本征半导体中的两种载流子
本征半导体载流子
本征半导体载流子
1. 什么是本征半导体
本征半导体是指没有掺杂杂质的半导体材料，其电子与空穴的浓度完全相等。
由于在本征半导体中，电子与空穴的数量相等，因此其导电性质比较特殊，可以在外加电场或光照作用下发生电子与空穴的复合，产生电流。
2. 本征半导体的载流子
在本征半导体中，载流子主要包括电子和空穴。
电子是带负电的粒子，空穴是带正电的粒子。
在本征半导体中，电子和空穴的数量相等，因此其导电性质特殊。
3. 本征半导体的电导率
本征半导体的电导率是由其载流子浓度决定的。
在本征半导体中，电子浓度与空穴浓度相等，因此其电导率比较低。
但是，在外加电场或光照作用下，会产生电子与空穴的复合，从而增加载流子浓度，提高电导率。
4. 本征半导体的应用
本征半导体在半导体器件中有着重要的应用，如晶体管、太阳能电池等。
在晶体管中，本征半导体被用作基底材料，提供支撑和导电功能。
在太阳能电池中，
本征半导体则被用作光电转换材料，将光能转化为电能。
总之，本征半导体作为一种特殊的半导体材料，其载流子和电导率等性质与掺杂半导体有所不同，但在半导体器件中有着重要的应用。
本征半导体材料有哪些特点
本征半导体材料的特点
本征半导体指的是在室温下的纯净材料，例如硅和锗等，它们具有许多独特的
特点和性质。
本文将探讨本征半导体材料的几个重要特点。
1. 电导率受温度影响
本征半导体的电导率随温度变化而变化。
晶体中的载流子浓度高度依赖于温度。
随着温度升高，原子振动剧烈，导致晶格缺陷生成，影响载流子的迁移能力，从而影响电导率。
2. 载流子类型
本征半导体的载流子类型取决于其能带结构。
在常见的硅和锗中，由于它们的
能带结构，电子是主要的载流子。
这意味着电流是通过电子的移动而产生的。
3. 光电特性
本征半导体材料还具有光电特性，即当受到光照射时，能够吸收光子并生成电
子和空穴对。
这些电子和空穴对可以在半导体材料中移动，从而产生电流。
这是半导体材料在光电器件中被广泛应用的原因之一。
4. 禁带宽度
本征半导体材料具有禁带宽度，即导带和价带之间的能隙。
这个能隙决定了半
导体材料的电导率和光电性能。
对于硅、锗等常见材料，它们的禁带宽度在可见光范围之外，因此它们通常是透明的。
5. 温度稳定性
与金属相比，本征半导体材料具有更好的温度稳定性。
他们通常可以在更宽的
温度范围内工作而不会失去其半导体性质。
这使得半导体器件在各种环境条件下都能可靠工作。
综上所述，本征半导体材料具有许多独特的特点和性质，这些特点使其在电子
学和光电学领域中得到广泛的应用和研究。
通过深入了解这些特点，我们可以更好地利用本征半导体材料的性能，推动半导体技术的发展和应用。
本征半导体中的两种载流子
本征半导体中的两种载流子
本征激发
在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量，挣脱共价键的束缚进入导带，成为自由电子，在晶体中产生电子-空穴对的现象称为本征激发。
空穴
在本征激发中，价电子成为自由电子后共价键上留下空位，这个空位称为空穴。
空穴是一个带正电的粒子，其电量与电子相等，电极性相反，在外加电场作用下，可以自由地在晶体中运动，它和自由电子一样可以参加导电。
空穴、电子导电机理
由于共价键出现了空穴，在外加电场或其他因素的作用下，邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，以后其他电子又可转移到这个新的空位。
这样就使共价键中出现一定的电荷迁移。
空穴的移动方向和电子移动的方向是相反的。
02半导体及其本征特征2
3. 半导体的能带 (价带、导带和带隙)
原子能级 能带
量子态和能级
固体的能带结构
共价键固体中价电子的量子态和能级 共价键固体：成键态、反键态
反 成 键 态 原 子 能 级
成 键 态
半导体的能带结构
导 带
Eg
价 带
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
作业
载流子的输运有哪些模式，对这些输运 模式进行简单的描述 设计一个实验：首先将一块本征半导体 变成N型半导体，然后再设法使它变成P 型半导体。
半导体器件物理基础
半导体器件物理基础
据统计：半导体器件主要有67种，另 外还有110个相关的变种 所有这些器件都由少数基本模块构成： • pn结 •金属－半导体接触 • MOS结构 • 异质结 • 超晶格
+4
+4
+4 自由电子
+4
+5 +4
+4 施主原子
+4
+4
+4
图 1.1.3
N 型半导体
二、 P 型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如 硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。
+4 +4 空穴 +4
3 价杂质原子称为 受主原子。 空穴浓度多于电子 浓度，即 p >> n。空穴 为多数载流子，电子为 少数载流子。
+4 共 价 键 +4 +4 价 电 子 +4 +4 +4
当温度 T = 0 K 时，半导 体不导电，如同绝缘体。
习题及答案
习题一一、判断题1．金属都是靠自由电子导电（√ ）。
2．半导体主要靠空穴导电（⨯）。
3．常温下，本征半导体的两种载流子的数量都很少，所以导电性能很差（√ ）。
4．在半导体中掺入其它物质就称杂质半导体（⨯）。
5．在本征半导体中掺入微量的三价元素硼，就成为N型半导体（⨯）。
6．采用不同的掺杂工艺，将N型半导体和P型半导体制作在同一块硅片上，在两者交界面形成PN结（√）。
7．半导体不具有热敏特性（⨯）。
8．从PN结两个杂质半导体分别引出电极，再以合适的形式封装起来，即为二极管（√）。
9．二极管在正向导通时，管压降为0.7V左右（⨯）。
10．二极管一旦正向导通，其正向管压降变化范围较小，但电流变化却很大（√ ）。
11．点接触型二极管，其结电容小，工作频率高，适合于高频电路和小功率整流（√）。
12．从PN结的结面积大，通过的电流也越大（√）。
13．变容二极管是点接触型二极管（√）。
14．稳压二极管一旦击穿就损坏了（⨯）。
15．稳压二极管按材料分有硅管和锗管（⨯）。
16．稳压二极管正向导通时同普通二极管的功能和压降基本一样（√）。
17．用数字万用表检测发光二极管同检测普通二极管的方法相同（⨯）。
18．反向漏电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流（√）。
19．温度对锗管和硅管具有相同影响力，即温升相同反向电流变化一样大（⨯）。
20．所有的晶体管都是双极型晶体管（⨯）。
21．晶体管最主要的功能是电流放大作用（⨯）。
22．晶体管包含两个PN结，NPN型共用P极，PNP型共用N极，所以晶体管也称共阳极和共阴极双二极管（⨯）。
23．晶体管工作时发热主要集中在基区（⨯）。
24．晶体管有两个PN结，它们和二极管的单向导电特性一样，在检测晶体管时可以把晶体管视作两个共基极的二极管（√ ）。
25．要使晶体管具有正常的电流放大作用，必须在其发射结加正向电压，在集电结加反向电压——这是对NPN型管来说的，不适合于对PNP型管（⨯）。
半导体物理学名词解释 2
半导体物理学名词解释1、直接复合：电子在导带与价带间直接跃迁而引起非平衡载流子的复合。
2、间接复合：指的是非平衡载流子通过复合中心的复合。
3、俄歇复合：载流子从高能级向低能级跃迁发生电子-空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回到低能级时，多余的能量常以声子的形式放出，这种复合称为俄歇复合，显然这是一种非辐射复合。
4、施主杂质：V族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质。
5、受主杂质：Ⅲ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负点中心，所以称它们为受主杂质或p型杂质。
6、多数载流子：半导体材料中有电子和空穴两种载流子。
在N 型半导体中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。
在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。
7、能谷间散射：8、本征半导体：本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。
9、准费米能级：半导体中的非平衡载流子，可以认为它们都处于准平衡状态（即导带所有的电子和价带所有的空穴分别处于准平衡状态）。
对于处于准平衡状态的非平衡载流子，可以近似地引入与Fermi能级相类似的物理量——准Fermi能级来分析其统计分布；当然，采用准Fermi能级这个概念，是一种近似，但确是一种较好的近似。
基于这种近似，对于导带中的非平衡电子，即可引入电子的准Fermi能级；对于价带中的非平衡空穴，即可引入空穴的准Fermi能级。
10、禁带：能带结构中能态密度为零的能量区间。
11、价带：半导体或绝缘体中，在绝对零度下能被电子沾满的最高能带。
12、导带：导带是自由电子形成的能量空间，即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。
13、束缚激子：等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心，这一中心由于库仑作用又能俘获另一种带电符号相反的载流子从而成为定域激子，称为束缚激子。
14、浅能级杂质：在半导体中、其价电子受到束缚较弱的那些杂质原子，往往就是能够提供载流子（电子或空穴）的施主、受主杂质，它们在半导体中形成的能级都比较靠近价带顶或导带底，因此称其为浅能级杂质。
【高中物理】高二物理竞赛课件：半导体基础知识
两种载流子总是成对出现
成为 电子 - 孔穴对
+4
两种载流子浓度相等
即 ni = pi
带正电的空穴
hole
在一定温度下电子 - 空穴对 的产生和复合达到动态平衡
+4
+4
+4
+4
带负电的自由电子
Free electron
本征载流子的浓度对温度十分敏感
播放
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且在光照和热辐射下，其导电性有明显变化
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Periodic Table
2. 本征半导体(intrinsic semic-)的晶体结构
+4
+4
+4
+4
+4
共价键
Covalent bond
本征半导体结构示意图
在 T = 0K 时，半导体不能导电
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Intrinsic Semiconductor
Increasing Temperature Causes Creation of Free Carriers 1010 cm-3 free carriers at 23C (out of 2x1023 cm-3) Intrinsic Conductivity Si Si Si Si Si Si Si Si Si
自由电子
+4
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3. 本征半导体中的两种载流子
如果温度升高， 少数价电子将挣脱 共Байду номын сангаас键束缚成为 自由电子
+4
带正电的空穴
hole
在原来的共价键位置留下一个空位， 称之为空穴
第2章 半导体中的载流子及PN结
半导体中存在的微量杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性影响， 也严重影响半导体器件的质量。例如，在Si晶体中，若以每105个Si原子掺入1个B原子的比例掺入 硼元素，则Si晶体的导电率在室温下会增加103倍。又如，用于生产一般硅平面器件的硅单晶，要 求将位错密度控制在103cm-2以下，位错密度过高不可能生产出性能良好的器件。
所以在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电，这是与金属导体的最大差别。 绝缘体的能带结构与半导体类似，但是绝缘体的禁带宽度很大，将下层满带中的电子激发到上 层的空带，需要很大的能量，在通常温度下，能够激发到导带去的电子很少，所以绝缘体导电性很 差。如图2.6所示。 半导体禁带宽度比较小，数量级在1eV左右，在通常温度下已有不少电子被激发到导带中，所 以半导体具有一定的导电能力，这是半导体与绝缘体的主要区别。例如，室温下，金刚石禁带宽度 为6-7eV，是绝缘体；硅为1.12eV，锗为0.67eV，砷化镓为1.43eV，都是半导体。
电子在周期性势场中运动的基本特点和自由电子的运动十分相似，先分析自由电子的运动：微 观粒子具有波粒二象性，表征波动性的量与表征粒子性的量之间有一定联系。一个质量为m0，速 度v自由运动的电子，其动量与能量分别为：
经过推导可得：
可以看到，对于波矢为k的运动状态，自由电子的能量E，动量p，速度v均有确定的数值。因此， 波矢k可用以描述自由电子的运动状态，不同的k值标志着自由电子的不同状态。图2.4是自由电子 的E与k的关系曲线，呈抛物线形状。由于k的连续变化，自由电子的能量是连续谱，从零到无限大 的所有能量值都是允许的。
以原子结合成晶体的过程定性说明半导体中的电子状态： 原子中的电子在原子核的势场和其他电子的作用下，分列在不同的能级上，形成所谓的电子壳层， 不同支壳层的电子分别用1s；2s，2p；3s，3p，3d；4s∙∙∙等符号表示，每一支壳层对应于确定的能量。 当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子壳层之间就有了一定程度的交叠。大量原子组成 晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上， 因而，电子将可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。 由于各原子中相似壳层上的电子才有相同能量，电子只能在相似壳层间转移。
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本征半导体中的两种载流子
本征激发
在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量，挣脱共价键的束缚进入导带，成为自由电子，在晶体中产生电子-空穴对的现象称为本征激发。
空穴
在本征激发中，价电子成为自由电子后共价键上留下空位，这个空位称为空穴。
空穴是一个带正电的粒子，其电量与电子相等，电极性相反，在外加电场作用下，可以自由地在晶体中运动，它和自由电子一样可以参加导电。
空穴、电子导电机理
由于共价键出现了空穴，在外加电场或其他因素的作用下，邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，以后其他电子又可转移到这个新的空位。
这样就使共价键中出现一定的电荷迁移。
空穴的移动方向和电子移动的方向是相反的。