第六章半导体

第六章 半导体6.3非平衡载流子浓度6.2平衡载流子浓度6.1半导体的特性和类型6.4P-N结返回总目录6.1半导体的特性和类型半导体的能带结构:价电子刚好把一个能带填满,上一能带全空,禁带窄.由价电子填满的最高的满带称价带最低的空带存在被激发的电子时可导电,称为导带由于能隙小,价带中的电子可激发到导带,价带中的空穴和导带中的电子均可以荷载电流.半导体的用途：电子器件、集成电路、计算机信息时代半导体材料可以是晶态或非晶态，可以是元素半导体（如Si、Ge）或化合物半导体（如Ⅲ-Ⅴ，Ⅱ-Ⅵ化合物）目录6.1.1半导体的一般特性目录1.热敏性：电子由价带更多地跃往导带，2.光敏性：光照或高能粒子辐射，激发跃迁，3.掺杂性：掺特定杂质原子可大大提高导电性纯Si掺千万分一Ｐ原子时４.强Hall效应及温差效应Hall系数半导体中载流子浓度比金属中自由电子浓度小得多，小知识温差电效应叫做塞贝克（Seeback）效应，又称作第一热电效应，它是指由于温差而产生的热电现象。

在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。

塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差，该电势差取决于金属的电子逸出功和有效电子密度这两个基本因素。

半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。６.1.2半导体的类型二、杂质半导体：

含有杂质的半导体，由于杂质原子可以放出或吸纳电子，导带中电子的浓度一般不等于价带中空穴的浓度。（１）Ｎ型半导体：４价Si和Ge中，掺入５价的Ｐ和As5价原子取代４价原子位置后，多余一个价电子可从杂质原子电离而进入导带．一、本征半导体：

无任何杂质原子的半导体，导带中的电子全部来自价带，故导带中电子的浓度与价带中空穴的浓度相当，电导率较低，一般不单独使用。目录５价杂质原子对外施舍一个电子，称施主杂质，其在禁带中形成杂质能级，称施主能级，可用类氢原子模型计算电离能．SiSiSiSiSiSiSiPn型半导体

在四价元素中掺入少量五价元素，形成n型半导体。导带施主能级满带目录施主原子的电离能为借用类氢原子模型，可得施主杂质的电离能比晶体的禁带宽度小得多，很接近，杂质原子几乎全部电离．（２）Ｐ型半导体（空穴型半导体）：４价Si(Ge)中掺３价的B(Al)等杂质目录3价杂质要从价带中吸取一个电子才能与周围４个近邻原子形成４个共价键，在周围某处产生一个空穴．SiSiSiSiSiSiSiB导带受主能级满带此杂质离子在禁带中形成杂质能级，称受主能级其电离能为可借用类氢原子模型来计算很接近，受主杂质基本上能从价带中得到电子，而在价带中留下大量空穴．６.１.３深能级杂质和Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质浅能级杂质：局域能级（杂质能级）靠近导带底或价带顶．

深能级对半导体导电类型的影响不如浅能级Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质：可以间隙式杂质或替代式杂质存在，情况比较复杂．目录深能级杂质：局域能级（杂质能级）远离导带底或价带顶．且可以形成若干个局域能级，有施主也有受主能级．杂质的补偿作用：施主、受主杂质共存时，施主能级上的电子落到受主能级上的空状态，使电子和空穴同时消失。6.2平衡载流子浓度平衡载流子：无外界作用，半导体系统处于热平衡状态下，其中的载流子。依赖于热激发目录本征激发：价电子获热能跃往导带，成为导电电子，并同时产生电子和空穴。电子数目=空穴数目杂质激发：半导体掺杂时，电子从施主能级跃往导带而成为导电电子，或空穴从受主能级跃往价带而形成自由空穴的过程。热平衡时，产生和消失过程达到动态平衡，载流子浓度达到稳定。1.载流子浓度的计算价带中：E<EF,f(E)较大,能级被占据几率大，接近填满，靠空穴导电导带中：E>EF,f(E)较小,能级被占据几率小，靠电子导电目录对半导体，EF位于禁带半导体中价电子有效质量为，将电子系统作为电子气体，平衡时，电子在各能级的分布服从Fermi统计导带和价带中电子及空穴的数量决定于电子系统的费米能级导带中电子的浓度由自由电子理论，电子的能级密度考虑单位晶体，导带中电子的浓度类比，半导体中电子的能级密度可写成目录通常N型半导体，EF很靠近EC,故电子浓度较大，价带中空穴的浓度接近于填满的价带，用空穴描述（空穴气体），空穴能级密度能级E被空穴占据的几率等于没被电子占据的几率类比，空穴的能级密度可写成目录通常p型半导体，EF很靠近Ev

,故空穴浓度较大，价带中空穴的浓度2.几个重要结论（1）一定温度下，热平衡后电子空穴系统有统一的费米能级，且掺5价杂质，目录由禁带宽度和温度决定，与杂质浓度和费米能级位置无关掺3价杂质，对本征半导体称为本征载流子浓度（2）本征半导体的费米能级在禁带中央附近目录第2项很小（3）N型半导体费米能级接近于导带底，p型半导体费米能级接近于价带顶常温下，杂质全部电离，晶体保持电中性的条件目录即有又N型：施主杂质浓度ND，受主杂质浓度NA解得6.3非平衡载流子浓度非平衡载流子：价带中电子吸收外场的能量跃往导带，导带中增加了电子，价带中增加了空穴，增加的这部分载流子称为～目录半导体晶体受外界而被激发时，半导体处于非平衡状态电子浓度与空穴浓度的乘积不再是常数外场激发前浓度则非平衡载流子的浓度激发后浓度受激激发时电子与空穴成对产生电子系统与空穴系统不再有统一的费米能有外界激发时N型半导体，电子为多数载流子，称为多子，空穴为少数载流子，称为少子。p型半导体则相反少注入：注入的非平衡载流子的浓度远小于平衡时的多数载流子浓度（但可比平衡时的少数载流子浓度大）注入：非平衡载流子的产生过程，如光照产生，称为光注入如N型半导体如注入非平衡载流子浓度为在提及非平衡载流子时，是针对非平衡少数载流子的目录非平衡载流子的寿命外界作用撤离后，非平衡载流子经过一定时间会复合而消失，外界撤离后，由于与多数载流子复合，非平衡少数载流子逐渐减少到0，这一过程的唯象描述为N型半导体：少数载流子为空穴称为非平衡载流子空穴的寿命P型半导体：少数载流子为电子，且非平衡载流子的扩散长度当存在浓度梯度时，非平衡载流子会形成扩散运动1、扩散长度如均匀光照射半导体表面，产生由体内指向体表的非平衡载流子浓度梯度，使其向体内扩散，最后会形成稳定的分布第一项为某区域中载流子的减少率，第二项表复合，第三项表扩散对N型半导体，p为少子，为非平衡少数载流子由载流子的连续性方程为扩散流密度：单位时间通过垂直于x轴单位面积的空穴数扩散流密度与浓度梯度成正比目录达到稳定分布时即有解得对p型半导体，同样地有2.扩散流密度同理对p型半导体§6.4PN结

PN结的构成PN结的性质——单向导电性电流随电压变化特性反向状态正向状态一部分是N型半导体材料一部分是P型半导体材料1.平衡PN结特性

电子浓度空穴浓度——掺杂的N型半导体材料，在杂质激发的载流子范围，电子的浓度远远大于空穴的浓度，费密能级在带隙的上半部，接近导带P型半导体材料中，费密能级在带隙的下半部，接近价带N型和P型材料分别形成两个区——N区和P区N区和P区的费密能级不相等，在PN结处产生电荷的积累——

稳定后形成一定的电势差P区相对于N区具有电势差——PN结势垒作用

正负载流子在PN结处聚集，在PN结内部形成电场——自建场——势垒阻止N区大浓度的电子向P区扩散平衡PN结——载流子的扩散和漂移运动的相对平衡

——电场对于N区的电子和P区的空穴是一个势垒

——势垒阻止P区大浓度的空穴向N区扩散——抵消原来P区和N区电子费密能级的差别P区电子的能量向上移动——半导体中载流子浓度远远低于金属且有——PN结处形成的电荷空间分布区域约在微米数量级扩散和漂移形成平衡电荷分布，满足玻耳兹曼统计规律——N区和P区空穴浓度之比热平衡下N区和P区电子浓度——P区和N区电子浓度之比——平衡结定律可得PN结的接触电势差为由平衡结定律根据2.PN结的电流-电压特性

当PN结加有正向偏压——P区为正电压

外电场与自建场方向相反，外电场减弱PN结区的电场，使原有的载流子平衡受到破坏电子N区扩散到P区空穴P区扩散到N区——非平衡载流子——PN结的正向注入a.电注入公式正向注入，P区边界电子的浓度变为——外加电场使边界处电子的浓度提高倍和比较得到同理可得N区边界空穴的浓度变为：边界处非平衡载流子浓度——正向注入的电子在P区边界积累，同时向P区扩散——非平衡载流子边扩散、边复合形成电子电流边界处非平衡载流子浓度b.P-N结的整流方程由扩散定律N区结外边界处空穴扩散流密度——电子的扩散系数和扩散长度空穴产生的扩散电流为同理，注入到P区的电子电流密度PN结总的电流密度——肖克莱方程(W.Shockley)结果讨论2)

PN结的电流和N区少子、P区少子成正比1)

当正向电压V增加时，电流增加很快如果N区掺杂浓度远大于P区掺杂浓度——PN结电流中将以电子电流为主3.PN结的反向抽取

N区的空穴一到达边界即被拉到P区P区的电子一到达边界即被拉到N区——PN结方向抽取作用PN加有反向电压势垒变为PN结加有反向偏压——P区为负电压，外电场与自建场方向相同，势垒增高，载流子的漂移运动超过扩散运动——只有N区的空穴和P区的电子在结区电场的作用下才能漂移过PN结

P区边界电子的浓度——反向抽取使边界少子的浓度减小反向电流一般情