ch01-半导体中的电子和空穴解析

施主(Donor)掺杂
掺入在半导体中的杂质原子， 能够向半导体中提 供导电的电 子而本身成为带正电的离子 （此过程称为杂质电离），这 种杂质称为施主杂质，如 在Si 中掺入V族的P 和As。 当半导体中掺入施主杂质，并主要靠施主提供的 电子导电，这种半导体称为N型半导体。
受主(Acceptor)掺杂
Chapter 1 半导体中的电子和空穴
1.1 硅的晶体结构
• 晶体结构：金刚石结构 • 每一个原子都有四个与 它最临近的原子
密勒指数：确定晶体内晶面和晶向的取向
1.2 电子和空穴的成键模型
硅的性质由最外层四个电子（称为价电子）决定 当硅原子形成硅单晶时，每个硅原子与四个最近 临硅原子共享它们的价电子，形成共价结合。在 绝对零度时，所有的电子都被束缚在这些共价键 上，电子不能在外电场的作用下自由运动。
半导体术语中的掺杂是指控制半导体中特 殊杂质原子的数量，从而有目的地增加电 子或空穴的浓度 几乎所有半导体器件的制造中都会控制半 导体材料中掺入的杂质数量，通常杂质浓 度的范围是（1014～1020）cm-3。
纯净的单晶半导体称为本征半导体，掺入 微量杂质的半导体叫杂质半导体或非本半 征半导体。
允 带 允 带
能带示意图
E

禁 带 禁 带
导 带
价 带
在绝对零度时，电 子首先趋于填满最 低的能带。被电子 填充的能量最高的 带称为价带，价带 以上的能带是空的， 其中最低的空带称 为导带。
能带示意图（T=0K）
E
禁 带 宽 度

Eg
导 带

价 带
量子跃迁（T≠0K）
导带和价带之间的带 隙的大小称为禁带宽 度，其数值代表从价 带顶到导带低的能量 差。 电子摆脱共价键的过 程，从能带上看，就 是电子离开价带从而 在价带中留下空的能 级的量子跃迁过程。 量子跃迁的结果是在 导带中出现一个电子 而在价带出现一个空 穴。
掺入到半导体中的杂质原 子，能够向半导体中提供 导电的空穴而本身成为带 负电的离子，这种杂质称 为受主杂质。如在 Si中掺 入III族的硼(B)元素。
当半导体中掺有受主杂质时，主要靠受主提供的 空穴导电，这种半导体叫做P型半导体。
1.3 载流子的能带模型
原子中电子的量子态和能级
E
1s22s22p63s23p2
Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si
线表示 共价键
电子和空穴
如果共价键中的电子获得足够的能量，就可以摆 脱共价键的束缚，成为在晶体中自由运动的电子。 这时在原来的共价键上就留下了一个空位，因为 邻键上的电子可以跳过来填补这个空位，从而使 空位转移到邻键上去。所以，空位也是可以移动 的。这种可以自由移动的空位被称为空穴。半导 体就是靠着电子和空穴的移动来导电的。电子和 空穴统称为载流子。
E4
E3
E2 E1
原子中电子能 级示意图
电子做稳恒的运动，具有完全确定 的能量，这种稳恒的运动状态称为 量子态，相应的能量称为能级。
半导体的能带
E 原子形成晶体时，晶 体中量子态分成由低 到高的许多组，每一 组包含大量密集的能 级，称为能带。能带 与能带之间的间隙称 为禁带。

禁 带 禁 带
允 带
0.023 0.3
2 0.3
与载流子有关的术语
半导体中总是同时存在电子和空穴。电子和空穴 统称为载流子。 电子和空穴的来源：本征热激发、杂质电离。 本征半导体：没有杂质的半导体。本征半导体中 载流子来源于本征热激发，电子浓度等于空穴浓 度。 杂质半导体：掺有施主或受主杂质的半导体，分 为N型和P型。
1.5 有效质量
晶体中载流子运动中表现出的质量称为有效质量， 它反映了晶体内部势场和量子力学效应。 在外力作用下，载流子的运动方程： f m*a
2 m* 2 d E / dk 2
Si
Ge
GaAs
InAs
AlAs
mn/m0 mp/m0
0.26 0.39
0.12 0.3
0.068 0.5
1.4 半导体、 绝缘体和导体
Ec E g= 9 eV Ev
Top of conduction band empty filled
E g = 1.1 eV
Ec Ev
Ec
Si (Semiconductor)
SiO (Insulator)
2
Conductor
Totally filled bands and totally empty bands do not allow current flow. (Just as there is no motion of liquid in a . totally empty bottle.) totally filled or Metal conduction band is half-filled. Semiconductors have lower E 's than insulators and can be g doped.
E
EC

禁 带
导 带
EC
EV

x
EV
价 带
能带的简化示意图
电子处于导带底 空穴处于价带顶
动量空间中的能带图
间接带隙半导体、直接带隙半导体
杂质能级－用能带模型解释掺杂作用
掺杂：在禁带中形成杂质能级 施主杂质形成施主能级，施主能级靠近导带 受主杂质形成受主能级，受主能级靠近价带
电离能＝ 0.044Fra Baidu bibliotekeV
载流子数目的控制－掺杂
电子摆脱共价键所需的能量，在一般情况下， 是靠晶体内部原子本身的热运动提供的。常温 下，硅里面由于热运动激发价健上电子而产生 的电子和空穴很少（约为1010cm-3），它们 对硅的导电性影响是十分微小的。 室温下半导体的导电性主要由掺入半导体中的 微量的杂质（简称掺杂）来决定，这是半导体 能够制造各种器件的重要原因。
EC ED EC
施主能级
EA
受主能级
0.045 eV
EV
EV
杂质电离提供载流子
子是从 的我能 手们带 段在的 能观 带点 里来 放看 进， 载掺 流杂
用能带解释（a）施主杂质（b）受主杂质
杂质补偿 当一块半导体中同时含有施主和受主杂质 时，受主和施主在导电性上会相互抵销， 这种现象叫做杂质的“补偿” 。 在有补 偿的情况下，决定导电能力的是施主和受 主浓度之差。 当施主数量超过受主时，半导体就是N型 的；反之，若受主数量超过施主，则是P 型的。