半导体基础知识课件

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2、能带特点
禁带：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是
不允许电子占据的，此范围称为禁带。
价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的
能带称为价带。
导带：价带以上能量最低的允许带称为导带。
导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之 间的能量间隔称为禁带Eg
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石英晶体结构和石英玻璃结构
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单晶与多晶
现代固体电子与光电子器件大多由半导体材 料制备，半导体材料大多为晶体（晶体中原子 有序排列，非晶体中原子无序排列。）晶体分 为单晶与多晶：
单晶——在一块材料中，原子全部作有规则的 周期排列。
多晶——只在很小范围内原子作有规则的排列， 形成小晶粒，而晶粒之间由无规则排列的晶粒 界隔开。
化合物半导体：砷化镓、铝砷化镓、 锑化铟、硫化镉、硫化铅
有机半导体
固溶体半导体：砷化镓-磷化镓 有机分子晶体 有机分子络合物 高分子聚合物
玻璃半导体、稀土半导体
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二、能带理论
1、原子能级与晶体能带
原子能级（Enegy 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。
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导带 禁带
导带 禁带
半满带
价带
价带
满带
绝缘体
半导体
导体
绝缘材料SiO2的Eg约为5.2eV，导带中电子极少，所以 导电性不好，电阻率大于1012Ω·cm。
半导体Si的Eg约为1.1eV，导带中有一定数目的电子， 从而有一定的导电性，电阻率为10-3～1012Ω·cm。
金属的导带与价带有一定程度的重合，Eg=0，价电子可 以在金属中自由运动，所以导电性好，电阻率为10-6 ～
3s
3s
3s
3s
○
○
○
Байду номын сангаас
○
2p
2p
○
2p
2p
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能级--能带
晶体中大量的原子集合在一起，原子之间距 离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有 5×1022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。 因此电子云层中离原子核较远的壳层发生交叠， 壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能 转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻 原子运动到更远的原子壳层上去。电子的共有化 使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量 差异，与此相对应的能级扩展为能带。
外场激发（电场）
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(1) 本征半导体
结构完整、纯净的半导体称为本征半导体。本 征硅中，自由电子和空穴都是由于共价键破裂而产 生的，所以电子浓度n等于空穴浓度p，并称之为本 征载流子浓度ni，ni随温度升高而增加，随禁带宽度 的增加而减小，室温下硅的ni约为1010/cm3。
单晶硅方棒
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(2) 杂质半导体
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❖易释放电子的原子称为施主，施主束缚电 子的能量状态称为施主能级ED。ED位于禁 带中，较靠近材料的导带底。 ❖ED与Ec间的能量差称为施主电离能。 ❖N型半导体由施主控制材料导电性。 电导 率的高低与掺入施主杂质的浓度成正比。
杂质硅的原子图像和能带图
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B、P型半导体
在四价原子硅（Si）晶体中掺入三价原子，例如 硼（B），形成P型半导体。晶体中某个硅原子被硼原 子所替代，硼原子的三个价电子和周围的硅原子中四 个价电子要组成共价键，形成八个电子的稳定结构， 缺一个电子。于是很容易从硅晶体中获取一个电子形 成稳定结构，使硼原子外层多了一个电子变成负离子， 而在硅晶体中出现空穴。
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孤立原子中的电子状态
主量子数 n:1,2,3,…，决定能量的主要因素 角量子数 l：0，1，2，…（n－1），决
定角动量，对能量有一定影响 磁量子数 ml：0，±1，±2，…±l，决定
L的空间取向，引起磁场中的能级分裂
自旋量子数 ms：±1/2，产生能级精细结构
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电子的共有化运动:
在晶体中，电子由一个原子转移到相邻 的原子去，因而，电子将可以在整个晶 体中运动。
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能量E
能带
{
原子级能 d
原子轨道
{ 允带
禁带
p
禁带
{
s
s能级：共有化运动弱，能级分裂 晚，形成能带窄；
p、d 能级：共有化运动强，能级 分裂早，形成的能带宽。
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3、绝缘体、半导体、导体能带情况
导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的 运动（形成电流）来实现的，这种电流的载 体称为载流子。导体中的载流子是自由电子， 半导体中的载流子则是带负电的电子和带正 电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同， 导带中电子的数目也不同，从而有不同的导 电性。
10-3Ω·cm。 21
绝缘体的能带宽度：6~7eV 半导体的能带宽度：1~3eV
常温下： Si：Eg=1.12 eV Ge: Eg=0.67 eV GaAs: Eg =1.43 eV
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4、半导体的导电机构
导电的条件：自由载流子 半导体中的自由载流子：电子、空穴 产生自由载流子的方式：电子热运动、
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体心立方晶格结构金属 — 铁
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Silicon
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一、半导体的特性
❖ 负温度系数，对温度变化非常敏感-----根
据这一特性，热电探测器件。
❖ 导电特性受掺杂影响显著 ❖ 导电能力受热、光、电、磁影响显著
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●电阻温度系数
绝 缘 体 R
半导体
T
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半导体的分类
无机半导体 晶体材料
元素半导体：硅、锗、硒
第二节 半导体物理基础
半导体的特性 能带理论 热平衡载流子 非平衡载流子 载流子的运动 半导体对光的吸收 PN结与金属-半导体接触
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导体、半导体和绝缘体
自然存在的各种物质，分为气体、液体、固体。 固体按原子排列可分为：晶体和非晶体 固体按导电能力可分为：导体、绝缘体和介于两
者之间的半导体。 电阻率10-6 ~10-3欧姆•厘米范围内——导体 电阻率1012欧姆•厘米以上——绝缘体 电阻率介于导体和绝缘体之间——半导体
半导体中人为地掺入少量杂质形成 杂质半导体，杂质对半导体导电性能影 响很大。在技术上通常用控制杂质含量 （即掺杂）来控制半导体导电特性。
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A、N型半导体 在四价原子硅（Si）晶体中掺入五价原子，例
如磷（P）或砷（As），形成N型半导体。在晶格 中某个硅原子被磷原子所替代，五价原子用四个 价电子与周围的四价原子形成共价键，而多余一 个电子，此多余电子受原子束缚力要比共价键上 电子所受束缚力小得多，容易被五价原子释放， 游离跃迁到导带上形成自由电子。