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与温度的关系 含一定杂质浓度的硅电阻率与 温度的关系图 A B C 电阻率 温度 杂质离化区 过渡区 高温本征激发区 AB段：电离杂质电离 电离杂质散射 BC段：电离杂质电离、电离杂质散射变为晶格振动散射 C段：本征激发 5 非平衡载流子 单位时间、单位体积内产生的数目Q—产生率 电子—空穴产生 电子—空穴复合 单位时间、单位体积内消失的数目Q—产生率 当产生与复合的速率相等时，即达到热平衡状态 外界因素的作用下 外界提供能量激发产生多余载流子，导致热平衡状态遭到破坏，将比平衡状态多出的载流子称为非平衡载流子或过剩载流子。 故非平衡载流子浓度为： 准费米能级 半导体处于热平衡状态时，整个半导体有统一的费米能级，统一的费米能级是热平衡状态的标志。 当有非平衡载流子存在时，费米能级不再统一。设电子和空穴的准费米能级分别为EFn和EFp ，则两者占据能级E的概率可写为： 则非平衡浓度写为 由于体系中电子与空穴浓度都有所增加，故而两者的准费米能级均偏离与EF偏离结果如下图。两者的值反映了半导体半导体偏离热平衡状态的程度。 非平衡载流子的注入：即非平衡载流子的产生过程。根据外部作用能量的传递方式不同可分为光注入、电注入、高能粒子注入。 非平衡载流子的复合：被激发电子回到价带中，使电子—空穴成对消失的称为复合。 非平衡载流子的寿命：复合是一个非平衡载流子逐渐衰减的过成，将其产生与复合之间的弛豫过程时间，叫做寿命。半导体的寿命取决于材料种类、掺杂种类和晶体的完整程度。 非平衡载流子的注入与复合 非平衡载流子的复合理论 直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁复合。 间接复合：电子与空穴通过禁带中的复合中心复合。 载流子复合是电子从高能级向低能级跃迁，必将伴随着能量的释放，释放的方式： ① 发射光子，称为发光复合或辐射复合； ② 发射声子，即向晶格释放能量，加强晶格振动； ③ 俄歇复合，即将能量传给其他载流子，促进电子激发。 直接复合 间接复合 复合中心：有促进复合作用的杂质和缺陷称为复合中心 ①俘获电子过程：复合中心能级俘获导带来电子； ② 发射电子过程：复合能级上电子激发至导带； ③ 俘获空穴过程：复合中心能级上电子落到价带复合； ④ 发射空穴过程：复合中心能级向价带发射空穴。 6 PN结的形成及其能带结构 p-n结定义：p型半导体和n型半导体结合的交界面。 形成p-n结的工艺方法有生长法，合金法，扩散法、粒子注入法等。形成的p-n结可大致分为两类：突变结与缓变结。 突变结：p、n区杂质均匀分布，两侧杂质类型及 浓度突然变化（合金法或离子注入法 ） 缓变结：从一区域到另一个区域杂质浓度是逐渐变化的（扩散法 ） 多子扩散和少子漂移达到动态平衡 浓度差 形成空间电荷区 形成内建电场 促使少子漂移阻止多子扩散 空间电荷区及能带结构 多子的扩散运动 多子扩散增加空间电荷区宽度，少子漂移减少空间电荷区宽度，平衡时宽度稳定 内建电场： 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）。 内建电场的存在会引起能带的运动。根据费米能级的意义，电子从费米能级高的n区向p区运动，空穴从费米能级低的p区相n去运动，故而EFn下移、EFp上移，直到两者相等，故而形成统一的费米能级。 P-N结的接触电势差 由于pn结内部的费米能级与导带底之间的距离是相等的，故而内建电势差可以有p区和n区内部费米能级的差值来表示 n区电子平衡浓度： p区电子平衡浓度： 在非简并情况下近似有 因此接触电势差与杂质浓度ND、NA、温度T、材料平衡载流子浓度(ni)有关 半导体电子论 主讲人：XXXXXX CONTENTS 1 半导体概述及其能带结构 2 杂质及缺陷能级 3 载流子的统计分布 4 导电性 5 非平衡载流子 6 P-N结简要概述 1 半导体概述及其能带结构 半导体（semiconductor），指常温下导电性能介于导体（conductor）与绝缘体（insulator）之间且具有负的温度系数的材料，其电阻率介于10-8Ω·m~106Ω·m之间。 主要的半导体材料主要有 元素半导体：硅、锗等 化合物半导体：Ⅲ-Ⅴ：砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、锑化镓（GaSb）、磷化铟（InP）；Ⅱ-Ⅵ：硫化锌（ZnS）、硫化镉（CdS） 半导体的晶体结构 （a）金刚石结构：以四面体为单元的长程规则排列，例如硅、锗。 （b）闪锌矿结构：大部分Ⅲ-Ⅴ族化合物，如砷化镓等，大部分Ⅱ-Ⅵ