大学物理学 第二卷 近代物理基础 第6版 课件 27 半导体

第二十七章半导体

第三节杂质能级的计算第二节掺杂半导体

第一节本征半导体CollegePhysics

大学物理第四节PN结本章核心内容1.本征半导体单晶导电机理。2.N型半导体与P型半导体的导电机理。3.用类氢原子模型计算杂质电子的能量(级)。4.PN结的形成、特性与功能。CollegePhysics

大学物理引言固体按导电性能的高低可以分为导体半导体绝缘体室温电阻率导电性能具有可控性：

掺杂，或光照和热辐射半导体的特点：导电性能介于导体与绝缘体之间引言半导体的电学特性及相应用途

②压敏性：半导体在受压力后电阻发生较大的变化用途:制成压敏元件,接入电路,测电流变化,以确定压

力变化③光敏性，半导体在光照下电阻大为减小．用途:制成光敏电阻,用于对光照反映灵敏的自动控制设备①热敏性:半导体在受热后电阻随温度升高而迅速减小用途：制成热敏电阻,用来测量很小范围内的温度变化．0.01℃也不是不可能，线性度0.2%，测温范围-100半导体可以用来测量温度,测温范围可达到生产、生活、医疗卫生、科研教学等应用的70%的领域,有较高的准确度和稳定性，分辨率可达0.1℃,甚至达到~+300℃，是性价比极高的一种测温元件。第一节本征半导体

本征半导体是指纯净的半导体，不含杂质和缺陷，纯度达99.99999％以上(它在物理结构上呈单晶体形态)一、元素半导体(硅、锗）（2）SP3轨道杂化（硅）3s电子被激发到3p态

，一个s态和三个p态

4个（自旋未配对)

第一节本征半导体金刚石型结构原子结合方式？共用电子对共价键2、晶体结构第一节本征半导体

3、能带结构0K时无自由电子

(1)禁带（1.1eV）满带空带Eg=1.1eV第一节本征半导体（2）常温下导带部分填充本征激发---热激发第一节本征半导体4、元素半导体的导电特征（1）本征载流子的产生

电子─空穴对：本征载流子。思考:导带中电子、价带中空穴数目关系？相等！第一节本征半导体

本征半导体的导电性能与温度有关。半导体材料性能对温度的敏感性，可制作热敏和光敏器件，又造成半导体器件温度稳定性差的原因。

对于硅材料,大约温度每升高８℃,本征载流子浓度增加1倍；对于锗材料,大约温度每升高12℃,本征载流子浓度增加1倍。第一节本征半导体（2）温度的影响

（3）导电机制

第一节本征半导体

电子导电：导带中的电子在外电场中的定向运动（导带电子单个运动）。

价带中的空穴---正电荷的粒子空穴导电

第一节本征半导体空带满带

Eg空穴导电

----价带电子集体运动第一节本征半导体电场两种载流子：带负电荷的自由电子带正电荷的空穴电子电流空穴电流运动方向相反电流方向同第一节本征半导体本征半导体特点：1）导电能力弱

2）不稳定性热敏元件、光敏元件

二、化合物半导体

1.分类

无机;有机;固溶体;非晶体2.砷化镓（GaAs）

3-5族(1)禁带较宽(1.43eV)

(2)载流子迁移速度大3.闪锌矿结构第一节本征半导体

闪锌矿结构和金刚石结构的不同之处在于套构成晶胞的两个面心立方分别是由两种不同原子组成的。第一节本征半导体导体、半导体、绝缘体的能带结构图第二节掺杂半导体一、掺杂如在纯净的半导体中适当掺入杂质，能改变半导体的导电机制。可提高半导体的导电能力；在纯Si中掺入B原子，当则在室温下，掺杂半导体的电导率比本征半导体的电导率增加1000倍。1、N型半导体（As、P、Sb）

N型半导体：四价的本征半导体Si、Ge等掺入少量(如P、As等)就形成了电子型半导体。PSiSiSiSiSiSiSi五价元素第二节掺杂半导体2、P型半导体

P型半导体：四价的本征半导体Si、Ｇe等掺入少量

(如Ｂ、Ga、In等)形成空穴型半导体。SiSiSiSiSiSiSi+Ga三价元素第二节掺杂半导体第二节掺杂半导体二、N型半导体与施主型杂质PSiSiSiSiSiSiSi导带满带施主能级EDEg

ED～10-2eV

ED

Eg

施主能级：靠近空带，杂质价电子极易向空带跃迁1、能级示意图

---（禁带中的基态能级）第二节掺杂半导体---硅中加的5价元素（As、P、Sb）

2、施主型杂质

3、施主电离第二节掺杂半导体4.导电机制(1)多子与少子第二节掺杂半导体思考:在外界作用下，电子可以有几种可能的跃迁？

多子:

电子少子:空穴本征载流子杂质提供电子(2)导电类型:

电子导电第二节掺杂半导体●两点说明：

第一，施主杂质中多余的价电子，当其处于施主能级上时是不参与导电的。只是在其受激（不论何种原因）后迁入导带后才能参与导电。第二节掺杂半导体

第二，在N型半导体中，除了跃入导带中的施主杂质中的多余价电子外，还有基体半导体中的电子—空穴对，即还有本征载流子。但这时导带中的电子主要是来自施主杂质中的价电子。第二节掺杂半导体三.受主型杂质与P型半导体1.能带图2.受主杂质和受主电离3.导电机制多子

？少子？导电类型？思考：能否解释P型半导体导电性为何好？第二节掺杂半导体SiSiSiSiSiSiSi+Ga第二节掺杂半导体1、受主能级示意图导带EA满带受主能级Eg

受主能级：紧靠满带顶处。思考:在外界作用下，电子可以有几种可能的跃迁？

2、受主型杂质----硅中加入的三价元素第二节掺杂半导体3、受主电离

第二节掺杂半导体

3、导电机制:空穴是多子，电子是少子。导电机制：空穴导电空带EA满带受主能级Eg一.施主能级第三节杂质能级的计算PSiSiSiSiSiSiSi导带满带施主能级EDEg价电子（晶体电子）受力

静电力+周期场力薛定谔方程二.模型

类比氢原子思考:对比H原子，有什么共同点？

第三节杂质能级的计算2.类氢原子模型第三节杂质能级的计算

把晶体周期性等效势场的作用反映在电子的有效质量当中。三.施主能级公式例：

As

锗基

理论值实验值四、晶体中电子的有效质量的意义

（Ⅱ）有效质量可以直接测定。（Ⅰ）引入有效质量可使问题简单化，内部的势场作用由有效质量概括。第三节杂质能级的计算PN结-------半导体器件的核心.第四节PN结一.PN结形成？第四节PN结1、N型半导体与P型半导体的导电类型多子——电子少子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子电子电子空穴对N型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+5+4+4+4+4+4+4+4+4+5第四节PN结一.PN结形成第四节PN结1、N型半导体与P型半导体的导电类型电子导电N型半导体:空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对P型半导体多子---空穴少子---电子+4+4+4+4+4+4+3+4+4第四节PN结一.PN结形成第四节PN结1、N型半导体与P型半导体的导电类型电子导电N型半导体:P型半导体：空穴导电++++++++++++N型半导体－－－－－－－－－－－－P型半导体P型半导体2、PN结的形成第四节PN结N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------在P区和N区交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子第四节PN结PN结空间电荷层N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------第四节PN结

1、P区、N区电中性

2、存在多子浓度梯度（力）二、

PN结的特点

3、扩散

（1）电子扩散

（2）空穴扩散n区的电子向p区扩散p区的空穴向n区扩散N++++++++++++++++++++++++++++++++++++--P----------------------------------第四节PN结形成内电场内电场方向4、PN结

空间电荷区

三.自(内)建电场1.空间电荷区静电场2.对多子、

少子运动影响(1)阻碍多子扩散(2)促进少子漂移第四节PN结

漂移运动：在电场力作用下，载流子的运动称漂移运动。第四节PN结多子扩散电流少子漂移电流

耗尽层窄，E

耗尽层宽，E3、动平衡（平衡结）

净电流为零

扩散电流＝漂移电流四.接触势垒（能带图）

方法：由电势差引出势垒(电势能分布)1.内建电场的电势差第四节PN结势垒UO硅0.5V锗0.1V

稳定后，n区相对p区有电势差(n比p高)。PN结也称势垒区。第四节PN结电子能级电子电势能曲线U0电势曲线P-N结2、结区势垒

3、PN结处能带的弯曲

由于PN结的存在，电子的能量应考虑进势垒带来的附加势能。导带满带施主能级导带满带受主能级电子能级电子电势能曲线第四节PN结P区：能带上移

能带弯曲N区:

能带下移第四节PN结4、对载流子运动的影响

(1)N区的多子

(2)P区的少子

第四节PN结五.P-N结单向导电性

1.外加正向电压(2)电荷区变窄(3)扩散电流>漂移电流

（正偏压）

(1)内建电场减弱(4)低阻第四节PN结p型n型+

2.外加反向电压（负偏压）p型n型+

（1）内建电场增强（4）阻挡层-反向高电阻

（2）电荷区变宽（3）漂移电流（主）第四节PN结PN结的伏安特性曲线P-N结单向导电性第四节PN结3、PN结的伏安特性曲线PN结的适当组合可以作成具有放大作用的晶体三极管，以及其他一些晶体管。

2、集成电路1947年12月23日，美国贝尔实验室的半导体小组做出了世界上第一只具有放大作用的点接触型晶体三极管。1、用PN结的单向导电性，六、PN结的应用可制成晶体二极管做整流、开关用。第四节PN结后来，晶体管又从点接触型发展到面接触型

固定针B探针固定针AGe晶片1956年小组的巴丁等三位成员获诺贝尔物理奖.作成集成电路大规模集成电路超大规模集成电路第四节PN结