第5章-能带理论基础PPT课件

杂质的补偿作用
半导体中，同时存在施主杂质（Donor）和受主 （Acceptor）杂质时，施主和受主之间有相互抵消的作 用。
当ND＞NA 时：n =ND-NA ,此时为n型半导体
当ND＜NA 时：p= NA- ND ,此时为p型半导体
当ND≈NA 时：杂质的高度补偿，杂质不能向导带和价
带提供电子与空穴。
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5．4 缺陷能级
空位缺陷：硅晶体中，有空位，相当于空位周围的四个硅原子都有一个未成对的电子（悬 挂键），倾向于接受电子，形成饱和的共价键，所以起受主作用，形 成受主 能级。
自间隙原子：硅晶体中的自间隙原子，有四个价电子，可以提供电子，形成施主能级
线缺陷：位错包括刃位错，螺旋位错和混合位错，一般认为因由悬挂键而形成能级，但有 研究表明，纯净的位错是没有电学性能的，在禁带中不引入能级。但位错中如果 富集了金属杂质或其它杂质，就可能引入能级
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单个原子核的电子结构： 外层电子围绕原子核做周期性的圆周运动 外层电子轨道分布：1s，2s2p，3s3p3d,
靠近原子核的电子，受到束缚强，能级低；远离原
子核的电子束缚弱，能级高。电子从一个能级跃迁到另 一个能级，需要吸收能量，或释放能量。
原子核内层电子，能量低，束缚力大，能级重叠很
少；外层电子，能量高，束缚力小，能级重叠较多。重
引入杂质后（与半导体本体元素不同的其它元素），杂质
（包括缺陷）在平衡位置上振动，使实际半导体晶格偏
离理想状态。在禁带中引入杂质（包括缺陷能级），会
改变原有的半导体晶格中的周期性势场，从而影响半导
体材料的物理化学性质。 2021
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Si晶体在室温下，本征载流子的浓度只有 1010个/cm3，导电性能很差。
禁带宽度，受温度影响，温度影响载流子浓度，影响电子 的跃迁
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5．2 半导体中的载流子
半导体导电，是有电子和空穴的定向扩散和漂移形成的。
半导体电子-空穴对的产生与复合
低温下，价带基本上是充满的，导带几乎是空的，当温度升高时，价带电子获得 足够的热量（≥Eg），跃迁到导带，同时在价带产生一个空穴。导带电子也可 以释放能量，回到低能级的价带，和空穴复合。在没有外界电场的作用下， 温度一定时，电子和空穴的产生和复合式平衡的，空穴浓度和电子浓度相等。
当存在外界电场时，电子逆电场方向运动，形成电流（电子电流）；空穴顺电场 方向运动，同样形成电流（空穴电流）。电子和空穴，都是载流子。
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5．3 杂质能级 为了控制半导体的性能，人为掺入杂质。引入杂质能级
本征半导体：纯净的，不含任何杂质和缺陷的半导体
本征激发：共价键上的电子激发成准自由电子，即价带上 的电子，激发成为导带电子，在价带上留有一个空穴。 电子和空穴成对产生。
面缺陷：包括层错，晶界和表明等，晶体的界面和表明都存在悬挂键（表面态），可以在 禁带中引入能级，而且往往是深能级。
体缺陷：异质沉淀和空隙，一般不引入能级，但它们和基体之间的界面，往往产生缺陷能 级。
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材料的导电性能，取决于其能带结构
绝缘体：导带式空的，且禁带很宽（Eg=3-7eV）,一般情 况下，价带上的电子很难跃迁到导带
导体：金属材料的导带和价带，有相当部分是重合的，中 间没有禁带，导体存在大量的自由电子，导电能力很强
半导体：低温条件下，导带中一般没有电子或极少电子， 半导体导电性能差；禁带宽度不是很宽，一定条件下 （升温，能量激发等），价带电子可以跃迁到导带，同 时在价带中留有空穴，电子和空穴可以同时导电（两种 载流子导电）
第5章 能带理论基础
电子公有化运动 各种杂质能级及其在能带中的分布特征 各种缺陷能级特征 直接能隙和间接能隙的特征 热平衡载流子浓度的特征 费米分布函数
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5．1 能带理论的引入 能带理论，是研究固体中电子运动规律的一种近似理论。
固体由原子组成，原子又包括原子核和最外层电子，它们均 处于不断的运动状态。为使问题简化，首先假定固体中的原子核 固定不动，并按一定规律作周期性排列，然后进一步认为每个电 子都是在固定的原子实周期势场及其他电子的平均势场中运动， 这就把整个问题简化成单电子问题。能带理论就属这种单电子近 似理论，它首先由F.布洛赫和L.-N.布里渊在解决金属的导电性问 题时提出。
深能级杂质：能级远离近导带低（Ec）或价带顶（Ev）， 处于禁带中间附近。
深能级对载流子没有贡献，但对少子寿命有影响，因为深 能级可能为电子或空穴的复合中心，或成为电子或空穴 的捕获中心（陷阱）。
深能级杂质，是有害的杂质。金属杂质，特别是过度金属 杂质，基本上都是深能级杂质。
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源自文库
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中性杂质：硅晶体中有C，（Ge）等杂质，在晶格 位置上，不改变价电子数，不提供电子，也不提供空穴， 呈电中性，在禁带中不引入能级。
当掺入P的浓度为10-6(P/Si的原子浓度)，本 征硅的硅原子浓度为1022-1023个/cm3，这样使载 流子的浓度提高到1016-1017个/cm3，载流子浓度 提高了106-107倍，电子就成为多数载流子（多 子），空穴就成为少数载流子（少子），这就形 成了N型半导体。
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浅能级杂质：能级接近导带低（Ec）或价带顶（Ev）； 对半导体材料的导电性能直接做出贡献，提供载流子。
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能量低的能带中，充满电子，叫满带（价带），其 电子可以跃迁到导带；能量最高的能带中，往往是全空 或半充满状态，电子没有充满，叫导带；导带与价带之 间，叫禁带；导带低（Ec）和价带顶（Ev）之间的能 量差，就是禁带宽度（Eg）
注意：
能带的宽窄，由晶体的性质决定的；与晶体中所含 的原子数目无关；但每个能带中所含的能级数目，与晶 体中的原子数有关。
叠能级上的电子，就不局限于某一个原子核，很容易从
一个原子核的外层，转移到另一相邻原子核的外层，造
成外层电子可以在整个晶体中运动，为晶体所有原子共
有，这种现象为电子共有化2021
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每个轨道能分裂成N个相近的能级（简并度N）， 这个轨道上有m个电子，轨道就分裂成mN个能量相近 的能级，这些分裂的能级数量大，且能量差极小。这些 能量相近的能级，形成能带