第六章半導體

第六章 半導體6.3非平衡載流子濃度6.2平衡載流子濃度6.1半導體的特性和類型6.4P-N結返回總目錄6.1半導體的特性和類型半導體的能帶結構:價電子剛好把一個能帶填滿,上一能帶全空,禁帶窄.由價電子填滿的最高的滿帶稱價帶最低的空帶存在被激發(fā)的電子時可導電,稱為導帶由于能隙小,價帶中的電子可激發(fā)到導帶,價帶中的空穴和導帶中的電子均可以荷載電流.半導體的用途：電子器件、集成電路、計算機信息時代半導體材料可以是晶態(tài)或非晶態(tài)，可以是元素半導體（如Si、Ge）或化合物半導體（如Ⅲ-Ⅴ，Ⅱ-Ⅵ化合物）目錄6.1.1半導體的一般特性目錄1.熱敏性：電子由價帶更多地躍往導帶，2.光敏性：光照或高能粒子輻射，激發(fā)躍遷，3.摻雜性：摻特定雜質原子可大大提高導電性純Si摻千萬分一Ｐ原子時４.強Hall效應及溫差效應Hall系數(shù)半導體中載流子濃度比金屬中自由電子濃度小得多，小知識溫差電效應叫做塞貝克（Seeback）效應，又稱作第一熱電效應，它是指由于溫差而產生的熱電現(xiàn)象。

在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個接觸點的溫度不同，則在回路中將出現(xiàn)電流，稱為熱電流。

塞貝克效應的實質在于兩種金屬接觸時會產生接觸電勢差，該電勢差取決于金屬的電子逸出功和有效電子密度這兩個基本因素。

半導體的溫差電動勢較大，可用作溫差發(fā)電器。６.1.2半導體的類型二、雜質半導體：

含有雜質的半導體，由于雜質原子可以放出或吸納電子，導帶中電子的濃度一般不等于價帶中空穴的濃度。（１）Ｎ型半導體：４價Si和Ge中，摻入５價的Ｐ和As5價原子取代４價原子位置后，多余一個價電子可從雜質原子電離而進入導帶．一、本征半導體：

無任何雜質原子的半導體，導帶中的電子全部來自價帶，故導帶中電子的濃度與價帶中空穴的濃度相當，電導率較低，一般不單獨使用。目錄５價雜質原子對外施舍一個電子，稱施主雜質，其在禁帶中形成雜質能級，稱施主能級，可用類氫原子模型計算電離能．SiSiSiSiSiSiSiPn型半導體

在四價元素中摻入少量五價元素，形成n型半導體。導帶施主能級滿帶目錄施主原子的電離能為借用類氫原子模型，可得施主雜質的電離能比晶體的禁帶寬度小得多，很接近，雜質原子幾乎全部電離．（２）Ｐ型半導體（空穴型半導體）：４價Si(Ge)中摻３價的B(Al)等雜質目錄3價雜質要從價帶中吸取一個電子才能與周圍４個近鄰原子形成４個共價鍵，在周圍某處產生一個空穴．SiSiSiSiSiSiSiB導帶受主能級滿帶此雜質離子在禁帶中形成雜質能級，稱受主能級其電離能為可借用類氫原子模型來計算很接近，受主雜質基本上能從價帶中得到電子，而在價帶中留下大量空穴．６.１.３深能級雜質和Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質淺能級雜質：局域能級（雜質能級）靠近導帶底或價帶頂．

深能級對半導體導電類型的影響不如淺能級Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質：可以間隙式雜質或替代式雜質存在，情況比較復雜．目錄深能級雜質：局域能級（雜質能級）遠離導帶底或價帶頂．且可以形成若干個局域能級，有施主也有受主能級．雜質的補償作用：施主、受主雜質共存時，施主能級上的電子落到受主能級上的空狀態(tài)，使電子和空穴同時消失。6.2平衡載流子濃度平衡載流子：無外界作用，半導體系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)下，其中的載流子。依賴于熱激發(fā)目錄本征激發(fā)：價電子獲熱能躍往導帶，成為導電電子，并同時產生電子和空穴。電子數(shù)目=空穴數(shù)目雜質激發(fā)：半導體摻雜時，電子從施主能級躍往導帶而成為導電電子，或空穴從受主能級躍往價帶而形成自由空穴的過程。熱平衡時，產生和消失過程達到動態(tài)平衡，載流子濃度達到穩(wěn)定。1.載流子濃度的計算價帶中：E<EF,f(E)較大,能級被占據(jù)幾率大，接近填滿，靠空穴導電導帶中：E>EF,f(E)較小,能級被占據(jù)幾率小，靠電子導電目錄對半導體，EF位于禁帶半導體中價電子有效質量為，將電子系統(tǒng)作為電子氣體，平衡時，電子在各能級的分布服從Fermi統(tǒng)計導帶和價帶中電子及空穴的數(shù)量決定于電子系統(tǒng)的費米能級導帶中電子的濃度由自由電子理論，電子的能級密度考慮單位晶體，導帶中電子的濃度類比，半導體中電子的能級密度可寫成目錄通常N型半導體，EF很靠近EC,故電子濃度較大，價帶中空穴的濃度接近于填滿的價帶，用空穴描述（空穴氣體），空穴能級密度能級E被空穴占據(jù)的幾率等于沒被電子占據(jù)的幾率類比，空穴的能級密度可寫成目錄通常p型半導體，EF很靠近Ev

,故空穴濃度較大，價帶中空穴的濃度2.幾個重要結論（1）一定溫度下，熱平衡后電子空穴系統(tǒng)有統(tǒng)一的費米能級，且摻5價雜質，目錄由禁帶寬度和溫度決定，與雜質濃度和費米能級位置無關摻3價雜質，對本征半導體稱為本征載流子濃度（2）本征半導體的費米能級在禁帶中央附近目錄第2項很?。?）N型半導體費米能級接近于導帶底，p型半導體費米能級接近于價帶頂常溫下，雜質全部電離，晶體保持電中性的條件目錄即有又N型：施主雜質濃度ND，受主雜質濃度NA解得6.3非平衡載流子濃度非平衡載流子：價帶中電子吸收外場的能量躍往導帶，導帶中增加了電子，價帶中增加了空穴，增加的這部分載流子稱為～目錄半導體晶體受外界而被激發(fā)時，半導體處于非平衡狀態(tài)電子濃度與空穴濃度的乘積不再是常數(shù)外場激發(fā)前濃度則非平衡載流子的濃度激發(fā)后濃度受激激發(fā)時電子與空穴成對產生電子系統(tǒng)與空穴系統(tǒng)不再有統(tǒng)一的費米能有外界激發(fā)時N型半導體，電子為多數(shù)載流子，稱為多子，空穴為少數(shù)載流子，稱為少子。p型半導體則相反少注入：注入的非平衡載流子的濃度遠小于平衡時的多數(shù)載流子濃度（但可比平衡時的少數(shù)載流子濃度大）注入：非平衡載流子的產生過程，如光照產生，稱為光注入如N型半導體如注入非平衡載流子濃度為在提及非平衡載流子時，是針對非平衡少數(shù)載流子的目錄非平衡載流子的壽命外界作用撤離后，非平衡載流子經過一定時間會復合而消失，外界撤離后，由于與多數(shù)載流子復合，非平衡少數(shù)載流子逐漸減少到0，這一過程的唯象描述為N型半導體：少數(shù)載流子為空穴稱為非平衡載流子空穴的壽命P型半導體：少數(shù)載流子為電子，且非平衡載流子的擴散長度當存在濃度梯度時，非平衡載流子會形成擴散運動1、擴散長度如均勻光照射半導體表面，產生由體內指向體表的非平衡載流子濃度梯度，使其向體內擴散，最后會形成穩(wěn)定的分布第一項為某區(qū)域中載流子的減少率，第二項表復合，第三項表擴散對N型半導體，p為少子，為非平衡少數(shù)載流子由載流子的連續(xù)性方程為擴散流密度：單位時間通過垂直于x軸單位面積的空穴數(shù)擴散流密度與濃度梯度成正比目錄達到穩(wěn)定分布時即有解得對p型半導體，同樣地有2.擴散流密度同理對p型半導體§6.4PN結

PN結的構成PN結的性質——單向導電性電流隨電壓變化特性反向狀態(tài)正向狀態(tài)一部分是N型半導體材料一部分是P型半導體材料1.平衡PN結特性

電子濃度空穴濃度——摻雜的N型半導體材料，在雜質激發(fā)的載流子范圍，電子的濃度遠遠大于空穴的濃度，費密能級在帶隙的上半部，接近導帶P型半導體材料中，費密能級在帶隙的下半部，接近價帶N型和P型材料分別形成兩個區(qū)——N區(qū)和P區(qū)N區(qū)和P區(qū)的費密能級不相等，在PN結處產生電荷的積累——

穩(wěn)定后形成一定的電勢差P區(qū)相對于N區(qū)具有電勢差——PN結勢壘作用

正負載流子在PN結處聚集，在PN結內部形成電場——自建場——勢壘阻止N區(qū)大濃度的電子向P區(qū)擴散平衡PN結——載流子的擴散和漂移運動的相對平衡

——電場對于N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴是一個勢壘

——勢壘阻止P區(qū)大濃度的空穴向N區(qū)擴散——抵消原來P區(qū)和N區(qū)電子費密能級的差別P區(qū)電子的能量向上移動——半導體中載流子濃度遠遠低于金屬且有——PN結處形成的電荷空間分布區(qū)域約在微米數(shù)量級擴散和漂移形成平衡電荷分布，滿足玻耳茲曼統(tǒng)計規(guī)律——N區(qū)和P區(qū)空穴濃度之比熱平衡下N區(qū)和P區(qū)電子濃度——P區(qū)和N區(qū)電子濃度之比——平衡結定律可得PN結的接觸電勢差為由平衡結定律根據(jù)2.PN結的電流-電壓特性

當PN結加有正向偏壓——P區(qū)為正電壓

外電場與自建場方向相反，外電場減弱PN結區(qū)的電場，使原有的載流子平衡受到破壞電子N區(qū)擴散到P區(qū)空穴P區(qū)擴散到N區(qū)——非平衡載流子——PN結的正向注入a.電注入公式正向注入，P區(qū)邊界電子的濃度變?yōu)椤饧与妶鍪惯吔缣庪娮拥臐舛忍岣弑逗捅容^得到同理可得N區(qū)邊界空穴的濃度變?yōu)椋哼吔缣幏瞧胶廨d流子濃度——正向注入的電子在P區(qū)邊界積累，同時向P區(qū)擴散——非平衡載流子邊擴散、邊復合形成電子電流邊界處非平衡載流子濃度b.P-N結的整流方程由擴散定律N區(qū)結外邊界處空穴擴散流密度——電子的擴散系數(shù)和擴散長度空穴產生的擴散電流為同理，注入到P區(qū)的電子電流密度PN結總的電流密度——肖克萊方程(W.Shockley)結果討論2)

PN結的電流和N區(qū)少子、P區(qū)少子成正比1)

當正向電壓V增加時，電流增加很快如果N區(qū)摻雜濃度遠大于P區(qū)摻雜濃度——PN結電流中將以電子電流為主3.PN結的反向抽取

N區(qū)的空穴一到達邊界即被拉到P區(qū)P區(qū)的電子一到達邊界即被拉到N區(qū)——PN結方向抽取作用PN加有反向電壓勢壘變?yōu)镻N結加有反向偏壓——P區(qū)為負電壓，外電場與自建場方向相同，勢壘增高，載流子的漂移運動超過擴散運動——只有N區(qū)的空穴和P區(qū)的電子在結區(qū)電場的作用下才能漂移過PN結

P區(qū)邊界電子的濃度——反向抽取使邊界少子的濃度減小反向電流一般情