主能级导带电离能价带半导体的特性

——P型半导体（受主掺杂）P型半导体硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）等三族元素原子的最外层有三个电子，它在硅中也是处于替位式状态。硼原子最外层只有三个电子参加共价键，在另一个价键上因缺少一个电子而形成一个空位，邻近价键上的价电子跑来填补这个空位，就在这个邻近价键上形成了一个新的空位，这就是“空穴”。硼原子在接受了邻近价键的价电子而成为一个带负电的负离子。因此在产生空穴的同时没有产生相应的自由电子。这种依靠空穴导电的半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。半导体的特性

——P型半导体（受主掺杂）空键接受电子空穴半导体的特性

——P型半导体（受主掺杂）导带电离能价带受主能级实际，一块半导体中并非仅仅只存在一种类型的杂质，常常同时含有施主和受主杂质，此时，施主杂质所提供的电子会通过“复合”而与受主杂质所提供的电子相抵消，使总的载流子数目减少，这种现象就称为“补偿”。在有补偿的情况下，决定导电能力的是施主和受主浓度之差。若施主和受主杂质浓度近似相等时，通过复合会几乎完全补偿，这时半导体中的载流子浓度基本上等于由本征激发作用而产生的自由电子和空穴的浓度。这种情况的半导体称之为补偿型本征半导体。在半导体器件产生过程中，实际上就是依据补偿作用，通过掺杂而获得我们所需要的导电类型来组成所要生产的器件。补偿载流子的复合与寿命

——多数载流子、少数载流子掺杂半导体中，新产生的载流子数量远远超过原来未掺入杂质前载流子的数量，半导体的导电性质主要由占多数的新产生的载流子来决定，所以，在P型半导体中，空穴是多数载流子，而电子是少数载流子。在N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。掺入的杂质越多，多数载流子的浓度（单位体积内载流子的数目）越大，则半导体的电阻率越低，它的导电能力越强。载流子的复合与寿命

——平衡载流子、非平衡载流子一块半导体材料处于某一均匀的温度中，且不受光照等外界因素的作用的状态，此时半导体中的载流子称为平衡态载流子。半导体一旦受到外界因素作用（如光照，电流注入或其它能量传递形式）时，它内部载流子浓度就多于平衡状态下的载流子浓度。半导体就从平衡状态变为非平衡状态，就把处于非平衡状态时，比平衡状态载流子增加出来的一部分载流子成为非平衡载流子。载流子的复合与寿命

——平衡载流子、非平衡载流子当引起非平衡载流子产生的外界因素停止后，非平衡载流子不会永久地存在下去。但也不是一下全部都消失掉，而是随着时间逐渐减少消失的，他们的存在时间有些长些，有些短些，有一个平均的存在时间，也就是“非平衡载流子的寿命”。半导体内部和表面的复合作用是使得非平衡载流子逐渐减少直至消失的原因。非平衡载流子复合的主要方式：1.体内复合：直接复合、间接复合（辐射复合，声子复合，俄歇复合）。2.表面复合载流子的复合与寿命

——直接复合

电子和空穴在半导体内部直接相遇放出光子或引起热运动而复合，复合的过程是电子直接在能带间跃进，中间无须经过任何间接过程，这种复合称为直接复合。电子和空穴通过禁带中的杂质能级（复合中心）进行复合，称为间接复合（其能量释放的方式可以分为三种：辐射复合、声子复合、俄歇复合）。一般的杂质半导体寿命是与多数载流子的密度成反比的，或者说半导体的电阻率越低，则寿命越短。电阻率越低，多数载流子浓度越高，这种非平衡载流子就越有机会与多数载流子相遇复合，所以寿命就越短。载流子的复合与寿命

——直接复合载流子的复合与寿命

——间接复合晶体中的杂质原子和缺陷有促进非平衡载流子的复合作用。间接复合与直接复合不同，它是通过禁带中某些杂质（缺陷）能级作为“跳板”来完成的。靠禁带中的杂质（缺陷）能级俘获导带中的电子与满带中的空穴在其上面间接进行复合的称之为间接复合，那些起复合作用的杂质（缺陷）能级被称为复合中心。复合中心是不断地起着复合作用，而不是起了一次复合作用就停止了。通过复合中心的间接复合过程比直接复合过程强得多。因为间接复合过程每次所要放出的能量比直接复合的要少，相当于分阶段放出能量，所以容易得多。因而间接复合过程大多情况下决定着半导体材料的寿命值。载流子的复合与寿命

——间接复合

直接复合和间接复合都是在半导体内部完成的，所以统称为“体内复合”。载流子的复合与寿命

——表面复合半导体表面吸附着外界空气来的杂质分子或原子，半导体表面存在着表面缺陷。这种缺陷是从体内延伸到表面的晶格结构上的中断，表面原子出现悬空键，或者是半导体在加工过程中在表面留下的严重损伤或内应力，造成在体内更多的缺陷和晶格畸变，这些杂质和缺陷形成能接受或施放电子的表面能级，表面复合就是依靠表面能级对电子空穴的俘获来进行复合的。实际上表面复合过程属于间接复合，此时的复合中心位于半导体材料的表面。载流子的复合与寿命

——表面复合半导体表面表面复合中心能级E2表面复合载流子的传输

——漂移半导体中的载流子在不停地做无规则的热运动，没有固定方向地移动，所以半导体中并不产生电流。若在半导体两端加上一个电压，即半导体处于一个电场中，载流子在电场加速作用下，获得了附加的运动，这就称之为载流子的漂移运动。实际上晶体中加速的电子会与杂质原子，缺陷，晶格原子相碰撞，这种碰撞会造成电子运动方向不断发生变化的现象，称之为散射。由于散射的作用，漂移运动是曲折前进的运动。载流子的传输

——漂移与迁移率迁移率是衡量半导体中载流子平均漂移速度的一个重要参数，其数值等于在单位电场作用下电子和空穴的定向运动速度。因此，它反映了载流子运动的快慢程度。

载流子的迁移率随着温度、掺杂浓度和缺陷浓度变化。同一种半导体材料，温度升高，迁移率下降，掺杂浓度，缺陷浓度增加，迁移率同样逐渐下降。载流子的传输

——漂移与迁移率迁移率还和载流子的有效质量有关。电子的有效质量比空穴小，所以电子的迁移率比空穴大。迁移率是反映半导体中载流子导电能力的重要参数，掺杂半导体的电导率一方面取决于掺杂浓度，另一方面取决于迁移率的大小。载流子的传输

——扩散向半导体中注入非平衡载流子时，注入部分的载流子密度比其它部分高，载流子会由密度大的地方向密度小的地方迁移，这种现象叫做载流子的扩散运动。扩散的强弱是由载流子浓度的变化决定的，浓度梯度越大，扩散也越容易；同时，扩散的强弱还与载流子的种类，运动的速度以及散射的次数等有关，我们用扩散系数来表示载流子扩散能力的强弱。载流子的传输

——扩散长度非平衡载流子在扩散运动过程中不断地复合而消失。结果非平衡载流子密度由注入部分开始向密度小的方向逐渐减小。在连续注入的条件下，非平衡载流子密度由大到小形成一个稳定的分布。由注入部位到非平衡载流子密度减小到1/e数值位置之间的距离称为载流子的扩散长度。它也是半导体材料的重要参数之一。扩散长度：非平衡载流子在平均寿命时间内经扩散运动所通过的距离。载流子的传输

——扩散长度扩散长度距离载流子密度0PN结二极管性质

——PN结在一块完整的半导体晶体中，如果一部分是N型半导体，另一部分是P型半导体。在N型半导体中，多数载流子是电子，电子浓度远远超过少数载流子空穴的浓度；而在P型半导体中，空穴是多数载流子，空穴浓度远远超过少数载流子电子的浓度，如下图：PN结二极管性质

——空间电荷区的形成过程在N型和P型半导体的交界面处存在有电子和空穴浓度梯度，N区中的电子就向P区渗透扩散，扩散的结果是N型区域中邻近P型区域一边的薄层内有一部分电子扩散到N型中去了。由于这个薄层失去了一些电子，在N区就形成带正电荷的区域。同样，P型区域中邻近N型区域一边的薄层内有一部分空穴扩散到N型区域一边去了。由于这个薄层失去了一些空穴，在P区就形成了带负电荷的区域。这样在N型区和P型区交界面的两侧形成了带正、负电荷的区域，叫做空间电荷区。PN结二极管性质

——自建电场的定义空间电荷区中的正负电荷间形成电场。电场的方向是由N型区域指向P型区域，这个由于载流子浓度不均匀而引起扩散运动后形成的电场称为自建电场。我们知道，载流子在电场作用下，会产生漂移运动。自建电场将N区向P区扩散的电子接回到N区，把P区向N区扩散的空穴接回到P区，由此可见，在空间电荷区内，自建电场引起电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方向正好相反。N型P型空间电荷区PN结二极管性质

——PN结的形成空间电荷区也叫阻挡层，就是我们通常讲的PN结。PN结是许多半导体器件的核心，PN结的性质集中反映了半导体导电性能的特点，如：存在两种载流子，载流子有漂移、扩散以及产生、复合等基本运动的形成。所以，PN结是半导体器件入门的基础。随着电子和空穴的不断扩散，空间电荷的数量不断增加，自建电场也越来越强，直到与载流子的漂移运动和扩散运动相抵消时（即大小相等，方向相反），就会达到动态平衡。PN结二极管性质

——正反向偏置的PN结的导电特性使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电压或正向偏置(简称正偏)，如下图：使P区电位低于N区电位的接法，称PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏)，如下图：PN结二极管性质

——PN结电流的解析描述理论分析证明，流过PN结的电流i与外加电压u之间的关系为

式中，IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关；UT=kT/q，称为温度的电压当量或热电压。在T=300K(室温)时，

UT=26mV。这是一个今后常用的参数。PN结二极管性质

——PN结电流的解析描述加正向电压时，u只要大于UT几倍以上i≈Iseu/UT，即i随u呈指数规律变化；加反向电压时，|u|只要大于UT几倍以上，则i≈–IS(负号表示与正向参考电流方向相反)。PN结的伏安特性曲线，如右图。图中还画出了反向电压大到一定值时，反向电流突然增大的情况，即击穿效应。硅材料的物理化学性质

——物理性质及常数物理量单位数据物理量单位数据原子序14禁带宽度电子伏1.1530K原子量28.081.106300K晶格结构金刚石电子迁移率厘米2/伏秒1350化学键共价键空穴迁移率厘米2/伏秒480密度g/cm32.33电子扩散系数厘米2/伏秒34.6硬度莫氏6.5空穴扩散系数厘米2/伏秒1213熔点℃1420本征电阻率欧姆厘米2.3*105热导率w/㎝·k1.4介质常数11.7热膨胀系数cm/cm℃2.33*10-6折射率4.0-3.55λ为0.55-1.1反射率33%λ为0.4-1.1硅材料的物理化学性质

——化学性质硅在高温下能与氯、氧、水蒸气等作用，生成四氯化硅、二氧化硅。硅不溶于HCl，H2SO4，HNO3以及王水（3HCl+1HNO3），硅与HF可以发生反应，但反应速度比较缓慢。硅材料的物理化学性质

——化学性质硅和硝酸、氢氟酸的混合液起作用

它利用浓HNO3的强氧化作用。使硅表面生成一层SiO2，另一方面利用HF的络合作用，HF能与SiO2反应生成可溶性的六氟硅酸络合物H