复旦大学材料物理第11课

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1、第11课半导体的电导半导体材料是一种特殊的固体材料。事实上，关于固体能带理论的发展，就曾对半导体的研究起过重大的指导作用；而今天，半导体技木的长足进步，乂在提供完整性极好的闹体材料等方而给阀体物理研究的深度与广度以相当的推进。因此，无论就理论或实践而言，半导体都足一个极为重要的领域。晶态半导体的电导1.本征半导体和杂质半导体通常可以按照半导体中载流子的激发机理而将其分为a）本征半导体；b）來质半呆体。半导体的能带类似于绝缘体，即价带是满带。但半导体的禁带宽度较小，一般均在2eV以下。因而在室温已有一定的电导率。室溫条件下金属电阯率：10'7Q3?i；半导体：

2、104〜绝缘体：1012QZh2一些重要肀异体材料的禁带宽度列于表9.2.1中。半异体电异率的一个显著特点在于对纯度的依赖极为敏感。例如，百万分之一的硼（B）含虽就能使纯硅的电导率成万倍地增加。a）本征半导体理想情况.•1、无杂质；2、晶体无缺陷。在这种情形，半导体屮的载流于，只能足从满带激发到导带的电子以及在满带屮贸下的空穴。这种激发可借助于能给满带电子提供人于禁带宽度£8能景的任何物理作川。然而，最常见的则是热激发，即在一定的温度K,由于热运动的起伏，一部分价带电子讨以获得超过Eg的附加能量而跃迁至导带。我们称这种过程为本征激发。如果我们川n和p分别代表

3、导带电子和满带空穴的浓度，显然对本征激发应满足n=p，如图9.2.I所示。我们将满足这一关系的半异体称为本征半导体，导带OOOQoO价带意思是导电木领并未受到任何外来杂质或品格缺陷的影响。不难感到，对于热激发而言，敁易发生的木征激发过程乃是使价带顶附近的电子跃迁至导带欣附近。因为这样所需的能量最低。因此，我们以后将总是汄为导带中的电子处在导带底附近，而价带中的空穴则处在价带顶附近。b）杂质半导体如果对纯净半异体掺加适当的杂质，也能提供载流子。我们把提供导带电子的杂质称为施主（donor）；而将提供价带空穴的杂质称为受主（acceptor）。例如，在锗（Ge,

4、Germanium）、硅（Si,Silicon）这类处干元素周期表第W族的元素半导体中，III族杂质硼（B）、铝（A1）、镓（Ga）、钢（In）等是受主杂质，而V族杂质磷、砷、锑等则是施主。砷原子共有五个价电子，于是与近邻结原子形成共价键后尚“多余”一个价电子。我们知道，共价键是一种相当强的化学键，就足说束缚在共价键上的电子能足相当低的。就能带而言.这便是处在价带屮的电子。这个多余的电了不在井价键t,而仅受到砷原子实Af的静电吸引，这种束缚作用是相当微弱的。只要给这个电子以不大的能M就可使之脱离As的束缚而在品体lA）自由运动，即成为导带电子。由此可见，束缚

5、于As4■上的这个(a)(b)图9.2.2n型半异体（a）掺杂悄况.

6、半导体导电性能的影响。如果磷含S力百万分之一，即磷原+均可提供一个导带电了，掺杂使载流于浓度增加近10万倍。显然，摻加施主杂质半导体中电了•浓度增加，n>p,半导体的导电性以电子导电为主，故称之为n型半导体。施主杂质也因之而可称为n型杂质。在n型半导体中.电子又称为多数载流子(简称多子)，而空穴则为少数载流子(简称少子)。再以硅中掺硼为例，来讨论受主杂质的作用。硼原于只有3个价电子，与近邻硅原r组成则介键吋尚缺1个也子。在此情形,附近硅原子价键上的电了•不需要增加多人能景就4相当界易地來填硼原子周围价键的空位，而迕原先的价键上留下空位，这也就足价带巾缺少了电

7、子而出现了一个空穴，硼原子则因接受一个电子而成为负离子，如图9.2.3(a)所示。图中示意地皿i出令穴如何迕晶体中运动。这类杂质由于能接受电子而称为受主。上述过程所需的能鲎就足受主电离能。与施主情形类似，受主的存在也在禁带屮引进能级，有EA代表，不过位置接近©©©©©©©®©©©©(a)©©©©©©©©©©>©©OOOOOOO00心(b)图9.2.3P型半分休(a)掺杂情况，(b)能带凶表9.2.2销、硅中的浅杂质能级杂质元素施主(均=Er-Ep)受i(&-■Ea-Ev)磷砷锑硼铝镓铟锗0.0120.0130.00960.010.010.on0.011衧0.

8、0450,0490.0390,0450.0570.0