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半导体材料的基本性质 半导体中的杂质和缺陷 本征半导体：由单一元素组成的结构完整的半导体晶体。
其中自由电子数目n和空穴数目p一一对应，数量相等n＝p。
杂质半导体：为了控制半导体的性质而人为的掺入杂质的半导体晶体。 分为：N型半导体和P型半导体。 N型半导体中，自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n >> p 。 P型半导体中，空穴浓度远大于自由电子的浓度，即 p >> n 。
实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种缺陷：点缺陷、线缺 陷和面缺陷。
半导体材料的基本性质 N型半导体
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。
晶胞类型 面心立方晶体 面心立方晶体 六方晶体
半导体材料 Si，金刚石，Ge GaAs，ZnO，GaN，SiC InN，GaN，ZnO，SiC
半导体材料的基本性质 半导体的能带结构
制造半导体器件所用的单晶体由靠的很密的原子周期性重复排列而成，相邻原子
间距只有零点几个纳米。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。
演示
当N个原子互相靠近结合成晶体 后，每个电子都要受到周围原子势 场的作用，其结果是每一个原来孤 立的能级分裂成彼此相距很近的N 个能级，准连续的，可看作一个能 带。
相邻原子距离越近，能带宽度 越大。能量越低的态，能带宽度 越小。
原子能级
禁带 禁带
能带
允带 允带 允带
半导体材料的基本性质
碳晶体是导体？？ 轨道杂化作用
碳晶体是绝缘体！
IV族元素晶体的导电性能
半导体材料的基本性质
半导体中的载流子——电子和空穴 价带顶部的电子被激发到导带后，形成了传导电子，传导电子参与导电，电子带 有负电荷－q，还具有负的有效质量。
价带顶部的电子被激发到导带后，价带中就留下一个空状态，把价带中空着的 状态看成是带正电的粒子，称为空穴。空穴不仅有正电荷＋q，还具有正的有效 质量。
本征半导体：n0p0=ni2,本征半导体费米能级位于禁带中心EF0附近 掺杂半导体：
N型半导体中有
nN

Nc
exp( EFN Ec ) KT

Nc
exp(
EF0 KT
Ec
)
exp(
EFN EF KT
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0
)

半导体发光器件
半导体材料的基本性质 半导体材料的分类 制造半导体器件所用的材料大多是单晶体。 晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排 列构成的固体物质，具有规则几何外形。
半导体材料的分类 ➢按元素种类分类：元素半导体和化合物半导体 ➢按有无杂质分类：本征半导体和杂质半导体
结构类型 金刚石型 闪锌矿型 纤锌矿型
],
Nc

2 h3
(2 mdeKT
3
)2
Nv

2 h3
(2 mdhKT
3
)2
热平衡统计 分布方程
np

Nc
N v Exp[
Eg KT
]
ni2
ni称为本征载流子浓度，是一个只和材料本身性质及热平衡温度有关的量.
温度一定时，两种载流子浓度乘积等于本征浓度的平方。
半导体材料的基本性质
半导体中的平衡载流子——温度一定、无外界能量激发
半导体材料的电子状态 电子分布原则：
1.电子在核外排列先分布在低能级轨道上, 使整个原子系统能量最低； 2.Pauli不相容原理：每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子； 3.Hund 规则：在能级简并的轨道上，电子尽可能自旋平行地分占不同的轨道。
全充满、半充满、全空的状态比较稳定。
固体按其导电性分为：导体、 半导体、绝缘体。
价带电子态密度随能量增大而减小 导带电子态密度随能量增大而增大
半导体材料的基本性质 半导体中载流子的统计分布规律－费米能级
电子在允带能级上的分布遵守Fermi-Dirac 分布：
电子占据能量为E能级的几率为：
f
(E
)

1

1 exp( E

EF
)
KT
f(E)称为费米分布函数，EF为费米能级
➢费米能级EF和温度、半导体材料的导电类型、 杂质的含量以及能量零点的选取有关
绝缘体
导带
Eg > 6 eV
价带
半导体
导带
Eg
价带
导体
半满带 满带
valence band : the highest band containing econduction band : the band e- in which can conduct net current
Ex. C crystal : 1s2 2s2 2p2
EC ED ED Eg
多余的价电子束缚在正电中心P＋的周围，但这种束缚 作用比共价键的弱得多，只要很少的能量就可以使它摆 脱束缚，形成导电电子。 使价电子摆脱束缚所需要的能量称为施主杂质电离能
EV
EV－－ 价带能级 EC－－ 导带能级 ED－－ 施主能级 Eg－－ 带隙宽度
半导体材料的基本性质 P型半导体 在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，即构成 P 型半导体(或称空穴型半 导体)。常用的 3 价杂质元素有硼、铝、镓、铟等。 III族杂质在硅中电离时，能够 释放空穴而产生导电空穴并形成负电中心，称为受主杂质。
EV－－ 价带能级 EC－－ 导带能级 EA－－ 受主能级 Eg－－ 带隙宽度
多余的空穴束缚在负电中心Al－的周围，但这种束缚作 用比共价键的弱得多，只要很少的能量就可以使它摆脱 束缚，形成导电空穴。 使空穴摆脱束缚所需要的能量称为受主杂质电离能
半导体材料的基本性质 半导体中载流子的态密度 电子的态密度r(E)定义为：在晶体的单位体积内，能量处于E和E+dE之间的状态 数目，可视为能量E的状态数目。 设导带底的能量为EC，价带顶的能量为Ev，则导带和价带的能量的态密度为：
➢费米能级标志了电子填充能级的水平,处于热 平衡状态的电子系统有统一的费米能级
半导体材料的基本性质 半导体中载流子的统计分布规律 载流子的统计分布规律：
电子：
空穴：
热平衡状态下导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度分别为：
n

N c Exp[
EF Ec KT
],
p

N v Exp[
Ev EF KT