半导体器件物理详尽版课程课件.ppt

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1、 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理1.1 1.1 半导体的晶格结构半导体的晶格结构半导体的晶格结构半导体的晶格结构1.2 1.2 半导体的导电性半导体的导电性半导体的导电性半导体的导电性1.3 1.3 半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带1.4 1.4 半导体中的杂质与缺陷半导体中的杂质与缺陷半导体中的杂质与缺陷半导体中的杂质与缺陷1.5 1.5 载流子的运动载流子的运动载流子的运动载流子的运动1.6 1.6 非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子1.7 1.7 习题习题习题习题 江西科技师范大学

2、江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理【5A版】半导体器件物理详尽版课程 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 半导体材料的晶格结构 电子和空穴的概念 半导体的电性能和导电机理 载流子的漂移运动和扩散运动 非平衡载流子的产生和复合 本章重点本章重点本章重点本章重点 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理半导体的晶格结构半导体的晶格结构半导体的晶格结构半导体的晶格结构1.11.1 电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间 。导体（电阻率小于。导体（电阻率小于。导体（电阻率小于。导体

3、（电阻率小于1010-8-8mm），），），），绝缘体（电阻率大于绝缘体（电阻率大于绝缘体（电阻率大于绝缘体（电阻率大于10106 6mm）。）。）。）。半导体半导体五种常见的晶格结构五种常见的晶格结构五种常见的晶格结构五种常见的晶格结构 简单立方结构简单立方结构简单立方结构简单立方结构 体心立方结构体心立方结构体心立方结构体心立方结构 面心立方结构面心立方结构面心立方结构面心立方结构 金刚石结构金刚石结构金刚石结构金刚石结构 闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构 晶体晶体 自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶自然界中存在

4、的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。釙釙釙釙(Po)(Po)江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶体的原子按一晶体的原子按一晶体的原子按一晶体的原子按一定规律在空间周定规律在空间周定规律在空间周定规律在空间周期性排列，称为期性排列，称为期性排列，称为期性排列，称为晶格。晶

5、格。晶格。晶格。体心立方结构体心立方结构体心立方结构体心立方结构钠（钠（钠（钠（NaNa）钼（钼（钼（钼（MoMo）钨（钨（钨（钨（WW）江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理面心立方结构面心立方结构面心立方结构面心立方结构铝（铝（铝（铝（AlAl）铜（铜（铜（铜（CuCu）金（金（金（金（AuAu）银（银（银（银（AgAg）江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理金刚石结构金刚石结构金刚石结构金刚石结构硅（硅（硅（硅（SiSi）锗（锗（锗（锗（GeGe）由两个面心立方结构由两个面心立方结构由两个面心立方结构由两个面心立方结构沿空间对角线错开四沿空间对

6、角线错开四沿空间对角线错开四沿空间对角线错开四分之一的空间对角线分之一的空间对角线分之一的空间对角线分之一的空间对角线长度相互嵌套而成。长度相互嵌套而成。长度相互嵌套而成。长度相互嵌套而成。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理大量的硅（大量的硅（大量的硅（大量的硅（SiSi）、锗）、锗）、锗）、锗（GeGe）原子靠共价键）原子靠共价键）原子靠共价键）原子靠共价键结合组合成晶体，每结合组合成晶体，每结合组合成晶体，每结合组合成晶体，每个原子周围都有四个个原子周围都有四个个原子周围都有四个个原子周围都有四个最邻近的原子，组成最邻近的原子，组成最邻近的原子，组成最邻近的原子，

7、组成正四面体结构，正四面体结构，正四面体结构，正四面体结构，。这。这。这。这四个原子分别处在正四个原子分别处在正四个原子分别处在正四个原子分别处在正四面体的四个顶角上，四面体的四个顶角上，四面体的四个顶角上，四面体的四个顶角上，任一顶角上的原子各任一顶角上的原子各任一顶角上的原子各任一顶角上的原子各贡献一个价电子和中贡献一个价电子和中贡献一个价电子和中贡献一个价电子和中心原子的四个价电子心原子的四个价电子心原子的四个价电子心原子的四个价电子分别组成电子对，作分别组成电子对，作分别组成电子对，作分别组成电子对，作为两个原子所共有的为两个原子所共有的为两个原子所共有的为两个原子所共有的价电子对。价

8、电子对。价电子对。价电子对。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构砷化镓（砷化镓（砷化镓（砷化镓（GaAsGaAs）磷化镓磷化镓磷化镓磷化镓(GaP)(GaP)硫化锌硫化锌硫化锌硫化锌(ZnS)(ZnS)硫化镉硫化镉硫化镉硫化镉(CdS)(CdS)江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理元素半导体元素半导体元素半导体元素半导体化合物半导体化合物半导体化合物半导体化合物半导体硅（硅（硅（硅（SiSi）锗（锗（锗（锗（GeGe）族元素族元素族元素族元素 如铝如铝如铝如铝(Al)(Al)、镓、镓、镓、镓(Ga)(Ga)

9、、铟、铟、铟、铟(In)(In)和和和和 族元族元族元族元素素素素 如磷如磷如磷如磷(P)(P)、砷、砷、砷、砷(As)(As)、锑锑锑锑(Sb)(Sb)合成的合成的合成的合成的-族化族化族化族化合物都是半导体材料合物都是半导体材料合物都是半导体材料合物都是半导体材料 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落假使体心结构的原子是刚性的小球，且中心原子与立方体八个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此体

10、心立方单胞的空间比率。的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。的原子紧密接触，试算出这些原子占此体心立方单胞的空间比率。例例例例1-11-1解解解解 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理练习练习练习练习 假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与面假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与面假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与面假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面心立顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面心立

11、顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面心立顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面心立方单胞的空间比率。方单胞的空间比率。方单胞的空间比率。方单胞的空间比率。解解解解 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理例例例例1-21-2硅（硅（硅（硅（SiSi）在）在）在）在300K300K时的晶格常数为时的晶格常数为时的晶格常数为时的晶格常数为5.435.43。请计算出每立方厘米体。请计算出每立方厘米体。请计算出每立方厘米体。请计算出每立方厘米体积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为积中硅原子数及常温

12、下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为28.09g/mol28.09g/mol）解解解解 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶体的各向异性晶体的各向异性 沿晶格的不同方向，原子排列的周期沿晶格的不同方向，原子排列的周期沿晶格的不同方向，原子排列的周期沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理特性也不同不同方向的物理特性也不同不同方向的物理特性也不同不同方向的物理特性也不同 。晶体

13、的各向异性具体表现在晶体不同晶体的各向异性具体表现在晶体不同晶体的各向异性具体表现在晶体不同晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、方向上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强导热性、电阻率、电位移矢量、电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。度、磁化率和折射率等都是不同的。度、磁化率和折射率等都是不同的。度、磁化率和折射率等都是不同的。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理

14、在在在在ACCAACCA平面平面平面平面内有六个原子，内有六个原子，内有六个原子，内有六个原子，在在在在ADDAADDA平面平面平面平面内有五个原子，内有五个原子，内有五个原子，内有五个原子，且这两个平面且这两个平面且这两个平面且这两个平面内原子的间距内原子的间距内原子的间距内原子的间距不同。不同。不同。不同。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶面指数（密勒指数）晶面指数（密勒指数）常用密勒指数来标志晶向的不同取向。常用密勒指数来标志晶向的不同取向。常用密勒指数来标志晶向的不同取向。常用密勒指数来标志晶向的不同取向。密勒指数是这样得到的：密勒指数是这样得到的：密勒指数

15、是这样得到的：密勒指数是这样得到的：（1 1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并以晶格常数为单位测得相应的截距；以晶格常数为单位测得相应的截距；以晶格常数为单位测得相应的截距；以晶格常数为单位测得相应的截距；（2 2）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的整数，即将其化简成最简单的整数比；整数，即将其化简成最简单的整数比；整数，即将其化简

16、成最简单的整数比；整数，即将其化简成最简单的整数比；（3 3）将此结果以）将此结果以）将此结果以）将此结果以“（hklhkl）”表示，即为此平面的密表示，即为此平面的密表示，即为此平面的密表示，即为此平面的密勒指数。勒指数。勒指数。勒指数。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理如图，晶面如图，晶面如图，晶面如图，晶面ACCAACCA在在在在坐标轴上的坐标轴上的坐标轴上的坐标轴上的截距为截距为截距为截距为1 1，1 1，其倒数为其倒数为其倒数为其倒数为1 1，1 1，0 0，此平面用密勒指数表示此平面用密勒指数表示此平面用密勒指数表示此平面用密勒指数表示为（为（为（为（11

17、0110），），），），此晶面的晶向（晶列指此晶面的晶向（晶列指此晶面的晶向（晶列指此晶面的晶向（晶列指数）即为数）即为数）即为数）即为110110；晶面晶面晶面晶面ABBAABBA用密勒指用密勒指用密勒指用密勒指数表示为（数表示为（数表示为（数表示为（）；）；）；）；晶面晶面晶面晶面DACDAC用密勒指数用密勒指数用密勒指数用密勒指数表示为（表示为（表示为（表示为（）。）。）。）。100111 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理试求ADDA的密勒指数。练习练习 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶列指数晶列指数晶向指数晶向指数任何两个原子之

18、间的任何两个原子之间的连线在空间有许多与连线在空间有许多与它相同的平行线。它相同的平行线。一族平行线所指的方一族平行线所指的方向用晶列指数表示向用晶列指数表示晶列指数是按晶列矢晶列指数是按晶列矢量在坐标轴上的投影量在坐标轴上的投影的比例取互质数的比例取互质数111、100、110 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶面指数（密勒指数）晶面指数（密勒指数）任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同任何三个原子组成的晶面在空间有许多和它相同的平行晶面的平行晶面一族平行晶面用晶面指数来表示一族平行晶面用晶面指数来表示它是按晶面在坐标轴上的截距的倒数的比例取互它是按晶面在坐标

19、轴上的截距的倒数的比例取互质数质数(111)、(100)、(110)相同指数的晶面和晶列互相垂直。相同指数的晶面和晶列互相垂直。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理1.21.2半导体的电性能半导体的电性能半导体的电性能半导体的电性能温度与半导体温度与半导体温度与半导体温度与半导体 半导体的电导率随温度升高而迅速增加。半导体的电导率随温度升高而迅速增加。半导体的电导率随温度升高而迅速增加。半导体的电导率随温度升高而迅速增加。金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度金属电阻率的温度系数是正

20、的（即电阻率随温度升高而增加，且增加得很慢）；升高而增加，且增加得很慢）；升高而增加，且增加得很慢）；升高而增加，且增加得很慢）；半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温度半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温度半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温度半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温度升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。对温度敏感，体积又小，热惯性也小，对温度敏感，体积又小，热惯性也小，对温度敏感，体积又小，热惯性也小，对温度敏感，体积又小，热

21、惯性也小，寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、自动化等许多方面都有广泛的应用价值。自动化等许多方面都有广泛的应用价值。自动化等许多方面都有广泛的应用价值。自动化等许多方面都有广泛的应用价值。热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理杂质与半导体杂质与半导体杂质与半导体杂质与半导体 杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。杂质

22、对半导体材料导电能力的影响非常大。例如，纯净硅在室温下的电阻率为例如，纯净硅在室温下的电阻率为例如，纯净硅在室温下的电阻率为例如，纯净硅在室温下的电阻率为2.14102.14107 7mm，若，若，若，若掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至20m20m。虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原来的一百万分之一左右，绝大多数

23、半导体器件都利用来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用了半导体的这一特性。了半导体的这一特性。了半导体的这一特性。了半导体的这一特性。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理光照与半导体光照与半导体光照与半导体光照与半导体 光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。例如，硫化镉（例如，硫化镉（例如，硫化镉（例如，硫化镉（CdSCdS）薄膜的暗电阻为几十

24、兆欧，）薄膜的暗电阻为几十兆欧，）薄膜的暗电阻为几十兆欧，）薄膜的暗电阻为几十兆欧，然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以后改变了几百倍。后改变了几百倍。后改变了几百倍。后改变了几百倍。成为自动化控制中的一个重要元件。成为自动化控制中的一个重要元件。成为自动化控制中的一个重要元件。成为自动化控制中的一个重要元件。光敏电阻光敏电阻光敏电阻光敏电阻 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理其他因素与半导体其他因素与半导体其他因素与半导

25、体其他因素与半导体 除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力。料的导电能力。料的导电能力。料的导电能力。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理硅硅硅硅（SiSi）在在在在2020世纪世纪世纪世纪5050年代初期，锗曾经是最主要年代初期，锗曾经是最主要年代初期，锗曾经是最主要年代初期，锗

26、曾经是最主要的半导体材料，但自的半导体材料，但自的半导体材料，但自的半导体材料，但自6060年代初期以来，硅已年代初期以来，硅已年代初期以来，硅已年代初期以来，硅已取而代之成为半导体制造的主要材料。取而代之成为半导体制造的主要材料。取而代之成为半导体制造的主要材料。取而代之成为半导体制造的主要材料。现今我们使用硅的主要原因，是因为硅现今我们使用硅的主要原因，是因为硅现今我们使用硅的主要原因，是因为硅现今我们使用硅的主要原因，是因为硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅器件工艺的突破，硅平面工艺中，二氧化硅的运用在其中

27、起着决定性的作用，经济上的的运用在其中起着决定性的作用，经济上的的运用在其中起着决定性的作用，经济上的的运用在其中起着决定性的作用，经济上的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在硅材料，远比其他半导体材料价格低廉，在二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的二氧化硅及硅酸盐中硅的含量占地球的25%25%，仅次于

28、氧。，仅次于氧。，仅次于氧。，仅次于氧。到目前为止，硅可以说是元素周期表中被到目前为止，硅可以说是元素周期表中被到目前为止，硅可以说是元素周期表中被到目前为止，硅可以说是元素周期表中被研究最多且技术最成熟的半导体元素。研究最多且技术最成熟的半导体元素。研究最多且技术最成熟的半导体元素。研究最多且技术最成熟的半导体元素。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理1.31.3半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带 单个原子的电子单个原子的电子单个原子的电子单个原子的电子电子电子电子电子静电引力（库仑力），使电子只静电引力（

29、库仑力），使电子只静电引力（库仑力），使电子只静电引力（库仑力），使电子只能在围绕原子核的轨道上运动。能在围绕原子核的轨道上运动。能在围绕原子核的轨道上运动。能在围绕原子核的轨道上运动。量子力学量子力学量子力学量子力学 虽然在空间的所有范围虽然在空间的所有范围虽然在空间的所有范围虽然在空间的所有范围内都有电子出现的几率，但对单内都有电子出现的几率，但对单内都有电子出现的几率，但对单内都有电子出现的几率，但对单个原子中的电子而言，其几率的个原子中的电子而言，其几率的个原子中的电子而言，其几率的个原子中的电子而言，其几率的最大值则局限在离原子核中心很最大值则局限在离原子核中心很最大值则局限在离原子

30、核中心很最大值则局限在离原子核中心很小的范围内（玻尔半径数量级）。小的范围内（玻尔半径数量级）。小的范围内（玻尔半径数量级）。小的范围内（玻尔半径数量级）。轨道轨道轨道轨道 电子云在空间分布几率最电子云在空间分布几率最电子云在空间分布几率最电子云在空间分布几率最大值，即轨道上，电子出现的几大值，即轨道上，电子出现的几大值，即轨道上，电子出现的几大值，即轨道上，电子出现的几率最大。率最大。率最大。率最大。电子受到原子核和其电子受到原子核和其电子受到原子核和其电子受到原子核和其他电子的共同作用。他电子的共同作用。他电子的共同作用。他电子的共同作用。-E1E2E3原子核原子核原子核原子核能级能级能级

31、能级 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理晶体中的电子晶体中的电子晶体中的电子晶体中的电子当原子间距很小时，原子间的电子轨道将当原子间距很小时，原子间的电子轨道将当原子间距很小时，原子间的电子轨道将当原子间距很小时，原子间的电子轨道将相遇而交叠相遇而交叠相遇而交叠相遇而交叠，晶体中每个原子，晶体中每个原子，晶体中每个原子，晶体中每个原子的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和

32、其他原子的电子）作用。电子）作用。电子）作用。电子）作用。电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中

33、运动。可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。制造半导体器件所用的材制造半导体器件所用的材制造半导体器件所用的材制造半导体器件所用的材料大多是料大多是料大多是料大多是单晶体单晶体单晶体单晶体。单晶体是由原子按一定周单晶体是由原子按一定周单晶体是由原子按一定周单晶体是由原子按一定周期重复排列而成，且排列期重复排列而成，且排列期重复排列而成，且排列期重复排列而成，且排列相当紧密，相邻原子间距相当紧密，相邻原子间距相当紧密，相邻原子间距相当紧密，相邻原子间距只有零点几个纳米的数量只有零

34、点几个纳米的数量只有零点几个纳米的数量只有零点几个纳米的数量级。级。级。级。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理共有化运动共有化运动共有化运动共有化运动由于晶体中原子的周期性由于晶体中原子的周期性由于晶体中原子的周期性由于晶体中原子的周期性排列而使电子不再为单个排列而使电子不再为单个排列而使电子不再为单个排列而使电子不再为单个原子所有的现象，称为电原子所有的现象，称为电原子所有的现象，称为电原子所有的现象，称为电子共有化。子共有化。子共有化。子共有化。在晶体中，不但外层价电在晶体中，不但外层价电在晶体中，不但外层价电在晶体中，不但外层价电子的轨道有交叠，内层电子的轨道有

35、交叠，内层电子的轨道有交叠，内层电子的轨道有交叠，内层电子的轨道也可能有交叠，子的轨道也可能有交叠，子的轨道也可能有交叠，子的轨道也可能有交叠，它们都会形成共有化运动；它们都会形成共有化运动；它们都会形成共有化运动；它们都会形成共有化运动；但内层电子的轨道交叠较但内层电子的轨道交叠较但内层电子的轨道交叠较但内层电子的轨道交叠较少，共有化程度弱些，外少，共有化程度弱些，外少，共有化程度弱些，外少，共有化程度弱些，外层电子轨道交叠较多，共层电子轨道交叠较多，共层电子轨道交叠较多，共层电子轨道交叠较多，共有化程度强些。有化程度强些。有化程度强些。有化程度强些。半导体中的电子是在周期性排列半导体中的电

36、子是在周期性排列且固定不动的大量原子核的势场且固定不动的大量原子核的势场和其他大量电子的和其他大量电子的平均势场平均势场中运动。中运动。这个平均势场也是这个平均势场也是周期性变化周期性变化的，的，且周期与晶格周期相同。且周期与晶格周期相同。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理当原子之间距离逐步接近时，原子周围电子的能当原子之间距离逐步接近时，原子周围电子的能级逐步转变为能带，下图是金刚石结构能级向能级逐步转变为能带，下图是金刚石结构能级向能带演变的示意图。带演变的示意图。能级能级能级能级能带能带能带能带 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 允带

37、允带允带允带 禁带禁带禁带禁带 满带满带满带满带 空带空带空带空带允许电子存在的一系列准允许电子存在的一系列准允许电子存在的一系列准允许电子存在的一系列准连续的能量状态连续的能量状态连续的能量状态连续的能量状态禁止电子存在的一系列能禁止电子存在的一系列能禁止电子存在的一系列能禁止电子存在的一系列能量状态量状态量状态量状态被电子填充满的一系列准被电子填充满的一系列准被电子填充满的一系列准被电子填充满的一系列准连续的能量状态连续的能量状态连续的能量状态连续的能量状态 满带不导电满带不导电满带不导电满带不导电没有电子填充的一系列准没有电子填充的一系列准没有电子填充的一系列准没有电子填充的一系列准连续

38、的能量状态连续的能量状态连续的能量状态连续的能量状态 空带也不导电空带也不导电空带也不导电空带也不导电 图图图图1-5 1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）金刚石结构价电子能带图（绝对零度）金刚石结构价电子能带图（绝对零度）金刚石结构价电子能带图（绝对零度）江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理 导带导带导带导带 价带价带价带价带 有电子能够参与导电的能带，有电子能够参与导电的能带，有电子能够参与导电的能带，有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高但半导体材料价电子形成的高但半导体材料价电子形成的高但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。能级能带

39、通常称为导带。能级能带通常称为导带。能级能带通常称为导带。由价电子形成的能带，但半导体由价电子形成的能带，但半导体由价电子形成的能带，但半导体由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通材料价电子形成的低能级能带通材料价电子形成的低能级能带通材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。常称为价带。常称为价带。常称为价带。禁带宽度禁带宽度禁带宽度禁带宽度/E/Eg g 导带和价带之间的能级宽度，导带和价带之间的能级宽度，导带和价带之间的能级宽度，导带和价带之间的能级宽度，单位是能量单位：单位是能量单位：单位是能量单位：单位是能量单位：eVeV（电子伏特）（电子伏特）（电子伏特）（电子伏特

40、）江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理图图图图1-6 1-6 导体、绝缘体、半导体的能带示意图导体、绝缘体、半导体的能带示意图导体、绝缘体、半导体的能带示意图导体、绝缘体、半导体的能带示意图 能带被电能带被电能带被电能带被电子部分占子部分占子部分占子部分占满，在电满，在电满，在电满，在电场作用下场作用下场作用下场作用下这些电子这些电子这些电子这些电子可以导电可以导电可以导电可以导电禁带很禁带很禁带很禁带很宽，价宽，价宽，价宽，价带电子带电子带电子带电子常温下常温下常温下常温下不能被不能被不能被不能被激发到激发到激发到激发到空的导空的导空的导空的导带带带带禁带比较窄，常禁

41、带比较窄，常禁带比较窄，常禁带比较窄，常温下，部分价带温下，部分价带温下，部分价带温下，部分价带电子被激发到空电子被激发到空电子被激发到空电子被激发到空的导带，形成有的导带，形成有的导带，形成有的导带，形成有少数电子填充的少数电子填充的少数电子填充的少数电子填充的导带和留有少数导带和留有少数导带和留有少数导带和留有少数空穴的价带，都空穴的价带，都空穴的价带，都空穴的价带，都能带电能带电能带电能带电36eV36eV硅硅硅硅1.12eV1.12eV锗锗锗锗0.67 eV0.67 eV砷化镓砷化镓砷化镓砷化镓1.42 eV 1.42 eV 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理

42、 空穴空穴空穴空穴 价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了一些价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了一些空的空的空的空的量子状态量子状态量子状态量子状态，价带即成了部分占满的能带（相当于半满带），价带即成了部分占满的能带（相当于半满带），在外电场作用下，仍留在价带中的电子也能起导电作用。在外电场作用下，仍留在价带中的电子也能起导电作用。价带电子的这种导电作用相当于把这些空的量子状态看作价带电子的这种导电作用相当于把这些空的量子状态看作带带正电荷的正电荷的“准粒子准粒子”的导电作用，常把这些满带中因失去了的导电作用，常把这些满带中因失去了电子而留下的空位称为空穴。电子而留下的空位称为

43、空穴。所以，所以，在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电，这与金属导体导电有很大的区别。这与金属导体导电有很大的区别。图中图中图中图中“”“”表示价带内的电子表示价带内的电子表示价带内的电子表示价带内的电子 ;图中图中图中图中“”“”表示价带内的空穴。表示价带内的空穴。表示价带内的空穴。表示价带内的空穴。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理既然半导体电子和空穴都能导电，而导体只有电子导电，为什么半导体的导电能力比导体差？思考思考 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理图图1-7 一定温度下半导体的能

44、带示意图一定温度下半导体的能带示意图 导带底导带底导带底导带底E EC C 价带顶价带顶价带顶价带顶E EV V 禁带宽度禁带宽度禁带宽度禁带宽度 E Eg g 本征激发本征激发本征激发本征激发 导带电子的最低能量导带电子的最低能量 价带电子的最高能量价带电子的最高能量 Eg=Ec-Ev 由于温度，价键上的电子由于温度，价键上的电子激发成为准自由电子，亦激发成为准自由电子，亦即价带电子激发成为导带即价带电子激发成为导带电子的过程电子的过程 。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理准连续准粒子准自由注意三个注意三个“准准”江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体

45、器件物理整理空带、满带、半满带、价带、导带、禁带、导带底、价带顶、禁带宽度的概念。简述空穴的概念。练习练习 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理1.41.4半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷 理想的半导体晶体理想的半导体晶体理想的半导体晶体理想的半导体晶体 实际应用中的实际应用中的实际应用中的实际应用中的半导体材料半导体材料半导体材料半导体材料 十分纯净十分纯净不含任何杂质不含任何杂质晶格中的原子严格晶格中的原子严格按周期排列的按周期排列的 原子并不是静止在具有严格周期性原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平的晶格的格点位置上，而是在其平衡位

46、置附近衡位置附近振动振动并不是纯净的，而是含有若干并不是纯净的，而是含有若干杂质杂质，即在半导体晶格中存在着与组成半即在半导体晶格中存在着与组成半导体的元素不同的其他化学元素的导体的元素不同的其他化学元素的原子原子晶格结构并不是完整无缺的，而存晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的在着各种形式的缺陷缺陷 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理极其极其极其极其微量微量微量微量的杂质和缺陷，的杂质和缺陷，的杂质和缺陷，的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理性质能够对半导体材料的物理性质能够对半导体材料的物理性质能够对半导体材料的物理性质和化学性质产生和化学性质产生和化学性

47、质产生和化学性质产生决定性决定性决定性决定性的影响的影响的影响的影响 在硅晶体中，若以在硅晶体中，若以105个硅原子中掺入一个个硅原子中掺入一个杂质杂质原原子的比例掺入硼（子的比例掺入硼（B）原子，则硅晶体的导电率在室温）原子，则硅晶体的导电率在室温下将增加下将增加103倍。倍。用于生产一般硅平面器件的硅单晶，用于生产一般硅平面器件的硅单晶，位错位错密度要求密度要求控制在控制在103cm-2以下，若位错密度过高，则不可能生产出以下，若位错密度过高，则不可能生产出性能良好的器件。性能良好的器件。（缺陷的一种）（缺陷的一种）（缺陷的一种）（缺陷的一种）例例例例1 1例例例例2 2 江西科技师范大学

48、江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理理论分析认为理论分析认为理论分析认为理论分析认为由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的原子所产生的生的周期性势场受到破坏周期性势场受到破坏，有可能在，有可能在禁带中引入禁带中引入允许电子允许电子存在的能量状态（即存在的能量状态（即能级能级），从而对半导体的性质产生决），从而对半导体的性质产生决定性的影响。定性的影响。杂质来源杂质来源杂质来源杂质来源一）制备半导体的原材料一）制备半导体的原材料纯度不够高纯度不够高；二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾

49、污沾污；三）为了半导体的性质而三）为了半导体的性质而人为地掺入人为地掺入某种化学元素的原子。某种化学元素的原子。江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理金刚石结构的特点金刚石结构的特点金刚石结构的特点金刚石结构的特点原子只占晶胞体积的原子只占晶胞体积的34%，还有，还有66%是空隙，是空隙，这些空隙通常称为这些空隙通常称为间隙位置间隙位置。杂质的填充方式杂质的填充方式杂质的填充方式杂质的填充方式一）杂质原子位于晶格一）杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，原子间的间隙位置，间隙式杂质间隙式杂质/填充填充；二）杂质原子取代晶格二）杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，原子而位于晶

50、格格点处，替位式杂质替位式杂质/填充填充。间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质间隙式杂质替位式杂质替位式杂质替位式杂质替位式杂质 江西科技师范大学江西科技师范大学半导体器件物理半导体器件物理两种杂质的特点两种杂质的特点两种杂质的特点两种杂质的特点间隙式杂质间隙式杂质原子半径一般比较小原子半径一般比较小，如锂离子（，如锂离子（Li+）的半径为）的半径为0.68，所，所以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。以锂离子进入硅、锗、砷化镓后以间隙式杂质的形式存在。替位式杂质替位式杂质原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它，且它们的们的价