固体物理第五章5.3 半导体及其电阻率.pptVIP

5.3 半导体及其电阻率 本节主要内容： 一、半导体的基本特征、结构和分类 二、本征半导体 三、非本征半导体 四、半导体的光吸收 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(intrinsic semiconductor). 反之, 如杂质贡献明显, 称为非本征半导体(extrinsic semiconductor)或杂质半导体(impurity semiconductor). 在绝对零度时，半导体都是不导电的。 在一般温度下，半导体的电阻率一般在10-2~109 Ω·cm范围内，介于导体(10-6 Ω·cm)和绝缘体(1014~1023 Ω·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/dT 0 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/dT 0。 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 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。 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. 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 - μ kBT 和μ - εV kBT 时, 则上述两式可以化简。 当εC - μ kBT 和μ - εV kBT 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： 当εC - μ kBT 和μ - εV kBT 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： 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 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。 对于实际的半导体，带隙εg 均远大于 kBT，因而εC - μ kBT 和μ - εV kBT 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(extrinsic semiconductor)或杂质半导体(impurity semiconductor). 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, 出现定域能级. 在非本征半导体中，能向导带提供电子的杂质原子称为施主(donor)。 如在锗和硅中加入5价元素磷、砷、锑等，磷、砷、锑称为施主。 其定域能级εD位于禁带中但靠近导带边εC ，由于热激发，这类杂质能向导带提供