半导体物理基础--信息功能材料ppt

光生伏特效应
当具有p－n结的半导体受到光照时，其中电 子和空穴的数目增多，在结的局部电场作用 下，p区的电子移到n区，n区的空穴移到p区， 这样在结的两端就有电荷积累，形成电势差。 这现象称为p－n结的光生伏特效应。由于这 些特性，用p－n结可制成半导体二极管和光 电池等器件。另一方面因击穿后并不损坏而 可用来制造稳压管或开关等器件。
图1-2 金刚石结构价电子能带图（绝对零度） 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）
导带（conduction band）：有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价 电子形成的高能级能带通常称为导带。 价带（valence band）:由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的 低能级能带通常称为价带。
能带被电 子部分占 满，在电 场作用下 这些电子 可以导电
禁带很 宽，价 带电子 常温下 不能被 激发到 空的导 带
硅1.12eV 锗0.67 eV 砷化镓 1.42 eV
二、半导体的分类
（一）. 本征半导体 本征半导体是指纯净的半导体,导 电性能在导体与绝缘体之间。 1.本征半导体的能带结构 例如半导体 CdS(硫化镉)： 满带上的一个电子跃迁到空带 后，满带中出现一个带正电的空 位，称为 “空穴”。 电子和空穴总是成对出现的。
1、N型半导体 四价的本征半导体 Si 、Ge等，掺入少量五价的杂质元素 （如P、As等）形成电子型半导体,称 n 型半导体。 量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠 空带处, 杂质电离能∆ED～10-2eV，极易形成电子导电。该 能级称为施主能级。
型半导体中,电子是多数载流子而空穴是少数载流子 在n型半导体中 电子是多数载流子而空穴是少数载流子 型半导体中
2、P型半导体 四价的本征半导体Si、Ge等，掺入少量三价的杂质元素（如 B、Ga、In等）形成空穴型半导体，称 p 型半导体。 量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠 满带处，杂质电离能∆EA～10-2eV，极易产生空穴导电。该 能级称受主能级。
型半导体中,空穴是多数载流子而电子是少数载流子 在p型半导体中 空穴是多数载流子而电子是少数载流子。 型半导体中 空穴是多数载流子而电子是少数载流子。
综上所述
Ⅲ族元素 Ⅴ族元素 掺入半导体， 掺入半导体， 分别成为 受主杂质 施主杂质 在禁带中引入了 新的能级，分别为 新的能级，
常温下，杂质都 常温下， 处于离化态
受主能级：比价带顶高∆EA 受主能级：比价带顶高∆E 施主能级：比导带底低∆ED 施主能级：比导带底低∆E P型半导体 N型半导体
受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心 施主杂质向导带提供电子而成为正电中心
3、 杂质的补偿作用
实际的半导体中既有施主杂质（浓度 实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd）， 又有受主杂质（浓度n ），两种杂质有补偿 又有受主杂质（浓度 a），两种杂质有补偿 作用： 作用： 若nd > na——为n型（施主） 为 型 施主） 若nd < na——为p型（受主） 为 型 受主） 利用杂质的补偿作用， 利用杂质的补偿作用，可以制成 p-n 结。
∆E g = hν min = hc
λmax
∆Eg = hνmin =
hc
λmax
电子和空穴叫本征载流子，它们形成半导 电子和空穴叫本征载流子， 体的本征导电性。 体的本征导电性。当光照 hν >∆Eg 时， 发生本征吸收，形成本征光电导。 可发生本征吸收，形成本征光电导。
2、电子和空穴被统称为载流子的原因 如果共价键中的电子获得足够的能量，它就可以摆脱共价键 的束缚，成为可以自由运动的电子。这时在原来的共价键上 就留下了一个缺位，因为邻键上的电子随时可以跳过来填补 这个缺位，从而使缺位转移到邻键上去，所以，缺位也是可 以移动的．这种可以自由移动的缺位被称为空穴．半导体就 是靠着电子和空穴的移动来导电的． 因此，电子和空穴被 统称为载流子． （二）. 杂质半导体 杂质来源 一）制备半导体的原材料纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的污染； 三）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。
分别 成为
三、P-N结
1、p-n结定义：p型半导体 和n型半导体结合的交界面。 2、p-n结的形成 在一块纯净的半导体晶 片上，采用特殊的掺杂工艺， 在两侧分别掺入三价元素和 五价元素。一侧形成P型半 P 导体，另一侧形成N型半导 体，在结合面的两侧分别留 下了不能移动的正负离子， 呈现出一个空间电荷区。这 个空间电荷区就称为p-n结。
内建电场： 内建电场：
内建场阻止电子和空穴进一步扩散，空间电荷区中的正、 内建场阻止电子和空穴进一步扩散 ， 空间电荷区中的正 、 负电荷间 产生的电场，其方向由n区指向 区指向p区 产生的电场，其方向由 区指向 区。
平衡p-n结 平衡 结：
载流子在内建电场的作用下，漂移运动和扩散运动相抵时， 载流子在内建电场的作用下，漂移运动和扩散运动相抵时，所 达到的动态平衡( 结的净电流为零 ),在 型和n 结的净电流为零), 达到的动态平衡 (p-n结的净电流为零), 在 p 型和 n 型交界面附近形成 的这种特殊结构——p-n结(阻挡层，耗尽层),其厚度约为0.1µm。 阻挡层，耗尽层),其厚度约为0 µm。 ),其厚度约为 的这种特殊结构 p
导带底Ec:导带电子的最 低能量 价带顶Ev:价带电子的最 高能量 禁带宽度 Eg:Eg=Ec-Ev
图1-3 一定温度下半导体的能带示意图
图1-4 导体、绝缘体、半导体的能带示意图 导体、绝缘体、
3~6eV
禁带比较窄，常 禁带比较窄， 温下， 温下，部分价带 电子被激发到空 的导带， 的导带，形成有 少数电子填充的 导带和留有少数 空穴的价带， 空穴的价带，都 能带电
2.p-n结能带图

空带
受主能级 满带 满带
施主能级
平衡p-n结 平衡 结的能带图
2.PN结的单向导电性 2.PN结的单向导电性
结接正向偏压（ 阻挡层势垒降低、变窄， 1. P-N结接正向偏压（ P＋N －） 时， 阻挡层势垒降低、 变窄， 可以导通；接反向偏压（ 阻挡层加宽， 可以导通；接反向偏压（P－N＋）时，阻挡层加宽，电流约 为零。这就是P-N结的单向导电性。 结的单向导电性。 为零。这就是 结的单向导电性 2. 当外电场很强，反向电压超过某一数值后，反向电流会急 当外电场很强，反向电压超过某一数值后， 剧增大 — 反向击穿。 反向击穿。
半导体物理基础 —— p-n结
中南大学 093111093 材料学院
目录
一、能带的基本概念 二、半导体的分类 三、P-N结
一、能带的基本概念
能带（energy band）包括允带和禁带。 允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范围。 禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范围。 允带又分为空带、满带、导带、价带。 空带（empty band）：不被电子占据的允带。 满带（filled band）：允带中的能量状态（能级）均被电 子占据。
太阳能电池
太阳能电池的作用是把太阳能转化为电能。太阳能电池一般是由N型和P 型半导体制备而成，其能量转换的基本原理是利用半导体的光生伏特效 应。N型半导体中含有较多的空穴，P型半导体中含有较多的电子，当两 种半导体结合在一起的时候，由于扩散作用P型半导体中的电子以及N型 半导体中的空穴会相互运动，最后在两种半导体的交界面区域里会形成 一个特殊的薄层)，界面的P型一侧带负电、N型一侧带正电，从而形成 内建电场。 当入射光垂直入射PN结时，光子进入N型半导体或者穿越PN结进入P型 PN N PN P 半导体。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子— 空穴对。由于PN结势垒区存在的内建场(自N区指向P区)，结果两边的光 生少数载流子受该场作用，各自向相反方向运动，P区的光生电子穿过 PN结进入N区，N区的光生空穴进入P区，于是形成自N区向P区的光生 电流。这样的载流子运动，由于中和掉部分空间电荷，使内建场势垒降 低，从而产生正向电流。当光生电流和正向电流相等时，PN结两端建立 起稳定的电势差，即产生光生电压。在PN结开路情况下，光生电压达最 大值。如将PN结与外电路接通，只要光照不停止，就有源源不断的电流 通过电路，PN结起了电源的作用，这就是太阳能电池的基本原理。
图1-5基本结构示意图
图1-6 p-n结的形成
单纯的p型或n型半导体，仅仅是导电能力增强而 已，还不具备半导体器件所要求的各种特性。但如 果形成一个p-n结。 当p型半导体和n型半导体“结 合”在一起时，由于p型半导体的空穴浓的高，自 由电子的浓度低；而n型半导体的自由电子浓度高， 空穴浓度低，所以交界面两侧的载流子在浓度上形 成了很大的差别。于是就在交界面附近产生了多数 载流子的扩散运动。 所谓扩散运动，就是载流子由浓度高的地方向浓度 低的地方运动，即p区的多数载流子（空穴）向n 区扩散，同时n区的多数载流子（电子）向p区扩 散。 平衡时，空间电荷区的宽度也达到稳定，电流为零。