半導(dǎo)體器件物理第二章能帶和載流子

1、半導(dǎo)體器件物理第二章能帶和載流子1第1頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二2.1 半導(dǎo)體材料固體材料：絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體半導(dǎo)體易受溫度、光照、磁場(chǎng)及微量雜質(zhì)原子影響元素半導(dǎo)體：硅、鍺化合物半導(dǎo)體：二元、三元、四元化合物 GaAs 、InP、AlxGa1-xAs、 Gaxln1-xAsyP1-y2第2頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二2.2 基本晶體結(jié)構(gòu)基本立方晶體單胞金剛石結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的區(qū)別3第3頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二金剛石晶格結(jié)構(gòu)Si,Ge,C 等IV族元素，原子的最外層有四個(gè)價(jià)電子正

2、四面體結(jié)構(gòu)：每個(gè)原子周圍有四個(gè)最近鄰的原子。4第4頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二金剛石晶格結(jié)構(gòu)：復(fù)式晶格。由兩個(gè)面心立方晶格沿立方對(duì)稱晶胞的體對(duì)角線錯(cuò)開1/4長(zhǎng)度套構(gòu)而成。排列方式 以雙原子層ABCABCSiGeGaAs5.430895.657545.64195X10224.42X1022晶格常數(shù) a ()原子密度晶格常數(shù)5第5頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二（111）（111）6第6頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二晶格由兩種不同原子組成的面心立方晶格套構(gòu)而成。雙原子復(fù)式格子IIIV族化合物，每個(gè)原子被四個(gè)異族原子

3、包圍。共價(jià)鍵中有一定的離子性，稱為極性半導(dǎo)體。閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)(Zincblende Structure), GaAs, InP7第7頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的區(qū)別不同：前者由兩種相同的原子組成，后者由兩類不同的原子組成。相同：都由兩面心立方晶格，沿空間對(duì)角線彼此位移四分之一空間對(duì)角線長(zhǎng)度套構(gòu)而成。8第8頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二2.3 基本晶體生長(zhǎng)技術(shù)硅晶體、95%（目前半導(dǎo)體材料）原始材料：石英巖（高純度硅砂 SiO2）步驟：1 、SiC+SiO2Si+SiO+CO 2 、Si+3HCl SiHCl3+H

4、2 3 、SiHCl3+H2 Si+3HCl 多晶硅 4 、拉單晶 ：柴可拉斯基法9第9頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二10第10頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二2.4 共價(jià)鍵金剛石晶格結(jié)構(gòu)：共價(jià)鍵閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)：共價(jià)鍵 但存在微量離子鍵成分本征激發(fā)或熱激發(fā)： 電子與空穴見Flash11第11頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二2.5 能帶電子共有化運(yùn)動(dòng)原子能級(jí)分裂成能帶絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體的能帶12第12頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二電子共有化運(yùn)動(dòng)2p3s3s3s3s2p2p2p原子組成晶體

5、后，由于電子殼層的交疊，電子不再局限在某一個(gè)原子上，可以由 一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子中去，可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。稱為電子的共有化運(yùn)動(dòng)。13第13頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二1、晶體電子兼有原子運(yùn)動(dòng)和共有化運(yùn)動(dòng)原子運(yùn)動(dòng) 電子在原子核周圍作局域運(yùn)動(dòng)共有化運(yùn)動(dòng) 電子在不同原子的相同軌道上轉(zhuǎn)移2、不同軌道電子的共有化運(yùn)動(dòng)程度不同（附圖如后）內(nèi)層電子 弱外層電子 強(qiáng)3、 共有化運(yùn)動(dòng)是晶體電子運(yùn)動(dòng)的特征，也是使晶體原子相互結(jié)合形成周期性晶格的原因4、 電子共有化運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生是由于不同原子的相似殼層間的交疊14第14頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二共有化

6、運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱 決定于 形式（擴(kuò)展性）共有化運(yùn)動(dòng)弱內(nèi)層電子“緊束縛近似”共有化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)外層電子（價(jià)電子）“近自由電子近似”15第15頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二原子能級(jí)分裂為能帶的示意圖N個(gè)原子互相靠近結(jié)合成晶體后，每個(gè)電子都要受到周圍原子勢(shì)場(chǎng)的作用，其結(jié)果是每一個(gè)N度簡(jiǎn)并的能級(jí)都分裂成N個(gè)彼此相距相近的能級(jí)，這N個(gè)能級(jí)組成一個(gè)能帶。分裂的每一個(gè)能帶都稱為允帶，允帶之間因沒(méi)有能級(jí)稱為禁帶。能級(jí)的分裂和能帶的形成16第16頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二用能帶論來(lái)區(qū)分導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體價(jià)帶：電子已占滿，在外場(chǎng)作用下，不形成電流。導(dǎo)帶：電子被部分

7、占據(jù)。電子可以從外電場(chǎng)中吸收能量躍遷到未被電子占據(jù)的能級(jí)，形成電流。禁帶：最低的空帶導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的距離稱為禁帶寬度。17第17頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二能量-動(dòng)能圖自由電子能量和動(dòng)量的關(guān)系：E=P2/2m0 （m0為自由電子質(zhì)量）E=P2/2mn （p為動(dòng)量 ， mn為電子有效質(zhì)量）拋物線 表示：EP注意：電子有效質(zhì)量由半導(dǎo)體特性決定，但可以由E對(duì)P的二次微分算出：mn=（d2E/dp2）-1由此得：曲率越小，二次微分越大，有效質(zhì)量越小18第18頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二硅與砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)19第19頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5

8、月20日，17點(diǎn)32分，星期二直接禁帶半導(dǎo)體與間接禁帶半導(dǎo)體砷化鎵也被稱為直接禁帶半導(dǎo)體，當(dāng)電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)換到導(dǎo)帶時(shí)，不需要?jiǎng)恿哭D(zhuǎn)換。硅、鍺也被稱為間接禁帶半導(dǎo)體，當(dāng)電子從價(jià)帶轉(zhuǎn)換到導(dǎo)帶時(shí)，需要?jiǎng)恿哭D(zhuǎn)換。20第20頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二絕緣體： 被電子占據(jù)的最高能帶是滿帶，而且禁帶寬度很大?？諑?，滿帶全滿。激發(fā)電子需要很大能量。除非電場(chǎng)很強(qiáng)，上面許可帶中沒(méi)有電子，因此在電場(chǎng)下沒(méi)有電流。良好地絕緣性。(Eg5eV)21第21頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二對(duì)于金屬，被電子填充的最高能帶通常是半滿或部分填充的。能帶發(fā)生交疊。在某一方向

9、上周期場(chǎng)產(chǎn)生的禁帶被另一個(gè)方向上許可的能帶覆蓋，晶體的禁帶消失。對(duì)于半導(dǎo)體，Eg 2eV.常溫下，當(dāng)熱激發(fā)或光照時(shí)，滿帶中少量電子被激發(fā)到上面空帶中，于是參予導(dǎo)電。脫離共價(jià)鍵所需的最低能量是禁帶寬度Eg。22第22頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二幾種固體材料導(dǎo)電特性總結(jié)絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體（金屬）半金屬T = 0 K不導(dǎo)電不導(dǎo)電導(dǎo)電導(dǎo)電T = 300 K不導(dǎo)電 很高導(dǎo)電 較高(熱激發(fā) e,h)導(dǎo)電 低(n 1022 cm-3)導(dǎo)電金屬 半金屬0k時(shí)，就有電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶去，同時(shí)價(jià)帶中產(chǎn)生了空穴的過(guò)程。當(dāng)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)遠(yuǎn)小于有熱激發(fā)產(chǎn)生的電子空時(shí)，此半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體

10、。26第26頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二兩種分布函數(shù)及適用范圍費(fèi)米分布函數(shù)公式： 玻耳茲曼分布函數(shù)公式：k0是玻耳茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，EF費(fèi)米能級(jí)或費(fèi)米能量。f(E)=11+expE-EF(k0 T)適用：在E-EFk0T處，量子態(tài)為電子占據(jù)的幾率很小時(shí)fB(E)=A eEk0T-A=eEFk0T其中27第27頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二非簡(jiǎn)并性系統(tǒng)：服從玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng)簡(jiǎn)并性系統(tǒng)：服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng)費(fèi)米能級(jí)是量子態(tài)基本上被電子占據(jù)或基本上是空的一個(gè)標(biāo)志費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律與玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)律的主要區(qū)別在于：前者受到 泡利不相容原

11、理的限制。在E-EFK0T的條件下，泡利不相容原理失去作用，因而兩種統(tǒng)計(jì)的結(jié)果變成一樣了。28第28頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二導(dǎo)帶中的電子濃度和價(jià)帶中的空穴濃度價(jià)帶中的空穴濃度公式： 令則 導(dǎo)帶中的電子濃度令則 29第29頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二載流子濃度乘積公式：特點(diǎn)：對(duì)一定的半導(dǎo)體材料，乘積n0p0是一定的。換言之， 當(dāng)半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，載流子濃度的乘積保持 恒定，如果電子濃度增加，空穴濃度就要減少，反之亦然。適用：熱平衡狀態(tài)下的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 30第30頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二本征載流

12、子濃度： 式中， Eg=Ec-Ev 本征費(fèi)米能級(jí)Ei31第31頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二表3 300K下鍺、硅、砷化鎵的本征載流子濃度各項(xiàng)參數(shù)Eg(ev)mn*(mdn)mp*(mdp)Nc(cm-3)Nv(cm-3)ni(cm-3)計(jì)算值ni(cm-3)測(cè)量值Ge0.670.56m00.37m01.05x10195.7x10182.0 x10132.4x1013Si1.121.08m00.59m02.86x10192.66x10197.8x1099.65x109GaAs1.420.068m00.47m04.7x10177x10182.3x106 2.25x10

13、632第32頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二2.7 施主與受主非本征半導(dǎo)體施主與受主多子與少子非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體簡(jiǎn)并半導(dǎo)體33第33頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二施主與受主替位式雜質(zhì) 與間隙式雜質(zhì)施主雜質(zhì)與施主能級(jí)受主雜質(zhì)與受主能級(jí)34第34頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)(b) 替位式擴(kuò)散(substitutional)間隙式雜質(zhì)： O, Fe, Ni, Zn, Mg替位式雜質(zhì) P，B，As, Al, Ga, Sb, Ge(a) 間隙式擴(kuò)散(interstitial)雜質(zhì)原子比較小雜質(zhì)原子和被取代

14、的晶格原子大小相近，價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)相近。35第35頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二間隙式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置；一般原子比較小。替位式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子取代晶格原子位于晶格處。要求替位式雜質(zhì)的大小與被取代的晶格原子的大小相近。36第36頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二施主雜質(zhì)(donor)V族： P, AsV族元素取代Si原子后，形成一個(gè)正電中心和一個(gè)多余的價(jià)電子。該價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：比成鍵電子自由受到As 的庫(kù)侖作用。As：不能移動(dòng)的正電中心施主雜質(zhì)(n型雜質(zhì)）：能夠向晶體提供電子同時(shí)自身成為帶正電的離子的雜質(zhì)。37第37頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二雜質(zhì)電離(Impurity Ionization)雜質(zhì)電離：電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過(guò)程雜質(zhì)電離能：使這個(gè)多余的價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需要的能量。 ED ni下標(biāo)表示半導(dǎo)體導(dǎo)電類型. 45第45頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二2.7.2 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體對(duì)于高摻雜的n型或p型半導(dǎo)體，EF將高于EC，或低于EV-簡(jiǎn)并半導(dǎo)體禁帶寬度變窄效應(yīng)：高濃度造成禁帶寬度變小。46第46頁(yè)，共49頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)32分，星期二作業(yè)11.半導(dǎo)體器件的