半導體物理基礎(chǔ)2

半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質(zhì)和缺陷能級半導體中載流子的統(tǒng)計分布半導體的導電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導體物理學與理想情況的偏離晶格原子是振動的材料含雜質(zhì)晶格中存在缺陷點缺陷（空位、間隙原子）線缺陷（位錯）面缺陷（層錯）與理想情況的偏離的影響極微量的雜質(zhì)和缺陷，會對半導體材料的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響，同時也嚴重影響半導體器件的質(zhì)量。1個B原子/個Si原子在室溫下電導率提高倍Si單晶位錯密度要求低于與理想情況的偏離的原因理論分析認為，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，允許電子在禁帶中存在，從而使半導體的性質(zhì)發(fā)生改變。硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級例：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1、實際情況下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、實際情況的半導體材料與理想的半導體材料有何不同？3、雜質(zhì)和缺陷是如何影響半導體的特性的？施主：摻入在半導體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導體中提供導電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中的P和AsN型半導體As半導體的摻雜施主能級受主：摻入在半導體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導體中提供導電的空穴，并成為帶負電的離子。如Si中的BP型半導體B半導體的摻雜受主能級半導體的摻雜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；受主能級比價帶頂高，施主能級比導帶底低，均為淺能級，這兩種雜質(zhì)稱為淺能級雜質(zhì)。雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)。當處于離化態(tài)時，施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮映蔀檎娭行?；受主雜質(zhì)向價帶提供空穴成為負電中心。半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，且。N型半導體N型半導體半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，且。P型半導體P型半導體雜質(zhì)的補償作用半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)時，半導體是N型還是P型由雜質(zhì)的濃度差決定半導體中凈雜質(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)的高度補償（）點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缺陷受溫度影響較大，為熱缺陷，它們不斷產(chǎn)生和復合，直至達到動態(tài)平衡，總是同時存在的。空位表現(xiàn)為受主作用；間隙原子表現(xiàn)為施主作用點缺陷替位原子（化合物半導體）位錯位錯是半導體中的一種缺陷，它嚴重影響材料和器件的性能。位錯施主情況受主情況練習1、Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中為深能級雜質(zhì)。（）2、受主雜質(zhì)向價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。半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質(zhì)和缺陷能級半導體中載流子的統(tǒng)計分布半導體的導電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導體物理學熱平衡狀態(tài)在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和載流子的復合建立起一動態(tài)平衡，這時的載流子稱為熱平衡載流子。半導體的熱平衡狀態(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)。半導體的導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)有個量子態(tài)，則狀態(tài)密度為態(tài)密度的計算狀態(tài)密度的計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，每個量子態(tài)最多只能容納一個電子。態(tài)密度導帶底附近狀態(tài)密度（理想情況）態(tài)密度（導帶底）（價帶頂）費米能級根據(jù)量子統(tǒng)計理論，服從泡利不相容原理的電子遵循費米統(tǒng)計律對于能量為E的一個量子態(tài)被一個電子占據(jù)的概率為稱為電子的費米分布函數(shù)空穴的費米分布函數(shù)？費米分布函數(shù)稱為費米能級或費米能量溫度導電類型雜質(zhì)含量能量零點的選取處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費米能級費米分布函數(shù)當時若，則若，則在熱力學溫度為0度時，費米能級可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限

當時若，則若，則若，則費米能級是量子態(tài)基本上被電子占據(jù)或基本上是空的一個標志玻爾茲曼分布函數(shù)當時，由于，所以費米分布函數(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)電子分布在導帶底）；價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)空穴分布在價帶頂）服從費米統(tǒng)計律的電子系統(tǒng)稱為簡并性系統(tǒng)；服從玻爾茲曼統(tǒng)計律的電子系統(tǒng)稱為非簡并性系統(tǒng)費米統(tǒng)計律與玻爾茲曼統(tǒng)計律的主要差別：前者受泡利不相容原理的限制練習1、空穴占據(jù)費米能級的概率在各種溫度下總是1/2。（）2、費米能級位置較高，說明有較多的能量較高的量子態(tài)上有電子。（）3、能量為E的一個量子態(tài)被一個空穴占據(jù)的概率為（）。4、為什么電子分布在導帶底，空穴分布在價帶頂？導帶中的電子濃度在導帶上的間有個電子從導帶底到導帶頂對進行積分，得到能帶中的電子總數(shù)，除以半導體體積，就得到了導帶中的電子濃度

導帶中的電子濃度導帶中的電子濃度導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。由此可得導帶中電子濃度為價帶中的空穴濃度同理得價帶中的空穴濃度載流子濃度乘積同理得價帶中的空穴濃度熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導體中，在一定的溫度下，乘積是一定的，如果電子濃度增大，空穴濃度就會減小；反之亦然本征半導體載流子濃度本征半導體無任何雜質(zhì)和缺陷的半導體本征費米能級本征載流子濃度（既適用于本征半導體，也適用于非簡并的雜志半導體）雜質(zhì)半導體載流子濃度一個能級能容納自旋方向相反的兩個電子雜質(zhì)能級只能是下面兩種情況之一被