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1、半导体物理基础 p-n结 中南大学 093111093 材料学院材料学院 目录 v一、能带的基本概念 v二、半导体的分类 v三、P-N结 一、能带的基本概念 v能带（energy band）包括允带和禁带。 v允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范围。 v禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范围。 v允带又分为空带、满带、导带、价带。 v空带（empty band）：不被电子占据的允带。 v满带（filled band）：允带中的能量状态（能级）均被电 子占据。 图图1-2 1-2 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）
2、导带（conduction band）：有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价 电子形成的高能级能带通常称为导带。 价带（valence band）:由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的 低能级能带通常称为价带。 v导带底Ec:导带电子的最 低能量 v价带顶Ev:价带电子的最 高能量 v禁带宽度 Eg:Eg=Ec-Ev 图1-3 一定温度下半导体的能带示意图 图图1-4 1-4 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 子部分占子部分占 满，在电满，在电 场作用下场作用下 这些电子这些电子 可以导电可以导电 禁带很禁带很 宽，价宽，价 带电子
3、带电子 常温下常温下 不能被不能被 激发到激发到 空的导空的导 带带 禁带比较窄，常禁带比较窄，常 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 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 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 能带电能带电 36eV36eV 硅硅1.12eV1.12eV 锗锗0.67 eV0.67 eV 砷化镓砷化镓 1.42 eV 1.42 eV 二、半导体的分类 v（一）. 本征半导体 v本征半导体是指纯净的半导体,导 电性能在导体与绝缘体之间。 v1.本征半导体的能带结构 v例如半导体 CdS(硫化镉)： 满带上的一个
4、电子跃迁到空带 后，满带中出现一个带正电的空 位，称为 “空穴”。 v电子和空穴总是成对出现的。 电子和空穴叫本征载流子，它们形成半导 体的本征导电性。当光照 h Eg 时， 可发生本征吸收，形成本征光电导。 v2、电子和空穴被统称为载流子的原因 v如果共价键中的电子获得足够的能量，它就可以摆脱共价键 的束缚，成为可以自由运动的电子。这时在原来的共价键上 就留下了一个缺位，因为邻键上的电子随时可以跳过来填补 这个缺位，从而使缺位转移到邻键上去，所以，缺位也是可 以移动的这种可以自由移动的缺位被称为空穴半导体就 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 v（二）. 杂质半
5、导体 v杂质来源 一）制备半导体的原材料纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的污染； 三）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。 v1、N型半导体 v四价的本征半导体 Si 、Ge等，掺入少量五价的杂质元素（ 如P、As等）形成电子型半导体,称 n 型半导体。 v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 空带处, 杂质电离能ED10-2eV，极易形成电子导电。该 能级称为施主能级。 在n型半导体中,电子是多数载流子而空穴是少数载流子 v 2、P型半导体 v四价的本征半导体Si、Ge等，掺入少量三价的杂质元素（如 B、Ga、In等）形成空穴型半导体，称 p
6、 型半导体。 v量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠 满带处，杂质电离能EA10-2eV，极易产生空穴导电。该 能级称受主能级。 在p型半导体中,空穴是多数载流子而电子是少数载流子。 3、 杂质的补偿作用 v实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd）， 又有受主杂质（浓度na），两种杂质有补偿 作用： v若nd na为n型（施主） v若nd na为p型（受主） v利用杂质的补偿作用，可以制成 p-n 结。 综上所述 族元素族元素 族元素族元素 掺入半导体，掺入半导体， 分别成为分别成为 受主杂质受主杂质 施主杂质施主杂质 在禁带中引入了在禁带中引入了 新的能级，分别为新的能级，分别
7、为 施主能级：比导带底低施主能级：比导带底低EED D 受主能级：比价带顶高受主能级：比价带顶高EE A A 常温下，杂质都常温下，杂质都 处于离化态处于离化态 施主杂质向导带提供电子而成为正电中心施主杂质向导带提供电子而成为正电中心 受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心 分别分别 成为成为N N型半导体型半导体 P P型半导体型半导体 三、P-N结 v1、p-n结定义：p型半导体 和n型半导体结合的交界面 。 v2、p-n结的形成 在一块纯净的半导体晶 片上，采用特殊的掺杂工艺 ，在两侧分别掺入三价元素 和五价元素。一侧形成P型 半导体，另一侧形成N型半
8、导体，在结合面的两侧分别 留下了不能移动的正负离子 ，呈现出一个空间电荷区。 这个空间电荷区就称为p-n 结。 图1-5基本结构示意图 图1-6 p-n结的形成 v单纯的p型或n型半导体，仅仅是导电能力增强而 已，还不具备半导体器件所要求的各种特性。但如 果形成一个p-n结。 当p型半导体和n型半导体“结 合”在一起时，由于p型半导体的空穴浓的高，自由 电子的浓度低；而n型半导体的自由电子浓度高， 空穴浓度低，所以交界面两侧的载流子在浓度上形 成了很大的差别。于是就在交界面附近产生了多数 载流子的扩散运动。 v所谓扩散运动，就是载流子由浓度高的地方向浓度 低的地方运动，即p区的多数载流子（空穴
9、）向n 区扩散，同时n区的多数载流子（电子）向p区扩 散。 v平衡时，空间电荷区的宽度也达到稳定，电流为零 。 内建电场： 内建场阻止电子和空穴进一步扩散，空间电荷区中的正、负电荷间 产生的电场，其方向由n区指向p区。 平衡p-n结： 载流子在内建电场的作用下，漂移运动和扩散运动相抵时，所 达到的动态平衡(p-n结的净电流为零),在p型和n型交界面附近形成的 这种特殊结构p-n结(阻挡层，耗尽层),其厚度约为0.1m。 2.p-np-n结能带图 平衡p-n结的能带图 空带 空带 P-N结 施主能级 受主能级 满带 满带 1.P-N结接正向偏压（PN）时，阻挡层势垒降低、变窄， 可以导通；接反向
10、偏压（PN）时，阻挡层加宽，电流约 为零。这就是P-N结的单向导电性。 2. 当外电场很强，反向电压超过某一数值后，反向电流会急 剧增大 反向击穿。 2.PN结的单向导电性 光生伏特效应 v当具有pn结的半导体受到光照时，其中电 子和空穴的数目增多，在结的局部电场作用 下，p区的电子移到n区，n区的空穴移到p区 ，这样在结的两端就有电荷积累，形成电势 差。这现象称为pn结的光生伏特效应。由 于这些特性，用pn结可制成半导体二极管 和光电池等器件。另一方面因击穿后并不损 坏而可用来制造稳压管或开关等器件。 太阳能电池 v太阳能电池的作用是把太阳能转化为电能。太阳能电池一般是由N型和P 型半导体制
11、备而成，其能量转换的基本原理是利用半导体的光生伏特效 应。N型半导体中含有较多的空穴，P型半导体中含有较多的电子，当两 种半导体结合在一起的时候，由于扩散作用P型半导体中的电子以及N型 半导体中的空穴会相互运动，最后在两种半导体的交界面区域里会形成 一个特殊的薄层)，界面的P型一侧带负电、N型一侧带正电，从而形成 内建电场。 v当入射光垂直入射PN结时，光子进入N型半导体或者穿越PN结进入P型 半导体。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子 空穴对。由于PN结势垒区存在的内建场(自N区指向P区)，结果两边的光 生少数载流子受该场作用，各自向相反方向运动，P区的光生电子穿过 PN结进入N区，N区的光生空穴进入P区，于是形成自N区向P区的光生 电流。这样的载流子运动，由于中和掉部分空间电荷，使内建场势垒降 低，从而产生正向电流。当光生电流和正向电流相等时，PN结两端建立 起稳定的电势差，即产生光生电压。在PN结开路情况下，光生电压达最 大值。如将PN结与外电路接通，只要光照不停止，就有源源不断的电流 通过电路，PN结起了电源的作用，这就是太阳能电池的基本原理。
