《半导体的导电性能》PPT课件.ppt
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1、 天津理工大学天津理工大学2.1.4 半导体材料导电特性半导体材料导电特性 一一 半导体中的载流子半导体中的载流子 二二 本征半导体本征半导体三三 非本征半导体非本征半导体四四 半导体中载流子的运动半导体中载流子的运动五五 半导体的电学性质半导体的电学性质1 天津理工大学天津理工大学h 价价 带带导 带Eg自由电子自由电子空穴空穴半导体中电子和空穴总是成对出现的半导体中电子和空穴总是成对出现的一一 半导体中的载流子半导体中的载流子2 天津理工大学天津理工大学空穴下面能级上的电子可以跃空穴下面能级上的电子可以跃迁到空穴上来迁到空穴上来,这相当于空穴这相当于空穴向下跃迁。向下跃迁。满带上带正电的空
2、满带上带正电的空穴向下跃迁也是形成电流穴向下跃迁也是形成电流,这称为这称为空穴导电空穴导电。导带导带价带价带Eg在外电场作用下在外电场作用下导带的自由电子在电场力的作导带的自由电子在电场力的作用下会产生定向运动,形成电用下会产生定向运动,形成电流,这称为流,这称为电子电子导电。导电。3 天津理工大学天津理工大学半导体的导电半导体的导电 导带的电子导电和价带的空穴导电共同作用的结果导带的电子导电和价带的空穴导电共同作用的结果载流子:载流子:电荷的定向移动形成电流,电荷的电荷的定向移动形成电流,电荷的自由粒子称为载流子。自由粒子称为载流子。自由电子自由电子 带负电带负电半导体中有两种导电的载流子半
3、导体中有两种导电的载流子空空 穴穴 带正电带正电4 天津理工大学天津理工大学 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。化学成分纯净的半导体。制造半制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%99.9999999%,常称为常称为“九个九个9”9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。(没有杂质和缺陷的半导体)。没有杂质和缺陷的半导体)。二二.本征半导体本征半导体5 天津理工大学天津理工大学 本征晶体中各原子之间靠得很近,如硅晶中,面心立方结本征晶体中各原子之间靠得很近,如硅晶中,面心立方结构,每个原子分别与周围的四个原子形成四
4、面体,原子之间的构,每个原子分别与周围的四个原子形成四面体,原子之间的价电子形成价电子形成共价键共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有,并。共价键中的价电子为这些原子所共有,并为它们所束缚,在空间形成排列有序的晶体。为它们所束缚,在空间形成排列有序的晶体。面心立方 硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图6 天津理工大学天津理工大学共价键性质共价键性质共价键上的两个电子同时受两个原子的约束,如果没有共价键上的两个电子同时受两个原子的约束,如果没有足够的能量,不易脱离轨道,没有自由电子,不导电。足够的能量,不易脱离轨道,没有自由电子,不导电。当温度升高或受到光的照射时,有些电子获得足够的当温度升
5、高或受到光的照射时,有些电子获得足够的能量,从价带跃迁到导带,成为导带的自由电子,能量,从价带跃迁到导带,成为导带的自由电子,同时价同时价带出现等数量的空穴带出现等数量的空穴,这种激发为本征激发,载流子主要这种激发为本征激发,载流子主要来源于本征激发的半导体成为本征半导体。来源于本征激发的半导体成为本征半导体。7 天津理工大学天津理工大学 一分为二一分为二载流子的产生载流子的产生 复复 合合 合二为一合二为一温度一定时,动态平衡状态温度一定时,动态平衡状态本征半导体本征半导体平衡时半导体内部的载流子成为平衡时半导体内部的载流子成为平衡载流子平衡载流子 自由电子和自由电子和空穴成对地产生的同时,
6、又不断复合。空穴成对地产生的同时,又不断复合。在一定温度下,载流子的产生和复合达到动态平衡,在一定温度下,载流子的产生和复合达到动态平衡,半导体中载流子便维持一定的数目。半导体中载流子便维持一定的数目。8 天津理工大学天津理工大学 本征半导体本征半导体自自由电子和空穴的数目是相等的由电子和空穴的数目是相等的 单位体积的电子数单位体积的电子数电子浓度电子浓度 n0 单位体积的空穴数单位体积的空穴数空穴浓度空穴浓度p0 n0=p0 =n0qn+n0qp=n0q(n+p)n电子迁移率电子迁移率p空穴迁移率空穴迁移率9 天津理工大学天津理工大学n对于导带:温度对于导带:温度T时,导带内会有多少电子时,
7、导带内会有多少电子导带中的电子数导带中的电子数单位能量内的量子态数单位能量内的量子态数(状态密度)(状态密度)温度温度T时时,能量为,能量为E的量子态的量子态被一个电子占据的几率被一个电子占据的几率EC:导带底,导带电子最低能量导带底,导带电子最低能量Ev:价带顶,:价带顶,价带电子最高能量价带电子最高能量Eg:禁带宽度禁带宽度Ef:费米能级,数值上等于处于:费米能级,数值上等于处于热平衡状态时,系统增加一个电热平衡状态时,系统增加一个电 子所引起系统自由能的变化。子所引起系统自由能的变化。费费米能级处于禁带中米能级处于禁带中价价 带带导导 带带ECEv EgEf10 天津理工大学天津理工大学
8、如果:如果:EC-EF k0T 电子的波尔兹曼分布函数电子的波尔兹曼分布函数电子费米分布函数电子费米分布函数 温度温度T时时,能量为,能量为E的量子态被的量子态被 一个电子占据的几率一个电子占据的几率空穴费米分布函数空穴费米分布函数温度温度T时时,能量为,能量为E的量子态不被的量子态不被 一个一个电子占据的几率,(被空占据的几率)电子占据的几率,(被空占据的几率)空穴的波尔兹曼分布函数空穴的波尔兹曼分布函数11 天津理工大学天津理工大学实际半导体中:实际半导体中:价价 带带导导 带带ECEvEF 导带底附近:导带底附近:E-EF k0T 电子服从波尔兹曼分布电子服从波尔兹曼分布 (1)导带中,
9、所有量子态被电子占据的几率导带中,所有量子态被电子占据的几率f(E)1 (2)随着随着E增加,增加,fB(E)下降,所以导带中的电子分布在导带底附近下降,所以导带中的电子分布在导带底附近 价带顶附近:价带顶附近:EF-Ek0T 空穴服从波尔兹曼分布空穴服从波尔兹曼分布 (1)价带中,所有量子态被空穴占据的几率价带中,所有量子态被空穴占据的几率1-f(E)1 (2)随着随着E增加,增加,1-f(E)增加,所以价带中的空穴分布在价带顶附近增加,所以价带中的空穴分布在价带顶附近12 天津理工大学天津理工大学=NcNc:导带的有效状态密度,导带的有效状态密度,可以理解为把导带中的所可以理解为把导带中的
10、所 有状态都集中在导带底,它的状态密度认为是有状态都集中在导带底,它的状态密度认为是Nc。导带中的电子数:导带中的电子数:导带中的电子浓度:导带中的电子浓度:13 天津理工大学天津理工大学空穴大多分布在价带顶附近空穴大多分布在价带顶附近价带中的空穴浓度:价带中的空穴浓度:Nv:价带的有效状态密度,价带的有效状态密度,可以理解为把价带中的所可以理解为把价带中的所 有状态都集中在价带电脑顶,它的状态密度认为是有状态都集中在价带电脑顶,它的状态密度认为是Nv。14 天津理工大学天津理工大学 本征半导体:本征半导体:n0=p0价价 带带导导 带带ECEvEF 一定的半导体材料,一定的温度下,一定的半导
11、体材料,一定的温度下,n0p0一定,一定,适用于本征半导体、杂质半导体。适用于本征半导体、杂质半导体。15 天津理工大学天津理工大学 本征半导体电子空穴成对出现,电子、空穴浓度本征半导体电子空穴成对出现,电子、空穴浓度相等,它们的浓度称相等,它们的浓度称本征载流子浓度本征载流子浓度ni ni=n0=p0结论:结论:ni 与与Eg关系密切,关系密切,Eg 越大,越大,ni 越小越小ni 与与T关系密切,关系密切,T越高,越高,ni 越大越大1/Tni16 天津理工大学天津理工大学 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质,可使半导体的导电性发生显著变化。掺入
12、的杂质主可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。(1)N型半导体(2)P型半导体三三.非本征半导体非本征半导体17 天津理工大学天津理工大学(1)四价的本征半导体)四价的本征半导体 Si、等,掺入少量五价的、等,掺入少量五价的杂质元素(如杂质元素(如P、As等),出现若束缚电子。等),出现若束缚电子。(2)量子力学表明,这种掺杂后多余的电子的能级在禁带)量子力学表明,这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠导带处中紧靠导带处,极容易被激发到导带中,极容易被激发到导带中,形成电子导电。
13、这形成电子导电。这种激发后能给导带提供电子的杂质称种激发后能给导带提供电子的杂质称施主杂质施主杂质。该能级称为该能级称为施主能级施主能级,EDSiSiSiSiSiSiSiP n 型半导体型半导体 18 天津理工大学天津理工大学(3)掺施主的半导体的导带电子数主要有施主数)掺施主的半导体的导带电子数主要有施主数决定,半导体导电的载流子主要是电子决定,半导体导电的载流子主要是电子。导导 带带价价 带带施主能级施主能级EDEgECEV19 天津理工大学天津理工大学nN型半导体特征:型半导体特征:(1)从价带跃迁到导带的电子数相对于从施主从价带跃迁到导带的电子数相对于从施主 能级激发到导带的电子数项小
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