固体物理第五章半导体及其电阻率.ppt

关于固体物理第五章半导体及其电阻率一、半导体的基本特征、结构和分类半导体的导电性往往由于存在杂质而有很大的改变(如通过掺杂形成P型或N型半导体)。如果构成半导体的材料很纯,杂质的贡献可以忽略,这种半导体称为本征半导体(intrinsicsemiconductor).反之,如杂质贡献明显,称为非本征半导体(extrinsicsemiconductor)或杂质半导体(impuritysemiconductor).在绝对零度时，半导体都是不导电的。第2页,共31页，2024年2月25日，星期天在一般温度下，半导体的电阻率一般在10-2~109Ω·cm范围内，介于导体(10-6Ω·cm)和绝缘体(1014~1023Ω·cm)之间。对于金属而言，电阻随温度的降低而迅速减小，电阻的温度系数dR/dT0而对于半导体来说，其电阻随温度的降低而升高，电阻的温度系数dR/dT0。半导体的能带结构和绝缘体类似把能量最高的满带称为价带，能量最低的空带称为导带。价带顶和导带底都称为带边。导带边和价带边的能量差，称为带隙宽度，常表示为第3页,共31页，2024年2月25日，星期天其中，εg、εC和εV分别对应带隙宽度、导带底能量和价带顶的能量。由于半导体的带隙较窄，所以价带顶附近的电子容易热激发到导带底附近，从而在价带顶附近出现空穴，形成近满带；导带底附近由于少量电子的存在，形成近空带。典型的元素半导体主要来自IV族元素，如硅、锗和灰锡，都具有金刚石结构；化合物半导体来自III-V族和II-VI族化合物。第4页,共31页，2024年2月25日，星期天III-V族化合物半导体一般具有类金刚石的闪锌矿结构(B3型结构)，如砷化镓(GaAs)、锑化镓(GaSb)、锑化铟(InSb)等；II-VI族化合物半导体是具有离子结合倾向的共价晶体，因此被称为极化半导体，如硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)等，具有纤锌矿结构也叫六方硫化锌(ZnS)结构(B4型结构)。二、本征半导体纯净的半导体就是所谓的本征半导体。本征半导体中的载流子都是由本征激发产生的，亦即导带中的电子均来源于价带中的空穴处.第5页,共31页，2024年2月25日，星期天本征半导体导带中的电子密度nC与价带中的空穴密度pV相等，即：设gC(ε)和gV(ε)分别是导带和价带单位体积的态密度，由费米统计：当εC-μkBT和μ-εVkBT时,则上述两式可以化简。第6页,共31页，2024年2月25日，星期天当εC-μkBT和μ-εVkBT时,本征半导体导带中的电子密度nC与价带中的空穴密度pV可以化为：第7页,共31页，2024年2月25日，星期天当εC-μkBT和μ-εVkBT时,本征半导体导带中的电子密度nC与价带中的空穴密度pV可以化为：其中：因为：第8页,共31页，2024年2月25日，星期天所以：两边取对数得：所以,对于半导体而言,体系的化学势μ有如下特点：T=0K时：化学势μ位于在带隙中间第9页,共31页，2024年2月25日，星期天T≠0K时，由于半导体体系的化学势μ：所以体系的化学势μ的位置的改变不超过kBT量级。为此,习惯上,也把半导体的化学势μ称为费米能级,记为εF.由于kBT相对于费米能级来说很小，所以对于本征半导体来说，即使温度不为零，其费米能级也基本上位于禁带的中间位置。此处半导体的εF与金属的费米能级有区别，对于半导体并没有单电子能级在费米能级上(禁带中)，它也不是将占据态和非占据态分开的唯一能量。第10页,共31页，2024年2月25日，星期天对于实际的半导体，带隙εg均远大于kBT，因而εC-μkBT和μ-εVkBT总能满足。从而，费米分布过渡到经典玻尔兹曼分布。表明导带中的电子和价带中的空穴遵从经典统计规则，是非简并的(nondegenerate)，相应的半导体称为非简并半导体。三、非本征半导体在本征半导体中掺入少量杂质,可以强烈影响半导体的电学性质,这类半导体称为非本征半导体(extrinsicsemiconductor)或杂质半导体(impuritysemiconductor).掺杂主要是破坏了晶体的周期性,从而在禁带中形成局域态,