19
1.6杂质能级
• 施主电离能：导带底和施主能及之间的 能量间隔，称为施主电离能EI。
• 在只有施主杂质的半导体中，在温度较 低时，价带中能够激发到导带的电子很 少，起导电作用的主要是从施主能级激 发到导带的电子。
20
1.6杂质能级
• 2、受主杂质和受主能级（P型半导体） • Ⅲ族杂质元素中最通用的是硼。 • 硼原子在取代原晶体结构中的原子并构
si
si
si
si
si
si
si
si
si
2
1.2 能带
• 二、能带结构与原子间距的关系 • 随着原子间距的缩小，能带结构发生的
变化依次为各能级分立、出现能级分裂、 合并为一个能带、再次出现能级分裂等 过程。 • 在“实际硅晶体原子间距”位置，共分 裂为两个能带，较低的能带被价电子填 满，较高的能带是空的。
• 受主杂质很容易从价带接 收一个电子——受主电离 能很小，因此受主能级位 于价带之上，并距离很近。
23
1.6杂质能级
• 受主杂质电离的另外一种表述：把中性 的受主杂质看成带负电的硼离子在它周 围束缚一个带正点的空穴，把受主杂质 从价带接收一个电子的电离过程，看做 被硼离子束缚的空穴被激发的导带的过 程。
• 禁带宽度：电子从价带激发到导带所需要 的最小能量。
10
1.4导带电子和价带孔穴
• 禁带的宽度区别了绝缘体和半导体；而 禁带的有无是导体和半导体、绝缘体之 间的区别；绝缘体是相对的，不存在绝 对的绝缘体。
• 导体具有任何温度下电子部分填满的导 带。
• 图1-5：不同导电性物质电子填充能带情 况。
• 当电子被束缚在施主杂质周围时，施主 杂质称为中性施主；失去电子之后的施 主杂质称为电离施主。
• 掺入施主杂质的半导体为N（Negative） 型半导体。施主杂质的浓度记为ND。
18
1.6杂质能级
• 电离施主提供了一个局域 化的电子态，相应的能级 称为施主能级—Ed。
• 由于电子从施主能级激发 到导带所需要的能量—— 杂质电离能很小，因此失 主能级位于导带底之下， 并距离很近。
1.2 能带
一、能带的形成 • 能级：电子所处的能量状态。 • 当原子结合成晶体时，原子最外层的价
电子实际上是被晶体中所有原子所共有， 称为共有化。 • 共有化导致电子的能量状态发生变化， 产生了密集能级组成的准连续能带---能 级分裂。
1• 右图为硅 晶体的来自 子间相互 作用示意 图1.2 能带
3
1.2 能带
合并为一个能带 出现能级分裂 导带
价带
实际硅晶体原子间距
4
1.2 能带
• 三、简化的能带结构 • 图1-3 • 导带：接收被激发的电子（对于半导体） • 价带：通常被价电子填满（对于半导体） • EC：导带底的能量 • EV：价带顶的能量 • E量G，：是禁材带料宽特度有，的是重打要破特共性价。键所需的最小能
和价带中的空穴，二者统称为载流子。 • 价带顶附近存在少量空穴的问题，和导
带底附近存在少量电子的问题，十分相 似。
13
1.5 硅、锗、砷化镓的能带结构
• P18，图1.6和图1.7 • 在300K的禁带宽度： • 硅：1.12eV 锗：0.67eV 砷化镓：1.43eV • 1.6杂质能级 • 为了改善半导体的导电性，通常会加入
适当的杂质，在禁带中引入相应的杂质 能级。
14
1.6杂质能级
• 在实际的半导体材料中，总是不可避免 的存在各种类型的缺陷。
• 为了改善半导体的导电性，通常会加入 适当的杂质。
• 在禁带中引入相应的杂质能级和缺陷能 级。
15
1.6杂质能级
• 硅的四面体结构， 每个小棒代表了 一个共价键。
• 杂质以替位的方 式掺入硅晶体中。
11
1.4导带电子和价带孔穴
• 半导体的导电过程：电子受到外界条件 激发（如温度），获得能量，到达导带， 从而形成不满带。
• 半导体的电导率受温度影响很大。
12
1.4导带电子和价带孔穴
• 2、空穴 • 价带顶附近的一些电子被激发到导带后，
留下一些空状态，称为空穴。 • 半导体中参与导电的有：导带中的电子
16
1.6杂质能级
• 1、施主杂质和施主能级（N型半导体） • Ⅴ族杂质元素中最通用的是磷。 • 磷原子在取代原晶体结构中的原子并构
成共价键时，多余的第五个价电子很容 易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子。 这个电子可以进入导带，称为导带电子。 • 如图1.8所示
17
1.6杂质能级
• 施主Donor，掺入半导体的杂质原子向半 导体中提供导电的电子。
成共价键时，将因缺少一个价电子而形 成一个空穴，于是半导体中的空穴数目 大量增加。
21
1.6杂质能级
• 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。
• 掺入受主杂质的半导体为P（Positive）型 半导体。施主杂质的浓度记为NA。
22
1.6杂质能级
• 受主接受电子称为受主杂 志，提供了一个局域化的 电子态，相应的能级称为 受主能级—Ea。
8
1.4导带电子和价带孔穴
• 绝缘体的禁带很宽，即使温度升高，电 子也很难从满带激发到空带，因此很难 导电。
• 半导体的禁带较窄，在一定温度下，电 子容易从满带激发到空点，形成不满带， 从而导电。
9
1.4导带电子和价带孔穴
• 价带：绝对0度条件下，半导体最上面的 满带被价电子填充，称为价带。
• 导带：绝对0度条件下，价带上面的空带 能够接收从满带激发来的电子，从而能够 导电，因此也称为导带。
只有少量电子离开价带形成不满带，才 能实现导电
7
1.4导带电子和价带孔穴
• 按照能带被电子填充的情况来分析金属、 半导体和绝缘体：
• 金属：被电子填充的最高能带是不满的， 而且能带中的电子密度很高，所以金属 有良好的导电性。
• 绝缘体和半导体：在绝对零度时，被电 子占据的最高能带是满的，没有不满的 能带存在。因此不能导电。
5
1.3 有效质量
• 有效质量m*：考虑了晶格对于电子 运动的影响并对电子静止质量进行 修正后得到的值。
6
1.4导带电子和价带孔穴
• 1、金属、半导体和绝缘体的区别 • 空带、满带和不满带 • 能带理论提出：一个晶体是否具有导电
性，关键在于它是否有不满的能带存在。 • 在常温下，半导体的价电子填满价带，