第二章：半导体及其基本性质
半导体材料及其物理性质
半导体材料及其物理性质半导体材料，是一种介于导体和绝缘体之间的一类材料。
它的电导率介于导体与绝缘体之间，而这正是它的最重要的一项特性之一。
半导体材料的电子结构与电子能带半导体材料的电子结构与电荷分布的特点都与到了电子能带理论的基础上。
这种理论是描述晶体材料电子能带特性的一个有效方法，可用来描述异质结的行为和模拟器件的设计。
在固体物理中，电子能带是一种描述材料电子结构的概念。
它将所有可能的电子能量按能级分片，并将其组成连续的结构。
这种被分片的电子能量有很多相同的，因此电子能带是一个连续性的。
晶体材料中经常出现的两种电子结构定义是导带和价带。
导带上的电子具有高能量和高流动性，而价带上的电子则具有更低的能量和较低的流动性。
半导体材料的电导性所涉及的物理概念半导体材料的电导性与电子的移动性质有关。
在半导体材料中，只有在有外加电子能将进行电子跳跃，从而形成电流。
同时，材料中出现的电子空穴，与电子一样在材料中移动，它们的存在也起到了导电作用。
材料中的空穴移动也会导致电流的产生。
另一个重要的因素是材料的掺杂。
在半导体物质中，为了提高电导率，一些杂质原子被故意地加入材料中，从而改变材料的导电行为。
这个过程称为掺杂。
在掺杂过程中，主要有两种方法，分别是P型掺杂和N型掺杂。
P型掺杂是通过加入需要吸收电子的原子来实现，而N型掺杂则是通过加入可以提供额外电子的原子来实现。
半导体材料的机械性能和热学性质除了电学性质外，半导体还有几个其他的重要方面。
一个是半导体材料的机械性质，这被认为是这些材料的重要属性之一。
它的机械强度很高，但弹性模量与密度和固体材料不同。
材料的机械性能还与外部应力有关。
当外部应力加在材料上时，它会在空间中发生一些变化。
另一个重要方面是热学性质。
在半导体材料中，热传导是材料行为的一个重要方面。
半导体材料中的热传导能力取决于材料的物理和化学性质。
电路设计可受到这种热传导的限制，此外，它对器件灵敏性和费用结构也有很大的影响。
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案第一章：半导体材料与晶体1.1 半导体材料的基本特性半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的基本特性包括：1.带隙：半导体材料的价带与导带之间存在一个禁带或带隙，是电子在能量上所能占据的禁止区域。
2.拉伸系统：半导体材料的结构是由原子或分子构成的晶格结构，其中的原子或分子以确定的方式排列。
3.载流子：在半导体中，存在两种载流子，即自由电子和空穴。
自由电子是在导带上的，在外加电场存在的情况下能够自由移动的电子。
空穴是在价带上的，当一个价带上的电子从该位置离开时，会留下一个类似电子的空位，空穴可以看作电子离开后的痕迹。
4.掺杂：为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
掺杂是将少量元素添加到半导体材料中，以改变载流子浓度和导电性质。
1.2 半导体材料的结构与晶体缺陷半导体材料的结构包括晶体结构和非晶态结构。
晶体结构是指材料具有有序的周期性排列的结构，而非晶态结构是指无序排列的结构。
晶体结构的特点包括：1.晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞在三维空间中重复排列。
2.晶格常数是晶胞边长的倍数，用于描述晶格的大小。
3.晶体结构可分为离子晶体、共价晶体和金属晶体等不同类型。
晶体结构中可能存在各种晶体缺陷，包括：1.点缺陷：晶体中原子位置的缺陷，主要包括实际缺陷和自间隙缺陷两种类型。
2.线缺陷：晶体中存在的晶面上或晶内的线状缺陷，主要包括位错和脆性断裂两种类型。
3.面缺陷：晶体中存在的晶面上的缺陷，主要包括晶面位错和穿孔两种类型。
1.3 半导体制备与加工半导体制备与加工是指将半导体材料制备成具有特定电性能的器件的过程。
它包括晶体生长、掺杂、薄膜制备和微电子加工等步骤。
晶体生长是将半导体材料从溶液或气相中生长出来的过程。
常用的晶体生长方法包括液相外延法、分子束外延法和气相外延法等。
掺杂是为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
常用的掺杂方法包括扩散法、离子注入和分子束外延法等。
物理学中的半导体和导电性
物理学中的半导体和导电性半导体和导电性是物理学中的重要概念，涉及到固体物理学、量子力学等多个领域。
本文将详细介绍半导体的基本性质、分类以及导电性的相关原理。
半导体的基本性质半导体是一种电导率介于导体和绝缘体之间的材料。
在晶体结构中，半导体的原子排列有序，形成了周期性的势场。
由于量子力学原理，半导体中的电子受到原子核和晶格振动的束缚，只能在一定的能量范围内运动。
这些电子被称为价带电子，而空余的能级称为导带。
在室温下，价带电子受到热激发，部分会跃迁到导带，留下相同数量的空穴。
半导体的分类根据半导体中价带电子和空穴的数量，可以将其分为两类：n型半导体和p型半导体。
在n型半导体中，价带电子数量多于空穴数量，因此电子是主要的载流子。
而在p型半导体中，空穴数量多于价带电子数量，空穴是主要的载流子。
此外，通过在n型和p型半导体之间形成PN结，可以实现半导体器件的制作。
导电性原理半导体的导电性主要取决于载流子的运动。
在应用外部电场的作用下，载流子会受到电场力的作用，发生迁移。
半导体中的载流子分为电子和空穴，它们在电场力作用下，分别向相反方向迁移。
这种现象称为漂移现象。
随着电场的增强，漂移电流也随之增大，从而实现了半导体材料的导电性。
半导体器件半导体器件是利用半导体的特殊性质制作的各种电子器件。
常见的半导体器件包括二极管、晶体管、集成电路等。
这些器件在电子设备中发挥着重要的作用，如整流、放大、开关等。
半导体和导电性是物理学中的重要概念。
本文从半导体的基本性质、分类、导电性原理以及半导体器件等方面进行了详细的介绍。
希望这篇文章能帮助您更好地理解半导体和导电性的相关知识。
## 例题1：解释n型和p型半导体中的载流子分别是什么？解题方法：回顾半导体的基本性质部分，n型半导体中的载流子是价带电子，而p型半导体中的载流子是空穴。
例题2：说明PN结的形成过程。
解题方法：结合半导体分类部分，描述n型和p型半导体接触时，由于载流子数量的差异，形成的PN结。
半导体材料的基本性质及应用前景
半导体材料的基本性质及应用前景随着人类科技的不断发展，半导体技术得到了广泛的应用。
半导体材料作为半导体技术的基础，其基本性质和应用前景也逐渐引起了人们的注意。
一、半导体材料的基本性质半导体材料具有包括导电性、光电性、热电性、感应光电性、压电性、光致发光性等在内的多种物理特性。
其中最核心的特性是导电性和不导电性。
半导体材料导电性的变化，可以通过控制半导体中杂质或缺陷的数量和类型实现。
杂质或缺陷的引入可以增强或减弱半导体的导电性。
例如，硅与锗纯净材料的导电性很弱，但加入P、N、B、As等DONOR或ACCEPTOR型杂质后，可以制备出p型或n型半导体材料。
半导体材料还具有光电性，它们与化学元素周期表上的光电发射材料相似。
半导体材料可以吸收光，电荷在导带和价带之间跃迁，从而导致光电效应。
常见的应用包括太阳能电池、光电探测器和紫外线灯等。
半导体材料的热电性可以用来制备热电材料，这种材料能够将热转换成电。
它的应用主要涉及节能和环境保护，例如，通过热电材料可以将热能转化为电能，应用于废气排放泄露的能量回收。
二、半导体材料的应用前景半导体技术以其稳定的性能、小型化的尺寸、易制备的成本、低功耗的特点等，日益成为信息技术、光电技术、新材料技术、环境保护技术等领域的重要基础材料。
以下几个方向是半导体材料未来的主要应用领域：1、新型显示屏随着信息技术的不断发展，显示屏在我们的生产和生活中发挥着越来越重要的作用。
半导体材料的光电性和导电性使其成为新一代显示技术的必需品。
例如，OLED技术已经得到了广泛的应用，其特点是超薄、超亮、超清、超省电，非常适合移动设备、电视以及广告牌等领域。
2、光电器件光电探测器、半导体激光器、光电开关、光电晶体管、光电倍增管等光电器件的应用正迅速扩展。
半导体材料的光电性使其非常适合用于制造光电器件，以便高效地转换光和电。
3、太阳能电池半导体材料的光电性是太阳能电池得以进行光电转换的重要基础材料。
第二章 半导体及其本征特征解读
3、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载 流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。 两种载流子
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
导带底与价带顶之间的能量差半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子但与真空中的自由粒子不同考虑了晶格作用后的等效粒子有效质量可正可负取决于与晶格的作用受主掺杂施主掺杂二杂质半导体杂质半导体主要靠多数载流子导电
第二章 半导体物理和器件物理基础
Recap:
主要知识点和阅读章节
• • • • • • 1、半导体材料基本特性 2、pn结 3、双极晶体管 4、场效应管 阅读教材第二章 阅读康华光《电子技术基础-模拟部分（第 五版）》第1、2、3、4、5章.
• 参考教材： • [1] 童诗白,华成英(著).模拟电子技术基础 (第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006. • [2] 康华光(著).电子技术基础:模拟部分(第 五版))[M].北京:高等教育出版社,2010.
第一讲 半导体物理基础
• 2.1 半导体及其基本性质
• 2.2 半导体中的载流子
在非本征情形:
np n
2 i
n p
N型半导体：n大于p
P型半导体：p大于n
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
7. 电中性条件: 正负电荷之和为0
p + N d – n – Na = 0
施主和受主可以相互补偿
p = n + Na – Nd n = p + N d – Na
第二章半导体材料的基本性质
第二章半导体材料的基本性质半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电学性质和光学性质，广泛应用于电子器件和光电器件中。
本文将从电学性质和光学性质两个方面介绍半导体材料的基本性质。
一、电学性质1.带隙：半导体材料具有带隙，即价带和导带之间的能隙。
在绝缘体中，带隙较大，电子不易通过；在导体中，带隙为零，电子容易通过。
而在半导体中，带隙较小，介于绝缘体和导体之间，可以通过掺杂和加电场的方式改变其电导性能。
2.载流子：在半导体中，电子和空穴是载流子。
在纯净的半导体中，电子和空穴的数量相等，即n型和p型半导体中电子和空穴的浓度相等。
而在掺杂半导体中，通过掺杂可以使电子或空穴的浓度增加，从而改变其电导性质。
3.本征导电性：半导体材料在纯净状态下呈现本征导电性，即电导率较低。
本征导电性是由于半导体中的有限数量的载流子引起的。
n型半导体中主要是电子导电，p型半导体中主要是空穴导电。
本征导电性可以通过掺杂来改变。
4.外加电场下的导电性：在外加电场的作用下，半导体材料的导电性能发生变化。
当正电荷提供给半导体，将推动电子向正极移动，此时半导体变为n型半导体；当负电荷提供给半导体，将推动空穴向负极移动，此时半导体变为p型半导体。
这种现象被称为电场效应，也是半导体中众多器件如二极管和晶体管的基础。
二、光学性质1.吸收：半导体材料具有宽带隙能够吸收光的性质。
当光射入半导体中，部分光能会被电子吸收，使电子从价带跃迁到导带，此时光的能量将转化为电子的动能。
不同的半导体材料对不同波长的光吸收能力不同，这种特性使半导体材料成为光电器件的重要组成部分。
2.发光：除了吸收光能，有些半导体材料还可以发光。
当电子从导带跃迁到价带时，会释放出能量，部分能量以光的形式散发出来，形成发光现象。
不同的半导体材料对应不同的发光颜色，从红光到紫光等都可以通过不同材料的跃迁产生。
3.光电效应：半导体材料的光电效应是指当光照射到半导体表面时，会产生电流。
半导体高中物理
半导体高中物理半导体是一种电子能带结构介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的导电性质。
在高中物理学中，半导体是一个重要的话题。
本文将探讨半导体的基本概念、性质和应用。
首先，我们来了解半导体的基本概念。
半导体是指在温度较高时表现为导体，而在温度较低时表现为绝缘体的物质。
它的导电性质是通过材料中的载流子（电子或空穴）传导电流来实现的。
在半导体中，电子和空穴是通过化学反应或热激发产生的。
半导体材料可以是单晶体（如硅、锗）或复合材料（如硅锗合金）。
半导体具有一些独特的性质。
首先是温度敏感性。
随着温度的升高，半导体的导电性会增强，因为更多的载流子会被激发出来。
这种特性使得半导体在温度传感器和温度控制器中得到广泛应用。
其次是光电性质。
半导体在受到光照时，会发生光生电效应，产生电子-空穴对。
这种特性使得半导体在光电器件（如太阳能电池、光电二极管）中有重要的应用。
半导体的导电性质可以通过掺杂来调节。
掺杂是指向半导体中引入杂质，改变其导电性质的过程。
掺杂分为施主掺杂和受主掺杂。
施主掺杂是向半导体中引入能够提供额外自由电子的杂质，如磷或砷。
这些自由电子可以增加半导体的导电性能，使其成为N型半导体。
受主掺杂是向半导体中引入能够提供额外空穴的杂质，如硼或铟。
这些空穴可以增加半导体的导电性能，使其成为P型半导体。
N型半导体和P型半导体的结合形成PN结。
PN结是半导体器件中最基本的结构之一。
当N型半导体和P型半导体相接触时，N型半导体中的自由电子会向P型半导体中的空穴扩散，形成电子-空穴对结合区域。
在这个结合区域中，自由电子和空穴会重新组合，形成电子空穴复合。
这种电子空穴复合过程会导致PN结的区域失去自由电荷，形成一个电势差，称为内建电势。
内建电势使得PN结形成一个单向导电的区域，即正向偏置和反向偏置。
PN结具有一些重要的应用。
其中之一是二极管。
二极管是一种电子器件，可以在电流只能从P端流向N端的情况下导电。
二极管广泛应用于电源电路、整流电路和信号调制电路中。
《微电子与集成电路设计导论》第二章 半导体物理基础
导带
Eg
价带
2.5 半导体的掺杂
载流子：低温时，电子分别被束缚在四面体晶格中，因此无法作电的传导。但在 高温时，热振动可以打断共价键。当一些键被打断时，所产生的自由电子可以参 与电的传导。而一个自由电子产生时，会在原处产生一个空缺。此空缺可由邻近 的一个电子填满，从而产生空缺位置的移动，并可被看作与电子运动方向相反的 正电荷，称为空穴(hole)。半导体中可移动的电子与空穴统称为载流子。
F(E)
500K 0.5
300K
费米能级(Fermi level)：是电
100K
子占有率为1/2时的能量。
≈
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2
Ga 0.065 0.011
Si
1.12
Sb 0.039
0.045 B
P
As
0.045 0.054
0.067 0.072 Al Ga
Ti
C
0.21
0.25
0.34 0.35 D
0.16
In Pd
Pt 0.25
0.36 0.3 D
Au O
0.16 0.38 A 0.54 0.51 A 0.41
0.29 D
＋4
0, 1 , 0 2
＋4
＋4
＋4
＋4
半导体的共价键结合
砷化镓为四面体闪锌矿结构，其主要结合也是共价键，但在砷化镓中存在微 量离子键成分，即Ga＋离子与其四个邻近As－离子或As－离子与其四个邻近Ga＋ 离子间的静电吸引力。以电子观来看，这表示每对共价键电子存在于As原子的时 间比在Ga原子中稍长。
杂质半导体
非本征（杂质）半导体：当半导体被掺入杂质时，半导体变 成非本征的（extrinsic），而且引入杂质能级。
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北京大学 微电子学研究所
4. 晶体管的特性参数 （续） 4.4 晶体管的频率特性 截止频率 f：共基极电流放 大系数减小到低频值的 1 2 所对应的频率值 截止频率f ： 特征频率fT：共发射极电流放大系数为1时对应的工作频率 最高振荡频率fM：功率增益为1时对应的频率
p型半导体：空穴 p Na 电子 n ni2/Na
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8. 过剩载流子
由于受外界因素如光、电的作用，半导 体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这 些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子 载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消
失的过程 电子空穴对：电子和空穴成对产生或复合
公式 np ni2 不成立
模拟电 路
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输入电压直接控制提供 输出电流的载流子密度
输入电容由 扩散电容决 定
随工作电流的减 小而减小
高跨导
可同时在大或小的电 流下工作而无需调整 输入电容
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存在直流输入电 流，基极电流
饱和区中存储电 荷上升
开态电压无法成 为设计参数
e
qVR kT
1
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单向导电性： 正向偏置 反向偏置
5. PN结的特性
正向导通电压Vbi~0.7V(Si) 反向击穿电压Vrb
正向导通，多数载流子扩散电流 反向截止，少数载流子漂移电流
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6. PN结的击穿 雪崩击穿
齐纳/隧穿击穿
7. PN结电容
CT
Q V
N
扩散
电子： N区
漂移
正向电流
P
P区
正向偏置时，扩散大于漂移
扩散
空穴： P区
N区
漂移
j
jp x
jn
x
北 京 n大pL学0nDn微电p子nL学0Dp研p究所e
qV kT
1
正向的PN结电流输运过程
电流传输与转换（载流子的扩散和复合过程〕
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4. PN结的反向特性
N
P
漂移
反向偏置时，漂移大于扩散
CT
dQ dV
CT
s0S
Xm
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§ 2.4 双极晶体管
1. 双极晶体管的结构 由两个相距很近的PN结组成：
发
发
收
收
射
发射区 射 基区 集 收集区
集
极
结
结
极
基极
基区宽度远远小于少子扩散长度
分为：NPN和PNP两种形式
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双极晶体管的两种形式：NPN和PNP
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4. 晶体管的特性参数
4.1 晶体管的电流增益（放大系数〕
共发射极直流放大系数 交流放大系数0、
0
Ic Ib
ic
ib
共基极直流放大系数和 交流放大系数0 、
0
Ic Ie
ic
ie
两者的关系
0
Ic Ie Ic
0 1 0
1
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4. 晶体管的特性参数
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优 点
垂直结构
5. BJT的特点
与输运时间相关的尺 寸由工艺参数决定， 与光刻尺寸关系不大
易于获 得高fT
高速 应用
整个发射结 上有电流流 过
开态电压 VBE与尺寸、 工艺无关
可获得单位面积 的大输出电流
易于获得 大电流
大功率 应用
片间涨落小，可获 得小的电压摆幅
易于小信 号应用
q
N
D
N
A
p
n
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电流连续方程
可动载流 子的守恒
电子：
n t
1 q
jn
G
R
空穴
p t
1 q
jp G
R
热平衡时： 产生率＝复合率 np=ni2
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电流密度方程
载流子的输运方程
方程形式1
在漂移－扩散模型中
jn qnn E qDnn
jp q p p E qDpp
➢量子态和能级 ➢固体的能带结构
原子能级
能带
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➢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
原子能级
反成键态
成键态
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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
f
(E)
1
1 e(EEF
)/
kT
• E=EF时，能级被占据的几率为1/2 • 本征费米能级位于禁带中央
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平衡时的能带结构
自建势qVbi
jn
nn
EF x
n
nn
EF x
0
jp
pp
EF x
p
p
p
EF x
0
dEF 0 dx
费米能级平直
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3.正向偏置的PN结情形
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
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7. 电中性条件: 正负电荷之和为0
p + Nd – n – Na = 0
施主和受主可以相互补偿
p = n + Na – Nd n = p + Nd – Na
北京大学 微电子学研究所
n型半导体：电子 n Nd 空穴 p ni2/Nd
影响迁移率的因素： 有效质量 平均弛豫时间（散射〕
体现在：温度和 掺杂浓度
半导体中载流子的散射机制： 晶格散射（ 热 运 动 引 起） 电离杂质散射
北京大学 微电子学研究所
载流子的扩散运动：载流子在化学势作用下运动
扩散电流
电子扩散电流： J n,diff
dn qDn dx
空穴扩散电流：
J p,diff
漂移
电子： N区
P区
扩散
空穴： P区
N区
扩散
反向电流
jr
jp x
jn
x
n
p 0 Dn Ln
pn 0 D p Lp
e
qVR kT
1
北京大学 微电子学研究所
反向偏置时，漂移大于扩散
漂移
电子： N区
P区
扩散
漂移
空穴： P区
N区
扩散
反向电流
jr
jp x
jn
x
n
p 0 Dn Ln
pn 0 D p Lp
载流子浓度
电 子 浓 度 n, 空 穴 浓 度 p
本征载流子浓度： n=p=ni
np=ni2
ni与禁带宽度和温度有关
北京大学 微电子学研究所
6. 非本征半导体的载流子
热平衡时:
np ni2
在非本征情形: n p
N型半导体：n大于p P型半导体：p大于n
北京大学 微电子学研究所
多子：多数载流子
原子结合形式：共价键 形成的晶体结构： 构 成 一 个正四 面体， 具 有 金 刚 石 晶 体 结 构
北京大学 微电子学研究所
半导体的结合和晶体结构
金刚石结构
半导体有元素半导体，如：Si、Ge 化合物半导体，如：GaAs、InP、ZnS
北京大学 微电子学研究所
2. 半导体中的载流子：能够导电的自由粒子
受主：Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如 Si中掺的B
施主和受主浓度：ND、NA
北京大学 微电子学研究所
杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态
施主能级
受主能级
北京大学 微电子学研究所
5. 本征载流子
本征半导体：没有掺杂的半导体 本征载流子：本征半导体中的载流子
p ni
重点
• 半导体、N型半导体、P型半导体、本征 半导体、非本征半导体
• 载流子、电子、空穴、平衡载流子、非 平衡载流子、过剩载流子
• 能带、导带、价带、禁带 • 掺杂、施主、受主 • 输运、漂移、扩散、产生、复合
北京大学 微电子学研究所
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
本征半导体：n=p=ni
北京大学 微电子学研究所
电子：Electron，带负电的导电载流 子，是价电子脱离原子束缚 后 形成的自由电子，对应于导带 中占据的电子
空穴：Hole，带正电的导电载流子， 是价电子脱离原子束缚 后形成 的电子空位，对应于价带中的 电子空位
北京大学 微电子学研究所
3. 半导体的能带 (价带、导带和带隙)
qDp
dp dx
爱因斯坦关系:
D kT
q
北京大学 微电子学研究所
过剩载流子的扩散和复合 过剩载流子的扩散过程
扩散长度Ln和Lp: L=(D)1/2 过剩载流子的复合机制：
直接复合、间接复合、 表面复合、俄歇复合
北京大学 微电子学研究所
描述半导体器件工作的基本方程
泊松方程
高斯定律
描述半导体中静电势的变化规律
静电势由本征费米 能级Ei的变化决定
Ei
q
能带向下弯， 静电势增加
北京大学 微电子学研究所
方程的形式1
2x, t