导电物理-半导体材料

1、半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：它具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能力当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。明显变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。的导电能力明显改变。5.3 半导体与半导体与p-n结结一、本征半导体一、本征半导体GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子

2、（价电子）都是四个。的最外层电子（价电子）都是四个。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键共价键，共，共用一对价电子。用一对价电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：1 1、本征半导体、本征半导体化学成分纯净的半导体。化学成分纯净的半导体。制造半制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%99.99999

3、99%，常称为常称为“九个九个9”9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是形成共价键后，每

4、个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。则排列，形成晶体。+4+4+4+42 2、本征激发、本征激发在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时, ,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电），它的导电能力为能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为得足够的能量而

5、脱离共价键的束缚，成为自由自由电子电子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。(1) (1) 载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子在外电场的作用下，空穴和电子会产生移动，即不断有共在外电场的作用下，空穴和电子会产生移动，即不断有共价键中的电子摆脱束缚，填充到原有的空穴中，即象是空价键中的电子摆脱束缚，填充到原有的空穴中，即象是空穴在移动，形成的电流方向就是空穴移动的方向穴在移动，形成的电流方向就是空穴移动的方向 +4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子E(2) (2) 导电机制导电机制

6、温度越高，载流子的浓度越高温度越高，载流子的浓度越高, 因此本征半导体的因此本征半导体的导电能力越强。温度是影响半导体性能的一个重要导电能力越强。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： (a) (a) 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 (b) (b) 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。思考：思考：还有什么外因可以引起还有什么外因可以引起本征半导体的本征半导体的导电性发生导电性

7、发生变化？有没有利用本征半导体制备的器件？变化？有没有利用本征半导体制备的器件？光照光照探测器探测器 可见本征激发同时产生可见本征激发同时产生电子空穴对。电子空穴对。 外加能量越高（外加能量越高（温度温度越高），产生的电子空越高），产生的电子空穴对越多。穴对越多。 与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。对的浓度一定。常温常温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：310cm104 . 1锗：锗：313cm105 . 2自由电子自由电子+

8、4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对在一定的温度下，半导体中的电子处于一种热平衡状态 激发：价带电子吸收晶格振动的热能后，从价带跃迁到导带激发：价带电子吸收晶格振动的热能后，从价带跃迁到导带的过程（的过程（使载流子增多使载流子增多） 复合：电子从导带跃迁到价带，与价带中空穴复合复合：电子从导带跃迁到价带，与价带中空穴复合 （导致载流子减少导致载流子减少）热平衡状态下的导电电子和空穴称为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v 当温度发生改变时，破坏了原来的平衡状态，又重新当温度发生改变时，破坏了原来的平衡状态，又重新建立了新的平衡状态建立了新的平衡状

9、态v 热平衡载流子的浓度也发生变化，达到另一个稳定值热平衡载流子的浓度也发生变化，达到另一个稳定值半导体中载流子的浓度是随温度变化的半导体中载流子的浓度是随温度变化的半导体的导电性也是随温度变化的半导体的导电性也是随温度变化的态密度g(E) 能量能量E附近单位能量间隔内电子的量子状态数附近单位能量间隔内电子的量子状态数dEdNEg)(要计算半导体中的导带电子浓度，必须先要知道导带中能量间隔内有多少个量子态。又因为这些量子态上并不是全部被电子占据，因此还要知道能量为E的量子态被电子占据的几率是多少。将两者相乘后除以体积就得到区间的电子浓度，然后再由导带底至导带顶积分就得到了导带的电子浓度。导带电

10、子浓度与价带空穴浓度导带电子浓度与价带空穴浓度态密度g(E) 能量能量E附近单位能量间隔内电子的量子状态数附近单位能量间隔内电子的量子状态数dEdNEg)(导带的电子浓度导带的电子浓度kTEENnFCCexp在室温下在室温下（300K），），对硅而言对硅而言NC是是2.861019cm3；对对砷化镓则为砷化镓则为4.71017cm-3。 本征载流子浓度及其温度特性本征载流子浓度及其温度特性232232221212hkTmNGaAshkTmNSiNnCnCC：对：对。是导带中的有效态密度价带中的空穴浓度价带中的空穴浓度kTEENpVFVexp在室温下，对硅而言在室温下，对硅而言NV是是2.661

11、019cm-3；对砷化镓；对砷化镓则为则为7.01018cm-3。 23222hkTmNNPVV，且是价带中的有效态密度其中：本征载流子浓度及其温度特性本征载流子浓度及其温度特性Fermi能级在热平衡状态下，电子按能量大小具有一定的统计分布规律 根据量子统计理论，能量为根据量子统计理论，能量为E的一个量子态被一个电子占据的一个量子态被一个电子占据的概率的概率f(E)为为()/1()1FBEEk Tf Ee电子的电子的Fermi-Dirac分布分布Fermi能级能级EF是系统的化学势，处于热平衡状态的系统有统是系统的化学势，处于热平衡状态的系统有统一的化学势，即有统一的一的化学势，即有统一的Fe

12、rmi能级（是温度的函数）能级（是温度的函数）v Fermi能级的意义能级的意义EEF，f(E)=0E=EF，f(E)=1/2T=0KFermi能级能级EF可以看成是量子态是可以看成是量子态是否被电子占据的一个界限否被电子占据的一个界限EF之下的能级几乎被电子填满之下的能级几乎被电子填满EF之上的能级几乎为空之上的能级几乎为空E-EF0.993E-EF5kBT，f(E)0K, ex:Fermi能级能级EF可以看成是量子态是否被电子占据的一个界限可以看成是量子态是否被电子占据的一个界限EF之下的能级几乎被电子填满之下的能级几乎被电子填满EF之上的能级几乎为空之上的能级几乎为空常温下，常温下，1k

13、BT=0.026evEF与半导体材料的导电类型、掺杂的杂质浓度等有关，与半导体材料的导电类型、掺杂的杂质浓度等有关，此外它还是此外它还是温度温度的函数的函数Fermi能级含义本征载流子浓度本征载流子浓度ni: :对本征半导体而言，导带中每单位体积的对本征半导体而言，导带中每单位体积的电子数与价带每单位体积的空穴数相同电子数与价带每单位体积的空穴数相同, ,即浓度相同，称为本即浓度相同，称为本征载流子浓度，可表示为征载流子浓度，可表示为npni本征费米能级本征费米能级Ei：本征半导体的费米能级。本征半导体的费米能级。 kTEENpkTEENnVFVFCCexpexp令：ln()22CVVFiCE

14、ENkTEEN则：则： 在室温下，第二项比禁带宽度小得多。因此，本征半导体的在室温下，第二项比禁带宽度小得多。因此，本征半导体的本征半导体的本征费米能级本征半导体的本征费米能级Ei相当靠近禁带的中央。相当靠近禁带的中央。 本征载流子浓度及其温度特性本征载流子浓度及其温度特性所以：所以：即：即： 其中其中E Eg g=E=EC C-E-EV V。室温时，硅的。室温时，硅的n ni i为为9.659.6510109 9cmcm-3-3；砷化镓的；砷化镓的n ni i为为2.252.2510106 6cmcm3 3。上图给出了硅及砷化镓的。上图给出了硅及砷化镓的n ni i对于温度的变化情对于温度的

15、变化情形。正如所预期的，禁带宽度越大，本征载流子浓度越小。形。正如所预期的，禁带宽度越大，本征载流子浓度越小。 kTENNngVCiexp2exp()2giCVEnN NkT最终：最终： 6107108109101010111012101310141015101610171018101910本征载流子浓度ni/cm-3 1000/T KSiGaAs939.65 10 cm632.25 10 cm100050020010027 050该式对对非本征半导体同样该式对对非本征半导体同样成立，称为成立，称为质量作用定律质量作用定律。 2innp 本征载流子浓度及其温度特性本征载流子浓度及其温度特性锗比

16、硅容易提纯，所以最初发明的半导体三锗比硅容易提纯，所以最初发明的半导体三极管是锗制成的。但是，锗的禁带宽度极管是锗制成的。但是，锗的禁带宽度（0.67eV）只有硅的禁带宽度（）只有硅的禁带宽度（1.11eV）的）的大约一半，所以硅的电阻率比锗大，而且在大约一半，所以硅的电阻率比锗大，而且在较宽的禁带中能够更加有效地设置杂质能级，较宽的禁带中能够更加有效地设置杂质能级，所以后来硅半导体逐渐取代了锗半导体。硅所以后来硅半导体逐渐取代了锗半导体。硅取代锗的另一个主要原因是在硅的表面能够取代锗的另一个主要原因是在硅的表面能够形成一层极薄的形成一层极薄的SiO2绝缘膜，从而能够制备绝缘膜，从而能够制备M

17、OS型三极管。型三极管。 除了硅和锗以外，还出现了像砷化镓除了硅和锗以外，还出现了像砷化镓（GaAs）这样由）这样由族元素和族元素和族元素组成族元素组成的化合物半导体。在化合物半导体中，载的化合物半导体。在化合物半导体中，载流子的移动速率远远大于硅和锗，所以能流子的移动速率远远大于硅和锗，所以能够制备更加高速的大规模集成电路。够制备更加高速的大规模集成电路。 由于温度会影响本征半导体的导电性，所以由于温度会影响本征半导体的导电性，所以很难严格控制本征半导体的性能。但是，如很难严格控制本征半导体的性能。但是，如果在半导体材料中加入杂质，可以得到非本果在半导体材料中加入杂质，可以得到非本征半导体。

18、非本征半导体的导电性主要取决征半导体。非本征半导体的导电性主要取决于添加的杂质原子的数量，而在一定温度范于添加的杂质原子的数量，而在一定温度范围内与温度关系不大。围内与温度关系不大。二、杂质半导体二、杂质半导体 1、N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多

19、数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2 2、 P型半导体型半导体杂质半导体的载流子浓度一、电子占据施主能级的几率一、电子占据施主能级的几率 杂质半导体中，施主杂质和受主杂质要么处于未离化的中性态，要么电离成为离化态。 以施主杂质为例，电子占据施主能级时是中性态，离化后成为正电中心。因为费米分布函数中一个能级可以容纳自旋方向相反的两个电子，而施主杂质能级上要么被一个任意自旋方向的电子占据(中性态)，要么没有被电子占据(离化态)，这种情况下电子占据施主能级的几率为 TkEEexp2111Ef0FDD如果施主杂质浓度为

20、ND ，那么施主能级上的电子浓度为而电离施主杂质浓度为 上式表明施主杂质的离化情况与杂质能级ED和费米能级EF的相对位置有关：如果ED-EFk0T，则未电离施主浓度nD0，而电离施主浓度nD+ ND，杂质几乎全部电离。如果费米能级EF与施主能级ED重合时，施主杂质有1/3电离，还有2/3没有电离。TkEEexp211N(E)fNn0FDDDDDTkEE2exp1NnNn0FDDDDD二、杂质半导体载流子浓度（n型） n型半导体中存在着带负电的导带电子(浓度为n0)、带正电的价带空穴(浓度为p0)和离化的施主杂质(浓度为nD+)，因此电中性条件为 即 将n0、p0、nD+各表达式代入可得到一般求

21、解此式是有困难的。)TkEE2exp(1N)TkEEvNvexp()TkEEcNcexp(0FDD0F0F0qnqpqnD00D00npn 实验表明，当满足Si中掺杂浓度不太高并且所处的温度高于100K左右的条件时，那么杂质一般是全部离化的，这样电中性条件可以写成 与 n0p0ni2 联立求解，杂质全部离化时的导带电子浓度n0 一般Si平面三极管中掺杂浓度不低于51014cm-3，而室温下Si的本征载流子浓度ni为1.51010cm-3，也就是说在一个相当宽的温度范围内，本征激发产生的ni与全部电离的施主浓度ND相比是可以忽略的。这一温度范围约为100450K，称为强电离区或饱和区，对应的电子

22、浓度为D00Npn24nNNn2i2DD0D2i2DD0N24nNNn 强电离区导带电子浓度n0ND，与温度几乎无关。通过变形也可以得到一般n型半导体的EF位于Ei之上Ec之下的禁带中。EF既与温度有关，也与杂质浓度ND有关： 一定温度下掺杂浓度越高，费米能级EF距导带底Ec越近； 如果掺杂一定，温度越高EF距Ec越远，也就是越趋向Ei。expCFCDEEnNnNkT由和DCFCNNkTEElnDiFiNnkTEEln 下图是不同杂质浓度条件下Si中的EF与温度关系曲线。图3.1 Si中不同掺杂浓度条件下费米能级与温度的关系 n型半导体中电离施主浓度和总施主杂质浓度两者之比为将强电离区的式 代

23、入上式得到 可见 越小，杂质电离越多。所以掺杂浓度ND低、温度高、杂质电离能ED低，杂质离化程度就高，也容易达到强电离，通常以I+=nD+/ND=90%作为强电离标准。经常所说的室温下杂质全部电离其实忽略了掺杂浓度的限制。I)TkEEc)exp(TkE2exp(11)TkEEcEcE2exp(11)TkEE2exp(11Nn0F0D0FD0FDDDNcN)TkEEcexp(D0FNcN)TkE2exp(11NnID0DDDNcN)TkE2exp(D0D 杂质强电离后，如果温度继续升高，本征激发也进一步增强，当ni可以与ND比拟时，本征载流子浓度就不能忽略了，这样的温度区间称为过渡区。就可求出过

24、渡区以本征费米能级Ei为参考的费米能级EF 处在过渡区的半导体如果温度再升高，本征激发产生的ni就会远大于杂质电离所提供的载流子浓度，此时，n0ND，p0ND，电中性条件是n0=p0，称杂质半导体进入了高温本征激发区。在高温本征激发区，因为n0=p0，此时的EF接近Ei。)TkEEiexp(n)TkEEiEiEcNcexp()TkEEcNcexp(n0Fi0F0F0i2i2DD0F2n4nNNTlnkEiE可见n型半导体的n0和EF是由温度和掺杂情况决定的。杂质浓度一定时，如果杂质强电离后继续升高温度，施主杂质对载流子的贡献就基本不变了，但本征激发产生的ni随温度的升高逐渐变得不可忽视，甚至起

25、主导作用，而EF则随温度升高逐渐趋近Ei。半导体器件和集成电路就正常工作在杂质全部离化而本征激发产生的ni远小于离化杂质浓度的强电离温度区间。在一定温度条件下，EF位置由杂质浓度ND决定，随着ND的增加，EF由本征时的Ei逐渐向导带底Ec移动。n型半导体的EF位于Ei之上，EF位置不仅反映了半导体的导电类型，也反映了半导体的掺杂水平。 下图是施主浓度为51014cm-3 的n型Si中随温度的关系曲线。低温段(100K以下)由于杂质不完全电离，n0随着温度的上升而增加；然后就达到了强电离区间，该区间n0=ND基本维持不变；温度再升高，进入过渡区，ni不可忽视；如果温度过高，本征载流子浓度开始占据

26、主导地位，杂质半导体呈现出本征半导体的特性。图 n型Si中导带电子浓度和温度的关系曲线如果用nn0表示n型半导体中的多数载流子电子浓度，而pn0表示n型半导体中少数载流子空穴浓度，那么n型半导体中 在器件正常工作的强电离温度区间，多子浓度nn0=ND基本不变，而少子浓度正比于ni2，而 ，也就是说在器件正常工作的较宽温度范围内，随温度变化少子浓度发生显著变化，因此依靠少子工作的半导体器件的温度性能就会受到影响。 对p型半导体的讨论与上述类似。no2inonnpTkEgexpTn032i可见，施主浓度越高，能量差(EC-EV)越小，即费米能级往导带底部移近。同样地，受主浓度越高，费米能级往价带顶

27、端移近。expFVVAEEpNpNkT由和同样，对如图所示的浅层受主能级，假使完全电离，则空穴浓度为p=NA CEVEiE受主离子AEAVVFNNkTEEln非简并半导体及其载流子浓度非简并半导体及其载流子浓度本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的数量相等，而非本征半导体中的电子载流子和数量相等，而非本征半导体中的电子载流子和空穴载流子的数量是不相等的。空穴载流子的数量是不相等的。非本征半导体中的由于杂质原子而形成的载非本征半导体中的由于杂质原子而形成的载流子称为多数载流子，虽然掺入的杂质原子的流子称为多数载流子，虽然掺入的杂质原子的数量与半导体原子数量相

28、比只是少数。而本征数量与半导体原子数量相比只是少数。而本征半导体中由于热激发等产生的载流子称为少数半导体中由于热激发等产生的载流子称为少数载流子。载流子。 本征半导体和非本征半导体的主要区别本征半导体和非本征半导体的主要区别化合物半导体通常具有与硅和锗相似的能带化合物半导体通常具有与硅和锗相似的能带结构。周期表的结构。周期表的族元素和族元素和族元素是典型族元素是典型的例子。的例子。族元素镓（族元素镓（Ga）和）和族元素砷族元素砷（As）结合在一起形成化合物砷化镓。在砷）结合在一起形成化合物砷化镓。在砷化镓中，每个原子平均有化镓中，每个原子平均有4个价电子。镓的个价电子。镓的4s24p1 能级与

29、砷的能级与砷的 4s24p3 的能级形成的能级形成2个杂个杂化能带。每个能带能够容纳化能带。每个能带能够容纳4N个电子。价带个电子。价带和导带之间的禁带宽度为和导带之间的禁带宽度为1.35eV。砷化镓半。砷化镓半导体掺杂后也可以形成导体掺杂后也可以形成p型半导体或型半导体或n型半导型半导体。化合物半导体的禁带较大，所以耗尽区体。化合物半导体的禁带较大，所以耗尽区平台也较宽。而且化合物半导体中载流子的平台也较宽。而且化合物半导体中载流子的移动速率较大，所以它的导电性比较好。移动速率较大，所以它的导电性比较好。 半导体热电仪。半导体的导电性与温度有关。半导体热电仪。半导体的导电性与温度有关。利用这

30、一特性可以制成半导体热电仪，用于利用这一特性可以制成半导体热电仪，用于火灾报警器。火灾报警器。 压力传感器。能带结构和禁带结构与材料中压力传感器。能带结构和禁带结构与材料中的原子之间的距离有关。处于高压下的半导的原子之间的距离有关。处于高压下的半导体材料，其原子间距离变小，禁带也随之变体材料，其原子间距离变小，禁带也随之变小，电导率增大。所以通过测量电导率的变小，电导率增大。所以通过测量电导率的变化，就可以测量压力。化，就可以测量压力。 半导体的应用半导体的应用 内电场E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子

31、扩散，促使少子漂移。PNPN结合结合+P型半导体+N型半导体+空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层三三. . PN结及其单向导电性结及其单向导电性 1 . PN结的形成结的形成 少子飘移少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+N型半导体+内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：动态平衡： 扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0能带图能带图(band diagram) ：(a) 形成结前均匀掺杂p

32、型和n型半导体（b）热平衡时，在耗尽区的电场及p-n结能带图图3.4pnCEFEVECEFEVECEFEVECEFEVEEpn漂移扩散扩散漂移(a) 形成结前均匀掺杂p型和n型半导体（b）热平衡时，在耗尽区的电场及p-n结能带图图3.4pnCEFEVECEFEVEpnCEFEVECEFEVECEFEVECEFEVEEpn漂移扩散扩散漂移CEFEVECEFEVEEpn漂移扩散扩散漂移热平衡状态下的热平衡状态下的p-n结结(a)形 成 结 前 均 匀 掺 杂 p型 和 n型 半 导 体（ b） 热 平 衡 时 ， 在 耗 尽 区 的 电 场 及 p-n结 能 带 图图 3.4pnCEFEVECEF

33、EVECEFEVECEFEVEEpn漂 移扩 散扩 散漂 移(a)形 成 结 前 均 匀 掺 杂 p型 和 n型 半 导 体（ b） 热 平 衡 时 ， 在 耗 尽 区 的 电 场 及 p-n结 能 带 图图 3.4pnCEFEVECEFEVEpnCEFEVECEFEVECEFEVECEFEVEEpn漂 移扩 散扩 散漂 移CEFEVECEFEVEEpn漂 移扩 散扩 散漂 移内建电势(built-in protential)Vbi ：热平衡状态下的热平衡状态下的p-n结结pn冶 金 结（ a） 冶 金 结 中 突 变 掺 杂 的 p-n结pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电（

34、b） 在 热 平 衡 下 突 变 结 的 能 带 图（ c） 空 间 电 荷 分 布（ d） 空 间 电 荷 的 长 方 形 近 似图 4.50耗 尽 区型 中 性 区p型 中 性 区n过 渡 区过 渡 区所 造 成 的 电 荷 密 度未 补 偿 的 杂 质 离 子ADNNx型 中 性 区p型 中 性 区nADNN0耗 尽 区xpxnxpn冶 金 结pn冶 金 结（ a） 冶 金 结 中 突 变 掺 杂 的 p-n结pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电（ b） 在 热 平 衡 下 突 变 结 的 能 带 图（ c） 空 间 电 荷

35、 分 布（ d） 空 间 电 荷 的 长 方 形 近 似图 4.50耗 尽 区型 中 性 区p型 中 性 区n过 渡 区过 渡 区所 造 成 的 电 荷 密 度未 补 偿 的 杂 质 离 子ADNNx0耗 尽 区型 中 性 区p型 中 性 区n过 渡 区过 渡 区所 造 成 的 电 荷 密 度未 补 偿 的 杂 质 离 子ADNN0耗 尽 区型 中 性 区p型 中 性 区n过 渡 区过 渡 区所 造 成 的 电 荷 密 度未 补 偿 的 杂 质 离 子ADNNx型 中 性 区p型 中 性 区nADNN0耗 尽 区xpxnx型 中 性 区p型 中 性 区nADNN0耗 尽 区xpxnx)ln(i

36、ApnNqkT)ln(iDnnNqkTp型中性区相对于费米能级的静电电势n型中性区相对于费米能级的静电势pn冶 金 结（ a） 冶 金 结 中 突 变 掺 杂 的 p-n结pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电（ b） 在 热 平 衡 下 突 变 结 的 能 带 图（ c） 空 间 电 荷 分 布（ d） 空 间 电 荷 的 长 方 形 近 似图 4.50耗 尽 区型 中 性 区p型 中 性 区n过 渡 区过 渡 区所 造 成 的 电 荷 密 度未 补 偿 的 杂 质 离 子ADNNx型 中 性 区p型 中 性 区nADNN0耗 尽 区xpxnxpn冶 金 结pn冶 金 结（ a）

37、 冶 金 结 中 突 变 掺 杂 的 p-n结pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电pqbiqVCEFEiEVEaq势电静iE能势子电（ b） 在 热 平 衡 下 突 变 结 的 能 带 图（ c） 空 间 电 荷 分 布（ d） 空 间 电 荷 的 长 方 形 近 似图 4.50耗 尽 区型 中 性 区p型 中 性 区n过 渡 区过 渡 区所 造 成 的 电 荷 密 度未 补 偿 的 杂 质 离 子ADNNx0耗 尽 区型 中 性 区p型 中 性 区n过 渡 区过 渡 区所 造 成 的 电 荷 密 度未 补 偿 的 杂 质 离 子ADNN0耗 尽 区型 中 性 区p型 中 性 区

38、n过 渡 区过 渡 区所 造 成 的 电 荷 密 度未 补 偿 的 杂 质 离 子ADNNx型 中 性 区p型 中 性 区nADNN0耗 尽 区xpxnx型 中 性 区p型 中 性 区nADNN0耗 尽 区xpxnx在热平衡时，p型和n型中性区的总静电势差即为内建电势Vbi)ln(2iDApnbinNNqkTV2. PN结的单向导电性结的单向导电性(1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多

39、子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流 (2) 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是一定的，故一定的，故IR基本上与外基本上与外加反压的大小无关加反

40、压的大小无关，所以所以称为称为反向饱和电流反向饱和电流。但。但IR与温度有关与温度有关。 PN结加正向电压时，具有较大的正向结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，扩散电流，呈现低电阻， PN结导通；结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。结截止。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导结具有单向导电性。电性。耗尽区图图 p-n结的整流效应结的整流效应 当一足够大的反向电压加在p-n结时，结会击穿而导通一非常大的电流两种重要的击穿机制为隧道效应和雪崩倍增对大部分的二极管而言，雪

41、崩击穿限制反向偏压的上限，也限制了双极型晶体管的集电极电压 当一反向强电场加在p-n结时，价电子可以由价带移动到导带，如图所示这种电子穿过禁带的过程称为隧穿隧穿只发生在电场很高的时候对硅和砷化镓，其典型电场大约为106V/cm或更高为了得到如此高的电场，p区和n区的掺杂浓度必须相当高(51017cm-3) 隧道效应隧道效应( (tunneling effect) )：CEVECEVEECEVECEVEE(a)隧 道 效 应123 2 3CEVECEVEE123 2 3CEVECEVEE(b )雪 崩 倍 增图 3 .2 4 在 结 击 穿 条 件 下 的 能 带 图结击穿结击穿 雪崩倍增的过程

42、如图所示在反向偏压下，在耗尽区因热产生的电子(标示1)，由电场得到动能 如果电场足够大，电子可以获得足够的动能，以致于当和原子产生撞击时，可以破坏键而产生电子-空穴对(2和2)这些新产生的电子和空穴，可由电场获得动能，并产生额外的电子-空穴对(譬如3和3)这些过程生生不息， 连 续 产 生 新 的电子 -空穴对这种过程称为雪崩倍增雪崩倍增 雪崩倍增雪崩倍增( (avalanche multiplication) )CEVECEVEECEVECEVEE(a) 隧 道 效 应123 2 3CEVECEVEE123 2 3CEVECEVEE(b) 雪 崩 倍 增图 3.24 在 结 击 穿 条 件

43、下 的 能 带 图结击穿结击穿5.4.2半导体的物理效应5.4.2.1余辉效应 5.4.2.1发光二极管 5.4.2.1激光二极管 5.4.2.1光伏特效应 5.4.2.1余辉效应 价带的电子受到入射光子的激发后，会跃价带的电子受到入射光子的激发后，会跃过禁带进入导带。如果导带上的这些被激过禁带进入导带。如果导带上的这些被激发的电子又跃迁回到价带时，会以放出光发的电子又跃迁回到价带时，会以放出光子的形式来释放能量，这就是光致发光效子的形式来释放能量，这就是光致发光效应，也称为荧光效应。应，也称为荧光效应。 光致发光效应光致发光效应图图5.18荧光产生原理荧光产生原理(a) 没有禁带的金属没有禁

44、带的金属;(b) 有禁带的半导体有禁带的半导体 光致发光现象不会在金属中产生。因为在金属光致发光现象不会在金属中产生。因为在金属中，价带没有充满电子，低能级的电子只会激中，价带没有充满电子，低能级的电子只会激发到同一价带的高能级。在同一价带内，电子发到同一价带的高能级。在同一价带内，电子从高能级跃迁回到低能级，所释放的能量太小，从高能级跃迁回到低能级，所释放的能量太小，产生的光子的波长太长，远远超过可见光的波产生的光子的波长太长，远远超过可见光的波长。长。 在某些陶瓷和半导体中，价带和导带之间的在某些陶瓷和半导体中，价带和导带之间的禁带宽度不大不小，所以被激发的电子从导禁带宽度不大不小，所以被

45、激发的电子从导带跃过禁带回到价带时释放的光子波长刚好带跃过禁带回到价带时释放的光子波长刚好在可见光波段。这样的材料称为荧光材料。在可见光波段。这样的材料称为荧光材料。 日光灯灯管的内壁涂有荧光物质。管内的汞日光灯灯管的内壁涂有荧光物质。管内的汞蒸气在电场作用下发出紫外线，这些紫外线蒸气在电场作用下发出紫外线，这些紫外线轰击在荧光物质上使其发光。关掉电源后荧轰击在荧光物质上使其发光。关掉电源后荧光物质便不再发光。光物质便不再发光。图图5.19余辉产生原理余辉产生原理 余辉现象余辉现象如果荧光材料中含有一些微量杂质，且这些杂如果荧光材料中含有一些微量杂质，且这些杂质的能级位于禁带内，相当于陷阱能级

46、质的能级位于禁带内，相当于陷阱能级(Ed)，从价带被激发的电子进入导带后，又会掉入这从价带被激发的电子进入导带后，又会掉入这些陷阱能级。因为这些被陷阱能级所捕获的激些陷阱能级。因为这些被陷阱能级所捕获的激发电子必须首先脱离陷阱能级进入导带后才能发电子必须首先脱离陷阱能级进入导带后才能跃迁回到价带，所以它们被入射光子激发后，跃迁回到价带，所以它们被入射光子激发后，需要延迟一段时间才会发光，出现了所谓的余需要延迟一段时间才会发光，出现了所谓的余辉现象。辉现象。 余辉时间取决于这些陷阱能级与导带之间的能余辉时间取决于这些陷阱能级与导带之间的能级差，即陷阱能级深度。因为在一定温度下，级差，即陷阱能级深

47、度。因为在一定温度下，处于较深的陷阱能级上的电子被热重新激发到处于较深的陷阱能级上的电子被热重新激发到导带的几率较小，或者电子进入导带后又落入导带的几率较小，或者电子进入导带后又落入其他陷阱能级（发生多次捕获），这些情况都其他陷阱能级（发生多次捕获），这些情况都使余辉时间变长，也就是使发光的衰减很慢。使余辉时间变长，也就是使发光的衰减很慢。 余辉时间余辉时间5.4.2.2发光二极管 余辉效应是入射光引起的半导体发光现象，余辉效应是入射光引起的半导体发光现象，而发光二极管则是电场引起的半导体发光现而发光二极管则是电场引起的半导体发光现象。象。 图图5.21注入发光能注入发光能带图带图(a) 平衡

48、平衡p-n结结;(b) 正偏注入发光正偏注入发光 在正向偏压的作用下，在正向偏压的作用下，p-n结势垒降低，势垒结势垒降低，势垒区内建电场也相应减弱，载流子也会在正向偏区内建电场也相应减弱，载流子也会在正向偏压的作用下发生扩散。压的作用下发生扩散。n型半导体区内的多数型半导体区内的多数载流子电子扩散到载流子电子扩散到p型半导体区，同时型半导体区，同时p型半型半导体区内的多数载流子空穴扩散到导体区内的多数载流子空穴扩散到n型半导体型半导体区。这些注入到区。这些注入到p区的载流子电子和注入到区的载流子电子和注入到n区的载流子空穴都是非平衡的少数载流子。这区的载流子空穴都是非平衡的少数载流子。这些非

49、平衡的少数载流子不断与多数载流子复合些非平衡的少数载流子不断与多数载流子复合而发光，这就是半导体而发光，这就是半导体p-n结发光的原理。结发光的原理。 半导体半导体p-np-n结发光的原理结发光的原理导致发光的能级跃迁除了可以在导带与价带导致发光的能级跃迁除了可以在导带与价带这样的带与带之间（称为本征跃迁）发生外，这样的带与带之间（称为本征跃迁）发生外，还可以在杂质能级与带之间、杂质能级之间还可以在杂质能级与带之间、杂质能级之间（称为非本征跃迁）发生。（称为非本征跃迁）发生。 图图5.22 材料发光与能级跃迁材料发光与能级跃迁 导带上的电子还会以热量的形式释放出一部导带上的电子还会以热量的形式

50、释放出一部分能量后掉入杂质能级，然后再向价带跃迁。分能量后掉入杂质能级，然后再向价带跃迁。这种跃迁称为间接跃迁，其能量小于禁带宽这种跃迁称为间接跃迁，其能量小于禁带宽度。间接跃迁可以有度。间接跃迁可以有4种类型。种类型。 图图5.23发光二级管的发光颜色与材料成分的关系发光二级管的发光颜色与材料成分的关系 能级跃迁所产生的光子并不能够全部传到半能级跃迁所产生的光子并不能够全部传到半导体材料的外部来。因为从发光区发出的光导体材料的外部来。因为从发光区发出的光子不仅在通过半导体材料时有可能被再吸收，子不仅在通过半导体材料时有可能被再吸收，而且在半导体的表面处很可能发生全发射而而且在半导体的表面处很

51、可能发生全发射而返回到半导体材料内部。为了避免这种现象，返回到半导体材料内部。为了避免这种现象，可以将半导体材料表面制成球面，并使发光可以将半导体材料表面制成球面，并使发光区域处于球心位置。区域处于球心位置。 5.4.2.3激光二极管 处于低能级的电子吸收一个入射光子后，从低能处于低能级的电子吸收一个入射光子后，从低能级被激发到高能级，这个过程称为光吸收。级被激发到高能级，这个过程称为光吸收。 当电子从高能级跃迁回到低能级时，会辐射放出当电子从高能级跃迁回到低能级时，会辐射放出一个光子，这种辐射称为自发辐射。一个光子，这种辐射称为自发辐射。 除了自发辐射外，还有一种受激辐射。在受激辐射除了自发

52、辐射外，还有一种受激辐射。在受激辐射过程中，处于高能级的电子受到入射光子的作用，过程中，处于高能级的电子受到入射光子的作用，跃迁到低能级，并辐射放出一个与入射光子在频率、跃迁到低能级，并辐射放出一个与入射光子在频率、位相、传播方向、偏振状态等各方面完全相同的光位相、传播方向、偏振状态等各方面完全相同的光子。子。当注入光子时，自发辐射与受激辐射这两种当注入光子时，自发辐射与受激辐射这两种过程究竟哪一种占主导地位，取决于处于高过程究竟哪一种占主导地位，取决于处于高能级上和处于低能级上的电子数量之比。能级上和处于低能级上的电子数量之比。如果处于高能级上的电子数大于处于低能如果处于高能级上的电子数大于

53、处于低能级上的电子数，受激辐射就会超过光吸收级上的电子数，受激辐射就会超过光吸收产生的自发辐射，就会导致激光的产生。产生的自发辐射，就会导致激光的产生。高浓度掺杂的高浓度掺杂的p-n结制成的激光二极管结制成的激光二极管 对于高浓度掺杂的半导体对于高浓度掺杂的半导体p-n结，由于杂质浓度结，由于杂质浓度很高，很高，n型区内来自杂质能级的载流子电子非常型区内来自杂质能级的载流子电子非常多，费密能级位于导带之中。另外，多，费密能级位于导带之中。另外，p型区的价型区的价带中的载流子空穴也非常多，带中的载流子空穴也非常多，p型区的费密能级型区的费密能级位于价带之中。当加上正向偏压时，位于价带之中。当加上

54、正向偏压时，n区向区向p区区注入载流子电子，而注入载流子电子，而p区向区向n区注入载流子空穴。区注入载流子空穴。激光二极管为高浓度掺杂半导体，平衡时势垒激光二极管为高浓度掺杂半导体，平衡时势垒很高，所加正向电压不足以使势垒消失。这些很高，所加正向电压不足以使势垒消失。这些载流子电子和载流子空穴聚集在载流子电子和载流子空穴聚集在p-n结附近，形结附近，形成所谓的激活区。成所谓的激活区。 图图5.24 半导体激光产生原理半导体激光产生原理 5.4.2.4光伏特效应 光激发伏特效应是另一个重要的半导体物光激发伏特效应是另一个重要的半导体物理效应，是太阳能电池的理论基础。理效应，是太阳能电池的理论基础

55、。 硅太阳能电池就是利用硅太阳能电池就是利用p-n结制成结制成 图图5.25光伏特效应原理光伏特效应原理 当禁带宽度相等的当禁带宽度相等的p型半导体与型半导体与n型半导体结型半导体结合（即为同质结）时，由于二者的母体可以合（即为同质结）时，由于二者的母体可以采用同种材料（如硅），二者的结合面的共采用同种材料（如硅），二者的结合面的共格性能很好，很少产生缺陷，而这些缺陷作格性能很好，很少产生缺陷，而这些缺陷作为电子捕获中心，会降低太阳能电池的性能。为电子捕获中心，会降低太阳能电池的性能。p-n结太阳能电池的特点是对半导体材料的纯结太阳能电池的特点是对半导体材料的纯度要求很高。如果不控制好杂质原子

56、，就得不度要求很高。如果不控制好杂质原子，就得不到所需的到所需的p型半导体和型半导体和n型半导体。另外，激型半导体。另外，激发产生的空穴和电子对很容易相互结合而消失，发产生的空穴和电子对很容易相互结合而消失，从而降低了电池效率。所以从而降低了电池效率。所以p-n结太阳能电池结太阳能电池始终难以得到大规模应用。始终难以得到大规模应用。 近年来，近年来，TiO2半导体的光催化性能引起人们半导体的光催化性能引起人们的重视。本田的重视。本田-藤岛（藤岛（Honda-Fijishima）在）在1972年发现，水溶液中的年发现，水溶液中的TiO2电极被光照射电极被光照射后，在二氧化钛电极上会产生氧气，在对

57、极后，在二氧化钛电极上会产生氧气，在对极的铂电极上会产生氢气。光激发的电子进入的铂电极上会产生氢气。光激发的电子进入半导体电极内部，空穴到达半导体表面。此半导体电极内部，空穴到达半导体表面。此空穴与水里的氧离子相互作用，电子则通过空穴与水里的氧离子相互作用，电子则通过铂电极与氢离子相互作用。这一效应又称为铂电极与氢离子相互作用。这一效应又称为Honda-Fijishima效应。效应。 Honda-Fijishima效应给了人们一种利用太效应给了人们一种利用太阳能将水分解成氢气和氧气的可能性。电解阳能将水分解成氢气和氧气的可能性。电解水最少需水最少需1.23eV的电压，所以半导体禁带至的电压，所以半导体禁带至少要少要1.23eV以上，实际需要以上，实际需要2eV以上。二氧以上。二氧化钛的禁带有化钛的禁带有3eV，满足此条件，满足此条件，SnO2也满也满足此条件。足此条件。 由于由于TiO2半导体的禁带宽度比较大，如果制半导体的禁带宽度比较大，如果制成太阳能电池，则只有波长很短的