第6章 固体物理和新材料 §6.5.ppt

§ 半导体(semiconductor)
一、本征半导体
纯净的半导体
没有杂质、缺陷
空带
满带
Eg
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si原子 4个价电子,与另4个原子形成共价结合
热激发
· 电子导电. . . . . . 半导体的载流子是电子
· 空穴导电. . . . . . 半导体的载流子是空穴
电子和空穴是成对出现的.
T=0 k 导带中无电子,满带中无空穴
T = 300 k 室温有电子、空穴,两者浓度相等:
Si Eg= eV ni = pi =×1010 cm-3
Ge Eg= eV ni = pi =×1013 cm-3
导带中的电子和满带中的空穴都可以导电
本征半导体既有电子导电也有空穴导电.
二、杂质半导体
1. n 型半导体
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
杂质原子的能级可分布在禁带中不同位置处)
导带
价带
Ge

P

As

Sb
B

In

Ga

Co

Au

Mn
五价元素
三价元素
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
空带
满带
Eg
. . . . . . .
施主能级
ED
ED
~10-2eV , 室温下,杂质能级的电子大都被激发到导带中形成电子导电. 该能级称为施主能级(donor).
P
+
设 Si中P的含量为10-4
Si 原子数:~1022 cm-3
P 原子数:~1018 cm-3
在n型半导体中
电子是多数载流子-电子导电
2. P型半导体
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 型半导体
室温下: 本征激发
导带中的电子数 nn=×1010
满带中的空穴数 pn=×1010 cm-3
杂质激发
+1018
=1018 cm-3
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
空带
Ea
受主能级
Eg
满带
B
~10-2eV , 室温下,满带中的电子被激发到杂质能级上,满带中留下很多空穴,
Ea
形成空穴导电.
该杂质能级称为受主能级(acceptor).
+
设 Si中B的含量为10-4
Si 原子数:~1022 cm-3
B 原子数:~1018 cm-3
在p型半导体中
空穴是多数载流子-空穴导电
室温下: 本征激发
导带中的电子数 np=×1010 cm-3
满带中的空穴数 pp=×1010
杂质激发
+1018
=1018 cm-3
p型半导体中的空穴浓度 pp~ na
n型半导体中的电子浓度 nn~ nd
nd : 施主杂质浓度 na : 受主杂质浓度
3. n型化合物半导体
例如, 化合物GaAs中掺Te,
六价Te替代五价As可形成施主能级,
成为n型GaAs杂质半导体.
4. P型化合物半导体
例如, 化合物GaAs中掺Zn,
二价Zn替代三价Ga可形成受主能级,
成为P型GaAs杂质半导体.
三、杂质的补偿作用
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:
若 nd > na-------- 为n型(施主)
若 nd < na-------- 为p型(受主)
利用杂质的补偿作用, 可以制成p--N结.
1、P-N结的形成
P
N
空穴浓度
电子浓度
四、P-N结