半导体物理基础第一章课件共90页文档
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半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第1章-半导体材料的基本性质
简化为
J = pqv p
1.6.4 半导体的电阻率ρ
电阻率是半导体材料的一个重要参数，其值为电导率
的倒数。 1
1
ρ= =
σ nqμn + pqμ p
对于强P型和强N型半导体业有相应的简化。
从上面的公式可以看出，半导体电阻率的大小决定于 n, p, μn ,μp的具体数值，而这些参数又与温度有关， 所以电阻率灵敏的依赖于温度，这是半导体的重要 特点之一。
b) P型硅中电子和空穴 的迁移率
载流子的迁移率还要随温度而变化。
硅中载流子迁移率随温度变化的曲线 a) μn b) μp
1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度
设一个晶体样品如图所示， 以单位面积为底，以平 均漂移速度v为长度的矩 形体积。先求出电子电 流密度，设电场E为x方 向，在电场的作用下， 电子应沿着-x方向运动。
不论半导体中的杂质激发还是本征激发，都是依靠吸收 晶格热振动能量而发生的。由于晶格的热振动能量是随 温度变化的，因而载流子的激发也要随温度而变化。
载流子激发随温度的变化 a）温度很低 b）室温临近 c）温度较高 d）温度很高
伴随着温度的升高，半导体的费米能级也相应地发 生变化
杂质半导体费米能级随温度的变化 a）N型半导体 b）P型半导体
a)随机热运动 b) 随机热运动和外加电场作用下的运动合成
随机热运动的结果是没有电荷迁移，不能形成电流。
引入两个概念：
1. 大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值，称为平 均自由程，用λ表示，其典型值为10-5cm；
2. 两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间，用τ表示, 约为1ps；
建立了上述随机热运动的图像后，就可以比较实际地去 分析载流子在外加电场作用下的运动了。
半导体物理课件：第一章 半导体中的电子状态
14
1.1 半导体的晶格结构和结合性质
4. 闪锌矿结构和混合键
与金刚石结构的区别
▪ 共价键具有一定的极性 （两类原子的电负性不 同），因此晶体不同晶面 的性质不同。
▪ 不同双原子复式晶格。
常见闪锌矿结构半导体材料 ▪ Ⅲ-Ⅴ族化合物 ▪ 部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硒化汞，碲化汞等半金属材料。
2024/1/4
量子力学认为微观粒子（如电子）的运动须用波 函数来描述，经典意义上的轨道实质上是电子出 现几率最大的地方。电子的状态可用四个量子数 表示。 （主量子数、角量子数、磁量子数、自旋量子数）
▪ 能级存在简并
2024/1/4
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1.2 半导体中的电子状态和能带
▪ 电子共有化运动
原子中的电子在原子核的势场和其它电子的作用 下，分列在不同的能级上，形成所谓电子壳层 不同支壳层的电子分别用 1s;2s,2p;3s,3p,3d;4s…等符号表示，每一壳层对 应于确定的能量。
29
1.2 半导体中的电子状态和能带
▪ 金刚石结构的第一布里渊区是一个十四面体。
2024/1/4
30
1.2 半导体中的电子状态和能带
3. 导体、半导体、绝缘体的能带
能带产生的原因：
▪ 定性理论（物理概念）：晶体中原子之间的相 互作用，使能级分裂形成能带。
▪ 定量理论（量子力学计算）：电子在周期场中 运动，其能量不连续形成能带。
•结果每个二度简并的能级都分裂为二个彼此相距 很近的能级；两个原子靠得越近，分裂得越厉害。
2024/1/4
22
1.2 半导体中的电子状态和能带
▪ 内壳层的电子，轨道交叠少，共有化运动弱，可忽略 ▪ 外层的价电子，轨道交叠多，共有化运动强，能级分
半导体物理课件
结论:磷杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而 产生导电电子并形成正电中心。这种杂质称施主杂 质 。掺施主杂质后，导带中的导电电子增多，增 强了半导体的导电能力。
主要依靠导带电子导电的半导体称n型半导体。
*从Si的电子能量图看:
电离能的计算:
氢原子
En
mq4
(4 0 )2 22
1 n
（2）受主杂质 (Acceptor) p型半导体 Ⅳ族元素硅、锗中掺Ⅲ族元素,如硼（B）: *从si的共价键平面图看:
两边取对数并整理,得:
EF
1 2
EC ED
1 2
k0T
ln(
ND 2NC
)
ED起了本征EV 的作用
载流子浓度:
EC EF
EC
EF
n0 NCe k0T NCe k0T e k0T
ND NC
1
2
EC ED
e 2k0T
ND NC
1 2
ED
e 2k0T
2
2
(2)中温强电离区
N
D
n0 ND
（2）EF ~T
（3）EF ~掺杂（T一定，则NC也一定）
T一定，ND越大，EF越靠近EC（低温： ND > NC 时 , ND
(ln ND -ln2 NC)
ND < NC 时, ND
|ln ND -ln2 NC| 中温：由于T的升高， NC增加，使ND < NC ， ND
B13:1S22S22P63S23P1 B有三个价电子,当它与周围的四
个Si原子形成共价键时，必须从别 处的硅原子中夺取一个价电子,共价 键中缺少一个价电子，产生空穴。 硼原子接受一个电子后，成为带负 电的硼离子。 B- —负电中心.
(第一章)半导体物理ppt课件
下这些部分占满的能带中的电子将参与导电。由于绝缘
体的禁带宽度很大，电子从价带激发到导带需要很大能
量，所以通常温度下绝缘体中激发到导带去的电子很少，
导电性差；半导体禁带比较小（数量级为1eV），在通常
温度下有不少电子可以激发到导带中去，所以导电能力
比绝缘体要好。
最新课件
27
§1.3 半导体中电子（在外力下）的运动 及有效质量
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
⒉波函数
德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性。 自由粒子的波长、频率、动量、能量有如下关系
Eh P h k
即：具有确定的动量和确定能量的自由粒子，相当 于频率为ν和波长为λ的平面波，二者之间的关系 如同光子与光波的关系一样。
书中(1-13)
最新课件
16
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
布洛赫曾经证明，满足式(1-13)的波函数一定具有 如下形式：
k(x)uk(x)eikx 书中(1-14)
式中k为波数，u k ( x是) 一个与晶格同周期的周期性函 数，即：
uk(x)uk(xna)
1.3.1半导体导带中E(k)与k 的关系
定性关系如图所示 定量关系必须找出E(k)函数带底附近E（k）与k的关 系
用泰勒级数展开可以近似求出极值附近的E(k)与k 的关系，以一维情况为例，设能带底位于k＝0，将 E(k)在E ( kk ＝) 0E 附(0 近) 按(d 泰d勒)E k k 级0k 数 展1 2(开d d 2 ，E 2k )取k 0 至k2 k项2 ，得到
K=0时能量极小，所以(ddEk)k0k ，0因而
大学物理课件半导体基础 共94页PPT资料
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
(1-3)
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时， 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出 的电容是势垒电容。
-N
扩散电容：为了形成正向电流
+
（扩散电流），注入P 区的少子
P
（电子）在P 区有浓度差，越靠
近PN结浓度越大，即在P 区有电
子的积累。同理，在N区有空穴的
积累。正向电流大，积累的电荷
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
(1-8)
二、本征半导体的导电机理 1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。
i
iL
稳压管的技术参数:
UzW10V,Izmax20mA, ui
R
DZ
iZRL uo
Izmin5mA
负载电阻 RL 2k。要求当输入电压由正常值发
生20%波动时，负载电压基本不变。
求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
(1-3)
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时， 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出 的电容是势垒电容。
-N
扩散电容：为了形成正向电流
+
（扩散电流），注入P 区的少子
P
（电子）在P 区有浓度差，越靠
近PN结浓度越大，即在P 区有电
子的积累。同理，在N区有空穴的
积累。正向电流大，积累的电荷
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
(1-8)
二、本征半导体的导电机理 1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。
i
iL
稳压管的技术参数:
UzW10V,Izmax20mA, ui
R
DZ
iZRL uo
Izmin5mA
负载电阻 RL 2k。要求当输入电压由正常值发
生20%波动时，负载电压基本不变。
求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。
《半导体物理基础》课件
当电子从导带回到价带时，会释 放能量并发出光子，这就是发光 效应。发光效应是半导体的一个 重要应用，如发光二极管和激光 器等。
04 半导体中的载流子输运
CHAPTER
载流子的产生与复合
载流子的产生
当半导体受到外界能量（如光、热、电场等）的作用时，其 内部的电子和空穴的分布状态会发生改变，导致电子和空穴 从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
06 半导体物理的应用与发展趋势
CHAPTER
半导体物理在电子器件中的应用
01
02
03
晶体管
利用半导体材料制成的晶 体管是现代电子设备中的 基本元件，用于放大、开 关和整流信号。
集成电路
集成电路是将多个晶体管 和其他元件集成在一块芯 片上，实现特定的电路功 能。
太阳能电池
利用半导体的光电效应将 光能转化为电能，太阳Hale Waihona Puke 电池是可再生能源的重要 应用之一。
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响
04 半导体中的载流子输运
CHAPTER
载流子的产生与复合
载流子的产生
当半导体受到外界能量（如光、热、电场等）的作用时，其 内部的电子和空穴的分布状态会发生改变，导致电子和空穴 从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
06 半导体物理的应用与发展趋势
CHAPTER
半导体物理在电子器件中的应用
01
02
03
晶体管
利用半导体材料制成的晶 体管是现代电子设备中的 基本元件，用于放大、开 关和整流信号。
集成电路
集成电路是将多个晶体管 和其他元件集成在一块芯 片上，实现特定的电路功 能。
太阳能电池
利用半导体的光电效应将 光能转化为电能，太阳Hale Waihona Puke 电池是可再生能源的重要 应用之一。
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响
半导体物理 第一章正文ppt
****无法做出更详细、更统一的描述
5，晶体中结点的不同排列，均是由原子核
及核外电子的相互作用特点所决定的 。
二、量子理论概述
讨论范围：
量子理论的
基本概念（观念）， 基本关系式，
基本结论，
基本做法 。
量子理论的讨论对象适用对象：微观世界的随机过程
本教材、本授课中，处理问题的方法， 基本上是“半经典半量子化的（量子理 论与经典理论结合在一起使用）”，有 时又是“准经典的”，请在学习过程中 加以体会。
电子自旋角动量：
3 2
（4）轨道磁量子数
ml ：
轨道角动量在z轴投影，其大小为：ml
对一个
l
ml l ,(l 1),,0,, (l 1),l
l l l
l 2 l 1
l
取值， ml 有 (2l 1) 个取值：
z
（5）自旋磁量子数
ms：
自旋角动量在z轴投影，其大小： ms 对一个s取值，
定态薛定谔方程：
2 V (r ) (r ) E (r ) 2m
2
量子理论中用波函数描述物理状态，波 函数是“几率函数”，由之可知某物理 量取某值的几率。 E为粒子能量
物理量的平均值： Q
ˆ (r )Q (r )dr
ˆ p p i, i j k (梯度算子) x y z
坐标表象：
ˆ rp L L ˆ ˆ
2 ˆ i V (r ) EH t 2m
2
H=T+V
h 2
p2/2m
物理量的量子化： 物理量的取值觃律
*
5，晶体中结点的不同排列，均是由原子核
及核外电子的相互作用特点所决定的 。
二、量子理论概述
讨论范围：
量子理论的
基本概念（观念）， 基本关系式，
基本结论，
基本做法 。
量子理论的讨论对象适用对象：微观世界的随机过程
本教材、本授课中，处理问题的方法， 基本上是“半经典半量子化的（量子理 论与经典理论结合在一起使用）”，有 时又是“准经典的”，请在学习过程中 加以体会。
电子自旋角动量：
3 2
（4）轨道磁量子数
ml ：
轨道角动量在z轴投影，其大小为：ml
对一个
l
ml l ,(l 1),,0,, (l 1),l
l l l
l 2 l 1
l
取值， ml 有 (2l 1) 个取值：
z
（5）自旋磁量子数
ms：
自旋角动量在z轴投影，其大小： ms 对一个s取值，
定态薛定谔方程：
2 V (r ) (r ) E (r ) 2m
2
量子理论中用波函数描述物理状态，波 函数是“几率函数”，由之可知某物理 量取某值的几率。 E为粒子能量
物理量的平均值： Q
ˆ (r )Q (r )dr
ˆ p p i, i j k (梯度算子) x y z
坐标表象：
ˆ rp L L ˆ ˆ
2 ˆ i V (r ) EH t 2m
2
H=T+V
h 2
p2/2m
物理量的量子化： 物理量的取值觃律
*
《半导体物理第一章》课件
3
1.3.3 pn结的I-V特性
详细解释pn结的I-V特性曲线，包括正向和反向电流的变化。
1.4 光电应及其在太 阳能电池中的应用。
2 1.4.2 光电二极管
阐述光电二极管的原理 及其在通信和显示技术 中的应用。
3 1.4.3 光电池
讨论光电池的构造、工 作原理和应用领域。
1.5 半导体器件的制作技术
晶体生长
介绍半导体晶体生长方法和技 术，如Czochralski法和液相外 延。
晶体制备
讨论半导体晶体的切割、抛光 和清洗等制备工艺。
制作半导体器件
概述半导体器件制作的关键步 骤，包括光刻、扩散和金属沉 积等工艺。
1.6 总结与展望
1.6.1 半导体物理的应用前景
评估半导体物理在电子技术、通信和能源领域 的未来发展。
1.1 半导体材料的基本性质
半导体的定义
介绍半导体的定义，以及其与导体和绝缘体的区别。
半导体的基本性质
探讨半导体的导电性、禁带宽度、载流子等基本特性。
半导体的能带结构
解释能带理论，讨论导带与禁带之间的能量差异对电子行为的影响。
1.2 掺杂半导体
1.2.1 掺杂的概念
介绍半导体掺杂的概念，包 括n型和p 型半导体的区别。
《半导体物理第一章》 PPT课件
An engaging and comprehensive introduction to the fundamental properties of semiconductor materials and their applications in electronic devices.
1.2.2 正、负离子掺 杂
说明正、负离子掺杂对半导 体电子结构的影响。
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1.6杂质能级
• 施主电离能：导带底和施主能及之间的 能量间隔，称为施主电离能EI。
• 在只有施主杂质的半导体中，在温度较 低时，价带中能够激发到导带的电子很 少，起导电作用的主要是从施主能级激 发到导带的电子。
20
1.6杂质能级
• 2、受主杂质和受主能级（P型半导体） • Ⅲ族杂质元素中最通用的是硼。 • 硼原子在取代原晶体结构中的原子并构
si
si
si
si
si
si
si
si
si
2
1.2 能带
• 二、能带结构与原子间距的关系 • 随着原子间距的缩小，能带结构发生的
变化依次为各能级分立、出现能级分裂、 合并为一个能带、再次出现能级分裂等 过程。 • 在“实际硅晶体原子间距”位置，共分 裂为两个能带，较低的能带被价电子填 满，较高的能带是空的。
• 受主杂质很容易从价带接 收一个电子——受主电离 能很小，因此受主能级位 于价带之上，并距离很近。
23
1.6杂质能级
• 受主杂质电离的另外一种表述：把中性 的受主杂质看成带负电的硼离子在它周 围束缚一个带正点的空穴，把受主杂质 从价带接收一个电子的电离过程，看做 被硼离子束缚的空穴被激发的导带的过 程。
• 禁带宽度：电子从价带激发到导带所需要 的最小能量。
10
1.4导带电子和价带孔穴
• 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。
• 导体具有任何温度下电子部分填满的导 带。
• 图1-5：不同导电性物质电子填充能带情 况。
• 当电子被束缚在施主杂质周围时，施主 杂质称为中性施主；失去电子之后的施 主杂质称为电离施主。
• 掺入施主杂质的半导体为N（Negative） 型半导体。施主杂质的浓度记为ND。
18
1.6杂质能级
• 电离施主提供了一个局域 化的电子态，相应的能级 称为施主能级—Ed。
• 由于电子从施主能级激发 到导带所需要的能量—— 杂质电离能很小，因此失 主能级位于导带底之下， 并距离很近。
1.2 能带
一、能带的形成 • 能级：电子所处的能量状态。 • 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。
1• 右图为硅 晶体的来自 子间相互 作用示意 图1.2 能带
3
1.2 能带
合并为一个能带 出现能级分裂 导带
价带
实际硅晶体原子间距
4
1.2 能带
• 三、简化的能带结构 • 图1-3 • 导带：接收被激发的电子（对于半导体） • 价带：通常被价电子填满（对于半导体） • EC：导带底的能量 • EV：价带顶的能量 • E量G，：是禁材带料宽特度有，的是重打要破特共性价。键所需的最小能
和价带中的空穴，二者统称为载流子。 • 价带顶附近存在少量空穴的问题，和导
带底附近存在少量电子的问题，十分相 似。
13
1.5 硅、锗、砷化镓的能带结构
• P18，图1.6和图1.7 • 在300K的禁带宽度： • 硅：1.12eV 锗：0.67eV 砷化镓：1.43eV • 1.6杂质能级 • 为了改善半导体的导电性，通常会加入
适当的杂质，在禁带中引入相应的杂质 能级。
14
1.6杂质能级
• 在实际的半导体材料中，总是不可避免 的存在各种类型的缺陷。
• 为了改善半导体的导电性，通常会加入 适当的杂质。
• 在禁带中引入相应的杂质能级和缺陷能 级。
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1.6杂质能级
• 硅的四面体结构， 每个小棒代表了 一个共价键。
• 杂质以替位的方 式掺入硅晶体中。
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1.4导带电子和价带孔穴
• 半导体的导电过程：电子受到外界条件 激发（如温度），获得能量，到达导带， 从而形成不满带。
• 半导体的电导率受温度影响很大。
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1.4导带电子和价带孔穴
• 2、空穴 • 价带顶附近的一些电子被激发到导带后，
留下一些空状态，称为空穴。 • 半导体中参与导电的有：导带中的电子
16
1.6杂质能级
• 1、施主杂质和施主能级（N型半导体） • Ⅴ族杂质元素中最通用的是磷。 • 磷原子在取代原晶体结构中的原子并构
成共价键时，多余的第五个价电子很容 易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子。 这个电子可以进入导带，称为导带电子。 • 如图1.8所示
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1.6杂质能级
• 施主Donor，掺入半导体的杂质原子向半 导体中提供导电的电子。
成共价键时，将因缺少一个价电子而形 成一个空穴，于是半导体中的空穴数目 大量增加。
21
1.6杂质能级
• Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导 体中提供导电的空穴，并成为带负电的 离子。
• 掺入受主杂质的半导体为P（Positive）型 半导体。施主杂质的浓度记为NA。
22
1.6杂质能级
• 受主接受电子称为受主杂 志，提供了一个局域化的 电子态，相应的能级称为 受主能级—Ea。
8
1.4导带电子和价带孔穴
• 绝缘体的禁带很宽，即使温度升高，电 子也很难从满带激发到空带，因此很难 导电。
• 半导体的禁带较窄，在一定温度下，电 子容易从满带激发到空点，形成不满带， 从而导电。
9
1.4导带电子和价带孔穴
• 价带：绝对0度条件下，半导体最上面的 满带被价电子填充，称为价带。
• 导带：绝对0度条件下，价带上面的空带 能够接收从满带激发来的电子，从而能够 导电，因此也称为导带。
只有少量电子离开价带形成不满带，才 能实现导电
7
1.4导带电子和价带孔穴
• 按照能带被电子填充的情况来分析金属、 半导体和绝缘体：
• 金属：被电子填充的最高能带是不满的， 而且能带中的电子密度很高，所以金属 有良好的导电性。
• 绝缘体和半导体：在绝对零度时，被电 子占据的最高能带是满的，没有不满的 能带存在。因此不能导电。
5
1.3 有效质量
• 有效质量m*：考虑了晶格对于电子 运动的影响并对电子静止质量进行 修正后得到的值。
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1.4导带电子和价带孔穴
• 1、金属、半导体和绝缘体的区别 • 空带、满带和不满带 • 能带理论提出：一个晶体是否具有导电
性，关键在于它是否有不满的能带存在。 • 在常温下，半导体的价电子填满价带，
1.6杂质能级
• 施主电离能：导带底和施主能及之间的 能量间隔，称为施主电离能EI。
• 在只有施主杂质的半导体中，在温度较 低时，价带中能够激发到导带的电子很 少，起导电作用的主要是从施主能级激 发到导带的电子。
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1.6杂质能级
• 2、受主杂质和受主能级（P型半导体） • Ⅲ族杂质元素中最通用的是硼。 • 硼原子在取代原晶体结构中的原子并构
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1.2 能带
• 二、能带结构与原子间距的关系 • 随着原子间距的缩小，能带结构发生的
变化依次为各能级分立、出现能级分裂、 合并为一个能带、再次出现能级分裂等 过程。 • 在“实际硅晶体原子间距”位置，共分 裂为两个能带，较低的能带被价电子填 满，较高的能带是空的。
• 受主杂质很容易从价带接 收一个电子——受主电离 能很小，因此受主能级位 于价带之上，并距离很近。
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1.6杂质能级
• 受主杂质电离的另外一种表述：把中性 的受主杂质看成带负电的硼离子在它周 围束缚一个带正点的空穴，把受主杂质 从价带接收一个电子的电离过程，看做 被硼离子束缚的空穴被激发的导带的过 程。
• 禁带宽度：电子从价带激发到导带所需要 的最小能量。
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1.4导带电子和价带孔穴
• 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。
• 导体具有任何温度下电子部分填满的导 带。
• 图1-5：不同导电性物质电子填充能带情 况。
• 当电子被束缚在施主杂质周围时，施主 杂质称为中性施主；失去电子之后的施 主杂质称为电离施主。
• 掺入施主杂质的半导体为N（Negative） 型半导体。施主杂质的浓度记为ND。
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1.6杂质能级
• 电离施主提供了一个局域 化的电子态，相应的能级 称为施主能级—Ed。
• 由于电子从施主能级激发 到导带所需要的能量—— 杂质电离能很小，因此失 主能级位于导带底之下， 并距离很近。
1.2 能带
一、能带的形成 • 能级：电子所处的能量状态。 • 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。
1• 右图为硅 晶体的来自 子间相互 作用示意 图1.2 能带
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1.2 能带
合并为一个能带 出现能级分裂 导带
价带
实际硅晶体原子间距
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1.2 能带
• 三、简化的能带结构 • 图1-3 • 导带：接收被激发的电子（对于半导体） • 价带：通常被价电子填满（对于半导体） • EC：导带底的能量 • EV：价带顶的能量 • E量G，：是禁材带料宽特度有，的是重打要破特共性价。键所需的最小能
和价带中的空穴，二者统称为载流子。 • 价带顶附近存在少量空穴的问题，和导
带底附近存在少量电子的问题，十分相 似。
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1.5 硅、锗、砷化镓的能带结构
• P18，图1.6和图1.7 • 在300K的禁带宽度： • 硅：1.12eV 锗：0.67eV 砷化镓：1.43eV • 1.6杂质能级 • 为了改善半导体的导电性，通常会加入
适当的杂质，在禁带中引入相应的杂质 能级。
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1.6杂质能级
• 在实际的半导体材料中，总是不可避免 的存在各种类型的缺陷。
• 为了改善半导体的导电性，通常会加入 适当的杂质。
• 在禁带中引入相应的杂质能级和缺陷能 级。
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1.6杂质能级
• 硅的四面体结构， 每个小棒代表了 一个共价键。
• 杂质以替位的方 式掺入硅晶体中。
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1.4导带电子和价带孔穴
• 半导体的导电过程：电子受到外界条件 激发（如温度），获得能量，到达导带， 从而形成不满带。
• 半导体的电导率受温度影响很大。
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1.4导带电子和价带孔穴
• 2、空穴 • 价带顶附近的一些电子被激发到导带后，
留下一些空状态，称为空穴。 • 半导体中参与导电的有：导带中的电子
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1.6杂质能级
• 1、施主杂质和施主能级（N型半导体） • Ⅴ族杂质元素中最通用的是磷。 • 磷原子在取代原晶体结构中的原子并构
成共价键时，多余的第五个价电子很容 易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子。 这个电子可以进入导带，称为导带电子。 • 如图1.8所示
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1.6杂质能级
• 施主Donor，掺入半导体的杂质原子向半 导体中提供导电的电子。
成共价键时，将因缺少一个价电子而形 成一个空穴，于是半导体中的空穴数目 大量增加。
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1.6杂质能级
• Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导 体中提供导电的空穴，并成为带负电的 离子。
• 掺入受主杂质的半导体为P（Positive）型 半导体。施主杂质的浓度记为NA。
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1.6杂质能级
• 受主接受电子称为受主杂 志，提供了一个局域化的 电子态，相应的能级称为 受主能级—Ea。
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1.4导带电子和价带孔穴
• 绝缘体的禁带很宽，即使温度升高，电 子也很难从满带激发到空带，因此很难 导电。
• 半导体的禁带较窄，在一定温度下，电 子容易从满带激发到空点，形成不满带， 从而导电。
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1.4导带电子和价带孔穴
• 价带：绝对0度条件下，半导体最上面的 满带被价电子填充，称为价带。
• 导带：绝对0度条件下，价带上面的空带 能够接收从满带激发来的电子，从而能够 导电，因此也称为导带。
只有少量电子离开价带形成不满带，才 能实现导电
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1.4导带电子和价带孔穴
• 按照能带被电子填充的情况来分析金属、 半导体和绝缘体：
• 金属：被电子填充的最高能带是不满的， 而且能带中的电子密度很高，所以金属 有良好的导电性。
• 绝缘体和半导体：在绝对零度时，被电 子占据的最高能带是满的，没有不满的 能带存在。因此不能导电。
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1.3 有效质量
• 有效质量m*：考虑了晶格对于电子 运动的影响并对电子静止质量进行 修正后得到的值。
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1.4导带电子和价带孔穴
• 1、金属、半导体和绝缘体的区别 • 空带、满带和不满带 • 能带理论提出：一个晶体是否具有导电
性，关键在于它是否有不满的能带存在。 • 在常温下，半导体的价电子填满价带，