半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第一章(已修改)
2025-01-25 12:26 本頁面
【正文】 1 Chap1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 2 能帶 一、能帶的形成 ? 能級：電子所處的能量狀態(tài)。 ? 當(dāng)原子結(jié)合成晶體時(shí)，原子最外層的價(jià)電子實(shí)際上是被晶體中所有原子所共有，稱為 共有化 。 ? 共有化導(dǎo)致電子的能量狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生了密集能級組成的準(zhǔn)連續(xù) 能帶 能級分裂 。 3 能帶 ? 右圖為硅晶體的原子間相互作用示意圖 si si si si si si si si si 4 能帶 ? 二、能帶結(jié)構(gòu)與原子間距的關(guān)系 ? 隨著原子間距的縮小，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化依次為各能級分立、出現(xiàn)能級分裂、合并為一個(gè)能帶、再次出現(xiàn)能級分裂等過程。 ? 在 “ 實(shí)際硅晶體原子間距 ” 位置，共分裂為兩個(gè)能帶， 較低的能帶被價(jià)電子填滿，較高的能帶是空的 。 5 能帶 出現(xiàn)能級分裂 合并為一個(gè)能帶 實(shí)際硅晶體原子間距 價(jià)帶 導(dǎo)帶 6 能帶 ? 三、簡化的能帶結(jié)構(gòu) ? 圖 13 ? 導(dǎo)帶：接收被激發(fā)的電子（對于半導(dǎo)體） ? 價(jià)帶：通常被價(jià)電子填滿（對于半導(dǎo)體） ? EC：導(dǎo)帶底的能量 ? EV：價(jià)帶頂?shù)哪芰? ? EG：禁帶寬度， 是打破共價(jià)鍵所需的最小能量，是材料特有的重要特性。 7 有效質(zhì)量 ? 有效質(zhì)量 m*：考慮了晶格對于電子運(yùn)動(dòng)的影響并對電子靜止質(zhì)量進(jìn)行修正后得到的值。 8 ? 金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的區(qū)別 ? 空帶、滿帶和不滿帶 ? 能帶理論提出：一個(gè)晶體是否具有導(dǎo)電性，關(guān)鍵在于它是否有不滿的能帶存在。 ? 在常溫下，半導(dǎo)體的價(jià)電子填滿價(jià)帶，只有少量電子離開價(jià)帶形成不滿帶，才能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電 9 ? 按照能帶被電子填充的情況來分析金屬、半導(dǎo)體和絕緣體： ? 金屬：被電子填充的最高能帶是不滿的，而且能帶中的電子密度很高，所以金屬有良好的導(dǎo)電性。 ? 絕緣體和半導(dǎo)體：在絕對零度時(shí)，被電子占據(jù)的最高能帶是滿的，沒有不滿的能帶存在。因此不能導(dǎo)電。 10 ? 絕緣體的禁帶很寬，即使溫度升高，電子也很難從滿帶激發(fā)到空帶，因此很難導(dǎo)電。 ? 半導(dǎo)體的禁帶較窄，在一定溫度下，電子容易從滿帶激發(fā)到空點(diǎn)，形成不滿帶，從而導(dǎo)電。 11 ? 價(jià)帶 ：絕對 0度 條件下 ，半導(dǎo)體最上面的滿帶 被 價(jià) 電子填充 ，稱為價(jià)帶。 ? 導(dǎo)帶 ： 絕對 0度 條件下 ，價(jià)帶上面的空帶能夠接收從滿帶激發(fā)來的電子，從而能夠?qū)щ姡虼艘卜Q為導(dǎo)帶。 ? 禁帶寬度：電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶所需要的最小能量。 12 ? 禁帶的 寬度 區(qū)別了絕緣體和半導(dǎo)體；而禁帶的 有無 是導(dǎo)體和半導(dǎo)體、絕緣體之間的區(qū)別；絕緣體是相對的，不存在絕對的絕緣體。 ? 導(dǎo)體具有任何溫度下電子部分填滿的導(dǎo)帶。 ? 圖 15：不同導(dǎo)電性物質(zhì)電子填充能帶情況。 13 ? 半導(dǎo)體的導(dǎo)電過程：電子受到外界條件激發(fā)（如溫度），獲得能量，到達(dá)導(dǎo)帶，從而形成不滿帶。 ? 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率受溫度影響很大。 14 ? 空穴 ? 價(jià)帶頂附近的一些電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，留下一些空狀態(tài)，稱為空穴。 ? 半導(dǎo)體中參與導(dǎo)電的有：導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴，二者統(tǒng)稱為 載流子 。 ? 價(jià)帶頂附近存在少量空穴的問題，和導(dǎo)帶底附近存在少量電子的問題，十分相似。 15 硅、鍺、砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu) ? P18，圖 ? 在 300K的禁帶寬度： ? 硅： 鍺： 砷化鎵： ? ? 為了改善半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，通常會(huì)加入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)，在禁帶中引入相應(yīng)的雜質(zhì)能級。 16 ? 在實(shí)際的半導(dǎo)體材料中，總是不可避免的存在各種類型的缺陷。 ? 為了改善半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，通常會(huì)加入適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)。 ? 在禁帶中引入相應(yīng)的雜質(zhì)能級和缺陷能級。 17 ? 硅的四面體結(jié)構(gòu)，每個(gè)小棒代表了一個(gè)共價(jià)鍵。 ? 雜質(zhì)以 替位 的方式摻入硅晶體中。 18 ? 施主雜質(zhì)和施主能級（ N型半導(dǎo)體） ? Ⅴ 族雜質(zhì)元素中最通用的是磷。 ? 磷原子在取代原晶體結(jié)構(gòu)中的原子并構(gòu)成共價(jià)鍵時(shí)，多余的第五個(gè)價(jià)電子很容易擺脫磷原子核的束縛而成為自由電子。這個(gè)電子可以進(jìn)入導(dǎo)帶，稱為導(dǎo)帶電子。 ? 如圖 19 ? 施主 Donor，摻入半導(dǎo)體的雜質(zhì)原子向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子。 ? 當(dāng)電子被束縛在施主雜質(zhì)周圍時(shí)，施主雜質(zhì)稱為中性施主；失去電子之后的施主雜質(zhì)稱為電離施主。 ? 摻入施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體為 N（ Negative）型半導(dǎo)體。施主雜質(zhì)的濃度記為 ND。 20 ? 電離施主提供了一個(gè)局域化的電子態(tài)，相應(yīng)的能級稱為施主能級 — Ed。 ? 由于電子從施主能級激發(fā)到導(dǎo)帶所需要的能量 ——雜質(zhì)電離能很小，因此失主能級位于導(dǎo)帶底之下，并距離很近。 21 ? 施主電離能：導(dǎo)帶底和施主能及之間的能量間隔，稱為施主電離能 EI。 ? 在只有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體中，在溫度較低時(shí)，價(jià)帶中能夠激發(fā)到導(dǎo)帶的電子很少，起導(dǎo)電作用的主要是從施主能級激發(fā)到導(dǎo)帶的電子。 22 ? 受主雜質(zhì)和受主能級（ P型半導(dǎo)體） ? Ⅲ 族雜質(zhì)元素中最通用的是硼。 ? 硼原子在取代原晶體結(jié)構(gòu)中的原子并構(gòu)成共價(jià)鍵時(shí)，將因缺少一個(gè)價(jià)電子而形成一
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