半导体器件物理课件-chapter

主要内容一、半导体材料及其结构二、半导体的电子状态和能带三、半导体中的载流子四、半导体中的掺杂五、半导体中的载流子及其输运六、半导体中的光电特性半导体器件物理电子与信息学院一、半导体材料及其结构1、

半导体？固体材料从导电特性上分成：超导体、导体、半导体、绝缘体从导电特性和机制来分：能带结构不同的禁带宽度及其温度特性，不同的输运机制Semiconductor导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，叫做半导体。电阻率在10-4-1010

cm.半导体器件物理电子与信息学院半导体器件物理电子与信息学院半导体的种类元素半导体和化合物半导体晶态半导体、非晶及多晶半导体无机半导体和有机半导体本征半导体和杂质半导体半导体的基本特性温度效应-----负温度系数掺杂效应-----杂质敏感性光电效应-----光电导电场、磁场效应常见的半导体材料2、固体的结构固体从其结构来讲有规则和不规则，如玻璃的结构则是不规则的，而硅单晶的结构是规则的：–

按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以将固体分为：单晶有周期性半导体器件物理电子与信息学院非晶无周期性多晶每个小区域有周期性3、晶体的结构晶体和晶格：由于构成晶体的粒子的不同性质，使得其空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空间点阵成为晶格。晶体结构与原子结合的形式有关晶体结合的基本形式：共价结合、离子结合、金属结合、 耳斯结合半导体的晶体结构：主要有石结构（

Ge、Si）闪锌矿结构（GaAs等III-V族和CdTe等II-VI族化合物）纤锌矿结构（部分III-V族和II-VI族化合物)半导体器件物理电子与信息学院石结构半导体器件物理电子与信息学院闪锌矿结构半导体器件物理电子与信息学院纤锌矿结构半导体器件物理电子与信息学院二、半导体中的电子状态和能带1.

原子的能级和晶体的能带硅SiIV

族元素原子序数14硅原子以共价键结合形成硅晶体出现sp3杂化一个3s轨道和3个p轨道混合，形成4个杂化轨道sp3硅原子有：2个3s电子2个3p电子半导体器件物理电子与信息学院本征半导体的共价键结构硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所这种结构的，在空间形成排列有序的晶体。和平面示意图见图1-1。(a)

硅晶体的空间排列

(b)

共价键结构平面示意图图1-1 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图邻近的杂化轨道交叠反成键态形成导带CB Conduction

band成键态与Si－Si键相对应形成价带VBValence

band当原子组成晶体时，根据量子力学原理，单个原子中的每个能级都要，形成能带。严格地讲，能带也是由一系列能级组成，但能带中的能级是如此之多，以至于同一个能带各个能级之间的间隔非常小，因此完全可将能带看成是连续的。半导体器件物理电子与信息学院半导体的能带结构Ec为导带底EV为价带顶价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：

0K条件下未被电子填充的能量最低的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差能带结构图，它表明了晶体中的电子的运动状态和能量的关系；在一块处于热平衡的晶体中，空间每一点的物理状态以及电子的运动状态都是一样的，处于导带底状态的电子的能量都是Ec

，处于价带顶状态的电子的能量都是Ev.能带结构与导电特性导带全空，没有能够参与导电的电子价带全满，电子无法在外场下运动，产生净电流半导体和绝缘体没有什么差别导带有少量电子，能够参与导电价带有部分空位，也能够在外场下运动，产生净电流。半导体的导电特性由材料的禁带宽度决定满带不导电！由于热振动可能会使电子获得足够的能量，脱离价键的束缚，由价带激发到导电0K时：一定温度下时：2、金属、半导体与绝缘体能带结构的不同造成导电性能的不同。半导体器件物理电子与信息学院金属没有带隙Eg=0半导体的带隙较小绝缘体的带隙很大半导体器件物理电子与信息学院三、半导体中的载流子电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的 电子，对应于导带中占据的电子。空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位。半导体中的载流子：能够导电的

粒子半导体器件物理电子与信息学院(1)电子空穴对当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为电子。这一现象称为本征激发，也称热激发。电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。半导体器件物理电子与信息学院本征激发和复合的过程可见因热激发而出现的 电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分子也可能回到空穴中去，称为复合，电。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。半导体器件物理电子与信息学院(2)空穴的移动电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。半导体器件物理电子与信息学院价带中空穴的运动半导体器件物理电子与信息学院电子和空穴的有效质量m*半导体中的载流子的行为可以等效为粒子，但与真空中的粒子不同，是考虑了晶格作用后的等效粒子。半导体器件物理电子与信息学院有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用如果把在晶体的周期势场作用下运动的电子，等效看成一个

运动的准粒子，则该准粒子的等

效质量称为有效质量，一般由E-k关系给出，可正、可负，电子正，空穴负。有效质量概括了晶体势场对电子运动的影响半导体器件物理电子与信息学院四、半导体中的掺杂1半导体的杂质和缺陷杂质：在半导体晶体中引入的新的原子或离子缺陷：晶体按周期性排列的结构受到破坏杂质和缺陷的存在会使严格按周期性排列的晶体原子所产生的周期势场受到破坏，其结果是在半导体中引入新的电子能级态，这将对半导体的特性产生决定性的影响。Si能够得到广泛应用的重要原因是：可对其杂质实现可控操作，从而实现对半导体性能的精确控制。半导体器件物理电子与信息学院半导体器件物理电子与信息学院掺杂：为控制半导体的性质，人为掺入杂质的工艺过程掺杂杂质一般为替位式杂质扩散和注入是典型的掺杂工艺杂质浓度是掺杂的重要因子：单位体积中杂质原子数替位式杂质：取代本体原子位置，处于晶格点上；这类杂质原子价电子壳层结构接近本体原子，如Ⅲ、Ⅴ族在半导体器件物理电子与信息学院Si、Ge(Ⅵ族)中的情况；Ⅱ、Ⅵ族在Ⅲ－Ⅴ化合物中。2本征半导体半导体器件物理本征半导体：没有掺入杂质的纯净半导体本征半导体的能带结构：禁带中无载流子可占据的能级状态本征载流子浓度：电子和空穴浓度相同n=p半导体器件物理电子与信息学院3

杂质半导体N型半导体P型半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。(1）N型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键而很容易形成电子。N型半导体结构示意图半导体器件物理电子与信息学院在N型半导体中

电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,

由热激发形成。提供 电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。(2)

P型半导体在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。P型半导体的结构示意图p型半导体的结构图P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。半导体器件物理电子与信息学院空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。半导体器件物理电子与信息学院施主：掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如

Si中掺入五价的P和As.As：V族，其中的四个价电子与Si形成共价键，但多出一个电子只需要很低的能量便能该电子电离进入导带，形成导电电子和带正电的电离施主。受主：掺入到半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如

Si中掺入三价的B.B：III族，只有三个价电子，与Si形成共价键，并出现一个空位，只需要很低的能量便能使价带中的电子填补空位，并形成价带空穴和带负电的电离受主。施主和施主能级由于施主杂质的掺入而在半导体带隙中新引入的电子能级As多余的电子由于受正离子的吸引，能量较导带电子能量要低，同时，吸引作用比共价键结合要弱，因此能量较价带电子要高，施主能级位于带隙中，离导带很近：

0.03eV。半导体器件物理电子与信息学院施主的电离和电离能电离：施主向导带

电子的过程。未电离前，施主能级是被电子占据的,电离后导带有电子，施主本身带正电。电离所需要的最小能量称为电离能，通常为导带底与施主能级之差。半导体器件物理电子与信息学院受主和受主能级由于受主杂质掺入而在半导体带隙中新引入的电子能级，该能级未占据电子，是空的，容易从价带获得电子B原子多出的电子空位很容易接受价带电子，形成共价键，因此较导带更接近价带：

0.05eV。半导体器件物理电子与信息学院受主电离和电离能受主能级从价带接受电子的过程称为受主的电离，未电离前，未被电子占据。电离所需要的最小能量即为受主电离能，为价带顶与受主能级之差。半导体器件物理电子与信息学院施主杂质与受主杂质比较杂质的带电性未电离：均为电中性电离后：施主失去电子带正电，受主得到电子带负电对载流子数的影响掺入施主后：电子数大于空穴数掺入受主后：电子数小于空穴数半导体器件物理电子与信息学院杂质对半导体导电性的影响掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:T=300

K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n

=p

=1.4×1010/cm3掺杂后

N

型半导体中的

电子浓度:n=5×1016/cm3本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm313以上三个浓度基本上依次相差106/cm3

。2半导体器件物理电子与信息学院

半导体中电子的数目非常多，例如硅晶体每立方厘米中约有5×1022

个硅原子，仅价电子数每立方厘米中约有

4×5×1022个硅原子个。在一定温度下，半导体中的大量电子不停地作无规则热运动，电子可以从晶格热振动获得能量，从低能量的量子态跃迁到高能量的量子态；也可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，将多余的能量出来成为晶格振动能量。因此，从一个电子来看，它所具有的能量时大时小，经常变化。但是，从大量电子的整体来看，电子按能量具有一定的统计分布规律性，即电子在不同能量的量子态上统计分布几率是一定的。4

半导体中的载流子半导体器件物理电子与信息学院4

半导体中的载流子1能级EF：反映电子的填充水平，是电子统计规律的一个基本概念。2

Ei

表示本征情况下的

EF能级，基本上相当于禁带的中线（略微偏离中线）。（1）

分布函数－概括电子热平衡状态的重要函数－物理意义：电子达到热平衡时，能量为E的能级被电子占据的几率为1f

(E)

1

e(

E

EF

)

/

kT半导体器件物理电子与信息学院半导体器件物理电子与信息学院

能级能够画在能级图上，表明它和量子态的能级一样，描述的是一个能量的高低。但是，它和量子能级不同，它并不代表电子的量子态，而只是反映电子填充能带情况的一个参数。从图看到，从重掺杂p型到重掺杂N型，能级越来越高，填进能带的电子越来越多。不管 能级的具置如何，对于任一给定的半导体材料，在给定温度下的电子、空穴浓度的乘积总是恒定的。半导体器件物理电子与信息学院本征情况单位体积下，导带中的电子浓度n和价带中的空穴浓度p分别为：(

Ec

EF

)

/

kTn

Nce由于vp

N

e(

Ev

EF

)

/

kTNc、Nv是常数，分别是导带和价带的有效状态密度。c

vic

v21

1

(

E

E

)

/

kTn

(np)

2

N

N

e根据电中性条件n＝p，得ci2

2

NE

Ec

Ev

kT

ln

Nv电子、空穴浓度分别为：（2）导带和价带中的载流子浓度kTE

En

ni

e

F

iEi

EFp

nie

kT半导体器件物理电子与信息学院掺杂情况

对于掺杂浓度为ND的N型半导体：电中性条件（n＝p＋ND）可简化为n＝ND，可得Di

NkTn

e

EF

Ei

i

NA

EF

Ei

kT

ln

n即i半导体器件物理电子与信息学院FinE

kT

ln(

ND

)

E

同理，对于掺杂浓度为NA的P型半导体：对于p型半导体，随着温度升高，曲线从左到右向上倾斜，EF逐渐从价带方向趋向禁带的中间，在高温时达到本征（EFEi）。半导体器件物理电子与信息学院（3）过剩载流子（非平衡载流子）由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子。准能级当半导体的平衡被破坏，经常出现平衡又不平衡的局面，即分别就导带和价带电子来说，它们各自基本上处于平衡状态，而导带和价带之间又是不平衡的，表现在它们各自的能级互不重合。在这种准平衡情况下，称各个局部的能级为“准 能级”。非平衡电子、空穴浓度分别为EFn

Ei

Ei

EFpkTn

niekTip

n

e半导体器件物理电子与信息学院过剩载流子与准能级示意图半导体器件物理电子与信息学院

t半导体器件物理电子与信息学院产生与复合是过剩载流子运动的主要形式在简单的情况下，过剩载流子随时间按指数规律衰减：n

(n)0

e

半导体器件物理电子与信息学院五半导体的载流子运动1、载流子的运动热运动:导带中的电子和价带中的空穴始终在进行着无规热运动,热平衡时热运动是随机的统计平均的结果净电流为0。漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向一致。扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运动。载流子的漂移运动

载流子在电场作用下的输运过程漂移运动实际是载流子在电场作用下经历加速、碰撞过程的平均结果。外场下，导带电子和价带空穴同时进行漂移运动，对电导有贡献。半导体中载流子在电场作用下，将做定向漂移运动，设其定向漂移运动的平均速度（称为漂移速度）为v。其中n为载流子的浓度，q为载流子的电量。流子的漂移速度v与电场成实验显示，在弱电场正比E。半导体器件物理电子与信息学院与欧姆定律比较得到半导体的电导率表达式迁移率：为