电子科大固体与半导体物理刘爽版第4章概念.ppt

一、 与 的关系 第四节 简并半导体 掺杂浓度低 费米能级处于禁带中 掺杂浓度很高 费米能级与导带底或价带顶重合， 甚至进入导带或价带 重掺杂 轻掺杂 用费米函数分析载流子分布 载流子的简并化 简并半导体 用玻耳兹曼函数 分析载流子分布 非简并半导体 * * 第四章 平衡状态下的半导体 第一节 半导体能带结构 半导体能带特点：T=0K时，最高能带满，以上空。 由价电子填充 价带 Ev T≠0K，电子激发跃迁 结果：最高能带出现空位(空穴) 上面空带有电子 由激发电子填充 导带 Ec 实际应用，只要考虑能带极值附近的关系 设导带底位于 导带底的能量 各向同性的晶体 二、K空间等能面 等能面： 空间能量相同的点构成的曲面 半径： 的球面。 各向异性的晶体，能带极值 三、常见半导体的能带结构 1、硅和锗的能带结构 导带 Si： 极小值在100六个等价方向上， 极值附近等能面为沿100方向 旋转的旋转椭球面， 导带极值位于100方向的布里 渊区中心到边界的0.85倍处。 Ge： 导带极小值在111布区边界， 极值附近等能面为沿111方向 旋转的8个旋转椭球面。 价带 价带顶位于 ，有三个带。 两个最高的在 处简并， 重空穴带（曲率小）、 轻带空穴（曲率大）。 另一带由自旋-轨道耦合分裂出 特点：a.同一K，有两个能量，极大值在K=0处重合 b.有效质量两个，取负-重空穴，取正-轻空穴 等能面是扭曲面 c.第三个能带能量降低了Δ，等能面接近球面 d.导带底和价带顶K值不同 e.禁带宽度随温度变化 导带底和价带顶不在 空间的相同点，具有这种能带特点的半导体称为间接带隙半导体。 2、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构 1）砷化镓 导带： 极小值位于k=0处，等能面是球面 111方向的极小值比布区中心极 小值约高 0.29ev 价带： 三能带组成 重空穴带极大值偏离K=0，但很少 导带底和价带顶在 空间的相同点，具有这种能带特点的半导体称为直接带隙半导体。 2）锑化铟 导带： 极小值位于k=0处，等能面是球面 底电子有效质量很小 价带： 三能带组成 重空穴带极大值偏离K=0，但很少 直接带隙半导体 第二节 本征半导体和杂质半导体 一、本征半导体极其导电机构 1、实际半导体中的偏离 原子在平衡位置附近振动 存在其它化学原子 存在缺陷 （周期势性被破坏） 2、本征半导体特点 无杂质原子 无缺陷 （严格周期性） 3、导电机构 载流子：电子、空穴 价带中电子热激发到导带， 电场下，空穴（价） 电子（导）导电 4、本征半导体条件 电中性条件 二、杂质半导体及其导电机构 实际半导体中有杂质，还存在缺陷 由于杂质、缺陷存在，使严格周期受到破坏， 在禁带中引入能带状态。 按杂质作用不同分为施主杂质和受主杂质 比Ev高ΔEA，接近Ev 独立能级，用短线表示 比Ec低ΔED，接近Ec 独立能级，用短线表示 位置 特点 图式 能级 空穴 杂质电离-空穴-跃迁 ΔEA＜＜Eg 电子 杂质电离-电子-跃迁 ΔED＜＜Eg 载流子 机构 杂质电离能 浅能级杂质电离能 导电 Ⅲ族（B） Ⅴ族（P） 杂质 受主 施主 实质：虽然杂质多，但不能向导带、价带提供电子或空穴。 条件： ND≈NA 高度补偿 NA ＞＞ ND NA－ND 改变半导体某一区域导电类型 ND＞＞NA ND－NA 改变半导体某一区域导电类型 条件 有效浓度 用途 图式 杂质补偿作用（施主与受主杂质之间相互抵消的作用） 空穴型半导体，P型 电子型半导体，n型 半导体类型 受主 施主 第三节 热平衡载流子的统计分析 导带中的电子 价带中的空穴 计算 公式 状态 密度 统计 分布 简并 （费米） 非简并 （波-兹） 实例 n型半导体掺杂少时， 导带电子少 p型半导体掺杂少时， 价带空穴少 非简 并半 导体 浓度 积分限 浓度 浓度乘积 五、本征半导体的载流子浓度 1、本征费米能级 硅、锗、砷化镓的第二项小得多，所以本征半导体的费米能级基本上在禁带中央处 。 2、本征载流子浓度 适用本征半导体材料、非简并的杂质半导体材料 材料 温度 掺杂且 非简并时 比较 右端 非简并半导体热平衡 载流子浓度乘积 本征载流子 浓度平方 与杂质无关 本征半导体：n0，p0随T迅速变化，器件性能不稳定。 杂质半导体：T杂质电离＜T＜T本征电离，载流子主要来源于杂质电离，若杂质全电离， n0，p0一定，器件就能稳定工作。 和 将 代入，且考虑Eg随温度变化： 随T变化缓 慢，可忽略 是 的函数