半導體器件物理課件

第二章半導體物理基礎

半導體器件物理主要內(nèi)容

一、半導體材料及其結構二、半導體的電子狀態(tài)和能帶三、半導體中的載流子四、半導體中的摻雜五、半導體中的載流子及其輸運六、半導體中的光電特性半導體器件物理一、半導體材料及其結構

1、什么是半導體？固體材料從導電特性上分成：超導體、導體、半導體、絕緣體

從導電特性和機制來分：

不同的禁帶寬度及其溫度特性，不同的輸運機制能帶結構Semiconductor導電性能介于導體與絕緣體之間的材料，叫做半導體。電阻率在10-4-1010

cm.半導體器件物理半導體的基本特性元素半導體和化合物半導體晶態(tài)半導體、非晶及多晶半導體無機半導體和有機半導體本征半導體和雜質半導體半導體的種類溫度效應-----負溫度系數(shù)摻雜效應-----雜質敏感性光電效應-----光電導電場、磁場效應半導體器件物理常見的半導體材料半導體器件物理2、固體的結構固體從其結構來講有規(guī)則和不規(guī)則，如玻璃的結構則是不規(guī)則的，而硅單晶的結構是規(guī)則的：按照構成固體的粒子在空間的排列情況，可以將固體分為：單晶有周期性非晶無周期性多晶每個小區(qū)域有周期性半導體器件物理3、晶體的結構1）晶體和晶格：由于構成晶體的粒子的不同性質，使得其空間的周期性排列也不相同；為了研究晶體的結構，將構成晶體的粒子抽象為一個點，這樣得到的空間點陣成為晶格。2）晶體結構與原子結合的形式有關晶體結合的基本形式：共價結合、離子結合、金屬結合、范德瓦耳斯結合半導體的晶體結構：主要有

金剛石結構（Ge、Si）

閃鋅礦結構（GaAs等III-V族和CdTe等II-VI族化合物）纖鋅礦結構（部分III-V族和II-VI族化合物)半導體器件物理◆金剛石結構半導體器件物理◆閃鋅礦結構半導體器件物理◆纖鋅礦結構半導體器件物理晶格在點陣中把所有格點連接起來所構成網(wǎng)絡空間點陣晶體的內(nèi)部結構可以概括為是由一些相同的結點在空間有規(guī)則地作周期性的無限分布，結點的空間集合稱為點陣。

結點(格點)構成晶體空間結構的質點的重心NaCl的晶體結構結點示意圖晶體結構=點陣+結構基元

4、晶體結構的拓撲描述半導體器件物理晶列指數(shù)和晶面指數(shù)晶列：在一個晶格結構中通過任意兩個結點的連線。晶列族：平行于某一晶列的所有晶列的組合。晶面：在一個晶格結構中通過任意不在同一晶軸上的三個結點構成的平面晶面族：平行于某一晶面的所有晶面的組合半導體器件物理晶體的晶面用晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）表示：該晶面與坐標軸截距的倒數(shù)可以化為互質整數(shù)。半導體器件物理二、半導體中的電子狀態(tài)和能帶

1.原子的能級和晶體的能帶硅SiIV族元素原子序數(shù)14硅原子以共價鍵結合形成硅晶體出現(xiàn)sp3雜化一個3s軌道和3個p軌道混合，形成4個雜化軌道sp3硅原子有：2個3s電子2個3p電子半導體器件物理

本征半導體的共價鍵結構

硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結構的立體和平面示意圖見圖2-1。

圖2-1硅原子空間排列及共價鍵結構平面示意圖

(a)硅晶體的空間排列(b)共價鍵結構平面示意圖(c)半導體器件物理鄰近的雜化軌道交疊反成鍵態(tài)成鍵態(tài)形成導帶CBConductionband與Si－Si鍵相對應形成價帶VBValenceband半導體器件物理當原子組成晶體時，根據(jù)量子力學原理，單個原子中的每個能級都要分裂，形成能帶。嚴格地講，能帶也是由一系列能級組成，但能帶中的能級是如此之多，以至于同一個能帶內(nèi)部各個能級之間的間隔非常小，因此完全可將能帶看成是連續(xù)的。半導體器件物理電子的共有化運動半導體器件物理(a)E(k)和k的關系;(b)能帶;(c)簡約布里淵區(qū)根據(jù)能帶理論，由量子力學中薛定諤方程求解的能帶。半導體器件物理Si、Ge和GaAs的能帶結構間接帶隙半導體帶隙半導體半導體器件物理

半導體的能帶結構價帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶導帶：0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶帶隙：導帶底與價帶頂之間的能量差Ec為導帶底EV為價帶頂能帶結構圖，它表明了晶體中的電子的運動狀態(tài)和能量的關系；在一塊處于熱平衡的晶體中，空間每一點的物理狀態(tài)以及電子的運動狀態(tài)都是一樣的，處于導帶底狀態(tài)的電子的能量都是Ec

，處于價帶頂狀態(tài)的電子的能量都是Ev.半導體器件物理能帶結構與導電特性導帶全空，沒有能夠參與導電的電子價帶全滿，電子無法在外場下運動，產(chǎn)生凈電流半導體和絕緣體沒有什么差別導帶有少量電子，能夠參與導電價帶有部分空位，也能夠在外場下運動，產(chǎn)生凈電流。半導體的導電特性由材料的禁帶寬度決定滿帶不導電！由于熱振動可能會使電子獲得足夠的能量，脫離價鍵的束縛，由價帶激發(fā)到導電0K時：一定溫度下時：不滿帶導電機理半導體器件物理2、金屬、半導體與絕緣體

能帶結構的不同造成導電性能的不同。半導體器件物理金屬沒有帶隙Eg=0半導體的帶隙較小(1~3eV)絕緣體的帶隙很大半導體器件物理三、半導體中的載流子

電子：帶負電的導電載流子，是價電子脫離原子束縛后形成的自由電子，對應于導帶中占據(jù)的電子?？昭ǎ簬д姷膶щ娸d流子，是價電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對應于價帶中的電子空位。半導體中的載流子：能夠導電的自由粒子半導體器件物理

(1)電子空穴對

當導體處于熱力學溫度0K時，導體中沒有自由電子。當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。半導體器件物理

可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復合，如圖所示。

本征激發(fā)和復合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。

本征激發(fā)和復合的過程半導體器件物理

(2)空穴的移動

自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。半導體器件物理

價帶中空穴的運動半導體器件物理電子和空穴的有效質量m*

半導體中的載流子的行為可以等效為自由粒子，但與真空中的自由粒子不同，是考慮了晶格作用后的等效粒子。半導體器件物理

有效質量可正、可負，取決于與晶格的作用

如果把在晶體的周期勢場作用下運動的電子，等效看成一個自由運動的準粒子，則該準粒子的等效質量稱為有效質量，一般由E-k關系給出，可正、可負，電子正，空穴負。有效質量概括了晶體勢場對電子運動的影響有效質量：半導體器件物理四、半導體中的摻雜

1半導體的雜質和缺陷雜質：在半導體晶體中引入的新的原子或離子缺陷：晶體按周期性排列的結構受到破壞雜質和缺陷的存在會使嚴格按周期性排列的晶體原子所產(chǎn)生的周期勢場受到破壞，其結果是在半導體中引入新的電子能級態(tài)，這將對半導體的特性產(chǎn)生決定性的影響。Si能夠得到廣泛應用的重要原因是：可對其雜質實現(xiàn)可控操作，從而實現(xiàn)對半導體性能的精確控制。半導體器件物理摻雜：為控制半導體的性質，人為摻入雜質的工藝過程摻雜雜質一般為替位式雜質擴散和注入是典型的摻雜工藝雜質濃度是摻雜的重要因子：單位體積中雜質原子數(shù)半導體器件物理

替位式雜質：取代本體原子位置，處于晶格點上；這類雜質原子價電子殼層結構接近本體原子，如Ⅲ、Ⅴ族在Si、Ge(Ⅵ族)中的情況；Ⅱ、Ⅵ族在Ⅲ－Ⅴ化合物中。A：間隙雜質半導體器件物理2本征半導體本征半導體：沒有摻入雜質的純凈半導體本征半導體的能帶結構：禁帶中無載流子可占據(jù)的能級狀態(tài)本征載流子濃度：電子和空穴濃度相同n=p半導體器件物理3雜質半導體

在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的半導體稱為雜質半導體。(1)N型半導體(2)P型半導體半導體器件物理

(1）N型半導體

在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，可形成N型半導體,也稱電子型半導體。因五價雜質原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。N型半導體結構示意圖半導體器件物理

在N型半導體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質原子也稱為施主雜質。半導體器件物理(2)P型半導體

在本征半導體中摻入三價雜質元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導體，也稱為空穴型半導體。因三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。

P型半導體的結構示意圖半導體器件物理p型半導體的結構圖

P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；

電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。半導體器件物理施主：摻入到半導體中的雜質原子，能夠向半導體中提供導電的電子，并成為帶正電的離子。如Si中摻入五價的P和As.As：V族，其中的四個價電子與Si形成共價鍵，但多出一個電子只需要很低的能量便能該電子電離進入導帶，形成導電電子和帶正電的電離施主。受主：摻入到半導體中的雜質原子，能夠向半導體中提供導電的空穴，并成為帶負電的離子。如Si中摻入三價的B.B：III族，只有三個價電子，與Si形成共價鍵，并出現(xiàn)一個空位，只需要很低的能量便能使價帶中的電子填補空位，并形成價帶空穴和帶負電的電離受主。半導體器件物理施主和施主能級由于施主雜質的摻入而在半導體帶隙中新引入的電子能級As多余的電子由于受正離子的吸引，能量較導帶電子能量要低，同時，吸引作用比共價鍵結合要弱，因此能量較價帶電子要高，施主能級位于帶隙中，離導帶很近：0.03eV。半導體器件物理電離：施主向導帶釋放電子的過程。未電離前，施主能級是被電子占據(jù)的,電離后導帶有電子，施主本身帶正電。施主的電離和電離能電離所需要的最小能量稱為電離能，通常為導帶底與施主能級之差。半導體器件物理受主和受主能級由于受主雜質摻入而在半導體帶隙中新引入的電子能級，該能級未占據(jù)電子，是空的，容易從價帶獲得電子。B原子多出的電子空位很容易接受價帶電子，形成共價鍵，因此較導帶更接近價帶：0.05eV。半導體器件物理受主電離和電離能

受主能級從價帶接受電子的過程稱為受主的電離，未電離前，未被電子占據(jù)。電離所需要的最小能量即為受主電離能，為價帶頂與受主能級之差。半導體器件物理施主雜質與受主雜質比較

1）雜質的帶電性

?未電離：均為電中性

?電離后：施主失去電子帶正電，受主得到電子帶負電2）對載流子數(shù)的影響

?摻入施主后：電子數(shù)大于空穴數(shù)

?摻入受主后：電子數(shù)小于空穴數(shù)半導體器件物理

雜質的補償原理----pn結實現(xiàn)原理（a）ND>>NA當同一塊半導體中同時存在施主雜質和受主雜質時，這種兩種不同類型的雜質有相互抵償?shù)淖饔?，稱為雜質補償作用。補償后半導體中的凈雜質濃度為有效雜質濃度，只有有效的雜質濃度才能有效地提供載流子濃度。（b）ND<<NA半導體器件物理雜質對半導體導電性的影響

摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.5×1010/cm31

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3半導體器件物理4半導體中的載流子濃度（1）費米分布函數(shù)－概括電子熱平衡狀態(tài)的重要函數(shù)－物理意義：

電子達到熱平衡時，能量為E的能級被電子占據(jù)的幾率。

費米能級EF：反映電子的填充水平，是電子統(tǒng)計規(guī)律的一個基本概念。

Ei表示本征情況下的費米EF能級，基本上相當于禁帶的中線（略微偏離中線）。

半導體器件物理A:0k,B:300k,C:1000k,D:1500k費米分布函數(shù)與溫度的關系T>0k，若E=EF

，則f(E)=1/2；若E<EF

，則f(E)>1/2；若E>EF

，則f(E)<1/2；溫度升高，能量比EF高的量子態(tài)被電子占據(jù)的概率上升。半導體器件物理費米能級能夠畫在能級圖上，表明它和量子態(tài)的能級一樣，描述的是一個能量的高低。但是，它和量子能級不同，它并不代表電子的量子態(tài)，而只是反映電子填充能帶情況的一個參數(shù)。從圖看到，從重摻雜p型到重摻雜N型，費米能級越來越高，填進能帶的電子越來越多。不管費米能級的具體位置如何，對于任一給定的半導體材料，在給定溫度下的電子、空穴濃度的乘積總是恒定的。半導體器件物理

單位體積下，導帶中的電子濃度n和價帶中的空穴濃度p分別為：Nc、Nv是常數(shù)。由于根據(jù)電中性條件n＝p，得（2）導帶和價帶中的載流子濃度本征情況電子、空穴濃度分別為：定義式:半導體器件物理摻雜情況對于摻雜濃度為ND的N型半導體（完全電離時）：電中性條件（n＝p＋ND）可簡化為n＝ND，可得即同理，對于摻雜濃度為NA的P型半導體：半導體器件物理

對于p型半導體，隨著溫度升高，曲線從左到右向上傾斜，EF逐漸從價帶方向趨向禁帶的中間，在高溫時達到本征（EFEi）。EF－Ein型半導體p型半導體半導體器件物理（3）過剩載流子（非平衡載流子）由于受外界因素如光、電的作用，半導體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過剩載流子。準費米能級

當半導體的平衡被破壞，經(jīng)常出現(xiàn)平衡有不平衡的局面，即分別就導帶和價帶電子來說，它們各自基本上處于平衡狀態(tài)，當導帶和價帶之間又是不平衡的，表現(xiàn)在它們各自的費米能級互不重合。在這種準平衡情況下，稱各個局部的費米能級為“準費米能級”。非平衡電子、空穴濃度分別為半導體器件物理過剩載流子與準費米能級示意圖半導體器件物理產(chǎn)生與復合是過剩載流子運動的主要形式在簡單的情況下，過剩載流子隨時間按指數(shù)規(guī)律衰減：非平衡載流子的壽命壽命----非平衡載流子的平均生存時間壽命取決于載流子復合模式直接復合間接復合半導體器件物理直接復合間接復合小注入：大注入：如：小注入下強n型半導體Nt:復合中心濃度rp:空穴復合幾率半導體器件物理半導體中雜質、缺陷的主要作用：(1)、起施主或受主作用-----(2)、復合中心作用-----(3)、陷阱效應作用-----引起半導體特性弛豫淺雜質能級深雜質能級、晶格缺陷決定半導體導電類型和電阻率決定非平衡載流子壽命陷阱中心半導體器件物理五半導體中載流子運動熱運動:導帶中的電子和價帶中的空穴始終在進行著無規(guī)熱運動,熱平衡時熱運動是隨機的統(tǒng)計平均的結果凈電流為0。漂移運動：兩種載流子（電子和空穴）在電場的作用下產(chǎn)生的運動。其運動產(chǎn)生的電流方向一致。擴散運動：由于載流子濃度的差異，而形成濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴散，產(chǎn)生擴散運動。1、載流子的運動半導體器件物理載流子的漂移運動載流子在電場作用下的輸運過程漂移運動實際是載流子在電場作用下經(jīng)歷加速、碰撞過程的平均結果。外場下，導帶電子和價帶空穴同時進行漂移運動，對電導有貢獻。半導體器件物理半導體中載流子在電場作用下，將做定向漂移運動，設其定向漂移運動的平均速度（稱為漂移速度）為v。其中n為載流子的濃度，q為載流子的電量。實驗顯示，在弱電場下，載流子的漂移速度v與電場成正比E。半導體器件物理與歐姆定律比較得到半導體的電導率表達式遷移率

：為單位電場作用下載流子獲得平均速度，反映了載流子在電場作用下輸運能力，是反映半導體及其器件導電能力的重要參數(shù)。單位：cm2/Vs。半導體器件物理強場下漂移速度趨于飽和半導體器件物理求得平均漂移速度獲得遷移率的表達式其中平均自由時間。由半導體器件物理影響遷移率的因素不同的半導體材料的遷移率不同不同類型的載流子遷移率不同電子遷移率>空穴遷移率

GaAs>

Ge>

Si----平均自由時間，即相鄰兩次碰撞之間的平均時間。其影響因素與散射模式相關電離雜質散射晶格散射半導體器件物理半導體中有電子和空穴兩種載流子，電場作用下的電流密度得到電導率與遷移率的關系式一般情形，半導體電子和空穴的遷移率在同一數(shù)量級，因此，其電導率主要由多數(shù)載流子決定。半導體器件物理當半導體中存在載流子濃度梯度時，將發(fā)生載流子的擴散運動，滿足擴散方程，并形成擴散電流。在一維分布情形下，載流子的擴散密度為：

擴散流密度＝

負號反映擴散流總是從高濃度向低濃度流動。電子擴散電流：

空穴擴散電流：載流子的擴散運動半導體器件物理愛因斯坦關系

在平衡條件下，利用電流方程，可導出

愛因斯坦關系這是半導體中重要的基本關系式之一，反映了漂移和擴散運動的內(nèi)在聯(lián)系半導體器件物理當同時存在電場和載流子濃度梯度時，載流子邊漂移邊擴散。如果在半導體一面穩(wěn)定地注入非平衡載流子，它們將一邊擴散一邊復合，形成一個有高濃度到低濃度的分布N（x）：非平衡載流子的擴散長度L：非平衡載流子在被復合前擴散的平均距離。半導體器件物理復雜體系半導體中載流子遵守的連續(xù)性方程連續(xù)性方程：(非平衡載流子在未達到穩(wěn)定狀態(tài)前，載流子隨時間的變化率必須等于其產(chǎn)生率加上積累率再減去復合率)（產(chǎn)生、復合、漂移、擴散）共同存在對空穴對電子半導體器件物理輻射躍遷和光吸收

在固體中，光子和電子之間的相互作用有三種基本過程：吸收、自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射。兩個能級之間的三種基本躍遷過程(a)吸收(b)自發(fā)發(fā)射(c)受激發(fā)射六、半導體中的光電特性

電光效應和光電效應半導體器件物理pn結注入式場致發(fā)光原理半導體發(fā)光包括激發(fā)過程和復合過程。這兩個過程銜接，是發(fā)光必不可少的兩個環(huán)節(jié)。在pn結上施加正偏壓，產(chǎn)生注入效應，使結區(qū)及其左右兩邊各一個少子擴散長度范圍內(nèi)的少子濃度超過其熱平衡少子濃度。超過部分就是由電能激發(fā)產(chǎn)生的處于不穩(wěn)定高能態(tài)的非平衡載流子，它們必須通過第二過程：復合，達到恒定正向注入下新穩(wěn)態(tài)。電光效應半導體器件物理復合分為輻射復合和非輻射復合。輻射復合過程中，自由電子和空穴具有的能量將變成光而自然放出。非輻射復合過程中，釋放的能量將轉變?yōu)槠渌问降哪?，如熱能。因此，為提高發(fā)光效率應盡量避免非輻射復合。輻射復合的幾條途徑是：帶-帶復合、淺施主-價帶或導帶-淺受主間復合、施-受主之間復合、通過深能級復合等。半導體器件物理發(fā)光器件發(fā)光二極管：靠注入載流子自發(fā)復合而引起的自發(fā)輻射；非相干光。半導體激光器則是在外界