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1、第1章半导体材料的基本性质1.1半导体与基本晶体结构1.1.1半导体导电能力介于导体于绝缘体之间的一些单晶体，就叫半导体。1.杂质敏感性2.负温度系数3.光敏性4.电场、磁场效应1.1.2半导体材料的基本特性晶体结构是值原子在三维空间中周期性排列着的单晶体。晶胞：单晶体结构可以用任意一个最基本的单元所代表，称这个最基本的单元叫晶胞。晶格：单晶体是由晶胞在三维空间周期性重复排列而成，整个晶体就像网格一样，称为晶格。格点与点阵，组成晶体的原子重心所在的位置称为格点，格点的总体称点阵。1.1.3半导体的晶体结构3种常见的立方晶体的晶胞a
2、）简单立方b）体心立方c）面心立方金刚石结构的晶胞与平面示意图a）金刚石型结构的晶胞b）硅晶体的平面结构示意图金刚石型结构a）正四面体b）结构1.1.4晶面及其表示方法密勒指数：密勒指数是界定晶体中不同平面的简单办法，它可以由以下步骤确定：1.找出晶面在3个直角坐标轴的截距值（以晶格常数为计量单位）；2.取这3个截距值的倒数，将其换算成最小的整数比；3.把结果用圆括号括起来（hkl），即为该晶面的密勒指数。1.1.5半导体材料简介材料永远起着决定一代社会科技水平的关键作用锗是最早实现提纯和完美晶体生长的半导体材料硅是最典型、用量最
3、广泛而数量最多的半导体材料近年来一些化合物半导体材料已被应用于各种器件的制作中半导体已经发展成为种类繁多的大科门类材料1.2半导体的能带1.2.1孤立原子中电子能级孤立氢原子中电子能量公式：m0是自由电子的惯性质量；q为电子电荷；ε0为真空介电常数；h为普朗克常数；n为量子数取正整数。根据上式可得氢原子能级图。1.2.2晶体中电子的能带本节重点讨论有原子结合成晶体时电子的运动规律1.晶体中电子的共有化运动价电子轨道重叠运动区域连成一片示意图2.晶体中电子能带的形成N个原子结合成晶体前后的能级状态单个原子的能级与晶体能带的对应图1.
4、2.3硅晶体能带的形成过程1.2.4能带图的意义及简化表示晶体实际的能带图比较复杂，可以把复杂的能带图进行简化绝缘体、半导体和导体的简化能带图a）绝缘体b）半导体c）导体半导体能带简化表示a）能带简化表示b）能带最简化表示一般用“Ec”表示导带底的能量，用Ev表示价带底的能量，Eg表示禁带宽度。1.3本征半导体与本征载流子浓度1.3.1本征半导体的导电结构半导体填充能带的情况a）T=0Kb）T>0K本征半导体是指完全纯净的结构完整的不含任何杂质和缺陷的半导体.本征半导体导带电子和价带空穴均能在外加电场作用下,产生定向运动形成电流,
5、把上述两种荷载电流的粒子称为半导体的俩种载流子.导带电子浓度和价带空穴浓度永远相等,这是本征半导体导电机构的一个重要特点.1.3.2热平衡状态与热平衡载流子浓度在本征半导体中,载流子是由价带电子受晶格热运动的影响激发到导电带中而产生的,热激发有使载流子增加的倾向.导带电子以某种形式放出原来吸收的能量与空穴复合,复合作用又使电子和空穴的数目减少.我们把载流子的热激发产生率与复合率达到平衡的状态,称为半导体的热平衡状态.热平衡状态下的载流子浓度值称为热平衡载流子浓度.1.3.3本征载流子浓度要分析载流子在外界作用下的运动规律,必须要知
6、道它们的浓度及浓度分布情况.在半导体的导带和价带中,有很多能级存在,相邻间隔很小,约为数量级,可近似认为能级是连续的,故可把能带分为一个一个能量很小的间隔来处理.设电子浓度为n,首先计算能量增量dE范围内的电子浓度.定义n(E)是单位体积内允许的能态密度N(E)与电子占据该能量的机率函数f(E)的乘积.对N(E)f(E)dE从导带底Ec到导带顶Etop进行积分,可得电子浓度n.式中N(E)称为能态密度,在单位体积晶体中,允许的能态密度表达式为对于价带空穴,单位体积中允许的能态密度表达式为式中mn代表电子的有效质量;mp代表空穴的有
7、效质量.电子占据能量为E的机率函数称为费米分布函数,其表达式为k为玻尔兹曼常数;T为热力学温度;EF是费米能级.可以用曲线把费米分布函数式表示出来.不同温度下费米分布函数随(E-EF)的变化关系a)T=0Kb)T>0K(T2>T1)下图从左到右形象描绘出了能级分布,费米分布及本征半导体与空穴在能带中的分布情况.a)能级分布图b)费米分布曲线c)电子与空穴的分布d)载流子浓度1.费米能级费米能级在能带中所处的位置,直接决定半导体电子和空穴浓度.费米能级的位置1.3.4费米能级与载流子浓度的关系2.两种载流子浓度的乘积由上式可以看出,
8、随温度的升高.半导体np乘积的数值是要增大的.利用本征半导体电子和空穴浓度的关系可以得到因此半导体两种载流子浓度的乘积等于它的本质载流子浓度的平方.3.本征载流子浓度与本征费米能级右图为Si和GaAs中本征载流子浓度与温度倒数间的关系1.4杂质半导
