1、半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體材料的晶格結構 電子和空穴的概念 半導體的電性能和導電機理 載流子的漂移運動和擴散運動 非平衡載流子的產生和復合 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半

2、導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 2/3a2/3a2/3a2/3a 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 晶體的各向異性晶體的各向異性 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 晶面指數（密勒指數）晶面指數（密勒指數） 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導

3、體器件物理 晶列指數晶列指數晶向指數晶向指數 任何兩個原子之間的任何兩個原子之間的 連線在空間有許多與連線在空間有許多與 它相同的平行線。它相同的平行線。 一族平行線所指的方一族平行線所指的方 向用晶列指數表示向用晶列指數表示 晶列指數是按晶列矢晶列指數是按晶列矢 量在坐標軸上的投影量在坐標軸上的投影 的比例取互質數的比例取互質數 111、100、110 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 晶面指數（密勒指數）晶面指數（密勒指數） 任何三個原子組成的晶面在空間有許多和它相同任何三個原子組成的晶面在空間有許多和它相同 的平行晶面的平行晶面 一族平行晶面用晶面指數來表示一族平

4、行晶面用晶面指數來表示 它是按晶面在坐標軸上的截距的倒數的比例取互它是按晶面在坐標軸上的截距的倒數的比例取互 質數質數 (111)、(100)、(110) 相同指數的晶面和晶列互相垂直。相同指數的晶面和晶列互相垂直。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 立方晶體有幾個立方晶體有幾個 、? 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理

5、 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 E1 E2 E3 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體中的電子是在周期性排列半導體中的電子是在周期性排列 且固定不動的大量原子核的勢場且固定不動的大量原子核的勢場 和其他大量電子的和其他大量電子的平均勢場平均勢場中運動。中運動。 這個平均勢場也是這個平均勢場也是周期性變化周期性變化的，的， 且周期與晶格周期相同。且周期與晶格周期相同。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 當原子之間距離逐步接近時，原子周圍電子的能當原子之間距離逐

6、步接近時，原子周圍電子的能 級逐步轉變為能帶，下圖是金剛石結構能級向能級逐步轉變為能帶，下圖是金剛石結構能級向能 帶演變的示意圖。帶演變的示意圖。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 練習練習 試畫出硅、鍺和試畫出硅、鍺和 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 價帶中由于少了一些電子，在價帶頂部附近出現了一些價帶中由于少了一些電子，在價帶頂部附近出現了一些 ，價帶即成了部分占滿的能

7、帶（相當于半滿，價帶即成了部分占滿的能帶（相當于半滿 帶），在外電場作用下，仍留在價帶中的電子也能起導電帶），在外電場作用下，仍留在價帶中的電子也能起導電 作用。作用。 價帶電子的這種導電作用相當于把這些空的量子狀態看作價帶電子的這種導電作用相當于把這些空的量子狀態看作 帶正電荷的帶正電荷的“準粒子準粒子”的導電作用，常把這些滿帶中因失的導電作用，常把這些滿帶中因失 去了電子而留下的空位稱為空穴。去了電子而留下的空位稱為空穴。 所以，所以，在半導體中，導帶的電子和價帶的空穴均參與導電在半導體中，導帶的電子和價帶的空穴均參與導電， 這與金屬導體導電有很大的區別。這與金屬導體導電有很大的區別。 半

8、導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 思考思考 既然半導體電子和空穴都能導電，而導既然半導體電子和空穴都能導電，而導 體只有電子導電，為什么半導體的導電體只有電子導電，為什么半導體的導電 能力比導體差？能力比導體差？ 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 圖圖1-7 一定溫度下半導體的能帶示意圖一定溫度下半導體的能帶示意圖 導帶電子的最低能量導帶電子的最低能量 價帶電子的最高能量價帶電子的最高能量 Eg=Ec-Ev 由于溫度，價鍵上的電子由于溫度，價鍵上的電子 激發成為準自由電子，亦激發成為準自由電子，亦 即價帶電子激發成為導帶即價帶電子激發成為導帶 電子

9、的過程電子的過程 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 注意三個注意三個“準準” 準連續準連續 準粒子準粒子 準自由準自由 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 練習練習 整理空帶、滿帶、半滿帶、價帶、導帶、整理空帶、滿帶、半滿帶、價帶、導帶、 禁帶、導帶底、價帶頂、禁帶寬度的概念。禁帶、導帶底、價帶頂、禁帶寬度的概念。 簡述空穴的概念。簡述空穴的概念。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 十分純凈十分純凈 不含任何雜質不含任何雜質 晶格中的原子嚴格晶格中的原子嚴格 按周期排列的按周期排列的 原子并不是靜止在具有嚴格周期性原子并不是

10、靜止在具有嚴格周期性 的晶格的格點位置上，而是在其平的晶格的格點位置上，而是在其平 衡位置附近衡位置附近振動振動 并不是純凈的，而是含有若干并不是純凈的，而是含有若干雜質雜質， 即在半導體晶格中存在著與組成半即在半導體晶格中存在著與組成半 導體的元素不同的其他化學元素的導體的元素不同的其他化學元素的 原子原子 晶格結構并不是完整無缺的，而存晶格結構并不是完整無缺的，而存 在著各種形式的在著各種形式的缺陷缺陷 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 在硅晶體中，若以在硅晶體中，若以105個硅原子中摻入一個個硅原子中摻入一個雜質雜質原原 子的比例摻入硼（子的比例摻入硼（B）原子，

11、則硅晶體的導電率在室溫）原子，則硅晶體的導電率在室溫 下將增加下將增加103倍。倍。 用于生產一般硅平面器件的硅單晶，用于生產一般硅平面器件的硅單晶，位錯位錯密度要求密度要求 控制在控制在103cm-2以下，若位錯密度過高，則不可能生產出以下，若位錯密度過高，則不可能生產出 性能良好的器件。性能良好的器件。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 由于雜質和缺陷的存在，會使嚴格按周期排列的原子所產由于雜質和缺陷的存在，會使嚴格按周期排列的原子所產 生的生的周期性勢場受到破壞周期性勢場受到破壞，有可能在，有可能在禁帶中引入禁帶中引入允許電子允許電子 存在的能量狀態（即存在的能量

12、狀態（即能級能級），從而對半導體的性質產生決），從而對半導體的性質產生決 定性的影響。定性的影響。 一）制備半導體的原材料一）制備半導體的原材料純度不夠高純度不夠高； 二）半導體單晶制備過程中及器件制造過程中的二）半導體單晶制備過程中及器件制造過程中的沾污沾污； 三）為了半導體的性質而三）為了半導體的性質而人為地摻入人為地摻入某種化學元素的原子。某種化學元素的原子。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 原子只占晶胞體積的原子只占晶胞體積的34%，還有，還有66%是空隙，是空隙， 這些空隙通常稱為這些空隙通常稱為間隙位置間隙位置。 一）雜質原子位于晶格一）雜質原子位于晶格

13、原子間的間隙位置，原子間的間隙位置， 間隙式雜質間隙式雜質/填充填充； 二）雜質原子取代晶格二）雜質原子取代晶格 原子而位于晶格格點處，原子而位于晶格格點處， 替位式雜質替位式雜質/填充填充。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 間隙式雜質間隙式雜質 原子半徑一般比較小原子半徑一般比較小，如鋰離子（，如鋰離子（Li+）的半徑為）的半徑為0.68 ，所，所 以鋰離子進入硅、鍺、砷化鎵后以間隙式雜質的形式存在。以鋰離子進入硅、鍺、砷化鎵后以間隙式雜質的形式存在。 替位式雜質替位式雜質 原子的半徑與被取代的晶格原子的半徑大小比較相近原子的半徑與被取代的晶格原子的半徑大小比較相近

14、，且它，且它 們的們的價電子殼層結構也比較相近價電子殼層結構也比較相近。如硅、鍺是。如硅、鍺是族元素，與族元素，與 、族元素的情況比較相近，所以族元素的情況比較相近，所以、族元素在硅、鍺族元素在硅、鍺 晶體中都是替位式雜質。晶體中都是替位式雜質。 單位體積中的雜質原子數，單位單位體積中的雜質原子數，單位cm-3 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 硅中摻入磷（硅中摻入磷（P）為例，研究）為例，研究 族元素雜質的作用。當一個族元素雜質的作用。當一個 磷原子磷原子占據占據了硅原子的位置，了硅原子的位置， 如圖所示，磷原子有五個價電如圖所示，磷原子有五個價電 子，其中四個價電子

15、與周圍的子，其中四個價電子與周圍的 四個硅原子形成共價鍵，還剩四個硅原子形成共價鍵，還剩 余一個價電子。磷原子成為一余一個價電子。磷原子成為一 個帶有一個正電荷的磷離子個帶有一個正電荷的磷離子 （P+），稱為），稱為正電中心磷離子正電中心磷離子。 其效果相當于形成了其效果相當于形成了一個正電一個正電 中心和一個多余的電子中心和一個多余的電子。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 多余的電子束縛在正電中心周圍，但這種束縛作用比共價鍵多余的電子束縛在正電中心周圍，但這種束縛作用比共價鍵 的束縛作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余電子掙脫的束縛作用弱得多，只要很小的能量就可以

16、使多余電子掙脫 束縛，成為自由電子在晶格中運動，起到導電的作用。這時束縛，成為自由電子在晶格中運動，起到導電的作用。這時 磷原子就成了一個少了一個價電子的磷離子，它是一個不能磷原子就成了一個少了一個價電子的磷離子，它是一個不能 移動的正電中心。移動的正電中心。 多余電子脫離雜質原子成為導電電子的過程稱為多余電子脫離雜質原子成為導電電子的過程稱為雜質電離雜質電離。 使這個多余電子掙脫束縛成為導電電子所需要的能量稱為使這個多余電子掙脫束縛成為導電電子所需要的能量稱為雜雜 質電離能質電離能，用，用ED表示。表示。 實驗測得，實驗測得，族元素原子在硅、鍺中的電離能很小（即多余族元素原子在硅、鍺中的電離

17、能很小（即多余 電子很容易掙脫原子的束縛成為導電電子），在硅中電離能電子很容易掙脫原子的束縛成為導電電子），在硅中電離能 約為約為0.040.05eV，在鍺中電離能約為，在鍺中電離能約為0.01 eV，比硅、鍺的禁，比硅、鍺的禁 帶寬度小得多。帶寬度小得多。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 族元素雜質在硅、鍺中電離時，能夠施放電子而族元素雜質在硅、鍺中電離時，能夠施放電子而 產生產生導電電子導電電子并形成并形成正電中心正電中心。 施放電子的過程稱為施放電子的過程稱為施主電離施主電離。 施主雜質在未電離時是中性的，稱為施主雜質在未電離時是中性的，稱為束縛態束縛態或或中性

18、態中性態， 電離后成為正電中心，稱為電離后成為正電中心，稱為離化態離化態。 施主雜質施主雜質/N型雜質型雜質 電子型半導體電子型半導體/N型半導體型半導體 純凈半導體中摻入施主雜質后，施主雜質電離，使導帶中純凈半導體中摻入施主雜質后，施主雜質電離，使導帶中 的導電電子增多（電子密度大于空穴密度），增強了半導的導電電子增多（電子密度大于空穴密度），增強了半導 體的導電能力，成為主要依靠電子導電的半導體材料。體的導電能力，成為主要依靠電子導電的半導體材料。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 施主能級施主能級用離導帶底用離導帶底Ec為為ED處的處的短短 線段線段表示，表示，施

19、主能級上的小黑點表示施主能級上的小黑點表示 被施主雜質束縛的電子被施主雜質束縛的電子。箭頭箭頭表示被表示被 束縛的電子得到電離能后從施主能級束縛的電子得到電離能后從施主能級 躍遷到導帶成為導電電子的躍遷到導帶成為導電電子的電離過程電離過程。 導帶中的小黑點表示進入導帶中的電導帶中的小黑點表示進入導帶中的電 子子， 表示施主雜質電離后帶表示施主雜質電離后帶 正電，成為不可移動的正電，成為不可移動的正點中心正點中心。 電子得到能量電子得到能量ED后，后， 就從施主的束縛態躍遷就從施主的束縛態躍遷 到導帶成為導電電子，到導帶成為導電電子， 被施主雜質束縛時的電被施主雜質束縛時的電 子的能量比導帶底子

20、的能量比導帶底Ec低低 ED，稱為，稱為施主能級施主能級， 用用ED表示。由于表示。由于ED遠遠 小于禁帶寬度小于禁帶寬度Eg，所以，所以 施主能級位于離導帶底施主能級位于離導帶底 很近的禁帶中很近的禁帶中。由于施。由于施 主雜質相對較少，雜質主雜質相對較少，雜質 原子間的相互作用可以原子間的相互作用可以 忽略，所以忽略，所以施主能級施主能級可可 以看作是以看作是一些具有相同一些具有相同 能量的孤立能級能量的孤立能級， 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 硅中摻入硼（硅中摻入硼（B）為例，研究）為例，研究 族元素雜質的作用。當一個硼原族元素雜質的作用。當一個硼原 子子占據

21、占據了硅原子的位置，如圖所了硅原子的位置，如圖所 示，硼原子有三個價電子，當它示，硼原子有三個價電子，當它 和周圍的四個硅原子形成共價鍵和周圍的四個硅原子形成共價鍵 時，還缺少一個電子，必須從別時，還缺少一個電子，必須從別 處的硅原子中奪取一個價電子，處的硅原子中奪取一個價電子， 于是在硅晶體的共價鍵中產生了于是在硅晶體的共價鍵中產生了 一個空穴。硼原子成為一個帶有一個空穴。硼原子成為一個帶有 一個負電荷的硼離子（一個負電荷的硼離子（B-），稱），稱 為為負電中心硼離子負電中心硼離子。其效果相當。其效果相當 于形成了于形成了一個負電中心和一個多一個負電中心和一個多 余的空穴余的空穴。 半導體器

22、件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 多余的空穴束縛在負電中心周圍，但這種束縛作用比共價鍵多余的空穴束縛在負電中心周圍，但這種束縛作用比共價鍵 的束縛作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余空穴掙脫的束縛作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余空穴掙脫 束縛，成為自由空穴在晶格中運動，起到導電的作用。這時束縛，成為自由空穴在晶格中運動，起到導電的作用。這時 硼原子就成了一個多了一個價電子的硼離子，它是一個不能硼原子就成了一個多了一個價電子的硼離子，它是一個不能 移動的負電中心。移動的負電中心。 多余空穴脫離雜質原子成為導電空穴的過程稱為多余空穴脫離雜質原子成為導電空穴的過程稱為雜質電離

23、雜質電離。 使這個多余空穴掙脫束縛成為導電空穴所需要的能量稱為使這個多余空穴掙脫束縛成為導電空穴所需要的能量稱為雜雜 質電離能質電離能，用，用EA表示。表示。 實驗測得，實驗測得，族元素原子在硅、鍺中的電離能很小（即多余空族元素原子在硅、鍺中的電離能很小（即多余空 穴很容易掙脫原子的束縛成為導電空穴），穴很容易掙脫原子的束縛成為導電空穴）， 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 族元素雜質在硅、鍺中能接受電子而產生族元素雜質在硅、鍺中能接受電子而產生導電空穴導電空穴， 并形成并形成負電中心負電中心。 受主雜質受主雜質/P型雜質型雜質 空穴掙脫受主雜質束縛的過程稱為空穴掙脫受

24、主雜質束縛的過程稱為受主電離受主電離。 受主雜質未電離時是中性的，稱為受主雜質未電離時是中性的，稱為束縛態束縛態或或中性態中性態。 空穴型半導體空穴型半導體/P型半導體型半導體 純凈半導體中摻入受主雜質后，受主雜質電離，使價帶中的純凈半導體中摻入受主雜質后，受主雜質電離，使價帶中的 導電空穴增多（空穴密度大于電子密度），增強了半導體的導電空穴增多（空穴密度大于電子密度），增強了半導體的 導電能力，成為主要依靠空穴導電的半導體材料。導電能力，成為主要依靠空穴導電的半導體材料。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 受主能級受主能級用離價帶頂用離價帶頂EV為為EA處的處的短線段

25、短線段表表 示，示，受主能級上的小圓圈表示被施主雜質束受主能級上的小圓圈表示被施主雜質束 縛的空穴縛的空穴。箭頭箭頭表示被束縛的空穴得到電離表示被束縛的空穴得到電離 能后從受主能級躍遷到價帶成為導電空穴能后從受主能級躍遷到價帶成為導電空穴 （即價帶頂的電子躍遷到受主能級上填充空（即價帶頂的電子躍遷到受主能級上填充空 位）的位）的電離過程電離過程。價帶中的小圓圈表示進入價帶中的小圓圈表示進入 價帶中的空穴價帶中的空穴，表示受主雜質電離后帶負表示受主雜質電離后帶負 電，成為不可移動的電，成為不可移動的負點中心負點中心。 空穴得到能量空穴得到能量EA后，后， 就從受主的束縛態躍遷就從受主的束縛態躍遷

26、 到價帶成為導電空穴，到價帶成為導電空穴， 被受主雜質束縛時的空被受主雜質束縛時的空 穴的能量比價帶頂穴的能量比價帶頂EV低低 EA，稱為，稱為受主能級受主能級， 用用EA表示。由于表示。由于EA遠遠 小于禁帶寬度小于禁帶寬度Eg，所以，所以 受受主能級位于價帶頂很主能級位于價帶頂很 近的禁帶中近的禁帶中。由于受主。由于受主 雜質相對較少，雜質原雜質相對較少，雜質原 子間的相互作用可以忽子間的相互作用可以忽 略，所以略，所以受主能級受主能級可以可以 看作是看作是一些具有相同能一些具有相同能 量的孤立能級量的孤立能級， 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 綜上所述綜上所述

27、半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 施主和受主雜質之間有相互抵消的作用施主和受主雜質之間有相互抵消的作用 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 ND 施主雜質濃度施主雜質濃度 NA 受主雜質濃度受主雜質濃度 n 導帶中的電子濃度導帶中的電子濃度 p 價帶中的空穴濃度價帶中的空穴濃度 假設施主和受主雜質全部電離時，分情況討論雜質的補償作用。假設施主和受主雜質全部電離時，分情況討論雜質的補償作用。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半

28、導體器件物理 當當NDNA時，因為受主能級時，因為受主能級 低于施主能級，所以施主雜低于施主能級，所以施主雜 質的電子首先躍遷到受主能質的電子首先躍遷到受主能 級上，填滿級上，填滿NA個受主能級，個受主能級， 還剩（還剩（ND-NA）個電子在施主）個電子在施主 能級上，在雜質全部電離的能級上，在雜質全部電離的 條件下，它們躍遷到導帶中條件下，它們躍遷到導帶中 成為導電電子，這時，成為導電電子，這時，n= ND-NAND，半導體是，半導體是N型的型的 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 當當NAND時，施主能級時，施主能級 上的全部電子躍遷到上的全部電子躍遷到 受主能級上后

29、，受主受主能級上后，受主 能級還有能級還有(NA-ND)個空個空 穴，它們可以躍遷到穴，它們可以躍遷到 價帶成為導電空穴，價帶成為導電空穴， 所以，所以，p=NA-NDNA， 半導體是半導體是P型的型的 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 經過補償之后，半導體中的經過補償之后，半導體中的凈雜質濃度凈雜質濃度 當當ND NA時，則（時，則（ND-NA）為）為有效施主濃度有效施主濃度； 當當NA ND時，則（時，則（NA-ND）為）為有效受主濃度有效受主濃度。 利用雜質補償的作用，就可利用雜質補償的作用，就可 以根據需要用以根據需要用擴散擴散或或離子注離子注 入入等方法來改變

30、半導體中某等方法來改變半導體中某 一區域的導電類型，以制備一區域的導電類型，以制備 各種器件。各種器件。 若控制不當，會出現若控制不當，會出現NDNA的現象，的現象， 這時，施主電子剛好填充受主能級，這時，施主電子剛好填充受主能級， 雖然晶體中雜質可以很多，但不能雖然晶體中雜質可以很多，但不能 向導帶和價帶提供電子和空穴，向導帶和價帶提供電子和空穴， （雜質的高度補償雜質的高度補償）。這種材料容）。這種材料容 易被誤認為是高純度的半導體，實易被誤認為是高純度的半導體，實 際上卻含有很多雜質，性能很差。際上卻含有很多雜質，性能很差。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 非非

31、、族元素摻入硅、鍺中也會在禁帶中引入能級。族元素摻入硅、鍺中也會在禁帶中引入能級。 非非、族元素產生的能級有以下兩個族元素產生的能級有以下兩個特點特點： （1）施主能級距離導帶底較遠，產生的受主能級距離價帶）施主能級距離導帶底較遠，產生的受主能級距離價帶 頂也較遠。稱為頂也較遠。稱為深能級深能級，相應的雜質稱為，相應的雜質稱為深能級雜質深能級雜質； （2）這些深能級雜質能產生）這些深能級雜質能產生多次電離多次電離，每一次電離相應地，每一次電離相應地 有一個能級。因此，這些雜質在硅、鍺的禁帶中往往有一個能級。因此，這些雜質在硅、鍺的禁帶中往往引入若干引入若干 個能級個能級。而且，。而且，有的雜質

32、既能引入施主能級，又能引入受主能有的雜質既能引入施主能級，又能引入受主能 級級。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 金，金，族元素，摻入鍺中，中性金原子（族元素，摻入鍺中，中性金原子（Au0）只有一個）只有一個 價電子，替位式填充。金比鍺少三個價電子，中性金原子價電子，替位式填充。金比鍺少三個價電子，中性金原子 的這一個價電子可以電離而躍入導帶，施主能級為的這一個價電子可以電離而躍入導帶，施主能級為ED，電，電 離能為（離能為（EC-ED）。）。 因為金的這個價電子被共價鍵所束縛，電離能很大，略小因為金的這個價電子被共價鍵所束縛，電離能很大，略小 于鍺的禁帶寬度，所以這

33、個施主能級靠近價帶頂。電離以于鍺的禁帶寬度，所以這個施主能級靠近價帶頂。電離以 后，中性金原子就成為帶一個電子電荷的正電中心后，中性金原子就成為帶一個電子電荷的正電中心Au+。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 另一方面，中性金原子還可以和周圍的四個鍺原子形成共價另一方面，中性金原子還可以和周圍的四個鍺原子形成共價 鍵，在形成共價鍵時，它可以從價帶接受三個電子，形成鍵，在形成共價鍵時，它可以從價帶接受三個電子，形成EA1、 EA2、EA3三個受主能級。三個受主能級。 金原子金原子Au0接受第一個電子后變為接受第一個電子后變為Au-，相應的受主能級為，相應的受主能級為EA

34、1， 其電離能為（其電離能為（EA1-EV）。接受第二個電子后，）。接受第二個電子后，Au-便為便為Au=， 相應的受主能級為相應的受主能級為EA2，其電離能為（，其電離能為（EA2-EV）。接受第三個）。接受第三個 電子后，電子后，Au=便為便為Au，相應的受主能級為，相應的受主能級為EA3，其電離能為，其電離能為 （EA3 -EV）。）。 上述的上述的Au-、Au=、Au分別表示成為帶一個、兩個、三個電子分別表示成為帶一個、兩個、三個電子 電荷的負電中心。電荷的負電中心。EA3EA2EA1。EA1離價帶頂相對近一些，離價帶頂相對近一些， 但是比但是比族雜質引入的淺能級還是深的多，族雜質引入

35、的淺能級還是深的多，EA2更深，更深，EA3 就就 幾乎靠近導帶底了。幾乎靠近導帶底了。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 金在鍺中一共有金在鍺中一共有Au+、Au0、Au-、Au=、Au五個五個 荷電狀態，相應地存在著荷電狀態，相應地存在著ED、EA1、EA2、EA3四四 個孤立能級，它們都是深能級個孤立能級，它們都是深能級。 深能級雜質，一般情況下在半導體中的深能級雜質，一般情況下在半導體中的含量極少含量極少，而且能，而且能 級較深，它們對半導體中的導電電子濃度、導電空穴濃度級較深，它們對半導體中的導電電子濃度、導電空穴濃度 和導電類型的影響沒有淺能級雜質明顯，但對

36、于載流子的和導電類型的影響沒有淺能級雜質明顯，但對于載流子的 復合作用比淺能級雜質強，故這些雜質也稱為復合作用比淺能級雜質強，故這些雜質也稱為復合中心復合中心， 它們引入的能級就稱為它們引入的能級就稱為復合中心能級復合中心能級。金是一種很典型的。金是一種很典型的 復合中心，在制造復合中心，在制造高速開關器件高速開關器件時，常有意地時，常有意地摻入金以提摻入金以提 高器件的速度高器件的速度。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體中的缺陷和缺陷能級半導體中的缺陷和缺陷能級 當半導體中的某些區域，晶格中的原子當半導

37、體中的某些區域，晶格中的原子周期性周期性 排列被破壞排列被破壞時就形成了各種缺陷。時就形成了各種缺陷。 缺陷分為缺陷分為三類三類： 點缺陷點缺陷：如空位，間隙原子，替位原子；：如空位，間隙原子，替位原子； 線缺陷：如線缺陷：如位錯位錯； 面缺陷：如層錯等。面缺陷：如層錯等。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 在在一定溫度一定溫度下，晶格原子不僅在平衡位置附近作振動運下，晶格原子不僅在平衡位置附近作振動運 動（通常稱之為動（通常稱之為熱振動熱振動），而且有一部分原子會獲得足），而且有一部分原子會獲得足 夠的能量，克服周圍原子對它的束縛，擠入晶格原子間夠的能量，克服周圍原子

38、對它的束縛，擠入晶格原子間 的間隙，形成的間隙，形成間隙原子間隙原子，原來的位置就成為，原來的位置就成為空位空位。 間隙原子和空位成對出現的缺陷間隙原子和空位成對出現的缺陷 只在晶格內形成空位而無間隙原子只在晶格內形成空位而無間隙原子 的缺陷的缺陷 均由溫度引起，又稱之為均由溫度引起，又稱之為熱缺陷熱缺陷，它們總是，它們總是同時存在同時存在的。的。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 間隙原子和空位一方面不斷地產生，另一方面兩間隙原子和空位一方面不斷地產生，另一方面兩 者又不斷地復合，達到一個平衡濃度值。者又不斷地復合，達到一個平衡濃度值。 由于原子須具有較大的能量才能擠

39、入間隙位置，而且遷移由于原子須具有較大的能量才能擠入間隙位置，而且遷移 時激活能很小，所以晶體中時激活能很小，所以晶體中空位比間隙原子多得多空位比間隙原子多得多，空位，空位 成了常見的點缺陷。成了常見的點缺陷。 在在元素半導體硅、鍺元素半導體硅、鍺中存在的中存在的空位空位最鄰近有四個原子，每個最鄰近有四個原子，每個 原子各有一個不成對的價電子，成為不飽和的共價鍵，這些原子各有一個不成對的價電子，成為不飽和的共價鍵，這些 鍵傾向于接受電子，因此空位表現出鍵傾向于接受電子，因此空位表現出受主作用受主作用。 而每一個而每一個間隙原子間隙原子有四個可以失去的未形成共價鍵的價電子，有四個可以失去的未形成

40、共價鍵的價電子， 表現出表現出施主作用施主作用。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 在在-族化合物族化合物中，除了熱振動因素形成空位和間隙原子外，中，除了熱振動因素形成空位和間隙原子外， 由于由于成分偏離正常的化學比成分偏離正常的化學比，也形成點缺陷。，也形成點缺陷。 例如，在砷化鎵中，由于例如，在砷化鎵中，由于熱振動熱振動可以使鎵原子離開晶格格點可以使鎵原子離開晶格格點 形成鎵空位和鎵間隙原子；也可以使砷原子離開格點形成砷形成鎵空位和鎵間隙原子；也可以使砷原子離開格點形成砷 空位和砷間隙原子。空位和砷間隙原子。 另外，由于砷化鎵中另外，由于砷化鎵中鎵偏多或砷偏多鎵偏多

41、或砷偏多，也能形成砷空位或鎵，也能形成砷空位或鎵 空位。空位。 比如，二元化合物比如，二元化合物AB中，替位原子可以有兩種，中，替位原子可以有兩種，A取代取代B或或B 取代取代A，一般認為，一般認為AB是受主，是受主，BA是施主。是施主。 例如，在砷化鎵中，砷取代鎵后為例如，在砷化鎵中，砷取代鎵后為AsGa起施主作用，而鎵取起施主作用，而鎵取 代砷后為代砷后為GaAs起受主作用。起受主作用。 化合物半導體中，存在的另外一種點缺陷化合物半導體中，存在的另外一種點缺陷 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 位錯也是半導體中的一種缺陷，它對半導體材料和器件位錯也是半導體中的一種缺

42、陷，它對半導體材料和器件 的性能也會產生很大的影響。的性能也會產生很大的影響。 在硅、鍺晶體中位錯的情況相當復雜在硅、鍺晶體中位錯的情況相當復雜。由位錯引入禁帶由位錯引入禁帶 的能級也十分復雜的能級也十分復雜。 根據實驗測得，位錯能級都是根據實驗測得，位錯能級都是深受主能級深受主能級。當位錯密度。當位錯密度 較高時，由于它和雜質的補償作用，能使含有淺施主雜質較高時，由于它和雜質的補償作用，能使含有淺施主雜質 的的N型硅、鍺中的載流子濃度降低，而對型硅、鍺中的載流子濃度降低，而對P型硅、鍺卻沒有型硅、鍺卻沒有 這種影響。這種影響。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 練習練

43、習 寫出常見缺陷的種類并舉例。寫出常見缺陷的種類并舉例。 試述弗侖克耳缺陷和肖特基缺陷的特點、試述弗侖克耳缺陷和肖特基缺陷的特點、 共同點和關系。共同點和關系。 位錯對半導體材料和器件有什么影響？位錯對半導體材料和器件有什么影響？ 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 參與導電的電子和空穴統稱為半導體的載流子參與導電的電子和空穴統稱為半導體的載流子。 本征激發本征激發 電子從價帶躍遷到導帶，形成導帶電子和價帶空穴電子從價帶躍遷到導帶，形成導帶電子和價帶空穴 雜質電離雜質電離 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 在導電電子和空穴產生的同時，還存在與之相反

44、的過程，即在導電電子和空穴產生的同時，還存在與之相反的過程，即 電子也可以從高能量的量子態躍遷到低能量的量子態，并向電子也可以從高能量的量子態躍遷到低能量的量子態，并向 晶格放出一定的能量。晶格放出一定的能量。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 在在一定溫度一定溫度下，載流子產生和復合的過程建立起下，載流子產生和復合的過程建立起動態動態 平衡平衡，即，即 ，稱為熱平衡狀態。，稱為熱平衡狀態。 這時，半導體中的這時，半導體中的 導電電子濃度和空穴濃度都保持一導電電子濃度和空穴濃度都保持一 個穩定的數值個穩定的數值。處于熱平衡狀態下的導電電子和空穴稱為。處于熱平衡狀態下的導

45、電電子和空穴稱為 熱平衡載流子熱平衡載流子。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 實踐表明，半導體的導電性與溫度密切相實踐表明，半導體的導電性與溫度密切相 關。實際上，這主要是由于關。實際上，這主要是由于半導體中的載流子半導體中的載流子 濃度隨溫度劇烈變化濃度隨溫度劇烈變化所造成的。所造成的。 所以，要深入了解半導體的導電性，必須所以，要深入了解半導體的導電性，必須 研究半導體中研究半導體中載流子濃度隨溫度變化的規律載流子濃度隨溫度變化的規律。 因此，解決如何計算一定溫度下，半導體因此，解決如何計算一定溫度下，半導體 中熱平衡載流子濃度的問題成了本節的中心問中熱平衡載流子

46、濃度的問題成了本節的中心問 題。題。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 能量在能量在EE+dE范圍內的電子數（統計方法）范圍內的電子數（統計方法） 電子填充能級電子填充能級E的幾率的幾率 N(E) 單位體積晶體中在能量單位體積晶體中在能量E處的電子能級密度處的電子能級密度 能量為能量為E的狀態密度的狀態密度 能量無限小量能量無限小量 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 能量為能量為E的電子狀態密度（測不準關系）的電子狀態密度（測不準關系） EC 導帶底導帶底 mn* 電子的有效質量電子的有效質量 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件

47、物理 能量為能量為E的空穴狀態密度的空穴狀態密度 mp* 空穴的有效質量空穴的有效質量 EV 價帶頂價帶頂 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 晶體中的電子除了受到外力作用外，還受到晶格原子和晶體中的電子除了受到外力作用外，還受到晶格原子和 其他電子的作用，為了把這些作用等效為晶體中的電子質其他電子的作用，為了把這些作用等效為晶體中的電子質 量，所以引入有效質量的概念。（當電子在外力作用下運量，所以引入有效質量的概念。（當電子在外力作用下運 動時，它一方面受到外電場力的作用，同時還和半導體內動時，它一方面受到外電場力的作用，同時還和半導體內 部原子、電子相互作用著，電子的

48、加速度應該是半導體內部原子、電子相互作用著，電子的加速度應該是半導體內 部勢場和外電場作用的綜合效果。但是要找出內部勢場的部勢場和外電場作用的綜合效果。但是要找出內部勢場的 具體形式并且求出加速度遇到一定的困難，引進具體形式并且求出加速度遇到一定的困難，引進有效質量有效質量 后可使問題變得簡單后可使問題變得簡單，直接把外力和電子的加速度聯系起直接把外力和電子的加速度聯系起 來，而內部勢場的作用則由有效質量加以概括來，而內部勢場的作用則由有效質量加以概括。特別是。特別是有有 效質量可以直接由試驗測定效質量可以直接由試驗測定，因而可以很方便地解決電子，因而可以很方便地解決電子 的運動規律。）的運動

49、規律。） 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 費米費米-狄拉克分布函數狄拉克分布函數 量為量為E的一個量子態被一個電子占據的幾率的一個量子態被一個電子占據的幾率 E 電子能量電子能量 k0 玻耳茲曼常數玻耳茲曼常數 T 熱力學溫度熱力學溫度 EF 費米能級費米能級 常數，大多數情況下，它的數值在半導體能常數，大多數情況下，它的數值在半導體能 帶的禁帶范圍內，和溫度、半導體材料的導電類型、雜質的帶的禁帶范圍內，和溫度、半導體材料的導電類型、雜質的 含量以及能量零點的選取有關。只要知道了含量以及能量零點的選取有關。只要知道了EF的數值，在一的數值，在一 定溫度下，電子在各量子

50、態上的統計分布就完全確定了。定溫度下，電子在各量子態上的統計分布就完全確定了。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 費米費米-狄拉克分布函數的特性狄拉克分布函數的特性 當當T=0K時，時， 若若EEF，則，則f（E）=0 絕對零度時，費米能級絕對零度時，費米能級EF可看成量子態可看成量子態 是否被電子占據的一個界限。是否被電子占據的一個界限。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 當當T0K時，時， 若若E1/2 若若E= EF，則，則f（E）=1/2 若若E EF，則，則f（E）p0，費米能級比較靠近導帶；，費米能級比較靠近導帶； P型半導體型半導體

51、 p0n0，費米能級比較靠近價帶；，費米能級比較靠近價帶； 摻雜濃度越高，費米能級離導帶或價帶越近。摻雜濃度越高，費米能級離導帶或價帶越近。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 本征半導體的載流子濃度本征半導體的載流子濃度 當半導體的溫度大于絕對零度時，就有電子從價帶激發到導帶當半導體的溫度大于絕對零度時，就有電子從價帶激發到導帶 去，同時價帶中產生空穴，這就是去，同時價帶中產生空穴，這就是本征激發本征激發。由于。由于電子和空穴電子和空穴 成對出現成對出現，導帶中的電子濃度應等于價帶中的空穴濃度導帶中的電子濃度應等于價帶中的空穴濃度 n0=p0 將式（將式（1-6）、（）

52、、（1-7）代入（）代入（1-8），可以求得本征半導體），可以求得本征半導體 的費米能級的費米能級EF，并用符號，并用符號Ei表示，稱為本征費米能級表示，稱為本征費米能級 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 等式右邊第二項近似為零，可忽略，所以本征半導體的費米等式右邊第二項近似為零，可忽略，所以本征半導體的費米 能級能級Ei基本上在禁帶中線處。基本上在禁帶中線處。 將式（將式（1-9）分別代入式（）分別代入式（1-6）、（）、（1-7），）， 可得本征半導體載流子濃度可得本征半導體載流子濃度ni 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 一定的半導體材料，

53、其本征載流子濃度一定的半導體材料，其本征載流子濃度ni隨溫度上隨溫度上 而迅速增加；而迅速增加； 不同的半導體材料在同一溫度下，禁帶寬度越大，不同的半導體材料在同一溫度下，禁帶寬度越大， 本征載流子濃度本征載流子濃度ni就越小。就越小。 由（由（1-6）（）（1-7）得載流子濃度乘積，并與（）得載流子濃度乘積，并與（1-11）比較，可得）比較，可得 n0p0=ni2 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 在一定溫度下，任何在一定溫度下，任何非簡并半導體非簡并半導體（電子（電子 或空穴的濃度分別遠低于導帶或價帶的有效能級或空穴的濃度分別遠低于導帶或價帶的有效能級 密度）的熱平

54、衡載流子濃度的乘積密度）的熱平衡載流子濃度的乘積n0p0等于該溫等于該溫 度下的本征半導體載流子濃度度下的本征半導體載流子濃度ni的平方，與所含的平方，與所含 雜質無關。雜質無關。 式（式（1-12）不僅適用于本征半導體，而且也）不僅適用于本征半導體，而且也 適用于非簡并的雜質半導體材料。適用于非簡并的雜質半導體材料。 n0p0=ni2 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 表表1-1 300K下鍺、硅、砷化鎵的本征載流子濃度下鍺、硅、砷化鎵的本征載流子濃度 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 雜質半導體的載流子濃度雜質半導體的載流子濃度 一般來說，在

55、室溫下所有的雜質都已電離，一個雜質原子可以一般來說，在室溫下所有的雜質都已電離，一個雜質原子可以 提供一個載流子；提供一個載流子； 假設摻入半導體中的雜質濃度遠大于本征激發的載流子濃度假設摻入半導體中的雜質濃度遠大于本征激發的載流子濃度 N型半導體型半導體P型半導體型半導體 (ND為施主雜質濃度為施主雜質濃度) (NA為受主雜質濃度為受主雜質濃度) N型半導體中，電子為型半導體中，電子為多數載流子多數載流子（簡稱（簡稱多子多子），空穴為），空穴為少少 數載流子數載流子（簡稱（簡稱少子少子）；）；P型半導體中，空穴為多數載流子，型半導體中，空穴為多數載流子， 電子為少數載流子。電子為少數載流子。

56、 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 n0p0=ni2 由式（由式（1-12），可以確定少數載流子的濃度），可以確定少數載流子的濃度 N型半導體型半導體P型半導體型半導體 由于由于ND（或（或NA）遠大于）遠大于ni，因此，因此在雜質半導體中少數載流在雜質半導體中少數載流 子比本征半導體的載流子濃度子比本征半導體的載流子濃度ni小得多小得多。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 本征激發時本征激發時 式（式（1-6）可改寫如下）可改寫如下 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物

57、理 當一塊半導體中同時摻入當一塊半導體中同時摻入P型雜質和型雜質和N型雜質時，考慮室溫下，型雜質時，考慮室溫下， 雜質全部電離，以及雜質的補償作用，載流子濃度為雜質全部電離，以及雜質的補償作用，載流子濃度為|ND-NA| N型半導體型半導體P型半導體型半導體 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 對于雜質濃度一定的半導體，隨著對于雜質濃度一定的半導體，隨著溫度的升高溫度的升高， 載流子則是載流子則是從以雜質電離為主要來源過渡到以本征從以雜質電離為主要來源過渡到以本征 激發為主要來源的過程激發為主要來源的過程。相應地，。相應地，費米能級則從位費米能級則從位 于雜質能級附近逐漸

58、移近到禁帶中線處于雜質能級附近逐漸移近到禁帶中線處。 當當溫度一定溫度一定時，時，費米能級的位置由雜質濃度所費米能級的位置由雜質濃度所 決定決定，例如，例如N型型半導體，隨著施主濃度的增加，費米半導體，隨著施主濃度的增加，費米 能級從禁帶中線逐漸移向導帶底方向。能級從禁帶中線逐漸移向導帶底方向。 對于對于P型型半導體，隨著受主雜質濃度的增加，費半導體，隨著受主雜質濃度的增加，費 米能級從禁帶中線逐漸移向價帶頂附近。米能級從禁帶中線逐漸移向價帶頂附近。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 在雜質半導體中，在雜質半導體中，費米能級的位置不但反映了半導費米能級的位置不但反映了半

59、導 體的導電類型，而且還反映了半導體的摻雜水平體的導電類型，而且還反映了半導體的摻雜水平。 對于對于N型型半導體，費米能級位于禁帶中線以上，半導體，費米能級位于禁帶中線以上，ND越越 大，費米能級位置越高。大，費米能級位置越高。 對于對于P型型半導體，費米能級位于禁帶中線以下，半導體，費米能級位于禁帶中線以下，NA越越 大，費米能級位置越低。如圖大，費米能級位置越低。如圖1-15所示。所示。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 半導體中的載流子在半導體中的載流子在電場作用電場作用下作漂移運動。下作漂移運動。 在運動

60、過程中，載流子會與晶格原子、雜質原在運動過程中，載流子會與晶格原子、雜質原 子或其他散射中心子或其他散射中心 碰撞，速度和運動方向將會碰撞，速度和運動方向將會 發生改變，可能從晶格中獲得能量，速度變大，發生改變，可能從晶格中獲得能量，速度變大， 也有可能把能量交給晶格，速度變小。也有可能把能量交給晶格，速度變小。 半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理半導體器件物理 以金屬導體為例，在導體兩端加以電壓以金屬導體為例，在導體兩端加以電壓V時，時， 導體內形成電流，導體內形成電流，電流強度電流強度為為 R為導體的為導體的電阻電阻，且，且 阻值與導體的長度阻值與導體的長度l成正比，與截面積成正比