半导体器件与物理一

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1、第 1 章半导体特性半导体特性 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 半导体材料的晶格结构 电子和空穴的概念 半导体

2、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（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

3、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

4、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) 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，形成期性排列，形成期性排列，形成期性排列，形成格点，成为晶格。格点，成为晶格。格点，成为晶格。格点，成为晶格。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） 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（AuA

5、u）银（银（银（银（AgAg） 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。 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

6、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，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

7、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。价电子对。价电子对。价电子对。 闪锌矿结闪锌矿结闪锌矿结闪锌矿结构构构构砷化镓（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) 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

8、如铝如铝如铝(Al)(Al)、镓、镓、镓、镓(Ga)(Ga)、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 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心

9、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，且面中心假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心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，试算出这原子与面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这原子与面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这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方单胞的

10、空间比率。些原子占此面心立方单胞的空间比率。些原子占此面心立方单胞的空间比率。些原子占此面心立方单胞的空间比率。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

11、练习练习试计算常温下锗的数密度。试计算常温下锗的数密度。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

12、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。 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

13、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。 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

14、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，即为此平面的密勒表示，即为此平面的密勒表示，即为此平面的密勒表示，即为此平面的密勒指数。指数。指数。指数。如图

15、，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（110110），），），），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

16、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（ ）。）。）。）。练习练习试求试求ADDA的密勒指数。的密勒指数。晶列指数晶列指数晶向指数晶向指数任何两个原子之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

17、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。例例例例1-31-3思考题思考题思考题思考题立方晶体有几个立方晶体有几个、?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

18、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，

19、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

20、。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。 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

21、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。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（Cd

22、SCdS）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，）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其他因素与半导体其他因素与半导体其他因素与半导体其他因素与半导体 除温度、杂质

23、、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。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606

24、0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

25、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

26、，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。练习练习P30 1.3，1.4课外作业课外作业P29 1.2 （锗的质量密度）（锗的质量密度）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（库仑力），使电子只静电引力（库仑力），使电子只静电引

27、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

28、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能级晶体中的电子晶体中的电子晶体中的电子晶体中

29、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

30、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

31、。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。共有化运动共有化运动共有化运动

32、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

33、；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

34、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。 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 允带允带允带允带 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

35、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） 导带导带导带导带 价

36、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

37、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）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

38、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36

39、eV36eV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 练习练习试画出硅、锗和试画出硅、锗和砷化镓在常温下的能带图。砷化镓在常温下的能带图。 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

40、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电的导电作用，常把这些满带中因失去了电子而留下的空位称为空穴。子而留下的空位称为空穴。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。 思考思考

41、既然半导体电子和空穴都能导电，而导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体只有电子导电，为什么半导体的导电能力比导体差？能力比导体差？图图1-7 一定温度下半导体的能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

42、带电子激发成为导带电子的过程电子的过程 。注意三个注意三个“准准”准连续准连续准粒子准粒子准自由准自由练习练习整理空带、满带、半满带、价带、导带、整理空带、满带、半满带、价带、导带、禁带、导带底、价带顶、禁带宽度的概禁带、导带底、价带顶、禁带宽度的概念。念。简述空穴的概念。简述空穴的概念。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

43、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

44、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

45、种）（缺陷的一种）例例例例1 1例例例例2 2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

46、的沾污沾污；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。 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，原子而位于晶格格点处，替位式杂质替位式杂质/填充填充。 间隙式杂

47、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，且它们的们的价电子壳层结构也比较相近价电子壳层结构也比较相近。如硅、锗是。如硅、锗是族元素，与族元素，与、族元素的情况比较相

48、近，所以族元素的情况比较相近，所以、族元素在硅、锗族元素在硅、锗晶体中都是替位式杂质。晶体中都是替位式杂质。 杂质浓度杂质浓度杂质浓度杂质浓度单位体积中的杂质原子数，单位单位体积中的杂质原子数，单位cm-3 施主杂质和施主能级施主杂质和施主能级施主杂质和施主能级施主杂质和施主能级硅中掺入磷（硅中掺入磷（P）为例，研究）为例，研究族元素杂质的作用。当一个磷族元素杂质的作用。当一个磷原子原子占据占据了硅原子的位置，如了硅原子的位置，如图所示，磷原子有五个价电子，图所示，磷原子有五个价电子，其中四个价电子与周围的四个其中四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩余一硅原子形成共价键，还剩余一个价电

49、子。磷原子成为一个带个价电子。磷原子成为一个带有一个正电荷的磷离子（有一个正电荷的磷离子（P+），），称为称为正电中心磷离子正电中心磷离子。其效果。其效果相当于形成了相当于形成了一个正电中心和一个正电中心和一个多余的电子一个多余的电子。 多余的电子束缚在正电中心周围，但这种束缚作用比共价键的多余的电子束缚在正电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余电子挣脱束缚，束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余电子挣脱束缚，成为自由电子在晶格中运动，起到导电的作用。这时磷原子就成为自由电子在晶格中运动，起到导电的作用。这时磷原子就成了一个少了一个价电子的磷离子，它

50、是一个不能移动的正电成了一个少了一个价电子的磷离子，它是一个不能移动的正电中心。中心。多余电子脱离杂质原子成为导电电子的过程称为多余电子脱离杂质原子成为导电电子的过程称为杂质电离杂质电离。使。使这个多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为这个多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂质电杂质电离能离能，用，用ED表示。表示。实验测得，实验测得，族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余电族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余电子很容易挣脱原子的束缚成为导电电子），在硅中电离能约为子很容易挣脱原子的束缚成为导电电子），在硅中电离能约为0.040.05eV，在锗中电离能约为，在锗中电离能约

51、为0.01 eV，比硅、锗的禁带宽，比硅、锗的禁带宽度小得多。度小得多。 族元素杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而族元素杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生产生导电电子导电电子并形成并形成正电中心正电中心。施放电子的过程称为施放电子的过程称为施主电离施主电离。施主杂质在未电离时是中性的，称为施主杂质在未电离时是中性的，称为束缚态束缚态或或中性态中性态，电离后成为正电中心，称为电离后成为正电中心，称为离化态离化态。 施主杂质施主杂质/N型杂质型杂质电子型半导体电子型半导体/N型半导体型半导体纯净半导体中掺入施主杂质后，施主杂质电离，使导带中纯净半导体中掺入施主杂质后，施主杂质电离，使导带中

52、的导电电子增多（电子密度大于空穴密度），增强了半导的导电电子增多（电子密度大于空穴密度），增强了半导体的导电能力，成为主要依靠电子导电的半导体材料。体的导电能力，成为主要依靠电子导电的半导体材料。施主能级施主能级用离导带底用离导带底Ec为为ED处的处的短短线段线段表示，表示，施主能级上的小黑点表示施主能级上的小黑点表示被施主杂质束缚的电子被施主杂质束缚的电子。箭头箭头表示被表示被束缚的电子得到电离能后从施主能级束缚的电子得到电离能后从施主能级跃迁到导带成为导电电子的跃迁到导带成为导电电子的电离过程电离过程。导带中的小黑点表示进入导带中的电导带中的小黑点表示进入导带中的电子子， 表示施主杂质电离

53、后带表示施主杂质电离后带正电，成为不可移动的正电，成为不可移动的正点中心正点中心。 电子得到能量电子得到能量ED后，就后，就从施主的束缚态跃迁到从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，导带成为导电电子，被被施主杂质束缚时的电子施主杂质束缚时的电子的能量比导带底的能量比导带底Ec低低ED，称为，称为施主能级施主能级，用，用ED表示。由于表示。由于ED远小远小于禁带宽度于禁带宽度Eg，所以，所以施施主能级位于离导带底很主能级位于离导带底很近的禁带中近的禁带中。由于施主。由于施主杂质相对较少，杂质原杂质相对较少，杂质原子间的相互作用可以忽子间的相互作用可以忽略，所以略，所以施主能级施主能级可以可以看作

54、是看作是一些具有相同能一些具有相同能量的孤立能级量的孤立能级， 受主杂质和受主能级受主杂质和受主能级受主杂质和受主能级受主杂质和受主能级硅中掺入硼（硅中掺入硼（B）为例，研究）为例，研究族元素杂质的作用。当一个硼原族元素杂质的作用。当一个硼原子子占据占据了硅原子的位置，如图所了硅原子的位置，如图所示，硼原子有三个价电子，当它示，硼原子有三个价电子，当它和周围的四个硅原子形成共价键和周围的四个硅原子形成共价键时，还缺少一个电子，必须从别时，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子，处的硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴。硼原子成为一

55、个带有一个空穴。硼原子成为一个带有一个负电荷的硼离子（一个负电荷的硼离子（B-），称），称为为负电中心硼离子负电中心硼离子。其效果相当。其效果相当于形成了于形成了一个负电中心和一个多一个负电中心和一个多余的空穴余的空穴。 多余的空穴束缚在负电中心周围，但这种束缚作用比共价键的多余的空穴束缚在负电中心周围，但这种束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余空穴挣脱束缚，束缚作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余空穴挣脱束缚，成为自由空穴在晶格中运动，起到导电的作用。这时硼原子就成为自由空穴在晶格中运动，起到导电的作用。这时硼原子就成了一个多了一个价电子的硼离子，它是一个不能移动的

56、负电成了一个多了一个价电子的硼离子，它是一个不能移动的负电中心。中心。多余空穴脱离杂质原子成为导电空穴的过程称为多余空穴脱离杂质原子成为导电空穴的过程称为杂质电离杂质电离。使。使这个多余空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为这个多余空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量称为杂质电杂质电离能离能，用，用EA表示。表示。实验测得，实验测得，族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余空族元素原子在硅、锗中的电离能很小（即多余空穴很容易挣脱原子的束缚成为导电空穴），穴很容易挣脱原子的束缚成为导电空穴），在硅中约为在硅中约为在硅中约为在硅中约为0.0450.065eV0.0450.065eV，在锗中约为，

57、在锗中约为，在锗中约为，在锗中约为0.01 eV0.01 eV。 族元素杂质在硅、锗中能接受电子而产生族元素杂质在硅、锗中能接受电子而产生导电空穴导电空穴，并形成并形成负电中心负电中心。受主杂质受主杂质/P型杂质型杂质空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离受主电离。受主杂质未电离时是中性的，称为受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态束缚态或或中性态中性态。 空穴型半导体空穴型半导体/P型半导体型半导体纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的导电空穴增多（空穴密度大于电子密度），增强了半导体的导电空穴增多

58、（空穴密度大于电子密度），增强了半导体的导电能力，成为主要依靠空穴导电的半导体材料。导电能力，成为主要依靠空穴导电的半导体材料。受主能级受主能级用离价带顶用离价带顶EV为为EA处的处的短线段短线段表表示，示，受主能级上的小圆圈表示被施主杂质束受主能级上的小圆圈表示被施主杂质束缚的空穴缚的空穴。箭头箭头表示被束缚的空穴得到电离表示被束缚的空穴得到电离能后从受主能级跃迁到价带成为导电空穴能后从受主能级跃迁到价带成为导电空穴（即价带顶的电子跃迁到受主能级上填充空（即价带顶的电子跃迁到受主能级上填充空位）的位）的电离过程电离过程。价带中的小圆圈表示进入价带中的小圆圈表示进入价带中的空穴价带中的空穴，表

59、示受主杂质电离后带负表示受主杂质电离后带负电，成为不可移动的电，成为不可移动的负点中心负点中心。 空穴得到能量空穴得到能量EA后，就后，就从受主的束缚态跃迁到从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，价带成为导电空穴，被被受主杂质束缚时的空穴受主杂质束缚时的空穴的能量比价带顶的能量比价带顶EV低低EA，称为，称为受主能级受主能级，用，用EA表示。由于表示。由于EA远小远小于禁带宽度于禁带宽度Eg，所以受，所以受主能级位于价带顶很近主能级位于价带顶很近的禁带中的禁带中。由于受主杂。由于受主杂质相对较少，杂质原子质相对较少，杂质原子间的相互作用可以忽略，间的相互作用可以忽略，所以所以受主能级受主能级可

60、以看作可以看作是是一些具有相同能量的一些具有相同能量的孤立能级孤立能级， 综上所述综上所述族元素族元素族元素族元素 族元素族元素族元素族元素掺入半导体，掺入半导体，掺入半导体，掺入半导体，分别成为分别成为分别成为分别成为受主杂质受主杂质受主杂质受主杂质施主杂质施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，分别为新的能级，分别为新的能级，分别为 施主能级：比导带底低施主能级：比导带底低施主能级：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：比价带顶高受主能级：比价带顶高受主能级：比价带顶高EEA A 常温下，杂

61、质都常温下，杂质都常温下，杂质都常温下，杂质都处于离化态处于离化态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 分别分别分别分别成为成为成为成为N N型半导体型半导体型半导体型半导体P P型半导体型半导体型半导体型半导体施主施主 donor受主受主 acceptor关于能带图关于能带图关于能带图关于能带图电子能量，从下往上为升高的

62、方向；电子能量，从下往上为升高的方向；电子能量，从下往上为升高的方向；电子能量，从下往上为升高的方向；空穴能量，从上往下为升高的方向；空穴能量，从上往下为升高的方向；空穴能量，从上往下为升高的方向；空穴能量，从上往下为升高的方向；电子和空穴可以看作是两种所带电荷性质相反，电子和空穴可以看作是两种所带电荷性质相反，电子和空穴可以看作是两种所带电荷性质相反，电子和空穴可以看作是两种所带电荷性质相反，电荷数量相同，质量相当的粒子；电荷数量相同，质量相当的粒子；电荷数量相同，质量相当的粒子；电荷数量相同，质量相当的粒子；施放电子的过程可以看作俘获空穴的过程；施放电子的过程可以看作俘获空穴的过程；施放电

63、子的过程可以看作俘获空穴的过程；施放电子的过程可以看作俘获空穴的过程；施放空穴的过程也可以看作俘获电子的过程。施放空穴的过程也可以看作俘获电子的过程。施放空穴的过程也可以看作俘获电子的过程。施放空穴的过程也可以看作俘获电子的过程。浅能级浅能级浅能级浅能级很靠近导带底的施主能级、很靠近价带顶的受主能级很靠近导带底的施主能级、很靠近价带顶的受主能级很靠近导带底的施主能级、很靠近价带顶的受主能级很靠近导带底的施主能级、很靠近价带顶的受主能级练习练习P30 6、7作业作业P30 8思考思考如果半导体中同时有施主杂质和受主杂质如果半导体中同时有施主杂质和受主杂质会出现什么状况？会出现什么状况？杂质的补偿

64、作用杂质的补偿作用杂质的补偿作用杂质的补偿作用 问题问题问题问题假如在半导体材料中，同时存在着施主和受主杂质，假如在半导体材料中，同时存在着施主和受主杂质，假如在半导体材料中，同时存在着施主和受主杂质，假如在半导体材料中，同时存在着施主和受主杂质，该如何判断半导体究竟是该如何判断半导体究竟是该如何判断半导体究竟是该如何判断半导体究竟是N N型还是型还是型还是型还是P P型型型型 ？答答答答应该比较两者浓度的大小，应该比较两者浓度的大小，应该比较两者浓度的大小，应该比较两者浓度的大小，由浓度大的杂质来决定半导体的导电类型由浓度大的杂质来决定半导体的导电类型由浓度大的杂质来决定半导体的导电类型由浓

65、度大的杂质来决定半导体的导电类型施主和受主杂质之间有相互抵消的作用施主和受主杂质之间有相互抵消的作用 ND 施主杂质浓度施主杂质浓度 NA 受主杂质浓度受主杂质浓度n 导带中的电子浓度导带中的电子浓度 p 价带中的空穴浓度价带中的空穴浓度假设施主和受主杂质全部电离时，分情况讨论杂质的补偿作用。假设施主和受主杂质全部电离时，分情况讨论杂质的补偿作用。 当当NDNA时，因为受主能级时，因为受主能级低于施主能级，所以施主杂低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到受主能质的电子首先跃迁到受主能级上，填满级上，填满NA个受主能级，个受主能级，还剩（还剩（ND-NA）个电子在施主）个电子在施主能级上，在

66、杂质全部电离的能级上，在杂质全部电离的条件下，它们跃迁到导带中条件下，它们跃迁到导带中成为导电电子，这时，成为导电电子，这时，n=ND-NAND，半导体是，半导体是N型的型的 情况一情况一情况一情况一情况二情况二情况二情况二当当NAND时，施主能级时，施主能级上的全部电子跃迁到受上的全部电子跃迁到受主能级上后，受主能级主能级上后，受主能级还有还有(NA-ND)个空穴，个空穴，它们可以跃迁到价带成它们可以跃迁到价带成为导电空穴，所以，为导电空穴，所以，p=NA-NDNA，半导体，半导体是是P型的型的 有效杂质浓度有效杂质浓度有效杂质浓度有效杂质浓度经过补偿之后，半导体中的经过补偿之后，半导体中的

67、净杂质浓度净杂质浓度 当当ND NA时，则（时，则（ND-NA）为）为有效施主浓度有效施主浓度；当当NA ND时，则（时，则（NA-ND）为）为有效受主浓度有效受主浓度。 利用杂质补偿的作用，就可利用杂质补偿的作用，就可以根据需要用以根据需要用扩散扩散或或离子注离子注入入等方法来改变半导体中某等方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制备一区域的导电类型，以制备各种器件。各种器件。 若控制不当，会出现若控制不当，会出现NDNA的现象，的现象，这时，施主电子刚好填充受主能级，这时，施主电子刚好填充受主能级，虽然晶体中杂质可以很多，但不能虽然晶体中杂质可以很多，但不能向导带和价带提供电子和空穴，向

68、导带和价带提供电子和空穴，（杂质的高度补偿杂质的高度补偿）。这种材料容）。这种材料容易被误认为是高纯度的半导体，实易被误认为是高纯度的半导体，实际上却含有很多杂质，性能很差。际上却含有很多杂质，性能很差。 深能级杂质深能级杂质深能级杂质深能级杂质非非、族元素掺入硅、锗中也会在禁带中引入能级。族元素掺入硅、锗中也会在禁带中引入能级。非非、族元素产生的能级有以下两个族元素产生的能级有以下两个特点特点：（1）施主能级距离导带底较远，产生的受主能级距离价带）施主能级距离导带底较远，产生的受主能级距离价带顶也较远。称为顶也较远。称为深能级深能级，相应的杂质称为，相应的杂质称为深能级杂质深能级杂质；（2）

69、这些深能级杂质能产生）这些深能级杂质能产生多次电离多次电离，每一次电离相应地，每一次电离相应地有一个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往有一个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往引入若干引入若干个能级个能级。而且，。而且，有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级级。例例例例金，金，族元素，掺入锗中，中性金原子（族元素，掺入锗中，中性金原子（Au0）只有一个价）只有一个价电子，替位式填充。金比锗少三个价电子，中性金原子的电子，替位式填充。金比锗少三个价电子，中性金原子的这一个价电子可以电离而跃入导带，施主能级为这一个价电子可以电离而跃入导带，施主

70、能级为ED，电离，电离能为（能为（EC-ED）。）。因为金的这个价电子被共价键所束缚，电离能很大，略小因为金的这个价电子被共价键所束缚，电离能很大，略小于锗的禁带宽度，所以这个施主能级靠近价带顶。电离以于锗的禁带宽度，所以这个施主能级靠近价带顶。电离以后，中性金原子就成为带一个电子电荷的正电中心后，中性金原子就成为带一个电子电荷的正电中心Au+。锗中金锗中金另一方面，中性金原子还可以和周围的四个锗原子形成共价键，另一方面，中性金原子还可以和周围的四个锗原子形成共价键，在形成共价键时，它可以从价带接受三个电子，形成在形成共价键时，它可以从价带接受三个电子，形成EA1、EA2、EA3三个受主能级。

71、三个受主能级。金原子金原子Au0接受第一个电子后变为接受第一个电子后变为Au-，相应的受主能级为，相应的受主能级为EA1，其电离能为（，其电离能为（EA1-EV）。接受第二个电子后，）。接受第二个电子后，Au-便为便为Au=，相应的受主能级为，相应的受主能级为EA2，其电离能为（，其电离能为（EA2-EV）。接受第三）。接受第三个电子后，个电子后，Au=便为便为Au，相应的受主能级为，相应的受主能级为EA3，其电离能为，其电离能为（EA3 -EV）。）。上述的上述的Au-、Au=、Au分别表示成为带一个、两个、三个电子分别表示成为带一个、两个、三个电子电荷的负电中心。电荷的负电中心。EA3EA

72、2EA1。EA1离价带顶相对近一些，离价带顶相对近一些，但是比但是比族杂质引入的浅能级还是深的多，族杂质引入的浅能级还是深的多，EA2更深，更深，EA3 就就几乎靠近导带底了。几乎靠近导带底了。金在锗中一共有金在锗中一共有Au+、Au0、Au-、Au=、Au五个五个荷电状态，相应地存在着荷电状态，相应地存在着ED、EA1、EA2、EA3四四个孤立能级，它们都是深能级个孤立能级，它们都是深能级。 深能级杂质，一般情况下在半导体中的深能级杂质，一般情况下在半导体中的含量极少含量极少，而且能，而且能级较深，它们对半导体中的导电电子浓度、导电空穴浓度级较深，它们对半导体中的导电电子浓度、导电空穴浓度和

73、导电类型的影响没有浅能级杂质明显，但对于载流子的和导电类型的影响没有浅能级杂质明显，但对于载流子的复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称为复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称为复合中心复合中心，它们引入的能级就称为它们引入的能级就称为复合中心能级复合中心能级。金是一种很典型的。金是一种很典型的复合中心，在制造复合中心，在制造高速开关器件高速开关器件时，常有意地时，常有意地掺入金以提掺入金以提高器件的速度高器件的速度。 练习练习练习练习试画出锗中金的能带图。试画出锗中金的能带图。试画出锗中金的能带图。试画出锗中金的能带图。半导体中的缺陷和缺陷能级半导体中的缺陷和缺陷能级 当半导体中的某些区域，

74、晶格中的原子当半导体中的某些区域，晶格中的原子周期性周期性排列被破坏排列被破坏时就形成了各种缺陷。时就形成了各种缺陷。 缺陷分为缺陷分为三类三类： 点缺陷点缺陷：如空位，间隙原子，替位原子；：如空位，间隙原子，替位原子； 线缺陷：如线缺陷：如位错位错； 面缺陷：如层错等。面缺陷：如层错等。 点缺陷点缺陷在在一定温度一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近作振动运动下，晶格原子不仅在平衡位置附近作振动运动（通常称之为（通常称之为热振动热振动），而且有一部分原子会获得足够的），而且有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间

75、的间隙，形成形成间隙原子间隙原子，原来的位置就成为，原来的位置就成为空位空位。 弗仑克耳缺陷弗仑克耳缺陷弗仑克耳缺陷弗仑克耳缺陷 肖特基缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷 间隙原子和空位成对出现的缺陷间隙原子和空位成对出现的缺陷 只在晶格内形成空位而无间隙原子只在晶格内形成空位而无间隙原子的缺陷的缺陷 均由温度引起，又称之为均由温度引起，又称之为热缺陷热缺陷，它们总是，它们总是同时存在同时存在的。的。 动态平衡动态平衡动态平衡动态平衡间隙原子和空位一方面不断地产生，另一方面两间隙原子和空位一方面不断地产生，另一方面两者又不断地复合，达到一个平衡浓度值。者又不断地复合，达到一个平衡浓度值。 由于

76、原子须具有较大的能量才能挤入间隙位置，而且迁移时由于原子须具有较大的能量才能挤入间隙位置，而且迁移时激活能很小，所以晶体中激活能很小，所以晶体中空位比间隙原子多得多空位比间隙原子多得多，空位成了，空位成了常见的点缺陷。常见的点缺陷。 在在元素半导体硅、锗元素半导体硅、锗中存在的中存在的空位空位最邻近有四个原子，每个最邻近有四个原子，每个原子各有一个不成对的价电子，成为不饱和的共价键，这些原子各有一个不成对的价电子，成为不饱和的共价键，这些键倾向于接受电子，因此空位表现出键倾向于接受电子，因此空位表现出受主作用受主作用。而每一个而每一个间隙原子间隙原子有四个可以失去的未形成共价键的价电子，有四个

77、可以失去的未形成共价键的价电子，表现出表现出施主作用施主作用。 在在-族化合物族化合物中，除了热振动因素形成空位和间隙原子外，中，除了热振动因素形成空位和间隙原子外，由于由于成分偏离正常的化学比成分偏离正常的化学比，也形成点缺陷。，也形成点缺陷。例如，在砷化镓中，由于例如，在砷化镓中，由于热振动热振动可以使镓原子离开晶格格点可以使镓原子离开晶格格点形成镓空位和镓间隙原子；也可以使砷原子离开格点形成砷形成镓空位和镓间隙原子；也可以使砷原子离开格点形成砷空位和砷间隙原子。空位和砷间隙原子。另外，由于砷化镓中另外，由于砷化镓中镓偏多或砷偏多镓偏多或砷偏多，也能形成砷空位或镓，也能形成砷空位或镓空位。

78、空位。 替位原子替位原子替位原子替位原子/ /反结构缺陷反结构缺陷反结构缺陷反结构缺陷 比如，二元化合物比如，二元化合物AB中，替位原子可以有两种，中，替位原子可以有两种，A取代取代B或或B取代取代A，一般认为，一般认为AB是受主，是受主，BA是施主。是施主。例如，在砷化镓中，砷取代镓后为例如，在砷化镓中，砷取代镓后为AsGa起施主作用，而镓取起施主作用，而镓取代砷后为代砷后为GaAs起受主作用。起受主作用。 化合物半导体中，存在的另外一种点缺陷化合物半导体中，存在的另外一种点缺陷 位错位错 位错也是半导体中的一种缺陷，它对半导体材料和器件位错也是半导体中的一种缺陷，它对半导体材料和器件的性能

79、也会产生很大的影响。的性能也会产生很大的影响。 在硅、锗晶体中位错的情况相当复杂在硅、锗晶体中位错的情况相当复杂。由位错引入禁带由位错引入禁带的能级也十分复杂的能级也十分复杂。 根据实验测得，位错能级都是根据实验测得，位错能级都是深受主能级深受主能级。当位错密度较。当位错密度较高时，由于它和杂质的补偿作用，能使含有浅施主杂质的高时，由于它和杂质的补偿作用，能使含有浅施主杂质的N型硅、锗中的载流子浓度降低，而对型硅、锗中的载流子浓度降低，而对P型硅、锗却没有这型硅、锗却没有这种影响。种影响。练习练习写出常见缺陷的种类并举例。写出常见缺陷的种类并举例。试述弗仑克耳缺陷和肖特基缺陷的特点、试述弗仑克

80、耳缺陷和肖特基缺陷的特点、共同点和关系。共同点和关系。位错对半导体材料和器件有什么影响？位错对半导体材料和器件有什么影响？1.51.5载流子的运动载流子的运动载流子的运动载流子的运动载流子载流子载流子载流子参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子。 载流子的产生载流子的产生载流子的产生载流子的产生本征激发本征激发 电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴杂质电离杂质电离 当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子；当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子；当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子；当电子从施主

81、能级跃迁到导带时产生导带电子； 当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴 载流子数目增加载流子数目增加载流子数目增加载流子数目增加载流子的复合载流子的复合载流子的复合载流子的复合在导电电子和空穴产生的同时，还存在与之相反的过程，即在导电电子和空穴产生的同时，还存在与之相反的过程，即电子也可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向电子也可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向晶格放出一定的能量。晶格放出一定的能量。载流子数目减少载流子数目减少载流子数目减少载流子数目减

82、少 在在一定温度一定温度下，载流子产生和复合的过程建立起下，载流子产生和复合的过程建立起动态动态平衡平衡，即，即单位时间内产生的电子单位时间内产生的电子单位时间内产生的电子单位时间内产生的电子- -空穴对数等于复合掉的电空穴对数等于复合掉的电空穴对数等于复合掉的电空穴对数等于复合掉的电子子子子- -空穴对数空穴对数空穴对数空穴对数，称为热平衡状态。，称为热平衡状态。 这时，半导体中的这时，半导体中的 导电电子浓度和空穴浓度都保持一导电电子浓度和空穴浓度都保持一个稳定的数值个稳定的数值。处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为。处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子热平衡载流子。 热平衡状

83、态热平衡状态 实践表明，半导体的导电性与温度密切相实践表明，半导体的导电性与温度密切相关。实际上，这主要是由于关。实际上，这主要是由于半导体中的载流子半导体中的载流子浓度随温度剧烈变化浓度随温度剧烈变化所造成的。所造成的。 所以，要深入了解半导体的导电性，必须所以，要深入了解半导体的导电性，必须研究半导体中研究半导体中载流子浓度随温度变化的规律载流子浓度随温度变化的规律。 因此，解决如何计算一定温度下，半导体因此，解决如何计算一定温度下，半导体中热平衡载流子浓度的问题成了本节的中心问中热平衡载流子浓度的问题成了本节的中心问题。题。 能量在能量在EE+dE范围内的电子数（统计方法）范围内的电子数

84、（统计方法） 电子填充能级电子填充能级E的几率的几率N(E) 单位体积晶体中在能量单位体积晶体中在能量E处的电子能级密度处的电子能级密度 能量为能量为E的状态密度的状态密度能量无限小量能量无限小量能量为能量为E的电子状态密度（测不准关系）的电子状态密度（测不准关系） EC 导带底导带底 h h 普朗克常数普朗克常数普朗克常数普朗克常数mn* 电子的有效质量电子的有效质量 能量为能量为E的空穴状态密度的空穴状态密度mp* 空穴的有效质量空穴的有效质量EV 价带顶价带顶有效质量有效质量 晶体中的电子除了受到外力作用外，还受到晶格原子和晶体中的电子除了受到外力作用外，还受到晶格原子和其他电子的作用，

85、为了把这些作用等效为晶体中的电子质其他电子的作用，为了把这些作用等效为晶体中的电子质量，所以引入有效质量的概念。（当电子在外力作用下运量，所以引入有效质量的概念。（当电子在外力作用下运动时，它一方面受到外电场力的作用，同时还和半导体内动时，它一方面受到外电场力的作用，同时还和半导体内部原子、电子相互作用着，电子的加速度应该是半导体内部原子、电子相互作用着，电子的加速度应该是半导体内部势场和外电场作用的综合效果。但是要找出内部势场的部势场和外电场作用的综合效果。但是要找出内部势场的具体形式并且求出加速度遇到一定的困难，引进具体形式并且求出加速度遇到一定的困难，引进有效质量有效质量后可使问题变得简

86、单后可使问题变得简单，直接把外力和电子的加速度联系起直接把外力和电子的加速度联系起来，而内部势场的作用则由有效质量加以概括来，而内部势场的作用则由有效质量加以概括。特别是。特别是有有效质量可以直接由试验测定效质量可以直接由试验测定，因而可以很方便地解决电子，因而可以很方便地解决电子的运动规律。）的运动规律。）费米费米-狄拉克分布函数狄拉克分布函数 量为量为E的一个量子态被一个电子占据的几率的一个量子态被一个电子占据的几率E 电子能量电子能量 k0 玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数 T 热力学温度热力学温度EF 费米能级费米能级 常数，大多数情况下，它的数值在半导体能常数，大多数情况下，它的数值在半导体

87、能带的禁带范围内，和温度、半导体材料的导电类型、杂质的带的禁带范围内，和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。只要知道了含量以及能量零点的选取有关。只要知道了EF的数值，在一的数值，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。 费米费米-狄拉克分布函数的特性狄拉克分布函数的特性当当T=0K时，时，若若EEF，则，则f（E）=0绝对零度时，费米能级绝对零度时，费米能级EF可看成量子态可看成量子态是否被电子占据的一个界限。是否被电子占据的一个界限。 当当T0K时，时，若若E1/2若若E= EF，则，则f（E）=1/

88、2若若E EF，则，则f（E）p0，费米能级比较靠近导带；，费米能级比较靠近导带； P型半导体型半导体 p0n0，费米能级比较靠近价带；，费米能级比较靠近价带； 掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。课前复习课前复习载流子产生和复合的特点。载流子产生和复合的特点。什么是热平衡？什么是热平衡？费米能级与半导体类型的关系？费米能级与半导体类型的关系？费米能级与掺杂浓度的关系？费米能级与掺杂浓度的关系？本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度 当半导体的温度大于绝对零度时，就有电子从价带激发到导带当半导体的温度大于绝对零度时，就有电子从价带激发到导带去，

89、同时价带中产生空穴，这就是去，同时价带中产生空穴，这就是本征激发本征激发。由于。由于电子和空穴电子和空穴成对出现成对出现，导带中的电子浓度应等于价带中的空穴浓度导带中的电子浓度应等于价带中的空穴浓度 n0=p0 式（式（式（式（1-81-8）将式（将式（1-6）、（）、（1-7）代入（）代入（1-8），可以求得本征半导体），可以求得本征半导体的费米能级的费米能级EF，并用符号，并用符号Ei表示，称为本征费米能级表示，称为本征费米能级式（式（式（式（1-91-9）式（式（式（式（1-91-9）等式右边第二项近似为零，可忽略，所以本征半导体的费米等式右边第二项近似为零，可忽略，所以本征半导体的费米

90、能级能级Ei基本上在禁带中线处。基本上在禁带中线处。 将式（将式（1-9）分别代入式（）分别代入式（1-6）、（）、（1-7），），可得本征半导体载流子浓度可得本征半导体载流子浓度ni式（式（式（式（1-111-11）式（式（式（式（1-111-11） 一定的半导体材料，其本征载流子浓度一定的半导体材料，其本征载流子浓度ni随温度上随温度上而迅速增加；而迅速增加； 不同的半导体材料在同一温度下，禁带宽度越大，不同的半导体材料在同一温度下，禁带宽度越大，本征载流子浓度本征载流子浓度ni就越小。就越小。由（由（1-6）（）（1-7）得载流子浓度乘积，并与（）得载流子浓度乘积，并与（1-11）比较，

91、可得）比较，可得 n0p0=ni2 式（式（式（式（1-121-12） 在一定温度下，任何在一定温度下，任何非简并半导体非简并半导体（电子（电子或空穴的浓度分别远低于导带或价带的有效能级或空穴的浓度分别远低于导带或价带的有效能级密度）的热平衡载流子浓度的乘积密度）的热平衡载流子浓度的乘积n0p0等于该温等于该温度下的本征半导体载流子浓度度下的本征半导体载流子浓度ni的平方，与所含的平方，与所含杂质无关。杂质无关。 式（式（1-12）不仅适用于本征半导体，而且也）不仅适用于本征半导体，而且也适用于非简并的杂质半导体材料。适用于非简并的杂质半导体材料。 n0p0=ni2 式（式（式（式（1-121

92、-12）表表1-1 300K下锗、硅、砷化镓的本征载流子浓度下锗、硅、砷化镓的本征载流子浓度杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度一般来说，在室温下所有的杂质都已电离，一个杂质原子可以一般来说，在室温下所有的杂质都已电离，一个杂质原子可以提供一个载流子；提供一个载流子；假设掺入半导体中的杂质浓度远大于本征激发的载流子浓度假设掺入半导体中的杂质浓度远大于本征激发的载流子浓度 。N型半导体型半导体 P型半导体型半导体 (ND为施主杂质浓度为施主杂质浓度) (NA为受主杂质浓度为受主杂质浓度) N型半导体中，电子为型半导体中，电子为多数载流子多数载流子（简称（简称多子多子），空穴为），空穴为少

93、少数载流子数载流子（简称（简称少子少子）；）；P型半导体中，空穴为多数载流子，型半导体中，空穴为多数载流子，电子为少数载流子。电子为少数载流子。式（式（式（式（1-121-12）n0p0=ni2 由式（由式（1-12），可以确定少数载流子的浓度），可以确定少数载流子的浓度N型半导体型半导体 P型半导体型半导体 由于由于ND（或（或NA）远大于）远大于ni，因此，因此在杂质半导体中少数载流在杂质半导体中少数载流子比本征半导体的载流子浓度子比本征半导体的载流子浓度ni小得多小得多。本征激发时本征激发时 式（式（式（式（1-61-6）式（式（1-6）可改写如下）可改写如下 式式式式式代入式（式代入式

94、（式代入式（式代入式（1-61-6）可得）可得）可得）可得式式式式当一块半导体中同时掺入当一块半导体中同时掺入P型杂质和型杂质和N型杂质时，考虑室温下，型杂质时，考虑室温下，杂质全部电离，以及杂质的补偿作用，载流子浓度为杂质全部电离，以及杂质的补偿作用，载流子浓度为|ND-NA| 。多子浓度计算多子浓度计算多子浓度计算多子浓度计算少子浓度计算少子浓度计算少子浓度计算少子浓度计算N型半导体型半导体 P型半导体型半导体 对于杂质浓度一定的半导体，随着对于杂质浓度一定的半导体，随着温度的升高温度的升高，载流子则是载流子则是从以杂质电离为主要来源过渡到以本征从以杂质电离为主要来源过渡到以本征激发为主要

95、来源的过程激发为主要来源的过程。相应地，。相应地，费米能级则从位费米能级则从位于杂质能级附近逐渐移近到禁带中线处于杂质能级附近逐渐移近到禁带中线处。 当当温度一定温度一定时，时，费米能级的位置由杂质浓度所费米能级的位置由杂质浓度所决定决定，例如，例如N型型半导体，随着施主浓度的增加，费米半导体，随着施主浓度的增加，费米能级从禁带中线逐渐移向导带底方向。能级从禁带中线逐渐移向导带底方向。 对于对于P型型半导体，随着受主杂质浓度的增加，费半导体，随着受主杂质浓度的增加，费米能级从禁带中线逐渐移向价带顶附近。米能级从禁带中线逐渐移向价带顶附近。杂质浓度与费米能级的关系杂质浓度与费米能级的关系 在杂质

96、半导体中，在杂质半导体中，费米能级的位置不但反映了半导体费米能级的位置不但反映了半导体的导电类型，而且还反映了半导体的掺杂水平的导电类型，而且还反映了半导体的掺杂水平。 对于对于N型型半导体，费米能级位于禁带中线以上，半导体，费米能级位于禁带中线以上，ND越越大，费米能级位置越高。大，费米能级位置越高。 对于对于P型型半导体，费米能级位于禁带中线以下，半导体，费米能级位于禁带中线以下，NA越越大，费米能级位置越低。如图大，费米能级位置越低。如图1-15所示。所示。练习练习 判断半导体的导电类型并计算载流子浓度判断半导体的导电类型并计算载流子浓度判断半导体的导电类型并计算载流子浓度判断半导体的导

97、电类型并计算载流子浓度1)硅中掺入硅中掺入硅中掺入硅中掺入P P 原子，浓度为原子，浓度为原子，浓度为原子，浓度为10101616cmcm-3-3；2)锗中锗中锗中锗中掺入掺入掺入掺入B B 原子，浓度为原子，浓度为原子，浓度为原子，浓度为10101717cmcm-3-3；3)硅中先掺入硅中先掺入硅中先掺入硅中先掺入P P 原子，浓度为原子，浓度为原子，浓度为原子，浓度为2*102*101616cmcm-3-3 ，再掺入，再掺入，再掺入，再掺入B B 原子，浓度为原子，浓度为原子，浓度为原子，浓度为4* 104* 101616cmcm-3-3 ; ;4)锗中先掺入锗中先掺入锗中先掺入锗中先掺入

98、P P 原子，浓度为原子，浓度为原子，浓度为原子，浓度为2*102*101616cmcm-3-3 ，再掺入，再掺入，再掺入，再掺入AsAs原子，浓度为原子，浓度为原子，浓度为原子，浓度为4* 104* 101616cmcm-3-3 。载流子的漂移运动载流子的漂移运动 半导体中的载流子在半导体中的载流子在电场作用电场作用下作漂移运动。下作漂移运动。在运动过程中，载流子会与晶格原子、杂质原子在运动过程中，载流子会与晶格原子、杂质原子或其他散射中心或其他散射中心 碰撞，速度和运动方向将会发碰撞，速度和运动方向将会发生改变，可能从晶格中获得能量，速度变大，也生改变，可能从晶格中获得能量，速度变大，也有

99、可能把能量交给晶格，速度变小。有可能把能量交给晶格，速度变小。 平均自由程平均自由程平均自由程平均自由程 大量载流子在两次碰撞之间路程的平均值大量载流子在两次碰撞之间路程的平均值大量载流子在两次碰撞之间路程的平均值大量载流子在两次碰撞之间路程的平均值平均自由时间平均自由时间平均自由时间平均自由时间 大量载流子在两次碰撞之间时间的平均值大量载流子在两次碰撞之间时间的平均值大量载流子在两次碰撞之间时间的平均值大量载流子在两次碰撞之间时间的平均值 欧姆定律欧姆定律欧姆定律欧姆定律 以金属导体为例，在导体两端加以电压以金属导体为例，在导体两端加以电压V时，时，导体内形成电流，导体内形成电流，电流强度电

100、流强度为为 R为导体的为导体的电阻电阻，且，且阻值与导体的长度阻值与导体的长度l成正比，与截面积成正比，与截面积s成反比，成反比，为导为导体的体的电阻率电阻率。电阻率的倒数为电阻率的倒数为电导率电导率 ，即，即，即，即 电流密度电流密度 在半导体中，通常电流分布是在半导体中，通常电流分布是不均匀不均匀的，即流过的，即流过不同截面的电流强度不一定相同。我们引入电流密度不同截面的电流强度不一定相同。我们引入电流密度的概念，它定义为的概念，它定义为通过垂直于电流方向的单位面积的通过垂直于电流方向的单位面积的电流电流，用，用J表示，即表示，即 I：通过垂直于电流方向的面积元：通过垂直于电流方向的面积元

101、s的电流强度的电流强度 欧姆定律的微分形式欧姆定律的微分形式一段长为一段长为l，截面积为，截面积为s，电阻率为，电阻率为的均匀导体，的均匀导体，若两端外加电压若两端外加电压V，则导体内部各处均建立起电场，则导体内部各处均建立起电场，电场强度电场强度大小大小 电流密度电流密度 欧姆定律的微欧姆定律的微欧姆定律的微欧姆定律的微分形式分形式分形式分形式电流密度和电流密度和电流密度和电流密度和该处的电导该处的电导该处的电导该处的电导率及电场强率及电场强率及电场强率及电场强度直接联系度直接联系度直接联系度直接联系起来起来起来起来 漂移电流密度漂移电流密度导体内部的自由电子受到电场力的作用，沿着电场的导体

102、内部的自由电子受到电场力的作用，沿着电场的反方向反方向作定向运动，构成电流。电子在电场力作用下的这种运动称作定向运动，构成电流。电子在电场力作用下的这种运动称为为漂移运动漂移运动，定向运动的速度称为，定向运动的速度称为漂移速度漂移速度。 电子的平均漂移速度电子的平均漂移速度 一秒种内通过导体某一截面的电子电量就是一秒种内通过导体某一截面的电子电量就是电流强度电流强度 n：电子的浓度：电子的浓度 平均漂移速度的大小与电场强度成正比平均漂移速度的大小与电场强度成正比 则则则则：电子的：电子的迁移率迁移率，习惯取正值，习惯取正值表示单位场强下电子的平均漂移速度表示单位场强下电子的平均漂移速度比较上面

103、两个式子，可得比较上面两个式子，可得和和之间的关系之间的关系 一块均匀半导体，两端加以电压，在半导体内部就形成电场一块均匀半导体，两端加以电压，在半导体内部就形成电场 电子带负电，空穴带正电，所以两者漂移运动的方向不同，电子带负电，空穴带正电，所以两者漂移运动的方向不同，电子反电场方向漂移电子反电场方向漂移，空穴沿电场方向漂移空穴沿电场方向漂移。 半导体中的导电半导体中的导电作用应该是电子作用应该是电子导电和空穴导电导电和空穴导电的总和。的总和。 un：电子迁移率：电子迁移率 up：空穴迁移率：空穴迁移率 Jn：电子电流密度：电子电流密度 Jp: 空穴电流密度空穴电流密度 n：电子浓度：电子浓

104、度 p：空穴浓度：空穴浓度 总电流密度总电流密度J 两式相比可以得到半导体的电导率两式相比可以得到半导体的电导率 对于两种载流子浓度相差很悬殊而迁移率差别不太大的杂质半对于两种载流子浓度相差很悬殊而迁移率差别不太大的杂质半导体来说，它的导体来说，它的电导率主要取决于多数载流子电导率主要取决于多数载流子。 N N型半导体型半导体型半导体型半导体 P P型半导体型半导体型半导体型半导体 电导率与载流子浓度电导率与载流子浓度和迁移率之间的关系和迁移率之间的关系本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体n n0 0=p=p0 0=n=ni i 半导体的电阻率可以用半导体的电阻率可以用四探针四探针直接测量

105、读出，比较方便，直接测量读出，比较方便，所以实际工作中常习惯用电阻率来讨论问题。所以实际工作中常习惯用电阻率来讨论问题。 N N型半导体型半导体型半导体型半导体 P P型半导体型半导体型半导体型半导体 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体n n0 0=p=p0 0=n=ni i 在在300K时，时，本征硅的电阻率约为本征硅的电阻率约为 2.3105cm，本征锗的电阻率约为本征锗的电阻率约为 47cm。电阻率与杂质浓度电阻率与杂质浓度成简单反比关系，成简单反比关系，杂质浓度越高，电杂质浓度越高，电阻率越小。阻率越小。 P21 P21 图图图图1-17 1-17 SiSi、GeGe和和和和Ga

106、AsGaAs的电阻率与杂质的电阻率与杂质的电阻率与杂质的电阻率与杂质浓度的关系浓度的关系浓度的关系浓度的关系例例例例1-41-4一块每立方厘米掺入一块每立方厘米掺入1016个磷原子的个磷原子的N型硅，求其在室温下的型硅，求其在室温下的电导率和电阻率。已知，电子的迁移率为电导率和电阻率。已知，电子的迁移率为1300cm2/(Vs)。 解解 在室温下，假设所有的施主杂质皆被电离，因此在室温下，假设所有的施主杂质皆被电离，因此 电导率电导率电导率电导率 电阻率电阻率 载流子的扩散运动载流子的扩散运动 分子、原子、电子等微观粒子，在气体、液体、固体中都可分子、原子、电子等微观粒子，在气体、液体、固体中

107、都可以产生扩散运动。以产生扩散运动。 只要只要微观粒子在各处的浓度不均匀微观粒子在各处的浓度不均匀，由于无规则热运动，就，由于无规则热运动，就可以引起粒子可以引起粒子由浓度高的地方向浓度低由浓度高的地方向浓度低的地方扩散。的地方扩散。 扩散运动完全是由粒子浓度不均匀所引起，它是粒子的扩散运动完全是由粒子浓度不均匀所引起，它是粒子的有规有规则则运动，但它与粒子的运动，但它与粒子的无规则无规则运动密切相关。运动密切相关。 对于一块均匀掺杂的半导体，例如对于一块均匀掺杂的半导体，例如N型半导体，电离施主带型半导体，电离施主带正电，电子带负电，由于电中性的要求，各处电荷密度为零，正电，电子带负电，由于

108、电中性的要求，各处电荷密度为零，所以载流子分布也是均匀的，即没有浓度差异，因而所以载流子分布也是均匀的，即没有浓度差异，因而均匀材料均匀材料中不会发生载流子的扩散运动中不会发生载流子的扩散运动。扩散流密度扩散流密度 t1时刻在晶体内的某时刻在晶体内的某一平面上引入一些载流子，一平面上引入一些载流子，由于载流子热运动的结果，由于载流子热运动的结果，在在x=0处原来高密度的载处原来高密度的载流子要向外扩散，直至载流子要向外扩散，直至载流子均匀分布于整个区域流子均匀分布于整个区域内。内。单位时间内通过单位面积的载流子数目。单位时间内通过单位面积的载流子数目。费克第一定律费克第一定律扩散流服从费克第一

109、定律。扩散流服从费克第一定律。 F 扩散流密度扩散流密度 D 扩散系数扩散系数N 载流子密度载流子密度 扩散电流密度扩散电流密度电子电子电子电子空穴空穴空穴空穴稳态扩散方程稳态扩散方程电子电子电子电子空穴空穴空穴空穴P22P22，推导略推导略推导略推导略既有浓度梯度，又有电场作用既有浓度梯度，又有电场作用 若半导体中非平衡载流子浓度不均匀，同时又有外加电场若半导体中非平衡载流子浓度不均匀，同时又有外加电场的作用，那么除了非平衡载流子的扩散运动外，载流子还要作的作用，那么除了非平衡载流子的扩散运动外，载流子还要作漂移运动。这时漂移运动。这时扩散电流和漂移电流叠加在一起构成半导体的扩散电流和漂移电

110、流叠加在一起构成半导体的总电流总电流。 电子电电子电电子电电子电流密度流密度流密度流密度空穴电空穴电空穴电空穴电流密度流密度流密度流密度爱因斯坦关系爱因斯坦关系迁移率迁移率：反映载流子在电场作用下运动难易程度；：反映载流子在电场作用下运动难易程度；扩散系数扩散系数：反映存在浓度梯度时载流子运动的难易程度。：反映存在浓度梯度时载流子运动的难易程度。 在平衡条件下，不存在宏观电流，因此电场的方向必须是反抗扩散电流，在平衡条件下，不存在宏观电流，因此电场的方向必须是反抗扩散电流，使使平衡时电子的总电流和空穴的总电流分布等于零平衡时电子的总电流和空穴的总电流分布等于零，即，即 以电子电流为例以电子电流

111、为例以电子电流为例以电子电流为例（1-171-17）（1-181-18）（1-191-19）将式（将式（1-18）、（）、（1-19）代入式（）代入式（1-17）得）得同理，对于空穴可得同理，对于空穴可得爱因斯坦关系爱因斯坦关系爱因斯坦关系爱因斯坦关系 表明了表明了载流子迁移率和扩散系载流子迁移率和扩散系数之间的关系数之间的关系。 虽然是针对平衡载流子推导出虽然是针对平衡载流子推导出来的，但实验证明，这个关系可来的，但实验证明，这个关系可直直接应用于非平衡载流子接应用于非平衡载流子。 由于载流子的由于载流子的迁移率与半导体的杂质浓度有关系迁移率与半导体的杂质浓度有关系，故载，故载流子的流子的扩

112、散系数也与半导体杂质浓度有关扩散系数也与半导体杂质浓度有关。 SiSiGaAsGaAs例例例例1-51-5 假设假设T=300K，一个，一个N型半导体中，电子浓度在型半导体中，电子浓度在0.1cm的的距离中从距离中从11018cm-3至至71017cm-3作线性变化，计算扩散电流作线性变化，计算扩散电流密度。假设电子扩散系数密度。假设电子扩散系数Dn=22.5cm2/s。 解解解解扩散电流密度为扩散电流密度为 练习练习P30 9写出欧姆定律的一般形式和微分形式。写出欧姆定律的一般形式和微分形式。电子和空穴的漂移方向如何判断？扩散运动又电子和空穴的漂移方向如何判断？扩散运动又如何？如何？为什么说

113、平衡态下电场的方向必须是反抗扩散为什么说平衡态下电场的方向必须是反抗扩散电流？电流？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半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外加作用，破坏了热平衡状态的条件，这就迫使它处如果对半导体施加外加作用，破坏了热平衡状态的条件，这就迫使它处于于与热平衡状态相偏离的状态与热平衡状态相偏离的状态，称为，称为非平衡状态非平衡状态。 用用n0和和p0分别表示平衡时的电子浓度和空穴浓度，它们的乘积满足分别表示平衡时的电子浓度和空穴浓度，它们的乘积满足 处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度将不再是处

114、于非平衡状态的半导体，其载流子浓度将不再是n0和和p0，可，可以比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为以比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子非平衡载流子，有时也称，有时也称过剩载流子过剩载流子，用，用n 和和和和p 分别表示非分别表示非分别表示非分别表示非平衡电子和非平衡空穴平衡电子和非平衡空穴平衡电子和非平衡空穴平衡电子和非平衡空穴。 例如在一定温度下，当没有光照时，一块半导体例如在一定温度下，当没有光照时，一块半导体中的电子和空穴浓度分别为中的电子和空穴浓度分别为n0和和p0，假设是，假设是N型半导型半导体，则体，则n0p0，当用适当波长的，当用适

115、当波长的光照射该半导体光照射该半导体时，时，只要光子的能量大于该半导体的禁带宽度，那么光子只要光子的能量大于该半导体的禁带宽度，那么光子就能把价带电子激发到导带上去，就能把价带电子激发到导带上去，产生电子产生电子-空穴对空穴对，使导带比平衡时多出一部分电子使导带比平衡时多出一部分电子n，价带比平衡时多，价带比平衡时多出一部分空穴出一部分空穴 p，且，且n=p 。 在一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡在一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡在一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡在一般情况下，注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小得多。对于时的多数载流子浓度小得多。对于时的多

116、数载流子浓度小得多。对于时的多数载流子浓度小得多。对于N N型半导体，型半导体，型半导体，型半导体，nn远远远远小于小于小于小于n n0，pp远小于远小于远小于远小于n n0，满足这个条件的注入称为，满足这个条件的注入称为，满足这个条件的注入称为，满足这个条件的注入称为小注小注小注小注入入入入。 例例 1cm的的N型硅中，型硅中，n05.51015cm-3，p03.1104cm-3，若注入非平衡载流子若注入非平衡载流子n=p=1010cm-3，n远小于远小于n0，是小注入，但是，是小注入，但是p几乎是几乎是p0的的106倍，即倍，即p远大于远大于p0。 说明说明 即使在小注入的情况下，非平衡少

117、数载流子浓度还即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子浓度还是可以比平衡少数载流子浓度大得多，它的影响就显得十是可以比平衡少数载流子浓度大得多，它的影响就显得十分重要了，而相对来说非平衡多数载流子的影响可以忽略。分重要了，而相对来说非平衡多数载流子的影响可以忽略。所以实际上往往是所以实际上往往是非平衡少数载流子起着重要作用非平衡少数载流子起着重要作用，因此，因此通常说的通常说的非平衡载流子都是指非平衡少数载流子非平衡载流子都是指非平衡少数载流子。 光注入必然导致半导体电导率增大，即引起光注入必然导致半导体电导率增大，即引起附加电导率附加电导率 除了光照，还可以用其他方法产生非平衡载流子，除了光照

118、，还可以用其他方法产生非平衡载流子，最常用的是用电的方法，称为非平衡载流子的最常用的是用电的方法，称为非平衡载流子的电注入电注入。 如以后讲到的如以后讲到的P-N结正向工作结正向工作时，就是常遇到的电时，就是常遇到的电注入。注入。 实验证明实验证明 注入的非平衡载流子并不能一直存在注入的非平衡载流子并不能一直存在下去，下去，光照停止后，它们会逐渐消失光照停止后，它们会逐渐消失，也就是原，也就是原来激发到导带的电子又回到价带，电子和空穴又来激发到导带的电子又回到价带，电子和空穴又成对地消失了。最后载流子浓度恢复到平衡时的成对地消失了。最后载流子浓度恢复到平衡时的值，半导体又回到了平衡状态。值，半

119、导体又回到了平衡状态。结论结论 产生非平衡载流子的外部作用撤除后，由产生非平衡载流子的外部作用撤除后，由于半导体的内部作用，使它由非平衡状态恢复到于半导体的内部作用，使它由非平衡状态恢复到平衡状态，过剩载流子逐渐消失。平衡状态，过剩载流子逐渐消失。非平衡载流子的复合非平衡载流子的复合 热平衡热平衡并不是一种绝对静止的状态。就半导体中的载并不是一种绝对静止的状态。就半导体中的载流子而言，流子而言，任何时候电子和空穴总是不断地产生和复合任何时候电子和空穴总是不断地产生和复合，在热平衡状态，在热平衡状态，产生和复合处于相对平衡产生和复合处于相对平衡，每秒钟产生的，每秒钟产生的电子电子-空穴对数目与复

120、合掉的数目相等，从而保持载流子浓空穴对数目与复合掉的数目相等，从而保持载流子浓度稳定不变。度稳定不变。 当用当用光照射半导体光照射半导体时，打破了产生和复合的相对平衡，时，打破了产生和复合的相对平衡，产生超过了复合产生超过了复合，在半导体中产生了非平衡载流子，半导，在半导体中产生了非平衡载流子，半导体处于体处于非平衡状态非平衡状态。 光照停止初期光照停止初期，半导体中仍然存在非平衡载流子。由，半导体中仍然存在非平衡载流子。由于电子和空穴的数目比热平衡时增多了，它们在热运动中于电子和空穴的数目比热平衡时增多了，它们在热运动中相遇而复合的机会也将增大。这时相遇而复合的机会也将增大。这时复合超过了产

121、生复合超过了产生而造成而造成一定的净复合，非平衡载流子逐渐消失，最后恢复到平衡一定的净复合，非平衡载流子逐渐消失，最后恢复到平衡值，半导体又回到了热平衡状态。值，半导体又回到了热平衡状态。 非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命 实验表明实验表明 对于对于N型半导体，光照停止后，型半导体，光照停止后，p随时间按随时间按指数规律减少。这说明非平衡载流子并不是立刻全部消失，指数规律减少。这说明非平衡载流子并不是立刻全部消失，而是有一个过程，即它们在导带和价带中有一定的生存时而是有一个过程，即它们在导带和价带中有一定的生存时间，有的长些，有的短些。间，有的长些，有的短些。 非平衡载流子的平均生存时间非

122、平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，称为非平衡载流子的寿命，用用表示。表示。 相对于非平衡多数载流子而言，相对于非平衡多数载流子而言，非平衡少数载流子的非平衡少数载流子的影响处于主导的、决定的地位影响处于主导的、决定的地位，因而，因而非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命通常指少数载流子的寿命通常指少数载流子的寿命。 当当t=，则，则p(t)=(p)0/e。 寿命标志着寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原来数值的非平衡载流子浓度减小到原来数值的1/e所所经历的时间经历的时间。 寿命不同，非平衡载流子衰减的快慢不同，寿命越短，寿命不同，非平衡载流子衰减的快慢不同，寿命越短，衰减越快。衰减

123、越快。 通常通常寿命可用实验方法测量寿命可用实验方法测量 直流光电导衰减法；直流光电导衰减法；高频光电导衰减法；高频光电导衰减法；光磁电法；光磁电法；扩散长度法；扩散长度法；双脉冲法；双脉冲法；漂移法。漂移法。 不同材料的寿命很不相同。不同材料的寿命很不相同。 一般来说，锗比硅容易获得较高的寿命，而砷化镓的一般来说，锗比硅容易获得较高的寿命，而砷化镓的寿命要短得多。在比较完整的锗单晶中，寿命可超过寿命要短得多。在比较完整的锗单晶中，寿命可超过104s。 纯度和完整性特别好的硅材料，寿命可达纯度和完整性特别好的硅材料，寿命可达103s以上。以上。 砷化镓的寿命极短，约为砷化镓的寿命极短，约为10

124、-810-9s或更低。或更低。 即使是同种材料，在不同的条件下，寿命也可在一即使是同种材料，在不同的条件下，寿命也可在一个很大的范围内变化。个很大的范围内变化。 通常制造晶体管的锗材料，寿命在几十微秒到二百多通常制造晶体管的锗材料，寿命在几十微秒到二百多微秒范围内。微秒范围内。 平面器件中的硅寿命一般在几十微秒以上平面器件中的硅寿命一般在几十微秒以上 复合理论复合理论 由于半导体内部的相互作用，使得任何半导体在平衡态由于半导体内部的相互作用，使得任何半导体在平衡态总有一定数目的电子和空穴。从微观角度讲，总有一定数目的电子和空穴。从微观角度讲，平衡态指的平衡态指的是由系统内部一定的相互作用所引起

125、的微观过程之间的平是由系统内部一定的相互作用所引起的微观过程之间的平衡衡。也正是这些微观过程促使系统由非平衡态向平衡态过。也正是这些微观过程促使系统由非平衡态向平衡态过渡，引起非平衡载流子的复合，因此，复合过程是属于统渡，引起非平衡载流子的复合，因此，复合过程是属于统计性的过程。计性的过程。 根据长期的研究结果，就复合过程的微观机构讲，复合根据长期的研究结果，就复合过程的微观机构讲，复合过程大致可以分为两种：过程大致可以分为两种：直接复合直接复合，即电子在价带和导，即电子在价带和导带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合；带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合；间接间接复合复合，即电子和

126、空穴通过禁带的能级（复合中心）进行复，即电子和空穴通过禁带的能级（复合中心）进行复合。根据复合发生的位置，又可以将它分为合。根据复合发生的位置，又可以将它分为体内复合体内复合和和表表面复合面复合。直接复合直接复合电子在导带与价带间电子在导带与价带间直接跃迁直接跃迁而引起非平衡载流子的复合过程而引起非平衡载流子的复合过程对于对于N型半导体型半导体 r 电子电子-空穴复合几率空穴复合几率 在小注入条件下，当温度和掺杂一在小注入条件下，当温度和掺杂一定时，寿命是一个常数。定时，寿命是一个常数。 寿命与多数载流子浓度成反比寿命与多数载流子浓度成反比，或，或者说，者说，半导体电导率越高，寿命就越短半导体

127、电导率越高，寿命就越短。 一般来说，一般来说，禁禁带宽度越小，直带宽度越小，直接复合的几率越接复合的几率越大大。间接复合间接复合 半导体中的半导体中的杂质和缺陷杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级，在禁带中形成一定的能级，它们除了影响半导体的电特性以外，它们除了影响半导体的电特性以外，对非平衡载流子对非平衡载流子的寿命也有很大的影响的寿命也有很大的影响。 实验发现，实验发现，半导体中杂质越多，晶格缺陷越多，半导体中杂质越多，晶格缺陷越多，寿命就越短寿命就越短。 这说明杂质和缺陷有促进复合的作用。这些促进这说明杂质和缺陷有促进复合的作用。这些促进复合过程的杂质和缺陷称为复合中心。复合过程的杂质和缺陷

128、称为复合中心。 间接复合间接复合:非平衡载流子通过复合中心的复合非平衡载流子通过复合中心的复合。 讨论具有一种复合中心能级的简单情况讨论具有一种复合中心能级的简单情况 禁带中有了复合中心能级，就好像多了一个台禁带中有了复合中心能级，就好像多了一个台阶，电子阶，电子-空穴的复合可分两步走：空穴的复合可分两步走：第一步第一步，导带电子落入复合中心能级；，导带电子落入复合中心能级；第二步第二步，这个电子再落入价带与空穴复合。，这个电子再落入价带与空穴复合。 复合中心恢复到原来空着的状态，又可以再去复合中心恢复到原来空着的状态，又可以再去完成下一次的复合过程。完成下一次的复合过程。 甲过程甲过程：俘获

129、电子过程。复合：俘获电子过程。复合中心能级中心能级Et从导带俘获电子。从导带俘获电子。乙过程乙过程：发射电子过程。复合：发射电子过程。复合中心能级中心能级Et上的电子被激发到导上的电子被激发到导带（甲的逆过程）。带（甲的逆过程）。丙过程丙过程：俘获空穴过程。电子：俘获空穴过程。电子由复合中心能级由复合中心能级Et落入价带与空落入价带与空穴复合。穴复合。(复合中心能级从价带复合中心能级从价带俘获一个空穴俘获一个空穴)丁过程丁过程：发射空穴过程。价带：发射空穴过程。价带电子被激发到复合中心能级电子被激发到复合中心能级Et上。上。(复合中心能级向价带发射了一复合中心能级向价带发射了一个空穴个空穴)（

130、丙的逆过程）（丙的逆过程） 研究发现研究发现 非平衡载流子寿命与复合中心浓度成反比非平衡载流子寿命与复合中心浓度成反比，即复，即复合中心浓度越高，非平衡载流子复合得越快，复合中合中心浓度越高，非平衡载流子复合得越快，复合中心浓度越小，非平衡载流子复合得越慢。心浓度越小，非平衡载流子复合得越慢。实验证明实验证明 在在锗锗中，锰（中，锰（Mn）、铁（）、铁（Fe）、钴（）、钴（Co）、金）、金（Au）、铜（）、铜（Cu）、镍（）、镍（Ni）等可以形成复合中心；）等可以形成复合中心； 在在硅硅中金（中金（Au）、铜（）、铜（Cu）、铁（）、铁（Fe）、锰）、锰（Mn）、铟（）、铟（In）等可以形成复

131、合中心。）等可以形成复合中心。 表面复合表面复合表面复合是指在表面复合是指在半导体表面发生的复合半导体表面发生的复合过程。过程。 少数载流子寿命值在很大程度上受半导体样品的少数载流子寿命值在很大程度上受半导体样品的形状形状和和表面状态表面状态的影响。的影响。 例如，实验发现，经过吹砂处理或用金刚砂粗磨例如，实验发现，经过吹砂处理或用金刚砂粗磨的样品，其寿命很短。而细磨后再经过适当化学腐蚀的样品，其寿命很短。而细磨后再经过适当化学腐蚀的样品，寿命要长得多。的样品，寿命要长得多。 实验还表明，对于同样的表面情况，样品越小，实验还表明，对于同样的表面情况，样品越小，寿命越短。寿命越短。 可见，可见，

132、半导体表面确实有促进复合的作用半导体表面确实有促进复合的作用。 表面处的杂质和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中表面处的杂质和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中心能级，因而，就复合机构讲，心能级，因而，就复合机构讲，表面复合仍然是间接复表面复合仍然是间接复合合。 间接复合理论完全可以用来处理表面复合问题。间接复合理论完全可以用来处理表面复合问题。 考虑了表面复合，实际测得的考虑了表面复合，实际测得的寿命应该是体内复合和表寿命应该是体内复合和表面复合的综合结果面复合的综合结果。 设这两种复合是单独平行地发生的。用设这两种复合是单独平行地发生的。用v表示体内复合表示体内复合寿命，则寿命，则1/v就是体

133、内复合几率。若用就是体内复合几率。若用s表示表面复合寿表示表面复合寿命，则命，则1/s就表示表面复合几率。就表示表面复合几率。 总的复合几率总的复合几率:有效寿命有效寿命 俄歇复合俄歇复合 载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子-空穴复空穴复合时，把多余的能量传递给另一个载流子，使这个载流合时，把多余的能量传递给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量以级时，多余的能量以声子声子的形式放出，这种复合称为俄的形式放出，这种复合称为俄歇复合。歇复合。 俄歇复合又可分为俄

134、歇复合又可分为带间俄歇复合带间俄歇复合和和与杂质和缺陷有与杂质和缺陷有关的俄歇复合关的俄歇复合。 一般来说，带间俄歇复合在窄禁带半导体中及高温一般来说，带间俄歇复合在窄禁带半导体中及高温情况下起着重要作用，而与杂质和缺陷有关的俄歇复合情况下起着重要作用，而与杂质和缺陷有关的俄歇复合过程，常常会影响半导体发光器件的发光效率。过程，常常会影响半导体发光器件的发光效率。 影响非平衡载流子寿命的因素影响非平衡载流子寿命的因素材料的种类材料的种类杂质的含量（特别是深能级杂质）杂质的含量（特别是深能级杂质）表面状态表面状态缺陷的密度缺陷的密度外部条件（外界气氛）外部条件（外界气氛）很大程度上反映了晶格的完整性，很大程度上反映了晶格的完整性，很大程度上反映了晶格的完整性，很大程度上反映了晶格的完整性，可以衡量材料的质量，可以衡量材料的质量，可以衡量材料的质量，可以衡量材料的质量，故常被称作故常被称作故常被称作故常被称作“ “结构灵敏结构灵敏结构灵敏结构灵敏” ”的参数。的参数。的参数。的参数。练习练习P30 10，11