半導體電導率和霍爾效應

半導體電導率和霍爾效應第1頁/共87頁EFEFEA強p型（a）EFEFEi（b）（c）（d）（e）p型本征n型強n型EFED上一堂回顧類氫雜質能級——淺能級雜質：特點施主和受主:能級位置第2頁/共87頁雜質半導體載流子濃度和費米能級由溫度和雜質濃度決定。(1)N型半導體導帶中電子濃度(2)P型半導體中空穴濃度上一堂回顧GaNp型摻雜難第3頁/共87頁對于雜質濃度一定的半導體，隨溫度升高，載流子以雜質電離為主過渡到以本征激發(fā)為主。相應地費米能級從位于雜質能級附近移到禁帶中線處。費米能級既反映導電類型，也反映摻雜水平。(3)費米能級上一堂回顧第4頁/共87頁1.半導體電導率在一般電場情況下，半導體的導電服從歐姆定律——為電導率——半導體中可以同時有兩種載流子——空穴和電子在外場下獲得的平均漂移速度電流密度5.4半導體電導與霍爾效應第5頁/共87頁平均漂移速度和外場的關系——空穴和電子的遷移率歐姆定律電導率載流子的漂移運動是電場加速和半導體中散射的結果電子在輸運過程中會受到一系列的散射：電子聲子(聲學、光學、壓電)偶極子雜質原子合金無序界面粗糙度位錯第6頁/共87頁GaN新的散射機制偶極子散射位錯散射散射來自于晶格振動和雜質——溫度較高時，晶格振動對載流子的散射是主要的——溫度較低時，雜質的散射是主要的(庫侖散射）——遷移率一方面決定于有效質量______加速作用另一方面決定于散射幾率第7頁/共87頁雜質激發(fā)的范圍，主要是一種載流子摻雜不同的Ge半導體——導電率隨溫度變化1)低溫范圍，雜質激發(fā)的載流子起主要作用——載流子的數(shù)目與摻雜的情況有關2)高溫范圍，本征激發(fā)的載流子起主要作用——載流子的數(shù)目與摻雜的情況無關3)中間溫度區(qū)間，溫度升高時，導電率反而下降

——晶格散射作用第8頁/共87頁Tρ低溫飽和本征電阻率與溫度的關系示意圖溫度很低時，電阻率隨溫度升高而降低。因為這時本征激發(fā)極弱，可以忽略；載流子主要來源于雜質電離，隨著溫度升高，載流子濃度逐步增加，電離雜質散射是主要散射機構，遷移率隨溫度升高而增大，導致電阻率隨溫度升高而降低。溫度進一步增加（含室溫），電阻率隨溫度升高而升高。在這一溫度范圍內，雜質已經全部電離，同時本征激發(fā)尚不明顯，故載流子濃度基本沒有變化。對散射起主要作用的是晶格散射，遷移率隨溫度升高而降低，導致電阻率隨溫度升高而升高溫度再進一步增加，電阻率隨溫度升高而降低。這時本征激發(fā)越來越多，雖然遷移率隨溫度升高而降低，但是本征載流子增加很快，其影響大大超過了遷移率降低對電阻率的影響，導致電阻率隨溫度升高而降低。當然，溫度超過器件的最高工作溫度時，器件已經不能正常工作了。第9頁/共87頁2.半導體的霍耳效應Halleffect

半導體片置于xy平面內——電流沿x方向——磁場垂直于半導體片沿z方向空穴導電的P型半導體，載流子受到洛倫茲力第10頁/共87頁半導體片兩端形成正負電荷的積累，產生靜電場達到穩(wěn)恒，滿足電流密度電場強度——霍耳系數(shù)電子導電的N半導體

電場強度——霍耳系數(shù)第11頁/共87頁——半導體的霍耳系數(shù)與載流子濃度成反比——半導體的霍耳效應比金屬強得多——測量霍耳系數(shù)可以直接測得載流子濃度——確定載流子的種類霍耳系數(shù)為正——空穴導電霍耳系數(shù)為負——電子導電——霍耳系數(shù)——霍耳系數(shù)第12頁/共87頁5.5非平衡載流子N型半導體——主要載流子是電子，也有少量的空穴載流子電子——多數(shù)載流子

——多子空穴——少數(shù)載流子

——少子P型半導體——主要載流子是空穴，也有少量的電子載流子空穴——多數(shù)載流子

——多子電子——少數(shù)載流子

——少子第13頁/共87頁⒈

熱平衡下電子和空穴的濃度:半導體中的雜質電子，或價帶中的電子通過吸收熱能，激發(fā)到導帶中——載流子的產生電子回落到價帶中和空穴發(fā)生復合——載流子的復合——達到平衡時，載流子的產生率和復合率相等電子和空穴的濃度有了一定的分布電子和空穴的濃度滿足——熱平衡條件第14頁/共87頁在外界的影響作用下，電子和空穴濃度可能偏離平衡值即有——稱非平衡載流子

非平衡電子和非平衡空穴的濃度相同——如本征光吸收或電注入等——本征光吸收將會產生電子—空穴對EFEi第15頁/共87頁⒉非平衡載流子對多子和少子的影響程度

多子的數(shù)目很大——非平衡載流子對多子的影響不明顯——對少子將產生很大影響——在討論非平衡載流子的問題時主要關心的是非平衡少數(shù)載流子⑴.非平衡載流子的復合和壽命

在熱平衡下，載流子的濃度具有穩(wěn)定值非平衡載流子——光照可以產生載流子第16頁/共87頁——開始光照，載流子的產生率增大，同時復合率也增大載流子的濃度偏離熱平衡時的濃度一段時間的光照后，非平衡載流子的濃度具有確定的數(shù)目——載流子的產生率和復合率相等載流子的濃度到達一個新的平衡——撤去光照，載流子復合率大于產生率，經過一段時間后載流子的濃度又恢復到熱平衡下的數(shù)值第17頁/共87頁——單位時間、單位體積復合的載流子數(shù)目——光照穩(wěn)定時的非平衡載流子濃度撤去光照后，非平衡載流子濃度隨時間的變化關系——為非平衡載流子的壽命——載流子的復合是以固定概率發(fā)生的非平衡載流子的復合率第18頁/共87頁⑵非平衡載流子的壽命的意義：

1)光照使半導體的導電率明顯增加——光電導效應——決定著變化的光照時，光電導反應的快慢——兩個光信號的間隔，可以分辨出相應的電流信號變化，才可以分辨出兩個光信號光通信第19頁/共87頁2)非平衡載流子的壽命越大，光電導效應越明顯——非平衡載流子的濃度減小為平衡值的1/e所需要的時間是，顯然越大，非平衡載流子濃度減小得越慢——一個非平衡載流子只在時間里起到增加電導的作用，

越大，產生一個非平衡載流子對增加的電導作用越大非平衡載流子的壽命的意義

太陽能電池效率第20頁/共87頁3)非平衡載流子的壽命對光電導效應有著重要的意義，通過測量光電導的衰減，可以確定非平衡載流子的壽命4)壽命與半導體材料所含的雜質與缺陷有關——深能級雜質的材料，電子先由導帶落回一個空的雜質深能級，然后由雜質深能級落回到價帶中空的能級——非平衡載流子的壽命的測量可以鑒定半導體材料晶體質量的常規(guī)手段——深能級起著復合作用，降低了非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命的意義

第21頁/共87頁2.非平衡載流子的擴散

金屬和一般的半導體中，載流子在外場作用下的定向運動

——形成漂移電流半導體中載流子濃度的不均勻而形成擴散運動

——產生擴散電流——非平衡少數(shù)載流子產生明顯的擴散電流——多數(shù)載流子，漂移電流是主要的第22頁/共87頁⑴一維擴散電流的討論：均勻光照射半導體表面——光在表面很薄的一層內被吸收光照產生非平衡少數(shù)載流子——在穩(wěn)定光照射下，在半導體中建立起穩(wěn)定的非平衡載流子分布——向體內運動，一邊擴散一邊復合HowaboutDistribution?第23頁/共87頁非平衡載流子的擴散是熱運動的結果非平衡少數(shù)載流子一邊擴散一邊復合，形成穩(wěn)定分布濃度滿足連續(xù)方程——載流子的復合率——單位時間、通過單位橫截面積載流子數(shù)目——擴散流密度第24頁/共87頁方程的通解邊界條件深入樣品的平均距離——擴散長度擴散流密度太陽能電池：光學厚，電學薄第25頁/共87頁5.6PN結

(自學）：

PN結的構成PN結的性質——單向導電性電流隨電壓變化特性反向狀態(tài)正向狀態(tài)一部分是N型半導體材料一部分是P型半導體材料第26頁/共87頁1.平衡PN結勢壘

電子濃度空穴濃度——摻雜的N型半導體材料，在雜質激發(fā)的載流子范圍，電子的濃度遠遠大于空穴的濃度，費密能級在帶隙的上半部，接近導帶P型半導體材料中，費密能級在帶隙的下半部，接近價帶N型和P型材料分別形成兩個區(qū)——N區(qū)和P區(qū)第27頁/共87頁N區(qū)和P區(qū)的費密能級不相等，在PN結處產生電荷的積累——

穩(wěn)定后形成一定的電勢差P區(qū)相對于N區(qū)具有電勢差——第28頁/共87頁VPN結的接觸勢內電場的建立，使PN結中產生電位差。從而形成接觸電位V

接觸電位V決定于材料及摻雜濃度硅：V=0.7鍺：V=0.2第29頁/共87頁PN結勢壘作用：

正負載流子在PN結處聚集，在PN結內部形成電場—自建場——勢壘阻止N區(qū)大濃度的電子向P區(qū)擴散平衡PN結——載流子的擴散和漂移運動的相對平衡

——電場對于N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴是一個勢壘

——勢壘阻止P區(qū)大濃度的空穴向N區(qū)擴散第30頁/共87頁——抵消原來P區(qū)和N區(qū)電子費密能級的差別P區(qū)電子的能量向上移動——半導體中載流子濃度遠遠低于金屬且有——PN結處形成的電荷空間分布區(qū)域約在微米數(shù)量級第31頁/共87頁擴散和漂移形成平衡電荷分布，滿足玻耳茲曼統(tǒng)計規(guī)律——N區(qū)和P區(qū)空穴濃度之比熱平衡下N區(qū)和P區(qū)電子濃度——P區(qū)和N區(qū)電子濃度之比第32頁/共87頁2.PN結的正向注入

當PN結加有正向偏壓——P區(qū)為正電壓

外電場與自建場方向相反，外電場減弱PN結區(qū)的電場，使原有的載流子平衡受到破壞電子N區(qū)擴散到P區(qū)空穴

P區(qū)擴散到N區(qū)——非平衡載流子——PN結的正向注入第33頁/共87頁電子擴散電流密度正向注入，P區(qū)邊界電子的濃度變?yōu)椤饧与妶鍪惯吔缣庪娮拥臐舛忍岣弑逗捅容^得到第34頁/共87頁邊界處非平衡載流子濃度——正向注入的電子在P區(qū)邊界積累，同時向P區(qū)擴散——非平衡載流子邊擴散、邊復合形成電子電流第35頁/共87頁邊界處非平衡載流子濃度——正向注入電子在P區(qū)邊界積累，同時向P區(qū)擴散，非平衡載流子邊擴散、邊復合形成電子電流應用非平衡載流子密度方程邊界處電子擴散流密度——電子的擴散系數(shù)和擴散長度第36頁/共87頁注入到P區(qū)的電子電流密度——在N區(qū)邊界空穴積累，同時向N區(qū)擴散，也是非平衡載流子邊擴散、邊復合形成空穴電流注入到N區(qū)的空穴電流密度PN結總的電流密度——肖克萊方程(W.Shockley)第37頁/共87頁結果討論：2)

PN結的電流和N區(qū)少子、P區(qū)少子成正比1)

當正向電壓V增加時，電流增加很快如果N區(qū)摻雜濃度遠大于P區(qū)摻雜濃度——PN結電流中將以電子電流為主第38頁/共87頁3.PN結的反向抽取

N區(qū)的空穴一到達邊界即被拉到P區(qū)P區(qū)的電子一到達邊界即被拉到N區(qū)——PN結方向抽取作用PN加有反向電壓勢壘變?yōu)镻N結加有反向偏壓——P區(qū)為負電壓，外電場與自建場方向相同，勢壘增高，載流子的漂移運動超過擴散運動——只有N區(qū)的空穴和P區(qū)的電子在結區(qū)電場的作用下才能漂移過PN結

第39頁/共87頁P區(qū)邊界電子的濃度——反向抽取使邊界少子的濃度減小反向電流第40頁/共87頁一般情況下——反向飽和電流擴散速度第41頁/共87頁——P區(qū)和N區(qū)少數(shù)載流子的產生率P區(qū)少數(shù)載流子——電子的產生率N區(qū)少數(shù)載流子——空穴的產生率第42頁/共87頁反向飽和電流——擴散長度一層內，總的少數(shù)載流子產生率乘以電子電量q反向電流——PN結附近所產生的少數(shù)載流子又有機會擴散到空間電荷區(qū)邊界的少數(shù)載流子形成第43頁/共87頁4.PN結的反向擊穿：

反向擊穿PN結上所加的反向電壓達到某一數(shù)值時，反向電流激增的現(xiàn)象雪崩擊穿當反向電壓增高時，少子獲得能量高速運動，在空間電荷區(qū)與原子發(fā)生碰撞，產生碰撞電離。形成連鎖反應，象雪崩一樣，使反向電流激增。齊納擊穿當反向電壓較大時，強電場直接從共價鍵中將電子拉出來，形成大量載流子,使反向電流激增。擊穿是可逆。摻雜濃度小的二極管容易發(fā)生擊穿是可逆。摻雜濃度大的二極管容易發(fā)生不可逆擊穿—熱擊穿PN結的電流或電壓較大，使PN結耗散功率超過極限值，使結溫升高，導致PN結過熱而燒毀第44頁/共87頁5、PN結的電容效應：勢壘電容CB

勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當外加電壓使PN結上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應地隨之改變，這相當PN結中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。第45頁/共87頁

擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區(qū)內緊靠PN結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。擴散電容CD

當外加正向電壓不同時，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結兩側堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。第46頁/共87頁8、二極管的應用:1、整流電路整流電路是最基本的將交流轉換為直流的電路，整流電路中的二極管是作為開關運用，具有單向導電性。2、光電子器件光電二極管是有光照射時會產生電流的二極管。其結構和普通的二極管基本相同D第47頁/共87頁

發(fā)光二極管是將電能轉換成光能的特殊半導體器件，它只有在加正向電壓時才發(fā)光。

它利用光電導效應工作，PN結工作在反偏狀態(tài)，當光照射在PN結上時，束縛電子獲得光能變成自由電子，產生電子—空穴對，在外電場的作用下形成光電流。第48頁/共87頁MIS體系：金屬－絕緣體－半導體(Metal－Insulator－Semiconductor)MOS體系：金屬－氧化物－半導體——MIS結構的一種特殊形式(Metal－Oxide－Semiconductor)MOS有著許多主要的應用1)

絕緣柵場效應管：存儲信息2)

集成電路：計算機RAM3)

電荷耦合器件：CCD——存儲信號，轉換信號七、金屬－絕緣體－半導體(MISFET)

第49頁/共87頁如：P型半導體1、MIS體系的機理金屬層——柵極半導體接地氧化物(SiO2~100nm)1)在柵極施加電壓為負時，半導體中的空穴被吸收到IS表面，并在表面處形成帶正電荷的空穴積累層2)在柵極施加電壓為正時，半導體中的多數(shù)載流子——空穴被排斥離開IS表面少數(shù)載流子——電離的受主電子被吸收表面處第50頁/共87頁3)正電壓較小——空穴被排斥，在表面處形成負電荷的耗盡層——為屏蔽柵極正電壓,耗盡層具有一定的厚度——d~微米量級空間電荷區(qū)Spacechargeregion不能移動的電離受主雜質第51頁/共87頁——空間電荷區(qū)存在電場，使能帶發(fā)生彎曲對空穴來說形成一個勢壘體內能級是反應電子能量的高低第52頁/共87頁表面處x＝0相對于體內x>d的電勢差

——表面勢：Vs——柵極正電壓增大時，表面勢進一步增大——表面勢足夠大時，有可能表面處的費密能級進入帶隙的上半部——空間電荷區(qū)電子的濃度將要超過空穴的濃度

形成少子電子的導電層第53頁/共87頁空間電荷區(qū)的載流子主要為電子，而半導體內部的載流子為空穴，空間電荷層——反型層第54頁/共87頁形成反型層時的能帶特點：Ei是半導體的本征費密能級，EF是表面處的費密能級——當EF在Ei之上時，電子的濃度大于空穴的濃度——兩者相等時，電子和空穴的濃度相等——當EF在Ei之下時，電子的濃度小于空穴的濃度第55頁/共87頁形成反型層的條件：——費密能級EF從體內Ei之下變成表面時Ei之上，兩者之差qVF滿足一般形成反型層的條件——表面處電子濃度增加到等于或超過體內空穴的濃度第56頁/共87頁反型層中的電子，一邊是絕緣層——導帶比半導體高出許多，另一邊——是耗盡層空間電荷區(qū)電場形成的勢壘——電子被限制在表面附近能量最低的一個狹窄的區(qū)域——有時稱反型層稱為溝道channel——P型半導體的表面反型層是電子構成的——N溝道第57頁/共87頁N溝道晶體管:在P型襯底的MOS體系中增加兩個N型擴散區(qū)

——源區(qū)S和漏區(qū)D，構成N溝道晶體管1)一般情況下：柵極電壓很小，源區(qū)S和漏區(qū)D被P型區(qū)隔開，即使在SD之間施加一定的電壓，由于SP和DP區(qū)構成兩個反向PN結——只有微弱的PN反向結電流第58頁/共87頁2)柵極電壓達到或超過一定的閾值，Insulator_P-Si表面處形成反型層

——電子的濃度大于體內空穴的濃度3)通過控制柵極電壓的極性和數(shù)值，使MOS晶體管處于導通和截止狀態(tài)，源區(qū)S和漏區(qū)D之間的電流受到柵極電壓的調制——集成電路應用

——反型層將源區(qū)S和漏區(qū)D連接起來，此時在SD施加一個電壓，則會有明顯的電流產生

第59頁/共87頁2、理想MIS結構：（1）Wm=Ws；（2）絕緣層內無電荷且絕緣層不導電；（3）絕緣層與半導體界面處不存在界面態(tài)。MIS結構等效電路第60頁/共87頁金屬的功函數(shù)Wm表示一個起始能量等于費米能級的電子，由金屬內部逸出到表面外的真空中所需要的最小能量。E0(EF)mWmE0為真空中電子的能量，又稱為真空能級。

金屬銫Cs的功函數(shù)最低1.93eV，Pt最高為5.36eV功函數(shù)：Wm、Ws？第61頁/共87頁半導體的功函數(shù)WsE0與費米能級之差稱為半導體的功函數(shù)。用Χ表示從Ec到E0的能量間隔：稱χ為電子的親和能，它表示要使半導體導帶底的電子逸出體外所需要的最小能量。Ec(EF)sEvE0χWsEnNote:

和金屬不同的是，半導體的費米能級隨雜質濃度變化，所以，Ws也和雜質濃度有關。第62頁/共87頁3、MIS結構的電容－電壓C-V特性MIS結構是組成MOSFET等表面器件的基本部分；電容－電壓特性是用于研究半導體表面和界面的重要手段。一、理想MIS結構的電容－電壓特性在MIS結構上加一偏壓，同時測量小信號電容隨外加偏壓變化的電容－電壓特性，即C-V特性。第63頁/共87頁在MIS結構的金屬和半導體間加以某一電壓VG后，電壓VG的一部分Vo降在絕緣層上，而另一部分降在半導體表面層中，形成表面勢Vs，即因是理想MIS結構，絕緣層內沒有任何電荷，絕緣層中電場是均勻的，以E表示其電場強度，顯然，CsC0如何定量描述？第64頁/共87頁理想MIS結構的C-V特性1、多子積累時：偏壓Vg為負，半導體表面處于堆積狀態(tài)（以P型半導體）（1）當/Vs/較大時，有CCo半導體從內部到表面可視為導通狀態(tài)；C/Co（2）當/Vs/較小時，有C/Co<1。2、平帶狀態(tài)Vg=0Vg=0,對于理想MIS表面勢Vs也為0.第65頁/共87頁3、耗盡狀態(tài)VG＞04、強反型后，即VS＞2VB從物理圖像上理解：強反型層出現(xiàn)后，大量的電子聚積在半導體的表面，絕緣層兩邊堆積了電荷，并且在低頻信號時，少子的產生和復合跟得上低頻小信號得變化。如同只有絕緣層電容一樣。第66頁/共87頁高頻時，反型層中的電子的產生和復合將跟不上高頻信號的變化，即反型層中的電子數(shù)量不隨小信號電壓而變化，所以對電容沒有貢獻。二、實際的MIS結構的C-V特性在實際的MIS結構中，存在一些因素影響著MIS的C-V特性，如：金屬和半導體之間的功函數(shù)的差、絕緣層中的電荷等。

例：以Al/SiO2/P-type-Si

的MOS結構為例：

P型硅的功函數(shù)一般較鋁大，當Wm<Ws時，將導致C-V特性向負柵壓方向移動。第67頁/共87頁使能帶恢復平直的柵電壓CFBVFB平帶電壓VFB實驗上，可計算出理想狀態(tài)時的平帶電容值，然后在CFB引與電壓軸平行的直線，和實際曲線相交點在電壓軸上的坐標，即VFB實際第68頁/共87頁絕緣層電荷對MIS結構C-V特性的影響：一般有：由于這些電荷的存在，將在金屬和半導體表面感應出相反符號的電荷，在半導體的空間電荷層內產生電場使得能帶發(fā)生彎曲。也即沒有偏壓，也可使得半導體表面層離開平帶狀態(tài)。第69頁/共87頁假設在SiO2中距離金屬/SiO2的界面x處有一層正電荷金屬SiO2半導體do假定半導體和金屬的功函數(shù)相同，即Wm=Ws金屬半導體Ec半導體表面能帶下彎第70頁/共87頁恢復平帶的方法：半導體絕緣層金屬do在金屬一邊加上負電壓，并且逐漸增大，使得半導體表面層的負電荷隨之減小，直至完全消失。這時在半導體表面層內，在氧化物中存在的薄的正電荷產生的電場完全被金屬表面增加的負電荷的電場屏蔽了，半導體表面的能帶又平了，即恢復到平帶狀態(tài)。加偏壓VG<0第71頁/共87頁C～V曲線為：第72頁/共87頁八、半導體異質結：

同質結——由同種半導體材料構成N區(qū)或P區(qū)，形成的PN結異質結——兩種帶隙寬度不同的半導體材料生長在同一塊