工程学概论》半导体基本特性

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1、第二章半导体及其基本特性1.1半导体基础知识在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。通常将很容易导电、电阻率小于10-4Ω·cm的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料;将很难导电、电阻率大于1010Ω·cm的物质，称为绝缘体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料;将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在10-3-109Ω·cm范围内的物质，称为半导体。常用的半导体材料是硅（Si)和锗(Ge)。用半导体材料制作电子元器件，不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于其导电能力会

2、随着温度的变化、光照或掺入杂质的多少发生显著的变化，这就是半导体的热敏特性、光敏特性和掺杂特性。例如，纯净的半导体硅，当温度从30℃升高到40℃时，电阻率减小一半；而金属导体铜，当温度从30℃升高到100℃时，电阻率的增加还不到1倍。又如，纯净硅在室温时的电阻率为2.14×105Ω·cm，如果在纯净硅中掺入百万分之一浓度的磷原子，此时硅的纯度仍可高达99.9999％，但它的电阻率却下降到0.2Ω·cm，几乎减少到原来的百万分之一。可见，当半导体受热或掺入杂质后，导电性能会发生变化。人们利用半导体的热敏特性和光敏特性可制作各种

3、热敏元件和光敏元件，利用掺杂特性制成的PＮ结是各种半导体器件的主要组成部分。半导体的主要特点：1、在纯净的半导体材料中，电导率随温度的上升而指数增加2、杂质的种类和数量决定着半导体的电导率，在重掺杂情况下温度对电导率影响较弱3、在半导体中可以实现非均匀掺杂4、光的辐照、高能电子等注入可以影响半导体的电阻率1.1.1本征半导体纯净的单晶半导体称为本征半导体，即不含任何杂质，结构完整的半导体。1．本征半导体的晶体结构常用的半导体材料硅（Si）和锗（Ge）的原子序数分别为14和32，它们的原子结构如图1-1（a）和（b）所示。由

4、图可见，硅和锗原子的最外层轨道上都有四个电子，同属于四价元素。由于内层电子受原子核的束缚力很大，很难脱离原子核，为简化起见，将内层电子和原子核看成一个整体，称为惯性核，它的净电量是四个正电子电量。最外层的四个电子受原子核的束缚力较小，有可能成为自由电子，常称为价电子。硅或锗原子的简化模型如图1-1（c）所示。图1-1硅和锗的原子结构模型(a)硅；(b)锗；(c)原子简化模型3S23P23d104S24P2硅和锗都是晶体，晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵——称为晶格。整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶。硅和锗的单

5、晶体即为本征半导体。硅或锗制成单晶体后，相邻两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但受本身原子核的吸引，而且受相邻原子核的吸引，从而将两个原子牢固地束缚在一起，这种共用价电子所形成的束缚作用就叫共价键。硅或锗原子最外层的四个价电子，正好和相邻的四个原子中的价电子组成四个共用电子对，构成四个共价键，使每个硅或锗原子的最外层电子获得稳定结构，如图1-2所示。图1-2硅和锗晶体共价键结构示意图半导体的结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构半导体的结合和晶体结构金刚石结构半导体有元素半导体，如：

6、Si、Ge化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS2．本征半导体中的两种载流子在绝对零度（T=-273℃或T=0K）下，本征半导体中的每个价电子都被束缚在共价键中，不存在自由运动的电子，本征半导体相当于绝缘体。但在室温下（T=27℃或T=300K），本征半导体中一部分价电子因受热而获得足够的能量挣脱共价键的束缚成为自由电子，与此同时，在该共价键上留下了空位，这个空位称为空穴。由于本征半导体在室温下每产生一个自由电子必然会有一个空穴出现，即电子与空穴成对产生，称之为电子-空穴对。这种由于本征半导体受热而产生电子-空穴对的现象

7、称为本征激发。图1-3电子-空穴对的产生和空穴的移动半导体中的载流子：能够导电的自由粒子电子：Electron，带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导带价带Eg半导体的能带(价带、导带和带隙)量子态和能级固体的能带结构原子能级能

8、带禁带能带3．热平衡载流子的浓度在本征半导体中不断地进行着激发与复合两种相反的过程，当温度一定时，两种状态达到动态平衡，即本征激发产生的电子-空穴对，与复合的电子-空穴对数目相等，这种状态称为热平衡状态。半导体中自由电子和空穴的多少分别用浓度（单位体积中载流子的数目）ni和pi来表示。处