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下一页上一页半导体物理基础下一页上一页OUTLINE半导体及其基本特性基本导电性影响导电性的因素掺杂：杂质的种类和数量光照等导电能力的表征：电导率、电阻率和迁移率。下一页上一页固体材料：超导体:大于106(cm)-1导体:106~104(cm)-1半导体:104~10-10(cm)-1绝缘体:小于10-10(cm)-1？什么是半导体下一页上一页本征半导体结构GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。下一页上一页本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：下一页上一页硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子下一页上一页共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子(价电子)，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4下一页上一页在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。半导体中的基本导电性下一页上一页+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子下一页上一页电子：Electron，价电子脱离共价键束缚后，成为自由运动的电子，带负电的导电载流子空穴：Hole，价电子脱离原子束缚后形成的电子缺位，可以自由移动，正电的导电载流子半导体中的载流子：电子和空穴载流子：能够导电的自由粒子下一页上一页不同的半导体，电子摆脱束缚需要的能量不同硅：1.12eV锗：原子序数32，对价电子的束缚较弱，0.78eV化合物半导体共价键结合每个III族原子周围有4个V族原子，V族原子周围有4个III族原子V族原子把一个电子转移给III族原子，有一定离子性，结合强度增大电子脱离共价键束缚需要的能量：1.43eV电子摆脱共价键的能量下一页上一页电子摆脱共价键的方式晶体内原子的热运动常温下，硅中热运动激发产生的电子、空穴很少，对硅的导电性影响很小光照常温下硅的导电性杂质温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。下一页上一页施主和受主浓度：ND、NA受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。硅中掺有受主杂质，靠受主提供的空穴导电P型半导体BAs受主掺杂III族：B等施主：Donor，掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。硅中掺有施主杂质，靠施主提供的电子导电N型半导体施主掺杂V族：P,As,等半导体的掺杂下一页上一页电导率、电阻率和迁移率均匀导电材料：电阻或电导来表示导电能力，电场不很强，欧姆定律杂质半导体的导电电流不均匀微分欧姆定律：j＝E＝E/电导率与杂质浓度的关系半导体导电能力的表征j为通过单位面积的电流强度，为电导率，为电阻率下一页上一页常温下电子无规则运动：不会形成电流漂移运动：存在电场，由电场作用而产生电子沿电场方向的运动，产生一定定向速度j=nqv，v是电场作用下的平均漂移速度单位时间通过单位面积的电荷量（电流密度）v＝uE：u为载流子的迁移率（单位电场作用下的平均漂移速度）由微分欧姆定律：j＝E＝nqv＝nquE＝nqu：为电导率与半导体中的载流子浓度n有关与载流子的迁移率u有关定量分析（以n半导体为例）下一页上一页单位电场作用下载流子获得平均速度反映了载流子在电场作用下输运能力（导电能力），载流子运动速度，器件的工作速度电子的迁移率高于空穴的迁移率迁移率迁移率的大小与掺杂浓度和温度有关下一页上一页载流子在运动过程中，与晶格、杂质、缺陷发生碰撞，无规则地改变运动方向，发生散射；经历一次散射载流子丧失了原有定向运动速度单位电场下载流子的平均漂移速度（迁移率）等于载流子在两次散射之间单位电场力加速获得的平均速度影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间（平均自由运动时间）载流子的散射下一页上一页有效质量与半导体材料有关电子和空穴的有效质量m*电子的有效质量比空穴小部分III-V族化合物半导体中电子的有效质量更小下一页上一页平均弛豫时间两次散射间，载流子的平均自由运动时间载流子散射对迁移率的影响影响迁移率的因素：有效质量平均弛豫时间下一页上一页半导体中载流子的散射机制：•晶格散射（晶格热运动引起）•电离杂质散射（带电中心对载流子的吸引、排斥）掺杂浓度增大，电离杂质散射增强，则迁移率下降下一页上一页温度升高，晶格散射增大，对于低掺杂浓度半导体，则迁移率下降下一页上一页OUTLINE半导体及其基本特性基本导电性影响导电性的因素掺杂：杂质的种类和数量光照等导电能力的表征：电导率、电阻率和迁移率。