本征半导体与杂质半导体

P 型半导体 —— 在IV族(Si，Ge)化合物中掺入III族元素(Al， Ga，In) —— 在III－V族化合物中掺入II族元素取代III族元素 —— 特点半导体材料中形成空穴
杂质能级
定义： 由于实际的半导体中含有杂质，而这些
杂质在禁带中形成的能级，称为杂质能级
每个施主杂质引进的杂质能级称为施主能级
电场增加，电流密度和平均漂移速度也相应增大。即平均漂 移速度与电场强度成正比例
vd E
J nq E nq
迁移率，表征单位场强下电子 平均漂移速度，单位为m2/V·s或 cm2/V·s，
迁移率一般取正值
§4.1 本征半导体与杂质半导体
载流子 —— 激发到导带中的电子和价带中的空穴 一、本征半导体 理想的半导体材料 —没有杂质、没有缺陷、严格周期排列
n=p
问题：n=p是否就一 定是本征半导体？
No
二、杂质半导体
—— 对纯的半导体材料掺入适当的杂质，可以提供载流子
室温硅的本征载流子浓度约为1.5×l016米-3。 如果磷含量为百万分之一，即磷原子浓度约为1022米 -3数量级，由于室温大约每个磷原子均可提供一个导 带电子，掺杂使载流子浓度增加近十万倍。
As原子和近邻的4个Ge原子形成共价键后尚剩余一个电子
共价键是一种很强的化学键， 束缚在共价键上的电子能量很 低 —— 价带中的电子
多余一个电子受到As+静电束 缚作用相当微弱 —— 位于带 隙之中，且非常接近导带底
吸收很小的能量，从带隙跃迁 到导带中—— 电子载流子
一个IV族元素Si（4价）被一个III族元素B（3价）所取代 —— B原子和近邻的4个Si原子形成共价键尚缺一个电子
3) 可以作为补偿杂质，大大 提高半导体材料的电阻率
杂质补偿
半导体的导电性
欧姆定律
I V R
Rl
s
1
宏观电路中的电阻
俯视图 剖面图
IC电阻
实际的IC电阻并非各向同性 IC电阻的电阻率并非处处相同 电阻在表面处最小，越往材料深处
越大 σ表面处最高，内部逐渐减小
注意
前面我们给出的电阻表达式很简单，是由于简 化了的原因仅仅考虑各向同性的电阻体
这样很多时候往往会出错 因此，近似的时候必须要记住近似条件或局限
性。

☻对于σ变化的情形，用 RS 1 x j
并不合适，一般用其平均值代替
如上图中的虚线所示
用平均电阻率计算Rs，在工程上完全满足 近似的要求
x jW
电流密度
JI s
E V l
J E
欧姆定律的微分形式
欧姆定律的微分形式
同欧姆定律的积分形式一样，均是普适的。
j 是矢量，方向即为电力线的方向。
最常用的形式：
j E
E
一维情况
E d / dy
特殊情况
E const, d / dy / y (1 0 ) / L V / L
1) 施主
杂质在带隙中提供带有电子的能 级，能级略低于导带底的能量， 和价带中的电子相比较，很容易 激发到导带中 —— 电子载流子
主要含有施主杂质的半导体，依 靠施主热激发到导带的电子导电 —— N型半导体
2) 受主
—— 杂质提供带隙中空的能 级，电子由价带激发到受主能 级要比激发到导带容易的多
—— 主要含有受主杂质的半 导体，因价带中的一些电子被 激发到施主能级，而在价带中 产生许多空穴，主要依靠这些 空穴导电 —— P型半导体
每个受主杂质引进的杂质能级称为受主能级
施主电离能 ： 受主电离能
深能级杂质和浅能级杂质
深能级杂质： 杂质能级靠近禁带中心 浅能级杂质： 杂质能级靠近导带底或价带顶
深能级杂质和缺陷的作用
1) 可以成为有效复合中心，大 大降低载流子的寿命；
2) 可以成为非辐射复合中心， 影响半导体的发光效率；
附近Si原子价键上的电子 不需要增加多少能量便 可以容易地来填补B原子 周围价键的空缺
在价带中形成一个空穴 —— B原子成为负离子 空穴的能量位于带隙之 中，且非常接近价带顶
一个IV族元素Si（4价）被一个III族元素B（3ห้องสมุดไป่ตู้）所取代
1. 施主和受主
—— 掺杂元素对导电不同影响，杂质态可分为两种类型
RS
1
xj
注意 欧姆定律的微分形式
用薄层电阻和平均导电率并不能表示在电阻 体内的电流是如何分布的
在各向同性的情况下，电阻体内的电流密度 可表示为j=I/A，电压V对应的微分量是电场 E，对于之前的电阻模型，E=V/L
将I=V/R中的各个量用微分量代替，可得
I Aj EL j E L
—— 除了与能带对应的电子共有化状态以外，还有一些 电子被杂质或者缺陷原子所束缚
实际的半导体 —— 束缚电子具有确定的能级，杂质能级位于带隙中接近
导带的位置
—— 一般温度下，可将杂 质束缚的电子激发到导带中
—— 对半导体的导电性能 产生大的影响
一个IV族元素Ge（4价）被一个V族元素As（5价）取代
三维情况
E





x
ex


y
ey


z
ez
一维 三维
j E
揭示了漂移电流的
j 传或导 电机 势d制 差： 的/ d即 作y在 用电 下场，
产生的电流传输。
j


(
x
ex


y
ey


z
ez
)



对掺杂浓度一定的半导体，当外加电场恒定时，平均漂移速 度应不变，相应的电流密度也恒定；