1113半导体材料解析.pptx

第1章 半导体材料的基本性质 1.1 半导体与基本晶体结构1.1.1 半导体 电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于。导体（电阻率小于。导体（电阻率小于。导体（电阻率小于1010-8-8mm），），），），绝缘体（电阻率大于绝缘体（电阻率大于绝缘体（电阻率大于绝缘体（电阻率大于10106 6mm）。）。）。）。自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。半导体半导体晶体晶体1.1.21.1.2半导体材料的基本特性半导体材料的基本特性温度与半导体温度与半导体温度与半导体温度与半导体 半导体的电导率随温度升高而迅速增加。半导体的电导率随温度升高而迅速增加。半导体的电导率随温度升高而迅速增加。半导体的电导率随温度升高而迅速增加。金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度升高而增加，且增加得很慢）；升高而增加，且增加得很慢）；升高而增加，且增加得很慢）；升高而增加，且增加得很慢）；半导体材料电阻率的半导体材料电阻率的半导体材料电阻率的半导体材料电阻率的温度系数都是负温度系数都是负温度系数都是负温度系数都是负的（即温度的（即温度的（即温度的（即温度升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。对温度敏感，体积又小，热惯性也小，对温度敏感，体积又小，热惯性也小，对温度敏感，体积又小，热惯性也小，对温度敏感，体积又小，热惯性也小，寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、自动化等许多方面都有广泛的应用价值。自动化等许多方面都有广泛的应用价值。自动化等许多方面都有广泛的应用价值。自动化等许多方面都有广泛的应用价值。热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻杂质与半导体杂质与半导体杂质与半导体杂质与半导体 杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。例如，纯净硅在室温下的电阻率为例如，纯净硅在室温下的电阻率为例如，纯净硅在室温下的电阻率为例如，纯净硅在室温下的电阻率为2.14102.14107 7mm，若，若，若，若掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至20m20m。虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用了半导体的这一特性。了半导体的这一特性。了半导体的这一特性。了半导体的这一特性。（杂质敏感性）（杂质敏感性）（杂质敏感性）（杂质敏感性）光照与半导体光照与半导体光照与半导体光照与半导体 光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。例如，硫化镉（例如，硫化镉（例如，硫化镉（例如，硫化镉（CdSCdS）薄膜的暗电阻为几十兆欧，）薄膜的暗电阻为几十兆欧，）薄膜的暗电阻为几十兆欧，）薄膜的暗电阻为几十兆欧，然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以后改变了几百倍。后改变了几百倍。后改变了几百倍。后改变了几百倍。成为自动化控制中的一个重要元件。成为自动化控制中的一个重要元件。成为自动化控制中的一个重要元件。成为自动化控制中的一个重要元件。光敏电阻光敏电阻光敏电阻光敏电阻其他因素与半导体其他因素与半导体其他因素与半导体其他因素与半导体 除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力。料的导电能力。料的导电能力。料的导电能力。晶体结构是指原子在三维空间中周期性排列着的单晶体。晶胞：单晶体结构可以用任意一个最基本的单元所代表，称这个最基本的单元叫晶胞。晶格：单晶体是由晶胞在三维空间周期性重复排列而成，整个晶体就像网格一样，称为晶格。格点与点阵，组成晶体的原子重心所在的位置称为格点，格点的总体称点阵。1.1.3 半导体的晶体结构五种常见的晶格结构五种常见的晶格结构五种常见的晶格结构五种常见的晶格结构 简单立方结构简单立方结构简单立方结构简单立方结构 体心立方结构体心立方结构体心立方结构体心立方结构 面心立方结构面心立方结构面心立方结构面心立方结构 金刚石结构金刚石结构金刚石结构金刚石结构 闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构 金刚石结构的晶胞与平面示意图a）金刚石型结构的晶胞 b）硅晶体的平面结构示意图晶体的原子按一晶体的原子按一晶体的原子按一晶体的原子按一定规律在空间周定规律在空间周定规律在空间周定规律在空间周期性排列，形成期性排列，形成期性排列，形成期性排列，形成格点，成为晶格。格点，成为晶格。格点，成为晶格。格点，成为晶格。体心立方结构体心立方结构体心立方结构体心立方结构钠（钠（钠（钠（NaNa）钼（钼（钼（钼（MoMo）钨（钨（钨（钨（WW）面心立方结构面心立方结构面心立方结构面心立方结构铝（铝（铝（铝（AlAl）铜（铜（铜（铜（CuCu）金（金（金（金（AuAu）银（银（银（银（AgAg）金刚石结构金刚石结构金刚石结构金刚石结构硅（硅（硅（硅（SiSi）锗（锗（锗（锗（GeGe）由两个面心立方结构由两个面心立方结构由两个面心立方结构由两个面心立方结构沿空间对角线错开四沿空间对角线错开四沿空间对角线错开四沿空间对角线错开四分之一的空间对角线分之一的空间对角线分之一的空间对角线分之一的空间对角线长度相互嵌套而成。长度相互嵌套而成。长度相互嵌套而成。长度相互嵌套而成。大量的硅（大量的硅（大量的硅（大量的硅（SiSi）、锗）、锗）、锗）、锗（GeGe）原子靠共价键）原子靠共价键）原子靠共价键）原子靠共价键结合组合成晶体，每结合组合成晶体，每结合组合成晶体，每结合组合成晶体，每个原子周围都有四个个原子周围都有四个个原子周围都有四个个原子周围都有四个最邻近的原子，组成最邻近的原子，组成最邻近的原子，组成最邻近的原子，组成正四面体结构，正四面体结构，正四面体结构，正四面体结构，。这。这。这。这四个原子分别处在正四个原子分别处在正四个原子分别处在正四个原子分别处在正四面体的四个顶角上，四面体的四个顶角上，四面体的四个顶角上，四面体的四个顶角上，任一顶角上的原子各任一顶角上的原子各任一顶角上的原子各任一顶角上的原子各贡献一个价电子和中贡献一个价电子和中贡献一个价电子和中贡献一个价电子和中心原子的四个价电子心原子的四个价电子心原子的四个价电子心原子的四个价电子分别组成电子对，作分别组成电子对，作分别组成电子对，作分别组成电子对，作为两个原子所共有的为两个原子所共有的为两个原子所共有的为两个原子所共有的价电子对。价电子对。价电子对。价电子对。闪锌矿结闪锌矿结闪锌矿结闪锌矿结构构构构砷化镓（砷化镓（砷化镓（砷化镓（GaAsGaAs）磷化镓磷化镓磷化镓磷化镓(GaP)(GaP)硫化锌硫化锌硫化锌硫化锌(ZnS)(ZnS)硫化镉硫化镉硫化镉硫化镉(CdS)(CdS)例例例例1-21-2硅（硅（硅（硅（SiSi）在）在）在）在300K300K时的晶格常数为时的晶格常数为时的晶格常数为时的晶格常数为5.435.43。请计算出每立方厘米体。请计算出每立方厘米体。请计算出每立方厘米体。请计算出每立方厘米体积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为28.09g/mol28.09g/mol）解解解解晶体的各向异性 沿晶格的不同方向，原子排列的周期沿晶格的不同方向，原子排列的周期沿晶格的不同方向，原子排列的周期沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理特性也不同不同方向的物理特性也不同不同方向的物理特性也不同不同方向的物理特性也不同 。晶体的各向异性具体表现在晶体不同晶体的各向异性具体表现在晶体不同晶体的各向异性具体表现在晶体不同晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。度、磁化率和折射率等都是不同的。度、磁化率和折射率等都是不同的。度、磁化率和折射率等都是不同的。在在在在ACCAACCA平面平面平面平面内有六个原子，内有六个原子，内有六个原子，内有六个原子，在在在在ADDAADDA平面平面平面平面内有五个原子，内有五个原子，内有五个原子，内有五个原子，且这两个平面且这两个平面且这两个平面且这两个平面内原子的间距内原子的间距内原子的间距内原子的间距不同。不同。不同。不同。晶面指数（密勒指数）常用密勒指数来标志晶向的不同取向。常用密勒指数来标志晶向的不同取向。常用密勒指数来标志晶向的不同取向。常用密勒指数来标志晶向的不同取向。密勒指数是这样得到的：密勒指数是这样得到的：密勒指数是这样得到的：密勒指数是这样得到的：（1 1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并以晶格常数为单位测得相应的截距；以晶格常数为单位测得相应的截距；以晶格常数为单位测得相应的截距；以晶格常数为单位测得相应的截距；（2 2）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的整数，即将其化简成最简单的整数比；整数，即将其化简成最简单的整数比；整数，即将其化简成最简单的整数比；整数，即将其化简成最简单的整数比；（3 3）将此结果以）将此结果以）将此结果以）将此结果以“（hklhkl）”表示，即为此平面的密表示，即为此平面的密表示，即为此平面的密表示，即为此平面的密勒指数。勒指数。勒指数。勒指数。如图，晶面如图，晶面如图，晶面如图，晶面ACCAACCA在在在在坐标轴上的坐标轴上的坐标轴上的坐标轴上的截距为截距为截距为截距为1 1，1 1，其倒数为其倒数为其倒数为其倒数为1 1，1 1，0 0，此平面用密勒指数表示此平面用密勒指数表示此平面用密勒指数表示此平面用密勒指数表示为（为（为（为（110110），），），），晶面晶面晶面晶面ABBAABBA用密勒指用密勒指用密勒指用密勒指数表示为（数表示为（数表示为（数表示为（）；）；）；）；例例例例1-31-31.1.5 半导体材料简介元素半导体元素半导体元素半导体元素半导体化合物半导体化合物半导体化合物半导体化合物半导体硅（硅（硅（硅（SiSi）锗（锗（锗（锗（GeGe）族元素族元素族元素族元素 如铝如铝如铝如铝(Al)(Al)、镓、镓、镓、镓(Ga)(Ga)、铟、铟、铟、铟(In)(In)和和和和 族元族元族元族元素素素素 如磷如磷如磷如磷(P)(P)、砷、砷、砷、砷(As)(As)、锑锑锑锑(Sb)(Sb)合成的合成的合成的合成的-族化族化族化族化合物都是半导体材料合物都是半导体材料合物都是半导体材料合物都是半导体材料 硅硅硅硅（SiSi）在在在在2020世纪世纪世纪世纪5050年代初期，锗曾经是最主要年代初期，锗曾经是最主要年代初期，锗曾经是最主要年代初期，锗曾经是最主要的半导体材料，但自的半导体材料，但自的半导体材料，但自的半导体材料，但自6060年代初期以来，硅已年代初期以来，硅已年代初期以来，硅已年代初期以来，硅已取而代之成为半导体制造的主要材料。取而代之成为半导体制造的主要材料。取而代之成为半导体制造的主要材料。取而代之成为半导体制造的主要材料。现今我们使用硅的主要原因，是因为硅现今我们使用硅的主要原因，是因为硅现今我们使用硅的主要原因，是因为硅现今我们使用硅的主要原因，是因为硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅的运用在其中起着决定性的作用，经济上的的运用在其中起着决定性的作用，经济上的的运用在其中起着决定性的作用，经济上的的运用在其中起着决定性的作用，经济上的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%25%，仅次于氧。，仅次于氧。，仅次于氧。，仅次于氧。到目前为止，硅可以说是元素周期表中被到目前为止，硅可以说是元素周期表中被到目前为止，硅可以说是元素周期表中被到目前为止，硅可以说是元素周期表中被研究最多且技术最成熟的半导体元素。研究最多且技术最成熟的半导体元素。研究最多且技术最成熟的半导体元素。研究最多且技术最成熟的半导体元素。1.2半导体的能带1.2.1 孤立原子中电子能级孤立氢原子中电子能量公式：m0 是自由电子的惯性质量；q为电子电荷；0 为真空介电常数；h为普朗克常数；n为量子数取正整数。根据上式可得氢原子能级图。1.21.2半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带 单个原子的电子单个原子的电子单个原子的电子单个原子的电子电子电子电子电子静电引力（库仑力），使电子只静电引力（库仑力），使电子只静电引力（库仑力），使电子只静电引力（库仑力），使电子只能在围绕原子核的轨道上运动。能在围绕原子核的轨道上运动。能在围绕原子核的轨道上运动。能在围绕原子核的轨道上运动。量子力学量子力学量子力学量子力学 虽然在空间的所有范围虽然在空间的所有范围虽然在空间的所有范围虽然在空间的所有范围内都有电子出现的几率，但对单内都有电子出现的几率，但对单内都有电子出现的几率，但对单内都有电子出现的几率，但对单个原子中的电子而言，其几率的个原子中的电子而言，其几率的个原子中的电子而言，其几率的个原子中的电子而言，其几率的最大值则局限在离原子核中心很最大值则局限在离原子核中心很最大值则局限在离原子核中心很最大值则局限在离原子核中心很小的范围内（玻尔半径数量级小的范围内（玻尔半径数量级小的范围内（玻尔半径数量级小的范围内（玻尔半径数量级）。）。）。）。轨道轨道轨道轨道 电子云在空间分布几率最电子云在空间分布几率最电子云在空间分布几率最电子云在空间分布几率最大值，即轨道上，电子出现的几大值，即轨道上，电子出现的几大值，即轨道上，电子出现的几大值，即轨道上，电子出现的几率最大。率最大。率最大。率最大。电子受到原子核和其电子受到原子核和其电子受到原子核和其电子受到原子核和其他电子的共同作用。他电子的共同作用。他电子的共同作用。他电子的共同作用。-E1E2E3原子核原子核原子核原子核能级能级能级能级晶体中的电子晶体中的电子晶体中的电子晶体中的电子当原子间距很小时，原子间的电子轨道将当原子间距很小时，原子间的电子轨道将当原子间距很小时，原子间的电子轨道将当原子间距很小时，原子间的电子轨道将相遇而交叠相遇而交叠相遇而交叠相遇而交叠，晶体中每个原子，晶体中每个原子，晶体中每个原子，晶体中每个原子的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的电子）作用。电子）作用。电子）作用。电子）作用。电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。制造半导体器件所用的材制造半导体器件所用的材制造半导体器件所用的材制造半导体器件所用的材料大多是料大多是料大多是料大多是单晶体单晶体单晶体单晶体。单晶体是由原子按一定周单晶体是由原子按一定周单晶体是由原子按一定周单晶体是由原子按一定周期重复排列而成，且排列期重复排列而成，且排列期重复排列而成，且排列期重复排列而成，且排列相当紧密，相邻原子间距相当紧密，相邻原子间距相当紧密，相邻原子间距相当紧密，相邻原子间距只有零点几个纳米的数量只有零点几个纳米的数量只有零点几个纳米的数量只有零点几个纳米的数量级。级。级。级。1.2.2 晶体中电子的能带本节重点讨论有原子结合成晶体时电子的运动规律1.晶体中电子的共有化运动价电子轨道重叠运动区域连成一片示意图共有化运动共有化运动共有化运动共有化运动由于晶体中原子的周期性由于晶体中原子的周期性由于晶体中原子的周期性由于晶体中原子的周期性排列而使电子不再为单个排列而使电子不再为单个排列而使电子不再为单个排列而使电子不再为单个原子所有的现象，称为电原子所有的现象，称为电原子所有的现象，称为电原子所有的现象，称为电子共有化。子共有化。子共有化。子共有化。在晶体中，不但外层价电在晶体中，不但外层价电在晶体中，不但外层价电在晶体中，不但外层价电子的轨道有交叠，内层电子的轨道有交叠，内层电子的轨道有交叠，内层电子的轨道有交叠，内层电子的轨道也可能有交叠，子的轨道也可能有交叠，子的轨道也可能有交叠，子的轨道也可能有交叠，它们都会形成共有化运动；它们都会形成共有化运动；它们都会形成共有化运动；它们都会形成共有化运动；但内层电子的轨道交叠较但内层电子的轨道交叠较但内层电子的轨道交叠较但内层电子的轨道交叠较少，共有化程度弱些，外少，共有化程度弱些，外少，共有化程度弱些，外少，共有化程度弱些，外层电子轨道交叠较多，共层电子轨道交叠较多，共层电子轨道交叠较多，共层电子轨道交叠较多，共有化程度强些。有化程度强些。有化程度强些。有化程度强些。半导体中的电子是在周期性排列半导体中的电子是在周期性排列且固定不动的大量原子核的势场且固定不动的大量原子核的势场和其他大量电子的和其他大量电子的平均势场平均势场中运动。中运动。这个平均势场也是这个平均势场也是周期性变化周期性变化的，的，且周期与晶格周期相同。且周期与晶格周期相同。当原子之间距离逐步接近时，原子周围电子的能当原子之间距离逐步接近时，原子周围电子的能级逐步转变为能带，下图是金刚石结构能级向能级逐步转变为能带，下图是金刚石结构能级向能带演变的示意图。带演变的示意图。能级能级能级能级能带能带能带能带1.2.3 硅晶体能带的形成过程 允带允带允带允带 禁带禁带禁带禁带 满带满带满带满带 空带空带空带空带允许电子存在的一系列准允许电子存在的一系列准允许电子存在的一系列准允许电子存在的一系列准连续的能量状态连续的能量状态连续的能量状态连续的能量状态禁止电子存在的一系列能禁止电子存在的一系列能禁止电子存在的一系列能禁止电子存在的一系列能量状态量状态量状态量状态被电子填充满的一系列准被电子填充满的一系列准被电子填充满的一系列准被电子填充满的一系列准连续的能量状态连续的能量状态连续的能量状态连续的能量状态 满带不导电满带不导电满带不导电满带不导电没有电子填充的一系列准没有电子填充的一系列准没有电子填充的一系列准没有电子填充的一系列准连续的能量状态连续的能量状态连续的能量状态连续的能量状态 空带也不导电空带也不导电空带也不导电空带也不导电 图图图图1-5 1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）金刚石结构价电子能带图（绝对零度）金刚石结构价电子能带图（绝对零度）金刚石结构价电子能带图（绝对零度）导带导带导带导带 价带价带价带价带 有电子能够参与导电的能带，有电子能够参与导电的能带，有电子能够参与导电的能带，有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高但半导体材料价电子形成的高但半导体材料价电子形成的高但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。能级能带通常称为导带。能级能带通常称为导带。能级能带通常称为导带。由价电子形成的能带，但半导体由价电子形成的能带，但半导体由价电子形成的能带，但半导体由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通材料价电子形成的低能级能带通材料价电子形成的低能级能带通材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。常称为价带。常称为价带。常称为价带。禁带宽度禁带宽度禁带宽度禁带宽度/E/Eg g 导带和价带之间的能级宽度，导带和价带之间的能级宽度，导带和价带之间的能级宽度，导带和价带之间的能级宽度，单位是能量单位：单位是能量单位：单位是能量单位：单位是能量单位：eVeV（电子伏特）（电子伏特）（电子伏特）（电子伏特）图图图图1-6 1-6 导体、绝缘体、半导体的能带示意图导体、绝缘体、半导体的能带示意图导体、绝缘体、半导体的能带示意图导体、绝缘体、半导体的能带示意图 能带被电能带被电能带被电能带被电子部分占子部分占子部分占子部分占满，在电满，在电满，在电满，在电场作用下场作用下场作用下场作用下这些电子这些电子这些电子这些电子可以导电可以导电可以导电可以导电禁带很禁带很禁带很禁带很宽，价宽，价宽，价宽，价带电子带电子带电子带电子常温下常温下常温下常温下不能被不能被不能被不能被激发到激发到激发到激发到空的导空的导空的导空的导带带带带禁带比较窄，常禁带比较窄，常禁带比较窄，常禁带比较窄，常温下，部分价带温下，部分价带温下，部分价带温下，部分价带电子被激发到空电子被激发到空电子被激发到空电子被激发到空的导带，形成有的导带，形成有的导带，形成有的导带，形成有少数电子填充的少数电子填充的少数电子填充的少数电子填充的导带和留有少数导带和留有少数导带和留有少数导带和留有少数空穴的价带，都空穴的价带，都空穴的价带，都空穴的价带，都能带电能带电能带电能带电36eV36eV硅硅硅硅1.12eV1.12eV锗锗锗锗0.67 eV0.67 eV砷化镓砷化镓砷化镓砷化镓1.42 eV 1.42 eV 半导体能带简化表示a）能带简化表示 b）能带最简化表示一般用“Ec”表示导带底的能量，用Ev表示价带底的能量，Eg表示禁带宽度。1.2.4 能带图的意义及简化表示 空穴空穴空穴空穴 价带价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了一些中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了一些空的空的空的空的量子状态量子状态量子状态量子状态，价带即成了部分占满的能带（相当于半满带），价带即成了部分占满的能带（相当于半满带），在外电场作用下，仍留在价带中的电子也能起导电作用。在外电场作用下，仍留在价带中的电子也能起导电作用。价带电子的这种导电作用相当于把这些空的量子状态看作带价带电子的这种导电作用相当于把这些空的量子状态看作带正电荷的正电荷的“准粒子准粒子”的导电作用，的导电作用，常把这些满带中因失去了常把这些满带中因失去了电子而留下的空位称为空穴。电子而留下的空位称为空穴。所以，所以，在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电，这与金属导体导电有很大的区别。这与金属导体导电有很大的区别。图中图中图中图中“”“”表示价带内的电子表示价带内的电子表示价带内的电子表示价带内的电子 ;图中图中图中图中“”“”表示价带内的空穴。表示价带内的空穴。表示价带内的空穴。表示价带内的空穴。图图1-7 一定温度下半导体的能带示意图一定温度下半导体的能带示意图 导带底导带底导带底导带底E EC C 价带顶价带顶价带顶价带顶E EV V 禁带宽度禁带宽度禁带宽度禁带宽度 E Eg g 本征激发本征激发本征激发本征激发 导带电子的最低能量导带电子的最低能量 价带电子的最高能量价带电子的最高能量 Eg=Ec-Ev 由于温度，价键上的电子由于温度，价键上的电子激发成为准自由电子，亦激发成为准自由电子，亦即价带电子激发成为导带即价带电子激发成为导带电子的过程电子的过程 。1.3 本征半导体与本征载流子浓度1.3.1 本征半导体的导电结构半导体填充能带的情况a）T=0K b）T0K本征半导体是指完全纯净的 结构完整的 不含任何杂质和缺陷的半导体.本征半导体导带电子和价带空穴均能在外加电场作用下,产生定向运动形成电流,把上述两种荷载电流的粒子称为半导体的俩种载流子.导带电子浓度和价带空穴浓度永远相等,这是本征半导体导电机构的一个重要特点.1.3.2 热平衡状态与热平衡载流子浓度在本征半导体中,载流子是由价带电子受晶格热运动的影响激发到导电带中而产生的,热激发有使载流子增加的倾向.导带电子以某种形式放出原来吸收的能量与空穴复合,复合作用又使电子和空穴的数目减少.我们把载流子的热激发产生率与复合率达到平衡的状态,称为半导体的热平衡状态.热平衡状态下的载流子浓度值称为热平衡载流子浓度.1.3.3 本征载流子浓度要分析载流子在外界作用下的运动规律,必须要知道它们的浓度及浓度分布情况.在半导体的导带和价带中,有很多能级存在,相邻间隔很小,约为 数量级,可近似认为能级是连续的,故可把能带分为一个一个能量很小的间隔来处理.设电子浓度为n,首先计算能量增量dE范围内的电子浓度.定义n(E)是单位体积内允许的能态密度N(E)与电子占据该能量的机率函数f(E)的乘积.对N(E)f(E)dE从导带底Ec到导带顶Etop进行积分,可得电子浓度n.式中N(E)称为能态密度,在单位体积晶体中,允许的能态密度表达式为对于价带空穴,单位体积中允许的能态密度表达式为式中mn代表电子的有效质量;mp代表空穴的有效质量.电子占据能量为E的机率函数称为费米分布函数,其表达式为k为玻尔兹曼常数;T为热力学温度;EF是费米能级.可以用曲线把费米分布函数式表示出来.不同温度下费米分布函数随(E-EF)的变化关系 a)T=0K b)T0K(T2T1)下图从左到右形象描绘出了能级分布,费米分布及本征半导体与空穴在能带中的分布情况.a)能级分布图 b)费米分布曲线 c)电子与空穴的分布d)载流子浓度1.费米能级 费米能级在能带中所处的位置,直接决定半导体电子和空穴浓度.费米能级的位置1.3.4 费米能级与载流子浓度的关系2.两种载流子浓度的乘积由上式可以看出,随温度的升高.半导体np乘积的数值是要增大的.利用本征半导体电子和空穴浓度的关系可以得到 因此半导体两种载流子浓度的乘积等于它的本质载流子浓度的平方.3.本征载流子浓度与本征费米能级右图为 Si和GaAs中本征载流子浓度与温度倒数间的关系