《微電子學(xué)概論》-ch2_半導(dǎo)體物理

1、 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè) 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)OUTLINEOUTLINE半導(dǎo)體及其基本特性半導(dǎo)體及其基本特性 基本導(dǎo)電性基本導(dǎo)電性 影響導(dǎo)電性的因素影響導(dǎo)電性的因素v 摻雜：雜質(zhì)的種類和數(shù)量摻雜：雜質(zhì)的種類和數(shù)量 v 光照等光照等 導(dǎo)電能力的表征：電導(dǎo)率、電阻率和遷移率。導(dǎo)電能力的表征：電導(dǎo)率、電阻率和遷移率。 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)固體材料：超導(dǎo)體固體材料：超導(dǎo)體: 大于大于106( cm)-1 導(dǎo)導(dǎo) 體體: 106104( cm)-1 半導(dǎo)體半導(dǎo)體: 10410-10( cm)-1 絕緣體絕緣體: 小于小于10-10

2、( cm)-1？什么是半導(dǎo)體？什么是半導(dǎo)體 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)GeSi通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成晶體晶體。 現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，每個(gè)原子都處在正四面體

3、的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)，共用一對(duì)價(jià)電子。電子。硅和鍺的晶硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：體結(jié)構(gòu)： 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共共價(jià)鍵共用電子對(duì)用電子對(duì)+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價(jià)電子去價(jià)電子后的原子后的原子 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子束縛電子(價(jià)電子價(jià)電子)，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為鍵成為自由電子

4、自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。則排列，形成晶體。+4+4+4+4 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)在絕對(duì)在絕對(duì)0 0度（度（T T=0K=0K）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí)）和沒(méi)有外界激發(fā)時(shí), ,價(jià)電價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即

5、載流子載流子），它的導(dǎo)電能），它的導(dǎo)電能力為力為 0 0，相當(dāng)于絕緣體。，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由自由電子電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴空穴。半導(dǎo)體中的基本導(dǎo)電性半導(dǎo)體中的基本導(dǎo)電性 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)本征半導(dǎo)體中載流子濃度：本征半導(dǎo)體中載流子濃度：n=p=ni電子電子：Electron，價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛，價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛

6、 后，成后，成為自由運(yùn)動(dòng)的電子，帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子為自由運(yùn)動(dòng)的電子，帶負(fù)電的導(dǎo)電載流子空穴空穴：Hole，價(jià)電子脫離原子束縛，價(jià)電子脫離原子束縛 后形成的電子后形成的電子缺位，可以自由移動(dòng)，正電的導(dǎo)電載流子缺位，可以自由移動(dòng)，正電的導(dǎo)電載流子半導(dǎo)體中的載流子：半導(dǎo)體中的載流子：電子和空穴電子和空穴載流子載流子：能夠?qū)щ姷淖杂闪Ｗ樱耗軌驅(qū)щ姷淖杂闪Ｗ?下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè) 不同的半導(dǎo)體，電子擺脫束縛需要的不同的半導(dǎo)體，電子擺脫束縛需要的能量不同能量不同v 硅：硅：1.12eV1.12eVv 鍺：原子序數(shù)鍺：原子序數(shù)3232，對(duì)價(jià)電子的束縛較弱，對(duì)價(jià)電子的束縛較弱，0.78eV0.78eVv

7、化合物半導(dǎo)體化合物半導(dǎo)體共價(jià)鍵結(jié)合共價(jià)鍵結(jié)合 每個(gè)每個(gè)IIIIII族原子周圍有族原子周圍有4 4個(gè)個(gè)V V族原子，族原子，V V族原子周圍有族原子周圍有4 4個(gè)個(gè)IIIIII族原子族原子 V V族原子把一個(gè)電子轉(zhuǎn)移給族原子把一個(gè)電子轉(zhuǎn)移給IIIIII族原子，有一定離子性，族原子，有一定離子性，結(jié)合強(qiáng)度增大結(jié)合強(qiáng)度增大 電子脫離共價(jià)鍵束縛需要的能量：電子脫離共價(jià)鍵束縛需要的能量：1.43eV1.43eV電子擺脫共價(jià)鍵的能量 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)v電子擺脫共價(jià)鍵的方式電子擺脫共價(jià)鍵的方式 晶體內(nèi)原子的熱運(yùn)動(dòng)晶體內(nèi)原子的熱運(yùn)動(dòng)v 常溫下，硅中熱運(yùn)動(dòng)激發(fā)產(chǎn)生的電子、常溫下，硅中熱運(yùn)動(dòng)激發(fā)產(chǎn)生的電子

8、、空穴很少，對(duì)硅的導(dǎo)電性影響很小空穴很少，對(duì)硅的導(dǎo)電性影響很小光照光照v 常溫下硅的導(dǎo)電性常溫下硅的導(dǎo)電性v 雜質(zhì)雜質(zhì)溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。體的一大特點(diǎn)。 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)施主和受主濃度：施主和受主濃度：ND、NA受主：受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中 提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。 硅

9、中摻有受主雜質(zhì)，靠受主提供的空穴導(dǎo)電硅中摻有受主雜質(zhì)，靠受主提供的空穴導(dǎo)電 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體BAs 受受 主主 摻摻 雜雜III族：族：B等等施主：施主：DonorDonor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中 提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。硅中摻有施主雜質(zhì)，靠施主提供的電子導(dǎo)電硅中摻有施主雜質(zhì)，靠施主提供的電子導(dǎo)電N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 施施 主主 摻摻 雜雜V族：族：P,As,等等半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的摻雜摻雜 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)v電導(dǎo)率、電阻率和遷移率電導(dǎo)率、電阻率和遷移率v均勻?qū)щ姴牧希壕鶆驅(qū)щ姴牧希弘娮杌螂妼?dǎo)來(lái)表

10、示導(dǎo)電電阻或電導(dǎo)來(lái)表示導(dǎo)電能力，電場(chǎng)不很強(qiáng)，歐姆定律能力，電場(chǎng)不很強(qiáng)，歐姆定律v 雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電 電流不均勻電流不均勻 微分歐姆定律：微分歐姆定律：j j E EE/E/ 電導(dǎo)率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系電導(dǎo)率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)v常溫下電子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)：不會(huì)形成電流常溫下電子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)：不會(huì)形成電流v漂移運(yùn)動(dòng)：存在電場(chǎng)，由電場(chǎng)作用而產(chǎn)生電子沿電漂移運(yùn)動(dòng)：存在電場(chǎng)，由電場(chǎng)作用而產(chǎn)生電子沿電場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一定定向速度場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一定定向速度v j=nqvj=nqv，v v是電場(chǎng)作用下的平均漂移速度是電場(chǎng)作用下的平均漂移速度 單位時(shí)間通過(guò)單位面積的電荷量（電流

11、密度）單位時(shí)間通過(guò)單位面積的電荷量（電流密度）v v vuEuE：u u為載流子的遷移率為載流子的遷移率（單位電場(chǎng)作用下的平均漂移速（單位電場(chǎng)作用下的平均漂移速度）度） 由微分歐姆定律：由微分歐姆定律：j j E EnqvnqvnquEnquE nqunqu： 為電導(dǎo)率為電導(dǎo)率與半導(dǎo)體中的載流子濃度與半導(dǎo)體中的載流子濃度n n有關(guān)有關(guān)與與載流子的遷移率載流子的遷移率u u有關(guān)有關(guān)定量分析定量分析（以（以n半導(dǎo)體為例）半導(dǎo)體為例） 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)器件的工作速度器件的工作速度n電子的遷移率高于空穴的遷移率電子的遷移率高于空穴的遷移率遷移率遷移率遷移率的大小與遷移率的大小與摻雜濃度和溫度摻

12、雜濃度和溫度有關(guān)有關(guān) 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)v 載流子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，與晶格、雜質(zhì)、載流子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，與晶格、雜質(zhì)、缺陷發(fā)生碰撞，無(wú)規(guī)則地改變運(yùn)動(dòng)方向，缺陷發(fā)生碰撞，無(wú)規(guī)則地改變運(yùn)動(dòng)方向，發(fā)生散射；經(jīng)歷一次散射載流子喪失了發(fā)生散射；經(jīng)歷一次散射載流子喪失了原有定向運(yùn)動(dòng)速度原有定向運(yùn)動(dòng)速度v 單位電場(chǎng)下載流子的平均漂移速度（遷單位電場(chǎng)下載流子的平均漂移速度（遷移率）等于載流子在移率）等于載流子在兩次散射之間單位兩次散射之間單位電場(chǎng)力加速獲得的平均速度電場(chǎng)力加速獲得的平均速度影響遷移率的因素：影響遷移率的因素：有效質(zhì)量有效質(zhì)量平均弛豫時(shí)間（平均自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間）平均弛豫時(shí)間（平均自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間）載流子

13、的散射載流子的散射 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)n半導(dǎo)體中載流子的行為可以等效為自由粒子，但半導(dǎo)體中載流子的行為可以等效為自由粒子，但與真空中的自由粒子不同，考慮了晶格作用后的等與真空中的自由粒子不同，考慮了晶格作用后的等效粒子。載流子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化是外力和晶體勢(shì)場(chǎng)效粒子。載流子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化是外力和晶體勢(shì)場(chǎng)共同作用的結(jié)果共同作用的結(jié)果有效質(zhì)量與半導(dǎo)體材料有關(guān)有效質(zhì)量與半導(dǎo)體材料有關(guān)電子和空穴的電子和空穴的有效質(zhì)量有效質(zhì)量m m* *n 電子的有效質(zhì)量比空穴小電子的有效質(zhì)量比空穴小n 部分部分III-V族化合物半導(dǎo)體中電子的有效質(zhì)量更小族化合物半導(dǎo)體中電子的有效質(zhì)量更小 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)平

14、均弛豫時(shí)間平均弛豫時(shí)間n兩次散射間，載流子的平均自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間兩次散射間，載流子的平均自由運(yùn)動(dòng)時(shí)間載流子散射對(duì)載流子散射對(duì)遷移率的影響遷移率的影響影響遷移率的因素：影響遷移率的因素：有效質(zhì)量有效質(zhì)量平均弛豫時(shí)間平均弛豫時(shí)間 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)半導(dǎo)體中載流子的散射機(jī)制：半導(dǎo)體中載流子的散射機(jī)制： 晶格散射（晶格散射（ 晶格熱運(yùn)動(dòng)引起）晶格熱運(yùn)動(dòng)引起） 電離雜質(zhì)散射（帶電中心對(duì)載流子的吸引、排斥）電離雜質(zhì)散射（帶電中心對(duì)載流子的吸引、排斥） 摻雜濃度增大，電離雜摻雜濃度增大，電離雜質(zhì)散射增強(qiáng)，則遷移率質(zhì)散射增強(qiáng)，則遷移率下降下降 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)溫度升高，晶格散射增大，對(duì)于低摻雜濃度溫

15、度升高，晶格散射增大，對(duì)于低摻雜濃度半導(dǎo)體，則遷移率下降半導(dǎo)體，則遷移率下降 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)OUTLINEOUTLINE半導(dǎo)體及其基本特性半導(dǎo)體及其基本特性 基本導(dǎo)電性基本導(dǎo)電性 影響導(dǎo)電性的因素影響導(dǎo)電性的因素v 摻雜：雜質(zhì)的種類和數(shù)量摻雜：雜質(zhì)的種類和數(shù)量 v 光照等光照等 導(dǎo)電能力的表征：電導(dǎo)率、電阻率和遷移率。導(dǎo)電能力的表征：電導(dǎo)率、電阻率和遷移率。 半導(dǎo)體中的載流子半導(dǎo)體中的載流子 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)v 以電子為例以電子為例v 載流子的統(tǒng)計(jì)規(guī)律載流子的統(tǒng)計(jì)規(guī)律 大量載流子微觀運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出來(lái)大量載流子微觀運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出來(lái)v 電子的運(yùn)動(dòng)方式電子的運(yùn)動(dòng)方式 穩(wěn)恒運(yùn)動(dòng)，具有完全確定

16、的能量：穩(wěn)恒運(yùn)動(dòng)，具有完全確定的能量：量子態(tài)量子態(tài) 量子態(tài)相應(yīng)的能量：量子態(tài)相應(yīng)的能量：能級(jí)能級(jí) 量子躍遷量子躍遷 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)v共價(jià)鍵電子共價(jià)鍵電子v擺脫共價(jià)鍵后自由運(yùn)動(dòng)的電子擺脫共價(jià)鍵后自由運(yùn)動(dòng)的電子v摻雜原子摻雜原子: :可以將電子束縛在周圍運(yùn)動(dòng)可以將電子束縛在周圍運(yùn)動(dòng) 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè) 硅原子的硅原子的1414個(gè)電子在三層軌道上運(yùn)動(dòng)個(gè)電子在三層軌道上運(yùn)動(dòng)v 軌道越高，能量越高軌道越高，能量越高 量子態(tài)的能量：每個(gè)軌道的電子能量量子態(tài)的能量：每個(gè)軌道的電子能量 兩層軌道之間不存在中間能量的量子態(tài)兩層軌道之間不存在中間能量的量子態(tài) 量子態(tài)能量形象表示：量子態(tài)能量形象表示

17、：能級(jí)圖能級(jí)圖v 每一量子態(tài)所取的確定能量：能級(jí)每一量子態(tài)所取的確定能量：能級(jí)v 用高低不同的水平橫線來(lái)表示用高低不同的水平橫線來(lái)表示v 每一個(gè)量子態(tài)稱為一個(gè)能級(jí)每一個(gè)量子態(tài)稱為一個(gè)能級(jí)v 空能級(jí)：電子躍遷空能級(jí)：電子躍遷 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)共有化量子態(tài)共有化量子態(tài)電子的共有化運(yùn)動(dòng)電子的共有化運(yùn)動(dòng)軌道交迭：電子可從一軌道交迭：電子可從一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去子上去原子組合成晶體：電子原子組合成晶體：電子的量子態(tài)發(fā)生質(zhì)的變化的量子態(tài)發(fā)生質(zhì)的變化（不再是固定于個(gè)別原不再是固定于個(gè)別原子上的運(yùn)動(dòng)，電子穿行子上的運(yùn)動(dòng)，電子穿行于整個(gè)晶體的運(yùn)動(dòng)于整個(gè)晶體的運(yùn)動(dòng)）+4+4+4

18、+4 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的能帶能帶 在同一個(gè)原子能在同一個(gè)原子能級(jí)上產(chǎn)生的共有化級(jí)上產(chǎn)生的共有化運(yùn)動(dòng)多樣運(yùn)動(dòng)多樣可以有各種速度可以有各種速度 從一個(gè)原子能級(jí)從一個(gè)原子能級(jí)可以演變出許多共可以演變出許多共有化量子態(tài)有化量子態(tài) 原子能級(jí)原子能級(jí) 能帶能帶一組密集的能級(jí)：能帶一組密集的能級(jí)：能帶 禁帶禁帶，帶隙，帶隙 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)價(jià)帶：價(jià)帶：被電子填充的能量最高的能帶被電子填充的能量最高的能帶，價(jià)帶以上能，價(jià)帶以上能 帶基本為空帶基本為空導(dǎo)帶：導(dǎo)帶： 未被電子填充的能量最低的能帶未被電子填充的能量最低的能帶禁帶：禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶帶隙：

19、導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差 Si Si，GeGe等晶體中，內(nèi)層到最等晶體中，內(nèi)層到最外層價(jià)電子填滿相應(yīng)的能帶外層價(jià)電子填滿相應(yīng)的能帶半導(dǎo)體中的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中的能帶結(jié)構(gòu)( (價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙) ) 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)v 電子擺脫共價(jià)鍵束縛形成一對(duì)電子和空穴電子擺脫共價(jià)鍵束縛形成一對(duì)電子和空穴 電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶的躍遷過(guò)程電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶的躍遷過(guò)程 導(dǎo)帶增加一個(gè)電子、價(jià)帶增加一個(gè)空穴導(dǎo)帶增加一個(gè)電子、價(jià)帶增加一個(gè)空穴 禁帶寬度：擺脫共價(jià)鍵所需的能量禁帶寬度：擺脫共價(jià)鍵所需的能量v 導(dǎo)電的電子：導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電的電子：導(dǎo)帶中的電子v 導(dǎo)電的空穴：

20、價(jià)帶中的空穴，實(shí)質(zhì)是導(dǎo)帶中導(dǎo)電的空穴：價(jià)帶中的空穴，實(shí)質(zhì)是導(dǎo)帶中電子的導(dǎo)電電子的導(dǎo)電v從低向高能級(jí)躍遷：吸收能量；反之放出能從低向高能級(jí)躍遷：吸收能量；反之放出能量量 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè) 金屬、半導(dǎo)體及絕緣體的電導(dǎo)率存在巨大差異，這種金屬、半導(dǎo)體及絕緣體的電導(dǎo)率存在巨大差異，這種差異可用它們的能帶來(lái)作定性解釋。人們發(fā)現(xiàn)，電子在最差異可用它們的能帶來(lái)作定性解釋。人們發(fā)現(xiàn)，電子在最高能帶或最高兩能帶的占有率決定此固體的導(dǎo)電性。高能帶或最高兩能帶的占有率決定此固體的導(dǎo)電性。 價(jià)帶價(jià)帶價(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶填滿的價(jià)帶填滿的價(jià)帶空導(dǎo)帶空導(dǎo)帶部分填滿的導(dǎo)帶部分填滿的導(dǎo)帶Eg Eg =9eV金屬、半

21、導(dǎo)體和絕緣體的能帶及金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶及傳導(dǎo)特性傳導(dǎo)特性 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)雜質(zhì)能級(jí)：雜質(zhì)可以使電子在其周圍運(yùn)動(dòng)形成量子態(tài)雜質(zhì)能級(jí)：雜質(zhì)可以使電子在其周圍運(yùn)動(dòng)形成量子態(tài)雜質(zhì)能級(jí)一般處于禁帶中雜質(zhì)能級(jí)一般處于禁帶中施主能級(jí)施主能級(jí)施主的電離：施主能級(jí)上施主的電離：施主能級(jí)上的電子躍遷到導(dǎo)帶，成為的電子躍遷到導(dǎo)帶，成為正電中心，可以束縛電子正電中心，可以束縛電子在其周圍運(yùn)動(dòng)形成量子態(tài)在其周圍運(yùn)動(dòng)形成量子態(tài) 受主能級(jí)受主能級(jí)受主的電離：價(jià)帶電子躍遷受主的電離：價(jià)帶電子躍遷到受主能級(jí)，使其成為失去到受主能級(jí)，使其成為失去空穴的負(fù)電中心，在價(jià)帶中空穴的負(fù)電中心，在價(jià)帶中形成自由導(dǎo)電的空穴形

22、成自由導(dǎo)電的空穴 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)n根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，在熱平衡狀態(tài)下，能量為E E的的能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布能級(jí)被電子占據(jù)的概率為費(fèi)米分布 式中，式中，k k為波茲曼常數(shù)，為波茲曼常數(shù)，T T為熱力學(xué)溫度。為熱力學(xué)溫度。E Ef f 稱為稱為費(fèi)米能費(fèi)米能級(jí)級(jí)，用來(lái)描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀，用來(lái)描述半導(dǎo)體中各能級(jí)被電子占據(jù)的狀態(tài)。態(tài)。 n在費(fèi)米能級(jí)，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同，在費(fèi)米能級(jí)，被電子占據(jù)和空穴占據(jù)的概率相同，即電子占據(jù)的概率為即電子占據(jù)的概率為1/21/2。 )exp(11)(kTEEEff費(fèi)米分布費(fèi)米分布 下一頁(yè)下

23、一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)不同半導(dǎo)體的能帶和電子分布不同半導(dǎo)體的能帶和電子分布能量能量?jī)r(jià)帶價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶EgEfEf/2Ef/2EgEfEeEvEvEeEgEfEeEv(a)本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體(b)N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(c)P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體空穴空穴電子電子 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)n型半導(dǎo)體：主要電子導(dǎo)電，有少量空穴型半導(dǎo)體：主要電子導(dǎo)電，有少量空穴P型半導(dǎo)體：主要空穴導(dǎo)電，有少量電子型半導(dǎo)體：主要空穴導(dǎo)電，有少量電子晶格熱振動(dòng)晶格熱振動(dòng) 產(chǎn)生產(chǎn)生電子躍遷：產(chǎn)生電電子躍遷：產(chǎn)生電子空穴對(duì)子空穴對(duì)復(fù)合：導(dǎo)帶電子落復(fù)合：導(dǎo)帶電子落入價(jià)帶空能級(jí)入價(jià)帶空能級(jí)熱平衡時(shí)，電子、熱平衡時(shí)，電子、空穴濃度維持不變空穴濃

24、度維持不變半導(dǎo)體中少子和多子的平衡半導(dǎo)體中少子和多子的平衡（一個(gè)基本的載流子統(tǒng)計(jì)規(guī)律）（一個(gè)基本的載流子統(tǒng)計(jì)規(guī)律）熱平衡：無(wú)光照、熱平衡：無(wú)光照、PN結(jié)注入等結(jié)注入等多子：多數(shù)載流子多子：多數(shù)載流子n型半導(dǎo)體：電子型半導(dǎo)體：電子p型半導(dǎo)體：空穴型半導(dǎo)體：空穴少子：少數(shù)載流子少子：少數(shù)載流子n型半導(dǎo)體：空穴型半導(dǎo)體：空穴p型半導(dǎo)體：電子型半導(dǎo)體：電子 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)本征載流子濃度：本征載流子濃度： n=p=ni np=ni2ni與禁帶寬度和溫度有關(guān)與禁帶寬度和溫度有關(guān)本征載流子本征載流子本征半導(dǎo)體：沒(méi)有摻雜的半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：沒(méi)有摻雜的半導(dǎo)體本征載流子：本征半導(dǎo)體中的載流子本征載流子：

25、本征半導(dǎo)體中的載流子載流子來(lái)源：電子空穴對(duì)的產(chǎn)生載流子來(lái)源：電子空穴對(duì)的產(chǎn)生載流子濃度載流子濃度 電電 子子 濃濃 度度 n, 空空 穴穴 濃濃 度度 p 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè) 非本征半導(dǎo)體的載流子非本征半導(dǎo)體的載流子2innp pn 在非本征情形在非本征情形: 熱平衡時(shí)熱平衡時(shí):N型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：n大于大于pP型半導(dǎo)體：型半導(dǎo)體：p大于大于n 下一頁(yè)下一頁(yè)上一頁(yè)上一頁(yè)非平衡（過(guò)剩）載流子非平衡（過(guò)剩）載流子 由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為非平衡離平衡分布的載流子為非平衡(過(guò)剩過(guò)剩)載