10-半导体I详解.ppt

T=0K的半导体能带见图 (a)，这时半导体的价带是满带，而导带是空带，所以半导体不导电。 当温度升高或在其它外界因素作用下，原先空着的导带变为半满带，而价带顶附近同时出现了一些空的量子态也成为半满带，这时导带和价带中的电子都可以参与导电，见图 (b)。 常温下半导体价带中已有不少电子被激发到导带中，因而具备一定的导电能力。图 (c)是最常用的简化能带图。 得出结论 杂质半导体少子浓度 主要由本征激发（Ni2）决定的（和温度有关） 杂质半导体多子浓度 由搀杂浓度决定（是固定的） 都是由电中性条件求得EF 三.杂质半导体的载流子浓度 电中性 EF ~N ~P ~T 考虑施主部分电离的情况，一些施主能级上有电子布居。已有的工作表明，施主能级与导带能级不同，不允许同时被自旋方向相反的两个电子占据。 (Ed) d 施主P原子浓度Nd 电子占据施主能级的几率： 施主能级上的电子密度： nd=Nd f(Ed) Nd d 游离(即电离)的施主浓度 nd=Nd f(Ed) Nd d Nd =Nd－ nd 2 + 从以上几个公式看出，施主能级与费米能级的相对位置反映了电子占据施主能级的情况。 即当EF远在Ed之下时，施主几乎全部电离。 Z(E)f(E) Z(E) n型半导体 三分之一的施主原子电离。 当Ed－EF kT时，exp[(Ed－EF )/ kT ] 1，因而nd≈0， 当EF Ed 时， ，施主几乎没有电离。 当EF＝Ed重合时， 受主B原子浓度Na 考虑受主部分电离的情况，一些受主能级上有空穴布居。已有的工作表明，受主能级与价带能级不同，不允许同时被自旋方向相反的两个空穴占据。 空穴占据受主能级的几率： 受主能级上的空穴密度： Ea a a a a 游离(即电离)的受主浓度 a a a 2 ＝Na－ pA A 半导体中同时含有施主和受主杂质。半导体的空间电荷密度是半导体中任一点附近单位体积中的净电荷数，可以用导带电子、价带空穴、电离施主、电离受主四种电荷来计算。 电子密度 空穴密度 游离(即电离)的施主浓度 nd=Nd f(Ed) Nd d Nd =Nd－ nd 2 + 游离(即电离)的受主浓度 a a a 2 ＝Na－ pA A 半导体中净空间电荷密度 杂质均匀分布的半导体，热平衡条件下电中性要求，空间电荷必须处处为零，ρ＝0。在一定的温度下，对一定的半导体，上式中的参数Na、Nd、Nc、Nv、Ed、Eg、Ea是已知的。 ρ＝0隐含着EF与T的函数关系。讨论EF与T和杂质浓度的关系。 1.n型半导体（含少量受主杂质）：Nd Na，忽略空穴。 Ne = Nd－Na－nd (1) 极低温时，Ncexp[(Ed－Ec)/kT]很小（Nc∝ T3/2 )， 若Nd－Na 2Na，则EF Ed，EF在Ed之上。 当T→0，EF→Ed，EF与Ed重合。 Ec－Ed：施主杂质电离能。 (2) 低温下(温度已升高, 即常温)Ncexp[(Ed－Ec)/kT]增大（Nc∝ T3/2 )， 当Nd 2Nc时，EF在Ed和Ec之间的中线以下； 当Nd 2Nc 时， EF位于Ed和Ec之间的中线以上； 当Nd Nc 时（重掺杂）, EF接近Ec, 甚至到Ec以上。这时半导体处 于简并状况。 (3) 温度继续升高, 施主电离程度增加，导带中电子数增加。当 exp[(Ec－ Ed)/kT]≈1时，施主全部电离，导带中电子浓度取决于 两种杂质浓度之差，与温度无关，半导体进入饱和区。 随着温度的升高，费米能级向本征半导体的费米能级靠近。 2. 对P型半导体有类似讨论。 费米能级、温度、杂质浓度关系见下图。 Ec Ev Ed Ea §2.4.3 半导体接触 一.PN结的形成及特性 1.PN结的形成 2.PN结的单向导电性 3. PN结的反向击穿 4.PN结的电容效应 尽管当今半导体器件的种类繁多，发展迅速，但其中相当大一部分都与 P-N 结有关。 所谓 P-N 结就是由 N 型半导体和 P 型半导体直接接触构成的，在 P 型半导体中的载流子是空穴而电子少，在 N 型半导体中的载流子是电子，而空穴少。因此，当彼此接触后，N区的电子要向P区扩散，而P的空穴也要向N区扩散，在P-N结相交处空穴与电了可以相遇而消失（复合）。这样，使两种半导体交界处两边的载流子减少。 对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 1.PN结的形成 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 电子、空穴在结合处复合 在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导