半导体物理与材料课件.ppt

－ － － － + + + + R E PN 结正向偏置 内建电场 外电场 变薄 P N + _ 内建电场被削弱，多子的浓度很高，其扩散加强，能够形成很大的扩散电流。 多子 多子 PN 结反向偏置 + + + + 内建电场 外电场 变厚 N P + _ 内建电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子浓度很低，只能形成很小的反向电流。 R E 少子 少子 - - - - + + + + - - - - 1.5 小结 历史 材料 基本概念（名词、术语） PN结 二极管的制作、工作原理、应用 * 我们关心的不是一个原子，而是形成固体半导体的原子群。 在晶体固体中，能量轨道的氢原子模型被修改为：取代一系列分立 的（discrete）能级（energy level）的是一系列能带（energy bands），能带之间是能隙Eg（energy gap）(禁带宽度)。Ec称为导 带,Ev称为价带。 E(K)Energy K 允带 禁带 Eg 电子能量 Ec Ev 简化为 Einstein光电效应实验。我们简单回顾一下。这个实验引入了重要的一个关系。图1-5c 中的直线的斜率是h/q。因此h可以通过这个实验测得。Y轴的截止电压由金属的功函数（work function）W决定。光子（photon）的能量为E=hν，只有当入射光的能量大于W时，才使电子从金属表面逸出，并产生光电流。 在半导体器件中，最重要的不是把电子移走，而是使电子从里面的能带跃迁到最外面部分填充的能带。因此最重要的参数是带隙Eg，它主宰着半导体的性质。决定Eg的有室温电导率和光响应的截止波长（very important for Photoelector diodes），只有光的能量大于Eg，才能将电子激发到导带。 The band gap of the most commonly used semiconductors is of order 1eV,for Si,Eg=1.1eV. 金属 半导体 绝缘体 能带示意图 半满带 满带 导带 价带 导带 价带 如果Eg很大（比如碳5 eV），导带中有很少的电子，因为任何粒子在室温的能量是kT的量级,即大约0.025 eV，因此很少有电子能够受到激发而穿过禁带。碳的金刚石结构在很多情况下是绝缘的。而硅的禁带宽度小于1.1 eV，导带中将有很多电子，自由电子的浓度以Eg/2kT的幂级数变化。在绝缘体中，导带几乎是空的；而在金属中，导带由部分电子占据，因而自由电子移动可以导电。 在固体中，所有的靠内的能带是满的（室温），所有的靠外的能带是空的。如果从内到外，先有价带 （Valence band），在纯半导体中完全填满了电子；然后到达导带（Conduction band），在纯半导体中几乎完全是空的。导带就是对形成电流具有贡献的能带(发生在电子移动到空的能态时)。如果能带中所有的态都是满的，就不会产生电流。然而，在很多半导体器件中，有时更为重要的是研究几乎是满带的价带的电子的导电,当电子激发到导带时），留下空穴（hole）. 1.2.2 晶体与共价键 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。 Ge Si 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。 硅和锗的晶体结构 +4 +4 +4 +4 +4表示 除去价电子 后的原子 共价键共 用电子对 硅和锗的共价键结构 形成共价键后，每个原子的最外层电子是8个， 构成稳定结构。 +4 +4 +4 +4 共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。 键的强度与禁带宽度有正比关系。Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ族的半导体基本上是共价晶体，Ⅱ、Ⅵ族的半导体离子性更强一些。金属键的电子比较均匀地分布在固体中；离子键的电子则集中在离子上，而共价键的电子则比较集中地分布在两个原子之间的连线上。 Materials C Si Ge GaAs GaP InP InSb