半导体器件物理第一章2012226

1、半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 半导体材料的晶格结构 电子和空穴的概念 半导体的电性能和导电机理 载流子的漂移运动和扩散运动 非平衡载流子的产生和复合 半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半

2、导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理2/3a2/3a2/3a2/3a半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理晶体的各向异性晶体的各向异性半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理晶面指数（密勒指数）晶面指数（密勒指数）半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理晶列指数晶列指数晶向指数晶

3、向指数 任何两个原子之间的任何两个原子之间的连线在空间有许多与连线在空间有许多与它相同的平行线。它相同的平行线。 一族平行线所指的方一族平行线所指的方向用晶列指数表示向用晶列指数表示 晶列指数是按晶列矢晶列指数是按晶列矢量在坐标轴上的投影量在坐标轴上的投影的比例取互质数的比例取互质数 111、100、110半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理晶面指数（密勒指数）晶面指数（密勒指数） 任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同的平行晶面的平行晶面 一族平行晶面用晶面指数来表示一族平行晶面用晶面指数来表示 它是按晶面在坐标轴上的截距的倒

4、数的比例取互它是按晶面在坐标轴上的截距的倒数的比例取互质数质数 (111)、(100)、(110) 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。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理立方晶体有几个立方晶体有几个、?半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理E1E2E3半导

5、体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体中的电子是在周期性排列半导体中的电子是在周期性排列且固定不动的大量原子核的势场且固定不动的大量原子核的势场和其他大量电子的和其他大量电子的平均势场平均势场中运动。中运动。这个平均势场也是这个平均势场也是周期性变化周期性变化的，的，且周期与晶格周期相同。且周期与晶格周期相同。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理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，下图是金刚石结构能级向能级逐步转变为能带，下图是金刚石

6、结构能级向能带演变的示意图。带演变的示意图。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理练习练习试画出硅、锗和试画出硅、锗和半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了一些价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了一些，价带即成了部分占满的能带（相当于半满，价带即成了部分占满的能带（相当于半满带），在外电场作用下，仍留在价带中的电子也能起导电带），在外电场作用

7、下，仍留在价带中的电子也能起导电作用。作用。价带电子的这种导电作用相当于把这些空的量子状态看作价带电子的这种导电作用相当于把这些空的量子状态看作带正电荷的带正电荷的“准粒子准粒子”的导电作用，常把这些满带中因失的导电作用，常把这些满带中因失去了电子而留下的空位称为空穴。去了电子而留下的空位称为空穴。所以，所以，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，这与金属导体导电有很大的区别。这与金属导体导电有很大的区别。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理思考思考 既然半导体电子和空穴都能导电，而导既然半导体电子和空穴都能导电，而导体只

8、有电子导电，为什么半导体的导电体只有电子导电，为什么半导体的导电能力比导体差？能力比导体差？半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理图图1-7 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由于温度，价键上的电子由于温度，价键上的电子激发成为准自由电子，亦激发成为准自由电子，亦即价带电子激发成为导带即价带电子激发成为导带电子的过程电子的过程半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理注意三个注意三个“准准” 准连续准连续 准粒子准粒子 准自由准自由半导体器件物理半导体器

9、件物理半导体器件物理半导体器件物理练习练习 整理空带、满带、半满带、价带、导带、整理空带、满带、半满带、价带、导带、禁带、导带底、价带顶、禁带宽度的概念。禁带、导带底、价带顶、禁带宽度的概念。 简述空穴的概念。简述空穴的概念。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 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

10、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半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 在硅晶体中，若以在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一个个硅原子中掺入一个杂质杂质原原子的比例掺入硼（子的比例掺入硼（B）原子，则硅晶体的导电率在室温）原子，则硅晶体的导电率在室温下将增加下将增加103倍。倍。 用于生产一般硅平面器件的硅单晶，用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错位错密度要求密度要求控制在控制在103cm-2以

11、下，若位错密度过高，则不可能生产出以下，若位错密度过高，则不可能生产出性能良好的器件。性能良好的器件。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产生的生的周期性势场受到破坏周期性势场受到破坏，有可能在，有可能在禁带中引入禁带中引入允许电子允许电子存在的能量状态（即存在的能量状态（即能级能级），从而对半导体的性质产生决），从而对半导体的性质产生决定性的影响。定性的影响。一）制备半导体的原材料一）制备半导体的原材料纯度不够高纯度不够高；二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的二）半导体

12、单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污沾污；三）为了半导体的性质而三）为了半导体的性质而人为地掺入人为地掺入某种化学元素的原子。某种化学元素的原子。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理原子只占晶胞体积的原子只占晶胞体积的34%，还有，还有66%是空隙，是空隙，这些空隙通常称为这些空隙通常称为间隙位置间隙位置。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/填充填充；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/填充填充。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体

13、器件物理间隙式杂质间隙式杂质原子半径一般比较小原子半径一般比较小，如锂离子（，如锂离子（Li+）的半径为）的半径为0.68 ，所，所以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。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半径大小比较相近原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，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。如硅、锗是。如硅、锗是族元素，与族元素，与、族元素的情况比较相近，所以族元素的情况比较相近，所以、族元素在硅、锗族元素在硅、锗晶体中都是替位式杂质。晶体中都是替位式杂质。单位体积中的

14、杂质原子数，单位单位体积中的杂质原子数，单位cm-3半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理硅中掺入磷（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。磷原子成为一余一个价电子。磷原子成为一个带有一个正电荷的磷离子个带有一个正电荷的磷离子（P+），称为），称为正电中心磷离子正电中心磷离子。其效果相当于形成了其效果相当于形成

15、了一个正电一个正电中心和一个多余的电子中心和一个多余的电子。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理多余的电子束缚在正电中心周围，但这种束缚作用比共价键多余的电子束缚在正电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余电子挣脱的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余电子挣脱束缚，成为自由电子在晶格中运动，起到导电的作用。这时束缚，成为自由电子在晶格中运动，起到导电的作用。这时磷原子就成了一个少了一个价电子的磷离子，它是一个不能磷原子就成了一个少了一个价电子的磷离子，它是一个不能移动的正电中心。移动的正电中心。多余电子脱离杂质原子成为导电电子的过

16、程称为多余电子脱离杂质原子成为导电电子的过程称为杂质电离杂质电离。使这个多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为使这个多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂杂质电离能质电离能，用，用ED表示。表示。实验测得，实验测得，族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余电子很容易挣脱原子的束缚成为导电电子），在硅中电离能电子很容易挣脱原子的束缚成为导电电子），在硅中电离能约为约为0.040.05eV，在锗中电离能约为，在锗中电离能约为0.01 eV，比硅、锗的禁，比硅、锗的禁带宽度小得多。带宽度小得多。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件

17、物理族元素杂质在硅、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。施放电子的过程称为施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

18、度大于空穴密度），增强了半导体的导电能力，成为主要依靠电子导电的半导体材料。体的导电能力，成为主要依靠电子导电的半导体材料。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理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

19、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比导带底子的能量比导带底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。由于施。由于施主杂质相对较少，杂质主杂质相对较少，杂质原子间的相互作用可以原子间的相互作用可以忽略，所以忽略，所以施主能级施主能级可可以看作是以看作是一些具有相同

20、一些具有相同能量的孤立能级能量的孤立能级，半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理硅中掺入硼（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

21、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。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理多余的空穴束缚在负电中心周围，但这种束缚作用比共价键多余的空穴束缚在负电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余空穴挣脱的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余空穴挣脱束缚，成为自由空穴在晶格中运动，起到导电的作用。这时束缚，成为自由空穴在晶格中运动，起到导电的作用。这时硼原子就成了一个多了一个价电子的硼离子，它是一个不

22、能硼原子就成了一个多了一个价电子的硼离子，它是一个不能移动的负电中心。移动的负电中心。多余空穴脱离杂质原子成为导电空穴的过程称为多余空穴脱离杂质原子成为导电空穴的过程称为杂质电离杂质电离。使这个多余空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为使这个多余空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为杂杂质电离能质电离能，用，用EA表示。表示。实验测得，实验测得，族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余空族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余空穴很容易挣脱原子的束缚成为导电空穴），穴很容易挣脱原子的束缚成为导电空穴），半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理族元素杂质在硅、锗中能接受电子而

23、产生族元素杂质在硅、锗中能接受电子而产生导电空穴导电空穴，并形成并形成负电中心负电中心。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

24、要依靠空穴导电的半导体材料。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理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

25、，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比价带顶穴的能量比价带顶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。由于受主。由于受主杂质相对较少，杂质原杂质相对较少，杂质原子间的相互作用可以忽子间的相互作用可以忽略，所以略，所以受主能级受主能级可以可以看作是看作是一些具有相同能一些具有相同能量

26、的孤立能级量的孤立能级，半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理综上所述综上所述半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理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半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理ND 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

27、部电离时，分情况讨论杂质的补偿作用。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理当当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型的型的半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理当当NAND时，施主能级时，施

28、主能级上的全部电子跃迁到上的全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型的型的半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理经过补偿之后，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。利用杂质补偿的作用，就可利用杂质补偿的作用，就可以根据需要用以根据需要用扩散扩散或

29、或离子注离子注入入等方法来改变半导体中某等方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制备一区域的导电类型，以制备各种器件。各种器件。若控制不当，会出现若控制不当，会出现NDNA的现象，的现象，这时，施主电子刚好填充受主能级，这时，施主电子刚好填充受主能级，虽然晶体中杂质可以很多，但不能虽然晶体中杂质可以很多，但不能向导带和价带提供电子和空穴，向导带和价带提供电子和空穴，（杂质的高度补偿杂质的高度补偿）。这种材料容）。这种材料容易被误认为是高纯度的半导体，实易被误认为是高纯度的半导体，实际上却含有很多杂质，性能很差。际上却含有很多杂质，性能很差。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件

30、物理非非、族元素掺入硅、锗中也会在禁带中引入能级。族元素掺入硅、锗中也会在禁带中引入能级。非非、族元素产生的能级有以下两个族元素产生的能级有以下两个特点特点：（1）施主能级距离导带底较远，产生的受主能级距离价带）施主能级距离导带底较远，产生的受主能级距离价带顶也较远。称为顶也较远。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；（2）这些深能级杂质能产生）这些深能级杂质能产生多次电离多次电离，每一次电离相应地，每一次电离相应地有一个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往有一个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往引入若干引入若干个能级个能级。而且，。而且，有的杂质既能

31、引入施主能级，又能引入受主能有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级级。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理金，金，族元素，掺入锗中，中性金原子（族元素，掺入锗中，中性金原子（Au0）只有一个）只有一个价电子，替位式填充。金比锗少三个价电子，中性金原子价电子，替位式填充。金比锗少三个价电子，中性金原子的这一个价电子可以电离而跃入导带，施主能级为的这一个价电子可以电离而跃入导带，施主能级为ED，电，电离能为（离能为（EC-ED）。）。因为金的这个价电子被共价键所束缚，电离能很大，略小因为金的这个价电子被共价键所束缚，电离能很大，略小于锗的禁带宽度，所以这个施主能级靠近价带顶

32、。电离以于锗的禁带宽度，所以这个施主能级靠近价带顶。电离以后，中性金原子就成为带一个电子电荷的正电中心后，中性金原子就成为带一个电子电荷的正电中心Au+。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理另一方面，中性金原子还可以和周围的四个锗原子形成共价另一方面，中性金原子还可以和周围的四个锗原子形成共价键，在形成共价键时，它可以从价带接受三个电子，形成键，在形成共价键时，它可以从价带接受三个电子，形成EA1、EA2、EA3三个受主能级。三个受主能级。金原子金原子Au0接受第一个电子后变为接受第一个电子后变为Au-，相应的受主能级为，相应的受主能级为EA1，其电离能为（其电离能为（EA

33、1-EV）。接受第二个电子后，）。接受第二个电子后，Au-便为便为Au=，相应的受主能级为相应的受主能级为EA2，其电离能为（，其电离能为（EA2-EV）。接受第三个）。接受第三个电子后，电子后，Au=便为便为Au，相应的受主能级为，相应的受主能级为EA3，其电离能为，其电离能为（EA3 -EV）。）。上述的上述的Au-、Au=、Au分别表示成为带一个、两个、三个电子分别表示成为带一个、两个、三个电子电荷的负电中心。电荷的负电中心。EA3EA2EA1。EA1离价带顶相对近一些，离价带顶相对近一些，但是比但是比族杂质引入的浅能级还是深的多，族杂质引入的浅能级还是深的多，EA2更深，更深，EA3

34、就就几乎靠近导带底了。几乎靠近导带底了。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理金在锗中一共有金在锗中一共有Au+、Au0、Au-、Au=、Au五个五个荷电状态，相应地存在着荷电状态，相应地存在着ED、EA1、EA2、EA3四四个孤立能级，它们都是深能级个孤立能级，它们都是深能级。深能级杂质，一般情况下在半导体中的深能级杂质，一般情况下在半导体中的含量极少含量极少，而且能，而且能级较深，它们对半导体中的导电电子浓度、导电空穴浓度级较深，它们对半导体中的导电电子浓度、导电空穴浓度和导电类型的影响没有浅能级杂质明显，但对于载流子的和导电类型的影响没有浅能级杂质明显，但对于载流子的复

35、合作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称为复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称为复合中心复合中心，它们引入的能级就称为它们引入的能级就称为复合中心能级复合中心能级。金是一种很典型的。金是一种很典型的复合中心，在制造复合中心，在制造高速开关器件高速开关器件时，常有意地时，常有意地掺入金以提掺入金以提高器件的速度高器件的速度。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体中的缺陷和缺陷能级半导体中的缺陷和缺陷能级 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

36、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。 半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理在在一定温度一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近作振动运下，晶格原子不仅在平衡位置附近作振动运动（通常称之为动（通常称之为热振动热振动），而且有一部分原子会获得足），而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成的间隙，形成间隙原子间隙原子，原来的位置就成为

37、，原来的位置就成为空位空位。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，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。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理间隙原子和空位一方面不断地产生，另一方面两间隙原子和空位一方面不断地产生，另一方面两者又不断地复合，达到一个平衡浓度值。者又不断地复合，达到一个平衡浓度值。由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙位置，而且迁移由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙位置，而且迁移时激活能很小，所以晶体中时激活能

38、很小，所以晶体中空位比间隙原子多得多空位比间隙原子多得多，空位，空位成了常见的点缺陷。成了常见的点缺陷。在在元素半导体硅、锗元素半导体硅、锗中存在的中存在的空位空位最邻近有四个原子，每个最邻近有四个原子，每个原子各有一个不成对的价电子，成为不饱和的共价键，这些原子各有一个不成对的价电子，成为不饱和的共价键，这些键倾向于接受电子，因此空位表现出键倾向于接受电子，因此空位表现出受主作用受主作用。而每一个而每一个间隙原子间隙原子有四个可以失去的未形成共价键的价电子，有四个可以失去的未形成共价键的价电子，表现出表现出施主作用施主作用。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理在在-族化合

39、物族化合物中，除了热振动因素形成空位和间隙原子外，中，除了热振动因素形成空位和间隙原子外，由于由于成分偏离正常的化学比成分偏离正常的化学比，也形成点缺陷。，也形成点缺陷。例如，在砷化镓中，由于例如，在砷化镓中，由于热振动热振动可以使镓原子离开晶格格点可以使镓原子离开晶格格点形成镓空位和镓间隙原子；也可以使砷原子离开格点形成砷形成镓空位和镓间隙原子；也可以使砷原子离开格点形成砷空位和砷间隙原子。空位和砷间隙原子。另外，由于砷化镓中另外，由于砷化镓中镓偏多或砷偏多镓偏多或砷偏多，也能形成砷空位或镓，也能形成砷空位或镓空位。空位。比如，二元化合物比如，二元化合物AB中，替位原子可以有两种，中，替位原

40、子可以有两种，A取代取代B或或B取代取代A，一般认为，一般认为AB是受主，是受主，BA是施主。是施主。例如，在砷化镓中，砷取代镓后为例如，在砷化镓中，砷取代镓后为AsGa起施主作用，而镓取起施主作用，而镓取代砷后为代砷后为GaAs起受主作用。起受主作用。化合物半导体中，存在的另外一种点缺陷化合物半导体中，存在的另外一种点缺陷半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 位错也是半导体中的一种缺陷，它对半导体材料和器件位错也是半导体中的一种缺陷，它对半导体材料和器件的性能也会产生很大的影响。的性能也会产生很大的影响。 在硅、锗晶体中位错的情况相当复杂在硅、锗晶体中位错的情况相当复杂。

41、由位错引入禁带由位错引入禁带的能级也十分复杂的能级也十分复杂。 根据实验测得，位错能级都是根据实验测得，位错能级都是深受主能级深受主能级。当位错密度。当位错密度较高时，由于它和杂质的补偿作用，能使含有浅施主杂质较高时，由于它和杂质的补偿作用，能使含有浅施主杂质的的N型硅、锗中的载流子浓度降低，而对型硅、锗中的载流子浓度降低，而对P型硅、锗却没有型硅、锗却没有这种影响。这种影响。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理练习练习 写出常见缺陷的种类并举例。写出常见缺陷的种类并举例。 试述弗仑克耳缺陷和肖特基缺陷的特点、试述弗仑克耳缺陷和肖特基缺陷的特点、共同点和关系。共同点和关系。

42、 位错对半导体材料和器件有什么影响？位错对半导体材料和器件有什么影响？半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子。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杂质电离杂质电离 半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理在导电电子和空穴产生的同时，还存在与之相反的过程，即在导电电子和空穴产生的同时，还存在与之相反的过程，即电子也可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向电子也可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向晶格

43、放出一定的能量。晶格放出一定的能量。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 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，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。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 实践表明，半导体的导电性与温度密切相实践表明，半导体的导电性与温度密切相关。实际上

44、，这主要是由于关。实际上，这主要是由于半导体中的载流子半导体中的载流子浓度随温度剧烈变化浓度随温度剧烈变化所造成的。所造成的。 所以，要深入了解半导体的导电性，必须所以，要深入了解半导体的导电性，必须研究半导体中研究半导体中载流子浓度随温度变化的规律载流子浓度随温度变化的规律。 因此，解决如何计算一定温度下，半导体因此，解决如何计算一定温度下，半导体中热平衡载流子浓度的问题成了本节的中心问中热平衡载流子浓度的问题成了本节的中心问题。题。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理能量在能量在EE+dE范围内的电子数（统计方法）范围内的电子数（统计方法）电子填充能级电子填充能级E的几

45、率的几率N(E) 单位体积晶体中在能量单位体积晶体中在能量E处的电子能级密度处的电子能级密度能量为能量为E的状态密度的状态密度能量无限小量能量无限小量半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理能量为能量为E的电子状态密度（测不准关系）的电子状态密度（测不准关系）EC 导带底导带底mn* 电子的有效质量电子的有效质量半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理能量为能量为E的空穴状态密度的空穴状态密度mp* 空穴的有效质量空穴的有效质量EV 价带顶价带顶半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 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中的电子

46、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出加速度

47、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。）半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理费米费米-狄拉克分布函数狄拉克分布函数量为量为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

48、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。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理费米费米-狄拉克分布函数的特性狄拉克分布函数的特性当当T=0K时，时，若若EEF，则，则f（E）=0绝对零度时，费米能级绝对零度

49、时，费米能级EF可看成量子态可看成量子态是否被电子占据的一个界限。是否被电子占据的一个界限。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理当当T0K时，时，若若E1/2若若E= EF，则，则f（E）=1/2若若E EF，则，则f（E）p0，费米能级比较靠近导带；，费米能级比较靠近导带； P型半导体型半导体 p0n0，费米能级比较靠近价带；，费米能级比较靠近价带； 掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理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

50、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将式（将式（1-6）、（）、（1-7）代入（）代入（1-8），可以求得本征半导体），可以求得本征半导体的费米能级的费米能级EF，并用符号，并用符号Ei表示，称为本征费米能级表示，称为本征费米能级半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理等式右边第二项近似为零，可忽略，所以本征半导体的费米等式右边第二项近似为零

51、，可忽略，所以本征半导体的费米能级能级Ei基本上在禁带中线处。基本上在禁带中线处。将式（将式（1-9）分别代入式（）分别代入式（1-6）、（）、（1-7），），可得本征半导体载流子浓度可得本征半导体载流子浓度ni半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 一定的半导体材料，其本征载流子浓度一定的半导体材料，其本征载流子浓度ni随温度上随温度上而迅速增加；而迅速增加； 不同的半导体材料在同一温度下，禁带宽度越大，不同的半导体材料在同一温度下，禁带宽度越大，本征载流子浓度本征载流子浓度ni就越小。就越小。由（由（1-6）（）（1-7）得载流子浓度乘积，并与（）得载流子浓度乘积，并与（

52、1-11）比较，可得）比较，可得n0p0=ni2半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 在一定温度下，任何在一定温度下，任何非简并半导体非简并半导体（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（1-12）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。n0p0=n

53、i2半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理表表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半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理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

54、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。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理n0p0=ni2由式（由式（1-12），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。半导

55、体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理本征激发时本征激发时式（式（1-6）可改写如下）可改写如下半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理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型半导体型半导体半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 对于杂质浓度一定的半导体，随着对于杂质浓度一定的半导体，随着温度的升高

56、温度的升高，载流子则是载流子则是从以杂质电离为主要来源过渡到以本征从以杂质电离为主要来源过渡到以本征激发为主要来源的过程激发为主要来源的过程。相应地，。相应地，费米能级则从位费米能级则从位于杂质能级附近逐渐移近到禁带中线处于杂质能级附近逐渐移近到禁带中线处。 当当温度一定温度一定时，时，费米能级的位置由杂质浓度所费米能级的位置由杂质浓度所决定决定，例如，例如N型型半导体，随着施主浓度的增加，费米半导体，随着施主浓度的增加，费米能级从禁带中线逐渐移向导带底方向。能级从禁带中线逐渐移向导带底方向。 对于对于P型型半导体，随着受主杂质浓度的增加，费半导体，随着受主杂质浓度的增加，费米能级从禁带中线逐

57、渐移向价带顶附近。米能级从禁带中线逐渐移向价带顶附近。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 在杂质半导体中，在杂质半导体中，费米能级的位置不但反映了半导费米能级的位置不但反映了半导体的导电类型，而且还反映了半导体的掺杂水平体的导电类型，而且还反映了半导体的掺杂水平。 对于对于N型型半导体，费米能级位于禁带中线以上，半导体，费米能级位于禁带中线以上，ND越越大，费米能级位置越高。大，费米能级位置越高。 对于对于P型型半导体，费米能级位于禁带中线以下，半导体，费米能级位于禁带中线以下，NA越越大，费米能级位置越低。如图大，费米能级位置越低。如图1-15所示。所示。半导体器件物理

58、半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体中的载流子在半导体中的载流子在电场作用电场作用下作漂移运动。下作漂移运动。在运动过程中，载流子会与晶格原子、杂质原在运动过程中，载流子会与晶格原子、杂质原子或其他散射中心子或其他散射中心 碰撞，速度和运动方向将会碰撞，速度和运动方向将会发生改变，可能从晶格中获得能量，速度变大，发生改变，可能从晶格中获得能量，速度变大，也有可能把能量交给晶格，速度变小。也有可能把能量交给晶格，速度变小。半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理以金属导体为例，在导体两端加以电压以金属导体为例，在

59、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半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理 在半导体中，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

60、，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半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理一段长为一段长为l，截面积为，截面积为s，电阻率为，电阻率为的均匀导体，的均匀导体，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 半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理导体内部的自由电子受到电场力的作用，沿着电场的导体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，