【正文】 晶體是否具有導電性，關鍵在于它是否有不滿的能帶存在。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)。 ? 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。 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。 15 硅、鍺、砷化鎵的能帶結構 ? 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，在禁帶中引入相應的雜質能級。這個電子可以進入導帶，稱為導帶電子。 ? 在只有施主雜質的半導體中，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。 25 ? 受主雜質電離的另外一種表述：把中性的受主雜質看成帶負電的硼離子在它周圍束縛一個帶正點的空穴，把受主雜質從價帶接收一個電子的電離過程，看做被硼離子束縛的空穴被激發(fā)的導帶的過程。 ? 導帶狀態(tài)密度： 174 ? 價帶狀態(tài)密度： 177 ? 狀態(tài)密度隨能量的變化： 2/1)( cc EEN ?? 2/1)( EEN vv ??29 ? 費米分布函數(shù)與費米能級 ? 熱平衡狀態(tài)下，一個能量為 E的電子態(tài)被電子占據(jù)的概率為 ? 稱為 費米分布函數(shù) 。 ? 未激發(fā)時，價電子全部位于價帶。 41 ? 在雜質飽和電離的溫度范圍內，導帶電子濃度等于施主濃度 ? 價帶空穴的濃度為 ? 載流子濃度關系：電子濃度與施主濃度近似，遠大于本征載流子濃度，空穴濃度遠小于本征載流子濃度。 ? 若溫度遠高于飽和電離溫度后，本征激發(fā)為主，則滿足 n=p，稱為 雜質半導體進入本征激發(fā) 。 52 載流子的散射過程 ? 散射使載流子做無規(guī)則的運動，導致熱平衡狀態(tài)的確立。電導率為二者之和 nn nq ?? ?pp pq ?? ?pn nqnq ??? ??58 擴散運動和擴散電流 ? 擴散 ：載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃度高的點向濃度低的點運動。 ? 載流子運輸現(xiàn)象中，外加電場的作用只是改變了載流子在一個能帶中的能級之間的分布，并沒有引起電子在能帶之間的躍遷。 70 ? 即使在平衡的半導體中，復合和產(chǎn)生同時存在，一定條件下達到平衡。 ? 是反映衰減快慢的時間常數(shù)，標志著非平衡載流子在復合前平均存在的時間，通常稱為非平衡載流子的 壽命 。包括了漂移和擴散的綜合效應。 79 ? 復合率（產(chǎn)生率）：單位時間，單位體積半導體中復合掉（產(chǎn)生）的電子－空穴對數(shù)， ? 復合率可以表示為 ? 其中 r稱為概率系數(shù)或復合系數(shù)，只與溫度有關。 ? ?ad NnNpkqdxd ?????022??85 本章小結 ? 一、能帶理論 ? 能帶的形成、結構：導帶、價帶、禁帶 ? 導體、半導體、絕緣體的能帶結構特點 ? 導電的前提：不滿帶的存在 ? 二、摻雜半導體 ? 兩種摻雜半導體的能級結構。意義。 rn pR ?20000 irnprnRGG ????80 ? 對于本征半導體和 N型 P型半導體有 ? 上述公式的條件：小注入、雜質飽和電離 ii rn21??dp rNrn110???an rNrp110???81 ? 結論：在摻雜半導體中，非平衡少子的壽命比在本征半導體中的短； 和多子濃度成反比，即與雜質濃度成反比；樣品電導率越高，非平衡少子壽命越短。 ? 處于熱平衡的半導體，費米能級恒定。 ? 壽命是半導體材料質量的主要參數(shù)之一。有外力作用時占主導。 66 ? 過剩載流子（非平衡載流子）：半導體偏離平衡狀態(tài)后，由于產(chǎn)生了載流子在能帶之間的躍遷，載流子的濃度比平衡態(tài)明顯增多，多出的那部分載流子稱為非平衡載流子，也稱為過剩載流子。 ? 擴散流密度為： ? 負號表示載流子向濃度低的地方流動 dxdnDfn??dxdpDfp??59 擴散運動和擴散電流 ? Dp和 Dn稱為擴散系數(shù)， 和 稱為濃度梯度。 53 電荷輸運現(xiàn)象 ? 在有外電場存在時，載流子將做漂移運動。 dNaN49 ? 非簡并半導體：費米能級位于禁帶之中，費米分布函數(shù)可以用波爾茲曼分布函數(shù)來近似 ? 簡并半導體：費米能級接近或進入能帶，不能使用波爾茲曼分布函數(shù)，而必須使用費米分布函數(shù)來分析能帶中載流子的統(tǒng)計分布問題 50 ? 散射 ：載流子在其熱運動過程中，不斷與晶格、雜質、缺陷等發(fā)生碰撞，無規(guī)則的改變其運動方向。兩種載流子的濃度相差非常懸殊 ? N型半導體在飽和電離下的費米能級 ? 結論： N型半導體費米能級位于導帶底之下，本征費米能級之上，