半導(dǎo)體材料(基礎(chǔ)理論)

1、Guangdong Ocean University Xiong Zhengye Semiconductor Modern Theory Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 1、原子的能級(jí)和晶體的能帶 制造半導(dǎo)體器件所用的制造半導(dǎo)體器件所用的 材料大多是單晶體。材料大多是單晶體。 單晶體是由靠得很緊密單晶體是由靠得很緊密 的原子周期性重復(fù)排列的原子周期性重復(fù)排列 而成，相鄰原子間距只而成，相鄰原子間距只 有幾個(gè)埃的量級(jí)。有幾個(gè)埃的量級(jí)。 1埃埃() = 10-10米米(m) Guangdong Ocean University Xiong Zhen

2、gye 晶體的結(jié)合形式晶體的結(jié)合形式 一般的晶體結(jié)合，可以概括為離子性結(jié)合，一般的晶體結(jié)合，可以概括為離子性結(jié)合， 共價(jià)結(jié)合，金屬性結(jié)合和分子結(jié)合（范得瓦爾斯共價(jià)結(jié)合，金屬性結(jié)合和分子結(jié)合（范得瓦爾斯 結(jié)合）四種不同的基本形式。結(jié)合）四種不同的基本形式。 半導(dǎo)體材料主要靠的是共價(jià)鍵結(jié)合。半導(dǎo)體材料主要靠的是共價(jià)鍵結(jié)合。 共價(jià)鍵的特點(diǎn)：共價(jià)鍵的特點(diǎn)： 飽和性：一個(gè)原子只能形成一定數(shù)目的共價(jià)飽和性：一個(gè)原子只能形成一定數(shù)目的共價(jià) 鍵；鍵； 方向性：原子只能在特定方向上形成共價(jià)鍵；方向性：原子只能在特定方向上形成共價(jià)鍵； Guangdong Ocean University Xiong Zhengy

3、e 電子的共有化運(yùn)動(dòng)電子的共有化運(yùn)動(dòng) 當(dāng)原子相互接近形成晶體時(shí)，不同原子的內(nèi)當(dāng)原子相互接近形成晶體時(shí)，不同原子的內(nèi) 外各電子殼層之間就有一定程度的交疊，相鄰原外各電子殼層之間就有一定程度的交疊，相鄰原 子最外層交疊最多，內(nèi)殼層交疊較少。原子組成子最外層交疊最多，內(nèi)殼層交疊較少。原子組成 晶體后，由于電子殼層的交疊，電子不再完全局晶體后，由于電子殼層的交疊，電子不再完全局 限在某一原子上，可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的限在某一原子上，可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的 原子上去，因而，電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)，原子上去，因而，電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)， 這種運(yùn)動(dòng)稱為電子的共有化運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)稱為電子的共有化

4、運(yùn)動(dòng)。 電子只能在相似殼層間轉(zhuǎn)移；電子只能在相似殼層間轉(zhuǎn)移； 最外層電子的共有化運(yùn)動(dòng)最顯著；最外層電子的共有化運(yùn)動(dòng)最顯著； Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 當(dāng)兩個(gè)原子相距很遠(yuǎn)時(shí)，如同兩個(gè)孤立的原子，當(dāng)兩個(gè)原子相距很遠(yuǎn)時(shí)，如同兩個(gè)孤立的原子， 每個(gè)能級(jí)是二度簡(jiǎn)并的。當(dāng)兩個(gè)原子互相靠近時(shí)，每個(gè)能級(jí)是二度簡(jiǎn)并的。當(dāng)兩個(gè)原子互相靠近時(shí)， 每個(gè)原子中的電子除了受到本身原子勢(shì)場(chǎng)的作用，每個(gè)原子中的電子除了受到本身原子勢(shì)場(chǎng)的作用， 還要受到另一個(gè)原子勢(shì)場(chǎng)的作用，其結(jié)果是每一個(gè)還要受到另一個(gè)原子勢(shì)場(chǎng)的作用，其結(jié)果是每一個(gè) 二度簡(jiǎn)并的能級(jí)都分裂為二個(gè)彼此相距很近

5、的能級(jí)，二度簡(jiǎn)并的能級(jí)都分裂為二個(gè)彼此相距很近的能級(jí)， 兩個(gè)原子靠得越近，分裂得越厲害。兩個(gè)原子靠得越近，分裂得越厲害。 當(dāng)當(dāng)N個(gè)原子互相靠近形成晶體后，每一個(gè)個(gè)原子互相靠近形成晶體后，每一個(gè)N度簡(jiǎn)度簡(jiǎn) 并的能級(jí)都分裂成并的能級(jí)都分裂成N個(gè)彼此相距很近的能級(jí)，這個(gè)彼此相距很近的能級(jí)，這N個(gè)個(gè) 能級(jí)組成一個(gè)能帶，這時(shí)電子不再屬于某一個(gè)原子能級(jí)組成一個(gè)能帶，這時(shí)電子不再屬于某一個(gè)原子 而是在晶體中作共有化運(yùn)動(dòng)。分裂的每一個(gè)能帶都而是在晶體中作共有化運(yùn)動(dòng)。分裂的每一個(gè)能帶都 稱為允帶，允帶之間因沒(méi)有能級(jí)稱為禁帶。稱為允帶，允帶之間因沒(méi)有能級(jí)稱為禁帶。 Guangdong Ocean Universi

6、ty Xiong Zhengye r =1s(rA) +1s(rB) *=1s(rA)1s(rB) Bonding Molecular Orbital Antibonding Molecular Orbital a r H r R= AB Two hydrogen atoms approaching each other. 1s(rA) 1s(rB) H rA e rBe Guangdong Ocean University Xiong Zhengye (b) (a) HH HH (a) Electron probability distributions for bonding and an

7、tibonding orbitals, and*. (b) Lines represent contors of constant probability. Guangdong Ocean University Xiong Zhengye H atomH atom H2 E E E= Bonding Energy E1sE1s (b) E(R) 1s E1s E(a) E(R) 0 E SYSTEM 2 HAtoms 2 Electrons 1 Electron/Atom 1 Orbital/Atom R,Interatomic Separation 0R= Bonding Energy (a

8、) a Electron energy in the system comprising two hydrogen atoms. (a) Energy of andvs. the interatomic separation, R. (b) Schematic diagram showing the changes in the electron energy as two isolated H atoms, far left and far right, come to form a hydrogen molecule. Guangdong Ocean University Xiong Zh

9、engye a Interatomic Separation (R) SYSTEM N Li Atoms N Electrons N Orbitals 2N States E2p 1s 2s 2p E2s E1s System of N Li Atoms solid(N) Solid ET EB solid(1) Isolated Atoms FULLEMPTY Electron Energy in the System of N LiAtoms The formation of a 2senergy band from the 2sorbitals when N Li atoms come

10、together to form the Li solid. The are N 2selectrons but 2N states in the band. The 2sband therefore is only half full. The atomic 1s orbital is close to the Li nucleus and remains undisturbed in the solid. Thus each Li atom has a closed Kshell (full 1s orbital). Guangdong Ocean University Xiong Zhe

11、ngye 金屬、絕緣體與半導(dǎo)體金屬、絕緣體與半導(dǎo)體 所有固體中均含有大量的電子，但其導(dǎo)電性卻相差很所有固體中均含有大量的電子，但其導(dǎo)電性卻相差很 大。量子力學(xué)與固體能帶論的發(fā)展，使人們認(rèn)識(shí)到固體導(dǎo)電大。量子力學(xué)與固體能帶論的發(fā)展，使人們認(rèn)識(shí)到固體導(dǎo)電 性可根據(jù)電子填充能帶的情況來(lái)說(shuō)明。性可根據(jù)電子填充能帶的情況來(lái)說(shuō)明。 固體能夠?qū)щ姡枪腆w中電子在外電場(chǎng)作用下作定向固體能夠?qū)щ?，是固體中電子在外電場(chǎng)作用下作定向 運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。由于電場(chǎng)力對(duì)電子的加速作用，使電子的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。由于電場(chǎng)力對(duì)電子的加速作用，使電子的運(yùn)動(dòng) 速度和能量都發(fā)生了變化。也就是說(shuō)，電子與外電場(chǎng)間發(fā)生速度和能量都發(fā)生了變化。也

12、就是說(shuō)，電子與外電場(chǎng)間發(fā)生 了能量交換。了能量交換。 從能帶論的觀點(diǎn)來(lái)看，電子能量的變化，就是電子從從能帶論的觀點(diǎn)來(lái)看，電子能量的變化，就是電子從 一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)上去。一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)上去。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 對(duì)于所有能級(jí)均被電子所占滿的能帶（滿帶），在對(duì)于所有能級(jí)均被電子所占滿的能帶（滿帶），在 外電場(chǎng)作用下，其電子并不形成電流，對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有貢獻(xiàn)。外電場(chǎng)作用下，其電子并不形成電流，對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有貢獻(xiàn)。 - - 滿帶電子不導(dǎo)電。滿帶電子不導(dǎo)電。 通常原子中的內(nèi)層電子都是占滿滿帶中的能級(jí)，因通常原子中的內(nèi)層電子都是占滿滿

13、帶中的能級(jí)，因 而內(nèi)層電子對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有貢獻(xiàn)。而內(nèi)層電子對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有貢獻(xiàn)。 對(duì)于被電子部分占滿的能帶（導(dǎo)帶），在外電場(chǎng)作對(duì)于被電子部分占滿的能帶（導(dǎo)帶），在外電場(chǎng)作 用下，電子可從外電場(chǎng)吸收能量躍遷到未被電子占據(jù)的用下，電子可從外電場(chǎng)吸收能量躍遷到未被電子占據(jù)的 能級(jí)去，從而形成電流，起導(dǎo)電作用。能級(jí)去，從而形成電流，起導(dǎo)電作用。 - 導(dǎo)帶電子有導(dǎo)電能力。導(dǎo)帶電子有導(dǎo)電能力。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye (c)對(duì)于金屬，由于組成金屬的原子中的價(jià)電子占據(jù)對(duì)于金屬，由于組成金屬的原子中的價(jià)電子占據(jù) 的能帶是部分占滿的，所以，金屬是良好的導(dǎo)體。的能帶是

14、部分占滿的，所以，金屬是良好的導(dǎo)體。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 絕緣體絕緣體(a)和半導(dǎo)體和半導(dǎo)體(b)的能帶結(jié)構(gòu)基本上是相似的，在的能帶結(jié)構(gòu)基本上是相似的，在 價(jià)電子基本占滿的價(jià)帶和基本上全空的導(dǎo)帶之間隔有禁帶。價(jià)電子基本占滿的價(jià)帶和基本上全空的導(dǎo)帶之間隔有禁帶。 唯一有區(qū)別的是，半導(dǎo)體的禁帶寬度較窄，約為唯一有區(qū)別的是，半導(dǎo)體的禁帶寬度較窄，約為1eV左左 右，因而在室溫下，價(jià)帶中不少電子可以被激發(fā)到導(dǎo)帶中形右，因而在室溫下，價(jià)帶中不少電子可以被激發(fā)到導(dǎo)帶中形 成導(dǎo)電電子并在價(jià)帶中留下導(dǎo)電空穴。故此，原先的空帶和成導(dǎo)電電子并在價(jià)帶中留

15、下導(dǎo)電空穴。故此，原先的空帶和 滿帶都變成了部分占滿的能帶，在外電場(chǎng)作用下，導(dǎo)帶的電滿帶都變成了部分占滿的能帶，在外電場(chǎng)作用下，導(dǎo)帶的電 子和價(jià)帶的空穴都能夠起導(dǎo)電作用。這是半導(dǎo)體與金屬導(dǎo)體子和價(jià)帶的空穴都能夠起導(dǎo)電作用。這是半導(dǎo)體與金屬導(dǎo)體 的最大差別。而絕緣體的禁帶寬度很大，激發(fā)電子需要很大的最大差別。而絕緣體的禁帶寬度很大，激發(fā)電子需要很大 能量，在通常溫度下，能激發(fā)到導(dǎo)帶的電子很少，所以導(dǎo)電能量，在通常溫度下，能激發(fā)到導(dǎo)帶的電子很少，所以導(dǎo)電 性很差。性很差。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 一定溫度下一定溫度下 半導(dǎo)體的能半導(dǎo)體的能

16、帶示意圖。帶示意圖。 圖中圖中代表電子，它們?cè)诮^對(duì)零度時(shí)填滿價(jià)帶中所有能級(jí)，代表電子，它們?cè)诮^對(duì)零度時(shí)填滿價(jià)帶中所有能級(jí)， Ev稱為價(jià)帶頂，它是價(jià)帶電子的最高能量。在一定溫度下，價(jià)稱為價(jià)帶頂，它是價(jià)帶電子的最高能量。在一定溫度下，價(jià) 電子有可能依靠熱激發(fā)，獲得能量脫離共價(jià)鍵，在晶體中自由電子有可能依靠熱激發(fā)，獲得能量脫離共價(jià)鍵，在晶體中自由 運(yùn)動(dòng)，成為準(zhǔn)自由電子。它們也就是能帶圖中導(dǎo)帶上的電子。運(yùn)動(dòng)，成為準(zhǔn)自由電子。它們也就是能帶圖中導(dǎo)帶上的電子。 脫離共價(jià)鍵所需的最小能量就是禁帶寬度脫離共價(jià)鍵所需的最小能量就是禁帶寬度Eg，Ec稱為導(dǎo)帶底，稱為導(dǎo)帶底， 它是導(dǎo)帶電子的最低能量。它是導(dǎo)帶電子的

17、最低能量。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 3p 3s 2p 2s 1s Electron Energy The electronic structure of Si. 硅的最外層電子是硅的最外層電子是3s23p2， 應(yīng)該分裂成應(yīng)該分裂成N個(gè)個(gè)s能級(jí)和能級(jí)和3N個(gè)個(gè)p 能級(jí)，中間夾以禁帶。這樣的能級(jí)，中間夾以禁帶。這樣的 話，硅最外層的話，硅最外層的4N的電子將填的電子將填 滿整個(gè)滿整個(gè)s能級(jí)和半填滿能級(jí)和半填滿p能級(jí)，能級(jí)， 根據(jù)能帶論，根據(jù)能帶論，Si將是導(dǎo)體。將是導(dǎo)體。 Guangdong Ocean University Xiong Z

18、hengye 但實(shí)際上，硅原子組成晶體時(shí)，其但實(shí)際上，硅原子組成晶體時(shí)，其s和和p軌軌 道將會(huì)由于道將會(huì)由于sp3軌道雜化而形成雜化軌道。軌道雜化而形成雜化軌道。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 原子結(jié)合成晶體時(shí)形成上下各包含原子結(jié)合成晶體時(shí)形成上下各包含2N個(gè)狀態(tài)的兩個(gè)能帶，因個(gè)狀態(tài)的兩個(gè)能帶，因 而而4N個(gè)電子恰好將下面的能帶填滿而上面的能帶全空，形成個(gè)電子恰好將下面的能帶填滿而上面的能帶全空，形成 了價(jià)帶（滿帶）和導(dǎo)帶，中間隔以禁帶。了價(jià)帶（滿帶）和導(dǎo)帶，中間隔以禁帶。 Guangdong Ocean University Xiong Z

19、hengye 價(jià)帶電子的總電流，就如同一價(jià)帶電子的總電流，就如同一 個(gè)帶正電荷的粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生個(gè)帶正電荷的粒子運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生 的電流。因此，通常把價(jià)帶中空的電流。因此，通常把價(jià)帶中空 著的狀態(tài)看成是帶正電的粒子，著的狀態(tài)看成是帶正電的粒子， 稱為空穴。引入這樣一個(gè)假想的稱為空穴。引入這樣一個(gè)假想的 粒子粒子-空穴后，便可以把價(jià)帶空穴后，便可以把價(jià)帶 中大量電子對(duì)電流的貢獻(xiàn)用少量中大量電子對(duì)電流的貢獻(xiàn)用少量 空穴表達(dá)出來(lái)。空穴表達(dá)出來(lái)。 半導(dǎo)體中除了導(dǎo)帶上電子的導(dǎo)半導(dǎo)體中除了導(dǎo)帶上電子的導(dǎo) 電作用外，還有價(jià)帶上空穴的導(dǎo)電作用外，還有價(jià)帶上空穴的導(dǎo) 電作用。電作用。 當(dāng)價(jià)帶頂部的一些電子被激發(fā)到導(dǎo)

20、帶后，價(jià)帶中就留當(dāng)價(jià)帶頂部的一些電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，價(jià)帶中就留 下了一些空狀態(tài)。相當(dāng)于在下圖中的共價(jià)鍵上缺少一個(gè)電下了一些空狀態(tài)。相當(dāng)于在下圖中的共價(jià)鍵上缺少一個(gè)電 子而出現(xiàn)一個(gè)空位。在晶格間隙出現(xiàn)一個(gè)導(dǎo)電電子。根據(jù)子而出現(xiàn)一個(gè)空位。在晶格間隙出現(xiàn)一個(gè)導(dǎo)電電子。根據(jù) 電中性的要求，可以認(rèn)為這個(gè)空狀態(tài)帶有正電荷。電中性的要求，可以認(rèn)為這個(gè)空狀態(tài)帶有正電荷。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye Si的晶格常數(shù)是的晶格常數(shù)是0.54nm，密度為，密度為2.33x10-3 kg/cm3; Si在室溫下的禁帶寬度為在室溫下的禁帶寬度為1.12eV； Si熔點(diǎn)

21、是熔點(diǎn)是1420oC； Si的折射率是的折射率是3.4(5m); 半導(dǎo)體是一種具有特殊導(dǎo)電性能的功能材料，其電半導(dǎo)體是一種具有特殊導(dǎo)電性能的功能材料，其電 阻率介于阻率介于10-4到到1010歐姆歐姆厘米之間，介于金屬導(dǎo)體和絕厘米之間，介于金屬導(dǎo)體和絕 緣體之間。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)可以隨著材料的純度、溫緣體之間。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)可以隨著材料的純度、溫 度及其它外界條件（如光照）的不同而變化。度及其它外界條件（如光照）的不同而變化。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 所謂本征半導(dǎo)體就是一塊沒(méi)有雜質(zhì)和缺陷的所謂本征半導(dǎo)體就是一塊沒(méi)有雜質(zhì)和缺陷的 半導(dǎo)體

22、。在絕對(duì)零度時(shí)，價(jià)帶中所有量子態(tài)都被半導(dǎo)體。在絕對(duì)零度時(shí)，價(jià)帶中所有量子態(tài)都被 電子占據(jù)，而導(dǎo)帶中所有量子態(tài)都是空的。當(dāng)溫電子占據(jù)，而導(dǎo)帶中所有量子態(tài)都是空的。當(dāng)溫 度大于零度時(shí)，就會(huì)有電子從價(jià)帶由于本征激發(fā)度大于零度時(shí)，就會(huì)有電子從價(jià)帶由于本征激發(fā) 躍遷至導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。由于電子躍遷至導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴。由于電子 和空穴是成對(duì)產(chǎn)生的，導(dǎo)帶中電子的濃度和空穴是成對(duì)產(chǎn)生的，導(dǎo)帶中電子的濃度n0應(yīng)等應(yīng)等 于價(jià)帶中空穴的濃度于價(jià)帶中空穴的濃度p0，即有：，即有：n0=p0. Guangdong Ocean University Xiong Zhengye n0=p0=(NcNv)

23、1/2 exp(-Eg/2kT) = ni Nc、Nv 是導(dǎo)帶底和價(jià)帶是導(dǎo)帶底和價(jià)帶 頂?shù)挠行顟B(tài)密度；頂?shù)挠行顟B(tài)密度； k是波耳茲曼常數(shù)；是波耳茲曼常數(shù)； T為溫度；為溫度； Eg是禁帶寬度；是禁帶寬度； ni稱為本征載流子濃度稱為本征載流子濃度 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 在實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體材料晶格中，總是存在在實(shí)際應(yīng)用的半導(dǎo)體材料晶格中，總是存在 著偏離理想情況的各種復(fù)雜現(xiàn)象。包括存在各種著偏離理想情況的各種復(fù)雜現(xiàn)象。包括存在各種 雜質(zhì)和缺陷。實(shí)踐表明：半導(dǎo)體的導(dǎo)電性可以通雜質(zhì)和缺陷。實(shí)踐表明：半導(dǎo)體的導(dǎo)電性可以通 過(guò)摻入適量的雜質(zhì)

24、來(lái)控制，這是半導(dǎo)體能夠制成過(guò)摻入適量的雜質(zhì)來(lái)控制，這是半導(dǎo)體能夠制成 各種器件的重要原因。各種器件的重要原因。 例如對(duì)本征半導(dǎo)體硅（例如對(duì)本征半導(dǎo)體硅（Si）摻入百萬(wàn)分之一）摻入百萬(wàn)分之一 的雜質(zhì)，其電阻率就會(huì)從的雜質(zhì)，其電阻率就會(huì)從105歐姆歐姆厘米下降到只厘米下降到只 有幾個(gè)歐姆有幾個(gè)歐姆厘米。厘米。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 一種方式是雜質(zhì)原子位于晶格一種方式是雜質(zhì)原子位于晶格 原子間的間隙位置，稱為間隙式雜原子間的間隙位置，稱為間隙式雜 質(zhì)；質(zhì)； 另一種方式是雜質(zhì)原子取代晶另一種方式是雜質(zhì)原子取代晶 格原子而位于晶格處，稱為替位式

25、格原子而位于晶格處，稱為替位式 雜質(zhì)。雜質(zhì)。 間隙式雜質(zhì)一般比較??；而形間隙式雜質(zhì)一般比較小；而形 成替位式雜質(zhì)時(shí)，要求替位式雜質(zhì)成替位式雜質(zhì)時(shí)，要求替位式雜質(zhì) 原子的大小與被取代的晶格原子的原子的大小與被取代的晶格原子的 大小比較接近。如；大小比較接近。如；III、V族元素族元素 在在Si晶體中都是替位式雜質(zhì)。晶體中都是替位式雜質(zhì)。 雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體硅中，只可能以兩種方式雜質(zhì)原子進(jìn)入半導(dǎo)體硅中，只可能以兩種方式 存在。存在。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 下面討論硅中摻磷下面討論硅中摻磷(P)的情況：的情況： 當(dāng)一個(gè)磷原子占據(jù)了硅原子的位

26、當(dāng)一個(gè)磷原子占據(jù)了硅原子的位 置，由于磷原子有五個(gè)價(jià)電子，其中置，由于磷原子有五個(gè)價(jià)電子，其中 四個(gè)與周?chē)膫€(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，四個(gè)與周?chē)膫€(gè)硅原子形成共價(jià)鍵， 還剩余一個(gè)價(jià)電子。同時(shí)，磷原子所還剩余一個(gè)價(jià)電子。同時(shí)，磷原子所 在處也多余一個(gè)正電荷。所以磷原子在處也多余一個(gè)正電荷。所以磷原子 替代硅原子后，其效果是形成一個(gè)正替代硅原子后，其效果是形成一個(gè)正 電中心電中心P+和一個(gè)多余的價(jià)電子。這個(gè)和一個(gè)多余的價(jià)電子。這個(gè) 多余的價(jià)電子就束縛在正電中心多余的價(jià)電子就束縛在正電中心P+周周 圍。圍。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 在正電中心周?chē)?/p>

27、那個(gè)多余的價(jià)電子受到的束縛作在正電中心周?chē)哪莻€(gè)多余的價(jià)電子受到的束縛作 用比共價(jià)鍵的束縛作用弱得多，只要很少的能量就可以用比共價(jià)鍵的束縛作用弱得多，只要很少的能量就可以 使它掙脫束縛成為導(dǎo)電電子在晶格中自由運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，使它掙脫束縛成為導(dǎo)電電子在晶格中自由運(yùn)動(dòng)。這時(shí)， 磷原子就成為少了一個(gè)價(jià)電子的磷離子磷原子就成為少了一個(gè)價(jià)電子的磷離子(P+)，它是一個(gè)，它是一個(gè) 不可移動(dòng)的正電中心。不可移動(dòng)的正電中心。 上述電子脫離雜質(zhì)原子束縛成為導(dǎo)電電子的過(guò)程稱上述電子脫離雜質(zhì)原子束縛成為導(dǎo)電電子的過(guò)程稱 為雜質(zhì)電離；使這個(gè)多余的價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電為雜質(zhì)電離；使這個(gè)多余的價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電 子

28、所需要的能量稱為雜質(zhì)電離能。用子所需要的能量稱為雜質(zhì)電離能。用ED表示，實(shí)驗(yàn)測(cè)表示，實(shí)驗(yàn)測(cè) 量表明：量表明： V族雜質(zhì)元素在硅中的電離能很小，約為族雜質(zhì)元素在硅中的電離能很小，約為0.04- 0.05eV。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye V族雜質(zhì)在硅中電離時(shí)，族雜質(zhì)在硅中電離時(shí)， 能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電 電子并形成正電中心，稱電子并形成正電中心，稱 它們是施主雜質(zhì)或它們是施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)。型雜質(zhì)。 它釋放電子的過(guò)程叫做施它釋放電子的過(guò)程叫做施 主電離。施主雜質(zhì)未電離主電離。施主雜質(zhì)未電離 時(shí)是中性的，稱為束縛態(tài)時(shí)是中性

29、的，稱為束縛態(tài) 或中性態(tài)，電離后成為正或中性態(tài)，電離后成為正 電中心，稱為離化態(tài)。電中心，稱為離化態(tài)。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 施主雜質(zhì)的電離過(guò)程，也可以用能帶圖表示施主雜質(zhì)的電離過(guò)程，也可以用能帶圖表示 將被施主雜質(zhì)束縛的電子的能將被施主雜質(zhì)束縛的電子的能 量狀態(tài)稱為施主能級(jí)，記為量狀態(tài)稱為施主能級(jí)，記為ED。當(dāng)。當(dāng) 電子得到能量電子得到能量ED后就從施主的束后就從施主的束 縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子，所縛態(tài)躍遷到導(dǎo)帶成為導(dǎo)電電子，所 以以ED比導(dǎo)帶底比導(dǎo)帶底Ec低，并且由于低，并且由于ED Eg，所以施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶底，所以施主能

30、級(jí)位于離導(dǎo)帶底 很近的禁帶中。很近的禁帶中。 在純凈的半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)，在純凈的半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)， 雜質(zhì)電離后，導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子增雜質(zhì)電離后，導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子增 多，增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。通多，增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。通 常把主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)常把主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo) 體稱為電子型或體稱為電子型或n型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 在在n型半導(dǎo)體中：型半導(dǎo)體中： 電子電子 濃度濃度n空穴濃度空穴濃度p電子是電子是 多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子，多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子， 空穴是少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱空穴是少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱 少子。少子。 np=ni2 Guangdong Ocean University Xi

31、ong Zhengye 當(dāng)一個(gè)硼原子占據(jù)了硅原子的位當(dāng)一個(gè)硼原子占據(jù)了硅原子的位 置，由于磷原子有三個(gè)價(jià)電子，當(dāng)置，由于磷原子有三個(gè)價(jià)電子，當(dāng) 它與周?chē)膫€(gè)硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，它與周?chē)膫€(gè)硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)， 還缺少一個(gè)價(jià)電子，必須從別處的還缺少一個(gè)價(jià)電子，必須從別處的 硅原子中奪取一個(gè)價(jià)電子。于是，硅原子中奪取一個(gè)價(jià)電子。于是， 在硅晶體的共價(jià)鍵中產(chǎn)生了一個(gè)空在硅晶體的共價(jià)鍵中產(chǎn)生了一個(gè)空 穴。同時(shí)，硼原子接受一個(gè)電子后穴。同時(shí)，硼原子接受一個(gè)電子后 成為帶負(fù)電的硼離子成為帶負(fù)電的硼離子(B-)，稱為負(fù)，稱為負(fù) 電中心。所以硼原子替代硅原子后，電中心。所以硼原子替代硅原子后， 其效果是形成一

32、個(gè)負(fù)電中心其效果是形成一個(gè)負(fù)電中心B-和一和一 個(gè)空穴。個(gè)空穴。 帶負(fù)電的硼離子和帶正帶負(fù)電的硼離子和帶正 電的空穴之間有靜電引力作電的空穴之間有靜電引力作 用，所以這個(gè)空穴受到硼離用，所以這個(gè)空穴受到硼離 子的束縛，在硼離子附近運(yùn)子的束縛，在硼離子附近運(yùn) 動(dòng)。不過(guò)，這種束縛是很弱動(dòng)。不過(guò)，這種束縛是很弱 的，只需很少的能量就可以的，只需很少的能量就可以 使空穴掙脫束縛成為在晶體使空穴掙脫束縛成為在晶體 的共價(jià)鍵中自由運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電的共價(jià)鍵中自由運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電 空穴。而硼原子成為多一個(gè)空穴。而硼原子成為多一個(gè) 價(jià)電子的硼離子，是一個(gè)不價(jià)電子的硼離子，是一個(gè)不 可移動(dòng)的負(fù)電中心?？梢苿?dòng)的負(fù)電中心。 Gu

33、angdong Ocean University Xiong Zhengye 因?yàn)橐驗(yàn)镮II族雜質(zhì)在硅中能夠族雜質(zhì)在硅中能夠 接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴， 并并 形成負(fù)電中心，所以稱它們?yōu)樾纬韶?fù)電中心，所以稱它們?yōu)?受主雜質(zhì)或受主雜質(zhì)或p型雜質(zhì)?？昭⊕晷碗s質(zhì)?？昭⊕?脫受主雜質(zhì)束縛的過(guò)程稱為受脫受主雜質(zhì)束縛的過(guò)程稱為受 主電離。受主雜質(zhì)未電離時(shí)是主電離。受主雜質(zhì)未電離時(shí)是 中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)。中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)。 電離后成為負(fù)電中心，電離后成為負(fù)電中心， 稱為受稱為受 主離化態(tài)。主離化態(tài)。 Guangdong Ocean University Xiong Z

34、hengye 受主雜質(zhì)的電離過(guò)程也可以用能帶圖表示受主雜質(zhì)的電離過(guò)程也可以用能帶圖表示 將被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)，記為將被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)，記為EA。 當(dāng)空穴得到能量當(dāng)空穴得到能量EA后就從受主的束縛態(tài)躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空后就從受主的束縛態(tài)躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空 穴，所以穴，所以EA比價(jià)帶頂比價(jià)帶頂Ev低，并且由于低，并且由于 EAEg ，所以受主能級(jí)，所以受主能級(jí) 位于離價(jià)帶頂很近的禁帶中。位于離價(jià)帶頂很近的禁帶中。 （能帶圖中空穴的能量是越向下（能帶圖中空穴的能量是越向下 越高）越高） Guangdong Ocean University Xion

35、g Zhengye 在純凈的半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)后，受主雜在純凈的半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)后，受主雜 質(zhì)電離，使價(jià)帶中的導(dǎo)電空穴增多，增強(qiáng)了半導(dǎo)質(zhì)電離，使價(jià)帶中的導(dǎo)電空穴增多，增強(qiáng)了半導(dǎo) 體的導(dǎo)電能力。通常把主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。通常把主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo) 體稱為空穴型或體稱為空穴型或p型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 對(duì)于對(duì)于p型半導(dǎo)體：空穴濃度型半導(dǎo)體：空穴濃度p電子濃度電子濃度n； np=ni2 空穴是多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子，空穴是多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱多子， 電子是少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。電子是少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱少子。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengy

36、e 總之，根據(jù)對(duì)導(dǎo)電性的影響，半導(dǎo)體中的雜總之，根據(jù)對(duì)導(dǎo)電性的影響，半導(dǎo)體中的雜 質(zhì)又可分為兩種類型。當(dāng)雜質(zhì)能級(jí)能提供電子時(shí)質(zhì)又可分為兩種類型。當(dāng)雜質(zhì)能級(jí)能提供電子時(shí) （施主雜質(zhì)），半導(dǎo)體主要靠雜質(zhì)電離后提供的（施主雜質(zhì)），半導(dǎo)體主要靠雜質(zhì)電離后提供的 電子導(dǎo)電，這種半導(dǎo)體稱為電子導(dǎo)電，這種半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體；另一種型半導(dǎo)體；另一種 雜質(zhì)可以提供禁帶中空的能級(jí)（受主雜質(zhì)），因雜質(zhì)可以提供禁帶中空的能級(jí)（受主雜質(zhì)），因 而價(jià)帶中有些電子可以激發(fā)到受主能級(jí)上而在價(jià)而價(jià)帶中有些電子可以激發(fā)到受主能級(jí)上而在價(jià) 帶中產(chǎn)生大量空穴，這種半導(dǎo)體稱為帶中產(chǎn)生大量空穴，這種半導(dǎo)體稱為p型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體， 其

37、主要靠空穴導(dǎo)電。其主要靠空穴導(dǎo)電。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 在一定溫度下，半導(dǎo)體中的大量電子不停地作無(wú)規(guī)在一定溫度下，半導(dǎo)體中的大量電子不停地作無(wú)規(guī) 則熱運(yùn)動(dòng)，從一個(gè)電子來(lái)看，它所具有的能量時(shí)大時(shí)小，則熱運(yùn)動(dòng)，從一個(gè)電子來(lái)看，它所具有的能量時(shí)大時(shí)小， 經(jīng)常變化。但是，從大量電子的整體來(lái)看，在熱平衡狀經(jīng)常變化。但是，從大量電子的整體來(lái)看，在熱平衡狀 態(tài)下，電子按能量大小具有一定的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律性，即態(tài)下，電子按能量大小具有一定的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律性，即 電子在不同能量的量子態(tài)上統(tǒng)計(jì)分布幾率是一定的。根電子在不同能量的量子態(tài)上統(tǒng)計(jì)分布幾率是一定的。

38、根 據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，服從泡利不相容原理的電子遵循費(fèi)米據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，服從泡利不相容原理的電子遵循費(fèi)米 統(tǒng)計(jì)律。統(tǒng)計(jì)律。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 對(duì)于能量為對(duì)于能量為E的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率f(E) 為：為：f(E) =1/(1+exp(E-EF)/kT) f(E)稱為電子的費(fèi)米分布函數(shù)，它是描寫(xiě)熱平衡狀態(tài)稱為電子的費(fèi)米分布函數(shù)，它是描寫(xiě)熱平衡狀態(tài) 下，電子在允許的量子態(tài)上如何分布的一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)。下，電子在允許的量子態(tài)上如何分布的一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)。 式中式中k是波耳茲曼常數(shù)，是波耳茲曼常數(shù)，T

39、是絕對(duì)溫度。是絕對(duì)溫度。EF稱為費(fèi)米能級(jí)或稱為費(fèi)米能級(jí)或 費(fèi)米能量，它和溫度、半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、雜質(zhì)的含費(fèi)米能量，它和溫度、半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、雜質(zhì)的含 量以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān)。量以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān)。EF是一個(gè)很重要的物理參數(shù)，是一個(gè)很重要的物理參數(shù)， 只要知道了只要知道了EF的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上 的統(tǒng)計(jì)分布就完全確定。的統(tǒng)計(jì)分布就完全確定。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 當(dāng)當(dāng)T=0K 時(shí)：時(shí)： 若若E EF,則則f(E)=0 即在絕對(duì)零度時(shí)，能量比費(fèi)米能量小的量子態(tài)被電即在

40、絕對(duì)零度時(shí)，能量比費(fèi)米能量小的量子態(tài)被電 子占據(jù)的幾率是百分之百，因而這些量子態(tài)上都有電子；子占據(jù)的幾率是百分之百，因而這些量子態(tài)上都有電子； 而能量比而能量比EF大的量子態(tài)，被電子占據(jù)的幾率是零，因而大的量子態(tài)，被電子占據(jù)的幾率是零，因而 這些量子態(tài)上都沒(méi)有電子，是空的。故在絕對(duì)零度時(shí)，這些量子態(tài)上都沒(méi)有電子，是空的。故在絕對(duì)零度時(shí)， 費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)EF可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限。可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 當(dāng)當(dāng)T0K時(shí)：時(shí)： 若若E1/2 若若E= EF,則則f(E)=1/2 若若EE

41、F,則則f(E)1/2 圖中圖中Ta=0K TaTbTcTd Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 上述結(jié)果說(shuō)明：當(dāng)系統(tǒng)的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，如上述結(jié)果說(shuō)明：當(dāng)系統(tǒng)的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，如 果量子態(tài)的能量比費(fèi)米能級(jí)低，則該量子態(tài)被電子占據(jù)果量子態(tài)的能量比費(fèi)米能級(jí)低，則該量子態(tài)被電子占據(jù) 的幾率大于百分之五十；若量子態(tài)的能量比費(fèi)米能級(jí)高，的幾率大于百分之五十；若量子態(tài)的能量比費(fèi)米能級(jí)高， 則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率小于百分之五十。因此，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率小于百分之五十。因此， 費(fèi)米能級(jí)是量子態(tài)基本上被電子占據(jù)或基本上是空的一費(fèi)米能級(jí)是量子態(tài)基本

42、上被電子占據(jù)或基本上是空的一 個(gè)標(biāo)志。個(gè)標(biāo)志。 當(dāng)量子態(tài)的能量等于費(fèi)米能級(jí)時(shí)，則該量子態(tài)被電當(dāng)量子態(tài)的能量等于費(fèi)米能級(jí)時(shí)，則該量子態(tài)被電 子占據(jù)的幾率是百分之五十。子占據(jù)的幾率是百分之五十。 Guangdong Ocean University Xiong Zhengye 五種不同摻雜情況的半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)位置：從左到右，五種不同摻雜情況的半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)位置：從左到右， 由強(qiáng)由強(qiáng)p型到強(qiáng)型到強(qiáng)n型，費(fèi)米能級(jí)型，費(fèi)米能級(jí)EF位置逐漸升高。在強(qiáng)位置逐漸升高。在強(qiáng)p型中，導(dǎo)型中，導(dǎo) 帶中電子最少，價(jià)帶中電子也最少，所以可以說(shuō)，強(qiáng)帶中電子最少，價(jià)帶中電子也最少，所以可以說(shuō)，強(qiáng)p型半導(dǎo)型半導(dǎo) 體中，電子填充能帶的水平最低，體中，電子填充能帶的水平最低，EF也最低。弱也最