第一章 半导体物理基础解析
半导体器件物理第一章2012226
半导体器件物理
第1部分 半导体物理基础 光照与半导体
光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。 例如，硫化镉（CdS）薄膜的暗电阻为几十兆欧， 然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以 后改变了几百倍。 光敏电阻 成为自动化控制中的一个重要元件。
半导体器件物理
第1部分 半导体物理基础 其他因素与半导体
第1部分 半导体物理基础
半导体器件物理
第1部分 半导体物理基础
闪锌矿结构
砷化镓（GaAs）
磷化镓(GaP) 硫化锌(ZnS)
硫化镉(CdS)
半导体器件物理
第1部分 半导体物理基础
元素半导体
化合物半导体
硅（Si） 锗（Ge）
Ⅲ族元素[如铝(Al)、镓 (Ga)、铟(In)]和Ⅴ族元 素[如磷(P)、砷(As)、 锑(Sb)]合成的Ⅲ-Ⅴ族 化合物都是半导体材料
第1部分 半导体物理基础
晶面指数（密勒指数）
常用密勒指数来标志晶向的不同取向。 密勒指数是这样得到的： （1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并 以晶格常数为单位测得相应的截距； （2）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的 整数，即将其化简成最简单的整数比； （3）将此结果以“（hkl）”表示，即为此平面的密 勒指数。
半导体器件物理
第1部分 半导体物理基础
例1-2
硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
半导体物理-第1章-半导体中的电子态
3。纤锌矿型结构
•六角密堆积结构： ABABAB……;
两套六角的套构形成了纤锌矿结构。 每个原子与最近邻的四个原子依然保持 “正
四面体”结构。
主要由II和VI族原子构成，它们的大小、电负性 差异较大。呈现较强的离子性，如：硫化锌、硫 化镉等。
氯化钠型结构结晶
特点：两面心立方沿任 一边移动1/2晶格常数 所套购而成。
§1.2.2 半导体中的电子状态和能带
晶体中运动的电子：在周期性势场中运动 自由电子：处于零势场中运动。
运动具有相似之处。差别：自由电子的势 场为零。
单电子近似模型：晶体中的某个电子在周期性排列的且 固定不动、以及其他大量电子的平均势场中运动。 周期与晶格周期相同。
本节从薛定谔方程出发，可获得它们E(k)~k 关系图， 并作简单比较。
常用参数
• 晶格常数：硅 0.543nm, 锗 0.566nm
• 密度： Si : 5.00*1022cm-3,
•
Ge: 4.42*1022cm-3
• 共价键半径： Si : 0.117nm,
•
Ge: 0.122nm.
2.闪锌矿型结构和混合键
在金刚石结构中，若由两 类原子组成，分别占据两 套面心立方，则称为闪锌 矿结构。
式相似。反映出了晶体中电子的波函数实 际上相当于一被调幅的自由电子波。
且uk(x)＝ uk(x+a)
第1章 半导体物理基础
不存在长程有序或 几个尺度内有序
在小区域内 完全有序
整个晶体中 排列有序
应 无定形硅薄膜-用 加工液晶显示器
多晶硅----太阳能电池
单晶硅-电子器件 集成电路制造
7
1、晶体结构
单晶体中的原子或分子在三维空间中有序排列， 具有几何周期重复性。
单晶体：由大量相同的基本单元在三维空间中 堆砌而成。
晶格：把单晶体中的原子或分子抽象成数学上的 几何点，这些点的集合被称为晶格。 或晶体的原子按一定规律在空间周期性排 列形成格点，成为晶格。
V0
E
0
a
x
如果势垒的高度不是很高而且宽度不是很大时， 它还会延伸到势垒的另一侧区域。
42
4、隧道效应
电子可以以一定的几率穿贯穿势垒，这种现象称为隧道效应。
晶体中的原子或分子位于晶格点上。
8
1、晶体结构
单晶体中的原子或分子在三维空间中有序排列， 具有几何周期重复性。
晶格热振动：当晶体具有一定温度时，原子或 分子会以此为中心做振动，这一 现象称为晶格热振动。
9
1、晶体结构
晶体的原子按一定规律在空间周期性排列， 形成格点，成为晶格。
五种常见的晶格结构
29
( 2 ) 光电效应
光电效应反映出波可以具有
1、波粒二象性
01.半导体物理基础知识
物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来 衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。 表1-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的 大致范围
物体 电阻率 Ω·CM
导体 <10e-4
半导体 10e3~10e9
绝缘体 >10e9
表1-1
半导体物理基础知识
1.1导体，绝缘体和半导体
1.9平衡载流子和非平衡载流子
一块半导体材料处于某一均匀的温度中，且不 受光照等外界因素的作用，即这块半导体处于平衡状 态，此时半导体中的载流子称为平衡态载流子。 半导体一旦受到外界因素作用（如光照，电流 注入或其它能量传递形式）时，它内部载流子浓度就 多于平衡状态下的载流子浓度。半导体就从平衡状态 变为非平衡状态，人们把处于非平衡状态时，比平衡 状态载流子增加出来的一部分载流子成为非平衡载流 子。
正四面实体结构
图1.2-4
金钢石结构
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.6晶面和晶向 晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平 面上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。 图1.2-5是几种常用到的晶面和晶向。
(100晶面)
(110晶面) 图1.2-5
(111晶面)
1.2半导体材料硅的晶体结构 1.2.7原子密排面和解理面：
1.2半导体材料硅来自百度文库晶体结构
半导体物理第一章习题答案
半导体物理第一章习题答案
半导体物理第一章习题答案
在半导体物理学的学习中，习题是非常重要的一部分。通过解答习题，我们可以加深对理论知识的理解，巩固所学内容，并培养解决问题的能力。下面是一些关于半导体物理第一章的习题及其答案，希望对大家的学习有所帮助。
1. 什么是半导体？
答：半导体是介于导体和绝缘体之间的材料。它的导电性介于导体和绝缘体之间，可以通过施加外界电场或温度的变化来改变其电导率。
2. 半导体的能带结构有哪些特点？
答：半导体的能带结构具有以下特点：
- 价带和导带之间存在禁带，禁带宽度决定了材料的导电性能。
- 价带和导带中的能级数目与电子数目之间存在关联，即保持电中性。
- 价带和导带中的电子分布符合费米-狄拉克分布。
3. 什么是载流子？
答：载流子是指在半导体中参与电流传输的带电粒子。在半导体中，载流子主要有电子和空穴两种类型。
4. 什么是固有载流子浓度？
答：固有载流子浓度是指在材料中由于温度引起的自发激发和热激发所产生的载流子浓度。它与材料的能带结构和温度有关。
5. 什么是掺杂？
答：掺杂是指向纯净的半导体中加入少量杂质，通过改变杂质的电子结构来改变半导体的电导性能。掺杂分为n型和p型两种。
6. 什么是pn结？
答：pn结是由n型和p型半导体通过扩散或外加电场形成的结构。在pn结中，n型半导体中的自由电子会扩散到p型半导体中，而p型半导体中的空穴会扩
散到n型半导体中，形成电子-空穴复合区域。
7. 什么是势垒？
答：势垒是指pn结两侧带电粒子所形成的电场引起的电位差。势垒的存在导
致了电子和空穴的扩散和漂移，从而产生电流。
《半导体器件物理》教学大纲中文
《半导体器件物理》教学大纲（中文）
学时：56 学分：3.5
教学大纲说明
一、课程的目的与任务
半导体器件是现代电子技术的基础，本门课的目的是使学生掌握各类常用半导体器件的工作原理、性能参数及其半导体材料参数、器件结构参数和制造工艺参数之间的相互关系，学习半导体器件的基本设计方法，从而使学生能够为今后的电路设计（包括集成电路在内）打下良好基础。
二、课程的基本要求
通过本课程的教学，力图使学生清楚地理解半导体器件的工作原理、特性参数以及基本的设计方法。
三、与其他课程的联系与分工
本课程是电子科学与技术专业和微电子学专业的专业基础课，并与其他相关专业课程（如模拟电路、数字电路、集成电路原理、设计等）有密切联系。其任务就是帮助学生在电子电路方面打下基础。
四、教学形式和学时分配
五、本课程的性质及适应对象
电子科学与技术专业、微电子学专业必修课
六、教材及主要参考书
刘树林、张华曹、柴常春，半导体器件物理，电子工业出版社，2005
Robert F. Pierret著，黄如等译，半导体器件基础，电子工业出版社，2004
R. M. Warner，B. L. Grung著，吕长志等译，半导体器件电子学，电子工业出版社，2005
教学大纲内容
第一章半导体物理基础
半导体晶体结构和缺陷，半导体能带理论，半导体中的载流子及输运现象，半导体表面。
第二章PN结理论
平衡PN结，PN结的直流特性及二极管定律，空间电荷区的电场和宽度，PN结的击穿特性，电容效应，开关特性，以及金属-半导体整流接触和欧姆接触。
第三章双极型晶体管
BJT的基本结构、工艺和杂质分布，电流放大原理，电流-电压方程及特性曲线，晶体
合工大初试1 第一章：半导体物理基础 1
1. 晶向
概念：通过晶格中任意两点可以作一条直线，而且通过其他格点还可以作 出很多条与它彼此平行的直线，晶格中的所有格点全部位于这一系列相互 平行的直线系上，这些直线系称为晶列。晶列的取向称为晶向。
两种不同的晶列
从一个格点沿某个晶向到 另一个格点 P 作位移矢量
晶向的表示
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor Devices
前言：
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间(电阻率)。
10 3 cm ~ 10 9 cm
10 3 cm
10 9 cm
半导体
导体
绝缘体
半导体一些重要特性：
1、电阻率具有温度效应； 2、掺杂可改变电阻率； 3、适当波长的光照可改变导电能力； 4、其导电能力随电场、磁场的作用而改变。
一
半导体的晶体结构
固体：
1、晶体：
具有一定的外形、固定的熔点，更重要的是组成晶体的原子（或离子）在至 少微米量级的较大范围内都是按一定的方式规则排列而成，称为长程有序。
单晶：单晶－主要是由原子（或离子）的一种规则排列。
元素半导体，如 Ge、Si； 化合物半导体，如GaAs
多晶：是由很多晶粒杂乱地堆积而成的。
Primitive Cell
原胞
Primitive Cell : A unit cell is called as primitive unit cell if there is no cell of smaller volume that can serve as a building block for crystal structure.
01.第一章 半导体物理基础2
相应的电阻率为：
半导体物理基础 第一章 半导体物理基础
载流子漂移
考虑一个半导体样品，其截面积为A，长度为L，且载流子 浓度为每立方厘米n个电子。 假设施加一电场E至样品上，流经样品中的电子电流密度Jn 便等于每单位体积中的所有电子n的单位电子电荷（-q）与电子 速度乘积的总和，即
1 ρ= . qnµ n
而对p型半导体而言，可简化为（因为p>>n）
1 ρ= . qpµ p
半导体物理基础 第一章 半导体物理基础
载流子漂移
电阻率的测量
最常用的方法为四探针法，如图，其中探针间的距离相等，一个从恒定电
流源来的小电流I，流经靠外侧的两个探针，而对于内侧的两个探针 间，测量其电压值V。就一个薄的半导体样品而言，若其厚度为W， 且W远小于样品直径d，其电阻率为
E y = vx Bz
I +
V
-
时达到平衡，在y方向产生一电势差。这一现象称为霍耳效应 霍耳效应。 霍耳效应
半导体物理基础 第一章 半导体物理基础
载流子漂移
霍耳效应的意义
可直接测量载流子浓度 判别半导体导电类型 证实空穴以带电载流子方式存在的最令人信服的方法之一。
半导体物理基础 第一章 半导体物理基础 理论依据 根据 所以 其中 因此
第一章半导体基础知识
第一章半导体基础知识
〖本章主要内容〗
本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义，工作状态或工作区的分析。
首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点。其后介绍二极管、稳压管的伏安特性、电路模型和主要参数以及应用举例。然后介绍两种三极管（BJT和FET）的结构原理、伏安特性、主要参数以及工作区的判断分析方法。
〖本章学时分配〗
本章分为4讲，每讲2学时。
第一讲常用半导体器件
一、主要内容
1、半导体及其导电性能
根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-3～10-9Ω∙cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化；往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性；这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。
2、本征半导体的结构及其导电性能
本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。
3、半导体的本征激发与复合现象
当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。
半导体物理第一章
2、闪锌矿结构和混合键
III-V族化合物半导体绝大 多数具有闪锌矿型结构。闪 锌矿结构由两类原子各自组 成的面心立方晶胞沿立方体 的空间对角线滑移了1/4空 间对角线长度套构成的。每 个原子被四个异族原子包围。 例: GaAs、GaP、ZnO
2、闪锌矿结构和混合键
两类原子间除了依靠共价键结合外，还有一定 的离子键成分，但共价键结合占优势。 以离子为结合单元，由正、负离子组成的、靠 库仑力而形成的晶体。此种结合力称为离子键。 由碱金属元素与卤族元素所组成的化合物晶体 是典型的离子晶体，如NaCl、CsCl等。II-VI族 化合物晶体也可以看成是离子晶体，如CdS、 ZnS等。
孤立原子的能级
4个原子能级的分裂
原子能级分裂为能带
当有N个原子相互靠近组成晶体后，它们的能级便分裂成N个彼此靠得 很近的能级，简并消失。这N个能级组成一个能带，称为允带。
原子能级分裂为能带
内壳层电子：共有化运动弱，能级分裂晚，形成能带窄； 外壳层电子：共有化运动强，能级分裂早，形成的能带宽。
3、纤锌矿型结构
纤锌矿型结构和闪锌矿型结 构相接近，它也是以正四面 体结构为基础构成的，但是 它具有六方对称性，而不是 立方对称性，右图为纤锌矿 型结构示意图，它是由两类 原子各自组成的六方排列的 双原子层堆积而成。两类原 子的结合为混合键，但离子 键结合占优势。
半导体物理基础 总复习
掌握
熟悉
了解
第一章半导体物理基础
一、能带理论
1、能带的形成、结构：导带、价带、禁带
•当原子结合成晶体时，原子最外层的价电子实际上是被晶体中所有原子所共有，称为共有化。
•共有化导致电子的能量状态发生变化，产生了密集能级组成的准连续能带---能级分裂
•价带：绝对0度条件下被电子填充的能量最高的能带；结合成共价键的电子填充的能带。
•导带：绝对0度条件下未被电子填充的能量最低的能带
2、导体、半导体、绝缘体的能带结构特点
•禁带的宽度区别了绝缘体和半导体；而禁带的有无是导体和半导体、绝缘体之间的区别；绝缘体是相对的，不存在绝对的绝缘体。
3、导电的前提：不满带的存在
二、掺杂半导体
1、两种掺杂半导体的能级结构。
2、杂质补偿的概念
三、载流子统计分布
1、费米函数、费米能级：公式1-7-9和1-7-10，及其简化公式1-7-11
和1-7-12
2、质量作用定律，只用于本征半导体：公式1-7-27
3、用费米能级表示的载流子浓度：公式1-7-28和1-7-29
4、杂质饱和电离的概念（本征激发）
5、杂质半导体费米能级的位置：公式1-7-33和1-7-37。意义（图
1-13，费米能级随着掺杂浓度和温度的变化）。
6、杂质补充半导体的费米能级
四、载流子的运输
1、（1.8节）载流子的运动模式：散射－漂移－散射。平均弛豫时间的概念
2、迁移率，物理意义：公式1-9-4和1-9-5（迁移率与电子自由运
动时间和有效质量有关），迁移率与温度和杂质浓度的关系
3、电导率，是迁移率的函数：公式1-9-10和1-9-11
4、在外电场和载流子浓度梯度同时存在的条件下，载流子运输公
半导体物理基础
1
第一章 半导体物理基础
半导体物理知识是学习半导体器件物理课程的基础。为了方便学过半导体物理的学生使用本书时对半导体物理的有关知识进行回顾和查阅，也为了给没有学过半导体物理的读者提供必要的参考，我们在本章简明地介绍半导体的基本性质。其主要内容包括半导体能带论的主要结果，半导体中载流子浓度的统计分布，费米能级的计算，载流子的输运以及半导体中的基本控制方程等。半导体表面和半导体光学性质等是半导体物理中的重要内容。为不使本章的内容过于冗长，更为了学习相关器件物理的方便，分别把它们放在有关章节（第六、七章）予以介绍。相信上述内容可为读者学习半导体器件物理提供足够的预备知识。如果有些读者觉得本书所介绍的内容尚不够全面深入和详尽，可参阅标准的半导体物理和固体物理等教材。 1.1 半导体中的电子状态
1.1.1半导体中电子的波函数和能量谱值 布洛赫定理
电子状态亦称为量子态，指的是电子的运动状态。
晶体是由规则的周期性排列起来的原子所组成的。每个原子又包含有原子核和核外电子。原子核和电子之间、电子和电子之间存在着库仑作用。因此，它们的运动不是彼此无关的，应该把它们作为一个体系统一地加以考虑。也就是说，所遇到的是一个多体问题。为使问题简化，近似地把每个电子的运动单独地加以考虑，即在研究一个电子的运动时，把在晶体中各处的其它电子和原子核对这个电子的库仑作用，按照它们的几率分布，被平均地加以考虑，这种近似称为单电子近似。这样，一个电子所受的库仑作用仅随它自己的位置的变化而变化。于是它的运动便由下面仅包含这个电子的坐标的波动方程式所决定
4 第一章：半导体物理基础 4
S p = −D p
d∆p ( x ) dx
空穴的扩散系数，它反映了存在浓度梯度时扩 散能力的强弱，负号表示向浓度低的方向扩散
Physics of Semiconductor Devices 如果光照恒定，则表面非平衡载流子浓度恒为(∆P )0，因表面不断注入，样 如果光照恒定，则表面非平衡载流子浓度恒为 因表面不断注入， 品内部各处空穴浓度不随时间变化，形成稳定分布，称为稳态扩散。 品内部各处空穴浓度不随时间变化，形成稳定分布，称为稳态扩散。通常扩 的函数S 则有： 散流密度Sp是位置x的函数 p(x) ，则有： 是位置 的函数
J n = ( J n ) Drf + ( J n ) Dif = (n0 ( x) + ∆n)qµ n E + qDn d [n0 ( x) + ∆n( x)] dx
J p = ( J p ) Drf + ( J p ) Dif = ( p0 ( x) + ∆p ) qµ p E − qD p
d [ p0 ( x) + ∆p ( x)] dx
三 连续性方程
Physics of Semiconductor Devices
如果载流子浓度既和位置有关，也和时间有关，则有空穴的连续性方程（ 如果载流子浓度既和位置有关，也和时间有关，则有空穴的连续性方程（它 反映了漂移和扩散同时存在时少子空穴遵循的运动方程）： 反映了漂移和扩散同时存在时少子空穴遵循的运动方程）：
1-1 半导体物理基础-简介
半导体物理基础 (1学时）
Fundamental of Semiconductor Physics
第一讲 （1学时）
教学目标：掌握金刚石的基本结构、了解晶体结
构晶面、晶向的定义，熟悉缺陷对晶体电学性能
的影响、掌握施主、受主产生机制；
教学重点：缺陷的产生及对晶体电学影响机制；
教学难点：施主、受主形成的机制；
个小圆圈，表示被受主束缚的“空穴”，这时受主处
于束缚态。价带中画的小圆圈表示进入价带的空穴，
受主能级处画的符号Θ表示受主电离后带负电荷。
图6-24 受主能级和受主电离
受主电离过程实际上是电子的运动过程，是价带中电 子得到能量ΔEA，跃迁到受主能级上，占据受主能级上 的“空穴”位置，并在价带中产生了一个可以自由运 动的导电空穴，同时形成一个不可移动的受主离子。
实际的单晶中，完全纯净、 结构完整的晶体都是不可 能的。晶体中总存在着一定数量其它元素原子，通常称之为 杂质原子。事实上，为使用和研究半导体材料，人们还往往 有意地把一定的杂质掺进半导体中。
实践表明：极微量的杂质和缺陷能够对半导体材料
的物理性质和化学性质产生决定性的影响，也将严
重地影响着半导体器件的质量。杂质在半导体中的 作用与它们在其中引入的能级有密切关系。根据Ⅲ 族元素和Ⅴ元素在Ⅳ族元素半导体中的作用，可以 分为施主和受主杂质。
使这个多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的
半导体物理基本知识1
n n p0 no N D
40
2 i
2 i
应用
P型半导体 在常温下，已知受主浓度 NA，并且全部电 离，求导带电子浓度 no 和价带空穴浓度 po ∵ 受主全部电离 ∴po = NA
n n n0 po N A
41
2 i
2 i
平衡态载流子分布
室温下平衡态杂质均匀掺杂的非简并半导体
1
EF E kT
e 1 e 当 EF－E＞＞kT 时，
EF E kT
1
1 f (E) e Be E↑，空穴占有几率增加；EF↑，空穴占有 几率下降，即电子填充水平增高。
14
E kT
玻尔兹曼分布
非简并系统： 服从Boltzmann分布的电子系统 相应的半导体称为非简并半导体
T mdn mdp
3
3/ 2
e
Eg kT
23
本征半导体
本征半导体： 纯净的半导体，电子和 空穴浓度相等。 n0 = p0 = ni Fermi 能级Ei 在禁带中 线附近。 室温下(300K)的硅 ni = 9.65×109 cm-3
24
本征半导体 本征半导体的费米能级：
电中性条件
F
没有被电子占有的几
率：
1 f (E) e
1
E EF kT
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掺杂半导体能带图
本征半导体的费米能级叫本征费米能级 N型半导体的费米能级在本征费米能级上面，随着掺杂浓度ND的增加， 费米能级更加靠近导带底 ；p型半导体费米能级靠近价带顶
1.5 载流子的传输
• 载流子输运类型：漂移、扩散和产生-复合 • 载流子的扩散
– 由于浓度差而产生的，浓度高的向浓度低的方向扩散
1. 本征半导体
---不含杂质的半导体
导电机制： （本征导电）
E
-e -e
Ie
-e -e
空
穴 空带
电
wk.baidu.com本征激发 流
禁带
满带
IP
本征导电中的载流子是电子和空穴
2. 杂质半导体 ---含有少量杂质的半导体 n型半导体（施主杂质半导体） 在纯净半导中掺入少量可提供导电电子的
杂质所形成的半导体。
例在四价硅（Si）元素半导体中掺入五价砷（AS） 所形成的半导体
导电机制：
空带
施主能级
Eg
满带
这种杂质可提 供导电电子故
ED 称为施主杂质
总之,跃入空带中的电子数等于满带及施主 能级中的空穴数,由于施主能级中的空穴不能移 动,故在常温下,能导电的空穴数远小于电子数, 导电作用主要靠跃入空带中的电子.（多数载流 子）
故n型半导体又称电子型半导体
1.4 态密度与费米能级
能带结构：
(“施主能级”)
空带 施主能级 施主能级与上
空带下能级的
Eg
能级间隔称“
ED 施主杂质电离
满带
能”( ED )
导电机制：
空带
Eg
满带
施主能级
这种杂质可提 供导电电子故
ED 称为施主杂质
由于 ED 较小,施主能级中的电子很容易激发到
空带而在施主能级上留下不可移动的空穴.此称 “杂质激发”,当然也存在本征激发.
简化能带图
1.3 半导体中的载流子
• 导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子， 是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。
满带
E
当电子从原来状态转移 到另一状态时，另一电子 必作相反的转移。没有额 外的定向运动。满带中电 子不能形成电流。
半（不）满带
E
半满带的电子可在外 场作用下跃迁到高一 级的能级形成电流。
Ge
+4 +4 +4 +4 +4
AS
+4 +4 +4 ++54 +4
AS
+4 ++54 +4 +4 +4
掺入AS以后，五个
价电子中，有四个电子 与周围的Ge组成共价键 晶体，还多余一个电子， 此电子处于特殊的能级。
理论证明:掺入这种
+4 +4 +4 +4 +4
杂质后电子处于靠近空
带下沿处的一个能级中
能带论
•在一般的原子中，内层电子的能级是被 电子填满的。当原子组成晶体后，与这 些原子的内层电子能级相对应的那些能 带也是被电子所填满的。其中能级较高 的被电子填满的能带称为价带，价带以 上的能带未被填满，称为导带，导带和 价带间的能隙叫禁带
原子能级分裂成能带的示意图
电
子
Ec
能
量
导带
Eg=带隙
Ev 价带
第一章 半导体物理基础
1.1 半导体结构 1.2 半导体能带模型 1.3 半导体中的载流子 1.4 态密度与费米能级
1.5 载流子的传输 1.6 PN结 1.7 金属—半导体接触 1.8 MOS FET器件基础
1.1 半导体结构
• 一切晶体，不论外形如何，其内部质点（原子、离子、离子团
或分子）都是有规律排列的。即晶体内部相同质点在三维空间均 呈周期性重复。可分成单晶体和多晶体
• 漂移：带电粒子在外电场作用下的运动
载流子热运动示意图
外电场作用下电子的漂移运动
载流子的漂移运动
• 无外加电场作用时 – 载流子热运动是无规则的，运动速度各向同性，不引起宏观迁移，从而不 会产生电流。
• 外加电场作用时 – 载流子沿电场方向的速度分量比其它方向大，将会引起载流子的宏观迁移 ，从而形成电流。
• 平均自由时间愈长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少， 载流子的迁 移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平均自由时间和有 效质量不同。
Hall效应
• 当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时， 则在半导体的两侧产生一横向电势差，其方向同时垂直 于电流和磁场，这种现象称为半导体的Hall效应。
• 态密度
– 在能带中，能量E附近单位能量间隔内的量子 态数
g(E) dZ/dE
在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态
费米－狄拉克统计分布规律
• 温度为T（绝对温度）的热平衡态下，半导体中电子占据能量为E
的量子态的几率是
f (E)
1
exp( E EF ) 1
kT
– k是玻尔兹曼常数，EF是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。 – 当E-EF>>kT时，f（E）=0，说明高于EF几个kT以上的能级都是空的；而当E-EF<<kT
硅的晶体结构
• 硅晶体中任何一原子都有4个最近邻的原子与之形成共 价键。一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共 价的原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面 体。
1.2 半导体能带模型
E
2p
禁带
能带
禁带
2s
1s
o
原子间距
当有N个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能 级，它们是N重简并的，当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单 原子的中的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相容原则） 从而只能分裂成N个非常靠近的能级（10-22ev）
• 漂移运动：由电场作用而产生的、沿电场力方向的运动（电子和空穴漂移运 动方向相反）。
• 漂移速度：定向运动的速度。 • 漂移电流：载流子的漂移运动所引起的电流。
载流子的漂移迁移率（μ）
• 指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在 电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得慢 ，迁移率小。 单位是cm2／V·s
时，f（E）＝1，说明低于EF几个kT以下的能级被电子填满。特别是在绝对零度时 ，E<EF的能级全被填满，E>EF的能级全是空的, EF是电子所占据的最高量子态的能 量。
– EF反应了半导体中被电子填满了的能级水平，费米能级的物理意义是，该能级上 的一个状态被电子占据的几率是1/2。费米能级是理论上引入的虚构的能级
– 单晶：整个晶体由单一的晶格连续组成。 – 多晶：晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成
• 非晶：固体中存在许多小区域，每个小区域的原子排列不同于其 它小区域的原子排列
• 硅晶体是金刚石结构, 均为四面体结构，并向空间无限伸展成空 间网状结构。
按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以讲固体分为：