半導(dǎo)體及其本征特征

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1、半導(dǎo)體及其基本特性第二章固體材料：超導(dǎo)體:大于106(?cm)-1導(dǎo)體:106~104(?cm)-1半導(dǎo)體:104~10-10(?cm)-1絕緣體:小于10-10(?cm)-1？什么是半導(dǎo)體從導(dǎo)電特性(電導(dǎo)率)和機制來分：不同電阻特性不同輸運機制1.半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)原子結(jié)合形式：共價鍵形成的晶體結(jié)構(gòu)：構(gòu)成一個正四面體，具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的結(jié)合和晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體有元素半導(dǎo)體，如：Si、Ge化合物半導(dǎo)體，如：GaAs、InP、InSb、GaP2.半導(dǎo)體中的載流子：能夠?qū)щ姷淖杂闪Ｗ颖菊靼雽?dǎo)體：n=p=ni+4+4+4+4+4+4+4+4+4

2、完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體將硅或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結(jié)構(gòu)為共價鍵結(jié)構(gòu)。價電子共價鍵圖1.1.1　本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖二、本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)溫度T=0K時，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖1.1.2　本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴自由電子空穴若T?，將有少數(shù)價電子克服共價鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價鍵中留下一個空位——空穴。T?自由電子和空穴使本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，但很微弱?？昭煽闯蓭д姷妮d流子。三、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子（動畫1-1）（動畫1-2）電子：

3、Electron，帶負電的導(dǎo)電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的自由電子，對應(yīng)于導(dǎo)帶中占據(jù)的電子空穴：Hole，帶正電的導(dǎo)電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對應(yīng)于價帶中的電子空位四、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度在一定溫度下本征半導(dǎo)體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度公式：T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:n=p=1.43×1010/cm3本征鍺的電子和空穴濃度:n=p=2.38×1013/cm3本征激發(fā)復(fù)合動態(tài)平衡1.半導(dǎo)體中兩種載流子帶負電的自由電子帶正電的空穴2.本征半導(dǎo)體中，

4、自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，　　　稱為電子-空穴對。3.本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的濃度用ni和pi表示，顯然ni=pi。4.由于物質(zhì)的運動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又　　　不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運動　　　會達到平衡，載流子的濃度就一定了。5.載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升　　　高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。小結(jié)：3.半導(dǎo)體的能帶(價帶、導(dǎo)帶和帶隙)量子態(tài)和能級固體的能帶結(jié)構(gòu)原子能級能帶共價鍵固體中價電子的量子態(tài)和能級共價鍵固體：成鍵態(tài)、反鍵態(tài)原子能級反成鍵態(tài)成鍵態(tài)價帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導(dǎo)帶：0K條件下未

5、被電子填充的能量最低的能帶禁帶：導(dǎo)帶底與價帶頂之間能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶價帶Eg半導(dǎo)體中載流子的行為可以等效為自由粒子，但與真空中的自由粒子不同，考慮了晶格作用后的等效粒子有效質(zhì)量可正、可負，取決于與晶格的作用電子和空穴的有效質(zhì)量m*4.半導(dǎo)體的摻雜BAs受主摻雜施主摻雜1.1.2　雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體(Negative)在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，如　　磷、銻、砷等，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體(或稱電子型　　半導(dǎo)體)。常用的5價雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。本征半導(dǎo)體摻入5價

6、元素后，原來晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替。雜質(zhì)原子最外層有5個價電子，其中4個與硅構(gòu)成共價鍵，多余一個電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子。自由電子濃度遠大于空穴的濃度，即n>>p。電子稱為多數(shù)載流子(簡稱多子)，空穴稱為少數(shù)載流子(簡稱少子)。5價雜質(zhì)原子稱為施主原子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子圖1.1.3N型半導(dǎo)體二、P型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體。+3空穴濃度多于電子濃度，即p>>n?？昭槎鄶?shù)載流子，電子

7、為少數(shù)載流子。3價雜質(zhì)原子稱為受主原子。受主原子空穴圖P型半導(dǎo)體說明：1.摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。3.雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。4.雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠遠高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。(a)N型半導(dǎo)體(b)P型半導(dǎo)體圖　雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡化表示法施主和受主濃度：ND、NA施主：Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，當(dāng)此電子移動參與傳導(dǎo)電流時，施主原子的位置留下不能移動，并成為帶正電的離子。如Si中摻的P和As受主：Acceptor，摻入半導(dǎo)

8、體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，當(dāng)此空穴移動參與傳導(dǎo)電流時，受主原子的位置留下不能移動，并成為帶負電的離子。如Si中摻的B施主能級