半导体理论.

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1、半导体理论基础半导体理论基础 目录 固体能带理论 半导体材料硅的晶体结构 半导体特性 载流子的复合与寿命 载流子的传输 P-N结二极管性质 硅材料的物理化学特性 固体的能带理论 能带的形成 原子中的电子在原子核的势场和其他电子的作用下， 它们分别在不同的能级上，形成电子壳层。晶体中， 各个原子互相靠的很近，不同原子的内、外壳层都有 一定的重叠，电子不在局限在某一个原子中，可以由 一个原子转移到相邻的原子上，导致电子共有化运动 ，结果使孤立原子的单一能级分裂行成能带。 根据电子先填充低能级的的原理，下面的能带先填满 电子，这个带被称为价带或满带，上面的未被电子填 满的能带或空能带称为导带，中间以

2、仅带相隔。 已被电子填满的能带称为价带 固体的能带理论 能带的形成 电子在原子之间的转移不是任意的，电子只能在能量 相同的轨道之间发生转移.当电子获得足够能量的时候 将越过禁带发生跃迁。 能带 禁带 能带 禁带 能带 固体的能带理论 金属、绝缘体、半导体 绝缘体半导体导体 Ec Ev E9 E9 导 带 禁 带 价 带 固体的能带理论 金属、绝缘体、半导体 导体：能带交叠，即使极小的外加能量就会引起 导电。 绝缘体：能带间距很大，不可能导电。 半导体：禁带比绝缘体窄很多，部分电子因热 运动从价带跳到导带，使导带中有少量电子， 价带中有少量空穴，从而有一定的导电能力。 固体的能带理论 金属、绝缘

3、体、半导体 物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来 衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力 越弱。 物体 电 阻率 导体 半导体 绝缘 体 CM10e9 半导体材料硅的晶体结构 硅太阳电池生产中常用的硅（Si），磷（P） ，硼（B）元素的原子结构模型如下： 第三层4个电子 第二层8个电子 第一层2个电子 Si +14 P +15 B 最外层5个电子 最外层3个电子 siPB 半导体材料硅的晶体结构 原子最外层的电子称为价电子，有几个价 电子就称它为几族元素。 若原子失去一个电子，称这个原子为正离 子，若原子得到一个电子，则成为一个带负电 的负离子。原子变成离子的过程称为电离。 半导体材料硅

4、的晶体结构 晶体结构 固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无 规则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是 由原子规则排列所组成的物质。晶体有确定的 熔点，而非晶体没有确定熔点，加热时在某一 温度范围内逐渐软化，如玻璃。 半导体材料硅的晶体结构 单晶和多晶的区别 在整个晶体内，原子都是周期性的规则排 列，称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒 杂乱地排列在一起的固体称为多晶。 半导体材料硅的晶体结构 硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连 接在一起。硅原子的4个价电子和它相邻的4个 原子组成4对共有电子对。这种共有电子对就 称为“共价键”。 半导体材料硅的晶体结构 硅晶体的金刚石结构

5、晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子 ，简称晶格，最小的晶格叫晶胞。以下是较重 要的几个晶胞： (a)简单立方 （Po） (b)体心立方 （Na、W） (c)面心立方 （Al、Au） 半导体材料硅的晶体结构 金刚石结构是一种复式格子，它是两个面 心立方晶格沿对角线方向上移1/4互相套构而成 。 正四面实体结构 金钢石结构 半导体材料硅的晶体结构 晶面和晶向 晶体中的原子可以看成是分布在一系列平 行而等距的平面上，这些平面就称为晶面。每 个晶面的垂直方向称为晶向。 (100晶面)(110晶面)(111晶面) 半导体材料硅的晶体结构 原子密排面和解理面 在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不 同的，

6、若将原子看成是一些硬的球体，按照下 图方式排列的晶面就称为原子密排面。 半导体材料硅的晶体结构 比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心 立方晶格。而金刚石晶格又是两个面心立方晶 格套在一起，相互之间沿着晶胞体对角线方向 平移1/4而构成的。我们来看面心立方晶格中的 原子密排面。按照硬球模型可以区分在 (100)(110)(111)几个晶 面上原子排列的情况。 半导体材料硅的晶体结构 (100)(110) (111) 半导体材料硅的晶体结构 金钢石晶格是由面心立方晶格构成，所以它的 (111)晶面也是原子密排面，它的特点是，在晶 面内原子密集、结合力强，在晶面之间距离较 大，结合薄弱，由此产生

7、以下性质： 1、由于(111)密排面本身结合牢固而相互 间结合脆弱，在外力作用下，晶体很容易沿着 (111)晶面劈裂，晶体中这种易劈裂的晶面称为 晶体的解理面。 半导体材料硅的晶体结构 2、由于(111)密排面结合牢固，化学腐蚀 就比较困难和缓慢，而(100)面原子排列密度比 (111)面低。所以(100)面比(111)面的腐蚀速度 快，选择合适的腐蚀液和腐蚀温度，(100)面腐 蚀速度比(111)面大的多，因此，用(100)面硅片 采用这种各向异性腐蚀的结果，可以使硅片表 面产生许多密布表面为(111)面的四面方锥体， 形成绒面状的硅表面。 半导体的特性 纯度 半导体特性，是建立在半导体材料

8、的纯度很高 的基础上的。半导体的纯度常用几个“9”来表 示。比如硅材料的纯度达到6个“9”，就是说硅 的纯度达到99.9999%，其余0.0001%（即10-6 ）为杂质总含量。半导体材料中的杂质含量， 通常还以“PPb” 与“PPm”来表示。一个PPb就是 十亿分之一（10-9 ），一个“PPm”就是百万分 之一（10-6 ） 半导体的特性 导电特性 导电能力随温度灵敏变化 导体，绝缘体的电阻率随温度变化很小， 导体温度每升高一度，电组率大约升高0.4%。 而半导体则不一样，温度每升高或降低1度， 其电阻就变化百分之几，甚至几十，当温度变 化几十度时，电阻变化几十，几万倍，而温度 为绝对零度

9、（-273）时，则成为绝缘体。 半导体的特性 导电特性 导电能力随光照显著改变 当光线照射到某些半导体上时，它们的导电能力 就会变得很强，没有光线时，它的导电能力又会变得 很弱。 杂质的显著影响 在纯净的半导体材料中，适当掺入微量杂质，导 电能力会有上百万的增加。这是最特殊的独特性能。 其他特性 温差电效应，霍尔效应，发光效应，光伏效应， 激光性能等。 半导体的特性 导电过程描述 纯净的半导体，在不受外界作用时，导电能力很差。 而在一定的温度或光照等作用下，晶体中的价电子有 一部分可能会冲破共价键的束缚而成为一个自由电子 。同时形成一个电子空位，称之为“空穴”。从能带图 上看，就是电子离开了价

10、带跃迁到导带，从而在价带 中留下了空穴，产生了一对电子和空穴。如图，通常 将这种只含有“电子空穴对”的半导体称为本征半导体 。“本征”指只涉及半导体本身的特性。半导体就是靠 着电子和空穴的移动来导电的，因此，电子和空穴被 统称为载流子。 半导体的特性 导电过程描述 导带 (禁带宽) 价带 半导体的特性 本征半导体、掺杂半导体 本征半导体：绝对纯的且没有缺陷的半 导体 掺杂半导体：掺有其他元素 施主掺杂（N型硅）： 电流主要 靠电子来运输。 受主掺杂（P型硅）： 电流主要 靠空穴来运输。 太阳能电池用的是P型硅衬底，N型扩散层 半导体的特性 产生、复合 由于热或光激发而成对地产生电子空穴对，这

11、种过程称为“产生”。空穴是共价键上的空位， 自由电子在运动中与空穴相遇时，自由电子就 可能回到价键的空位上来，而同时消失了一对 电子和空穴，并释放能量，这就是“复合”。在一定温 度下，又没有光照射等外界影响时，产生和复 合的载流子数相等，半导体中将在产生和复合 的基础上形成热平衡。此时，电子和空穴的浓 度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的 发生。 半导体的特性 杂质与掺杂半导体 纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子， 那么，这些其它元素的原子就称为半导体材料 中的杂质原子。对硅的导电性能有决定影响的 主要是三族硼和五族磷元素原子。还有些杂质 如金，铜，镍，锰，铁等，在硅中起着复合中 心的

12、作用，影响寿命，产生缺陷，有着许多有 害的作用。 半导体的特性 N型半导体（施主掺杂） 磷（P)，锑（sb )等五族元素原子的最外层有五 个电子，它在硅中是处于替位式状态，占据了 一个原来应是硅原子所处的晶格位置。磷原子 最外层五个电子中只有四个参加共价键，另一 个不在价键上，成为自由电子，失去电子的磷 原子是一个带正电的正离子，没有产生相应的 空穴。正离子处于晶格位置上，不能自由运动 ，它不是载流子。因此，掺入磷的半导体起导 电作用的，主要是磷所提供的自由电子，这种 依靠电子导电的半导体称为电子型半导体，简 称N型半导体。这种V族杂质原子称为施主杂 质。 半导体的特性 N型半导体（施主掺杂）

13、 多余电子 半导体的特性 N型半导体（施主掺杂） 施主 能级 导带 电离能 价带 半导体的特性 P型半导体（受主掺杂） P型半导体 硼（B）铝（AL）镓（GA）等三族元素原子的最 外层有三个电子，它在硅中也是处于替位式状态。硼 原子最外层只有三个电子参加共价键，在另一个价键 上因缺少一个电子而形成一个空位，邻近价键上的价 电子跑来填补这个空位，就在这个邻近价键上形成了 一个新的空位，这就是“空穴”。硼原子在接受了邻近 价键的价电子而成为一个带负电的负离子。因此在产 生空穴的同时没有产生相应的自由电子。这种依靠空 穴导电的半导体称为空穴型半导体，简称P型半导体。 半导体的特性 P型半导体（受主掺

14、杂） 空键 接受电子 空穴 半导体的特性 P型半导体（受主掺杂） 导带 电离能 价带 受主 能级 载流子的复合与寿命 多数载流子、少数载流子 掺杂半导体中，新产生的载流子数量远远超过 原来未掺入杂质前载流子的数量，半导体的导 电性质主要由占多数的新产生的载流子来决定 ，所以，在P型半导体中，空穴是多数载流子 ，而电子是少数载流子。在N型半导体中，电 子是多数载流子，空穴是少数载流子。掺入的 杂质越多，多载流子的浓度（单位体积内载流 子的数目）越大，则半导体的电阻率越低，它 的导电能力越强。 载流子的复合与寿命 平衡载流子、非平衡载流子 一块半导体材料处于某一均匀的温度中，且不 受光照等外界因素

15、的作用的状态，此时半导体 中的载流子称为平衡态载流子。 半导体一旦受到外界因素作用（如光照， 电流注入或其它能量传递形式）时，它内部载 流子浓度就多于平衡状态下的载流子浓度。半 导体就从平衡状态变为非平衡状态，就把处于 非平衡状态时，比平衡状态载流子增加出来的 一部分载流子成为非平衡载流子。 载流子的复合与寿命 平衡载流子、非平衡载流子 当引起非平衡载流子产生的外界因素停止后， 非平衡载流子不会永久地存在下去。但也不是 一下全部都消失掉，而是随着时间逐渐减少消 失的，他们的存在时间有些长些，有些短些， 有一个平均的存在时间，也就是 “非平衡载流 子的寿命”。半导体内部和表面的复合作用是 使得非

16、平衡载流子逐渐减少直至消失的原因。 非平衡载流子复合的主要方式： 1.体内复合直接复合、间接复合（三种辐射复合 ，声子复合，俄歇复合）、表面复合删除 。 2。表面复合 载流子的复合与寿命 直接复合 电子和空穴在半导体内部直接相遇放出光子或 引起热运动而复合，复合的过程是电子直接在 能带间跃进，中间无须经过任何间接过程删除，这种复合 称为直接复合。电子和空穴通过禁带的能级（复合中心）进行复合， 称为间接复合。给局能量释放的方式可以分为三种：辐射复合，声子复合，俄歇 复合。一般的杂质半导体寿命是与多数载流子的 密度成反比的，或者说半导体的电阻率越低， 则寿命越短。电阻率越低，多数载流子浓度越 高，这种非平衡载流子就越有机会与多数载流 子相遇复合，所以寿命就越短。 载流子的复合与寿命 直接复合 载流子的复合与寿命