半導體介紹和物理基礎

1、半導體介紹和物理基礎2.1 孤立原子中電子的運動狀態(tài)2.2 半導體中電子的運動狀態(tài)和能帶2.3 雜質和缺陷能級2.4 載流子的統(tǒng)計分布2.5 半導體的導電性2.6 非平衡載流子2.4 載流子的統(tǒng)計分布能帶中的態(tài)密度費米分布函數(shù)與費米能級能帶中的電子和空穴濃度本征半導體的載流子濃度雜質半導體的載流子濃度在一定溫度下，導帶電子和價帶空穴（或載流子）的產(chǎn)生與復合過程之間將建立動態(tài)平衡，稱為熱平衡狀態(tài)。熱平衡狀態(tài)下，導帶電子濃度和價帶空穴濃度都保持一個穩(wěn)定值，熱平衡狀態(tài)下的導電電子和空穴稱為熱平衡載流子。溫度改變時，熱平衡載流子濃度隨之變化，最終達到另一個穩(wěn)定數(shù)值。計算熱平衡載流子濃度隨溫度變化及的規(guī)

2、律，需要兩方面的知識：一、能帶中能容納載流子的狀態(tài)數(shù)目；二、載流子占據(jù)這些狀態(tài)的概率。2.4 載流子的統(tǒng)計分布2.4.1 能帶中的態(tài)密度態(tài)密度（density of states）：能帶中能容納載流子的狀態(tài)數(shù)目，也即單位體積晶體中單位能量間隔內的狀態(tài)數(shù)（或量子態(tài)數(shù)）。導帶底附近的態(tài)密度：mdn：導帶電子態(tài)密度有效質量Ec：導帶底能量價帶頂附近的態(tài)密度：mdp：價帶電子態(tài)密度有效質量Ev：價帶頂能量Nv(E)Nc(E)熱平衡情況下，能帶中一個能量為 E 的量子態(tài)被電子占據(jù)的概率服從費米-狄拉克分布，可用費米分布函數(shù)表示為：K:玻爾茲曼常數(shù)，T:熱力學溫度，室溫下，KT=25.8 meV。EF 為

3、費米能級。分布函數(shù)：載流子占據(jù)能帶中量子態(tài)的概率。T=0T1-f(E)為量子態(tài)被空穴占據(jù)的概率。2.4.2 費米分布函數(shù)與費米能級對于一個具體體系，在一定溫度下，只要確定了EF，電子在能級中的分布情況也就完全確定了。 EF是反映電子在各個能級中分布情況的參數(shù)。費米能級高，說明電子占據(jù)高能級的量子態(tài)的概率大。費米能級是電子填充能級水平高低的標志。對于給定的半導體，費米能級隨溫度以及雜質的種類和多少的變化而變化。在絕對零度（T=0）時，費米能級EF 可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限。2.4.2 費米分布函數(shù)與費米能級2.4.3 能帶中的電子和空穴濃度導帶電子濃度：分布函數(shù)f(E)與導帶態(tài)密度之

4、積為單位體積半導體中單位能量間隔dE內導帶電子數(shù)，再對整個導帶能量（從導帶底至導帶頂）積分。價帶空穴濃度：空穴分布函數(shù)1-f(E)與價帶態(tài)密度之積對整個價帶能量（從價帶底至價帶頂）積分。Ec：導帶頂能量。Ev：價帶底能量。2.4.3 能帶中的電子和空穴濃度導帶中電子大多數(shù)在導帶底附近，價帶中大多數(shù)空穴則在價帶頂附近。Nc(E)Nv(E)Nc(E)Nv(E)N(E)N(E)2.4.3 能帶中的電子和空穴濃度其中， 稱為導帶有效態(tài)密度。導帶電子濃度 n： 上式可理解為把導帶中所有量子態(tài)都集中在導帶底Ec,而它的態(tài)密度為Nc,則導帶中電子濃度是Nc中有電子占據(jù)的量子態(tài)數(shù)。2.4.3 能帶中的電子和空

5、穴濃度價帶空穴濃度 p：其中， 稱為價帶有效態(tài)密度。 上式可理解為把價帶中所有量子態(tài)都集中在價帶頂Ev,而它的態(tài)密度為Nv,則價帶中的空穴濃度是Nv中有空穴占據(jù)的量子態(tài)數(shù)。2.4.3 能帶中的電子和空穴濃度載流子濃度乘積 np：電子和空穴的濃度乘積和費米能級無關，只決定于帶隙和溫度，與所含雜質無關。對于一定的半導體材料，在一定溫度下，乘積np是定值。適用于熱平衡狀態(tài)下的本征半導體和雜質半導體。2.4.4 本征半導體的載流子濃度本征(intrinsic)半導體是完全沒有雜質和缺陷的半導體。完全未激發(fā)時（T=0），價電子充滿價帶，導帶全空。T0時，電子從價帶激發(fā)到導帶本征激發(fā)。電子和空穴成對產(chǎn)生，

6、導帶電子濃度等于價帶空穴濃度。n = p電中性條件2.4.4 本征半導體的載流子濃度本征半導體的費米能級n = p 對于大多數(shù)半導體，本征費米能級在禁帶中央上下約KT 的范圍，通常KT 較小，本征費米能級看做禁帶中央的能量，記為Ei 。本征半導體的載流子濃度2.4.4 本征半導體的載流子濃度本征半導體載流子濃度只與帶隙和溫度有關，禁帶越窄，溫度越高，本征載流子濃度越高。質量作用定律、普適的載流子濃度np=ni2適用于本征半導體和雜質半導體。2.4.5 雜質半導體的載流子濃度本征載流子濃度隨溫度迅速變化，用本征材料制作的器件性能很不穩(wěn)定，所以一般用雜質半導體材料制造器件。對于只含有一種雜質的半導

7、體，除本征激發(fā)外，還存在雜質電離。二者激活能不同，發(fā)生在不同的溫度。絕大多數(shù)半導體器件工作在雜質基本上全部電離而本征激發(fā)可以忽略的溫度范圍雜質飽和電離。2.4.5 雜質半導體的載流子濃度1. N型半導體在雜質飽和電離的溫度范圍內，施主能級上的電子全部激發(fā)到導帶，由本征激發(fā)引起的導帶電子數(shù)目可忽略。n = ND導帶電子濃度等于施主濃度價帶空穴濃度為：飽和電離條件下，導帶電子濃度遠大于價帶空穴濃度，導帶電子為多數(shù)載流子（多子），價帶空穴為少子。2.4.5 雜質半導體的載流子濃度1. N型半導體N型半導體在飽和電離情況下的費米能級：N型半導體費米能級位于導帶底之下，本征費米能級之上，且施主濃度越高，

8、費米能級越靠近導帶底。溫度升高，費米能級逐漸遠離導帶底。2.4.5 雜質半導體的載流子濃度2. P型半導體在雜質飽和電離的溫度范圍內，價帶空穴主要來自受主雜質，本征激發(fā)產(chǎn)生的價帶空穴數(shù)目可忽略。p = NA價帶空穴濃度等于受主濃度P型半導體在飽和電離情況下的費米能級：P型半導體費米能級位于價帶頂之上，本征費米能級之下。受主濃度越高，費米能級越靠近價帶頂。溫度升高，費米能級逐漸遠離價帶頂。2.4.5 雜質半導體的載流子濃度 雜質補償半導體：同時含有施主雜質和受主雜質。由于施主能級上的電子首先要填充受主能級，使施主向導帶提供電子和受主向價帶提供空穴的能力減弱。NDNA時，受主全部電離。在雜質電離的

9、溫度范圍內，施主能級上和導帶中總的電子濃度是ND-NA,與只含有一種施主雜質（濃度為ND-NA）類似。雜質飽和電離的溫度范圍內， （NDNA） 2.4.5 雜質半導體的載流子濃度 雜質補償半導體：同時含有施主雜質和受主雜質。NA=ND時，能帶中的載流子只能由本征激發(fā)產(chǎn)生完全補償?shù)陌雽w。當溫度遠高于電離溫度時，大量電子由價帶激發(fā)到導帶，當本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子數(shù)目遠大于雜質電離所產(chǎn)生的載流子數(shù)目時，雜質半導體進入本征激發(fā)區(qū)，與未摻雜的本征半導體類似。2.1 孤立原子中電子的運動狀態(tài)2.2 半導體中電子的運動狀態(tài)和能帶2.3 雜質和缺陷能級2.4 載流子的統(tǒng)計分布2.5 半導體的導電性2.6 非平

10、衡載流子2.半導體物理基礎2.5 半導體的導電性載流子的散射載流子的漂移運動、遷移率與電導率載流子的擴散運動和擴散電流2.5.1 載流子的散射載流子的散射：實際晶體中存在晶格缺陷，晶體原子也在不斷振動，因此，晶體中的勢場偏離理想的周期性勢場，附加的勢場將使載流子的運動狀態(tài)發(fā)生改變。散射使載流子做無規(guī)則運動，熱平衡狀態(tài)下，向各個方向運動的載流子都存在，對電流的貢獻彼此抵消，半導體中沒有電流流動。平均自由時間：兩次散射之間的平均時間 (皮秒，10-12s)，是描述載流子散射的最基本物理量，其倒數(shù)為散射概率。2.5.1 載流子的散射主要的散射機制：晶格振動散射和電離雜質散射。晶格振動散射：在室溫或更

11、高溫度時處于支配地位。電離雜質散射：電離的施主或受主雜質是帶電離子，周圍存在庫倫勢場，載流子經(jīng)過時發(fā)生散射。隨溫度降低和雜質濃度增加，散射概率增大。電離雜質散射在低溫下處于支配地位。2.5.2 漂移運動、遷移率與電導率漂移運動：在外加電場存在時，載流子除了做無規(guī)則的熱運動外，還存在著定向運動，即漂移運動，它引起電荷的流動，稱為漂移電流。遷移率：描述載流子在單位電場作用下所獲得的平均漂移速度的絕對值，是描述載流子輸運現(xiàn)象的一個重要參數(shù)，單位: cm2/(Vs) 。: 平均自由時間m*: 有效質量電子遷移率： 空穴遷移率： 2.5.2 漂移運動、遷移率與電導率遷移率與溫度和雜質濃度的關系：晶格振動

12、散射：高溫下，晶格散射變得顯著，因此遷移率隨著溫度的增加而減小。實驗結果表明晶格散射所造成的遷移率將隨T-3/2T-5/2方式減小。電離雜質散射：低溫下的重摻雜樣品中表現(xiàn)顯著，此時晶格散射可忽略。溫度增加時，載流子熱運動平均速度大，不易被帶電雜質離子散射，遷移率升高。給定溫度下，遷移率隨雜質濃度的增加而下降。 2.5.2 漂移運動、遷移率與電導率電導率：單位外加電場作用下產(chǎn)生的電流密度，是描述半導體導電性能的基本物理量。外加電場不太強時，漂移電流滿足歐姆定律j=E， 為電導率。電子電導率n=nqnN型半導體（np）空穴電導率p=pqp P型半導體（pn）半導體的電導率=q(nn+pp)2.5.

13、3 載流子的擴散運動和擴散電流擴散運動：當半導體中出現(xiàn)不均勻的載流子分布時，載流子將由濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動，產(chǎn)生的電流稱為擴散電流。擴散電流密度：由擴散運動引起的單位時間垂直通過單位面積的載流子電量，與載流子濃度梯度成正比。電子擴散電流密度：空穴擴散電流密度：D為擴散系數(shù)，量綱為cm2/s2.5.3 載流子的擴散運動和擴散電流擴散和漂移運動同時存在的情況下，電子和空穴的電流密度分別為：總電流密度： 對于分析器件在低電場狀態(tài)下的工作情形非常重要。然而在很高的電場狀態(tài)下，電子和空穴的漂移速度應該以飽和速度替代。2.1 孤立原子中電子的運動狀態(tài)2.2 半導體中電子的運動狀態(tài)和能帶2.3 雜

14、質和缺陷能級2.4 載流子的統(tǒng)計分布2.5 半導體的導電性2.6 非平衡載流子2.半導體物理基礎2.6 非平衡載流子 非平衡載流子的注入與復合 非平衡載流子的壽命 準費米能級 復合機制2.6.1 非平衡載流子的注入與復合熱平衡：一定溫度下沒有外力和激發(fā)作用的穩(wěn)定態(tài)。非平衡：自由載流子濃度偏離熱平衡的情況。非平衡載流子：在外界作用下，能帶中的載流子數(shù)目發(fā)生明顯的改變，比平衡態(tài)多出來的這部分載流子成為過量載流子，或非平衡載流子。非平衡載流子的注入：導入過量載流子的過程。在半導體中，非平衡載流子具有極其重要的意義，許多效應都是由它們引起的。2.6.1 非平衡載流子的注入與復合 一定溫度下，當沒有光照

15、時，N型半導體中電子和空穴的濃度滿足: n0p0，若用光子能量大于禁帶寬度的光照射，則可將價帶的電子激發(fā)到導帶。導帶和價帶分別比平衡時多出一部分電子n和空穴p，稱為非平衡載流子濃度。導帶電子濃度：價帶空穴濃度：ni:一定溫度下，本征半導體中平衡載流子的濃度。2.6.1 非平衡載流子的注入與復合 非平衡載流子的注入光注入：用光照射半導體產(chǎn)生非平衡載流子的方法。（光-電器件，光-光器件）電注入： （電-光器件） 給PN結加正向偏壓，PN結在接觸 面附近產(chǎn)生非平衡載流子。 當金屬和半導體接觸時，加上適當?shù)钠珘?，也可以注入非平衡載流子。 2.6.1 非平衡載流子的注入與復合非平衡載流子的注注入載流子數(shù)

16、量的多少控制器件的工作狀況。小注入（低水平注入）：注入的過量載流子濃度與熱平衡多數(shù)載流子濃度相比是很小的。大注入（高水平注入）：注入的過量載流子濃度可以和熱平衡多子濃度相比較。N型半導體2.6.1 非平衡載流子的注入與復合 非平衡載流子的復合非平衡載流子的復合：非平衡載流子是在外界作用下產(chǎn)生的，當外界作用撤除以后，由于半導體的內部作用，導帶中的非平衡電子將落入到價帶的空狀態(tài)中，使電子和空穴成對地消失。非平衡載流子的復合是半導體由非平衡態(tài)趨向平衡態(tài)的一種弛豫過程，屬于統(tǒng)計性的過程。載流子的產(chǎn)生（復合）率：單位時間、單位體積內產(chǎn)生（復合）的載流子數(shù)。2.6.1 非平衡載流子的注入與復合 統(tǒng)計性的過

17、程熱平衡情況下，載流子的產(chǎn)生率 = 載流子復合率，使載流子濃度維持一定。當有外界作用時（如光照），產(chǎn)生率 復合率，半導體中載流子數(shù)目增多，即產(chǎn)生非平衡載流子。隨著非平衡載流子數(shù)目的增多，復合率增大，當產(chǎn)生率 =復合率時，非平衡載流子數(shù)目不再增多，達到穩(wěn)定值。外界作用撤除后，產(chǎn)生率 復合率，非平衡載流子數(shù)目逐漸減少，最后恢復到熱平衡情況。2.6.2 非平衡載流子的壽命 非平衡載流子的壽命 實驗證明，在只存在體內復合的情況下，t 時刻非平衡載流子的濃度為p0為t=0時的非平衡載流子濃度。 標志著非平衡載流子在復合前的平均存在時間，稱為非平衡載流子的壽命，可以在10-2 10-9 s 的范圍內變化。

18、1/ 是單位時間內每個非平衡載流子被復合掉的概率。硅、鍺中非平衡載流子壽命長，達毫秒量級；GaAs的非平衡載流子壽命很短，為納秒量級。2.6.3 準費米能級熱平衡時，可以用一個統(tǒng)一的費米能級EF 來描述半導體中的電子和空穴的濃度。非平衡時，由于非平衡載流子的注入，費米能級變得沒有意義。但可以定義EFn 和 EFp來代替上式中的EF， EFn 和 EFp 分別為電子和空穴的準費米能級。導帶價帶EiEFN 型半導體EFnEFp2.6.4 復合機制根據(jù)復合過程的微觀機制，分為直接復合和間接復合。根據(jù)復合過程發(fā)生的位置，分為體內復合和表面復合。載流子復合時釋放能量的方式：1）發(fā)射光子；2）發(fā)射聲子；3

19、）俄歇復合（將能量給予其他載流子，增加它們的動能）。直接復合：電子由導帶直接躍遷到價帶的空狀態(tài)，使電子和空穴成對消失。也稱為帶間復合。如果直接復合過程中同時發(fā)射光子，則稱為直接輻射復合或帶間輻射復合。一般地，禁帶寬度越小，直接復合的概率越大。銻化銦（帶隙0.18 eV）等小帶隙的半導體中，直接復合占優(yōu)勢。2.6.4 復合機制2.6.4 復合機制直接復合的復合率R：單位時間、單位體積半導體中復合掉的電子-空穴對數(shù)。與電子濃度n和空穴濃度p成正比:R=rnp，r稱為復合系數(shù)。一定溫度下，r 值確定，與電子和空穴濃度無關。小注入條件下，N型半導體中非平衡空穴壽命：（雜質飽和電離）與多子濃度成反比，即

20、和雜質濃度成反比，因此，樣品的電導率越高，非平衡少子壽命越短。間接復合：最主要的是通過復合中心的復合。復合中心：晶體中的一些雜質或缺陷，它們在禁帶中引入離導帶底和價帶頂都比較遠的局域化能級，即復合中心能級。間接復合過程： 電子躍遷到復合中心能級，然后再躍遷到價帶的 空狀態(tài)，使電子和空穴成對地消失。 復合中心從導帶俘獲一個電子，再從價帶俘獲一 個空穴，完成電子和空穴對的復合。多數(shù)情況下，間接復合不產(chǎn)生光子，稱為非輻射復合。2.6.4 復合機制電子的俘獲：概率與電子的濃度和空的復合中心密度成正比。電子的產(chǎn)生：概率與復合中心上的電子濃度成正比。空穴的俘獲：概率與復合中心上的電子濃度及價帶的空穴濃度成

21、正比?？昭ǖ漠a(chǎn)生：概率與復合中心上的空心濃度成正比。2.6.4 復合機制復合中心能級 表面復合載流子的間接復合也可以發(fā)生在半導體的表面。表面復合中心： 晶格結構在表面表現(xiàn)的不連續(xù)性在禁帶中引入了 大量的表面態(tài)。大大增加了表面區(qū)域的載流子復合率。 表面吸附離子、分子或機械損傷等造成的其他缺陷。表面處的復合率與表面處的非平衡載流子濃度成正比。如果半導體器件表面復合速率較高，則會使更多的注入的載流子在表面復合消失，以致嚴重影響器件的性能。因此在大多數(shù)器件生產(chǎn)中，總希望獲得良好穩(wěn)定的表面，盡量降低表面復合速率。2.6.4 復合機制課程主要內容：第一章 半導體光電材料概述第二章 半導體物理基礎第三章 P

22、N結第四章 金屬-半導體結第五章 半導體異質結構第六章 半導體太陽能電池和光電二極管第七章 發(fā)光二極管和半導體激光器第八章 量子點生物熒光探針第三章 PN結3.1 PN結的形成和雜質分布結（junction）：任何兩種物質（絕緣體除外）的冶金學接觸（原子級接觸） ，有時也稱為接觸（contact）。PN結：由P型半導體和N型半導體實現(xiàn)冶金學接觸所形成的結構。它是幾乎所有半導體器件的基本單元。半導體結有同型同質結（如P-硅和P-硅）、同型異質結（P-硅和P-鍺）、異型同質結（如P-硅和N-硅）、異型異質結（如P-硅和N-鍺）。制備PN結的主要技術是硅平面工藝，主要包括：離子注入工藝、擴散工藝、外延工藝、光刻工藝、真空鍍膜技術、氧化技術以及測試、封裝工藝。采用單晶硅材料制