第二章半导体物理和半导体器件物理基础

1、第二章 半导体物理和器件物理基础 金属（导体）金属（导体）: 106104( cm)-1 半导体半导体: 10410-10( cm)-1 绝缘体绝缘体: 小于小于10-10( cm)-1半导体材料（半导体材料（semiconductor material）是一类具）是一类具有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间）可有半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间）可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。l温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降 如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8，电阻率相应地降低50%左右 反

2、之，纯净半导体在低温下的电阻率很高，呈现出绝缘性半导体金属绝缘体RT几种材料电阻率与温度的关系：l 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个族杂质（比 如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000cm降至0.2cm以下l 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力适当波长的光照可以改变半导体的导电能力 如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十M，当受光照后电阻值可以下降为几十K 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而此外，半导体的导电能力还随电场、

3、磁场等的作用而改变即半导体的导电能力可以由外界控制改变即半导体的导电能力可以由外界控制 1.无机半导体晶体材料无机半导体晶体材料(1)元素半导体晶体元素半导体晶体Si、Ge、Se 等元素等元素无机半导体晶体材料包含元素半导体、化合物半导无机半导体晶体材料包含元素半导体、化合物半导体及固溶体半导体。体及固溶体半导体。 2.1.3 几种典型的半导体材料几种典型的半导体材料 在元素周期表的在元素周期表的AA族至族至AA族分布着族分布着1111种具有半导性的元素种具有半导性的元素。 C C表示金刚石。表示金刚石。C C、P P、SeSe具有绝缘体具有绝缘体与半导体两种形态与半导体两种形态; ; B B

4、、SiSi、GeGe、TeTe具有半导性；具有半导性； SnSn、AsAs、SbSb具有半导体与金属两种形具有半导体与金属两种形态。态。 P P的熔点与沸点太低的熔点与沸点太低,的蒸汽压太高的蒸汽压太高、容易分解，所以它们的实用价值不、容易分解，所以它们的实用价值不大。大。 AsAs、SbSb、SnSn的稳定态是金属，半导体的稳定态是金属，半导体是不稳定的形态。是不稳定的形态。 B B、C C、TeTe也因制备工艺上的困难和性也因制备工艺上的困难和性能方面的局限性而尚未被利用。能方面的局限性而尚未被利用。 元素半导体中只有元素半导体中只有GeGe、SiSi、Se 3Se 3种元种元素已得到利用

5、素已得到利用。GeGe、SiSi仍是所有半导仍是所有半导体材料中应用最广的两种材料。体材料中应用最广的两种材料。硅是最典型、用量最广泛而数量最多的半导体硅是最典型、用量最广泛而数量最多的半导体材料。材料。 硅在化学元素周期表中位于硅在化学元素周期表中位于族。族。 硅原子中有硅原子中有1414个电子围绕原子个电子围绕原子核运动。核运动。4 4个电子处于最外层个电子处于最外层，即价电子。，即价电子。a）硅晶体的立体结构示意图）硅晶体的立体结构示意图 b）硅晶体的平面结构示意图）硅晶体的平面结构示意图 每个硅原子有四个近邻硅原子，每两个相邻原子之间有一每个硅原子有四个近邻硅原子，每两个相邻原子之间有

6、一对电子，与对电子，与2 2个原子核都有吸引作用，称为共价键。个原子核都有吸引作用，称为共价键。 靠共价键作用，硅原子紧紧结合在一起构成晶体。靠共价键作用，硅原子紧紧结合在一起构成晶体。 硅晶体是金刚石结构。硅晶体是金刚石结构。 硅晶体中，共价键上的电子摆脱束缚所需要的能量是硅晶体中，共价键上的电子摆脱束缚所需要的能量是1.121.12电子伏特（电子伏特（eVeV）锗（锗（GeGe）是最早实现提纯和完美晶体生长）是最早实现提纯和完美晶体生长的半导体材料的半导体材料 锗在化学元素周期表中位于锗在化学元素周期表中位于族。族。 锗原子中有锗原子中有3232个电子围绕原子个电子围绕原子核运动。核运动。

7、4 4个电子处于最外层，个电子处于最外层，即价电子。即价电子。 靠共价键作用，锗原子紧紧结靠共价键作用，锗原子紧紧结合在一起构成晶体。合在一起构成晶体。 锗晶体是金刚石结构。锗晶体是金刚石结构。 由于锗比硅的原子序数大，锗由于锗比硅的原子序数大，锗对价电子的束缚能力弱，价键对价电子的束缚能力弱，价键上的电子摆脱束缚需要的能量上的电子摆脱束缚需要的能量较小，约为较小，约为0.78eV0.78eV。硒硒(Se)(Se)是最早发现并被利用的元素半导体，曾是最早发现并被利用的元素半导体，曾是固体整流器和光电池的重要材料。是固体整流器和光电池的重要材料。 键型和结构共价键 金刚石结构 a (T=300K

8、)5.43硒之原子密度(cm-3)Z=? 顶点：81/81面心：61/23体内：4原子密度：1+3+4 8223383884.99 10(5.43 10)cmacm10-3103223121.45 10 cm1.45 10 cm4.99 103.44 10iinncm1原子密度化合物化合物半导体半导体-族族-族族金金属氧化物属氧化物-族族-族族-族族InP、GaN、GaAs、InSb、InAsCdS、CdTe、CdSe、ZnSSiCGeS、SnTe、GeSe、PbS、PbTeAsSe3、AsTe3、AsS3、SbS3CuO2、ZnO、SnO2(2)化合物半导体及固溶体半导体化合物半导体及固溶体

9、半导体 -族族:SiC:SiC具有闪锌矿的结构。具有闪锌矿的结构。-族族: :由周期表中由周期表中族元素族元素GaGa、InIn和和V V族元素族元素P P、AsAs、SbSb组成，典型的代表为组成，典型的代表为GaAsGaAs，InSbInSb，InPInP。它们。它们都具有闪锌矿结构都具有闪锌矿结构, , 在应用方面仅次于在应用方面仅次于GeGe、Si,Si,有很有很大的发展前途。大的发展前途。-族族:族元素族元素ZnZn、CdCd、HgHg和和族元素族元素S S、SeSe、TeTe形成的化合物，是一些重要的光电材料。形成的化合物，是一些重要的光电材料。ZnSZnS、CdTeCdTe、Hg

10、TeHgTe具有闪锌矿结构。具有闪锌矿结构。-族：族：族元素族元素AsAs、SbSb、BiBi和和族元素族元素 S S、SeSe、TeTe形成的化合物具有的形式形成的化合物具有的形式, ,如如Bi2Te3Bi2Te3、Bi2Se3Bi2Se3、Bi2S3Bi2S3、As2Te3As2Te3等是重要的温差电材料。等是重要的温差电材料。第四周期中的第四周期中的B B族和过渡族元素族和过渡族元素CuCu、 ZnZn、ScSc、TiTi、V V、CrCr、MnMn、FeFe、CoCo、NiNi的氧化物的氧化物, ,为主要的热敏电阻为主要的热敏电阻材料。材料。 (1)非晶非晶Si、非晶、非晶Ge以及非晶

11、以及非晶Te、Se元素半导体元素半导体 (2)化合物有化合物有GeTe、As2Te3、Se4Te、Se2As3、As2SeTe非晶半导体非晶半导体2.无机非晶态半导体无机非晶态半导体这类半导体与晶态半导体的最大区别是这类半导体与晶态半导体的最大区别是不不具有严格周期性排列的晶体结构具有严格周期性排列的晶体结构。固体材料固体材料晶体：材料中原子规则排列晶体：材料中原子规则排列非晶体：材料中原子无规则排列非晶体：材料中原子无规则排列有机半导体通常分为有机分子晶体、有机分子络有机半导体通常分为有机分子晶体、有机分子络合物和高分子聚合物。合物和高分子聚合物。酞菁类及一些多环、稠环化合物，聚乙炔和环化酞

12、菁类及一些多环、稠环化合物，聚乙炔和环化脱聚丙烯腈等导电高分子，他们都具有大脱聚丙烯腈等导电高分子，他们都具有大键结键结构。构。 3.有机半导体有机半导体 电子的微观运动服从不同于一般力学的量子力学规律，电子的微观运动服从不同于一般力学的量子力学规律，其基本的特点包含以下两种运动形式：其基本的特点包含以下两种运动形式： （1 1）电子做稳恒的运动，具有完全确定的能量。）电子做稳恒的运动，具有完全确定的能量。这种恒这种恒稳的运动状态稳的运动状态称为称为量子态量子态，相应的能量相应的能量称为称为能级能级。 （2 2）一定条件下（原子间相互碰撞，或者吸收光能量）一定条件下（原子间相互碰撞，或者吸收光

13、能量等），等），电子可以发生从一个量子态转移到另一个量子态电子可以发生从一个量子态转移到另一个量子态的突变的突变，这种突变叫做，这种突变叫做量子跃迁量子跃迁。* * *量子态的最根本的特点是量子态的最根本的特点是只能取某些特定的值只能取某些特定的值，而不能，而不能取随意值。取随意值。 2.2 2.2 半导体中的载流子半导体中的载流子2.2.1 半导体的能带半导体的能带量子态和能级量子态和能级讨论电子的统计分布，最重要的是量子态的能讨论电子的统计分布，最重要的是量子态的能量。量。能级图：能级图：用一系列高低不同的水平横线来表示各个量用一系列高低不同的水平横线来表示各个量子态所能取的能量子态所能取

14、的能量。量子态的能量只能取特定的值。量子态的能量只能取特定的值。量子态和能级量子态和能级 通常情况下，具有同一个能量的几个量子态统称为一通常情况下，具有同一个能量的几个量子态统称为一个能级。为了阐述的方便，我们将把每一个量子态称为一个能级。为了阐述的方便，我们将把每一个量子态称为一个能级。如果有几个量子态具有相同的能量，就看成是几个能级。如果有几个量子态具有相同的能量，就看成是几个能级重叠在一起。个能级重叠在一起。 同一个量子态不能有两个电子。同一个量子态不能有两个电子。 电子总是从一个已有电子的量子态跃迁到一个空的量子电子总是从一个已有电子的量子态跃迁到一个空的量子态。态。“空能级空能级”或

15、空量子态在考虑跃迁的时候就十分重要。或空量子态在考虑跃迁的时候就十分重要。量子态和能级量子态和能级半导体是由大量原子组成的晶体，由于原子之间的距离很半导体是由大量原子组成的晶体，由于原子之间的距离很近，一个原子的外层电子不仅受到这个原子的作用，还将近，一个原子的外层电子不仅受到这个原子的作用，还将受到相邻原子的作用，这样就与相邻原子中电子的量子态受到相邻原子的作用，这样就与相邻原子中电子的量子态发生一定程度的交叠。通过发生一定程度的交叠。通过原子态的交叠原子态的交叠，电子可以从一，电子可以从一个原子转移到相邻的原子上。个原子转移到相邻的原子上。半导体中的能带半导体中的能带原子组合成晶体后，电子

16、的量子态将发生质的变化，它将原子组合成晶体后，电子的量子态将发生质的变化，它将不再是固定在个别原子上的运动，而是穿行于整个晶体的不再是固定在个别原子上的运动，而是穿行于整个晶体的运动，电子的这种质变运动，电子的这种质变称为称为“共有化共有化”。但是电子只能在能量相同的量子态之间发生转移。因此，但是电子只能在能量相同的量子态之间发生转移。因此，共有化的量共有化的量子态与原子的能级之间存在着直接的对应关系子态与原子的能级之间存在着直接的对应关系。鉴于电子在晶体中。鉴于电子在晶体中的共有化运动可以有各种速度，的共有化运动可以有各种速度，从一个原子能级将演变出许多共有化从一个原子能级将演变出许多共有化

17、量子态。量子态。从从共有化量子态的能级图及其与原子能级共有化量子态的能级图及其与原子能级的关系，可以看的关系，可以看出，晶体中量子态的能级分成由高到低的很多组，分别与出，晶体中量子态的能级分成由高到低的很多组，分别与原子能级相对应，每一组内含有大量的、能量很接近的能原子能级相对应，每一组内含有大量的、能量很接近的能级，这样迷你的能级看起来像一条带子，因此成为级，这样迷你的能级看起来像一条带子，因此成为能带能带，能带之间的间隙成为能带之间的间隙成为禁带禁带，禁带宽度禁带宽度就是一个能带到另一就是一个能带到另一个能带之间的能量差。个能带之间的能量差。在原子中，内层电子的能级都是被在原子中，内层电子

18、的能级都是被电子填满的。原子组成晶体后，与电子填满的。原子组成晶体后，与这些内层的能级相对于的能带也是这些内层的能级相对于的能带也是被电子所填满的。被电子所填满的。在这些电子填满在这些电子填满的能带中，能量最高的是价电子填的能带中，能量最高的是价电子填充的能带充的能带，称为，称为价带价带。价带以上的价带以上的能带基本上是空的，其中最低的没能带基本上是空的，其中最低的没有被电子填充的能带有被电子填充的能带称为称为导带导带。能带图说明的是电子的能量，并不是电子的实际位置。能带图说明的是电子的能量，并不是电子的实际位置。半导体中的能带半导体中的能带构成共价键的电子就构成共价键的电子就是填充价带的电子

19、，是填充价带的电子，这是因为构成共价键这是因为构成共价键的是最外层电子，能的是最外层电子，能量最高，填充的是能量最高，填充的是能量最高的能带量最高的能带- -价带。价带。电子从价带到导带的量子跃迁过程电子从价带到导带的量子跃迁过程-电子、电子、空穴的产生！空穴的产生！能带基础上的电子和空穴能带基础上的电子和空穴电子摆脱共价键的过电子摆脱共价键的过程，从能带上看，就程，从能带上看，就是电子离开价带留下是电子离开价带留下空的能级。空的能级。摆脱束缚摆脱束缚的电子到导带中需要的电子到导带中需要的能量最小。的能量最小。价带：价带：0K条件下被电子填充的条件下被电子填充的最外层价电子能级（最外层价电子能

20、级（能能量最高量最高）对应）对应的能带的能带导带：导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：禁带：导带底与价带顶之间能带导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差（禁带宽度）（禁带宽度）半导体的能带结构半导体的能带结构Eg电子能量EcEvgCVEEE半导体的能带图可简化成:导带导带半满带禁带价带禁带价带满带绝缘体、半导体和导体的能带示意图导体半导体绝缘体常温下： Si：Eg=1.12ev Ge: Eg=0.67ev GaAs: Eg =1.43ev绝缘体的能带宽度：6-7eV半导体的能带宽度：1-3eVT=

21、0K的半导体能带见图 (a)，这时半导体的价带是满带，而导带是空带，所以半导体不导电。当温度升高或在其它外界因素作用下，原先空着的导带变为半满带，而价带顶附近同时出现了一些空的量子态也成为半满带，这时导带和价带中的电子都可以参与导电，见图 (b)。常温下半导体价带中已有不少电子被激发到导带中，因而具备一定的导电能力。图 (c)是最常用的简化能带图。 (a) T=0K (b) T0K (c) 简化能带图图2.7 半导体的能带 杂质能级杂质能级 杂质出现在半导体中时，产生的附加势场杂质出现在半导体中时，产生的附加势场使严格的周期性势场遭到破坏使严格的周期性势场遭到破坏半导体中的杂质原半导体中的杂质

22、原子可以使电子在其子可以使电子在其周围运动而形成周围运动而形成量量子态子态杂质量子态发热能级位于禁带之中杂质量子态发热能级位于禁带之中 Ec 杂质能级 Ev 1、施主能级：、施主能级：举例：举例：Si中掺磷中掺磷P（Si：P） P取代硅的位置后，四个取代硅的位置后，四个价电子形成共价键，多余价电子形成共价键，多余的一个价电子成为自由电的一个价电子成为自由电子，杂质本身则成为正电子，杂质本身则成为正电中心中心正电中心束缚电子在其周正电中心束缚电子在其周围运动形成量子态围运动形成量子态原子对电子的束缚能力用原子对电子的束缚能力用电离能表示。电离能越大电离能表示。电离能越大表示原子对电子的束缚能表示

23、原子对电子的束缚能力越大。力越大。1、施主能级：、施主能级：举例：举例：Si中掺磷中掺磷P（Si：P） 施主杂质施主杂质P的电离能很小，的电离能很小，只有只有0.044eV，因此施主，因此施主上的上的电子几乎都能全部电电子几乎都能全部电离离，参与导电。，参与导电。原子对电子的束缚能力用原子对电子的束缚能力用电离能电离能表示。电离能越大表示。电离能越大表示原子对电子的束缚能表示原子对电子的束缚能力越大。力越大。电离的结果：导带中的电子数增加了，这即是掺施主的意义所在。电离的结果：导带中的电子数增加了，这即是掺施主的意义所在。施主的电离实质上就是原来在施主能级上的电子跃迁到导带中去，施主的电离实质

24、上就是原来在施主能级上的电子跃迁到导带中去，这个过程所需要的能量就是电离能。这个过程所需要的能量就是电离能。施主能级在导带下面，与导带的距离等于电离能。施主能级在导带下面，与导带的距离等于电离能。施 主 电 离 能：ED=EC-ED EgECEDEV施主能级与导施主能级与导带的距离等于带的距离等于电离能。电离能。束缚在杂质能级上的施主杂质的电子被激发到导带Ec成为导带电子，该杂质电离后成为正电中心（正离子）。 Si、Ge中族杂质的电离能ED（eV）晶体 杂 质 P As Sb Si 0.044 0.049 0.039 Ge 0.0126 0.0127 0.00962、受主能级：举例：Si中掺硼

25、B（Si：B）受主杂质受主杂质B的电离能很小，的电离能很小，只有只有0.044eV，因此施主，因此施主上的上的电子几乎都能全部电电子几乎都能全部电离离，参与导电。，参与导电。受主杂质受主杂质B只有只有3个价电子，个价电子，代替硅形成四个共价键，代替硅形成四个共价键，需要夺取一个电子，将形需要夺取一个电子，将形成一个负电中心同时产生成一个负电中心同时产生一个空穴。一个空穴。负电中心可以吸引带正电负电中心可以吸引带正电的空穴在其周围运动形成的空穴在其周围运动形成量子态量子态2、受主能级：举例：Si中掺硼B（Si：B）受主杂质受主杂质B的电离能很小，的电离能很小，只有只有0.045eV，因此受主，因

26、此受主上的空穴上的空穴几乎都能全部电几乎都能全部电离离，形成自由导电的空穴。，形成自由导电的空穴。使空穴摆脱受主束缚的能使空穴摆脱受主束缚的能量就是受主的电离能量就是受主的电离能电离的结果：价带中的空穴数增加了，这即是掺杂受主的意义所在。电离的结果：价带中的空穴数增加了，这即是掺杂受主的意义所在。受主杂质的电离实质上就是电子跃迁到受主能级的过程，这个过受主杂质的电离实质上就是电子跃迁到受主能级的过程，这个过程所需要的能量就是电离能。程所需要的能量就是电离能。受主能级在价带上面，与价带的距离等于电离能。受主能级在价带上面，与价带的距离等于电离能。受主 电 离 能： EA=EA-EVEgEAEAE

27、VEC受主能级与价带的受主能级与价带的距离等于电离能。距离等于电离能。束缚在杂质能级上的受主杂质的空穴被激发到价带Ev成为价带空穴，该杂质电离后成为负电中心（负离子）。Si、Ge中族杂质的电离能EA（eV）晶体 杂 质 B Al Ga In Si 0.045 0.057 0.065 0.16 Ge 0.01 0.01 0.011 0.011能级在有电子的时候呈电中性，失去电子后成为正电中能级在有电子的时候呈电中性，失去电子后成为正电中心，具有这个特点的杂质能级称为心，具有这个特点的杂质能级称为施主能级施主能级。能级在没有电子的时候呈电中性，有电子的时候是带负能级在没有电子的时候呈电中性，有电子

28、的时候是带负电的中心，具有这个特点的杂质能级称为电的中心，具有这个特点的杂质能级称为受主能级受主能级。 上述杂质的特点：施主电离能ED Eg受主电离能 EA Eg 浅能级杂质浅能级杂质浅浅能级杂质：施主能级和受主能级分别距离导带能级杂质：施主能级和受主能级分别距离导带和价带非常近，电离能很小和价带非常近，电离能很小深深能级杂质：施主能级和受主能级分别距离导带能级杂质：施主能级和受主能级分别距离导带和价带非常远，电离能很大和价带非常远，电离能很大浅能级杂质与深能级杂质浅能级杂质与深能级杂质（1）浅能级杂质）浅能级杂质E DEAEcEvEDEgEAEg浅浅能级杂质：施主能级和受主能级分别距离导带能

29、级杂质：施主能级和受主能级分别距离导带和价带非常近，电离能很小和价带非常近，电离能很小（2）深能级杂质）深能级杂质E D EgEA EgE DEAEAE DEcEv深深能级杂质：施主能级和受主能级分别距离导带能级杂质：施主能级和受主能级分别距离导带和价带非常远，电离能很大和价带非常远，电离能很大浅能级杂质与深能级杂质浅能级杂质与深能级杂质 同时存在施主和受主杂质时将同时存在施主和受主杂质时将相互补偿相互补偿，这是因为导，这是因为导带和施主能级比价带和受主能级要高很多，导带和施主能带和施主能级比价带和受主能级要高很多，导带和施主能级上的电子先去填充空的受主和价带能级。级上的电子先去填充空的受主和

30、价带能级。（A）NDNA时 n型半导体型半导体 所以：有效的施主浓度 ND*=ND-NAEDEA 因 EA 在 ED 之下， ED上的束缚电子首先填充EA上的空位，即施主与受主先相互“抵抵消消”，剩余的束缚电子再电离到导带上。杂质的补偿作用杂质的补偿作用（B）NAND时时 p型半导体型半导体 因 EA 在 ED 之下， ED上的束缚电子首先填充EA上的空位，即施主与受主先相互“抵消抵消”，剩余的束缚空穴再电离到价带上。ED EA所以：有效的受主浓度 NA*=NA-NDniP型补偿型补偿量子跃迁和禁带宽度量子跃迁和禁带宽度 电子的量子跃迁与能量密切相关。电子必须吸收能量才能从低能电子的量子跃迁与

31、能量密切相关。电子必须吸收能量才能从低能级跃迁到高能级；电子从高能级跃迁到低能级则必须把多余的能量级跃迁到高能级；电子从高能级跃迁到低能级则必须把多余的能量放出来。放出来。对于半导体，对于半导体，电子跃迁中的交换能量可以是热运动的能量电子跃迁中的交换能量可以是热运动的能量，称为，称为热跃迁热跃迁。也可以是光能量，称为。也可以是光能量，称为光跃迁光跃迁。随着温度升高，原子热振动剧烈，更多电子会从价带激发到导带随着温度升高，原子热振动剧烈，更多电子会从价带激发到导带（热跃迁热跃迁），同时也有电子从导带跃迁到价带。本章的统计分布规），同时也有电子从导带跃迁到价带。本章的统计分布规律（热平衡和偏离平衡

32、）就是基于热跃迁。律（热平衡和偏离平衡）就是基于热跃迁。施主和受主能级的电离施主和受主能级的电离也是热跃迁过程。也是热跃迁过程。 光跃迁的结果是光跃迁的结果是产生一对电子和空穴产生一对电子和空穴；光跃迁是许多半导体器件；光跃迁是许多半导体器件的基础。（的基础。（i i）如利用光照产生电子）如利用光照产生电子- -空穴对降低半导体电阻的原理空穴对降低半导体电阻的原理可以制成光敏电阻（可以制成光敏电阻（适合于红外光的化合物半导体光敏电阻是现在适合于红外光的化合物半导体光敏电阻是现在红外探测的有力工具）。（红外探测的有力工具）。（iiii）利用光照产生电子）利用光照产生电子- -空穴对，在空穴对，在

33、PNPN结结上可以产生光电流和光生电压的现象，上可以产生光电流和光生电压的现象，制成太阳能电池，光电二极制成太阳能电池，光电二极管等光电转换器件。管等光电转换器件。电子从导带跃迁到价带的空能级并把多余的能量作为光发射出来，电子从导带跃迁到价带的空能级并把多余的能量作为光发射出来，是是半导体激光器、半导体发光二级管半导体激光器、半导体发光二级管等新型发光器件的基础等新型发光器件的基础。这些这些器件利用器件利用PNPN结注入载流子，产生大量多余的电子和空穴（非平衡载结注入载流子，产生大量多余的电子和空穴（非平衡载流子），从而造成跃迁发光的条件。流子），从而造成跃迁发光的条件。光跃迁光跃迁 电子作光

34、跃迁的时候，光的吸收和发射都是取光子的形式。电子作光跃迁的时候，光的吸收和发射都是取光子的形式。 要利用光照在半导体中产生电子要利用光照在半导体中产生电子- -空穴对，光子的能量必须空穴对，光子的能量必须等于等于或大于禁带宽度或大于禁带宽度。光跃迁（光吸收）光跃迁（光吸收） 一般来讲，导带电子集中在导带的最底部，空穴集中在价带顶部，一般来讲，导带电子集中在导带的最底部，空穴集中在价带顶部，所以，导带电子跃迁到价带空能级的光跃迁中所发出的光的波长所以，导带电子跃迁到价带空能级的光跃迁中所发出的光的波长由由禁带宽度决定，基本上等于禁带宽禁带宽度决定，基本上等于禁带宽。如如GaPGaP或者或者GaP

35、GaP和和GaAsGaAs的混合晶体（的混合晶体（GaAsGaAs1-x1-xP Px x）可以实现可见光发射，）可以实现可见光发射，用于可见光二极管器件。用于可见光二极管器件。光跃迁（光发射）光跃迁（光发射）本征半导体的结构特点本征半导体的结构特点通过一定的材料生长工艺过程，可以将半导体制成通过一定的材料生长工艺过程，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，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（价电子）都是四个。它们的最外层电子（价电子）都是四个。本征半导体：本征半导体：完全纯净（无掺杂）的、结构完整完全纯净（无掺杂）的、结构完整（无缺陷）的半

36、导体晶体。（无缺陷）的半导体晶体。2.2.2 半导体中的载流子半导体中的载流子在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，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，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体的顶点，每个原而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成子与其相邻的原子之间形成共价键共价键，共用一，共用一对价电子。对价电子。硅 和 锗 的硅 和 锗 的晶体结构晶体结构：金刚石结构金刚石结构SiSiSiSiSi晶体之美在于规则与共享硅和锗的硅和锗的共价键结构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表

37、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，常温共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，常温下束缚电子很难脱离共价键成为下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导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。电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理在绝对

38、在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时, ,价电子完全价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（即子（即载流子载流子），它的导电能力为），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在较高温度（激光照射）下，在较高温度（激光照射）下，由于热激发（光子能量激发由于热激发（光子能量激发) )，使一，使一些价电子获得足够的能量而脱离共些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时，同时共价键上留下一个空位，称为共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。这种现象称为这种现象称为本

39、征激发本征激发。(1)(1)载流子电子和空穴载流子电子和空穴+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子光照或热激发停止后，注入的非平衡载流子并不能一直存在下去，激发到导带的电子又回到价带，电子和空穴成对的消失（湮灭），使半导体由非平衡态恢复到平衡态，这一过程称为非平衡载流子的复合。 +4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。所以较高温度下的本征半导体

40、中存在数量相所以较高温度下的本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即等的两种载流子，即自由自由电子电子和和空穴空穴。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： 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。本征半导体，载流子的来源是电子本征半导体，载流子的来源是电子-空穴对的产空穴对的产生，每产生一个电子，同时产生一个空穴，所以生，每产生一个电子，同时产生一个空穴，所以电子和空穴浓度相等。电子和空穴浓度相等。np这个共同的浓度称为本征载流子浓度，用这个共同的浓度称为本征载流子浓度，用ni表示。表示。 ni与禁带宽度和温度

41、有关。在热平衡条件下，电与禁带宽度和温度有关。在热平衡条件下，电子和空穴的乘积是恒定的。子和空穴的乘积是恒定的。2innp 温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的温度越高，载流子的浓度越高。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。本征半导体的导本征半导体的导电能力取决于载电能力取决于载流子的浓度。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： 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动

42、产生的电流。GO/(2)3/21EkTinpnK TeT=0K时时, ni=pi=0,绝缘体绝缘体T=300K时时, 硅的硅的ni=pi=1.431010cm-3（1）半导体中存在两种载流子，带负电的自由电子和带正）半导体中存在两种载流子，带负电的自由电子和带正电的空穴。而导体中只有一种载流子：自由电子，这是电的空穴。而导体中只有一种载流子：自由电子，这是半导体与导体的一个本质区别。半导体与导体的一个本质区别。 （2）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。）本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。 （3）一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复）一定温度下，本征半导体中电

43、子空穴对的产生与复合达到动态平衡，电子空穴对的数目相对稳定。合达到动态平衡，电子空穴对的数目相对稳定。 （4）光照、温度升高等外界条件影响下，激发的电子空）光照、温度升高等外界条件影响下，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强穴对数目增加，半导体的导电能力增强。 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺入的杂质使半导体的某种载流子浓度大大增加。入的杂质使半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度

44、大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体也称为（电子半导体) )。SiSiSiSiSi这是本征半导体下面用硅晶体来解释下面用硅晶体来解释n型半导体和型半导体和p型半导体，型半导体，1、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷( (或或锑锑) )，晶体点阵结构中的某些原子被杂质原子，晶体点阵结构中的某些原子被杂质原子( (如磷原子如磷原子) )取代，磷原子的最外层有五个价电取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与

45、相邻的半导体原子形成共价键，子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为出一个电子，称为施主杂质施主杂质。PSiSiSiSi多一个电子，价带中形成一个电子（负电荷）。现在的半导体就成了带负电荷的半导体，n型半导体P我是我是V族有族有5个电子，个电子，组织派我来站岗，组织派我来站岗，与四族兄弟一起，与四族兄弟一起，价带多了一个电子价带多了一个电子

46、+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子(1).(1).由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。(2).(2).本征半导体中成对产生的电子和空穴。本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流多数载流子子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。2.2.P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟）

47、，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主杂质受主杂质。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiB我是硼原子，组织需要我站在Si的位置。但我只有三个电子，还能共享吗？Si

48、SiSiSiSiSi硼原子，是III族元素，只有三个电子SiSiSiSiSiSiSiSiSiB缺一个电子，有着特殊的美。B在规则的Si晶体中是一个杂质，就是这些杂质成就了今天的半导体世界。SiSiSiSiSiSiSi+4SiSiSiSi原子核的正电荷数量与电子的负电荷数量相等本征半导体，呈现电中性BSiSiSiSi缺一个电子，价带中形成一个空穴（hole，正电荷）。现在的半导体就成了带正电荷的半导体，p型半导体初中物理告诉我们：初中物理告诉我们：电子是负电荷电子是负电荷空穴是正电荷空穴是正电荷+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少

49、子。电子电子- -空穴对的产生和复合空穴对的产生和复合 N N型半导体中，电子是多子（多数载流子）；空穴是少子型半导体中，电子是多子（多数载流子）；空穴是少子（少数载流子）。（少数载流子）。P P型半导体中，空穴是多子；电子是少子型半导体中，空穴是多子；电子是少子。为什么电子和空穴总是同时存在于半导体中的呢？为什么电子和空穴总是同时存在于半导体中的呢？根本原因在于根本原因在于晶格的热振动促使电子不断地发生从价带到导晶格的热振动促使电子不断地发生从价带到导带的热跃迁。带的热跃迁。要注意的是，热运动的特点是：要注意的是，热运动的特点是：不论运动的方不论运动的方向或者是运动的强弱，都不是整齐划一的，

50、而是极不规则的。向或者是运动的强弱，都不是整齐划一的，而是极不规则的。原子的振动可以去各个方向，振动的能量有大有小，原子的振动可以去各个方向，振动的能量有大有小，kTkT只代只代表一个平均值。表一个平均值。总有少量原子的能量远远大于总有少量原子的能量远远大于kTkT！大量原子的不规则热运动表现出确定的统计规律性，具大量原子的不规则热运动表现出确定的统计规律性，具有各种不同的热振动能量的原子之间保持确定的比例。有各种不同的热振动能量的原子之间保持确定的比例。根据热运动理论，振动能量很大，超过某一能量根据热运动理论，振动能量很大，超过某一能量E E的原子的原子所占比例为：所占比例为：通常情况下，这

51、个比例很小，但是考虑到通常情况下，这个比例很小，但是考虑到单位体积原子单位体积原子总数很大，每秒振动次数很大总数很大，每秒振动次数很大，所以，实际仍有相当大，所以，实际仍有相当大量的原子有足够的振动能量是电子不断发生从价带到导量的原子有足够的振动能量是电子不断发生从价带到导带的跃迁。带的跃迁。比如比如SiSi，带隙，带隙E Eg g=1.1eV,=1.1eV,室温下室温下kT=0.026eV, kT=0.026eV, 可以计算得可以计算得到热运动能量超过到热运动能量超过EgEg的原子占得比例为大约的原子占得比例为大约3 3* *1010-19-19. .kTEe/电子从价带到导带的热跃迁电子从

52、价带到导带的热跃迁被称为被称为电子电子- -空穴对的产生空穴对的产生过程过程。（。（这种热跃迁还可以间接通过杂质能级进行！这种热跃迁还可以间接通过杂质能级进行！）永不休止的电子永不休止的电子- -空穴对的产生总是伴随着两者无休止空穴对的产生总是伴随着两者无休止的复合的复合。 电子和空穴相遇时，电子可以从导带落入价带的这个电子和空穴相遇时，电子可以从导带落入价带的这个空能级空能级，此过程称为，此过程称为电子电子- -空穴的复合空穴的复合。如果没有光照或者如果没有光照或者PNPN结注入等结注入等外界影响，温度又保持不变，半外界影响，温度又保持不变，半导体中将在产生和复合的基础上导体中将在产生和复合

53、的基础上形成热平衡。形成热平衡。热平衡时，电子和空穴的浓度热平衡时，电子和空穴的浓度保持稳定不变，但是产生和复合保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续不断地发生。仍在持续不断地发生。平衡是相平衡是相对的、有条件的，而产生和复合对的、有条件的，而产生和复合这一对矛盾的斗争是绝对的。这一对矛盾的斗争是绝对的。电子、空穴浓度的热平衡关系电子、空穴浓度的热平衡关系 在单位体积、单位时间内复合与产生的电子在单位体积、单位时间内复合与产生的电子- -空穴对的空穴对的数目数目分别为分别为电子和空穴的复合率和产生率电子和空穴的复合率和产生率。 复合率可以表示为：复合率可以表示为： 复合率复合率= =rnrn*

54、*p p n n和和p p分别为电子和空穴的浓度。分别为电子和空穴的浓度。r r是一个表示电子与空是一个表示电子与空穴复合作用强弱的常数，称为穴复合作用强弱的常数，称为 复合系数复合系数。 产生率可以表示为：产生率可以表示为： 产生率产生率= =KTKT3 3（电子（电子- -空穴对是由振动能量超过禁带宽度的原子产生。空穴对是由振动能量超过禁带宽度的原子产生。产生率随着温度的升高而增加）产生率随着温度的升高而增加）kTEge/ 达到热平衡时，复合率等于迁移率。因此：达到热平衡时，复合率等于迁移率。因此： rn rn* *p= KTp= KT3 3 进一步写成：进一步写成： np=np=CTCT

55、3 3公式中两个常数公式中两个常数E Eg g和和C C都是有材料性质决定，与掺杂无关。都是有材料性质决定，与掺杂无关。对于对于SiSi， E Eg g=1.21 eV, =1.21 eV, C C=1.5=1.5* *10103333思考：如果思考：如果n=p, n=p, 那是一种什么情况呢？那是一种什么情况呢？kTEge/kTEge/本征半导体本征半导体 半导体中没有杂质，而完全靠半导体本身提供载流子的半导体中没有杂质，而完全靠半导体本身提供载流子的半导体半导体称为称为本征半导体本征半导体（理想情况）。（理想情况）。这种情况下，载流子的形成完全依靠电子这种情况下，载流子的形成完全依靠电子-

56、 -空穴对的产空穴对的产生，因此，每产生一个电子，就同时产生一个空穴，生，因此，每产生一个电子，就同时产生一个空穴，电电子和空穴的浓度保持相等。子和空穴的浓度保持相等。 n ni i= C= C1/21/2T T3/23/2实际应用中的实际应用中的“本征情况本征情况”是指温度足够高，本征激发是指温度足够高，本征激发的载流子远远超过了杂质浓度时的情况。的载流子远远超过了杂质浓度时的情况。kTEge2/ 对于半导体晶体管、集成电对于半导体晶体管、集成电路等器件，本征情况是一种路等器件，本征情况是一种参考标准，用来说明器件使参考标准，用来说明器件使用的温度限制。用的温度限制。热平衡公式可以简写成：热

57、平衡公式可以简写成： np=n np=ni i2 2非本征半导体的载流子非本征半导体的载流子2innp pn 在非本征情形在非本征情形: 热平衡时热平衡时:n型半导体：型半导体：n大于大于pp型半导体：型半导体：p大于大于n多子：多数载流子多子：多数载流子n型半导体：电子型半导体：电子p型半导体：空穴型半导体：空穴少子：少数载流子少子：少数载流子n型半导体：空穴型半导体：空穴p型半导体：电子型半导体：电子电中性条件，多子、少子浓度电中性条件，多子、少子浓度 掺杂半导体中，由于电子掺杂半导体中，由于电子- -空穴对的产生，多子和少子空穴对的产生，多子和少子同时存在。同时存在。那么多子和少子的浓度

58、分别是多少呢那么多子和少子的浓度分别是多少呢？不能把杂质提供的载流子和本征载流子当做互不相干的不能把杂质提供的载流子和本征载流子当做互不相干的两部分进行机械相加。两部分进行机械相加。多子、少子的浓度是通过热平衡多子、少子的浓度是通过热平衡基本公式和电中性条件决定的。基本公式和电中性条件决定的。半导体内部正负电荷总是保持相等，处于电中性状态。半导体内部正负电荷总是保持相等，处于电中性状态。掺杂的作用就是通过电中性表现出来的。掺杂的作用就是通过电中性表现出来的。 电中性条件电中性条件电中性条件是指在半导体内部电中性条件是指在半导体内部正、负电荷总保持正、负电荷总保持相等相等，半导体材料处于电中性的

59、状态。，半导体材料处于电中性的状态。半导体掺杂的作用通过半导体掺杂的作用通过电中性条件电中性条件表现出来。表现出来。掺杂半导体中，多子和少子同时存在，多子和少掺杂半导体中，多子和少子同时存在，多子和少子的浓度通过子的浓度通过多子和少子平衡的基本公式多子和少子平衡的基本公式和和电中电中性条件性条件共同确定。共同确定。2innp n型半导体：型半导体：施主浓度为施主浓度为ND电子浓度电子浓度 n Nd室温下可以认为施主全部电离，所以正电荷包括室温下可以认为施主全部电离，所以正电荷包括ND个电离施主和个电离施主和p个空穴，负电荷为个空穴，负电荷为n个电子个电子n = Nd+p在一般温度范围内，半导体

60、的杂质浓度远远超过本在一般温度范围内，半导体的杂质浓度远远超过本征载流子浓度，少子浓度远远小于掺杂浓度，少子征载流子浓度，少子浓度远远小于掺杂浓度，少子浓度浓度p和和ND相比可以忽略相比可以忽略 空穴浓度空穴浓度 p ni2/Nd根据多子和少子平衡的基本公式根据多子和少子平衡的基本公式n型半导体：电子型半导体：电子 n Nd 空穴空穴 p ni2/Ndp型半导体：空穴型半导体：空穴 p Na 电子电子 n ni2/Na多子浓度多子浓度与杂质浓度与杂质浓度相等相等少子少子浓度与杂质浓度浓度与杂质浓度成反比成反比杂质越多，杂质越多，多子越多多子越多，少子越少。少子越少。金属，全是自由电子，是导体n