《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。
施主(donor)：图(a)显示一 个硅原子被一个带有5个价 电子的砷原子所取代（或替 补）。此砷原子与4个邻近 硅原子形成共价键，而其第 5个电子有相当小的束缚能， 能在适当温度下被电离成传 导电子。通常我们说此电子 被施给了导带。砷原子因此 被称为施主。由于带负电载 流子增加，硅变成n型。
＋4
＋4
Si
Si
导电电子
空穴
＋4 Si
＋4 Si
导电电子
＋4
＋4
Si
Si
空穴
＋4 Si
＋4 Si
本征半导体（intrinsic semiconductor） ：
当半导体中的杂质远小于由热产生的电子空穴时，此种半导体称为本征半导体。
热平衡状态：即是在恒温下的稳定状态，且并无任何外来干扰，如照光、压力 或电场。在恒温下，连续的热扰动造成电子从价带激发到导带，同时在价带留 下等量的空穴。热平衡状态下的载流子浓度不变。
电阻率/( •cm)
1018 1016
1014
1012
1010
108
106
104
102
玻璃
1
102 104 106 108
锗(Ge)
银
硅(Si)
铜
金刚石(纯) 硫
砷化镓(GaAs) 磷化镓(GaP)
铝 铂
熔融石英
硫化镉(CdS)
硫化铋
1018 1016 1014 1012 1010
108
106
104
＋4 Si
＋4
＋4 Si
Si
＋4
＋3
＋4
Si
B
Si
空穴
＋4 Si
＋4
＋4 Si
Si
图2.5.2 杂质半导体
杂质能级
表2.5.1 硅、锗晶体中杂质的电离能（单位：eV）
晶体
V族杂质
P
As
Sb
Ⅲ族杂质
B
Al
Si
0.044 0.049 0.039 0.045 0.057
Ge 0.0126 0.0127 0.0096 0.01 0.01
部分填满的导带
导带
价带
导带 价带
空导带
Eg
Eg =9eV
填满的价带
金属、半导体和绝缘体的能带及传导特性
金属：
金属导体的电阻很低，其导带不是部分填满[如铜(Cu)]就是与价带重 叠[如锌(Zn)或铅(Pb)]，所以根本没有禁带存在，如图所示。
因此,部分填满的导带最高处的电子或 价带顶部的电子在获得动能时(如从一外加 电场)，可移动到下一个较高能级。对金属 而言，因为接近占满电子的能态处尚有许 多未被占据的能态，因此只要有一个小小 的外加电场，电子就可自由移动，故金属 导体可以轻易传导电流。
空导带
Eg =9eV
填满的价带
金属、半导体和绝缘体的能带及传导特性
半导体：
半导体材料的电导率介于导体和绝缘体之间，且易受温度、照光、磁场及微 量杂质原子的影响，其禁带宽度较小(约为1eV)，如图所示。
在T＝0K时，所有电子都位于价带，而 导带中并无电子，因此半导体在低温时是 不良导体。在室温及正常气压下，硅的Eg 值为1.12eV，而砷化镓为1.42eV。因此在 室温下，热能kT占Eg的一定比例，有些电 子可以从价带激发到导带。因为导带中有 许多未被占据的能态，故只要小量的外加 能量，就可以轻易移动这些电子，产生可 观的电流。
铬
铟
锡
锑
碲
➢60年代初期以后，硅已取代锗成为半导 6 Hg
Pb
体制造的主要材料。
汞
铅
硅的优势：硅器件在室温下有较佳的特性；高品质的硅氧化层可由热生长的方式 产生，成本低；硅含量占地表的25%，仅次于氧，储量丰富。
半导体的共价键结合
在金刚石晶格中，每个原子被四个最邻近 的原子所包围。右下图是其二维空间结构简图。 每个原子在外围轨道有四个电子，分别与周围 4个原子共用4对电子。这种共用电子对的结构 称为共价键(covalent bonding)。每个电子对组 成一个共价键。
2.1 半导体材料及其基本性质
导体 半导体 绝缘体
表2.1.1 部分材料的电阻率
材料 金 银 铜 硅 锗 玻璃
橡胶
电阻率Ω·m 2.40×10−8 1.65 ×10−8 1.75 ×10−8 3.16×103 4.76×10−1 1011～1014 1012～1015
半导体材料及其基本性质
导电性：固态材料可分为三类，即绝缘体、半导体及导体。
态，因此在较低能带(即价带)的所有能态将被电子填满，而在较高能带(即导带)的所有能 态将没有电子，导带的底部称为EC，价带的顶部称为EV。
导带底部与价带顶部间的禁 止能量间隔(EC-EV)称为禁带宽度 Eg，如图左边所示。它表示将半 导体价带中的电子断键，变成自 由电子并送到导带，而在价带中 留下一个空穴所需的能量。
2.4 半导体中的能带理论
能级分裂成能带
当两个原子接近时，由于两 原子间的交互作用，会使得双重 简并能级一分为二。如有N个原 子形成一个固体，不同原子外层 电子的轨道重叠且交互作用。将 造成能级的移动。当N很大时， 将形成一连续的能带。
电子能量
a 原子间距
能级与能带
能级与能带
下图是N个孤立硅原子形成一硅晶体的能带形成图。当原子与原子间的距离缩短时， N个硅原子的3s及3p副外层将彼此交互作用及重叠。在绝对零度时，电子占据最低能
二元化合物半导体： IV－IV族元素化合物半导体：炭化硅（SiC）； III-V族元素化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷化铟（InAs）等； II-VI族元素化合物半导体：氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）等； IV-VI族元素化合物半导体：硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、碲化铅（PbTe）
导带
EC Eg
EV
价带
4N个状态 0个电子
4N个状态 4N个电子
6N个状态 2N个电子
3p
3s 2N个状态 2N个电子
5.43Å
晶格原子间距
金属Байду номын сангаас半导体和绝缘体的能带及传导特性
金属、半导体及绝缘体的电导率存在巨大差异，这种差异可用它们的 能带来作定性解释。人们发现，电子在最高能带或最高两能带的占有率决 定此固体的导电性。
正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成为各种电 子应用中最重要的材料之一。
➢ 热敏性 ➢ 光敏性 ➢ 杂敏性
2.2 硅的晶格结构
（a）晶体（原子规则排列）（b）非晶体（原子不规则排列） 图2.2.1 晶体和非晶体的原子结构图
元素(elements)半导体
半导体材料的类型： 元素半导体：硅(Si)、锗(Ge)
＋4 Si
＋4
＋4 Si
Si
导电电子
＋4
＋5
＋4
Si
As
Si
＋4 Si
＋4 Si
＋4 Si
非本征半导体及其特性
受 主 (acceptor) ： 当 一 个 带 有3个价电子地硼原子取代硅 原子时，需要接受一个额外 的电子，以在硼原子四周形 成4个共价键，也因而在价带 中形成一个带正电的空穴 （hole）。此即为p型半导体， 而硼原子则被称为受主。
微电子与集成 电路设计导论
Introduction to microelectronics and integrated circuit design
第二章 半导体物理基础
本章内容
半导体材料、基本晶体结构与共价键 能级与能带 本征载流子浓度 施主和受主 载流子漂移与扩散 产生与复合过程 连续性方程式
0, 0, 1
1,1,1 222
0, 1 , 1 22
＋4
2
Ga
1 , 0, 0 2
1,1,1 444
0, 1 , 0 2