半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)2

半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)與理想情況的偏離晶格原子是振動(dòng)的材料含雜質(zhì)晶格中存在缺陷點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子）線缺陷（位錯(cuò)）面缺陷（層錯(cuò)）與理想情況的偏離的影響極微量的雜質(zhì)和缺陷，會(huì)對半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響，同時(shí)也嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的質(zhì)量。1個(gè)B原子/個(gè)Si原子在室溫下電導(dǎo)率提高倍Si單晶位錯(cuò)密度要求低于與理想情況的偏離的原因理論分析認(rèn)為，雜質(zhì)和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所產(chǎn)生的周期性勢場受到破壞，并在禁帶中引入了能級(jí)，允許電子在禁帶中存在，從而使半導(dǎo)體的性質(zhì)發(fā)生改變。硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)例：如圖所示為一晶格常數(shù)為a的Si晶胞，求：（a）Si原子半徑（b）晶胞中所有Si原子占據(jù)晶胞的百分比解：（a）（b）間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，該雜質(zhì)稱為間隙式雜質(zhì)。間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如Si、Ge、GaAs材料中的離子鋰（0.068nm）。雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處，該雜質(zhì)稱為替位式雜質(zhì)。替位式雜質(zhì)原子的大小和價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)要求與被取代的晶格原子相近。如Ⅲ、Ⅴ族元素在Si、Ge晶體中都為替位式雜質(zhì)。間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)稱為雜質(zhì)濃度練習(xí)1、實(shí)際情況下k空間的等能面與理想情況下的等能面分別是如何形狀的？它們之間有差別的原因？2、實(shí)際情況的半導(dǎo)體材料與理想的半導(dǎo)體材料有何不同？3、雜質(zhì)和缺陷是如何影響半導(dǎo)體的特性的？施主：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中的P和AsN型半導(dǎo)體As半導(dǎo)體的摻雜施主能級(jí)受主：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，并成為帶負(fù)電的離子。如Si中的BP型半導(dǎo)體B半導(dǎo)體的摻雜受主能級(jí)半導(dǎo)體的摻雜Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中分別為受主和施主雜質(zhì)，它們在禁帶中引入了能級(jí)；受主能級(jí)比價(jià)帶頂高，施主能級(jí)比導(dǎo)帶底低，均為淺能級(jí)，這兩種雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì)。雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)。當(dāng)處于離化態(tài)時(shí)，施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮映蔀檎娭行?；受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為負(fù)電中心。半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，且。N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，且。P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體雜質(zhì)的補(bǔ)償作用半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體是N型還是P型由雜質(zhì)的濃度差決定半導(dǎo)體中凈雜質(zhì)濃度稱為有效雜質(zhì)濃度（有效施主濃度；有效受主濃度）雜質(zhì)的高度補(bǔ)償（）點(diǎn)缺陷弗倉克耳缺陷間隙原子和空位成對出現(xiàn)肖特基缺陷只存在空位而無間隙原子間隙原子和空位這兩種點(diǎn)缺陷受溫度影響較大，為熱缺陷，它們不斷產(chǎn)生和復(fù)合，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，總是同時(shí)存在的?？瘴槐憩F(xiàn)為受主作用；間隙原子表現(xiàn)為施主作用點(diǎn)缺陷替位原子（化合物半導(dǎo)體）位錯(cuò)位錯(cuò)是半導(dǎo)體中的一種缺陷，它嚴(yán)重影響材料和器件的性能。位錯(cuò)施主情況受主情況練習(xí)1、Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中為深能級(jí)雜質(zhì)。（）2、受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為正電中心。（）3、雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)：（）和（）。4、空位表現(xiàn)為（）作用，間隙原子表現(xiàn)為（）作用。5、以Si在GaAs中的行為為例，說明Ⅳ族雜質(zhì)在Ⅲ—Ⅴ化合物中可能出現(xiàn)的雙性行為。半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)熱平衡狀態(tài)在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和載流子的復(fù)合建立起一動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)的載流子稱為熱平衡載流子。半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)受溫度影響，某一特定溫度對應(yīng)某一特定的熱平衡狀態(tài)。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性受溫度影響劇烈。態(tài)密度的概念能帶中能量附近每單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)。能帶中能量為無限小的能量間隔內(nèi)有個(gè)量子態(tài)，則狀態(tài)密度為態(tài)密度的計(jì)算狀態(tài)密度的計(jì)算單位空間的量子態(tài)數(shù)能量在空間中所對應(yīng)的體積前兩者相乘得狀態(tài)數(shù)根據(jù)定義公式求得態(tài)密度空間中的量子態(tài)在空間中，電子的允許能量狀態(tài)密度為，考慮電子的自旋情況，電子的允許量子態(tài)密度為，每個(gè)量子態(tài)最多只能容納一個(gè)電子。態(tài)密度導(dǎo)帶底附近狀態(tài)密度（理想情況）態(tài)密度（導(dǎo)帶底）（價(jià)帶頂）費(fèi)米能級(jí)根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，服從泡利不相容原理的電子遵循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律對于能量為E的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的概率為稱為電子的費(fèi)米分布函數(shù)空穴的費(fèi)米分布函數(shù)？費(fèi)米分布函數(shù)稱為費(fèi)米能級(jí)或費(fèi)米能量溫度導(dǎo)電類型雜質(zhì)含量能量零點(diǎn)的選取處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米分布函數(shù)當(dāng)時(shí)若，則若，則在熱力學(xué)溫度為0度時(shí)，費(fèi)米能級(jí)可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限

當(dāng)時(shí)若，則若，則若，則費(fèi)米能級(jí)是量子態(tài)基本上被電子占據(jù)或基本上是空的一個(gè)標(biāo)志玻爾茲曼分布函數(shù)當(dāng)時(shí)，由于，所以費(fèi)米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為稱為電子的玻爾茲曼分布函數(shù)玻爾茲曼分布函數(shù)空穴的玻爾茲曼分布函數(shù)玻爾茲曼分布函數(shù)導(dǎo)帶中電子分布可用電子的玻爾茲曼分布函數(shù)描寫（絕大多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底）；價(jià)帶中的空穴分布可用空穴的玻爾茲曼分布函數(shù)描寫（絕大多數(shù)空穴分布在價(jià)帶頂）服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng)稱為簡并性系統(tǒng)；服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng)稱為非簡并性系統(tǒng)費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律與玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)律的主要差別：前者受泡利不相容原理的限制練習(xí)1、空穴占據(jù)費(fèi)米能級(jí)的概率在各種溫度下總是1/2。（）2、費(fèi)米能級(jí)位置較高，說明有較多的能量較高的量子態(tài)上有電子。（）3、能量為E的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)空穴占據(jù)的概率為（）。4、為什么電子分布在導(dǎo)帶底，空穴分布在價(jià)帶頂？導(dǎo)帶中的電子濃度在導(dǎo)帶上的間有個(gè)電子從導(dǎo)帶底到導(dǎo)帶頂對進(jìn)行積分，得到能帶中的電子總數(shù)，除以半導(dǎo)體體積，就得到了導(dǎo)帶中的電子濃度

導(dǎo)帶中的電子濃度導(dǎo)帶中的電子濃度導(dǎo)帶寬度的典型值一般，，所以，因此，，積分上限改為并不影響結(jié)果。由此可得導(dǎo)帶中電子濃度為價(jià)帶中的空穴濃度同理得價(jià)帶中的空穴濃度載流子濃度乘積同理得價(jià)帶中的空穴濃度熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導(dǎo)體中，在一定的溫度下，乘積是一定的，如果電子濃度增大，空穴濃度就會(huì)減?。环粗嗳槐菊靼雽?dǎo)體載流子濃度本征半導(dǎo)體無任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體本征費(fèi)米能級(jí)本征載流子濃度（既適用于本征半導(dǎo)體，也適用于非簡并的雜志半導(dǎo)體）雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度一個(gè)能級(jí)能容納自旋方向相反的兩個(gè)電子雜質(zhì)能級(jí)只能是下面兩種情況之一被