第二章 半导体物理基础2讲解

称电子为多数载流子，简称多子，空穴为少 数载流子，简称少子。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
n 2.1.3 受主杂质 受主能级
Si
+
Si
Si
Si
B-
Si
Si
Si
Si
受 主 掺 杂（掺硼）
硼原子接受一个电子后， 成为带负电的硼离子， 称为负电中心（B- ） 。 带负电的硼离子和带正 电的空穴间有静电引力 作用，这个空穴受到硼 离子的束缚，在硼离子 附近运动。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
深能级杂质产生多次电离：
3）III族元素硼、铝、镓、铟、铊在锗和硅中各产生1个 浅受主能级，而铝在硅中，还能产生1个施主能级。
4）IV族元素碳在硅中产生1个施主能级，而锡和铅在硅 中产生1个施主能级和1个受主能级。
5）V族元素磷、砷、锑在硅和锗中各产生一个浅施主 能级。
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
n 2.1.2 施主杂质、施主能级 多余的电子束缚在正电中心，但这种束缚很弱
很小的能量就可使电子摆脱束缚，成为在晶格中导 电的自由电子，而Ⅴ族原子形成一个不能移动的 正电中心。
硅、锗中的Ⅴ族杂质，能够释放电子而产生导电 电子并形成正电中心，称为施主杂质或N型杂质， 掺有N型杂质的半导体叫N型半导体。施主杂质未 电离时是中性的，电离后成为正电中心。
mn* 0.12m0
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
n 晶体内杂质原子束缚的电子与类氢模型相比：
m0mn*, mp*; 0 r0
施主杂质的电离能： E D8m r2n *q 0 24 h2m m 0 n *E r2 01.6 3m m 0n *r2
Si: mn* 0.26m0 r 12 ED0.02e5V

引进有效质量，半导体中的电子所受的外力与
加速的关系和牛顿第二定律类似。
3、引进有效质量的意义：
由
a= f
m
* n
可以看出有效质量概括了半导体内
部势场的作用，使得在解决半导体中电子在
外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导
体内部势场的作用。
课堂练习：习题3（P58)
2.6.3 状态密度、态密度有效质量、电导有效质量
近出现了一些空的量子状态，在外电场的作用下， 停留在价带中的电子也能够起导电的作用，把价带 中这种导电作用等效于把这些空的量子状态看做带 正电荷的准粒子的导电作用，常称这些空的量子状 态为空穴
2.3.2 金属、半导体、绝缘体的能带
2.4 半导体的带隙结构
间接能隙结构—即价带的最高 点与导带的最低点处于K空间 的不同点
3、 测不准关系
当微观粒子处于某一状态时，它的力学量（坐 标、动量、能量等）一般不具有确定的数值。
如： p g xh 同 一 粒 子 不 可 能 同 时 确 定 其 坐 标 和 动 量
测不准原理告诉我们,对微观粒子运动状态分 析，需用统计的方法。
4、 波函数
波函数 r ,t 描述量子力学的状态
= hk m
h2k 2 E
2m
对于波矢为k的运动状态，自由电子的能量E和动
量P，速度v均有确定的数值，因此，波矢量 k可
用以描述自由电子的运动状态，不同的k值标致
自由电子的不同状态。
6、 单原子电子
电子的运动服从量子力学，处于一系列特定的 运动状态---量子态，要完全描述原子中的一个电 子的运动状态，需要四个量子数。
氧的电子组态表示的意思：第一主轨道上有两个电子 ，这两个电子的亚轨道为s，（第一亚层）；第二主轨 道有6个电子，其中有2个电子分布在s 亚（第一亚层） 轨道上，有4个电子分布在p亚轨道上（第二亚层）

1、硅、锗原子的简化模型
• 半导体元素：均为四价元素
半导体结构的描述
• 两种理论体系
– 共价键 结构 – 能级能带 结构
共价键结构（平面图）
2、半导体中的载流子
• 载流子(Carrier) 指半导体结构中获得运动能 量的带电粒子。 • 有温度环境就有载流子。 • 绝对零度（-2730C）时晶体中无自由电子。
• 其中 Pp≈Na（受主杂质浓度）Fra bibliotek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）
2.1.4 半导体中的电流
• 半导体中有 两种电流 – 漂移电流 漂移电流(Drift Current) – 扩散电流(Diffusion Current) 扩散电流(Diffusion
§2.2 PN结与半导体二极管
• PN结是构成半导体器件的 核心结构 核心结构。 • PN结是指使用半导体工艺使N型和P型半导 体 结合处所形成的 特殊结构。 特殊结构 • PN结是半导体器件的 心脏。
2.2.1 PN结的形成
• PN结形成“三步曲 三步曲” 三步曲
（1）多数载流子的 扩散运动 扩散运动。 （2）空间电荷区和少数载流子的 漂移运动 漂移运动。 （3）扩散运动与漂移运动的 动态平衡 动态平衡。
其中 CTO ------外加电压 v=0 时的CT
n ----- 系数（决定于材料的杂质分布，一般取
Vr---- --1/2~1/3）。 PN结内建电压
势垒电容CT原理（图）
（2）扩散电容 CD 扩散电容
• PN结外加正向偏置时，引起 扩散 浓度梯度变化 出现的电容（电荷） 效应。

势垒高度增加至 q(y0 VR) ，增高的势垒阻挡载流子通过PN结扩散，通
过PN结的电流非常小，结的阻抗很高。耗尽层宽度（突变结）：
1
W

2k0

y0 VR
qNd
2

（2-23）
PN结
2.2加偏压的PN结
4)根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电性
在电子扩散区和空穴扩散区，
区间电势差 y 0 。
未形成PN结之前的N区（P区）的电子（空穴）浓度为：
nN dnie(E F nE i)/K T
pNani(EiEFp)/KT
可以得到分别的费米能级为：
EFnEi
KTlnNd ni
EFp
Ei
KTln
Na ni
再由热电势
VT

KT q
，得： y01 q(EFnEFp)VTlnNn diN 2a
耗尽区
n 型电中性区
（c） 与（b）相对应的空间电荷分布
PN结
2.1热平衡PN结
3.几个概念
耗尽近似：在空间电荷区，与电离杂质浓度相比，自由
载流子浓度可以忽略，这种近似称为耗尽近似。因此空间电 荷区也称为耗尽区（又称为耗尽层）。在完全耗尽的区域， 自由载流子密度为零。
中性近似：假设耗尽区以外，在杂质饱和电离情况下，
单边突变结（一侧的杂质浓度远远大于另一侧的质浓度的突变结）
PN结
NaNd
引言
4.突变结与线性缓变结 2)线性缓变结： 两区之间杂质过渡是渐变的
adNDNA常数
dx
- ax
xj 0
x
ND NA
0
x
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