半導體物理基礎第一章(已修改)
2025-01-25 12:26 本頁面
【正文】 1 Chap1 半導體物理基礎 2 能帶 一、能帶的形成 ? 能級：電子所處的能量狀態(tài)。 ? 當原子結(jié)合成晶體時，原子最外層的價電子實際上是被晶體中所有原子所共有，稱為 共有化 。 ? 共有化導致電子的能量狀態(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、合并為一個能帶、再次出現(xiàn)能級分裂等過程。 ? 在 “ 實際硅晶體原子間距 ” 位置，共分裂為兩個能帶， 較低的能帶被價電子填滿，較高的能帶是空的 。 5 能帶 出現(xiàn)能級分裂 合并為一個能帶 實際硅晶體原子間距 價帶 導帶 6 能帶 ? 三、簡化的能帶結(jié)構(gòu) ? 圖 13 ? 導帶：接收被激發(fā)的電子（對于半導體） ? 價帶：通常被價電子填滿（對于半導體） ? EC：導帶底的能量 ? EV：價帶頂?shù)哪芰? ? EG：禁帶寬度， 是打破共價鍵所需的最小能量，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動的影響并對電子靜止質(zhì)量進行修正后得到的值。 8 ? 金屬、半導體和絕緣體的區(qū)別 ? 空帶、滿帶和不滿帶 ? 能帶理論提出：一個晶體是否具有導電性，關(guān)鍵在于它是否有不滿的能帶存在。 ? 在常溫下，半導體的價電子填滿價帶，只有少量電子離開價帶形成不滿帶，才能實現(xiàn)導電 9 ? 按照能帶被電子填充的情況來分析金屬、半導體和絕緣體： ? 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電性。 ? 絕緣體和半導體：在絕對零度時，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，因此很難導電。 ? 半導體的禁帶較窄，在一定溫度下，電子容易從滿帶激發(fā)到空點，形成不滿帶，從而導電。 11 ? 價帶 ：絕對 0度 條件下 ，半導體最上面的滿帶 被 價 電子填充 ，稱為價帶。 ? 導帶 ： 絕對 0度 條件下 ，價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為導帶。 ? 禁帶寬度：電子從價帶激發(fā)到導帶所需要的最小能量。 12 ? 禁帶的 寬度 區(qū)別了絕緣體和半導體；而禁帶的 有無 是導體和半導體、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。 ? 導體具有任何溫度下電子部分填滿的導帶。 ? 圖 15：不同導電性物質(zhì)電子填充能帶情況。 13 ? 半導體的導電過程：電子受到外界條件激發(fā)（如溫度），獲得能量，到達導帶，從而形成不滿帶。 ? 半導體的電導率受溫度影響很大。 14 ? 空穴 ? 價帶頂附近的一些電子被激發(fā)到導帶后，留下一些空狀態(tài)，稱為空穴。 ? 半導體中參與導電的有：導帶中的電子和價帶中的空穴，二者統(tǒng)稱為 載流子 。 ? 價帶頂附近存在少量空穴的問題，和導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： ? ? 為了改善半導體的導電性，通常會加入適當?shù)碾s質(zhì)，在禁帶中引入相應的雜質(zhì)能級。 16 ? 在實際的半導體材料中，總是不可避免的存在各種類型的缺陷。 ? 為了改善半導體的導電性，通常會加入適當?shù)碾s質(zhì)。 ? 在禁帶中引入相應的雜質(zhì)能級和缺陷能級。 17 ? 硅的四面體結(jié)構(gòu)，每個小棒代表了一個共價鍵。 ? 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)成共價鍵時，多余的第五個價電子很容易擺脫磷原子核的束縛而成為自由電子。這個電子可以進入導帶，稱為導帶電子。 ? 如圖 19 ? 施主 Donor，摻入半導體的雜質(zhì)原子向半導體中提供導電的電子。 ? 當電子被束縛在施主雜質(zhì)周圍時，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)的半導體為 N（ Negative）型半導體。施主雜質(zhì)的濃度記為 ND。 20 ? 電離施主提供了一個局域化的電子態(tài)，相應的能級稱為施主能級 — Ed。 ? 由于電子從施主能級激發(fā)到導帶所需要的能量 ——雜質(zhì)電離能很小，因此失主能級位于導帶底之下，并距離很近。 21 ? 施主電離能：導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)的半導體中，在溫度較低時，價帶中能夠激發(fā)到導帶的電子很少，起導電作用的主要是從施主能級激發(fā)到導帶的電子。 22 ? 受主雜質(zhì)和受主能級（ P型半導體） ? 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)成共價鍵時，將因缺少一個價電子而形成一
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