214-半導體的導電性能講解第一頁，共45頁。h價帶導帶Eg自由電子空穴半導體中電子和空穴總是成對出現(xiàn)的一半導體中的載流子2第二頁，共45頁?？昭ㄏ旅婺芗壣系碾娮涌梢攒S遷到空穴上來,這相當于空穴向下躍遷。滿帶上帶正電的空穴向下躍遷也是形成電流,這稱為空穴導電。導帶價帶Eg在外電場作用下導帶的自由電子在電場力的作用下會產(chǎn)生定向運動，形成電流，這稱為電子導電。3第三頁，共45頁。半導體的導電導帶的電子導電和價帶的空穴導電共同作用的結(jié)果載流子：電荷的定向移動形成電流，電荷的自由粒子稱為載流子。自由電子—帶負電半導體中有兩種導電的載流子空穴—帶正電4第四頁，共45頁。本征半導體——化學成分純凈的半導體。制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。（沒有雜質(zhì)和缺陷的半導體）。二.本征半導體5第五頁，共45頁。本征晶體中各原子之間靠得很近，如硅晶中，面心立方結(jié)構(gòu)，每個原子分別與周圍的四個原子形成四面體，原子之間的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。面心立方

硅晶體的空間排列共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖6第六頁，共45頁。共價鍵性質(zhì)共價鍵上的兩個電子同時受兩個原子的約束，如果沒有足夠的能量，不易脫離軌道，沒有自由電子，不導電。

當溫度升高或受到光的照射時，有些電子獲得足夠的能量，從價帶躍遷到導帶，成為導帶的自由電子，同時價帶出現(xiàn)等數(shù)量的空穴，這種激發(fā)為本征激發(fā)，載流子主要來源于本征激發(fā)的半導體成為本征半導體。7第七頁，共45頁。

一分為二載流子的產(chǎn)生

復合

合二為一溫度一定時，動態(tài)平衡狀態(tài)本征半導體平衡時半導體內(nèi)部的載流子成為——平衡載流子自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。8第八頁，共45頁。本征半導體自由電子和空穴的數(shù)目是相等的單位體積的電子數(shù)——電子濃度n0單位體積的空穴數(shù)——空穴濃度p0n0=p0本征半導體電導率：

σ=n0qμn+n0qμp=n0q(μn+μp)μn——電子遷移率μp——空穴遷移率9第九頁，共45頁。對于導帶：溫度T時，導帶內(nèi)會有多少電子導帶中的電子數(shù)單位能量內(nèi)的量子態(tài)數(shù)（狀態(tài)密度）溫度T時，能量為E的量子態(tài)被一個電子占據(jù)的幾率價帶導帶ECEvEgEC：導帶底，導帶電子最低能量Ev：價帶頂，價帶電子最高能量Eg：禁帶寬度10第十頁，共45頁。如果：EC-EF》k0T電子的波爾茲曼分布函數(shù)電子費米分布函數(shù)溫度T時，能量為E的量子態(tài)被一個電子占據(jù)的幾率空穴費米分布函數(shù)溫度T時，能量為E的量子態(tài)不被一個電子占據(jù)的幾率，（被空占據(jù)的幾率）空穴的波爾茲曼分布函數(shù)11第十一頁，共45頁。實際半導體中：價帶導帶ECEvEFEEF101/2

導帶底附近：

E-EF》k0T——電子服從波爾茲曼分布(1)導帶中，所有量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率f(E)《1

(2)隨著E增加，fB(E)下降，所以導帶中的電子分布在導帶底附近

價帶頂附近：EF-E》k0T——空穴服從波爾茲曼分布

(1)價帶中，所有量子態(tài)被空穴占據(jù)的幾率1-f(E)《1

(2)隨著E增加，1-f(E)增加，所以價帶中的空穴分布在價帶頂附近12第十二頁，共45頁。=NcNc：導帶的有效狀態(tài)密度，可以理解為把導帶中的所有狀態(tài)都集中在導帶底，它的狀帶密度認為是Nc。導帶中的電子數(shù)：導帶中的電子濃度：13第十三頁，共45頁?？昭ù蠖喾植荚趦r帶頂附近價帶中的空穴濃度：Nv：價帶的有效狀態(tài)密度，可以理解為把價帶中的所有狀態(tài)都集中在價帶電腦頂，它的狀帶密度認為是Nv。14第十四頁，共45頁。

本征半導體：n0=p0價帶導帶ECEvEF

一定的半導體材料，一定的溫度下，n0p0一定，適用于本征半導體、雜質(zhì)半導體。15第十五頁，共45頁。本征半導體電子空穴成對出現(xiàn)，電子、空穴濃度相等，它們的濃度稱本征載流子濃度ni

ni=n0=p0結(jié)論：ni與Eg關(guān)系密切，Eg越大，ni越小ni與T關(guān)系密切，T越高，ni越大1/Tni16第十六頁，共45頁。在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導體稱為雜質(zhì)半導體。(1)N型半導體(2)P型半導體三.非本征半導體17第十七頁，共45頁。（1）四價的本征半導體Si、Ｇｅ等，摻入少量五價的雜質(zhì)元素（如P、As等），出現(xiàn)若束縛電子。（2）量子力學表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中緊靠導帶處,極容易被激發(fā)到導帶中，形成電子導電。這種激發(fā)后能給導帶提供電子的雜質(zhì)稱施主雜質(zhì)。該能級稱為施主能級，EDSiSiSiSiSiSiSiP

n型半導體18第十八頁，共45頁。（3）摻施主的半導體的導帶電子數(shù)主要有施主數(shù)決定，半導體導電的載流子主要是電子。導帶價帶施主能級EDEgECEV19第十九頁，共45頁。N型半導體特征：(1)從價帶躍遷到導帶的電子數(shù)相對于從施主能級激發(fā)到導帶的電子數(shù)項小得多，可忽略。

電子——多數(shù)載流子空穴——少數(shù)載流子(2)n》p

σ=nqμn20第二十頁，共45頁。（1）四價的本征半導體Si、Ｇe等，摻入少量三價的雜質(zhì)元素（如Ｂ、Ga、Ｉn等）。在摻雜原子周圍，就缺一個電子，可以看作微弱結(jié)合的空穴。（2）量子力學表明，這種摻雜后多余的空穴的能級在禁帶中緊靠價帶處，很容易接受從價帶激發(fā)來的電子，從而在價帶留下一個空穴，產(chǎn)生空穴導電。這種雜質(zhì)稱受主雜質(zhì)，該能級稱為受主能級，EA。

p型半導體SiSiSiSiSiSiSi+B21第二十一頁，共45頁。p型半導體中空穴……多數(shù)載流子電子……少數(shù)載流子導帶EA價帶受主能級EgECEV（3）摻受主的半導體的空穴數(shù)主要有受主數(shù)決定，半導體導電的載流子主要是空穴。p》nσ=pqμp22第二十二頁，共45頁。非本征半導體的載流子濃度

導帶價帶施主能級EDEgECEV導帶EA價帶受主能級EgECEVn型半導體p型半導體電子（空穴）被正電核（負電核）吸引，要真正電離進入導帶，需克服正電核所施的束縛能——電離能23第二十三頁，共45頁?；卮穑翰荒苣軒У哪芗壞苋菁{自旋方向相反的兩個電子施主能級所束縛的電子是任一自旋方向（半導體物理）電子占據(jù)雜質(zhì)能級的幾率是否服從費米分布函數(shù)？n型半導體電子占據(jù)施主能級的幾率：P型半導體空穴占據(jù)受主能級的幾率：24第二十四頁，共45頁。

引入：ND——施主雜質(zhì)濃度

NA——受主雜質(zhì)濃度(1)施主能級的電子濃度nD——沒有電離的施主濃度

nD=NDfD(E)(2)受主能級的空穴濃度pA——沒有電離的受主濃度

pA=NAfA(E)(3)電離施主濃度——進入導帶中的電子

nD+=ND-nD

(4)電離受主濃度

pA-=NA-

pA25第二十五頁，共45頁。nD=NDfD(E)ED-EF》k0T施主雜質(zhì)全部電離nD=0nD+=ND

EF-ED》k0T施主雜質(zhì)幾乎沒電離nD=ND

nD+=0ED=EFnD=2/3ND

nD+=1/3ND

施主雜質(zhì)2/3沒電離1/3電離26第二十六頁，共45頁。n型半導體的載流子濃度：

n0=nD++p0導帶的電子濃度=電離施主濃度+價帶空穴濃度27第二十七頁，共45頁。N型半導體不同溫度下載流子的濃度變化nD+《ND(1)低溫弱電離區(qū)：溫度較低，本征激發(fā)幾乎不發(fā)生，少量施主雜質(zhì)發(fā)生電離少量電子進入導帶n0=nD+施主雜質(zhì)的電離能T↑,n0指數(shù)增加28第二十八頁，共45頁。低溫弱電離區(qū)費米能級表達式：T↑,EF復雜,ND>2NC，ND↑，

EF↑價帶導帶ECEvEFEiED29第二十九頁，共45頁。(2)中間電離區(qū)：T↑,ND<NC，ND↑，

EF↑n0=nD+價帶導帶ECEvEFEiED30第三十頁，共45頁。nD+

≈ND(3)強電離區(qū)：溫度升高，大部分施主雜質(zhì)發(fā)生電離電子進入導帶n0=nD++p0P0很小n0

=NDn0與溫度無關(guān)31第三十一頁，共45頁。強電離區(qū)費米能級表達式：ND一定，T↑,EF靠近EiT一定，ND↑，

EF靠近Ec價帶導帶ECEvEFEi32第三十二頁，共45頁。(4)過渡區(qū)：溫度升高，施主雜質(zhì)完全電離，同時本征激發(fā)不可忽視n0=ND+p0本征半導體ni=n0=p0導帶EC價帶EvEFEi33第三十三頁，共45頁。(5)高溫本征激發(fā)區(qū)溫度升高，本征激發(fā)的載流子數(shù)遠大于施主雜質(zhì)電離的n0

》NDp0

》NDn0=p0導帶EC價帶EvEFEi34第三十四頁，共45頁。非本征半導體（n型）1/Tn0本征區(qū)非本征區(qū)耗盡區(qū)低溫區(qū)：

n0=nD+,相同溫度下，非本征半導體電子濃度比本征半導體大得多，但對溫度的依賴性小。中溫區(qū)：

n0=ND,電子濃度基本與溫度無關(guān)。這個溫度對于非本征半導體材料來說非常重要，（半導體的使用溫度）。耗盡區(qū)的上限溫度越高表示此種半導體的使用溫度越高。35第三十五頁，共45頁。本征半導體：1/Tnin型——耗盡區(qū)，因為所有的施主原子因為失去電子而離子化P型——飽和區(qū)，因為所有的受主原子因為得到電子而離子化高溫區(qū)：本征激發(fā)區(qū)36第三十六頁，共45頁。四半導體中載流子的運動

載流子在電場作用下的運動稱漂移運動，所形成的電流稱漂移電流。漂移與漂移電流半導體載流子沒有電場→載流子是無規(guī)則的隨機運動→不會產(chǎn)生電流加上電場→載流子定向運動→會產(chǎn)生電流

電子電流空穴電流37第三十七頁，共45頁。漂移速度：遷移率，單位電場強度作用下，載流子的平均漂移速度。表明了載流子在半導體材料中運動的難易程度。(cm2/V.S)與材料性質(zhì)，摻雜濃度，載流子種類，溫度有關(guān)38第三十八頁，共45頁。ND0T一定NA0T一定隨著摻雜濃度↑，遷移率↓。因為載流子在遷移過程不僅受到晶格振動的散射還受到雜質(zhì)的散射；(2)當濃度較低時，遷移率接近常數(shù)(載流子主要受晶格振動的散射)；39第三十九頁，共45頁。1