中科大半導體器件課件第一章(PPT 99頁)

1、2022/7/181第一章 半導體物理基礎1-1 晶體結構和半導體材料1-2 半導體能帶結構1-3 平衡載流子濃度1-4 載流子輸運現(xiàn)象1-5 非平衡載流子1-6 半導體的光學性質第1頁，共99頁。2022/7/1821-1 晶體結構和半導體材料晶格結構密勒指數(shù)載流子的概念半導體器件基礎第2頁，共99頁。2022/7/183第3頁，共99頁。2022/7/184固體結構第4頁，共99頁。2022/7/185晶體結構硅、鍺等半導體都屬于金剛石型結構。III-V族化合物（如砷化鎵等）大多是屬于閃鋅礦型結構，與金剛石結構類似。 晶格常數(shù)是晶體的重要參數(shù)。aGe=0.5658nm,aSi=0.5431

2、nm第5頁，共99頁。2022/7/186常用半導體材料的晶格結構 Two intervening FCC cells offset by of the cubic diagonal from diamond structure and zincblende structure:第6頁，共99頁。2022/7/187倒格矢：基本參數(shù): a*, b*, c*(aa*=2, a b*=0, etc.)應用：波矢k空間的布里淵區(qū)第7頁，共99頁。2022/7/188沿晶體的不同方向，晶體的機械、物理特性也是不相同的，這種情況稱為晶體的各向異性。用密勒指數(shù)表示晶面。密勒指數(shù)（Miller indice

3、s)：表示晶面 （1）確定某一平面在直角坐標系三個軸上的截點，并以晶格常數(shù)為單位測出相應的截距； （2）取截距的倒數(shù)，然后約化為三個最小的整數(shù)，這就是密勒指數(shù)。晶體的各向異性第8頁，共99頁。2022/7/189密勒指數(shù)密勒指數(shù)4 3第9頁，共99頁。2022/7/1810密勒指數(shù) (hkl): For a plane that intercepts the x-axis on the negative side of the origin.(100) hkl: For planes of equivalent symmetry.(100)(010)(001)(100)(010)(001) :

4、 For a full set of equivalent directions.100010001 100010001100 hkl: For a crystal direction第10頁，共99頁。2022/7/1811價鍵每個原子有4個最近鄰原子以共價鍵結合，低溫時電子被束縛在各自的正四面體晶格內，不參與導電。高溫時，熱振動使共價鍵破裂，每打破一個鍵，就得到一個自由電子，留下一個空穴，即產(chǎn)生一個電子空穴對。 第11頁，共99頁。2022/7/1812單晶硅第12頁，共99頁。2022/7/1813半導體載流子：電子和空穴第13頁，共99頁。2022/7/18141-2 半導體能帶結構能

5、帶的概念 有效質量的概念載流子的概念多能谷半導體態(tài)密度第14頁，共99頁。2022/7/1815能帶的概念 電子的共有化運動 能帶的概念 導體、半導體、絕緣體的能帶直接帶隙半導體：電子從價帶向導帶躍遷不需要改變晶體動量的半導體，如GaAs。間接帶隙半導體：電子從價帶向導帶躍遷要改變晶體動量的半導體，如Si。 第15頁，共99頁。2022/7/1816單電子近似單電子近似解法解為Bloch函數(shù):第16頁，共99頁。2022/7/1817晶體是由大量的原子結合而成的，因此各個原子的電子軌道將有不同程度的交疊。電子不再局限于某個原子，而可能轉移到其他原子上去，使電子可能在整個晶體中運動。晶體中電子的

6、這種運動稱為電子的共有化。由于晶格是勢場的周期性函數(shù)，我們有 式中V（x）為周期性勢場，s為整數(shù)，a為晶格常數(shù)。勢場的周期與晶格周期相同。晶體中的電子在周期性勢場中運動的波函數(shù)其振幅隨x作周期性變化，其變化周期與晶格周期相同，這反映了電子不再局限于某個原子，而是以一個被調幅的平面波在晶體中傳播?；痉匠虨檠Χㄖ@方程：第17頁，共99頁。2022/7/1818電子由一個原子轉移到相鄰的原子去,因而電子將可以在整個晶體中運動。 第18頁，共99頁。2022/7/1819固體的量子理論認為，當原子凝聚成固體時，由于原子間的相互作用，相應于孤立原子的每個能級加寬成間隔極?。蔬B續(xù)）的分立能級所組成的能

7、帶，能帶之間隔著寬的禁帶。能帶之間的間隔不允許電子具有的能量。金剛石結構的晶體形成的能帶圖如下。n個原子組成晶體，原子間相互作用，n重簡并能級分裂，n個連續(xù)的分離但挨的很近的能級形成能帶。第19頁，共99頁。2022/7/1820不同材料的能帶圖 (a)絕緣體 (b)半導體 (c)導體第20頁，共99頁。2022/7/1821能帶溫度效應SiGaAs實驗結果表明，大多數(shù)半導體的禁帶寬度隨溫度的升高而減小，禁帶寬度與溫度的關系有下面經(jīng)驗公式：第21頁，共99頁。2022/7/1822直接帶隙半導體Direct Semiconductor例如： GaAs, InP, GaN, ZnO.第22頁，共

8、99頁。2022/7/1823間接帶隙半導體Indirect Semiconductor:例如: Ge, Si.第23頁，共99頁。2022/7/1824有效質量的概念 晶體中電子行徑與自由電子在導帶底和價帶頂附近非常相似?？梢宰C明，對于一般輸運過程中，可以把電子看成具有動量 ，能量 的有效帶電粒子，其中mn為有效質量。 第24頁，共99頁。2022/7/1825Principle of Semiconductor Devices 有效質量的引入對半導體而言,重要的是導帶底和價帶頂附近的電子狀態(tài).一維情況下,導帶底、價帶頂?shù)腅k關系為拋物線近似 -能帶極值附近的電子有效質量. 第25頁，共99

9、頁。2022/7/1826Principle of Semiconductor Devices第26頁，共99頁。2022/7/1827Principle of Semiconductor Devices 電子的速度和加速度根據(jù)量子力學，電子的運動可以看作波包的運動，波包的群速就是電子運動的平均速度（波包中心的運動速度）。設波包有許多頻率相近的波組成，則波包的群速為：根據(jù)波粒二象性，頻率為的波，其粒子的能量為h ，所以速度-在準經(jīng)典近似下, 電子的速度即為波包中心的運動速度(群速度). 第27頁，共99頁。2022/7/1828Principle of Semiconductor Device

10、s加速度-在外力(例如電場力)作用下,電子的運動狀態(tài)發(fā)生變化 -晶體中電子的準動量.第28頁，共99頁。2022/7/1829Principle of Semiconductor Devices 關于有效質量的幾點說明 有效質量概括了半導體中內部勢場的作用.引入有效質量后,帶頂、帶底的電子運動狀態(tài)可以表達為類似自由電子的形式。 有效質量可以通過實驗直接測得。 由有效質量看內部勢場: 有效質量的大小與共有化運動的強弱有關,反映了晶體中的勢場對電子束縛作用的大小.(能帶極值處有不同的曲率半徑) 能帶越窄，二次微商越小，有效質量越大（內層電子的有效質量大）；能帶越寬，二次微商越大；有效質量越?。ㄍ鈱?/p>

11、電子的有效質量?。?有效質量的正負與位置有關,反映了概括內部周期勢場的內部作用后的有效質量。第29頁，共99頁。2022/7/1830Principle of Semiconductor Devices帶底,帶頂 附近: (一維情況)能量在帶底,帶頂 附近,Ek為拋物線關系.有效質量為定值有效質量 導帶底有效質量0 價帶頂有效質量ni,pn)同樣，對p型半導體中電子的壽命第84頁，共99頁。2022/7/1885體內復合和表面復合 載流子復合時，一定要釋放多余的能量。放出能量的方法有三種：a.發(fā)射光子（常稱為發(fā)光復合或輻射復合，直接光躍遷的逆過程）b.發(fā)射聲子（將多余的能量傳給晶格，加強晶格

12、的振動）c.將能量給予其它載流子，增加他們的動能（稱為俄歇復合（Auger),碰撞電離的逆過程) 俄歇復合：在重摻雜半導體中，俄歇復合是主要的復合機制。 表面復合：由于晶體原子的周期排列在表面中止，在表面區(qū)引入了大量的局域能態(tài)或產(chǎn)生復合中心，這些能態(tài)可以大大增加表面區(qū)域的復合率。與間接復合類似，是通過表面復合中心進行的，對半導體器件的特性有很大的影響。 第85頁，共99頁。2022/7/1886Auger復合第86頁，共99頁。2022/7/1887表面復合小注入表面復合速度小注入表面復合率第87頁，共99頁。2022/7/1888連續(xù)性方程和泊松方程連續(xù)性方程：在半導體材料中同時存在載流子的

13、漂移、擴散、復合和產(chǎn)生時，描述這些作用的總體效應的基本方程。連續(xù)性方程基于粒子數(shù)守恒，即單位體積內電子增加的速率等于凈流入的速率和凈產(chǎn)生率之和。 第88頁，共99頁。2022/7/1889小注入下少子的一維連續(xù)性方程： 其中，np為p型半導體中的電子濃度，pn為n型半導體中的電子濃度。 第89頁，共99頁。2022/7/1890泊松方程： 式中，S為半導體的介電常數(shù) 稱為空間電荷密度 第90頁，共99頁。2022/7/1891 討論：原則上，在適當?shù)倪吔鐥l件下，方程存在唯一解，但是由于復雜，要進行一定的簡化和物理近似，在三種重要情況下可以求解這組連續(xù)性方程。 （1）穩(wěn)態(tài)單邊注入（2）表面少數(shù)載

14、流子（3）海恩斯肖克萊實驗 （HaynesShockley ）第91頁，共99頁。2022/7/1892（1）穩(wěn)態(tài)單邊注入半無限長邊界條件:擴散長度有限長邊界條件:第92頁，共99頁。2022/7/1893在xW處，過剩的少數(shù)載流子全部抽出，方程的解為： 則 xW處的電流密度方程可由擴散電流表達式給出：第93頁，共99頁。2022/7/1894（2）表面少子注入邊界條件：一端存在表面復合，從半導體內流向表面的空穴電流密度為qUs。表面復合使得表面處的載流子濃度降低，存在空穴濃度梯度，產(chǎn)生擴散電流，其值就等于表面復合電流。穩(wěn)態(tài)時可得連續(xù)性方程。 第94頁，共99頁。2022/7/1895（3）Haynes-Shockley實驗局部光脈沖在半導體樣品中產(chǎn)生過剩載流子，連續(xù)性方程如下:加外場時：第95頁，共99頁。2022/7/1896Haynes-Shockley 實驗：最早演示了少數(shù)載流子漂移和擴散的實驗裝置 第96頁，共99頁。2022/7/1897非穩(wěn)態(tài)輸運效應大尺寸器件和低頻器件：穩(wěn)態(tài)輸運方程 深亞微米器件：出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)效應，如產(chǎn)生載流子速度過沖。速度過沖：在電場對于載流子的加速時間小于能量弛豫時間的尺度內，漂移速度將隨時間變化。Si和GaAs中電子在時間階梯電場作用下漂移速度隨時間的變化，在加上電場后0.1ps時