半导体材料的基本性质和实际应用
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我们把载流子的热激发产生率与复合率达到平衡的状 态,称为半导体的热平衡状态.热平衡状态下的载流子浓 度值称为热平衡载流子浓度.
1.3.3 本征载流子浓度
要分析载流子在外界作用下的运动规律,必须要知 道它们的浓度及浓度分布情况.
在半导体的导带和价带中,有很多能级存在,相邻 间隔很小,约为 1022eV 数量级,可近似认为能级是连 续的,故可把能带分为一个一个能量很小的间隔来 处理.
半导体材料的基本性质和实际 应用
1.1 半导体与基本晶体结构
1.1.1 半导体
导电能力介于导体于绝缘体之间的一些单晶体，就叫半导体。
1.1.2半导体材料的基本特性
1.杂质敏感性 2.负温度系数 3.光敏性 4.电场、磁场效应
1.1.3 半导体的晶体结构
晶体结构是指原子在三维空间中周期性排列着的单晶体。 晶胞：单晶体结构可以用任意一个最基本的单元所代
1.4 杂质半导体与杂质半导体的载流 子浓度
1.4.1 N型半导体与P型半导体
N型半导体:在纯净的本征半导体材料中掺入施主杂质 后，施主杂质电离放出大量能导电的电子，使这种半 导体的电子浓度n大于空穴浓度p，把这种主要依靠电 子导电的半导体称为N型半导体，如图a所示。
由上式可以看出,随温度的升高.半导体np乘积的数值是 要增大的.
利用本征半导体电子和空穴浓度的关系可以得到
n p(N C N V)e E g/kTn i2
因此半导体两种载流子浓度的乘积等于它的本征载流子浓度的平方 .
3.本征载流子浓度与本征费米能 级
右图为 Si和GaAs中本征载流子浓 度与温度倒数间的关系
孤立氢原子中电子能量公式：
m0 是自由电子的 惯性质量；q为电 子电荷；ε0 为真空 介电常数；h为普 朗克常数；n为量 子数取正整数。根 据上式可得氢原子 能级图。
1.2.2 晶体中电子的能带
本节重点讨论有原子结合成晶体时电子的运动规律 1.晶体中电子的共有化运动
价电子轨道重叠运动区域连成一片示意图
达式为 f(E)1e(E1EF)/kT
k为玻尔兹曼常数;T为热力学温度;EF是费米能级. 可以用曲线把费米分布函数式表示出来.
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.
E c
E c
式中N(E)称为能态密度, 在单位体积晶体中,允许 的能态密度表达式为
N(E)4(2hm 3n)3/2(EEC)1/2
对于价带空穴,单位 体积中允许的能态密 度表达式为
N(E)4(2hm 3p)3/2(EVE)1/2
式中mn代表电子的有效质量;mp代表空穴的有效质量. 电子占据能量为E的机率函数称为费米分布函数,其表
表，称这个最基本的单元叫晶胞。 晶格：单晶体是由晶胞在三维空间周期性重复排列而
成，整个晶体就像网格一样，称为晶格。 格点与点阵，组成晶体的原子重心所在的位置称为格
点，格点的总体称点阵。
3种常见的立方晶体的晶胞 a）简单立方 b）体心立方 c）面心立方
金刚石结构的晶胞与平面示意图 a）金刚石型结构的晶胞 b）硅晶体的平面结构示意图
2.晶体中电子能带的形成
N个原子结合成晶体前后的能级状态
单个原子的能级与晶体能带的 对应图
1.2.3 硅晶体能带的形成过程
1.2.4 能带图的意义及简化表示
晶体实际的能带图比较复杂，可以把复杂的能带图进行简化
绝缘体、半导体和导体的简化能带图 a） 绝缘体 b）半导体 c）导体
一般用“Ec”表示导 带底的能量，用Ev表 示价带底的能量，Eg 表示禁带宽度。
半导体能带简化表示 a）能带简化表示 b） 能带最简化表示
1.3 本征半导体与本征载流子浓度
1.3.1 本征半导体的导电结构
本征半导体是指完全纯净的 结构完整的 不 含任何杂质和缺陷的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ导体.
半导体填充能带的情况 a）T=0K b） T>0K
本征半导体导带电子和价带空穴均能在外加电场作用 下,产生定向运动形成电流,把上述两种荷载电流的粒子 称为半导体的两种载流子.
导带电子浓度和价带空穴浓度永远相等,这是本征半导 体导电机构的一个重要特点.
1.3.2 热平衡状态与热平衡载流子浓度
在本征半导体中,载流子是由价带电子受晶格热运动的 影响激发到导电带中而产生的,热激发有使载流子增加 的倾向.
导带电子以某种形式放出原来吸收的能量与空穴复合, 复合作用又使电子和空穴的数目减少.
1.1.5 半导体材料简介
材料永远起着决定一代社会科技水平的关键作用 锗是最早实现提纯和完美晶体生长的半导体材料 硅是最典型、用量最广泛而数量最多的半导体材料 近年来一些化合物半导体材料已被应用于各种器件的
制作中
半导体已经发展成为种类繁多的大科门类材料
1.2半导体的能带
1.2.1 孤立原子中电子能级
金刚石型结构 a）正四面体 b）结构
1.1.4晶面及其表示方法
密勒指数：密勒指数是界定晶体中不同平面的简单办法 ，它可以由以下步骤确定：
1.找出晶面在3个直角坐标轴的截距值（以晶格常数为计 量单位）；
2.取这3个截距值的倒数，将其换算成最小的整数比； 3.把结果用圆括号括起来（hkl）， 即为该晶面的密勒指数。
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
1.3.4 费米能级与载流子浓度的关系
1.费米能级 费米能级在能带中所处的位置,直接决定半导体电子和空
穴浓度.
费米能级的位置
2.两种载流子浓度的乘积 n p ( N C N V ) e ( E C E V ) /k T ( N C N V ) e E g /k T
设电子浓度为n,首先计算能量增量dE范围内的电 子浓度.
定义n(E)是单位体积内允许的能态密度N(E)与电 子占据该能量的机率函数f(E)的乘积.对N(E) f(E) dE从导带底Ec到导带顶Etop进行积分,可得电子浓 度n.
E to p
E to p
n n (E )d E N (E )f(E )d E
1.3.3 本征载流子浓度
要分析载流子在外界作用下的运动规律,必须要知 道它们的浓度及浓度分布情况.
在半导体的导带和价带中,有很多能级存在,相邻 间隔很小,约为 1022eV 数量级,可近似认为能级是连 续的,故可把能带分为一个一个能量很小的间隔来 处理.
半导体材料的基本性质和实际 应用
1.1 半导体与基本晶体结构
1.1.1 半导体
导电能力介于导体于绝缘体之间的一些单晶体，就叫半导体。
1.1.2半导体材料的基本特性
1.杂质敏感性 2.负温度系数 3.光敏性 4.电场、磁场效应
1.1.3 半导体的晶体结构
晶体结构是指原子在三维空间中周期性排列着的单晶体。 晶胞：单晶体结构可以用任意一个最基本的单元所代
1.4 杂质半导体与杂质半导体的载流 子浓度
1.4.1 N型半导体与P型半导体
N型半导体:在纯净的本征半导体材料中掺入施主杂质 后，施主杂质电离放出大量能导电的电子，使这种半 导体的电子浓度n大于空穴浓度p，把这种主要依靠电 子导电的半导体称为N型半导体，如图a所示。
由上式可以看出,随温度的升高.半导体np乘积的数值是 要增大的.
利用本征半导体电子和空穴浓度的关系可以得到
n p(N C N V)e E g/kTn i2
因此半导体两种载流子浓度的乘积等于它的本征载流子浓度的平方 .
3.本征载流子浓度与本征费米能 级
右图为 Si和GaAs中本征载流子浓 度与温度倒数间的关系
孤立氢原子中电子能量公式：
m0 是自由电子的 惯性质量；q为电 子电荷；ε0 为真空 介电常数；h为普 朗克常数；n为量 子数取正整数。根 据上式可得氢原子 能级图。
1.2.2 晶体中电子的能带
本节重点讨论有原子结合成晶体时电子的运动规律 1.晶体中电子的共有化运动
价电子轨道重叠运动区域连成一片示意图
达式为 f(E)1e(E1EF)/kT
k为玻尔兹曼常数;T为热力学温度;EF是费米能级. 可以用曲线把费米分布函数式表示出来.
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.
E c
E c
式中N(E)称为能态密度, 在单位体积晶体中,允许 的能态密度表达式为
N(E)4(2hm 3n)3/2(EEC)1/2
对于价带空穴,单位 体积中允许的能态密 度表达式为
N(E)4(2hm 3p)3/2(EVE)1/2
式中mn代表电子的有效质量;mp代表空穴的有效质量. 电子占据能量为E的机率函数称为费米分布函数,其表
表，称这个最基本的单元叫晶胞。 晶格：单晶体是由晶胞在三维空间周期性重复排列而
成，整个晶体就像网格一样，称为晶格。 格点与点阵，组成晶体的原子重心所在的位置称为格
点，格点的总体称点阵。
3种常见的立方晶体的晶胞 a）简单立方 b）体心立方 c）面心立方
金刚石结构的晶胞与平面示意图 a）金刚石型结构的晶胞 b）硅晶体的平面结构示意图
2.晶体中电子能带的形成
N个原子结合成晶体前后的能级状态
单个原子的能级与晶体能带的 对应图
1.2.3 硅晶体能带的形成过程
1.2.4 能带图的意义及简化表示
晶体实际的能带图比较复杂，可以把复杂的能带图进行简化
绝缘体、半导体和导体的简化能带图 a） 绝缘体 b）半导体 c）导体
一般用“Ec”表示导 带底的能量，用Ev表 示价带底的能量，Eg 表示禁带宽度。
半导体能带简化表示 a）能带简化表示 b） 能带最简化表示
1.3 本征半导体与本征载流子浓度
1.3.1 本征半导体的导电结构
本征半导体是指完全纯净的 结构完整的 不 含任何杂质和缺陷的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ导体.
半导体填充能带的情况 a）T=0K b） T>0K
本征半导体导带电子和价带空穴均能在外加电场作用 下,产生定向运动形成电流,把上述两种荷载电流的粒子 称为半导体的两种载流子.
导带电子浓度和价带空穴浓度永远相等,这是本征半导 体导电机构的一个重要特点.
1.3.2 热平衡状态与热平衡载流子浓度
在本征半导体中,载流子是由价带电子受晶格热运动的 影响激发到导电带中而产生的,热激发有使载流子增加 的倾向.
导带电子以某种形式放出原来吸收的能量与空穴复合, 复合作用又使电子和空穴的数目减少.
1.1.5 半导体材料简介
材料永远起着决定一代社会科技水平的关键作用 锗是最早实现提纯和完美晶体生长的半导体材料 硅是最典型、用量最广泛而数量最多的半导体材料 近年来一些化合物半导体材料已被应用于各种器件的
制作中
半导体已经发展成为种类繁多的大科门类材料
1.2半导体的能带
1.2.1 孤立原子中电子能级
金刚石型结构 a）正四面体 b）结构
1.1.4晶面及其表示方法
密勒指数：密勒指数是界定晶体中不同平面的简单办法 ，它可以由以下步骤确定：
1.找出晶面在3个直角坐标轴的截距值（以晶格常数为计 量单位）；
2.取这3个截距值的倒数，将其换算成最小的整数比； 3.把结果用圆括号括起来（hkl）， 即为该晶面的密勒指数。
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
1.3.4 费米能级与载流子浓度的关系
1.费米能级 费米能级在能带中所处的位置,直接决定半导体电子和空
穴浓度.
费米能级的位置
2.两种载流子浓度的乘积 n p ( N C N V ) e ( E C E V ) /k T ( N C N V ) e E g /k T
设电子浓度为n,首先计算能量增量dE范围内的电 子浓度.
定义n(E)是单位体积内允许的能态密度N(E)与电 子占据该能量的机率函数f(E)的乘积.对N(E) f(E) dE从导带底Ec到导带顶Etop进行积分,可得电子浓 度n.
E to p
E to p
n n (E )d E N (E )f(E )d E