半导体器件物理 Chapter2 半导体物理基础知识
半导体物理与器件的基本原理解析
半导体物理与器件的基本原理解析半导体是一种能够在一定条件下既能导电又能绝缘的物质，因其在电子学领域的广泛应用而备受关注。
本文将对半导体物理及器件的基本原理进行解析，为读者提供更全面的了解。
一、半导体物理基础1. 原子结构半导体是由原子构成的，涉及到原子的结构和性质非常重要。
原子包含了原子核和绕核运动的电子。
每个原子都有自己的特定电子结构和能级分布。
2. 能带理论能带理论是解释电子在固体中运动的模型。
根据能带理论，固体的电子能级可以分为多个能带，其中最高填充的被称为价带，最低未被填充的被称为导带。
价带与导带之间的能量间隙称为禁带宽度。
3. 共价键与禁带在半导体中，原子通过共价键形成晶体。
共价键是由原子之间的电子互相共享形成的。
晶体中的共价键形成了价带，而禁带宽度是导带和价带之间的能隙。
二、半导体器件原理解析1. P-N 结P-N 结是最基本也是最重要的半导体器件。
它由一片N型半导体和一片P型半导体组成。
在P-N 结中，P型半导体中的空穴与N型半导体中的电子发生重组，产生了一个空穴-电子对。
这种特殊的结构和电子重组现象使得P-N 结具有二极管特性。
2. 二极管二极管是一种基本半导体器件，它由P-N 结组成。
二极管具有一个P型区域和一个N型区域，其中P型区域为阳极，N型区域为阴极。
正向偏置时，电流可以流过二极管；反向偏置时，电流无法通过二极管。
3. 晶体管晶体管是一种用来放大和开关电信号的半导体器件。
它由三个区域构成：发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。
晶体管的工作原理是通过外加电压控制基区的电流，从而控制集电极和发射极之间的电流流动。
4. MOSFETMOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种常见的半导体器件，用于放大和开关电信号。
MOSFET由金属栅极、绝缘层和半导体通道构成。
通过改变栅极电压，可以控制通道中的电流。
5. 整流器整流器是一种将交流电转换为直流电的设备。
半导体物理的基础知识
半导体物理的基础知识半导体物理是研究半导体材料及其电子行为的一门学科。
半导体是介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电子特性。
本文将介绍半导体物理的基础知识，包括半导体材料的结构、能带理论、杂质掺杂以及PN结等内容。
一、半导体材料的结构半导体材料是由单晶、多晶或非晶三种形态构成。
单晶是指晶体结构完整、无缺陷的材料，拥有良好的导电性能。
多晶是由多个晶粒组成，晶界存在缺陷，导电性能较差。
非晶的特点是结构无序，导电性能较差。
半导体材料的基本结构由共价键和离散缺陷构成。
共价键是指半导体材料中相邻原子之间的化学键，它保持了材料的稳定性。
离散缺陷是指晶体中出现的缺陷，如杂质、空穴等。
这些离散缺陷的存在对半导体材料的导电性能有重要影响。
二、能带理论能带理论是解释物质的导电性能的基础理论。
根据这一理论，半导体材料的电子行为与能带结构有密切关系。
能带是电子能量的分布区域，分为价带和导带两部分。
价带中的电子具有固定位置，不能自由移动；而导带中的电子能够自由移动。
在纯净的半导体中，价带带满，导带没有电子。
半导体的导电性能是通过在半导体中掺入适量的杂质来改变的。
杂质的掺入会导致新的能带形成，同时增加或减少可自由移动的电子数量。
掺杂过程中形成的能带被称为禁带，其能量介于价带和导带之间。
三、杂质掺杂杂质掺杂是一种通过引入少量外来原子来改变半导体材料导电性能的方法。
根据杂质掺入的原子种类不同，可以分为n型和p型两种半导体。
n型半导体是通过掺入五价元素，如磷（P）或砷（As），在半导体中形成额外的自由电子，增加导电性能。
这些自由电子会填满主导带，并进入导带，从而形成导电能力。
n型半导体表现为电子富余。
p型半导体是通过掺入三价元素，如硼（B）或铋（Bi），在半导体中形成额外的空穴，增强导电性能。
空穴是一种电子缺失的状态，它通过与晶格中的自由电子结合来传导电荷。
p型半导体表现为电子贫缺。
四、PN结PN结是将p型半导体和n型半导体通过一定方法连接而成的结构。
第二章 半导体物理基础2
1、硅、锗原子的简化模型
• 半导体元素：均为四价元素
半导体结构的描述
• 两种理论体系
– 共价键 结构 – 能级能带 结构
共价键结构（平面图）
2、半导体中的载流子
• 载流子(Carrier) 指半导体结构中获得运动能 量的带电粒子。 • 有温度环境就有载流子。 • 绝对零度（-2730C）时晶体中无自由电子。
• 其中 Pp≈Na（受主杂质浓度）Fra bibliotek得出结论
• 杂质半导体少子浓度 – 主要由本征激发（Ni2）决定的（和温度 有关） • 杂质半导体多子浓度 – 由搀杂浓度决定（是固定的）
2.1.4 半导体中的电流
• 半导体中有 两种电流 – 漂移电流 漂移电流(Drift Current) – 扩散电流(Diffusion Current) 扩散电流(Diffusion
§2.2 PN结与半导体二极管
• PN结是构成半导体器件的 核心结构 核心结构。 • PN结是指使用半导体工艺使N型和P型半导 体 结合处所形成的 特殊结构。 特殊结构 • PN结是半导体器件的 心脏。
2.2.1 PN结的形成
• PN结形成“三步曲 三步曲” 三步曲
（1）多数载流子的 扩散运动 扩散运动。 （2）空间电荷区和少数载流子的 漂移运动 漂移运动。 （3）扩散运动与漂移运动的 动态平衡 动态平衡。
其中 CTO ------外加电压 v=0 时的CT
n ----- 系数（决定于材料的杂质分布，一般取
Vr---- --1/2~1/3）。 PN结内建电压
势垒电容CT原理（图）
（2）扩散电容 CD 扩散电容
• PN结外加正向偏置时，引起 扩散 浓度梯度变化 出现的电容（电荷） 效应。
半导体器件物理 课件 第二章
(e) 曝光后去掉扩散窗口 （f)腐蚀SiO2后的晶片 胶膜的晶片
10
引言
•采用硅平面工艺制备结的主要工艺过程
SiO2
N Si N+
P Si
N+
SiO2
N Si
(g)完成光刻后去胶的晶片
(h)通过扩散（或离子注入）形成 P-N结
金属
金属
P Si N+
SiO2
N Si
P Si
金 属
（2-2-11） （2-2-12）
在注入载流子的区域，假设电中性条件完全得到满足，则少数载流子由于 被中和，不带电，通过扩散运动在电中性区中输运。这称为扩散近似。于 是稳态载流子输运满足扩散方程
。
28
2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性
29
2.3 理想P-N结的直流电流-电压特性
理想的P-N结的基本假设及其意义
硅表面二氧化硅薄膜的生长方法： 热氧化和化学气相沉积方法。
5
•
扩散工艺：
•由于热运动，任何物质都有一种从浓度高处向浓度低 处运动，使其趋于均匀的趋势，这种现象称为扩散。 •常用扩散工艺：液态源扩散、片状源扩散、固 -固扩散、 双温区锑扩散。
•液态源扩散工艺：使保护气体（如氮气）通过含有扩 散杂质的液态源，从而携带杂质蒸汽进入高温扩散炉中。 在高温下杂质蒸汽分解，在硅片四周形成饱和蒸汽压， 杂质原子通过硅片表面向内部扩散。 6
102
101
1.0
10
VR ,V
(a)
VR ,V
(b)
图 2-6 耗尽层宽度随外加反偏压变化的实验结果与计算结果 （a） x j
1m 和（b） x j 10 m 10 20 / cm 3
半导体物理和器件物理基础
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：GaP、ZnS
半导体的主要特点
（1）在纯净的半导体材料中，电导率随温 度的上升而指数增加 （2）半导体中杂质的种类和数量决定着半 导体的电导率，而且在掺杂情况下，温度 对电导率的影响较弱 （3）在半导体中可以实现非均匀掺杂 （4）光的幅射、高能电子等注入可以影响 半导体的电导率
热平衡状态：恒温稳定状态，且并无任何 外来干扰，如照光、压力或电场。 热平衡状态下，电子-空穴的产生和复合达 到平衡，载流子浓度不变。
微观：热平衡条件下的载流子浓度
导带中的电子浓度可将电子浓度n(E)由导带底端 Ec积分到顶端Etop：
n
Etop
Ec
n( E )dE
Etop
绝缘体： 例如 水晶、金刚石、SiO2、Si3N4 等；
~ 电子不能自由运动 ——没有自由电子。
半导体： 例如 Si、Ge、GaAs、GaN、InP 等； ~ 电子能否自由运动？——有无自由电子？
通常金属的电导率为106-104（ cm）-1，绝缘体的 电导率小于10-10（ cm）-1，电导率在104-10-10 （ cm ）-1之间的固体称为半导体。 半导体和金属的区别在于半导体中存在禁带，金 属中没有；
一、能带理论
1、原子能级与晶体能级 1）能级（Energy Level）
在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层 排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层 上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级 分布。 用一条条高低不同的水平线表示电子的能级
第二章 半导体物理和半导体器件物理基础图文
如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻
率相应地降低50%左右
反之，纯净半导体在低温下的电阻率很高，呈
现出绝缘性
几种材料电阻率与温度的关系：
绝 缘 体
R
半导体
T
微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比 如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电 阻率在室温下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力 如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照 时的暗电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下 降为几十KΩ 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而 改变即半导体的导电能力可以由外界控制
电离受主 B 价带空穴
使空穴摆脱受主束缚的能 量就是受主的电离能 受主杂质B的电离能很小， 只有0.045eV，因此受主 上的空穴几乎都能全部电 离，形成自由导电的空穴。
3.有机半导体
有机半导体通常分为有机分子晶体、有机分子络 合物和高分子聚合物。 酞菁类及一些多环、稠环化合物，聚乙炔和环化 脱聚丙烯腈等导电高分子，他们都具有大π键结 构。
2.2 半导体中的载流子
2.2.1 半导体的能带
量子态和能级
电子的微观运动服从不同于一般力学的量子力学规律， 其基本的特点包含以下两种运动形式： （1）电子做稳恒的运动，具有完全确定的能量。这种恒 稳的运动状态称为量子态，相应的能量称为能级。 （2）一定条件下（原子间相互碰撞，或者吸收光能量 等），电子可以发生从一个量子态转移到另一个量子态 的突变，这种突变叫做量子跃迁。 **量子态的最根本的特点是只能取某些特定的值，而不能 取随意值。
半导体物理知识点总结(最新最全)
一、半导体物理知识大纲➢核心知识单元A：半导体电子状态与能级（课程基础——掌握物理概念与物理过程、是后面知识的基础）→半导体中的电子状态（第1章）→半导体中的杂质和缺陷能级（第2章）➢核心知识单元B：半导体载流子统计分布与输运（课程重点——掌握物理概念、掌握物理过程的分析方法、相关参数的计算方法）→半导体中载流子的统计分布（第3章）→半导体的导电性（第4章）→非平衡载流子（第5章）➢核心知识单元C：半导体的基本效应（物理效应与应用——掌握各种半导体物理效应、分析其产生的物理机理、掌握具体的应用）→半导体光学性质（第10章）→半导体热电性质（第11章）→半导体磁和压阻效应（第12章）二、半导体物理知识点和考点总结第一章半导体中的电子状态本章各节内容提要：本章主要讨论半导体中电子的运动状态。
主要介绍了半导体的几种常见晶体结构，半导体中能带的形成，半导体中电子的状态和能带特点，在讲解半导体中电子的运动时，引入了有效质量的概念。
阐述本征半导体的导电机构，引入了空穴散射的概念。
最后，介绍了Si、Ge和GaAs的能带结构。
在1.1节，半导体的几种常见晶体结构及结合性质。
（重点掌握）在1.2节，为了深入理解能带的形成，介绍了电子的共有化运动。
介绍半导体中电子的状态和能带特点，并对导体、半导体和绝缘体的能带进行比较，在此基础上引入本征激发的概念。
（重点掌握）在1.3节，引入有效质量的概念。
讨论半导体中电子的平均速度和加速度。
（重点掌握）在1.4节，阐述本征半导体的导电机构，由此引入了空穴散射的概念，得到空穴的特点。
（重点掌握）在1.5节，介绍回旋共振测试有效质量的原理和方法。
（理解即可）在1.6节，介绍Si、Ge的能带结构。
（掌握能带结构特征）在1.7节，介绍Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带结构，主要了解GaAs的能带结构。
（掌握能带结构特征）本章重难点：重点：1、半导体硅、锗的晶体结构（金刚石型结构）及其特点；三五族化合物半导体的闪锌矿型结构及其特点。
半导体物理 第二章 PN结 图文
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第二章 PN结
引言
4-4 外延工艺：
外延是一种薄膜生长工艺，外延生长是在单晶衬底上沿晶体 原来晶向向外延伸生长一层薄膜单晶层。
外延工艺可以在一种单晶材料上生长另一种单晶材料薄膜。
外延工艺可以方便地形成不同导电类型，不同杂质浓度，杂 质分布陡峭的外延层。
外延技术：汽相外延(PVD，CVD）、液相外延（LPE）、分 子束外延（MBE）、热壁外延（HWE）、原子层外延技术。
硅平面工艺的主体
国家级精品课程——半导体器件物理与实验
第二章 PN结
引言
4-1 氧化工艺：
1957年，人们发现硅表面的二氧化硅层具有阻止杂质向硅内 扩散的作用。这一发现直接导致了氧化工艺的出现。 二氧化硅薄膜的作用： （1）对杂质扩散的掩蔽作用； （2）作为MOS器件的绝缘栅材料； （3）器件表面钝化作用； （4）集成电路中的隔离介质和绝缘介质； （5）集成电路中电容器元件的绝缘介质。 硅表面二氧化硅薄膜的生长方法： 热氧化和化学气相沉积方法。
N(x) （a）
Na
Nd xj
（b） -a(x - xj)
引言
扩 SiO2 散 结 N-Si
杂质扩散
P
N-Si
N-Si
由扩散法形成的P-N结，杂质浓度从P区到N区是
逐渐变化的，通常称之为缓变结，如图所示。设 P-N结位置在x=xj处，则结中的杂质分布可表示为： x
Na Nd (x xj), Na Nd (x xj)
Al
液体
Al
P
N-Si
N-Si
N-Si
把一小粒铝放在一块N型单晶硅片上， 加热到一定温度，形成铝硅的熔融体， 然后降低温度，熔融体开始凝固，在N 型硅片上形成含有高浓度铝的P型硅薄 层，它和N型硅衬底的交界面即为P-N 结（称之为铝硅合金结）。
半导体器件物理学习资料二
半导体器件物理
第二章 P-N结
当两块半导体结合形成P-N结时，按照费米能级的意义，
电子将从费米能级高的N区流向费米能级低的P区，空穴则从
P区流向N区。因而EFn不断下移，而EFp不断上移，直至 EFn=EFp。
这时，P-N结中有统 一的费米能级EF，P-N结 处于平衡状态，其能带图 如图所示。
半导体器件物理
● —— 本章重点
第二章 P-N结
P-N结的能带图 P-N结的特点
P-N结的直流特性
半导体器件物理学习资料二 上海电子信息职业技术学院
半导体器件物理
第二章 P-N结
P-N结
采用合金、扩散、离子注入等制造工艺，可 以在一块半导体中获得不同掺杂的两个区域，这 种P型和N型区之间的冶金学界面称为P-N结。
因为V(x)表示点x处的电势，而-qV(x)则表示电子在x点的 电势能，因此P-N结势垒区的能带如图所示。 可见，势垒区中能带变化趋势与电势变化趋势相反。
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半导体器件物理 2.3 P-N结直流特性
平衡P-N结
第二章 P-N结
一定宽度和势垒高度的 势垒区；
合金结和高表面浓度的浅 扩散结一般可认为是突变结， 而低表面浓度的深扩散结一般 可认为是线性缓变结。
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半导体器件物理
P-N结能带图
第二章 P-N结
扩散
当半导体形成P-N结时，由于结两边存在着载流子浓度梯度， 导致了空穴从P区到N区，电子从N区到P区的扩散运动。
半导体器件物理
第二章 P-N结
nn0 N区平衡多数载流子——电子浓度
半导体器件物理 Chapter2 半导体物理基础知识PPT文档84页
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
半导体器件物理 Chapter2 半导体物 理基础知识
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此 贞秀姿 ，卓为 霜下杰 。
13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝，秋熟过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
半导体物理学基础知识
半导体物理学基础知识半导体是一种固体材料，它的电导率介于导体和绝缘体之间，因而得名。
半导体的特殊性质使得它在电子学、光电子学、计算机科学等众多应用领域具有重要的地位。
本文将介绍半导体物理学的基础知识，包括半导体材料的结构和性质，电子在半导体中的运动和掺杂等方面。
一、半导体材料的结构和性质半导体材料的基本结构由四个元素构成：硅、锗、砷和磷。
这些元素除了硅和锗是单质以外，其余的都是化合物。
半导体材料的晶体结构通常为立方晶体或四面体晶体。
半导体材料的电性质由其晶格结构和掺杂情况决定。
在材料内的原子构成规则的晶格结构中，每个原子都有定位，并与其他原子通过化学键相互链接。
晶格结构可以分为晶格点和间隙两个部分。
如果每个原子都占据晶格点，那么该半导体材料的结构就是类似于钻石的结构，实际上就是一个绝缘体。
但是，如果一些晶格点中有缺陷，或是有一些原子没有在晶格点上占据位置，则可以导致半导体材料成为电导率介于导体和绝缘体之间的半导体。
在半导体材料中，掺杂是一种常用技术，对于改变其电性质尤其有效。
掺杂就是在半导体中加入少量的另一种元素，以改变其电子结构和电导率。
掺杂元素是指半导体材料中所加入的杂质原子。
它们可以分为两类：施主和受主。
施主原子是比半导体材料中的原子更多的元素（例如磷或硼），在它占据晶格点时，它的外层电子一般比材料中的原子多，这些电子比较容易脱离施主原子并移动到其他位置，从而形成了自由电子。
受主原子是原子数比材料中的原子少的元素（例如锑或砷），因此它会在晶体中形成一些空位。
与施主原子不同的是，受主原子会接受电子，从而形成电子空穴。
二、电子在半导体中的运动在半导体中，电子的运动可以由以下几个方面来描述：载流子流动、漂移、扩散、复合效应。
载流子是电子在半导体中运动的基本单元，携带带电粒子的特性。
在半导体中，载流子通常包括自由电子和空穴。
电子的自由运动和空穴的自由运动是载流子流动的两种形式。
载流子流动的基本原理是，施主和受主原子的掺杂，带来了半导体内部电子和空穴的浓度不平衡，因此会发生电场和电流。
半导体物理学基础知识
1半导体中的电子状态1.2半导体中电子状态和能带1.3半导体中电子的运动有效质量1半导体中E与K的关系2半导体中电子的平均速度3半导体中电子的加速度1.4半导体的导电机构空穴1硅和锗的导带结构对于硅，由公式讨论后可得：I.磁感应沿【1 1 1】方向，当改变B（磁感应强度）时，只能观察到一个吸收峰II.磁感应沿【1 1 0】方向，有两个吸收峰III.磁感应沿【1 0 0】方向，有两个吸收峰IV磁感应沿任意方向时，有三个吸收峰2硅和锗的价带结构重空穴比轻空穴有较强的各向异性。
2半导体中杂质和缺陷能级缺陷分为点缺陷，线缺陷，面缺陷(层错等)1.替位式杂质间隙式杂质2.施主杂质：能级为E(D),被施主杂质束缚的电子的能量状态比导带底E(C)低ΔE(D),施主能级位于离导带底近的禁带中。
3.受主杂质：能级为E(A),被受主杂质束缚的电子的能量状态比价带E(V)高ΔE(A),受主能级位于离价带顶近的禁带中。
4.杂质的补偿作用5.深能级杂质：⑴非3，5族杂质在硅，锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，离价带顶也较远，称为深能级。
⑵这些深能级杂质能产生多次电离。
6.点缺陷：弗仑克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现。
肖特基缺陷：只在晶体内部形成空位而无间隙原子。
空位表现出受主作用，间隙原子表现出施主作用。
3半导体中载流子的分布统计电子从价带跃迁到导带，称为本征激发。
一、状态密度状态密度g(E)是在能带中能量E附近每单位间隔内的量子态数。
首先要知道量子态，每个量子态智能容纳一个电子。
导带底附近单位能量间隔内的量子态数目，随电子的能量按抛物线关系增大，即电子能量越高，状态密度越大。
二、费米能级和载流子的统计分布在T=0K时，费米能级E(f)可看作是量子态是否被电子占据的一个界限。
附图：随着温度的升高，电子占据能量小于费米能级的量子态的概率下降，占据高于费米能级的量子态的概率上升。
2波尔兹曼分布函数在E-E(f)>>K(0)T时，服从波尔兹曼分布（是费米能级的一种简化形式）。
半导体器件物理重要知识点优秀资料PPT
第二章 PN结二极管
Ø 掌握下列名词、术语和基本概念：PN结、突变结、线性缓变结、单 边突变结、空间电荷区、耗尽近似、中性区、内建电场、内建电势 差、势垒、正向注入、反向抽取、扩散近似。
Ø 分别采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区 （SCR)的形成。
Ø 正确画出热平衡和加偏压PN结的能带图。 Ø 利用中性区电中性条件导出空间电荷区内建电势差公式。 Ø 了解Poisson方程求解单边突变结结SCR内建电场、内建电势、内建
第六章 金属-氧化物-半导体场效应晶体管
Ø掌握交流小信号参数并导出线性导纳和饱和区跨导表达式。 了了解解二 二极极Ø管管指的的开开出关关特特提性性高。。 工作频率或工作速度的途径。 掌掌握握提 正高向Ø提有掌高源太模握阳式电基场池区效效输率运应的因主子晶要公体措式施。管。 的类型。
第二章 PN结二极管 画出实际太阳电池等效电路图根据等效电路图写出I－V特性方程。 第三章 双极结性晶体管 理解等电子陷阱复合，解释等电子陷阱复合能提高半导体材料的发光效率的原因。 掌握四个概念：注射效率、基区输运因子、共基极电流增益、共发射极电流增益 了解太阳电池的I-V特性曲线，解释该曲线所包含的物理意义。 导出耗尽层宽度和归一化MOS电容表达式。 掌握正向有源模式基区电子电流公式。 第三章 双极结性晶体管 掌握理想MOS系统的电容—电压特性。 导出夹断前JFET的I－V特性方程。
常数。 Ø 导出半导体表面载流子浓度表达式。 Ø 导出电流－电压特性〔李查德－杜师曼方程〕。 Ø 了解MIS肖特基二极管工作原理。 Ø 掌握结型二极管相比肖特基势垒二极管的主要特点。 Ø 了解肖特基势垒二极管的主要应用。 Ø 掌握欧姆接触概念和形成欧姆接触的条件。
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带的中线（略微偏离中线）。
温度升高，能量比EF高的量子态 被电子占据的概率上升。
(1）N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形 成 N型半导体,也称电子型半导体。 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四 个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价 电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。
N型半导体结构示意图
在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
电子的共有化运动
根据能带理论，由量子力学中薛定谔方程求解的能带。
(a) E(k)和k的关系; (b) 能带; (c) 简约布里渊区
间接带隙半导体
带隙半导体
Si、Ge和GaAs的能带结构
半导体的能带结构
Ec为导带底 EV为价带顶
• 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 • 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
（b）ND << NA
杂质对半导体导电性的影响
掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响， 一些典型的数据如下:
1
T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.5×1010/cm3 n=5×1016/cm3
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: 3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
掺杂： 为控制半导体的性质，人为掺入杂质的工艺过程 掺杂杂质一般为替位式杂质 扩散和注入是典型的掺杂工艺 杂质浓度是掺杂的重要因子：单位体积中杂质原子数
替位式杂质：取代本体原子位臵，处于晶格点上；这类 杂质原子价电子壳层结构接近本体原子，如Ⅲ、Ⅴ族在 Si、Ge(Ⅵ族)中的情况；Ⅱ、Ⅵ族在Ⅲ－Ⅴ化合物中。
第二章半导体物理基础
主要内容
一、半导体材料及其结构 二、半导体的电子状态和能带 三、半导体中的载流子 四、半导体中的掺杂 五、半导体中的载流子及其输运 六、半导体中的光电特性
一、半导体材料及其结构
1、什么是半导体？ Semiconductor 固体材料从导电特性上分成： 超导体、导体、半导体、绝缘体 能带结构 从导电特性和机制来分： 不同的禁带宽度及其温度特性， 不同的输运机制 导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，叫做半导 体。电阻率在10-4-1010 cm.
四、半导体中的掺杂
1 半导体的杂质和缺陷
杂质：在半导体晶体中引入的新的原子或离子 缺陷：晶体按周期性排列的结构受到破坏 杂质和缺陷的存在会使严格按周期性排列的晶体原 子所产生的周期势场受到破坏，其结果是在半导体 中引入新的电子能级态，这将对半导体的特性产生 决定性的影响。
Si能够得到广泛应用的重要原因是：可对其杂质实 现可控操作，从而实现对半导体性能的精确控制。
(c)
(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图
图2-1 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图
邻近的 杂化轨
反成键态
形成导带CB Conduction band
与Si－Si 键相对应 形成价带VB Valence band
道交叠
成键态
当原子组成晶体时，根据量子力学原理，单个原子中的每个能 级都要分裂，形成能带。严格地讲，能带也是由一系列能级组 成，但能带中的能级是如此之多，以至于同一个能带内部各个 能级之间的间隔非常小，因此完全可将能带看成是连续的。
能带结构图，它表明了晶体中的电子的运动状态和能量的关系； 在一块处于热平衡的晶体中，空间每一点的物理状态以及电子的 运动状态都是一样的，处于导带底状态的电子的能量都是 Ec ， 处于价带顶状态的电子的能量都是 Ev.
能带结构与导电特性
0K时： 一定温度下时： 导带有少量电子， 能够参与导电
由于热振动
本征激发和复合的过程
可见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。游离的部分自由电 子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示。 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。
(2) 空穴的移动
自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的 定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。 只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依 次充填空穴来实现的。
A：间隙杂质
2 本征半导体
• 本征半导体：没有掺入杂质的纯净半导体 • 本征半导体的能带结构：禁带中无载流子可占据 的能级状态 • 本征载流子浓度：电子和空穴浓度相同n=p
3 杂质半导体
(1) N型半导体
(2) P型半导体
在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质， 可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂 质主要是三价或五价元素。掺入杂质的半导体 称为杂质半导体。
B：III族，只有三个价电子，与Si形成共价键，并出现一 个空位，只需要很低的能量便能使价带中的电子填补空位， 并形成价带空穴和带负电的电离受主。
施主和施主能级 由于施主杂质的掺入而在半导体带隙中新引入的电子能级
As多余的电子由于 受正离子的吸引， 能量较导带电子能 量要低，同时，吸 引作用比共价键结 合要弱，因此能量 较价带电子要高， 施主能级位于带隙 中，离导带很近： 0.03eV。
价带中空穴的运动
• 电子和空穴的有效质量m*
半导体中的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，是考虑了晶格作用 后的等效粒子。
1 1 d 2E 有效质量： m h 2 dk 2 k 0 n
有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用
如果把在晶体的周期势场作用下运动的电子，等 效看成一个自由运动的准粒子，则该准粒子的等 效质量称为有效质量，一般由E-k关系给出，可正、 可负，电子正，空穴负。 有效质量概括了晶体势场对电子运动的影响
◆金刚石结构
◆闪锌矿结构
◆纤锌矿结构
4、晶体结构的拓扑描述
结点(格点) 构成晶体空间结构的质点的重心
空间点阵 晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的结点在空 间有规则地作周期性的无限分布，结点的空间集合称为点阵。
晶格
在点阵中把所有格点连接起来所构成网络
结点示意图
晶体结构 = 点阵 + 结构基元
能带结构的不同造成导电性能的不同。
• 金属没有带隙Eg=0 • 半导体的带隙较小(1~3 eV) • 绝缘体的带隙很大
三、半导体中的载流子
半导体中的载流子：能够导电的自由粒子
• 电子：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：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。
(1)电子空穴对
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。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中 就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现 出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们 常称呈现正电性的这个空位为空穴。
半导体的种类
元素半导体和化合物半导体 晶态半导体、非晶及多晶半导体 无机半导体和有机半导体 本征半导体和杂质半导体
半导体的基本特性
温度效应-----负温度系数 掺杂效应-----杂质敏感性
光电效应-----光电导
电场、磁场效应
常见的半导体材料
2、固体的结构
固体从其结构来讲有规则和不规则，如玻璃的结 构则是不规则的，而硅单晶的结构是规则的：
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
4 半导体中的载流子浓度
（1）费米分布函数 －概括电子热平衡状态的重要函数
－物理意义：
电子达到热平衡时，能量为E的能级被电子占据的几率。 1 f (E) 1 e ( E EF ) / kT 费米能级EF：反映电子的填充水平，是电子统计规律的 一个基本概念。 Ei表示本征情况下的费米EF能级，基本上相当于禁
p型半导体的结构图
• 施主：掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导 体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如 Si中掺入五价的P 和As.
As：V族，其中的四个价电子与Si形成共价键，但多出一 个电子只需要很低的能量便能该电子电离进入导带，形成 导电电子和带正电的电离施主。
• 受主：掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导 体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺入三价的B.
– 按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以将固体分为：
单晶
有周期性
非晶
无周期性
多晶
每个小区域有周期性
3、晶体的结构
1）晶体和晶格：由于构成晶体的粒子的不同性质，使 得其空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结 构，将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空 间点阵成为晶格。 2）晶体结构与原子结合的形式有关 晶体结合的基本形式：共价结合、离子结合、金属结 合、范德瓦耳斯结合 半导体的晶体结构：主要有 金刚石结构（ Ge、Si） 闪锌矿结构（GaAs等III-V族和CdTe等II-VI族化合物） 纤锌矿结构（部分III-V族和II-VI族化合物)
NaCl的晶体结构
晶列指数和晶面指数
晶列：在一个晶格结构中通过任意两个结点的连线。 晶列族：平行于某一晶列的所有晶列的组合。 晶面：在一个晶 格结构中通过任 意不在同一晶轴 上的 三个结点 构成的平面 晶面族：平行于 某一晶面的所有 晶面的组合
晶体的晶面用晶面指数（密勒指数）表示：该 晶面与坐标轴截距的倒数可以化为互质整数。
B原子多出的 电子空位很容 易接受价带电 子，形成共价 键，因此较导 带更接近价带： 0.05eV。
受主电离和电离能
• 受主能级从价带接受电子的过程称为受主的电离， 未电离前，未被电子占据。
电离所需要的最小能量即为受主电 离能，为价带顶与受主能级之差。