§15.12半导体(毕岚)
第8章半导体物理基础第2讲
dn = g( E ) f ( E )dE
•
h2k 2 导带具有球形等能面， 导带具有球形等能面，E = EC + 2m * n
* 2m n 2 ( E − EC )1 / 2 g ( E ) = 4π h
• 类似 节三维自由电子能态密度的推导 类似7.6节三维自由电子能态密度的推导
8.2.2 平衡态下的导带电子浓度和 价带空穴浓度
导带电子浓度 n = N c f B ( E c ) = N c e 导带有效能级密度 价带空穴浓度
* n
− ( E c − E F ) / k BT
N c = 2( 2πm k BT / h )
− ( E F − EV ) / k BT
* p
2 3/ 2
掺施主
掺受主
n> p
n型半导体 型半导体
p>n
p型半导体 型半导体
8.2 半导体中的载流子浓度
• 热平衡下能量为 的状态被电子占据的 热平衡下能量为E的状态被电子占据的 几率为 —— 费米分布函数
EF
费米能量，温度 的函数 的函数， 费米能量，温度T的函数，与掺杂有关
−23
玻尔兹曼常数： 玻尔兹曼常数：
k B = 1.38 × 10 J/K
室温： 室温： k BT ≈ 0.026eV
不同温度下的费米分布函数
当T≠0时，在 时 E = EF能级， 能级， f (EF ) = 0.5
等于不被 在费米能级，被电子填充的几率等于 在费米能级，被电子填充的几率等于不被 电子填充的几率。 电子填充的几率。
玻尔兹曼函数
p = NV e
价带有效能级密度
N V = 2( 2πm k BT / h )
半导体基础知识PPT培训课件
目录
• 半导体简介 • 半导体材料 • 半导体器件 • 半导体制造工艺 • 半导体技术发展趋势 • 案例分析
半导体简介
01
半导体的定义
总结词
半导体的定义
详细描述
半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材 料有硅、锗等。
半导体的特性
总结词
化合物半导体具有宽的禁带宽度和高 的电子迁移率等特点，使得化合物半 导体在光电子器件和高速电子器件等 领域具有广泛的应用。
掺杂半导体
掺杂半导体是在纯净的半导体中掺入其他元素，改变其导电 性能的半导体。
掺杂半导体的导电性能可以通过掺入不同类型和浓度的杂质 来调控，从而实现电子和空穴的平衡，是制造晶体管、集成 电路等电子器件的重要材料。
掺杂的目的是形成PN结、调控载流 子浓度等，从而影响器件的电学性能。
掺杂和退火的均匀性和控制精度对器 件性能至关重要，直接影响最终产品 的质量和可靠性。
半导体技术发展趋势
05
新型半导体材料
硅基半导体材料
宽禁带半导体材料
作为传统的半导体材料，硅基半导体 在集成电路、微电子等领域应用广泛。 随着技术的不断发展，硅基半导体的 性能也在不断提升。
半导体制造工艺
04
晶圆制备
晶圆制备是半导体制造的第一步，其目的是获得具有特定晶体结构和纯度的单晶硅 片。
制备过程包括多晶硅的提纯、熔炼、长晶、切磨、抛光等步骤，最终得到可用于后 续工艺的晶圆。
晶圆的质量和表面光洁度对后续工艺的成败至关重要，因此制备过程中需严格控制 工艺参数和材料质量。
薄膜沉积
输入 标题
详细描述
集成电路的制作过程涉及微电子技术，通过一系列的 工艺步骤，将晶体管、电阻、电容等电子元件集成在 一块硅片上，形成复杂的电路。
高二物理竞赛课件：半导体的光电效应
1.满足能量守恒和动量守恒，电子跃迁必然伴随声子的吸收或发射。
2.吸收能量较小，一般为红外吸收。
3.随着波长的增大，吸收强度增强。
杂质吸收
束缚在杂质能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收。电子吸收光子跃迁到导 带；空穴吸收光子跃迁到价带，这种光吸收称为杂质吸收。
由于束缚态没有一定的准动量，电子（空穴）可以跃迁到任意的导带（价带） 能级，因而Fra bibliotek起连续的吸收光谱。
其它吸收过程
波长比本征吸收限λ0长的光波在半导体中往往也能被吸收，这说明除了本征吸 收外还存在其它的光吸收过程，主要有激子吸收，杂质吸收，自由载流子吸收和 晶格振动吸收等。
激子吸收
光子能量小于禁带宽度，价带电子受激发后跃出价带但是未进入导带，仍然受 到空穴的库伦场作用。受激电子和空穴束缚结合在一起，形成激子，这样的光吸 收称为激子吸收。
光电导为： q(nn pp )
实际半导体，本征吸收中，Δn= ΔP，但是并不是光生电子和光生空穴都对光 电导有贡献。
光照经过一定的时间才达到定态光电导；同样光照停止后，光电导逐渐消失。 这种光照下光电导率逐渐上升和光照停止后光电导率逐渐下降的现象，称为光电 导的弛豫现象。
2 PN结的光生伏特效应
激发方式包括：电致发光、光致发光和阴极发光等。
电子从高能级向低能级跃迁时，必然释放一定的能量，如果跃迁 过程伴随着放出光子，这种跃迁称为辐射跃迁。
半导体发光材料，辐射跃迁占优势。
辐射跃迁主要包括以下几种： 1.本征跃迁（带与带之间的跃迁）
导带电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，伴随着发射光子，称 为本征跃迁。
发光效率
电子跃迁过程中，除了发射光子的辐射跃迁外，还存在无辐射跃迁。 无辐射复合机理比较复杂，主要有两种： 1.俄歇过程：电子从高能级向低能级跃迁时，将多余的能量传递给第三 个载流子，使其受激跃迁到更高能级。 2.发射热声子：电子和空穴复合，可以将能量转变为晶格振动能量。
半导体基础知识
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
IF
P+
+ +++++
+ +++++
+ +++++
+ +++++ 内电场
外电场
–
N
内电场被削弱， PN结变窄。 多子的扩散加强（形成电流） 。 正向电流较大， PN结电整理阻ppt 较小，处于导通状态。 7
PN结的单向导电性
1. PN 结加反向电压（正向偏置：P接负、N接正 ）
在低频正常放 大时：
共发射极静态电流放大系数： 2．穿透电流ICEO
___
=
IC IB
β≈ ， （20～200）。
– A +
基极开路(IB=0)情况下流过集电极和 发射极间的电流。越小越好，硅管约几
IB=0
微安，锗管约几十微安。过大会导致工
ICEO
作特性的不稳定
受温度的影响大,温度ICEO，IC
也相应增加，三极管的温度特整性理pp较t 差。
有 IC 0 。
1
在截止区发射结处于反向偏置，
放大区
集电结处于反向偏置，晶体管工 O 作于截止状态。
整理ppt
3 69 截止区
50A
40A 30A 20A 10A IB=0 12 UCE(V)
35
双极型晶体管
四、三极管的主要参数
1.电流放大系数 和β
共发射极动态电流放大系数：
=
Δ Δ
IC IB
三、三极管的特性曲线 2．输出特性曲线
半导体基础知识培训课件
外延基础知识一、基本概念能级：电子是不连续的，其值主要由主量子数N决定，每一确定能量值称为一个能级。
能带：大量孤立原子结合成晶体后，周期场中电子能量状态出现新特点：孤立原子原来一个能级将分裂成大量密集的能级，构成一相应的能带。
（晶体中电子能量状态可用能带描述）导带：对未填满电子的能带，能带中电子在外场作用下，将参与导电，形成宏观电流，这样的能带称为导带。
价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。
（价带可能是满带，也可能是电子未填满的能带）直接带隙：导带底和价带顶位于K空间同一位置。
间接带隙：导带底和价带顶位于K空间不同位置。
同质结：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。
（如红黄光中的：GaAs上生长GaAs,蓝绿光中：U(undope)－GaN上生长N(dope)－ GaN）异质结：两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料生长在一起形成的结，称为异质结。
（如蓝绿光中：GaN上生长Al GaN）超晶格（superlatic）：由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层（相邻势阱内电子波函数发生交迭）的材料，交替生长形成的人工周期性结构，称为超晶格材料。
量子阱(QW)：通常把势垒较厚，以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结构，称为量子阱（它是超晶格的一种）。
二、半导体1.分类：元素半导体：Si 、Ge化合物半导体：GaAs、InP、GaN(Ⅲ-Ⅴ)、ZnSe(Ⅱ-Ⅵ)、SiC2.化合物半导体优点：a.调节材料组分易形成直接带隙材料，有高的光电转换效率。
（光电器件一般选用直接带隙材料）b.高电子迁移率。
c.可制成异质结，进行能带裁减，易形成新器件。
3.半导体杂质和缺陷杂质：替位式杂质（有效掺杂）间隙式杂质缺陷：点缺陷：如空位、间隙原子线缺陷：如位错面缺陷：（即立方密积结构里夹杂着少量六角密积）如层错4.外延技术LPE：液相外延，生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。
（普亮LED常用此生长方法）MOCVD（也称MOVPE）：Metal Organic Chemical Vapour Deposition金属有机汽相淀积,精确控制晶体生长，重复性好，产量大，适合工业化大生产。
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3.8 参考文献
3.7 小结
3.9 习题
第4章 晶圆制造
01
4.1 简介
02
4.2 为什 么使用硅 材料
03
4.3 晶体 结构与缺 陷
04
4.4 晶圆 生产技术
06
4.6 衬底 工程
05
4.5 外延 硅生长技 术
4.8 参考文献
4.7 小结
4.9 习题
第5章 加热工艺
01
5.1 简介
02
6.4 光刻技术的 发展趋势
6.5 安全性 6.6 小结
6.7 参考文献 6.8 习题
第7章 等离子体工艺
01
7.1 简介
02
7.2 等离 子体基本 概念
03
7.3 等离 子体中的 碰撞
04
7.4 等离 子体参数
06
7.6 直流 偏压
05
7.5 离子 轰击
7.7 等离子体工 艺优点
7.8 等离子体增 强化学气相沉积
10.9 工艺发展趋 势与故障排除
10.10 化学气相 沉积工艺发展趋 势
10.12 参考文献
10.11 小结
10.13 习题
第11章 金属化工艺
01
11.1 简 介
02
11.2 导 电薄膜
03
11.3 金 属薄膜特 性
04
11.4 金 属化学气 相沉积
06
11.6 铜 金属化工 艺
05
11.5 物 理气相沉 积
5.2 加热 工艺的硬 件设备
03
5.3 氧化 工艺
04
5.4 扩散 工艺
06
5.6 高温 化学气相 沉积
05
半导体基础知识幻灯片
（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质
取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的
半导体原子形成共价键时， 空穴
产生一个空穴。这个空穴
可能吸引束缚电子来填补，
+4
+4
使得硼原子成为不能移动
的带负电的离子。由于硼
+3
+4
原子接受电子，所以称为
受主原子。
硼原子
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
多余 电子
磷原子
+4 +4 +5 +4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
二、P 型半导体
2.1.1 PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
半导体基础知识幻灯片
半导体基础知识
第一章 半导体器件
§ 1.1 半导体的基本知识 § 1.2 PN 结及半导体二极管 § 1.3 特殊二极管 § 1.4 半导体三极管 § 1.5 场效应晶体管
§1.1 半导体的基本知识
1.1.1 导体、半导体和绝缘体
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。
半导体基础知识
半导体基础知识1. 半导体的概念与分类1.1 半导体的定义半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料，其电导率会随着外界条件（如温度、光照、掺杂等）的变化而变化。
常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等。
1.2 半导体的分类根据半导体材料的类型，可分为元素半导体和化合物半导体。
•元素半导体：如硅（Si）、锗（Ge）等。
•化合物半导体：如砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）等。
根据导电类型，半导体可分为n型半导体和p型半导体。
•n型半导体：掺杂有五价元素（如磷、砷等）的半导体材料。
•p型半导体：掺杂有三价元素（如硼、铝等）的半导体材料。
2. 半导体物理基础2.1 能带结构半导体的导电性能与其能带结构密切相关。
一个完整的周期性晶体结构可以分为价带、导带和禁带。
•价带：充满电子的能量状态所在的带，电子的能量低于价带顶。
•导带：电子的能量高于导带底时，可以自由移动的状态所在的带。
•禁带：价带和导带之间的区域，电子不能存在于这个区域。
2.2 掺杂效应掺杂是向半导体材料中引入少量其他元素，以改变其导电性能的过程。
掺杂分为n型掺杂和p型掺杂。
•n型掺杂：向半导体中引入五价元素，如磷、砷等，使得半导体中的自由电子浓度增加。
•p型掺杂：向半导体中引入三价元素，如硼、铝等，使得半导体中的空穴浓度增加。
2.3 载流子在半导体中，自由电子和空穴是载流子，负责导电。
n型半导体中的载流子主要是自由电子，而p型半导体中的载流子主要是空穴。
2.4 霍尔效应霍尔效应是研究半导体中载流子运动的一种重要物理现象。
当半导体中的载流子在外加磁场作用下发生偏转时，会在半导体的一侧产生电势差，即霍尔电压。
3. 半导体器件3.1 半导体二极管半导体二极管（DIODE）是一种具有单向导电性的半导体器件。
它由p型半导体和n型半导体组成，形成PN结。
当外界电压正向偏置时，二极管导通；反向偏置时，二极管截止。
《半导体基础》课件
在温度升高或电场加强时，电 子和空穴的输运能力增强。
掺杂可以改变半导体的导电性 能，增加载流子的数量。
半导体中的热传导
01 热传导是热量在半导体中传递的过程。
02 热传导主要通过晶格振动和自由载流子传 递。
03
半导体的热传导系数受到温度、掺杂浓度 和材料类型的影响。
04
在高温或高掺杂浓度下，热传导系数会增 加。
模拟电路和数字电路中均有广泛应用。
场效应晶体管
总结词
场效应晶体管是一种电压控制型器件，利用电场效应来控制导电沟道的通断。
详细描述
场效应晶体管可分为N沟道和P沟道两种类型，通过调整栅极电压来控制源极和漏极之 间的电流。场效应晶体管具有低噪声、高输入阻抗和低功耗等优点，广泛应用于放大器
和逻辑电路中。
集成电路基础
掺杂半导体
N型半导体
通过掺入施主杂质，增加自由电子数量，提高导电能力。
P型半导体
通过掺入受主杂质，增加自由空穴数量，提高导电能力。
宽禁带半导体
碳化硅（SiC）
具有宽禁带、高临界击穿场强等特点， 适用于制造高温、高频、大功率的电子 器件。
VS
氮化镓（GaN）
具有宽禁带、高电子迁移率等特点，适用 于制造蓝光、紫外线的光电器件。
详细描述
二极管由一个PN结和两个电极组成，其单 向导电性是由于PN结的正向导通和反向截 止特性。根据结构不同，二极管可分为点接 触型、肖特基型和隧道二极管等。
双极晶体管
总结词
双极晶体管是一种电流控制型器件，具有放 大信号的功能。
详细描述
双极晶体管由三个电极和两个PN结组成， 通过调整基极电流来控制集电极和发射极之 间的电流，实现信号的放大。双极晶体管在
半导体基础知识PPT
03
半导体器件
二极管
工作原理
二极管是由一个PN结组成的电子器件， 具有单向导电性。在正向偏置时，电流可 以流通；而在反向偏置时，电流被阻止。
应用
类型
常见的二极管类型有硅二极管和锗二 极管，它们在电气性能上略有差异。
二极管在电子线路中广泛应用，如整 流、检波、开关等。
三极管
1 2
工作原理
三极管是由两个PN结组成的电子器件，具有电 流放大作用。通过调整基极电流，可以控制集电 极和发射极之间的电流。
感谢观看
半导体的导电机制主要是由其 内部的电子和空穴的运动决定 的。
半导体的特性
半导体材料的导电能力受温度、光照、电场等因素影响，具有热敏、光敏、掺杂等 特点。
半导体的电阻率可在很大范围内变化，通过改变温度、光照、电场等条件，可以控 制其电阻率的变化。
半导体的载流子类型和浓度决定了其导电性能，可以通过掺杂等方式改变载流子类 型和浓度。
物理沉积
通过物理过程如真空蒸发、溅 射等，将所需材料沉积在晶圆
表面形成薄膜。
化学气相沉积
利用化学反应在晶圆表面生成 所需材料的薄膜。
外延生长
在单晶基底上通过控制温度、 气体流量等参数，使薄膜按照 单晶的晶体结构生长。
离子注入
将离子化的材料注入到晶圆内 部的特定区域，形成具有一定
特性的薄膜。
掺杂与刻蚀
功耗具有重要意义。
集成电路设计
01
02
03
人工智能辅助设计
利用人工智能技术进行集 成电路自动化设计，提高 设计效率和准确性。
异构集成技术
将不同工艺类型的芯片集 成在一个封装内，实现高 性能、低功耗的系统级芯 片。
定制化设计
半导体基础培训
晶澳太阳能 工艺部
目录 半导体分类 半导体材料特征 PN结相关 半导体相关名词
晶澳太阳能 工艺部
半导体分类
N型半导体 掺杂半导体 半导体 本征半导体
本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。 掺杂半导体：是指掺有杂质的半导体。 N型半导体： 常温下半导体的导电性能主要由杂质来决定。当半导体中掺有施 主杂质时，主要靠施主提供电子导电，这种依靠电子导电的半导体叫做N型半导 体。 例如：硅中掺有Ⅴ族元素杂质磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）时， 称为N型半导体。 P型半导体：当半导体中掺有受主杂质时，主要靠受主提供空穴导电，这种依靠 空穴导电的半导体叫做P型半导体。 例如：硅中掺有Ⅲ族元素杂质硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）时，称 为P型半导体。
晶澳太阳能 工艺部
半导体材料特征 导电能力介于导体和绝缘体之间。 当其纯度较高时，电导率的温度系数为正值，随温度升高电导率增大；金属导体 则相反，电导率的温度系数为负值。 有两种载流子参加导电，具有两种导电类型：一种是电子，另一种是空穴。同一 种半导体材料，既可形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。 晶体的各向异性。 单晶and多晶 单晶是原子或离子沿着三个不同的方向按一定的周期有规则地排列，并沿一 致的晶体学取向所堆垛起来的远程有序的晶体。 多晶则是有多个单晶晶粒组成的晶体，在其晶界处的颗粒间的晶体学取向彼 此不同，其周期性与规则性也在此处受到破坏。 我们实际使用单晶材料都是按一定的方向生长的，因此单晶表现出各向异 性。单晶生长的这种方向直接来自晶格结构，常用半导体材料的晶体生长 方向是<111>和<100>。
P型半导体
晶澳太阳能 工艺部
半导体常用名词定义
#15728. 半导体物理学（semiconductor physics）半导体物理学是固体物理学的重要分支，是固体电子学的基础。
半导体材料物理性质的研究最早可追溯到1833年，当时法拉第发现硫化银的电导率随温度升高而迅速增加。
1873年史密斯发现光照能改变硒的电导率，1874年布朗发现硫化铅与一个探针接触时呈现整流效应。
但对半导体中电子输运过程的深刻理解则归因于量子力学的创立及基于单电子理论的能带模型的建立。
20世纪30年代末，莫特、达维多夫和肖特基发展了金属-半导体接触的整流理论。
在此基础上肖克利、布拉顿和巴丁发明了第一个固体放大器——点接触晶体管，并于1956年获得诺贝尔物理学奖。
这一发明及其后来的结型晶体管的制作是半导体器件发展史上的划时代突破，是固体电子学时代的开始。
20世纪50年代后期基尔比和诺伊斯发明了集成电路，实现了电路的微型化，引发了电子技术的革命。
1958年江崎玲於奈发现了pn结二极管中的电子隧道现象，因此而获得1973年诺贝尔物理学奖。
由两种不同半导体材料直接接触构成的半导体异质结构概念是1960年前后由克罗默和阿尔弗洛夫提出的。
1982年克利青（Klitzing）在超薄的异质结构中发现了基于反型层中二维电子运动的量子霍尔效应并获1985年诺贝尔物理学奖。
其后崔琦和施特默在超高纯半导体材料中又发现分数量子霍尔效应。
劳克林用量子流体的理论进行了解释，并与崔琦、斯特默（Stormer）分享了1998年诺贝尔物理学奖。
半导体异质结构的发展产生了更快的晶体管——高电子迁移率晶体管及性能更优良的激光器——双异质结激光器。
克罗默和阿尔弗洛夫因此获得2000年诺贝尔物理学奖。
1970年江崎玲於奈和朱兆祥首先提出超晶格的概念。
它是一种人造的周期性结构，其中电子的运动在一个方向上受到限制即电子在二维平面内运动，这种结构称为量子阱。
如果电子的运动在两个维度方向上均受到限制时，这种结构称为量子线。
半导体材料基础知识
半导体材料基础知识半导体材料基础知识newmaker导电能力介于导体与尽缘体之间的物质称为半导体。
半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10（U-3）～10（U-9）欧姆/厘米范围内。
半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺进少量杂质可以控制这类材料的电导率。
正是利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。
半导体材料是半导体产业的基础，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。
半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为以下几类。
1.元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。
50年代，锗在半导体中占主导地位，但锗半导体器件的耐高温顺抗辐射性能较差，到60年代后期逐渐被硅材料取代。
用硅制造的半导体器件，耐高温顺抗辐射性能较好，特别适宜制作大功率器件。
因此，硅已成为应用最多的一种增导体材料，目前的集成电路大多数是用硅材料制造的。
2.化合物半导体由两种或两种以上的元素化合而成的半导体材料。
它的种类很多，重要的有砷化镓、磷化锢、锑化锢、碳化硅、硫化镉及镓砷硅等。
其中砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料。
碳化硅由于其抗辐射能力强、耐高温顺化学稳定性好，在航天技术领域有着广泛的应用。
3.无定形半导体材料用作半导体的玻璃是一种非晶体无定形半导体材料，分为氧化物玻璃和非氧化物玻璃两种。
这类材料具有良好的开关和记忆特性和很强的抗辐射能力，主要用来制造阈值开关、记忆开关和固体显示器件。
4.有机增导体材料已知的有机半导体材料有几十种，包括萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用。
以非晶态半导体材料为主体制成的固态电子器件。
非晶态半导体固然在整体上分子排列无序，但是仍具有单晶体的微观结构，因此具有很多特殊的性质。
1975年，英国W.G.斯皮尔在辉光放电分解硅烷法制备的非晶硅薄膜中掺杂成功，使非晶硅薄膜的电阻率变化10个数目级，促进非晶态半导体器件的开发和应用。
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而且这种转移不一定有反 向电子的移动来抵消，于 是在导带中就会出现一个 定向的几率流密度，从宏 观看就是电流。即导带中 的电子是参与导电的，故 谓之导带。
E
空带 导 带
Eg
价带 （非满带）
禁 带
Chapter 15. 量子物理
§15.12 半导体
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二.固体的分类
固体按导电性能的高低可以分为
Ge
Ge
eG
Ge
Ge
e
e
Ge Ge
Ge
Ge
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§15.12 半导体
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1. 本征半导体：纯净的无杂质的半导体 在本征半导体中，电子和空穴同时参与导电。这些 电子和空穴称之为本征载流子。 2. 杂质半导体：掺有杂质的半导体 在本征半导体中，以扩散的方式掺入微量其它元素 的原子，这样的半导体称为杂质半导体。例如，在半 导体锗（Ge）中掺入百万分之一的砷（As），它的导 电率将提高数万倍。 杂质半导体，由于所掺杂质的类型不同，又可分为p 型半导体和n型半导体。
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（毫安）
外加正向电压越大， 正向电流也越大， 而且是呈非线性的 伏安特性.
３０
正向
２０
１０
0
0.2
（伏） V
1.0
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(2)反向偏压 在p-n结的ｐ型 区接电源负极,n区 接电源正极，叫反 向偏压。
Eg
禁带
导带
Eg
导带
满带
导带
导带
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三.本征半导体和杂质半导体
1. 本征半导体：纯净的无杂质的半导体 电子 锗晶体中的正常键
e
Eg
导带
禁带 满带 空穴
Ge Ge
Ge Ge
Ge Ge
Ge Ge
Ge
电子被激发，晶体中出现空穴
e
正常情况下，电子总是优先填能量较低的能级。
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4、满带,空带,价带,导带
满带：各能级都被电子填满的能带。满带中电子 不参与导电过程。
空带：与各原子的激发态能级相应的能带。 正常情况下没有电子填入。 价带：由价电子能级分裂而形成的能带。 价带能量最高，可能被填满，也可不满。 导带：空带和未被电子填满的价带统称为导带。
Si
Si
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由于此时导带中的电子，主要是由杂质中的多余电 子形成的局部能级受激跃迁所得，所以该局部能级 称为施主能级。 此时的杂质即称为施主杂质。
Si Si Si Si Si Si P Si
空带 施主能级 满带
ED
Eg
在n型半导体中: 电子……多数载流子
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2. p-n结的单向导电性 (１)正向偏压
E
I
在p-n结的p 型区接电源正极， n型区接电源负 极，叫正向偏压.
p型
E E阻
阻
n型
阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向n区运动， 电子向p区运动， 形成正向电流（mＡ级）．
V(伏)
-１０
反向
-２０ -３０
☆当外电场很强,反向电压超过某一数值后，反向 电流会急剧增大----反向击穿。
☆pn结正向导通，反向截止，这种特性即称之为pn 结的单向导电性。
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pn 结 的 伏 安 特 性 曲 线 p n
I
I
U
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半导体 2、半导体 价带也是满带。但其与最低空带间 的禁带宽度Eg较窄，一般只有0.1eV。 空带 因此满价带中的电子比绝缘体容易被 禁带 激发到最邻近的空带上去。 满价带 3、导体 凡价带为导带的固体即为导体。 导体的能带结构还有另外两种形式。
导 体 空带
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(1) n型半导体
在四价的本征半导体(如Si、Ge)中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。 Si Si Si Si P Si 量子力学的计算表明， 这种掺杂后多余的电子 的能级在禁带中紧靠空 （导）带处, ED～102eV，称之为局部能级。
固态晶体中,原子间距很小,原子数量(N个)巨大,使 得原有能级分裂成N个间距极小的子能级,几乎靠在 一起,形成能带。 原子中 的能级 晶体中的能带
E
E
固态晶 体的能带
2s
O
r
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2、能带的一般规律： （1）原子间距越小， 能带越宽，E越大。 （2）越是外层电子， 能带越宽，E越大。
n型
E阻
p-n结
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在pn结中有一个由n指向p的附加电场，称为内建场， 又称阻挡层。 内建场阻止电子 和空穴进一步扩散， 记作 E阻 ． 内建场大到一定 程度,不再有净电荷 的流动，达到了新 的动态平衡。
p型
n型
E阻
p-n结
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晶 体 的 能 带
E
空带 禁 带 导 带 禁 带 价带 （满带） 导 带
Eg
价带 （非满带）
Eg
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5、电子在能带中的填充运动
（1）满带中，由于所有量子态完全被电子所占据， 无论是热运动还是在外场中的运动，电子向各个方 向运动的几率都相同，故不能形成电流。
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1、绝缘体 价带是满带的固体，且与最邻近的空带间的能级 差很大，即为绝缘体。 从能级图上来看，是因 为满价带与空带之间有 一个较宽的禁带（Eg： 约3～6 eV），共有化电 子很难从低能级（满带） 跃迁到高能级（空带） 上去。
空带
绝缘体
禁带
满价带
Eg
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E
p型
E阻
n型
E阻
I
阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向n区运 动，也不利于电子向p区运动,没有正向电流。
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但是，由于少数 载流子的存在， 会形成很弱的反 向电流，称为漏 电流（Ａ级）
击穿电压
-30 -20
I（微安）
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由于该局部能级是收容从满价带中跃迁来的电子，该 能级称受主能级。此时的杂质即称为受主杂质。 Si Si Si
Si
空带
Si
Si
B
受主能级
满带
Eg ED
Si
在p型半导体中 空穴……多数载流子
电子……少数载流子
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一.固体的能带
1、能带的形成
完全分离的两个氢原子能级
2p 2s
1s
2p 2s
1s
e
A
e
+
e + B e
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U
p n
I
U
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3. p-n结的应用
利用pn结可以做成具有整流、开关等作用的晶体二 极管, pn结的适当组合可以作成具有放大作用的晶 体三极管，以及其他一些晶体管，还可以制成光电 池等。
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§15.12 半导体
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当原子靠得很近时,原先每个原子的能级因各原子 间的相互影响而分裂成一系列和原来能级很接近
的子能级。 两个氢原子靠 得很近时的能级分裂 六个氢原子靠 得很近时的能级分裂
E
E
2p
2s 1s
O
2s 1s
r
O
r
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E 2p
2s
（3） 两个能带有可能重叠。 禁带：两个相邻能带间 可能有一个不被允许的 能量间隔。 O r0
1s
离子间距
能带重叠示意图
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3、电子在能带中的分布：
（1）泡利不相容原理
每个子能级有 2(2l 1)个量子态，每个量子态容纳 的电子不能超过一个，每个能带最多容纳 2(2l 1) N 个电子（N是组成晶体的原子个数）。 （2）能量最小原理
空穴……少数载流子
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