第二章：半导体及其基本性质
半导体材料及其物理性质
半导体材料及其物理性质半导体材料，是一种介于导体和绝缘体之间的一类材料。
它的电导率介于导体与绝缘体之间，而这正是它的最重要的一项特性之一。
半导体材料的电子结构与电子能带半导体材料的电子结构与电荷分布的特点都与到了电子能带理论的基础上。
这种理论是描述晶体材料电子能带特性的一个有效方法，可用来描述异质结的行为和模拟器件的设计。
在固体物理中，电子能带是一种描述材料电子结构的概念。
它将所有可能的电子能量按能级分片，并将其组成连续的结构。
这种被分片的电子能量有很多相同的，因此电子能带是一个连续性的。
晶体材料中经常出现的两种电子结构定义是导带和价带。
导带上的电子具有高能量和高流动性，而价带上的电子则具有更低的能量和较低的流动性。
半导体材料的电导性所涉及的物理概念半导体材料的电导性与电子的移动性质有关。
在半导体材料中，只有在有外加电子能将进行电子跳跃，从而形成电流。
同时，材料中出现的电子空穴，与电子一样在材料中移动，它们的存在也起到了导电作用。
材料中的空穴移动也会导致电流的产生。
另一个重要的因素是材料的掺杂。
在半导体物质中，为了提高电导率，一些杂质原子被故意地加入材料中，从而改变材料的导电行为。
这个过程称为掺杂。
在掺杂过程中，主要有两种方法，分别是P型掺杂和N型掺杂。
P型掺杂是通过加入需要吸收电子的原子来实现，而N型掺杂则是通过加入可以提供额外电子的原子来实现。
半导体材料的机械性能和热学性质除了电学性质外，半导体还有几个其他的重要方面。
一个是半导体材料的机械性质，这被认为是这些材料的重要属性之一。
它的机械强度很高，但弹性模量与密度和固体材料不同。
材料的机械性能还与外部应力有关。
当外部应力加在材料上时，它会在空间中发生一些变化。
另一个重要方面是热学性质。
在半导体材料中，热传导是材料行为的一个重要方面。
半导体材料中的热传导能力取决于材料的物理和化学性质。
电路设计可受到这种热传导的限制，此外，它对器件灵敏性和费用结构也有很大的影响。
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案第一章：半导体材料与晶体1.1 半导体材料的基本特性半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的基本特性包括：1.带隙：半导体材料的价带与导带之间存在一个禁带或带隙，是电子在能量上所能占据的禁止区域。
2.拉伸系统：半导体材料的结构是由原子或分子构成的晶格结构，其中的原子或分子以确定的方式排列。
3.载流子：在半导体中，存在两种载流子，即自由电子和空穴。
自由电子是在导带上的，在外加电场存在的情况下能够自由移动的电子。
空穴是在价带上的，当一个价带上的电子从该位置离开时，会留下一个类似电子的空位，空穴可以看作电子离开后的痕迹。
4.掺杂：为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
掺杂是将少量元素添加到半导体材料中，以改变载流子浓度和导电性质。
1.2 半导体材料的结构与晶体缺陷半导体材料的结构包括晶体结构和非晶态结构。
晶体结构是指材料具有有序的周期性排列的结构，而非晶态结构是指无序排列的结构。
晶体结构的特点包括：1.晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞在三维空间中重复排列。
2.晶格常数是晶胞边长的倍数，用于描述晶格的大小。
3.晶体结构可分为离子晶体、共价晶体和金属晶体等不同类型。
晶体结构中可能存在各种晶体缺陷，包括：1.点缺陷：晶体中原子位置的缺陷，主要包括实际缺陷和自间隙缺陷两种类型。
2.线缺陷：晶体中存在的晶面上或晶内的线状缺陷，主要包括位错和脆性断裂两种类型。
3.面缺陷：晶体中存在的晶面上的缺陷，主要包括晶面位错和穿孔两种类型。
1.3 半导体制备与加工半导体制备与加工是指将半导体材料制备成具有特定电性能的器件的过程。
它包括晶体生长、掺杂、薄膜制备和微电子加工等步骤。
晶体生长是将半导体材料从溶液或气相中生长出来的过程。
常用的晶体生长方法包括液相外延法、分子束外延法和气相外延法等。
掺杂是为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
常用的掺杂方法包括扩散法、离子注入和分子束外延法等。
物理学中的半导体和导电性
物理学中的半导体和导电性半导体和导电性是物理学中的重要概念，涉及到固体物理学、量子力学等多个领域。
本文将详细介绍半导体的基本性质、分类以及导电性的相关原理。
半导体的基本性质半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料。
在晶体结构中，半导体的原子排列有序，形成了周期性的势场。
由于量子力学原理，半导体中的电子受到原子核和晶格振动的束缚，只能在一定的能量范围内运动。
这些电子被称为价带电子，而空余的能级称为导带。
在室温下，价带电子受到热激发，部分会跃迁到导带，留下相同数量的空穴。
半导体的分类根据半导体中价带电子和空穴的数量，可以将其分为两类：n型半导体和p型半导体。
在n型半导体中，价带电子数量多于空穴数量，因此电子是主要的载流子。
而在p型半导体中，空穴数量多于价带电子数量，空穴是主要的载流子。
此外，通过在n型和p型半导体之间形成PN结，可以实现半导体器件的制作。
导电性原理半导体的导电性主要取决于载流子的运动。
在应用外部电场的作用下，载流子会受到电场力的作用，发生迁移。
半导体中的载流子分为电子和空穴，它们在电场力作用下，分别向相反方向迁移。
这种现象称为漂移现象。
随着电场的增强，漂移电流也随之增大，从而实现了半导体材料的导电性。
半导体器件半导体器件是利用半导体的特殊性质制作的各种电子器件。
常见的半导体器件包括二极管、晶体管、集成电路等。
这些器件在电子设备中发挥着重要的作用，如整流、放大、开关等。
半导体和导电性是物理学中的重要概念。
本文从半导体的基本性质、分类、导电性原理以及半导体器件等方面进行了详细的介绍。
希望这篇文章能帮助您更好地理解半导体和导电性的相关知识。
## 例题1：解释n型和p型半导体中的载流子分别是什么？解题方法：回顾半导体的基本性质部分，n型半导体中的载流子是价带电子，而p型半导体中的载流子是空穴。
例题2：说明PN结的形成过程。
解题方法：结合半导体分类部分，描述n型和p型半导体接触时，由于载流子数量的差异，形成的PN结。
半导体材料的基本性质及应用前景
半导体材料的基本性质及应用前景随着人类科技的不断发展，半导体技术得到了广泛的应用。
半导体材料作为半导体技术的基础，其基本性质和应用前景也逐渐引起了人们的注意。
一、半导体材料的基本性质半导体材料具有包括导电性、光电性、热电性、感应光电性、压电性、光致发光性等在内的多种物理特性。
其中最核心的特性是导电性和不导电性。
半导体材料导电性的变化，可以通过控制半导体中杂质或缺陷的数量和类型实现。
杂质或缺陷的引入可以增强或减弱半导体的导电性。
例如，硅与锗纯净材料的导电性很弱，但加入P、N、B、As等DONOR或ACCEPTOR型杂质后，可以制备出p型或n型半导体材料。
半导体材料还具有光电性，它们与化学元素周期表上的光电发射材料相似。
半导体材料可以吸收光，电荷在导带和价带之间跃迁，从而导致光电效应。
常见的应用包括太阳能电池、光电探测器和紫外线灯等。
半导体材料的热电性可以用来制备热电材料，这种材料能够将热转换成电。
它的应用主要涉及节能和环境保护，例如，通过热电材料可以将热能转化为电能，应用于废气排放泄露的能量回收。
二、半导体材料的应用前景半导体技术以其稳定的性能、小型化的尺寸、易制备的成本、低功耗的特点等，日益成为信息技术、光电技术、新材料技术、环境保护技术等领域的重要基础材料。
以下几个方向是半导体材料未来的主要应用领域：1、新型显示屏随着信息技术的不断发展，显示屏在我们的生产和生活中发挥着越来越重要的作用。
半导体材料的光电性和导电性使其成为新一代显示技术的必需品。
例如，OLED技术已经得到了广泛的应用，其特点是超薄、超亮、超清、超省电，非常适合移动设备、电视以及广告牌等领域。
2、光电器件光电探测器、半导体激光器、光电开关、光电晶体管、光电倍增管等光电器件的应用正迅速扩展。
半导体材料的光电性使其非常适合用于制造光电器件，以便高效地转换光和电。
3、太阳能电池半导体材料的光电性是太阳能电池得以进行光电转换的重要基础材料。
第二章 半导体及其本征特征解读
3、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载 流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。 两种载流子
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
导带底与价带顶之间的能量差半导体中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考虑了晶格作用后的等效粒子有效质量可正可负取决于与晶格的作用受主掺杂施主掺杂二杂质半导体杂质半导体主要靠多数载流子导电
第二章 半导体物理和器件物理基础
Recap:
主要知识点和阅读章节
• • • • • • 1、半导体材料基本特性 2、pn结 3、双极晶体管 4、场效应管 阅读教材第二章 阅读康华光《电子技术基础-模拟部分（第 五版）》第1、2、3、4、5章.
• 参考教材： • [1] 童诗白,华成英(著).模拟电子技术基础 (第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006. • [2] 康华光(著).电子技术基础:模拟部分(第 五版))[M].北京:高等教育出版社,2010.
第一讲 半导体物理基础
• 2.1 半导体及其基本性质
• 2.2 半导体中的载流子
在非本征情形:
np n
2 i
n p
N型半导体：n大于p
P型半导体：p大于n
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
7. 电中性条件: 正负电荷之和为0
p + N d – n – Na = 0
施主和受主可以相互补偿
p = n + Na – Nd n = p + N d – Na
第二章半导体材料的基本性质
第二章半导体材料的基本性质半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电学性质和光学性质，广泛应用于电子器件和光电器件中。
本文将从电学性质和光学性质两个方面介绍半导体材料的基本性质。
一、电学性质1.带隙：半导体材料具有带隙，即价带和导带之间的能隙。
在绝缘体中，带隙较大，电子不易通过；在导体中，带隙为零，电子容易通过。
而在半导体中，带隙较小，介于绝缘体和导体之间，可以通过掺杂和加电场的方式改变其电导性能。
2.载流子：在半导体中，电子和空穴是载流子。
在纯净的半导体中，电子和空穴的数量相等，即n型和p型半导体中电子和空穴的浓度相等。
而在掺杂半导体中，通过掺杂可以使电子或空穴的浓度增加，从而改变其电导性质。
3.本征导电性：半导体材料在纯净状态下呈现本征导电性，即电导率较低。
本征导电性是由于半导体中的有限数量的载流子引起的。
n型半导体中主要是电子导电，p型半导体中主要是空穴导电。
本征导电性可以通过掺杂来改变。
4.外加电场下的导电性：在外加电场的作用下，半导体材料的导电性能发生变化。
当正电荷提供给半导体，将推动电子向正极移动，此时半导体变为n型半导体；当负电荷提供给半导体，将推动空穴向负极移动，此时半导体变为p型半导体。
这种现象被称为电场效应，也是半导体中众多器件如二极管和晶体管的基础。
二、光学性质1.吸收：半导体材料具有宽带隙能够吸收光的性质。
当光射入半导体中，部分光能会被电子吸收，使电子从价带跃迁到导带，此时光的能量将转化为电子的动能。
不同的半导体材料对不同波长的光吸收能力不同，这种特性使半导体材料成为光电器件的重要组成部分。
2.发光：除了吸收光能，有些半导体材料还可以发光。
当电子从导带跃迁到价带时，会释放出能量，部分能量以光的形式散发出来，形成发光现象。
不同的半导体材料对应不同的发光颜色，从红光到紫光等都可以通过不同材料的跃迁产生。
3.光电效应：半导体材料的光电效应是指当光照射到半导体表面时，会产生电流。
半导体高中物理
半导体高中物理半导体是一种电子能带结构介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的导电性质。
在高中物理学中，半导体是一个重要的话题。
本文将探讨半导体的基本概念、性质和应用。
首先，我们来了解半导体的基本概念。
半导体是指在温度较高时表现为导体，而在温度较低时表现为绝缘体的物质。
它的导电性质是通过材料中的载流子（电子或空穴）传导电流来实现的。
在半导体中，电子和空穴是通过化学反应或热激发产生的。
半导体材料可以是单晶体（如硅、锗）或复合材料（如硅锗合金）。
半导体具有一些独特的性质。
首先是温度敏感性。
随着温度的升高，半导体的导电性会增强，因为更多的载流子会被激发出来。
这种特性使得半导体在温度传感器和温度控制器中得到广泛应用。
其次是光电性质。
半导体在受到光照时，会发生光生电效应，产生电子-空穴对。
这种特性使得半导体在光电器件（如太阳能电池、光电二极管）中有重要的应用。
半导体的导电性质可以通过掺杂来调节。
掺杂是指向半导体中引入杂质，改变其导电性质的过程。
掺杂分为施主掺杂和受主掺杂。
施主掺杂是向半导体中引入能够提供额外自由电子的杂质，如磷或砷。
这些自由电子可以增加半导体的导电性能，使其成为N型半导体。
受主掺杂是向半导体中引入能够提供额外空穴的杂质，如硼或铟。
这些空穴可以增加半导体的导电性能，使其成为P型半导体。
N型半导体和P型半导体的结合形成PN结。
PN结是半导体器件中最基本的结构之一。
当N型半导体和P型半导体相接触时，N型半导体中的自由电子会向P型半导体中的空穴扩散，形成电子-空穴对结合区域。
在这个结合区域中，自由电子和空穴会重新组合，形成电子空穴复合。
这种电子空穴复合过程会导致PN结的区域失去自由电荷，形成一个电势差，称为内建电势。
内建电势使得PN结形成一个单向导电的区域，即正向偏置和反向偏置。
PN结具有一些重要的应用。
其中之一是二极管。
二极管是一种电子器件，可以在电流只能从P端流向N端的情况下导电。
二极管广泛应用于电源电路、整流电路和信号调制电路中。
《微电子与集成电路设计导论》第二章 半导体物理基础
导带
Eg
价带
2.5 半导体的掺杂
载流子：低温时，电子分别被束缚在四面体晶格中，因此无法作电的传导。但在 高温时，热振动可以打断共价键。当一些键被打断时，所产生的自由电子可以参 与电的传导。而一个自由电子产生时，会在原处产生一个空缺。此空缺可由邻近 的一个电子填满，从而产生空缺位置的移动，并可被看作与电子运动方向相反的 正电荷，称为空穴(hole)。半导体中可移动的电子与空穴统称为载流子。
F(E)
500K 0.5
300K
费米能级(Fermi level)：是电
100K
子占有率为1/2时的能量。
≈
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2
Ga 0.065 0.011
Si
1.12
Sb 0.039
0.045 B
P
As
0.045 0.054
0.067 0.072 Al Ga
Ti
C
0.21
0.25
0.34 0.35 D
0.16
In Pd
Pt 0.25
0.36 0.3 D
Au O
0.16 0.38 A 0.54 0.51 A 0.41
0.29 D
＋4
0, 1 , 0 2
＋4
＋4
＋4
＋4
半导体的共价键结合
砷化镓为四面体闪锌矿结构，其主要结合也是共价键，但在砷化镓中存在微 量离子键成分，即Ga＋离子与其四个邻近As－离子或As－离子与其四个邻近Ga＋ 离子间的静电吸引力。以电子观来看，这表示每对共价键电子存在于As原子的时 间比在Ga原子中稍长。
杂质半导体
非本征（杂质）半导体：当半导体被掺入杂质时，半导体变 成非本征的（extrinsic），而且引入杂质能级。
半导体材料基础_基本特性
为直接跃迁。相当于电子由价带竖直地跃迁到导带，所以也
称为垂直跃迁。对应的材料为直接带隙半导体。k = k'+ hv
间接跃迁
c
若导带底和价带顶位于k空间的不同位置，则任
何竖直跃迁所吸收的光子能量都应该比禁带宽
度大。但实验指出，引起本征吸收的最低光子
能量还是约等于Eg。
——推论：除竖直跃迁，还存在另一类跃迁过
激子吸收不会改变半导体的导 电性。
Eenx
=
1
2 r
m* m
13.6 n2 (eV )
iii) 杂质吸收
杂质可以在半导体的禁带中引入杂质能级，占据杂质 能级的电子或空穴的跃迁可以引起光吸收，这种吸收 称为杂质吸收，可以分为下面三种类型： a.吸收光子可以引起中性施主上的电子从基态到激发 态或导带的跃迁； b.中性受主上的空穴从基态到激发态或价带的跃迁； c.电离受主到电离施主间的跃迁；
自由载流子吸收也需要声子参与， 因此也是二级过程，与间接跃迁过 程类似。但这里所涉及的是载流子 在同一带内不同能级间的跃迁。
自由载流子吸收不会改变半导体的 导电性。
v) 子带间的跃迁
电子在价带或导带中子带（sub-band）之间的跃迁。 在这种情况下，吸收曲线有明显的精细结构，而不同 于由自由载流子吸收系数随波长单调增加的变化规律 。
由于杂质能级是束缚态，因而动量没有确定的值，所 以不必满足动量守恒的要求，因此跃迁几率较大。
杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波长。杂质 吸收会改变半导体的导电性，也会引起光电效应。
电子在杂质能级及杂质能级与带间的跃迁
浅能级杂质：红外区 深能级杂质：可见、紫外区
iv) 自由载流子吸收
当入射光的波长较长，不足以引起 带间跃迁或形成激子时，半导体中 仍然存在光吸收，而且吸收系数随 着波长的增加而增加。这种吸收是 自由载流子在同一能带内的跃迁引 起的，称为自由载流子吸收。（准 连续、长波长段）
半导体材料的基本性质
N型半导体的概念
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
V族杂质在硅中电离时，能够释放电子而产生导电电 子并形成正电中心，称为施主杂质。
施主电离能和施主能级
2.3 半导体中的杂质和缺陷
2.3.1 本征半导体 2.3.2 n型半导体 2.3.3 p型半导体
2.3.1 本征半导体
完全纯净、结构完整的 半导体晶体称为本征半 导体。
本征半导体也存在电子 和空穴两种载流子
但电子数目n和空穴数目 p一一对应，数量相等， n＝p。
•传导电子
•导带
•空穴
电流密度
•V •E
•L
电流密度是指通过垂直于电流方向的单位 面积的电流
均匀导体，电流密度 电场强度 欧姆定律的微分形式
迁移率
假设电子平均速度为vd，电子浓度为n，电流密度为
平均速度和电场强度成正比 电流密度 电导率
称为电子迁移率，表示单位场强下电子的平均漂移 速度
2.4.2 电导率
晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原 子核势场以及其它大量电子的平均势场中运动
大量电子的平均势场也是周期性变化的，而且它的周 期与晶格的周期相同。
两者的共同点在于都有一个恒定的势场。 因而可以先分析自由电子的状态，接着再考虑加上一
个平均场后的电子状态
（1）自由电子的薛定谔方程
自由电子与时间因素无关，因而波函数可以表 示为：
•E1＝－13.6 eV
多电子原子能级
晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小，原 来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠：
半导体物理知识点及重点习题总结
半导体物理知识点及重点习题总结半导体物理是现代电子学中的重要领域，涉及到半导体材料的电学、热学和光学等性质，以及半导体器件的工作原理和应用。
本文将对半导体物理的一些重要知识点进行总结，并附带相应的重点习题，以帮助读者更好地理解和掌握相关知识。
一、半导体材料的基本性质1. 半导体材料的能带结构半导体材料的能带结构决定了其电学性质。
一般而言，半导体材料具有禁带宽度，可以分为导带（能量较高）和价带（能量较低）。
能量在禁带内的电子处于被限制的状态，称为束缚态，能量在导带中的电子可以自由移动，称为自由态。
2. 掺杂和杂质掺杂是将少量的杂质原子引入纯净的半导体材料中，以改变其导电性质。
掺入价带原子的称为施主杂质，掺入导带原子的称为受主杂质。
施主杂质会增加导电子数，受主杂质会增加载流子数。
3. P型和N型半导体掺入施主杂质的半导体为P型半导体，施主杂质的电子可轻易地跳出束缚态进入导带，形成载流子。
掺入受主杂质的半导体为N型半导体，受主杂质的空穴可轻易地跳出束缚态进入价带，形成载流子。
二、PN结和二极管1. PN结的形成和特性PN结是P型和N型半导体的结合部分，形成的原因是P型半导体中的空穴与N型半导体中的电子发生复合。
PN结具有整流作用，使得电流在正向偏置时能够通过，而在反向偏置时被阻止。
2. 二极管的工作原理二极管是基于PN结的器件，正向偏置时，在PN结处形成正电压，使得电子流能够通过。
反向偏置时，PN结处形成反电压，使得电流无法通过。
3. 二极管的应用二极管广泛用于整流电路、电压稳压器、振荡器和开关等领域。
三、晶体管和放大器1. 晶体管的结构和工作原理晶体管是一种三端器件，由三个掺杂不同的半导体构成。
其中，NPN型晶体管由N型掺杂的基区夹在两个P型掺杂的发射极和集电极之间构成。
PNP型晶体管的结构与之类似。
晶体管的工作原理基于控制发射极和集电极之间电流的能力。
2. 放大器和放大倍数晶体管可以作为放大器来放大电信号。
半导体物理与材料2
施主原子的轨道上施主电子Bohr氢原子模型. 这个轨道的半径仍用氢原子模型计算,得:
* rd 0 h 2 /(q 2m0 ) 0.53 10 8 ( r / 0 )( m0 / m0 )cm 13 10 8 cm
现在考虑左图的情形,随着施主原子增多,第 五个电子的轨道开始交叠,这种情况发生的临 界杂质浓度Ncrit可以通过计算体积求出:
100
1015
1019
N
迁移率与掺杂浓度关系
迁移率依赖于温度
1. 低掺杂:晶格散射占优势 3/ 2 温度增加,晶格振动加剧,增加碰撞,因而迁移率减小 T . 2. 高掺杂:电离杂质散射占优势 在这种情况下,主要因素是电子保留在电离杂质原子附近的时间长短,时 间越长,库仑效应越明显.但电子在高温下运动速度加快,停留在杂质原子 3/ 2 附近的时间变短,散射效应变弱,迁移率增加,理论上有 T .
热平衡状态
热平衡时未掺杂的半导体的载流子浓度由带隙Eg决定. 带隙越大.n0 , p0 就越小.因为在热平衡状态下,粒子的能量只有热 能,其量级是kT,而Eg远大于kT,所以只有很少的电子从价带激发到导 带.对本征半导体,可以推导出严格解：
n p ni C exp( Eg / 2kT ) C exp( Ei / kT )
空穴电荷，而将多数载流子浓度写为：
nn 0 N D
下标n代表N型材料,0代表热平衡状态.
考虑到电中性：
nn 0 N D pn 0
根据质量作用定律，就可以求出少子浓度：
pn 0 ni2 / N D
同理，对于P型半导体有：
p p 0 N A , p p 0 N A n p 0 , n p 0 ni2 / p p 0 ni2 / N A
《微电子学概论》-半导体物理学-半导体及其基本特性
过剩载流子和电中性
平衡时
过剩载流子
电中性：
小注入条件
小注入条件：注入的非平衡载流子浓度 比平衡时的多数载流子浓度小的多
N型材料 P型材料
p n0 , n n0 n p0 , p p0
非平衡载流子寿命
▪ 假定光照产生 n和 ，如p 果光突然关闭， 和n 将随p时间逐渐衰减直至0，衰减的时间常数称为
半导体物理学
一．半导体中的电子状态 二．半导体中杂质和缺陷能级 三．半导体中载流子的统计分布 四．半导体的导电性 五．非平衡载流子 六．pn结 七．金属和半导体的接触 八．半导体表面与MIS结构
半导体的纯度和结构
▪ 纯度
➢ 极高，杂质<1013cm-3
▪ 结构
晶体结构
▪ 单胞
➢ 对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的 最小单元
▪ 杂质处于两种状态：中性态和离化态。 当处于离化态时，施主杂质向导带提供 电子成为正电中心；受主杂质向价带提 供空穴成为负电中心。
ND ห้องสมุดไป่ตู้ A
▪ 半导体中同时存在施主和受主杂质， 且 ND N A 。
N型半导体
N型半导体
N A ND
▪ 半导体中同时存在施主和受主杂质， 且 N A ND 。
E hv
2k 2 E
2m0
半导体中电子的平均速度
▪ 在周期性势场内，电子的平均速度u可表示 为波包的群速度
u dv E hv u 1 dE
dk
dk
E(k) E(0) h 2k 2 2mn*
u
k mn*
自由电子的速度
▪ 微观粒子具有波粒二象性
p m0u
p2 E
半导体物理总结-讲义
n = NCe
− ( EC − E f ) kT
p = NV e
− ( E f − EV ) kT
其中
ni = NV N C e
− E g 2 kT
热平衡时
np = ni2
3.3.2 非本征费米能级
费米能级的变化 •随掺杂浓度在禁带中上下变化 •随施主杂质浓度增加费米能级向导带靠近电子数增加 •随受主杂质浓度增加费米能级向价带靠近空穴数增加 •随温度变化，费米能级表现出不同的变化趋势
存在半满的能带 电子占据能带或是 全满或是全空
第二章 半导体中的基本性质
§ 2.4 半导体的输运和导电机制
2.4.1 半导体中电子的状态 2.4.2 有效质量近似 2.4.3 半导体导电的能带论解释半导体的导电 2.4.4 半导体的导电载流子
有效质量近似及其意义 有效质量概括了晶体势场对电子运动的影响 2.4.1. 半导体中的导电载流子 半导体的导带和电子载流子 半导体的价带和空穴载流子
4.1.1 载流子的热运动和散射机制 4.1.2 电场作用下的定向漂移运动和漂移电流 4.1.3 半导体的电导和电阻率 4.1.4 载流子迁移率 4.1.5 载流子的速度饱和
§ 4.1 载流子的漂移运动和漂移电流
4.1.1 载流子的热运动（Thermal motion）和散射机制 在热平衡条件下，半导体中导带中的电子或价带中的空穴将 做随机的热运动。按照统计物理规律，其热能（Thermal Energy）～3/2kT，电子的动能满足：
晶体的结构通常与原子结合形成晶体时的结合方式有 关，本节将讨论固体结合形成晶体的结合方式和性质 2.2.1 固体的结合和化学键 2.2.2 Si原子结构和Si晶体的共价键结合 2.2.3 Si晶体的四面体结构
半导体基础
5
PN结加正向电压时导通【可参考教材P15图2-5】 多子空穴 变薄
+ + + 多子电子 + +
PN结加正向电压时导通【可参考教材P15图2-5】 变薄
－ － － － － + + + + +
－ － － － －
＋
I：扩散电流 + + + + + － － － － － P区 N区
－ － － － － + + + + +
三.PN结的电流方程及V-I特性
三.PN结的电流方程及V-I特性
i = IS (e
＋ IR －
UBR
u
UT
−1 )
－ ＋
v 当加正向电压时： u为正值，表达式 等效成 ：
u
i = IS (e
＋ IR －
UBR
u
UT
−1 )
－ ＋
v PN结的反向击穿： 反向击穿 电击穿 可逆
i/mA
i/mA
i=IS e
2.2 PN结及其特性
一. PN结的形成
耗尽层
PN结
势垒区
阻挡层
-
+
V0 （电位势垒）
【见教材P15图2-4(a)】
返回
【见教材P15图2-4(b)】
4
耗尽层
PN结
由上可知，PN结中进行着两种载流子的运动： 势垒区 阻挡层 v 多数载流子的扩散运动
P区空穴→N区 N区电子→P区 N区空穴→P区 P区电子→N区
IF
UT
指数 关系 反向击穿电压
i=-IS u/V
(μ A)
哈工大--课件半导体物理(第二章)模板
故
ED
mn* m0
E0
2 r
0.1213.6 0.00637eV 162
对于Si，ml＝0.98m0 , mt =0.19m0, r =12 代入可得mn* 0.26m0
故
ED
mn* m0
E0
2 r
பைடு நூலகம்
0.26 13.6 122
0.025eV
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.3 杂质的补偿作用
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.4 深能级杂质
深能级的形成
Ⅵ族杂质.多于两个价电子被两个正电荷的杂质中心束缚， 类似于一个氦原子，其每个电子平均受到大于一电子电荷 的正电中心的作用，从而深能级杂质的电离能比浅能级杂 质要大。在电离出一个电子后，带有两个正电荷的杂质中 心使第二个电子电离需要更大能量，对应更深的能级，所 以Ⅵ族杂质在硅锗中一般产生两重施主能级，如锗中的硒、 碲。
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.1 硅锗晶体中的杂质能级
浅能级杂质：电离能小的杂质称为浅能级杂质。
所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主 能级靠近价带顶。
室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂 质几乎可以可以全部电离。五价元素磷（P）、 锑（Sb）在硅、锗中是浅受主杂质，三价元 素硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In） 在硅、锗中为浅受主杂质。
杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受 主杂质时，它们的共同作用会使载流子 减少，这种作用称为杂质补偿。在制造 半导体器件的过程中，通过采用杂质补 偿的方法来改变半导体某个区域的导电 类型或电阻率。
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.3 杂质的补偿作用
1）ND NA ： 受主能级低于施主能级，剩余杂质 ND NA
半导体材料的基本性质
a） N型半导体 b）P型半导体
对于N型半导体，其少数载流子的浓度p为
ni 2 ni 2 p n ND
对于P型半导体，其少数载流子的浓度n为
ni 2 ni 2 n p NA
1.4.4 杂质半导体的费米能级及其与杂质浓 度的关系
杂质半导体费米能级位置 a）本征半导体 b）N型半导体 c）P型半导体
vn = -
mn
vp =
mp
1.6.2 迁移率μ
迁移率定义为在单位电场作用下的载流子的漂移速度。 电子的迁移率μn（单位为cm2/Vs）为
μn = qτ mn
则
vn = -u n E
式中，μn是一个比例常数，描述了外加电场对载流子运动影响 的程度。 迁移率与平均自由时间及有效质量有关。显然，由于电子和空 穴的运动状态不同，它们的有效质量和平均碰撞时间都是 不同的，因此半导体中的电子和空穴都有不同的迁移率。
E ' FN E ' FP np n0 p0 exp T
' ' E E 2 FN FP n i exp T
N型半导体小注入前后准费米能级偏离费米能级的程度 a）小注入前 b）小注入后
1.6载流子的漂移运动
半导体导带电子和价带空穴是可以参加导电的，它 们的导电性表现在当有外加电场作用在半导体上的 时候，导带电子和价带空穴将在电场作用下作定向 运动，传导电流，我们把该运动称为载流子的漂移 运动。
不同温度下费米分布函数随(E-EF)的变化关系
a) T=0K b)T>0K(T2>T1)
下图从左到右形象描绘出了能级分布,费米分布及 本征半导体与空穴在能带中的分布情况.
a)能级分布图 b) 费米分布曲线 c) 电子与空穴的分布d) 载流子浓度
半导体知识点总结高中
半导体知识点总结高中一、半导体的概念半导体是介于导体和绝缘体之间的一类物质。
在半导体中，电子的导电能力比绝缘体好，但并不及导体好。
半导体的导电机制是通过外加电场或光照来改变材料的导电性质。
二、半导体的基本性质1. 禁带宽度：半导体的能带结构是由价带和导带组成，两者之间的能带间隙称为禁带宽度。
禁带宽度决定了半导体的电学特性，一般被用来区分半导体的种类，如硅、锗等。
2. 导电机制：半导体的导电机制主要有两种，一是载流子的浓度可以通过外加电场或光照来改变，此时的导电机制称为电场效应或光照效应。
二是在高温下，少数载流子的浓度大大增加，使得半导体发生了电导，此时的导电机制称为热激发。
3. 施主和受主：半导体材料中的掺杂原子可以分为施主和受主，施主是指掺入材料中导致材料带负电性的原子，而受主是指导致带正电性的原子。
4. 电子与空穴：当半导体中的原子受到激发时，可以形成自由电子和自由空穴，这两者是载流子的基本单位。
三、半导体器件1. 二极管：二极管是一种半导体器件，它由P型区和N型区组成，具有单向导电性。
当加在二极管两端的电压大于开启电压时，二极管就开始导电了。
2. 晶体三极管：晶体三极管是一种电子器件，是由两个P型半导体和一个N型半导体层堆积而成的。
晶体三极管有放大信号、开关控制信号等功能。
四、半导体材料1. 硅(Si)：硅是目前最常用的半导体材料，具有稳定性好、制备工艺成熟、价格便宜等特点。
硅半导体的电子迁移率不高，电导率较低，但是它便宜易得，并且有很好的化学稳定性。
2. 锗(Ge)：在早期半导体技术中，锗是最早用作半导体材料的。
锗具有良好的电子迁移率，是一种重要的电子材料。
五、半导体的应用1. 微电子器件：微电子器件是半导体的最主要应用之一。
我们所见到的电子产品、电脑、手机等都离不开半导体器件。
2. 光电器件：半导体材料具有优异的光电性能，可以制备出各种光电器件，如光电二极管、光电晶体管等。
3. 太阳能电池：半导体材料可以转化光能为电能，利用太阳能电池板中的半导体材料可以将阳光直接转换为电能。
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北京大学 微电子学研究所
4. 晶体管的特性参数 （续） 4.4 晶体管的频率特性 截止频率 f：共基极电流放 大系数减小到低频值的 1 2 所对应的频率值 截止频率f ： 特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率 最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率
p型半导体：空穴 p Na 电子 n ni2/Na
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8. 过剩载流子
由于受外界因素如光、电的作用，半导 体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这 些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子 载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消
失的过程 电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合
公式 np ni2 不成立
模拟电 路
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输入电压直接控制提供 输出电流的载流子密度
输入电容由 扩散电容决 定
随工作电流的减 小而减小
高跨导
可同时在大或小的电 流下工作而无需调整 输入电容
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存在直流输入电 流，基极电流
饱和区中存储电 荷上升
开态电压无法成 为设计参数
e
qVR kT
1
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单向导电性： 正向偏置 反向偏置
5. PN结的特性
正向导通电压Vbi~0.7V(Si) 反向击穿电压Vrb
正向导通，多数载流子扩散电流 反向截止，少数载流子漂移电流
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6. PN结的击穿 雪崩击穿
齐纳/隧穿击穿
7. PN结电容
CT
Q V
N
扩散
电子： N区
漂移
正向电流
P
P区
正向偏置时，扩散大于漂移
扩散
空穴： P区
N区
漂移
j
jp x
jn
x
北 京 n大pL学0nDn微电p子nL学0Dp研p究所e
qV kT
1
正向的PN结电流输运过程
电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程〕
北京大学 微电子学研究所
4. PN结的反向特性
N
P
漂移
反向偏置时，漂移大于扩散
CT
dQ dV
CT
s0S
Xm
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§ 2.4 双极晶体管
1. 双极晶体管的结构 由两个相距很近的PN结组成：
发
发
收
收
射
发射区 射 基区 集 收集区
集
极
结
结
极
基极
基区宽度远远小于少子扩散长度
分为：NPN和PNP两种形式
北京大学 微电子学研究所
双极晶体管的两种形式：NPN和PNP
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4. 晶体管的特性参数
4.1 晶体管的电流增益（放大系数〕
共发射极直流放大系数 交流放大系数0、
0
Ic Ib
ic
ib
共基极直流放大系数和 交流放大系数0 、
0
Ic Ie
ic
ie
两者的关系
0
Ic Ie Ic
0 1 0
1
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4. 晶体管的特性参数
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优 点
垂直结构
5. BJT的特点
与输运时间相关的尺 寸由工艺参数决定， 与光刻尺寸关系不大
易于获 得高fT
高速 应用
整个发射结 上有电流流 过
开态电压 VBE与尺寸、 工艺无关
可获得单位面积 的大输出电流
易于获得 大电流
大功率 应用
片间涨落小，可获 得小的电压摆幅
易于小信 号应用
q
N
D
N
A
p
n
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电流连续方程
可动载流 子的守恒
电子：
n t
1 q
jn
G
R
空穴
p t
1 q
jp G
R
热平衡时： 产生率＝复合率 np=ni2
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电流密度方程
载流子的输运方程
方程形式1
在漂移－扩散模型中
jn qnn E qDnn
jp q p p E qDpp
➢量子态和能级 ➢固体的能带结构
原子能级
能带
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➢共价键固体中价电子的量子态和能级 ➢共价键固体：成键态、反键态
原子能级
反成键态
成键态
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半导体的能带结构
导带
Eg
价带
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 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
f
(E)
1
1 e(EEF
)/
kT
• E=EF时，能级被占据的几率为1/2 • 本征费米能级位于禁带中央
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平衡时的能带结构
自建势qVbi
jn
nn
EF x
n
nn
EF x
0
jp
pp
EF x
p
p
p
EF x
0
dEF 0 dx
费米能级平直
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3.正向偏置的PN结情形
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
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7. 电中性条件: 正负电荷之和为0
p + Nd – n – Na = 0
施主和受主可以相互补偿
p = n + Na – Nd n = p + Nd – Na
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n型半导体：电子 n Nd 空穴 p ni2/Nd
影响迁移率的因素： 有效质量 平均弛豫时间（散射〕
体现在：温度和 掺杂浓度
半导体中载流子的散射机制： 晶格散射（ 热 运 动 引 起） 电离杂质散射
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载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动
扩散电流
电子扩散电流： J n,diff
dn qDn dx
空穴扩散电流：
J p,diff
漂移
电子： N区
P区
扩散
空穴： P区
N区
扩散
反向电流
jr
jp x
jn
x
n
p 0 Dn Ln
pn 0 D p Lp
e
qVR kT
1
北京大学 微电子学研究所
反向偏置时，漂移大于扩散
漂移
电子： N区
P区
扩散
漂移
空穴： P区
N区
扩散
反向电流
jr
jp x
jn
x
n
p 0 Dn Ln
pn 0 D p Lp
载流子浓度
电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p
本征载流子浓度： n=p=ni
np=ni2
ni与禁带宽度和温度有关
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6. 非本征半导体的载流子
热平衡时:
np ni2
在非本征情形: n p
N型半导体：n大于p P型半导体：p大于n
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多子：多数载流子
原子结合形式：共价键 形成的晶体结构： 构 成 一 个正四 面体， 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构
北京大学 微电子学研究所
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：GaAs、InP、ZnS
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2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子
受主：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。如 Si中掺的B
施主和受主浓度：ND、NA
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杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态
施主能级
受主能级
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5. 本征载流子
本征半导体：没有掺杂的半导体 本征载流子：本征半导体中的载流子
p ni
重点
• 半导体、N型半导体、P型半导体、本征 半导体、非本征半导体
• 载流子、电子、空穴、平衡载流子、非 平衡载流子、过剩载流子
• 能带、导带、价带、禁带 • 掺杂、施主、受主 • 输运、漂移、扩散、产生、复合
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作业
➢载流子的输运有哪些模式，对这 些输运模式进行简单的描述
本征半导体：n=p=ni
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电子：Electron，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：Hole，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
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3. 半导体的能带 (价带、导带和带隙)
qDp
dp dx
爱因斯坦关系:
D kT
q
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过剩载流子的扩散和复合 过剩载流子的扩散过程
扩散长度Ln和Lp: L=(D)1/2 过剩载流子的复合机制：
直接复合、间接复合、 表面复合、俄歇复合
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描述半导体器件工作的基本方程
泊松方程
高斯定律
描述半导体中静电势的变化规律
静电势由本征费米 能级Ei的变化决定
Ei
q
能带向下弯， 静电势增加
北京大学 微电子学研究所
方程的形式1
2x, t