第六章 半導體6.3非平衡載流子濃度6.2平衡載流子濃度6.1半導體的特性和類型6.4P-N結返回總目錄6.1半導體的特性和類型半導體的能帶結構:價電子剛好把一個能帶填滿,上一能帶全空,禁帶窄.由價電子填滿的最高的滿帶稱價帶最低的空帶存在被激發的電子時可導電,稱為導帶由于能隙小,價帶中的電子可激發到導帶,價帶中的空穴和導帶中的電子均可以荷載電流.半導體的用途：電子器件、集成電路、計算機信息時代半導體材料可以是晶態或非晶態，可以是元素半導體（如Si、Ge）或化合物半導體（如Ⅲ-Ⅴ，Ⅱ-Ⅵ化合物）目錄6.1.1半導體的一般特性目錄1.熱敏性：電子由價帶更多地躍往導帶，2.光敏性：光照或高能粒子輻射，激發躍遷，3.摻雜性：摻特定雜質原子可大大提高導電性純Si摻千萬分一Ｐ原子時４.強Hall效應及溫差效應Hall系數半導體中載流子濃度比金屬中自由電子濃度小得多，小知識溫差電效應叫做塞貝克（Seeback）效應，又稱作第一熱電效應，它是指由于溫差而產生的熱電現象。

在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個接觸點的溫度不同，則在回路中將出現電流，稱為熱電流。

塞貝克效應的實質在于兩種金屬接觸時會產生接觸電勢差，該電勢差取決于金屬的電子逸出功和有效電子密度這兩個基本因素。

半導體的溫差電動勢較大，可用作溫差發電器。６.1.2半導體的類型二、雜質半導體：

含有雜質的半導體，由于雜質原子可以放出或吸納電子，導帶中電子的濃度一般不等于價帶中空穴的濃度。（１）Ｎ型半導體：４價Si和Ge中，摻入５價的Ｐ和As5價原子取代４價原子位置后，多余一個價電子可從雜質原子電離而進入導帶．一、本征半導體：

無任何雜質原子的半導體，導帶中的電子全部來自價帶，故導帶中電子的濃度與價帶中空穴的濃度相當，電導率較低，一般不單獨使用。目錄５價雜質原子對外施舍一個電子，稱施主雜質，其在禁帶中形成雜質能級，稱施主能級，可用類氫原子模型計算電離能．SiSiSiSiSiSiSiPn型半導體

在四價元素中摻入少量五價元素，形成n型半導體。導帶施主能級滿帶目錄施主原子的電離能為借用類氫原子模型，可得施主雜質的電離能比晶體的禁帶寬度小得多，很接近，雜質原子幾乎全部電離．（２）Ｐ型半導體（空穴型半導體）：４價Si(Ge)中摻３價的B(Al)等雜質目錄3價雜質要從價帶中吸取一個電子才能與周圍４個近鄰原子形成４個共價鍵，在周圍某處產生一個空穴．SiSiSiSiSiSiSiB導帶受主能級滿帶此雜質離子在禁帶中形成雜質能級，稱受主能級其電離能為可借用類氫原子模型來計算很接近，受主雜質基本上能從價帶中得到電子，而在價帶中留下大量空穴．６.１.３深能級雜質和Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質淺能級雜質：局域能級（雜質能級）靠近導帶底或價帶頂．

深能級對半導體導電類型的影響不如淺能級Ⅲ－Ⅴ族化合物中的雜質：可以間隙式雜質或替代式雜質存在，情況比較復雜．目錄深能級雜質：局域能級（雜質能級）遠離導帶底或價帶頂．且可以形成若干個局域能級，有施主也有受主能級．雜質的補償作用：施主、受主雜質共存時，施主能級上的電子落到受主能級上的空狀態，使電子和空穴同時消失。6.2平衡載流子濃度平衡載流子：無外界作用，半導體系統處于熱平衡狀態下，其中的載流子。依賴于熱激發目錄本征激發：價電子獲熱能躍往導帶，成為導電電子，并同時產生電子和空穴。電子數目=空穴數目雜質激發：半導體摻雜時，電子從施主能級躍往導帶而成為導電電子，或空穴從受主能級躍往價帶而形成自由空穴的過程。熱平衡時，產生和消失過程達到動態平衡，載流子濃度達到穩定。1.載流子濃度的計算價帶中：E<EF,f(E)較大,能級被占據幾率大，接近填滿，靠空穴導電導帶中：E>EF,f(E)較小,能級被占據幾率小，靠電子導電目錄對半導體，EF位于禁帶半導體中價電子有效質量為，將電子系統作為電子氣體，平衡時，電子在各能級的分布服從Fermi統計導帶和價帶中電子及空穴的數量決定于電子系統的費米能級導帶中電子的濃度由自由電子理論，電子的能級密度考慮單位晶體，導帶中電子的濃度類比，半導體中電子的能級密度可寫成目錄通常N型半導體，EF很靠近EC,故電子濃度較大，價帶中空穴的濃度接近于填滿的價帶，用空穴描述（空穴氣體），空穴能級密度能級E被空穴占據的幾率等于沒被電子占據的幾率類比，空穴的能級密度可寫成目錄通常p型半導體，EF很靠近Ev

,故空穴濃度較大，價帶中空穴的濃度2.幾個重要結論（1）一定溫度下，熱平衡后電子空穴系統有統一的費米能級，且摻5價雜質，目錄由禁帶寬度和溫度決定，與雜質濃度和費米能級位置無關摻3價雜質，對本征半導體稱為本征載流子濃度（2）本征半導體的費米能級在禁帶中央附近目錄第2項很小（3）N型半導體費米能級接近于導帶底，p型半導體費米能級接近于價帶頂常溫下，雜質全部電離，晶體保持電中性的條件目錄即有又N型：施主雜質濃度ND，受主雜質濃度NA解得6.3非平衡載流子濃度非平衡載流子：價帶中電子吸收外場的能量躍往導帶，導帶中增加了電子，價帶中增加了空穴，增加的這部分載流子稱為～目錄半導體晶體受外界而被激發時，半導體處于非平衡狀態電子濃度與空穴濃度的乘積不再是常數外場激發前濃度則非平衡載流子的濃度激發后濃度受激激發時電子與空穴成對產生電子系統與空穴系統不再有統一的費米能有外界激發時N型半導體，電子為多數載流子，稱為多子，空穴為少數載流子，稱為少子。p型半導體則相反少注入：注入的非平衡載流子的濃度遠小于平衡時的多數載流子濃度（但可比平衡時的少數載流子濃度大）注入：非平衡載流子的產生過程，如光照產生，稱為光注入如N型半導體如注入非平衡載流子濃度為在提及非平衡載流子時，是針對非平衡少數載流子的目錄非平衡載流子的壽命外界作用撤離后，非平衡載流子經過一定時間會復合而消失，外界撤離后，由于與多數載流子復合，非平衡少數載流子逐漸減少到0，這一過程的唯象描述為N型半導體：少數載流子為空穴稱為非平衡載流子空穴的壽命P型半導體：少數載流子為電子，且非平衡載流子的擴散長度當存在濃度梯度時，非平衡載流子會形成擴散運動1、擴散長度如均勻光照射半導體表面，產生由體內指向體表的非平衡載流子濃度梯度，使其向體內擴散，最后會形成穩定的分布第一項為某區域中載流子的減少率，第二項表復合，第三項表擴散對N型半導體，p為少子，為非平衡少數載流子由載流子的連續性方程為擴散流密度：單位時間通過垂直于x軸單位面積的空穴數擴散流密度與濃度梯度成正比目錄達到穩定分布時即有解得對p型半導體，同樣地有2.擴散流密度同理對p型半導體§6.4PN結

PN結的構成PN結的性質——單向導電性電流隨電壓變化特性反向狀態正向狀態一部分是N型半導體材料一部分是P型半導體材料1.平衡PN結特性

電子濃度空穴濃度——摻雜的N型半導體材料，在雜質激發的載流子范圍，電子的濃度遠遠大于空穴的濃度，費密能級在帶隙的上半部，接近導帶P型半導體材料中，費密能級在帶隙的下半部，接近價帶N型和P型材料分別形成兩個區——N區和P區N區和P區的費密能級不相等，在PN結處產生電荷的積累——

穩定后形成一定的電勢差P區相對于N區具有電勢差——PN結勢壘作用

正負載流子在PN結處聚集，在PN結內部形成電場——自建場——勢壘阻止N區大濃度的電子向P區擴散平衡PN結——載流子的擴散和漂移運動的相對平衡

——電場對于N區的電子和P區的空穴是一個勢壘

——勢壘阻止P區大濃度的空穴向N區擴散——抵消原來P區和N區電子費密能級的差別P區電子的能量向上移動——半導體中載流子濃度遠遠低于金屬且有——PN結處形成的電荷空間分布區域約在微米數量級擴散和漂移形成平衡電荷分布，滿足玻耳茲曼統計規律——N區和P區空穴濃度之比熱平衡下N區和P區電子濃度——P區和N區電子濃度之比——平衡結定律可得PN結的接觸電勢差為由平衡結定律根據2.PN結的電流-電壓特性

當PN結加有正向偏壓——P區為正電壓

外電場與自建場方向相反，外電場減弱PN結區的電場，使原有的載流子平衡受到破壞電子N區擴散到P區空穴P區擴散到N區——非平衡載流子——PN結的正向注入a.電注入公式正向注入，P區邊界電子的濃度變為——外加電場使邊界處電子的濃度提高倍和比較得到同理可得N區邊界空穴的濃度變為：邊界處非平衡載流子濃度——正向注入的電子在P區邊界積累，同時向P區擴散——非平衡載流子邊擴散、邊復合形成電子電流邊界處非平衡載流子濃度b.P-N結的整流方程由擴散定律N區結外邊界處空穴擴散流密度——電子的擴散系數和擴散長度空穴產生的擴散電流為同理，注入到P區的電子電流密度PN結總的電流密度——肖克萊方程(W.Shockley)結果討論2)

PN結的電流和N區少子、P區少子成正比1)

當正向電壓V增加時，電流增加很快如果N區摻雜濃度遠大于P區摻雜濃度——PN結電流中將以電子電流為主3.PN結的反向抽取

N區的空穴一到達邊界即被拉到P區P區的電子一到達邊界即被拉到N區——PN結方向抽取作用PN加有反向電壓勢壘變為PN結加有反向偏壓——P區為負電壓，外電場與自建場方向相同，勢壘增高，載流子的漂移運動超過擴散運動——只有N區的空穴和P區的電子在結區電場的作用下才能漂移過PN結

P區邊界電子的濃度——反向抽取使邊界少子的濃度減小反向電流一般情