半導(dǎo)體基礎(chǔ)new

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1、半導(dǎo)體基礎(chǔ)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)?現(xiàn)代固體電子與光電子器件大多由半導(dǎo)體材料制備，半導(dǎo)體材料多為晶體（晶體中原子排列有序，非晶體中原子排列無序）。單晶體——在一塊材料中，原子全部有規(guī)則的周期排列；多晶體——只在很小范圍內(nèi)原子有規(guī)則的排列，形成小晶粒，而晶粒之間有無規(guī)則排列的晶粒界隔開。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)?電子的共有化運(yùn)動(dòng)晶體中大量的原子集合在一起，而且原子之間距離很近，致使離原子核較遠(yuǎn)的殼層發(fā)生交疊，殼層交疊使電子不再局限于某個(gè)原子上，而有可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去，也可能從相鄰原子運(yùn)動(dòng)到更遠(yuǎn)的原子殼層上去，這稱為電子的共有化運(yùn)動(dòng)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)?能帶結(jié)構(gòu)電子的共有

2、化運(yùn)動(dòng)使得電子受到晶體中所有原子的作用，本來處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，即能級(jí)發(fā)生分裂，分裂的能級(jí)數(shù)目可認(rèn)為是晶體中的原子數(shù)目（數(shù)目非常大），于是，能級(jí)擴(kuò)展為能帶（由大量間隔很小的能級(jí)組成）。圖3-1電子的共有化運(yùn)動(dòng)和能級(jí)分裂半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)?允許被電子占據(jù)的能帶稱為允帶，允帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，稱為禁帶。?原子中最外層的電子稱為價(jià)電子，與價(jià)電子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶稱為價(jià)帶；比價(jià)帶能量更高的允帶稱為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶的最低能級(jí)表示為Ec，價(jià)帶的最高能級(jí)表示為Ev，Ec與Ev之間的能量間隔Eg為禁帶寬度。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)?導(dǎo)電性導(dǎo)體或半導(dǎo)體的導(dǎo)電作

3、用是通過帶電粒子的運(yùn)動(dòng)（形成電流）來實(shí)現(xiàn)的，這種電流的載體（帶電粒子）稱為載流子。半導(dǎo)體材料中原子多形成共價(jià)鍵，共價(jià)鍵中的電子受熱激發(fā)可躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子導(dǎo)電；另外，在價(jià)帶中出現(xiàn)了電子的空缺——空穴，會(huì)吸引附近的電子來填充，形成空穴移動(dòng)，也會(huì)形成電流。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)?i型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)完整、純凈的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體（i型半導(dǎo)體）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性由其禁帶寬度Eg決定，Eg越小，導(dǎo)電性越強(qiáng)。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)?n型半導(dǎo)體在四價(jià)元素硅（Si）晶體中摻入五價(jià)原子，例如磷（P）或砷（As），則形成n型半導(dǎo)體。易釋放電子的原子稱為施主，施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為

4、施主能級(jí)Ed。Ed位于禁帶中，較靠近材料的導(dǎo)帶底。Ed與Ec間的能量差稱為施主電離能ΔEd。n型半導(dǎo)體主要是施主的自由電子導(dǎo)電。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)?p型半導(dǎo)體在四價(jià)原子硅（Si）晶體中摻入三價(jià)原子，例如硼（B），則形成p型半導(dǎo)體。容易獲取電子的原子稱為受主。受主獲取電子的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)Ea，也位于禁帶中。在價(jià)帶頂Ev附近，Ea與Ev間能量差稱為受主電離能ΔEa。p型半導(dǎo)體主要是受主形成的空穴導(dǎo)電。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)?摻雜對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響半導(dǎo)體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級(jí)，這些能級(jí)中的電子可以躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子，或者價(jià)帶中的電子躍遷

5、到這些能級(jí)上在價(jià)帶形成空穴，這樣要比電子直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶容易得多。熱平衡下的載流子濃度?在一定溫度下，若沒有其他的外界作用，半導(dǎo)體中的自由電子和空穴是由熱激發(fā)產(chǎn)生的。?在一定溫度下，載流子的激發(fā)和復(fù)合兩種過程形成動(dòng)態(tài)平衡，稱為熱平衡狀態(tài)，此時(shí)載流子濃度（單位體積的載流子數(shù)目）即為某一穩(wěn)定值，該值定量地反映了半導(dǎo)體導(dǎo)電性的強(qiáng)弱。?熱平衡時(shí)，半導(dǎo)體中載流子濃度與兩個(gè)參數(shù)有關(guān)：一是在能帶中能級(jí)（或能態(tài)）的分布；二是這些能級(jí)中每一個(gè)能級(jí)被電子占據(jù)的概率。熱平衡下的載流子濃度?能級(jí)密度單位體積單位能量間隔內(nèi)能級(jí)的數(shù)目。3導(dǎo)帶4π*()2N(E)=2me

6、E?Ec3h43π*價(jià)帶N(E)=(2m)2E?E3pυh熱平衡下的載流子濃度?費(fèi)密能級(jí)和電子占據(jù)率能態(tài)分布服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。在某溫度下熱平衡狀態(tài)中，能量為E的能態(tài)被電子占據(jù)的概率1f(E)=n()1+exp(E?E)/kTf價(jià)帶中，空穴占據(jù)E能級(jí)的概率為1f(E)=1?f(E)=pn()1+exp(E?E)/kTf熱平衡下的載流子濃度?平衡載流子濃度導(dǎo)帶中能級(jí)為E的自由電子濃度為N(E)n(E)=N(E)f(E)=n()1+exp(E?E)/kTf導(dǎo)帶中總的電子濃度為∞?Ec?Ef?n=n(E)dE=Nexp???∫Ec??c?kT?Nc導(dǎo)

7、帶有效能級(jí)密度。熱平衡下的載流子濃度?平衡載流子濃度價(jià)帶中能級(jí)為E的空穴濃度為N(E)p(E)=N(E)f(E)=p()1+exp(E?E)/kTf價(jià)帶中總的空穴濃度為E?E?E?p=υp(E)dE=Nexp??fυ?∫?∞υ??kT??可以得到?E?E??Eg?n?p=NNexp??cυ?=NNexp???cυ?kT?cυ??kT??熱平衡下的載流子濃度?本征半導(dǎo)體中的載流子濃度、本征半導(dǎo)體中，ni=pi，所以?Eg?n=p=NNexp???iicυ???2kT?E+E1NE=cυ+kTlnυfi22Nc熱平衡下的載流子濃度?摻雜半導(dǎo)體中的載流

8、子濃度n型半導(dǎo)體中施主原子的濃度為Nd，則?n=Nd+ni?Nd?2p=nN?idp型半導(dǎo)體中受主原子的濃度為Na，則?p=Na+pi?