第一章半导体物理基础(一)

半导体器件物理

semiconductordevicephysics第1部分半导体物理2第

1

章半导物理基础1.1半导体的晶体结构和缺陷1.2半导体中的能带与杂质能级1.3半导体中的平衡与非平衡载流子1.4半导体中载流子的输运现象1.5半导体的表面3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

●

——本章重点4物质按照导电能力分为：导体绝缘体半导体

1.导体：电阻率

<10-3

·

cm的物质。如铜、银、铝等金属材料。

2.绝缘体：电阻率

>109·

cm物质。如橡胶、塑料等。

3.半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。电阻率10-3<

<109

·

cm。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。半导体的重要特性？？？5半导体的电性能温度与半导体金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度升高而增加，且增加得很慢）；半导体的电导率随温度升高而迅速增加。半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温度升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。对温度敏感，体积又小，热惯性也小，寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、自动化等许多方面都有广泛的应用价值。热敏电阻6杂质与半导体杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。例如，纯净硅在室温下的电阻率为2.14×107Ω·m，若掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至20Ω·m。虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用了半导体的这一特性。7光照与半导体光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。例如，硫化镉（CdS）薄膜的暗电阻为几十兆欧，然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以后改变了几百倍。成为自动化控制中的一个重要元件。光敏电阻8其他因素与半导体除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力。9半导体的重要特性温度升高使半导体导电能力增强，电导率下降杂质可以显著增强半导体的导电能力适当波长的光照可以增强半导体的导电能力10晶体自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。晶体又分为单晶和多晶1.1半导体的结构和缺陷

1.1.1半导体的晶格结构1112单晶体：由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。多晶体：小区域内原子周期性排列，整体不规则非晶体：原子排列无序13五种常见的晶格结构

●简单立方结构

●体心立方结构

●面心立方结构

●金刚石结构

●闪锌矿结构钋(Po)晶格常数14晶体的原子按一定规律在空间周期性排列，形成格点，成为晶格。体心立方结构钠（Na）钼（Mo）钨（W）15面心立方结构铝（Al）铜（Cu）金（Au）银（Ag）16金刚石结构硅（Si）锗（Ge）

由两个面心立方结构沿空间对角线错开四分之一的空间对角线长度相互嵌套而成。17大量的硅（Si）、锗（Ge）原子靠共价键结合组合成晶体，每个原子周围都有四个最邻近的原子，组成正四面体结构，。这四个原子分别处在正四面体的四个顶角上，任一顶角上的原子各贡献一个价电子和中心原子的四个价电子分别组成电子对，作为两个原子所共有的价电子对。

18闪锌矿结构砷化镓（GaAs）磷化镓(GaP)硫化锌(ZnS)硫化镉(CdS)

191.1.2晶体的晶向与晶面晶格：晶体中周期性的重复单元格点：组成晶体的原子的重心位置晶轴：以某一格点为原点，取三个相互垂直的坐标轴20晶列：通过任意两格点所作的直线（晶列上有一系列格点）

特征：同一格点可引出无限晶列；平行晶列构成族。晶向：在坐标系中晶列的方向（确定晶向的方法待定）；用晶列指数表示，如[110]。晶面：通过晶体中三个不在同一晶轴上的三个质点所作的平面。晶面用晶面指数（密勒指数）表示，如（111），（100）……特征：平行晶面格点分布相同，称同一族晶面1.1.2晶体的晶向与晶面21a、晶列的表征-晶列指数

三个轴上互质整数表示。一列用[abc]表示，如：[100]

[110]

[111]

一族用<abc>表示，如：<100>

<110>

<111>

b、晶面的表征-晶面指数（密勒指数）

三个轴上截距倒数的互质整数表示。某晶面用(abc)表示，如：(100)

(110)

(111)

一族用{abc}表示，如：{100}{110}{111}

晶列与晶面表征22晶向指数是这样得到的：（1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并以晶格常数为单位测得相应的截距；（2）将三个截距其化简成最简单的整数比；（3）将此结果以“[hkl]”表示，即为此平面的密勒指数。23一个简单的晶体结构242526密勒指数是这样得到的：（1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并以晶格常数为单位测得相应的截距；（2）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的整数，即将其化简成最简单的整数比；（3）将此结果以“（hkl）”表示，即为此平面的密勒指数。27如图，晶面ACC’A’在坐标轴上的截距为1，1，∞，其倒数为1，1，0，此平面用密勒指数表示为（110），相同指数的晶面和晶列互相垂直。28例29单个原子的电子电子1.能级

电子绕原子核是按层分布的，每层电子的能量是固定的。我们把电子所具有的能量用线条表示出来，标志电子能量高低的线条就叫能级。

电子受到原子核和其他电子的共同作用。-E1E2E3原子核能级1.2半导体中的能带和杂质能级30+

原子的能级（电子壳层）++2.能级特点越是外层，电子的能量越高31晶体中的电子当原子间距很小时，原子间的电子轨道将相遇而交叠，晶体中每个原子的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的电子）作用。电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。32+++++++原子结合成晶体时晶体中电子的共有化运动++++33由于晶体中原子的周期性排列而使电子不再为单个原子所有的现象，称为电子共有化。在晶体中，不但外层价电子的轨道有交叠，内层电子的轨道也可能有交叠，它们都会形成共有化运动；

内层电子的轨道交叠较少，共有化程度弱些，外层电子轨道交叠较多，共有化程度强些。1.2.1半导体中电子共有化运动与能带34共有化的电子不像单个原子那样具有一个固定的能量，即有一个固定的能级，而是具有若干分布在一定范围内的能级，这些能级相互靠的很近，基本联成一片。这些连成一片的能级，就叫能带。35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，下图是能级向能带演变的示意图。能级能带氢原子能级36●

禁带●

满带●

空带禁止电子存在的一系列能量状态被电子填充满的一系列准连续的能量状态满带不导电没有电子填充的一系列准连续的能量状态空带也不导电

能级数目n很大,近似看成是连续的●允带

允许电子存在的一系列准连续的能量状态37图

一定温度下半导体的能带示意图

●导带底EC

●价带顶EV●禁带宽度Eg●本征激发

导带电子的最低能量

价带电子的最高能量

Eg=Ec-Ev

价带电子激发成为导带电子的过程。导带和价带之间的能级宽度，单位是能量单位：eV（电子伏特）38●导带

●价带

有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。39导体、绝缘体、半导体的能带示意图

能带被电子部分占满，在电场作用下这些电子可以导电禁带很宽，价带电子常温下不能被激发到空的导带禁带比较窄，常温下，部分价带电子被激发到空的导带，形成有少数电子填充的导带和留有少数空穴的价带，都能带电3~6eV硅1.12eV锗0.67eV砷化镓1.42eV40导带和价带重叠,中间无禁带。价带被电子部分填满,电子可以在晶体中自由运动.因此即使在低温下,也有大量电子参与导电,电阻率低,导电能力强.从能级图上来看，是因为电子很易从低能级跃迁到高能级上去。导体导体参与导电的有几种载流子?41导带价带间有一个禁带(禁带宽度窄),价带填满电子(所以绝对零度不导电).室温下,有部分电子从价带跳到导带参与导电.导体参与导电的有几种载流子?电流=导带电子电流+价带空穴电流之和半导体T↑,更多电子被激发到导带,导电能力↑禁带宽度的存在,被激发的电子少于导体中的自由电子,导电能力比导体差.导带价带间,禁带宽度比较大,价带被电子填满,一般情况下,价带电子从热激发中得到的能量不足以使它跳到导带上去,因此导带电子极少,绝缘体不导电.绝缘体42●空穴

满带中因失去了电子而留下的空位称为空穴。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。

43晶体中的电子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具体形式并且求出加速度遇到一定的困难，引进有效质量后可使问题变得简单，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。特别是有效质量可以直接由试验测定，因而可以很方便地解决电子的运动规律。）1.2.2有效质量44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本征激发的特征：

成对的产生导带电子和价带空穴

1.2.3本征半导体载流子参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子。

本征半导体纯净的，不含任何杂质和缺陷的半导体451.2.4杂质半导体理想的半导体晶体

实际应用中的半导体材料

十分纯净不含任何杂质晶格中的原子严格按周期排列的

原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动并不是纯净的，而是含有若干杂质，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原子晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的缺陷46杂质的填充方式一）杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，间隙式杂质；二）杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，替位式杂质。

间隙式杂质替位式杂质杂质浓度单位体积中的杂质原子数，单位cm-3

47两种杂质的特点间隙式杂质原子半径一般比较小。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，且它们的价电子壳层结构也比较相近。三/五族元素掺入硅和锗中形成替位式杂质48施主杂质和施主能级硅中掺入磷（P）为例，研究Ⅴ族元素杂质的作用。当一个磷原子占据了硅原子的位置，如图所示，磷原子有五个价电子，其中四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩余一个价电子。室温下，很容易脱离磷原子束缚，成为自由电子。磷原子成一个带有一个正电荷的磷离子（P+），称为正电中心磷离子。其效果相当于形成了一个正电中心和一个多余的电子。

49Ⅴ族元素杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心。施主释放电子的过程称为施主电离。施主杂质在未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电中心，称为离化态。

施主杂质/N型杂质电子型半导体/N型半导体纯净半导体中掺入施主杂质后，施主杂质电离，使导带中的导电电子增多（电子密度大于空穴密度），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。50施主能级用离导带底Ec为ΔED处的短线段表示，施主能级上的小黑点表示被施主杂质束缚的电子。箭头表示被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电离过程。导带中的小黑点表示进入导带中的电子，⊕表示施主杂质电离后带正电，成为不可移动的正点中心。

电子得到能量ΔED后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，被施主杂质束缚时的电子的能量比导带底Ec低ΔED，称为施主能级，用ED表示。由于ΔED远小于禁带宽度Eg，所以施主能级位于离导带底很近的禁带中。51受主杂质和受主能级硅中掺入硼（B）为例，研究Ⅲ族元素杂质的作用。当一个硼原子占据了硅原子的位置，如图所示，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，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负电荷的硼离子（B-），称为负电中心硼离子。其效果相当于形成了一个负电中心和一个多余的空穴。

52受主杂质/P型杂质空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离。受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态。

空穴型半导体/P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。53受主能级用离价带顶EV为ΔEA处的短线段表示，受主能级上的小圆圈表示被施主杂质束缚的空穴。箭头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（即价带顶的电子跃迁到受主能级上填充空位）的电离过程。价带中的小圆圈表示进入价带中的空穴，Θ表示受主杂质电离后带负电，成为不可移动的负点中心。

空穴得到能量ΔEA后，就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，被受主杂质束缚时的空穴的能量比价带顶EV低ΔEA，称为受主能级，用EA表示。由于ΔEA远小于禁带宽度Eg，所以受主能级位于价带顶很近的禁带中。54综上所述掺入半导体，分别成为受主杂质施主杂质在禁带中引入了新的能级，分别为施主能级：比导带底低ΔED受主能级：比价带顶高ΔEA

常温下，杂质都处于离化态施主杂质向导带提供电子而成为正电中心受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心分别成为N型半导体P型半导体55施主donor受主acceptor56杂质的补偿作用

问题假如在半导体材料中，同时存在着施主和受主杂质，该如何判断半导体究竟是N型还是P型？答应该比较两者浓度的大小，由浓度大的杂质来决定半导体的导电类型施主和受主杂质之间有相互抵消的作用

57ND

施主杂质浓度NA

受主杂质浓度n

导带中的电子浓度p

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。

58当ND»NA时，因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到受主能级上，填满NA个受主能级，还剩（ND-NA）个电子在施主能级上，在杂质全部电离的条件下，它们跃迁到导带中成为导电电子，这时，n=ND-NA≈ND，半导体是N型的

情况一59情况二当NA»ND时，施主能级上的全部电子跃迁到受主能级上后，受主能级还有(NA-ND)个空穴，它们可以跃迁到价带成为导电空穴，所以，p=NA-ND≈NA，半导体是P型的

60有效杂质浓度经过补偿之后，半导体中的净杂质浓度

当ND>NA时，则（ND-NA）为有效施主浓度；当NA>ND时，则（NA-ND）为有效受主浓度。

61浅能级很靠近导带底的施主能级、很靠近价带顶的受主能级。称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质；深能级施主能级距离导带底较远，产生的受主能级距离价顶也较远。称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质；62费米分布函数：

能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率E电子能量

k0

玻耳兹曼常数

T热力学温度EF

费米能级常数，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、杂质的含量以及能量零点的选取有关。只要知道了EF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。

1.3半导体中的平衡与非平衡载流子1.3.1导带电子浓度与价带空穴浓度63玻耳兹曼分布函数当E-EF>>kT64非简并半导体：服从玻耳兹曼统计分布规律的半导体简并半导体：服从费米统计分布规律的半导体65导带电子浓度

导带的有效能级密度

非简并半导体的载流子浓度式（1-37）式（1-38）66价带空穴浓度（同理）

价带的有效能级密度

67在一定温度下，载流子产生和复合的过程建立起动态平衡，即单位时间内产生的电子-空穴对数等于复合掉的电子-空穴对数，称为热平衡状态。这时，半导体中的导电电子浓度和空穴浓度都保持一个稳定的数值。处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。

热平衡状态681.3.2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，就有电子从价带激发到导带去，同时价带中产生空穴，这就是本征激发。由于电子和空穴成对出现，导带中的电子浓度应等于价带中的空穴浓度

n0=p0

式（1-42）本征半导体的费米能级EF，并用符号Ei表示，称为本征费米能级式（1-44）69在一定温度下，任何非简并半导体（电子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n0p0等于该温度下的本征半导体载流子浓度ni的平方，与所含杂质无关。

式（1-45）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。

n0p0=ni2

式（1-45）70表1-1300K下锗、硅、砷化镓的本征载流子浓度71电子占据施主能级ED的几率：施主能级的电子浓度：电离的施主能级杂质浓度：式（1-46）式（1-47）式（1-48）721.3.3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。N型半导体

P型半导体

(ND为施主杂质浓度)

(NA为受主杂质浓度)

N型半导体中，电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）；P型半导体中，空穴为多数载流子，电子为少数载流子。73n0p0=ni2

由式（1-45），可以确定少数载流子的浓度N型半导体

P型半导体

由于ND（或NA）远大于ni，因此在杂质半导体中少数载流子比本征半导体的载流子浓度ni小得多。74当一块半导体中同时掺入P型杂质和N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|ND-NA|

。多子浓度计算少子浓度计算N型半导体

P型半导体

75例如在一定温度下，当没有光照时，一块半导体中的电子和空穴浓度分别为n0和p0，假设是N型半导体，则n0>p0，当用适当波长的光照射该半导体时，只要光子的能量大于该半导体的禁带宽度，那么光子就能