半导体物理基础第一章课件.ppt

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1、Chap1半导体物理基础11.2能带一、能带的形成能级：电子所处的能量状态。当原子结合成晶体时，原子最外层的价电子实际上是被晶体中所有原子所共有，称为共有化。共有化导致电子的能量状态发生变化，产生了密集能级组成的准连续能带---能级分裂。21.2能带右图为硅晶体的原子间相互作用示意图sisisisisisisisisi31.2能带二、能带结构与原子间距的关系随着原子间距的缩小，能带结构发生的变化依次为各能级分立、出现能级分裂、合并为一个能带、再次出现能级分裂等过程。在“实际硅晶体原子间距”位置，共分裂为两个能带，较低的能带被价电子填满，较高

2、的能带是空的。41.2能带出现能级分裂合并为一个能带实际硅晶体原子间距价带导带51.2能带三、简化的能带结构图1-3导带：接收被激发的电子（对于半导体）价带：通常被价电子填满（对于半导体）EC：导带底的能量EV：价带顶的能量EG：禁带宽度，是打破共价键所需的最小能量，是材料特有的重要特性。61.3有效质量有效质量m*：考虑了晶格对于电子运动的影响并对电子静止质量进行修正后得到的值。71.4导带电子和价带孔穴1、金属、半导体和绝缘体的区别空带、满带和不满带能带理论提出：一个晶体是否具有导电性，关键在于它是否有不满的能带存在。在常温下，半导体的

3、价电子填满价带，只有少量电子离开价带形成不满带，才能实现导电81.4导带电子和价带孔穴按照能带被电子填充的情况来分析金属、半导体和绝缘体：金属：被电子填充的最高能带是不满的，而且能带中的电子密度很高，所以金属有良好的导电性。绝缘体和半导体：在绝对零度时，被电子占据的最高能带是满的，没有不满的能带存在。因此不能导电。91.4导带电子和价带孔穴绝缘体的禁带很宽，即使温度升高，电子也很难从满带激发到空带，因此很难导电。半导体的禁带较窄，在一定温度下，电子容易从满带激发到空点，形成不满带，从而导电。101.4导带电子和价带孔穴价带：绝对0度条件下，

4、半导体最上面的满带被价电子填充，称为价带。导带：绝对0度条件下，价带上面的空带能够接收从满带激发来的电子，从而能够导电，因此也称为导带。禁带宽度：电子从价带激发到导带所需要的最小能量。111.4导带电子和价带孔穴禁带的宽度区别了绝缘体和半导体；而禁带的有无是导体和半导体、绝缘体之间的区别；绝缘体是相对的，不存在绝对的绝缘体。导体具有任何温度下电子部分填满的导带。图1-5：不同导电性物质电子填充能带情况。121.4导带电子和价带孔穴半导体的导电过程：电子受到外界条件激发（如温度），获得能量，到达导带，从而形成不满带。半导体的电导率受温度影响很

5、大。131.4导带电子和价带孔穴2、空穴价带顶附近的一些电子被激发到导带后，留下一些空状态，称为空穴。半导体中参与导电的有：导带中的电子和价带中的空穴，二者统称为载流子。价带顶附近存在少量空穴的问题，和导带底附近存在少量电子的问题，十分相似。141.5硅、锗、砷化镓的能带结构P18，图1.6和图1.7在300K的禁带宽度：硅：1.12eV锗：0.67eV砷化镓：1.43eV1.6杂质能级为了改善半导体的导电性，通常会加入适当的杂质，在禁带中引入相应的杂质能级。151.6杂质能级在实际的半导体材料中，总是不可避免的存在各种类型的缺陷。为了改善

6、半导体的导电性，通常会加入适当的杂质。在禁带中引入相应的杂质能级和缺陷能级。161.6杂质能级硅的四面体结构，每个小棒代表了一个共价键。杂质以替位的方式掺入硅晶体中。171.6杂质能级1、施主杂质和施主能级（N型半导体）Ⅴ族杂质元素中最通用的是磷。磷原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，多余的第五个价电子很容易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子。这个电子可以进入导带，称为导带电子。如图1.8所示181.6杂质能级施主Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子。当电子被束缚在施主杂质周围时，施主杂质称为中性施主；失去电子之后

7、的施主杂质称为电离施主。掺入施主杂质的半导体为N（Negative）型半导体。施主杂质的浓度记为ND。191.6杂质能级电离施主提供了一个局域化的电子态，相应的能级称为施主能级—Ed。由于电子从施主能级激发到导带所需要的能量——杂质电离能很小，因此失主能级位于导带底之下，并距离很近。201.6杂质能级施主电离能：导带底和施主能及之间的能量间隔，称为施主电离能EI。在只有施主杂质的半导体中，在温度较低时，价带中能够激发到导带的电子很少，起导电作用的主要是从施主能级激发到导带的电子。211.6杂质能级2、受主杂质和受主能级（P型半导体）Ⅲ族杂质

8、元素中最通用的是硼。硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴，于是半导体中的空穴数目大量增加。221.6杂质能级Acceptor，掺入半导体