半导体器件物理课件

第二章半导体物理基础

半导体器件物理主要内容

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一、半导体材料及其结构

1、什么是半导体？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：

不同的禁带宽度及其温度特性，不同的输运机制能带结构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.半导体器件物理半导体的基本特性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种类温度效应-----负温度系数掺杂效应-----杂质敏感性光电效应-----光电导电场、磁场效应半导体器件物理常见的半导体材料半导体器件物理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：单晶有周期性非晶无周期性多晶每个小区域有周期性半导体器件物理3、晶体的结构1）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。2）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、范德瓦耳斯结合半导体的晶体结构：主要有

金刚石结构（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◆金刚石结构半导体器件物理◆闪锌矿结构半导体器件物理◆纤锌矿结构半导体器件物理晶格在点阵中把所有格点连接起来所构成网络空间点阵晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的结点在空间有规则地作周期性的无限分布，结点的空间集合称为点阵。

结点(格点)构成晶体空间结构的质点的重心NaCl的晶体结构结点示意图晶体结构=点阵+结构基元

4、晶体结构的拓扑描述半导体器件物理晶列指数和晶面指数晶列：在一个晶格结构中通过任意两个结点的连线。晶列族：平行于某一晶列的所有晶列的组合。晶面：在一个晶格结构中通过任意不在同一晶轴上的三个结点构成的平面晶面族：平行于某一晶面的所有晶面的组合半导体器件物理晶体的晶面用晶面指数（密勒指数）表示：该晶面与坐标轴截距的倒数可以化为互质整数。半导体器件物理二、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

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，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图2-1。

图2-1硅原子空间排列及共价键结构平面示意图

(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图(c)半导体器件物理邻近的杂化轨道交叠反成键态成键态形成导带CBConductionband与Si－Si键相对应形成价带VBValenceband半导体器件物理当原子组成晶体时，根据量子力学原理，单个原子中的每个能级都要分裂，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，以至于同一个能带内部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的共有化运动半导体器件物理(a)E(k)和k的关系;(b)能带;(c)简约布里渊区根据能带理论，由量子力学中薛定谔方程求解的能带。半导体器件物理Si、Ge和GaAs的能带结构间接带隙半导体带隙半导体半导体器件物理

半导体的能带结构价带：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Ec为导带底EV为价带顶能带结构图，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.半导体器件物理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：不满带导电机理半导体器件物理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。半导体器件物理金属没有带隙Eg=0半导体的带隙较小(1~3eV)绝缘体的带隙很大半导体器件物理三、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自由电子，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：能够导电的自由粒子半导体器件物理

(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，成为自由电子。

自由电子产生的同时，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。

这一现象称为本征激发，也称热激发。半导体器件物理

可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示。

本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。

本征激发和复合的过程半导体器件物理

(2)空穴的移动

自由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

价带中空穴的运动半导体器件物理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自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，是考虑了晶格作用后的等效粒子。半导体器件物理

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，等效看成一个自由运动的准粒子，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有效质量：半导体器件物理四、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半导体器件物理

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Si、Ge(Ⅵ族)中的情况；Ⅱ、Ⅵ族在Ⅲ－Ⅴ化合物中。A：间隙杂质半导体器件物理2本征半导体本征半导体：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3杂质半导体

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。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。(1)N型半导体(2)P型半导体半导体器件物理

(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束缚而很容易形成自由电子。N型半导体结构示意图半导体器件物理

在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。

提供自由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。半导体器件物理(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半导体器件物理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。

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。半导体器件物理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。半导体器件物理电离：施主向导带释放电子的过程。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。施主的电离和电离能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。半导体器件物理施主杂质与受主杂质比较

1）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2）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

杂质的补偿原理----pn结实现原理（a）ND>>NA当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，这种两种不同类型的杂质有相互抵偿的作用，称为杂质补偿作用。补偿后半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度，只有有效的杂质浓度才能有效地提供载流子浓度。（b）ND<<NA半导体器件物理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=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.5×1010/cm31

本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3

3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3

。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3半导体器件物理4半导体中的载流子浓度（1）费米分布函数－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。

费米能级EF：反映电子的填充水平，是电子统计规律的一个基本概念。

Ei表示本征情况下的费米EF能级，基本上相当于禁带的中线（略微偏离中线）。

半导体器件物理A:0k,B:300k,C:1000k,D:1500k费米分布函数与温度的关系T>0k，若E=EF

，则f(E)=1/2；若E<EF

，则f(E)>1/2；若E>EF

，则f(E)<1/2；温度升高，能量比EF高的量子态被电子占据的概率上升。半导体器件物理费米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，费米能级越来越高，填进能带的电子越来越多。不管费米能级的具体位置如何，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

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：Nc、Nv是常数。由于根据电中性条件n＝p，得（2）导带和价带中的载流子浓度本征情况电子、空穴浓度分别为：定义式:半导体器件物理掺杂情况对于掺杂浓度为ND的N型半导体（完全电离时）：电中性条件（n＝p＋ND）可简化为n＝ND，可得即同理，对于掺杂浓度为NA的P型半导体：半导体器件物理

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）。EF－Ein型半导体p型半导体半导体器件物理（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。准费米能级

当半导体的平衡被破坏，经常出现平衡有不平衡的局面，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，当导带和价带之间又是不平衡的，表现在它们各自的费米能级互不重合。在这种准平衡情况下，称各个局部的费米能级为“准费米能级”。非平衡电子、空穴浓度分别为半导体器件物理过剩载流子与准费米能级示意图半导体器件物理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：非平衡载流子的寿命寿命----非平衡载流子的平均生存时间寿命取决于载流子复合模式直接复合间接复合半导体器件物理直接复合间接复合小注入：大注入：如：小注入下强n型半导体Nt:复合中心浓度rp:空穴复合几率半导体器件物理半导体中杂质、缺陷的主要作用：(1)、起施主或受主作用-----(2)、复合中心作用-----(3)、陷阱效应作用-----引起半导体特性弛豫浅杂质能级深杂质能级、晶格缺陷决定半导体导电类型和电阻率决定非平衡载流子寿命陷阱中心半导体器件物理五半导体中载流子运动热运动: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。1、载流子的运动半导体器件物理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。半导体器件物理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。实验显示，在弱电场下，载流子的漂移速度v与电场成正比E。半导体器件物理与欧姆定律比较得到半导体的电导率表达式迁移率

：为单位电场作用下载流子获得平均速度，反映了载流子在电场作用下输运能力，是反映半导体及其器件导电能力的重要参数。单位：cm2/Vs。半导体器件物理强场下漂移速度趋于饱和半导体器件物理求得平均漂移速度获得迁移率的表达式其中平均自由时间。由半导体器件物理影响迁移率的因素不同的半导体材料的迁移率不同不同类型的载流子迁移率不同电子迁移率>空穴迁移率

GaAs>

Ge>

Si----平均自由时间，即相邻两次碰撞之间的平均时间。其影响因素与散射模式相关电离杂质散射晶格散射半导体器件物理半导体中有电子和空穴两种载流子，电场作用下的电流密度得到电导率与迁移率的关系式一般情形，半导体电子和空穴的迁移率在同一数量级，因此，其电导率主要由多数载流子决定。半导体器件物理当半导体中存在载流子浓度梯度时，将发生载流子的扩散运动，满足扩散方程，并形成扩散电流。在一维分布情形下，载流子的扩散密度为：

扩散流密度＝

负号反映扩散流总是从高浓度向低浓度流动。电子扩散电流：

空穴扩散电流：载流子的扩散运动半导体器件物理爱因斯坦关系

在平衡条件下，利用电流方程，可导出

爱因斯坦关系这是半导体中重要的基本关系式之一，反映了漂移和扩散运动的内在联系半导体器件物理当同时存在电场和载流子浓度梯度时，载流子边漂移边扩散。如果在半导体一面稳定地注入非平衡载流子，它们将一边扩散一边复合，形成一个有高浓度到低浓度的分布N（x）：非平衡载流子的扩散长度L：非平衡载流子在被复合前扩散的平均距离。半导体器件物理复杂体系半导体中载流子遵守的连续性方程连续性方程：(非平衡载流子在未达到稳定状态前，载流子随时间的变化率必须等于其产生率加上积累率再减去复合率)（产生、复合、漂移、扩散）共同存在对空穴对电子半导体器件物理辐射跃迁和光吸收

在固体中，光子和电子之间的相互作用有三种基本过程：吸收、自发发射和受激发射。两个能级之间的三种基本跃迁过程(a)吸收(b)自发发射(c)受激发射六、半导体中的光电特性

电光效应和光电效应半导体器件物理pn结注入式场致发光原理半导体发光包括激发过程和复合过程。这两个过程衔接，是发光必不可少的两个环节。在pn结上施加正偏压，产生注入效应，使结区及其左右两边各一个少子扩散长度范围内的少子浓度超过其热平衡少子浓度。超过部分就是由电能激发产生的处于不稳定高能态的非平衡载流子，它们必须通过第二过程：复合，达到恒定正向注入下新稳态。电光效应半导体器件物理复合分为辐射复合和非辐射复合。辐射复合过程中，自由电子和空穴具有的能量将变成光而自然放出。非辐射复合过程中，释放的能量将转变为其它形式的能，如热能。因此，为提高发光效率应尽量避免非辐射复合。辐射复合的几条途径是：带-带复合、浅施主-价带或导带-浅受主间复合、施-受主之间复合、通过深能级复合等。半导体器件物理发光器件发光二极管：靠注入载流子自发复合而引起的自发辐射；非相干光。半导体激光器则是在外界