复旦大学材料物理第11课.doc

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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尚体材料。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，半导体技术的长足进步，又在提供完整性极好的［古I体材料等方面给［古I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，半导体都是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屮载流了的激发机理而将其分为a)本征半导体；b)杂质半导体。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。室温条件下金属

2、电阻率：10一9加；半导体：104〜lOJQDn；绝缘体：10,2QDn一■些重要半导体材料的禁带宽度列于表9.2.1屮。半导体电导率的一个显著特点在于其对纯度的依赖极为敏感。例如，百万分Z—的硼(B)含量就能使纯硅的电导率成力借地增加。a)本征半导体导带理想情况：1、无杂质；2、晶体无缺陷。oOoQeO价带在这种情形，半导体屮的载流于，只能是从满带激发到导带的电子以及在满带屮留下的空穴。这种激发可借助于能给满带电了提供大于禁带宽度〔§能量的任何物理作用。然而，最常见的则是热激发，即在一定的温度下，由于热运动的起伏，一部分价带电了可

3、以获得超过EJKJ附加能量而跃迁至导带。我们称这种过程为本征激发。如果我们用n和p分别代表导带电子和满带空穴的浓度,显然对木征激发应满足⑴卩，如图9.2.I所示。我们将满足这一关系的半导体称为本征半导体，意思是导电本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，最易发生的木征激发过程乃是使价带顶附近的电了跃迁至导带底附近。因为这样所需的能量最低。因此，我们以后将总是认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)杂质半导体图9.2.2n型半导体(a)揍杂情况.(b)能带图如果对纯净半导体掺加适

4、当的杂质，也能提供载流了。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，在错(Ge,Germanium)>硅(Si,Silicon)这类处于元素周期表第IV族的元素半导体中，III族杂质硼(B)、铝(A1)、稼(Ga)、锢(In)等是受主杂质,而V族杂质磷、神、鎌等则是施主。碑原了共有五个价电了，于是与近邻结原了形成共价键后尚“多余”一个价电子。我们知道，共价键是一种相当强的化学键，就是说朿缚在共价键上的电子能是相当低的。就能带而言.这便是处在价带屮的电子。这个多余的电了不

5、在共价键上，而仅受到砂原了实As+的静电吸引，这种束缚作用是相当微弱的。只要给这个电了以不大的能量就可使Z脱离As的束缚而在晶体内H由运动，即成为导带电子。由此可见，束缚于As*上的这个“多余”电子的能量状态，在能带图上的位置应处于禁带屮而又极接近导带底。也就是说，由于掺杂，在禁带小出现了能级，称Z为杂质能级。每个施主引进的杂质能级称为施主能级，用Ed代表。朿缚于As+周围的电了就是处在施主能级上的电了。导带底Ec与Ed的并Ei=Ec-Ed称为施主电离能。在表9.2.2屮列出了緒和硅的重要施主的电离能。我们看到，一船都在0.05eV

6、以下。因此，室温已可提供足够的热能，使旅主能级上的电了跃迁至导带而使施主电离。通过下面的例了可以看出杂质的存在对半导体导电性能的影响。如果磷含量力百万分2—，即磷原了均可提供一个导带电子，掺杂使载流于浓度增加近10万倍。显然，掺加施主杂质后，半导体屮电了浓度增加，n>p,半导体的导电性以电了导电为主，故称Z为n型半导体。施主杂质也因Z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）。再以硅屮掺硼为例，来讨论受主杂质的作用。硼原于只有3个价电子，与近邻硅原于组成共价键时尚缺1个电子。

7、在此悄形,附近硅原子价键上的电了不需要增加多大能量就可相当容易地来填硼丿京了周围价键的空位，而在原先的价键上留下空位，这也就是价带屮缺少了电了而岀现了一个空穴，硼原子则因接受一个电了而成为负离子,如图9.2.3（a）所示。图屮示意地应出空处如何在晶体屮运动。这类杂质由于能接受电了而称为受主。上述过稈所需的能量就是受主电离能。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Ea的位置接近SiSi4

8、；,Ea-E「就是受主电离能,如图9.2.3（b）所示。在—•般掺杂水平,Ea也表现为能量相同表9.2.2错、硅中的浅杂质能级杂质元素施主（灯=E（—Ep）受上（吊-Ea-Ev）磷硼铝稼钢错0.0120.0130.00960.010.