半导体技术基础 教学课件 作者 杜中一 主编 王永姚伟鹏 副主编 第2章 半导体物理基础.ppt

尚辅网 尚辅网 第2章 半导体物理基础 * 尚辅网 2.1 半导体能带 2.1.1 电子的共有化 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，可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。 由于晶体中原子的周期性排列而使电子不再为单个原子所有的现象，称为电子共有化。在晶体中，不但外层价电子的轨道有交叠，内层电子的轨道也可能有交叠，它们都会形成共有化运动，但内层电子的轨道交叠较少，共有化程度弱些，外层电子轨道交叠较多，共有化程度强些。 尚辅网 电子共有化示意图 尚辅网 2.1.2 能带 在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布，这种能量值称为能级。 1.能带 晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近（以硅为例，每立方厘米的体积内有5×1022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm ），致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。 尚辅网 2．允带、禁带、满带、空带 允许被电子占据的能带称为允许带，也叫允带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带。 尚辅网 3.价带、导带 1）价带与导带的意义 对于半导体，所有价电子所处的能带是所谓价带，比价带能量更高的能带是导带。导带是半导体最外面（能量最高）的一个能带，是由许多准连续的能级组成的；是半导体的一种载流子，即自由电子（简称为电子）所处的能量范围。 2）价带与导带的关系 导带底是导带的最低能级，可看成是电子的势能，通常，电子就处于导带底附近；离开导带底的能量高度，则可看成是电子的动能。导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔为禁带宽度Eg，单位是能量单位：eV（电子伏特）。 尚辅网 价带与导带的关系 尚辅网 导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。 尚辅网 对于未掺杂的本征半导体，导带中的电子是由它下面的一个能带（即价带）中的电子（价电子）跃迁上来而形成的，这种产生电子（同时也产生空穴，空穴是半导体的另外一种载流子）的过程，称为本征激发。 在本征激发过程中，电子和空穴是成对产生的，则总是电子浓度等于空穴浓度，这实际上就是本征半导体的特征。 价带顶与导带底之间的能量差，就是所谓半导体的禁带宽度。这就是产生本征激发所需要的最小平均能量。这是半导体最重要的一个特征参量。 尚辅网 2.1.3 杂质能级 理想的半导体晶体是十分纯净不含任何杂质，晶格中的原子严格按周期排列的。但实际应用中的半导体材料原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动，半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质的。 1.半导体中的杂质 半导体中的杂质主要有两方面的来源，一是制备半导体的原材料纯度不够高以及单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污；二是为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。 尚辅网 杂质存在半导体晶体中的填充方式有两种，一种是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，叫做间隙式杂质填充；第二种是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，叫做替位式杂质填充。 尚辅网 2.施主（donor）杂质和施主能级 以硅中掺入磷（P）为例，来说明Ⅴ族元素杂质的作用。当一个磷原子占据了硅原子的位置 ，磷原子成为一个带有一个正电荷的磷离子（P+），称为正电中心磷离子 。其效果相当于形成了一个正电中心和一个多余的电子。 尚辅网 Ⅴ族元素杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质，也称为N型杂质。施放电子的过程称为施主电离。 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。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杂质电离能，用ΔED表示。 施主杂质的电离过程用能带图表示，电子得到能量ΔED后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，被施主杂质束缚时的电子的能量比导带底EC低ΔE