第二章半导体及其本征特征

第二章半导体物理和器件物理基础Recap:主要知识点和阅读章节1、半导体材料基本特性2、pn结3、双极晶体管4、场效应管阅读教材第二章阅读康华光《电子技术基础-模拟部分（第五版）》第1、2、3、4、5章.参考教材：[1]童诗白,华成英(著).模拟电子技术基础(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006.[2]康华光(著).电子技术基础:模拟部分(第五版))[M].北京:高等教育出版社,2010.第一讲半导体物理基础2.1半导体及其基本性质2.2半导体中的载流子2.3半导体的电导率（电阻率的倒数）和载流子输运固体材料：超导体:大于106(cm)-1

导体:106~104(cm)-1

半导体:104~10-10(cm)-1

绝缘体:小于10-10(cm)-1？什么是半导体从导电特性和机制来分：不同电阻特性不同输运机制1.半导体的结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构半导体的结合和晶体结构金刚石结构

半导体有元素半导体，如：Si、Ge

化合物半导体，如：GaAs、InSb、GaP、InP2.半导体中的载流子：能够导电的自由粒子本征半导体：n=p=ni一、本征半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质稳定的结构2、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴

自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。动态平衡两种载流子

外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位4、本征半导体中载流子的浓度在一定温度下本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。本征半导体中载流子的浓度公式：T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.43×1010/cm3本征锗的电子和空穴浓度:

n=p=2.38×1013/cm3本征激发复合动态平衡1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴

2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为电子-空穴对。

3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用ni

和pi

表示，显然ni

=pi。

4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。

5.载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。小结：3.半导体的能带(价带、导带和带隙)量子态和能级固体的能带结构原子能级能带能带禁带共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：成键态、反键态原子能级反成键态成键态价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：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半导体的能带结构导带价带Eg半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，考虑了晶格作用后的等效粒子有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用电子和空穴的有效质量m*4.半导体的掺杂BAs

受主掺杂

施主掺杂二、杂质半导体

1.N型半导体磷（P）杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多数载流子空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？2.P型半导体硼（B）多数载流子

P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。

在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？说明：

1.掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。

4.杂质半导体的表示方法如下图所示。

2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N型半导体(b)P型半导体图杂质半导体的的简化表示法施主和受主浓度：ND、NA施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如

Si中掺的P和As受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如

Si中掺的B施主能级受主能级杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态施主能级导带电离能受主能级价带本征载流子浓度：n=p=ni

np=ni2

ni与禁带宽度和温度有关5.本征载流子本征半导体：没有掺杂的半导体本征载流子：本征半导体中的载流子载流子浓度

电子浓度n,

空穴浓度p6.非本征半导体的载流子在非本征情形:热平衡时:N型半导体：n大于pP型半导体：p大于n多子：多数载流子

n型半导体：电子

p型半导体：空穴少子：少数载流子

n型半导体：空穴

p型半导体：电子7.电中性条件:正负电荷之和为0p+Nd–n–Na=0施主和受主可以相互补偿p=n+Na–Ndn=p+Nd–Nan型半导体：电子nNd

空穴pni2/Ndp型半导体：空穴pNa

电子

nni2/Na8.过剩载流子由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子公式不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合9.载流子的输运漂移电流迁移率电阻率单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力

载流子的漂移运动：载流子在电场作用下的运动

引入迁移率的概念影响迁移率的因素影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间（散射〕体现在：温度和掺杂浓度半导体中载流子的散射机制：晶格散射（热运动引起）电离杂质散射扩散电流电子扩散电流：空穴扩散电流：爱因斯坦关系:载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动过剩载流子的扩散和复合过剩载流子的复合机制：直接复合、间接复合、表面复合、俄歇复合过剩载流子的扩散过程扩散长度Ln和Lp:L=(D)1/2描述半导体器件工作的基本方程泊松方程高斯定律描述半导体中静电势的变化规律静电势由本征费米能级Ei的变化决定能带向下弯，静电势增加方程的形式1方程的形式2电荷密度(x)可动的－载流子（n,p)固定的－电离的施主、受主特例：均匀Si中，无外加偏压时，方程RHS＝0，静电势为常数电流连续方程可动载流子的守恒热平衡时：产生率＝复合率np=ni2电子：空穴电流密度方程载流子的输运方程在漂移－扩散模型中扩散项漂移项方程形式1爱因