杂质来源 1）制备半导体的原材料纯度不够高 2）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污 3）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子
根据对载流子浓度的影响的不同，杂质可分为: 施主(donor) 杂质（高价元素）---N型半导体 受主 (acceptor)杂质（低价元素）---P型半导体
载流子：半导体中，导带中的电子和价带中的空穴 统称为载流子。
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3、本征半导体和非本征半导体
（1）本征半导体 本征半导体是纯净而不含任何杂质的理想半导
体材料。
由于晶体中原子的热振动，价带中的一些电子
激发到导带，同时在价带中留下空穴，形成电子-空
Байду номын сангаас
穴对。因此，本征半导体中的电子浓度与空穴浓度
相等。
热平衡条件下的浓度定律：
概述 半导体及半导体发光基础 半导体发光材料 发光二极管 半导体激光器
1.0 概述
应用领域： 信息显示 光纤通信 固态照明 国防
1、半导体的种类 元素半导体：Si，Ge（IV族）
III-V族半导体：GaAs, InP 化合物半导体 II-VI族半导体：ZnS
IV-IV族半导体：SiC
2、晶体结构 固体材料的种类:
闪锌矿结构 金刚石型 VS
闪锌矿型
化 合 物 半 导 体 : GaAs、InP、ZnS
纤锌矿结构
S2-六方紧密堆积排列 Zn2+填充在四面体空隙 中，只占据了1/2
六方晶系 简单六方格子 与纤锌矿结构同类的晶 体：BeO、ZnO、AlN
1.1半导体及半导体发光基础
1.1.1半导体物理基础 1、能 带 孤立原子中的电子：能级是量子化的。 n=3
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能级
能带
当原子之间距离逐步接近时，原子周围电子的 能级逐步转变为能带。
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允带：允许电子存在的能量围。 禁带：不允许电子存在的能量范围。 价带：在绝对零度，可以被电子填满的最高能带。
导带：价带之上，电子可以摆脱单个原子束缚，并在整 个半导体材料中自由移动的能带。
禁带宽度： Eg Ec Ev
(根据原子、分子或分子团在三维空间中排列的有序程度的不同)
无定形（非晶）
不存在长程有序或 几个尺度内有序
应 无定形硅薄膜-用 加工液晶显示器
6
多晶
在小区域内 完全有序
多晶硅----太阳能电池
单晶
整个晶体中 排列有序
单晶硅-电子器件 集成电路制造
单晶体中的原子或分子在三维空间中有序排列， 具有几何周期重复性。
光电子材料
以光子、电子为载体，处理、存储和传递信息的 材料。
已使用的光电子材料主要分为光学功能材料、激 光材料、发光材料、光电信息传输材料（主要是光 导纤维）、光电存储材料、光电转换材料、光电显 示材料（如电致发光材料和液晶显示材料）和光电 集成材料。
第1章 半导体发光材料及器件
1.0 1.1 1.2 1.3 1.4
准自 由电
子
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准自由 电子
原子对剩余的这个价电子的束缚能力较弱，只需 获得较小的能量就可以脱离磷原子的束缚成为可以传 导电流的准自由电子。
此电子被施给了导带，磷原子因此被称为施主。 由于带负电载流子增加，硅变成N型。
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热平衡状态下，掺有浓度为ND的施主杂质的 半导体中，空穴和准自由电子的浓度分别为
四个电子
n=2 8个电子
+14
n=1 2个电子 H
Si
晶体中的电子
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转 到另一个原子周围，即同一个电子可以被多个原子共 有，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个 原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。 特点： 1.外层电子受原子束缚轻，电子壳层交叠大，共有 化运动显著; 2.电子只能在相同支壳层之间转移
晶格：把单晶体中的原子或分子抽象成数学上的几 何点，这些点的集合被称为晶格。 或晶体的原子按一定规律在空间周期性排列形成格 点，成为晶格。
晶体中的原子或分子位于晶格点上。
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3、常见晶体结构 金刚石结构
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
金刚石结构 半 导 体 有: 元 素 半 导 体 如Si、Ge
pn
ni2
Nc Nv
exp
Eg kBT
p n ni
（2）非本征半导体
本征半导体内引入一定数量的杂质，可以有 效改变半导体的导电性质，这种掺有一定数量杂 质的半导体称为非本征半导体。
非本征半导体是制造各种半导体器件的基础。
由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期排列的 原子所产生的周期性势场受到破坏，有可能在禁带中 引入允许电子存在的能量状态（即能级），从而对半 导体的性质产生决定性的影响。
n0 ND
p0
ni2 ND
N型半导体：掺入了施主杂质的半导体中，热平衡状态 下的准自由电子浓度大于空穴浓 度，称这 样的半导体为N型半导体。
杂质浓度ND>>本征载流子浓度ni
N型半导体中n0>>P0，电子为多数载流子，空穴为少数 载流子。
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1）N型半导体
准自由 电子
硅中掺入磷(P)，当一个磷原子占据了硅原子的 位置，一个硅原子被一个带有5 个价电子的磷原子 所取代（或替补），其中4个价电子与周围的4个硅 原子形成共价键，还剩余一个价电子。
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磷原子成为1个带有1个正电荷的磷离子(P+) 称为正电中心磷离子，其效果相当于形成了一个 正电中心和一个多余的电子。
单位是能量单位：eV（电子伏特）。
导导 Ec
Eg
导导
Ev
导导
金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图
金属(导体)：导带被电子部分占满，在电场作用 下这些电子可以导电。
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金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图
硅1.12eV 锗0.67eV 砷化镓1.42eV
半导体：在绝对零度下，导带全空，价带全满，不导 电。禁带比较窄，常温下部分价带电子被激 发到空的导带，形成有少数电子填充的导 带和留有少数空穴的价带，都能导电。 16
金属（导体）、半导体、绝缘体能带示意图
3~6eV
绝缘体：价带全满，禁带很宽，价带电子常温下不能 被激发到空的导带，故常温下不导电。
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2、空穴（hole）
价带中由于少了一些电子，在价带顶部附近出现了 一些空的量子状态，称之为空穴（带正电）。
价带电子运动可以看作空穴的运动。
在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电 这与金属（导体）导电有很大的区别。