半导体物理基础知识2.pptx

1.1导体，绝缘体和半导体 物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。表表表表1-11-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的大致范围大致范围大致范围大致范围 物体物体物体物体电阻率电阻率电阻率电阻率导体导体导体导体半导体半导体半导体半导体绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体 CMCM101010e e9 9表1-1半导体物理基础知识1.1导体，绝缘体和半导体 物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。表说明这种材料的导电能力越弱。表说明这种材料的导电能力越弱。表说明这种材料的导电能力越弱。表1-11-1给出以电阻率来区分导体，给出以电阻率来区分导体，给出以电阻率来区分导体，给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的大致范围。绝缘体和半导体的大致范围。绝缘体和半导体的大致范围。绝缘体和半导体的大致范围。物物物物体体体体电阻率电阻率电阻率电阻率导体导体导体导体半导体半导体半导体半导体绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体 CMCM101010e e9 91.2半导体材料硅的晶体结构1.2.1几种常见元素的原子结构几种常见元素的原子结构 硅太阳电池生产中常用的硅（硅太阳电池生产中常用的硅（Si），），磷（磷（P），），硼硼（B）元素的原子结构模型如图元素的原子结构模型如图1.2-1所示所示图图1.2-1第三层第三层4个电子个电子第二层第二层8个电子个电子第一层第一层2个电子个电子Si+14P+15B最外层最外层5个电子个电子最外层最外层3个电子个电子siPB 原子最外层的电子称为价电子，有几个价电子就原子最外层的电子称为价电子，有几个价电子就原子最外层的电子称为价电子，有几个价电子就原子最外层的电子称为价电子，有几个价电子就称它为几族元素。称它为几族元素。称它为几族元素。称它为几族元素。若原子失去一个电子，称这个原子为正离子，若若原子失去一个电子，称这个原子为正离子，若若原子失去一个电子，称这个原子为正离子，若若原子失去一个电子，称这个原子为正离子，若原子得到一个电子，则成为一个带负电的负离子。原原子得到一个电子，则成为一个带负电的负离子。原原子得到一个电子，则成为一个带负电的负离子。原原子得到一个电子，则成为一个带负电的负离子。原子变成离子的过程称为电离。子变成离子的过程称为电离。子变成离子的过程称为电离。子变成离子的过程称为电离。1.2半导体材料硅的晶体结构1.2半导体材料硅的晶体结构1.2.21.2.2晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构 固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐软化。软化。软化。软化。1.2.31.2.3单晶和多晶单晶和多晶单晶和多晶单晶和多晶 在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列，称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排列在一起的固体称为多晶。列在一起的固体称为多晶。列在一起的固体称为多晶。列在一起的固体称为多晶。1.2半导体材料硅的晶体结构 1.2.41.2.4硅晶体内的共价键硅晶体内的共价键硅晶体内的共价键硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子的的的的4 4个价电子和它相邻的个价电子和它相邻的个价电子和它相邻的个价电子和它相邻的4 4个原子组成个原子组成个原子组成个原子组成4 4对共有电子对。这种共有对共有电子对。这种共有对共有电子对。这种共有对共有电子对。这种共有电子对就称为电子对就称为电子对就称为电子对就称为“共价键共价键共价键共价键”。如图。如图。如图。如图1.2-21.2-2所示。所示。所示。所示。图图1.2-21.2半导体材料硅的晶体结构1.2.51.2.5硅晶体的金刚石结构硅晶体的金刚石结构硅晶体的金刚石结构硅晶体的金刚石结构 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称晶格，最小的晶格叫晶胞。图晶格，最小的晶格叫晶胞。图晶格，最小的晶格叫晶胞。图晶格，最小的晶格叫晶胞。图1.2-31.2-3表示一些重要的表示一些重要的表示一些重要的表示一些重要的晶胞。晶胞。晶胞。晶胞。(a)简单立方简单立方（Po）(b)体心立方体心立方（Na、W）(c)面心立方面心立方（Al、Au）图图1.2-3正四面实体结构正四面实体结构图图1.2-4金钢石结构金钢石结构1.2半导体材料硅的晶体结构 金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿对角金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿对角金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿对角金刚石结构是一种复式格子，它是两个面心立方晶格沿对角线方向上移线方向上移线方向上移线方向上移1/41/4互相套构而成（见图互相套构而成（见图互相套构而成（见图互相套构而成（见图1.2-41.2-4）。）。）。）。为了简便明了，以后分析问题时只要采用图为了简便明了，以后分析问题时只要采用图为了简便明了，以后分析问题时只要采用图为了简便明了，以后分析问题时只要采用图1.2-21.2-2所示的平所示的平所示的平所示的平面结构示意图即可。面结构示意图即可。面结构示意图即可。面结构示意图即可。1.2半导体材料硅的晶体结构1.2.61.2.6晶面和晶向晶面和晶向晶面和晶向晶面和晶向 晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行而等距的平面上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。图上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。图上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。图上，这些平面就称为晶面。每个晶面的垂直方向称为晶向。图1.2-51.2-5是几种常用到的晶面和晶向。是几种常用到的晶面和晶向。是几种常用到的晶面和晶向。是几种常用到的晶面和晶向。(100晶面晶面)(110晶面晶面)(111晶面晶面)图1.2-51.2半导体材料硅的晶体结构 1.2.71.2.7原子密排面和解理面：原子密排面和解理面：原子密排面和解理面：原子密排面和解理面：在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若将原子看成是一在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若将原子看成是一在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若将原子看成是一在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不同的，若将原子看成是一些硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将如图些硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将如图些硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将如图些硬的球体，它们在一个平面上最密集的排列方式将如图1.2-61.2-6所示，按所示，按所示，按所示，按照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。照这样方式排列的晶面就称为原子密排面。图1.2-61.2半导体材料硅的晶体结构 比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。而比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。而比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。而比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立方晶格。而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间。沿着晶胞金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间。沿着晶胞金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间。沿着晶胞金刚石晶格又是两个面心立方晶格套在一起，相互之间。沿着晶胞体对角线方向平移体对角线方向平移体对角线方向平移体对角线方向平移1/41/4而构成的。我们来看面心立方晶格中的原子而构成的。我们来看面心立方晶格中的原子而构成的。我们来看面心立方晶格中的原子而构成的。我们来看面心立方晶格中的原子密排面。按照硬球模型可以区分在密排面。按照硬球模型可以区分在密排面。按照硬球模型可以区分在密排面。按照硬球模型可以区分在(100)(110)(111)(100)(110)(111)几个晶几个晶几个晶几个晶 面上原面上原面上原面上原子排列的情况，如图子排列的情况，如图子排列的情况，如图子排列的情况，如图1.2-71.2-7所示。所示。所示。所示。金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的金钢石晶格是由面心晶格构成，所以它的(111)(111)晶面也是原子晶面也是原子晶面也是原子晶面也是原子密排面，它的特点是，在晶面内原子密集、结合力强，在晶面之间密排面，它的特点是，在晶面内原子密集、结合力强，在晶面之间密排面，它的特点是，在晶面内原子密集、结合力强，在晶面之间密排面，它的特点是，在晶面内原子密集、结合力强，在晶面之间距离较大，结合薄弱，由此产生以下性质：距离较大，结合薄弱，由此产生以下性质：距离较大，结合薄弱，由此产生以下性质：距离较大，结合薄弱，由此产生以下性质：(a)a)由于由于由于由于(111)(111)密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱，在外力密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱，在外力密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱，在外力密排面本身结合牢固而相互间结合脆弱，在外力作用下，晶体很容易沿着作用下，晶体很容易沿着作用下，晶体很容易沿着作用下，晶体很容易沿着(111)(111)晶面劈裂，晶体中这种易劈裂的晶面晶面劈裂，晶体中这种易劈裂的晶面晶面劈裂，晶体中这种易劈裂的晶面晶面劈裂，晶体中这种易劈裂的晶面称为晶体的解理面。称为晶体的解理面。称为晶体的解理面。称为晶体的解理面。(b)b)由于由于由于由于(111)(111)密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓慢，密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓慢，密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓慢，密排面结合牢固，化学腐蚀就比较困难和缓慢，而而而而(100)(100)面原子排列密度比面原子排列密度比面原子排列密度比面原子排列密度比(111)(111)面低。所以面低。所以面低。所以面低。所以(100)(100)面比面比面比面比(111)(111)面的腐面的腐面的腐面的腐蚀速度快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，蚀速度快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，蚀速度快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，蚀速度快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，(100)(100)面腐蚀速度比面腐蚀速度比面腐蚀速度比面腐蚀速度比(111)(111)面大的多，因此，用面大的多，因此，用面大的多，因此，用面大的多，因此，用(100)(100)面硅片采用这种各向异性腐蚀的结面硅片采用这种各向异性腐蚀的结面硅片采用这种各向异性腐蚀的结面硅片采用这种各向异性腐蚀的结果，可以使硅片表面产生许多密布表面为果，可以使硅片表面产生许多密布表面为果，可以使硅片表面产生许多密布表面为果，可以使硅片表面产生许多密布表面为(111)(111)面的四面方锥体，形面的四面方锥体，形面的四面方锥体，形面的四面方锥体，形成绒面状的硅表面。成绒面状的硅表面。成绒面状的硅表面。成绒面状的硅表面。1.2半导体材料硅的晶体结构(100)(110)(111)图1.2-71.3固体的能带理论1.3.11.3.1能带的形成能带的形成能带的形成能带的形成 在原子中内层电子受原子核束缚较紧，相应的能量较小，外在原子中内层电子受原子核束缚较紧，相应的能量较小，外在原子中内层电子受原子核束缚较紧，相应的能量较小，外在原子中内层电子受原子核束缚较紧，相应的能量较小，外层电子（价电子）能量较大。图层电子（价电子）能量较大。图层电子（价电子）能量较大。图层电子（价电子）能量较大。图1.3-11.3-1表示所谓能级图。表示所谓能级图。表示所谓能级图。表示所谓能级图。E5E4E3(8)E2(8)E1(2)图图1.3-1 晶体由大量原子组成，一个原子的电子不仅受到这个原子晶体由大量原子组成，一个原子的电子不仅受到这个原子晶体由大量原子组成，一个原子的电子不仅受到这个原子晶体由大量原子组成，一个原子的电子不仅受到这个原子的作用。还将受到相邻原子的作用的作用。还将受到相邻原子的作用的作用。还将受到相邻原子的作用的作用。还将受到相邻原子的作用 。相邻原子上的电子轨道将。相邻原子上的电子轨道将。相邻原子上的电子轨道将。相邻原子上的电子轨道将发生一定程度的相互交迭，通过轨道的交迭，电子可以从一个发生一定程度的相互交迭，通过轨道的交迭，电子可以从一个发生一定程度的相互交迭，通过轨道的交迭，电子可以从一个发生一定程度的相互交迭，通过轨道的交迭，电子可以从一个原子转移到相邻的原子上去。这时电子已不属于个别原子而成原子转移到相邻的原子上去。这时电子已不属于个别原子而成原子转移到相邻的原子上去。这时电子已不属于个别原子而成原子转移到相邻的原子上去。这时电子已不属于个别原子而成为整个晶体所共有，这种电子运动称为为整个晶体所共有，这种电子运动称为为整个晶体所共有，这种电子运动称为为整个晶体所共有，这种电子运动称为“共有化共有化共有化共有化”。电子在原子之间的转移不是任意的，电子只能在能量相电子在原子之间的转移不是任意的，电子只能在能量相电子在原子之间的转移不是任意的，电子只能在能量相电子在原子之间的转移不是任意的，电子只能在能量相同的轨道之间发生转移。图同的轨道之间发生转移。图同的轨道之间发生转移。图同的轨道之间发生转移。图1.3-21.3-2表示出这种共有化轨道的能级表示出这种共有化轨道的能级表示出这种共有化轨道的能级表示出这种共有化轨道的能级图。图。图。图。能带能带禁带禁带能带能带禁带禁带能带能带1.3固体的能带理论图1.3-2 从图中可见，晶体中电子轨道的能级分成由低从图中可见，晶体中电子轨道的能级分成由低从图中可见，晶体中电子轨道的能级分成由低从图中可见，晶体中电子轨道的能级分成由低到高的许多组。分别和各原子能级相对应，每一组到高的许多组。分别和各原子能级相对应，每一组到高的许多组。分别和各原子能级相对应，每一组到高的许多组。分别和各原子能级相对应，每一组都包含着大量的能量很接近的能级。这样一组密集都包含着大量的能量很接近的能级。这样一组密集都包含着大量的能量很接近的能级。这样一组密集都包含着大量的能量很接近的能级。这样一组密集的能级看上去象一条带子，所以被称之为能带。能的能级看上去象一条带子，所以被称之为能带。能的能级看上去象一条带子，所以被称之为能带。能的能级看上去象一条带子，所以被称之为能带。能带之间的间隙叫做禁带。带之间的间隙叫做禁带。带之间的间隙叫做禁带。带之间的间隙叫做禁带。未被电子填满的能带称为导带，已被电子填满未被电子填满的能带称为导带，已被电子填满未被电子填满的能带称为导带，已被电子填满未被电子填满的能带称为导带，已被电子填满的能带称为满带。导体、半导体，绝缘体导电性质的能带称为满带。导体、半导体，绝缘体导电性质的能带称为满带。导体、半导体，绝缘体导电性质的能带称为满带。导体、半导体，绝缘体导电性质的差异可以用它们的能带图的不同来加以说明。的差异可以用它们的能带图的不同来加以说明。的差异可以用它们的能带图的不同来加以说明。的差异可以用它们的能带图的不同来加以说明。(图图图图1.3-3)1.3-3)1.3固体的能带理论绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体EcEvE9E9导导带带禁禁带带价价带带图1.3-31.3固体的能带理论1.4半导体的导电特性 半导体之所以得到广泛的应用，是因为它存在着一些导体和绝缘半导体之所以得到广泛的应用，是因为它存在着一些导体和绝缘半导体之所以得到广泛的应用，是因为它存在着一些导体和绝缘半导体之所以得到广泛的应用，是因为它存在着一些导体和绝缘体所没有的独特性能。体所没有的独特性能。体所没有的独特性能。体所没有的独特性能。1.4.11.4.1导电能力随温度灵敏变化导电能力随温度灵敏变化导电能力随温度灵敏变化导电能力随温度灵敏变化 导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小，（导体温度每升高一度，导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小，（导体温度每升高一度，导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小，（导体温度每升高一度，导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小，（导体温度每升高一度，电组率大约升高电组率大约升高电组率大约升高电组率大约升高0.4%0.4%）。而半导体则不一样，温度每升高或降低）。而半导体则不一样，温度每升高或降低）。而半导体则不一样，温度每升高或降低）。而半导体则不一样，温度每升高或降低1 1度，度，度，度，其电阻就变化百分之几，甚至几十，当温度变化几十度时，电阻变化几其电阻就变化百分之几，甚至几十，当温度变化几十度时，电阻变化几其电阻就变化百分之几，甚至几十，当温度变化几十度时，电阻变化几其电阻就变化百分之几，甚至几十，当温度变化几十度时，电阻变化几十，几万倍，而温度为绝对零度（十，几万倍，而温度为绝对零度（十，几万倍，而温度为绝对零度（十，几万倍，而温度为绝对零度（-273-273）时，则成为绝缘体。）时，则成为绝缘体。）时，则成为绝缘体。）时，则成为绝缘体。1.4.21.4.2导电能力随光照显著改变导电能力随光照显著改变导电能力随光照显著改变导电能力随光照显著改变 当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强，没当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强，没当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强，没当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力就会变得很强，没有光线时，它的导电能力又会变得很弱。有光线时，它的导电能力又会变得很弱。有光线时，它的导电能力又会变得很弱。有光线时，它的导电能力又会变得很弱。1.4.31.4.3杂质的显著影响杂质的显著影响杂质的显著影响杂质的显著影响 在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质，导电能力会有上百万在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质，导电能力会有上百万在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质，导电能力会有上百万在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质，导电能力会有上百万的增加。这是最特殊的独特性能。的增加。这是最特殊的独特性能。的增加。这是最特殊的独特性能。的增加。这是最特殊的独特性能。1.4.41.4.4其他特性其他特性其他特性其他特性 温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等。温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等。温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等。温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应，激光性能等。1.5半导体的纯度 半导体有如此之多的独特性能，是建立在半导体材料本身半导体有如此之多的独特性能，是建立在半导体材料本身半导体有如此之多的独特性能，是建立在半导体材料本身半导体有如此之多的独特性能，是建立在半导体材料本身纯度很高的基础上的。半导体的纯度常用几个纯度很高的基础上的。半导体的纯度常用几个纯度很高的基础上的。半导体的纯度常用几个纯度很高的基础上的。半导体的纯度常用几个“9 9”来表示。来表示。来表示。来表示。比如硅材料的纯度达到比如硅材料的纯度达到比如硅材料的纯度达到比如硅材料的纯度达到6 6个个个个“9 9”，就是说硅的纯度达到，就是说硅的纯度达到，就是说硅的纯度达到，就是说硅的纯度达到99.9999%99.9999%，其余，其余，其余，其余0.0001%0.0001%（即（即（即（即1010-6-6 ）为杂质总含量。半导）为杂质总含量。半导）为杂质总含量。半导）为杂质总含量。半导体材料中的杂质含量，通常还以体材料中的杂质含量，通常还以体材料中的杂质含量，通常还以体材料中的杂质含量，通常还以“PPbPPb”与与与与“PPmPPm”来表示。一来表示。一来表示。一来表示。一个个个个PPbPPb就是十亿分之一（就是十亿分之一（就是十亿分之一（就是十亿分之一（1010-9-9 ）一个一个一个一个“PPmPPm”就是百万分之一（就是百万分之一（就是百万分之一（就是百万分之一（1010-6-6 ），几种纯度表示法），几种纯度表示法），几种纯度表示法），几种纯度表示法的相互关系如表的相互关系如表的相互关系如表的相互关系如表1.21.2所列。所列。所列。所列。几个几个“9 9”PPb(PPb(十亿分之一十亿分之一)PPm(PPm(百万分之百万分之一一)6 610103 31 19 91 11010-3-3表表1.21.6半导体的导电原理 1.6.1 1.6.1半导体中的半导体中的半导体中的半导体中的“电子电子电子电子”和和和和“空穴空穴空穴空穴”，本征半导体，本征半导体，本征半导体，本征半导体 纯净的半导体，在不受外界作用时，导电能纯净的半导体，在不受外界作用时，导电能纯净的半导体，在不受外界作用时，导电能纯净的半导体，在不受外界作用时，导电能力很差。而在一定的温度或光照等作用下，晶体中力很差。而在一定的温度或光照等作用下，晶体中力很差。而在一定的温度或光照等作用下，晶体中力很差。而在一定的温度或光照等作用下，晶体中的价电子有一部分可能会冲破共价键的束缚而成为的价电子有一部分可能会冲破共价键的束缚而成为的价电子有一部分可能会冲破共价键的束缚而成为的价电子有一部分可能会冲破共价键的束缚而成为一个自由电子。同时形成一个电子空位，称之为一个自由电子。同时形成一个电子空位，称之为一个自由电子。同时形成一个电子空位，称之为一个自由电子。同时形成一个电子空位，称之为“空穴空穴空穴空穴”。从能带图上看，就是电子离开了价带跃迁。从能带图上看，就是电子离开了价带跃迁。从能带图上看，就是电子离开了价带跃迁。从能带图上看，就是电子离开了价带跃迁到导带，从而在价带中留下了空穴，产生了一对电到导带，从而在价带中留下了空穴，产生了一对电到导带，从而在价带中留下了空穴，产生了一对电到导带，从而在价带中留下了空穴，产生了一对电子和空穴。如图子和空穴。如图子和空穴。如图子和空穴。如图1.6-11.6-1所示。通常将这种只含有所示。通常将这种只含有所示。通常将这种只含有所示。通常将这种只含有“电子空穴对电子空穴对电子空穴对电子空穴对”的半导体称为本征半导体。的半导体称为本征半导体。的半导体称为本征半导体。的半导体称为本征半导体。“本征本征本征本征”指只涉及半导体本身的特性。半导体就是靠着电子指只涉及半导体本身的特性。半导体就是靠着电子指只涉及半导体本身的特性。半导体就是靠着电子指只涉及半导体本身的特性。半导体就是靠着电子和空穴的移动来导电的，因此，电子和空穴被统称和空穴的移动来导电的，因此，电子和空穴被统称和空穴的移动来导电的，因此，电子和空穴被统称和空穴的移动来导电的，因此，电子和空穴被统称为载流子。为载流子。为载流子。为载流子。1.6半导体的导电原理Eg导带导带(禁带宽禁带宽)价带价带图1.6-11.6半导体的导电原理 1.6.21.6.2产生和复合产生和复合产生和复合产生和复合 由于热或光激发而成对地产生电子空穴对，这种过程称为由于热或光激发而成对地产生电子空穴对，这种过程称为由于热或光激发而成对地产生电子空穴对，这种过程称为由于热或光激发而成对地产生电子空穴对，这种过程称为“产生产生产生产生”。空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中与空穴相遇时，自由。空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中与空穴相遇时，自由。空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中与空穴相遇时，自由。空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中与空穴相遇时，自由电子就可能回到价键的空位上来，而同时消失了一对电子和空穴，这电子就可能回到价键的空位上来，而同时消失了一对电子和空穴，这电子就可能回到价键的空位上来，而同时消失了一对电子和空穴，这电子就可能回到价键的空位上来，而同时消失了一对电子和空穴，这就是就是就是就是“复合复合复合复合”。在一定温度下，又没有光照射等外界影响时，产生和。在一定温度下，又没有光照射等外界影响时，产生和。在一定温度下，又没有光照射等外界影响时，产生和。在一定温度下，又没有光照射等外界影响时，产生和复合的载流子数相等，半导体中将在产生和复合的基础上形成热平衡。复合的载流子数相等，半导体中将在产生和复合的基础上形成热平衡。复合的载流子数相等，半导体中将在产生和复合的基础上形成热平衡。复合的载流子数相等，半导体中将在产生和复合的基础上形成热平衡。此时，电子和空穴的浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的此时，电子和空穴的浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的此时，电子和空穴的浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的此时，电子和空穴的浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的发生。发生。发生。发生。1.6.3 1.6.3杂质和杂质半导体杂质和杂质半导体杂质和杂质半导体杂质和杂质半导体 纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子，那么，这些其它元纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子，那么，这些其它元纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子，那么，这些其它元纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子，那么，这些其它元素的原子就称为半导体材料中的杂质原子。对硅的导电性能有决定影素的原子就称为半导体材料中的杂质原子。对硅的导电性能有决定影素的原子就称为半导体材料中的杂质原子。对硅的导电性能有决定影素的原子就称为半导体材料中的杂质原子。对硅的导电性能有决定影响的主要是三族和五族元素原子。还有些杂质如金，铜，镍，锰，铁响的主要是三族和五族元素原子。还有些杂质如金，铜，镍，锰，铁响的主要是三族和五族元素原子。还有些杂质如金，铜，镍，锰，铁响的主要是三族和五族元素原子。还有些杂质如金，铜，镍，锰，铁等，在硅中起着复合中心的作用，影响寿命，产生缺陷，有着许多有等，在硅中起着复合中心的作用，影响寿命，产生缺陷，有着许多有等，在硅中起着复合中心的作用，影响寿命，产生缺陷，有着许多有等，在硅中起着复合中心的作用，影响寿命，产生缺陷，有着许多有害的作用。害的作用。害的作用。害的作用。1.6半导体的导电原理 1.6.3.1.6.3.1 1 NN型半导体型半导体型半导体型半导体 磷（磷（磷（磷（P)P)，锑（锑（锑（锑（sb)sb)等五族元素原子的最外层有五个电子，等五族元素原子的最外层有五个电子，等五族元素原子的最外层有五个电子，等五族元素原子的最外层有五个电子，它在硅中是处于替位式状态，占据了一个原来应是硅原子所它在硅中是处于替位式状态，占据了一个原来应是硅原子所它在硅中是处于替位式状态，占据了一个原来应是硅原子所它在硅中是处于替位式状态，占据了一个原来应是硅原子所处的晶格位置，如图处的晶格位置，如图处的晶格位置，如图处的晶格位置，如图1.6-21.6-2。磷原子最外层五个电子中只有。磷原子最外层五个电子中只有。磷原子最外层五个电子中只有。磷原子最外层五个电子中只有四个参加共价键，另一个不在价键上，成为自由电子，失去四个参加共价键，另一个不在价键上，成为自由电子，失去四个参加共价键，另一个不在价键上，成为自由电子，失去四个参加共价键，另一个不在价键上，成为自由电子，失去电子的磷原子是一个带正电的正离子，没有产生相应的空穴。电子的磷原子是一个带正电的正离子，没有产生相应的空穴。电子的磷原子是一个带正电的正离子，没有产生相应的空穴。电子的磷原子是一个带正电的正离子，没有产生相应的空穴。正离子处于晶格位置上，不能自由运动，它不是载流子。因正离子处于晶格位置上，不能自由运动，它不是载流子。因正离子处于晶格位置上，不能自由运动，它不是载流子。因正离子处于晶格位置上，不能自由运动，它不是载流子。因此，掺入磷的半导体起导电作用的，主要是磷所提供的自由此，掺入磷的半导体起导电作用的，主要是磷所提供的自由此，掺入磷的半导体起导电作用的，主要是磷所提供的自由此，掺入磷的半导体起导电作用的，主要是磷所提供的自由电子，这种依靠电子导电的半导体称为电子型半导体，简称电子，这种依靠电子导电的半导体称为电子型半导体，简称电子，这种依靠电子导电的半导体称为电子型半导体，简称电子，这种依靠电子导电的半导体称为电子型半导体，简称NN型半导体。图型半导体。图型半导体。图型半导体。图1.6-31.6-3表示表示表示表示NN型半导体材料的能带图。而为半型半导体材料的能带图。而为半型半导体材料的能带图。而为半型半导体材料的能带图。而为半导体材料提供一个自由电子的导体材料提供一个自由电子的导体材料提供一个自由电子的导体材料提供一个自由电子的v v族杂质原子，通常称为施主族杂质原子，通常称为施主族杂质原子，通常称为施主族杂质原子，通常称为施主杂质。杂质。杂质。杂质。多余电子多余电子图图1.6-21.6半导体的导电原理1.6半导体的导电原理施主施主能级能级导带导带电离能电离能价带价带图图1.6-31.6半导体的导电原理 1 1.6.3.2 .6.3.2 P P型半导体型半导体型半导体型半导体 硼（硼（硼（硼（B B）铝（铝（铝（铝（ALAL）镓（镓（镓（镓（GAGA）等三族元素原子的最外层有等三族元素原子的最外层有等三族元素原子的最外层有等三族元素原子的最外层有三个电子，它在硅中也是处于替位式状态，如图三个电子，它在硅中也是处于替位式状态，如图三个电子，它在硅中也是处于替位式状态，如图三个电子，它在硅中也是处于替位式状态，如图1.6-41.6-4所示。所示。所示。所示。硼原子最外层只有三个电子参加共价键，在另一个价键上因硼原子最外层只有三个电子参加共价键，在另一个价键上因硼原子最外层只有三个电子参加共价键，在另一个价键上因硼原子最外层只有三个电子参加共价键，在另一个价键上因缺少一个电子而形成一个空位邻近价键上的价电子跑来填补缺少一个电子而形成一个空位邻近价键上的价电子跑来填补缺少一个电子而形成一个空位邻近价键上的价电子跑来填补缺少一个电子而形成一个空位邻近价键上的价电子跑来填补这个空位，就在这个邻近价键上形成了一个新的空位，这就这个空位，就在这个邻近价键上形成了一个新的空位，这就这个空位，就在这个邻近价键上形成了一个新的空位，这就这个空位，就在这个邻近价键上形成了一个新的空位，这就是是是是“空穴空穴空穴空穴”。硼原子在接受了邻近价键的价电子而成为一个。硼原子在接受了邻近价键的价电子而成为一个。硼原子在接受了邻近价键的价电子而成为一个。硼原子在接受了邻近价键的价电子而成为一个带负电的负离子，它不能移动，不是载流子。因此在产生空带负电的负离子，它不能移动，不是载流子。因此在产生空带负电的负离子，它不能移动，不是载流子。因此在产生空带负电的负离子，它不能移动，不是载流子。因此在产生空穴的同时没有产生相应的自由电子。这种依靠空穴导电的半穴的同时没有产生相应的自由电子。这种依靠空穴导电的半穴的同时没有产生相应的自由电子。这种依靠空穴导电的半穴的同时没有产生相应的自由电子。这种依靠空穴导电的半导体称为空穴型半导体，简称导体称为空穴型半导体，简称导体称为空穴型半导体，简称导体称为空穴型半导体，简称P P型半导体。图型半导体。图型半导体。图型半导体。图1.6-51.6-5表示表示表示表示P P型型型型半导体材料的能带图，为半导体材料提供一个空穴的半导体材料的能带图，为半导体材料提供一个空穴的半导体材料的能带图，为半导体材料提供一个空穴的半导体材料的能带图，为半导体材料提供一个空穴的族杂族杂族杂族杂质原子，通常称之为受主杂质。质原子，通常称之为受主杂质。质原子，通常称之为受主杂质。质原子，通常称之为受主杂质。1.6半导体的导电原理空键空键接受电子接受电子空穴空穴图图1.6-41.6半导体的导电原理导带电离能价带受主能级图1.6-51.7补偿 实际，一块半导体中并非仅仅只存在一种类型的实际，一块半导体中并非仅仅只存在一种类型的实际，一块半导体中并非仅仅只存在一种类型的实际，一块半导体中并非仅仅只存在一种类型的杂质，常常同时含有施主和受主杂质，此时，施主杂杂质，常常同时含有施主和受主杂质，此时，施主杂杂质，常常同时含有施主和受主杂质，此时，施主杂杂质，常常同时含有施主和受主杂质，此时，施主杂质所提供的电子会通过质所提供的电子会通过质所提供的电子会通过质所提供的电子会通过“复合复合复合复合”而与受主杂质所提供而与受主杂质所提供而与受主杂质所提供而与受主杂质所提供的电子相抵消，使总的载流子数目减少，这种现象就的电子相抵消，使总的载流子数目减少，这种现象就的电子相抵消，使总的载流子数目减少，这种现象就的电子相抵消，使总的载流子数目减少，这种现象就成为成为成为成为“补偿补偿补偿补偿”。在有补偿的情况下，决定导电能力的。在有补偿的情况下，决定导电能力的。在有补偿的情况下，决定导电能力的。在有补偿的情况下，决定导电能力的是施主和受主浓度之差。若施主和受主杂质浓度近似是施主和受主浓度之差。若施主和受主杂质浓度近似是施主和受主浓度之差。若施主和受主杂质浓度近似是施主和受主浓度之差。若施主和受主杂质浓度近似相等时，通过复合会几乎完全补偿，这时半导体中的相等时，通过复合会几乎完全补偿，这时半导体中的相等时，通过复合会几乎完全补偿，这时半导体中的相等时，通过复合会几乎完全补偿，这时半导体中的载流子浓度基本上等于由本征激发作用而产生的自由载流子浓度基本上等于由本征激发作用而产生的自由载流子浓度基本上等于由本征激发作用而产生的自由载流子浓度基本上等于由本征激发作用而产生的自由电子和空穴的浓度。这种情况的半导体称之为补偿型电子和空穴的浓度。这种情况的半导体称之为补偿型电子和空穴的浓度。这种情况的半导体称之为补偿型电子和空穴的浓度。这种情况的半导体称之为补偿型本征半导体。本征半导体。本征半导体。本征半导体。在半导体器件产生过程中，实际上就是依据补偿作在半导体器件产生过程中，实际上就是依据补偿作在半导体器件产生过程中，实际上就是依据补偿作在半导体器件产生过程中，实际上就是依据补偿作用，通过掺杂而获得我们所需要的导电类型来组成所用，通过掺杂而获得我们所需要的导电类型来组成所用，通过掺杂而获得我们所需要的导电类型来组成所用，通过掺杂而获得我们所需要的导电类型来组成所要生产的器件。要生产的器件。要生产的器件。要生产的器件。1.8少数载流子和多数载流子 在掺有杂质的半导体中，新产生的载流子数在掺有杂质的半导体中，新产生的载流子数在掺有杂质的半导体中，新产生的载流子数在掺有杂质的半导体中，新产生的载流子数量远远超过原来未掺入杂质