半导体及其本征特征

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1、半导体及其基本特性第二章固体材料：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(电导率)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、InP、InSb、GaP2.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+4+4+4

2、+4+4+4+4+4+4完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键图1.1.1　本征半导体结构示意图二、本征半导体的晶体结构当温度T=0K时，半导体不导电，如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4图1.1.2　本征半导体中的自由电子和空穴自由电子空穴若T，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。三、本征半导体

3、中的两种载流子（动画1-1）（动画1-2）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四、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

4、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共价键固体中价电子的量子态和能级共价键固体：

5、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1.1.2　杂质半导体杂质半导体有两种N型半导体P型半导体一、N型半导体(Negative)在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质

6、元素，如　　磷、锑、砷等，即构成N型半导体(或称电子型　　半导体)。常用的5价杂质元素有磷、锑、砷等。本征半导体掺入5价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有5个价电子，其中4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。自由电子浓度远大于空穴的浓度，即n>>p。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。5价杂质原子称为施主原子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子图1.1.3N型半导体二、P型半导体+4+4+4+4+4+4+

7、4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。+3空穴浓度多于电子浓度，即p>>n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。3价杂质原子称为受主原子。受主原子空穴图P型半导体说明：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

8、导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，当此电子移动参与传导电流时，施主原子的位置留下不能移动，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，当此空穴移动参与传导电流时，受主原子的位置留下不能移动，并成为带负电的离子。如Si中掺的B施主能级