半導(dǎo)體物理學(xué)課件(第1-2章)

1、劉恩科等國(guó)防工業(yè)出版社參考書目：n1. 半導(dǎo)體物理學(xué)作者: 李名復(fù) 頁數(shù):376 科學(xué)出版社，出版日期:1991年2月第1版 (凝聚態(tài)物理學(xué)叢書).n2.半導(dǎo)體物理學(xué)作者:果玉忱 頁數(shù):271 國(guó)防工業(yè)出版社，出版日期:1988年12月第1版 n3.半導(dǎo)體物理學(xué)（上冊(cè)）作者:葉良修 頁數(shù):511 高等教育出版社，出版日期:1987年11月第2版 n4.高等學(xué)校教學(xué)參考書 半導(dǎo)體物理學(xué)作者:劉文明 頁數(shù):627 吉林科學(xué)技術(shù)出版社,出版日期:1986年第1版 n5半導(dǎo)體物理學(xué) 孟憲章,康昌鶴編，吉林大學(xué)出版社, 1993.12n6.半導(dǎo)體物理學(xué)顧祖毅等著，北京 : 電子工業(yè)出版社 1995 建議

2、利用的網(wǎng)絡(luò)資源n超星圖書館(學(xué)校圖書館有免費(fèi)的資源)：網(wǎng)絡(luò)書名：n半導(dǎo)體物理學(xué) .約飛 / 1955年12月第1版 / 483頁 n 劉文明 / 1982年09月第1版 / 627頁n （西德）K.seeger / 1980年01月第1版 / 603頁 n 孟憲章 / 1993年12月第1版 / 434頁 n 王印月編 / 1990年12月第1版 / 408頁 n 黃昆 / 1958年08月第1版 / 400頁 n 西安交通大學(xué) / 1979年12月第1版 / 372頁 n非晶態(tài)半導(dǎo)體物理學(xué) 何宇亮 / 1989年06月第1版 / 542頁 n半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 鄭福潔 / 1983年03月第1版

3、 / 284頁精品課程半導(dǎo)體物理北京大學(xué)成績(jī)?cè)u(píng)定30%為平時(shí)考試n概念30n原理30n計(jì)算202n普通物理學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、量子力學(xué)固體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué) 、 電介質(zhì)物理學(xué) 半導(dǎo)體器件 集成電路器件電場(chǎng)的作用： 產(chǎn)生電流產(chǎn)生電流產(chǎn)生電荷感應(yīng)產(chǎn)生電荷感應(yīng)半導(dǎo)體的發(fā)展n50-60年代是發(fā)展的黃金時(shí)期n80年代以后，各個(gè)高校半導(dǎo)體專業(yè)逐步有被淘汰的趨勢(shì)n90年代后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和集成電路技術(shù)的應(yīng)用，半導(dǎo)體重新開始飛躍。n進(jìn)入21世紀(jì)，集成電路成了重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。n日本保持著最先進(jìn)的集成電路制造水平，甚至在常規(guī)電子元器件也保持著領(lǐng)先的優(yōu)勢(shì)。n半導(dǎo)體器件、IC器件等電荷運(yùn)動(dòng)的機(jī)理。n半導(dǎo)體材料、

4、陶瓷(半導(dǎo)化)材料的導(dǎo)電機(jī)理。n新型有機(jī)材料及其復(fù)合材料的機(jī)理分析。n各種發(fā)光材料的電荷運(yùn)動(dòng)機(jī)理。n單晶材料中的電子狀態(tài)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律n處于熱電平衡時(shí)： 晶體材料的結(jié)構(gòu)與能帶- 第一章 雜質(zhì)和缺陷- 第二章 電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)- 第三章* 運(yùn)動(dòng)規(guī)律- 第四章* 非電學(xué)平衡- 第五章* 器件工作機(jī)理- 第六章n研究方法：假設(shè)(近似)、理論、驗(yàn)證n已經(jīng)了解：?jiǎn)蝹€(gè)原子的電子結(jié)構(gòu)n不了解：多個(gè)原子排列在一起出現(xiàn)的問題。電子 原子、電子 - 電子的相互作用以及原子- 原子排列形成的勢(shì)場(chǎng)等多體問題。n簡(jiǎn)單化：忽略電子 - 電子的相互作用，n假設(shè)： “” n研究一個(gè)電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中的狀態(tài)(單電子近似-平均勢(shì)場(chǎng)-能帶

5、論)iiieeeHHHH1 金剛石型結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵 許多材料的結(jié)構(gòu)與金剛石相同，故稱之為。這些材料的第IV族的 C(碳)、Si(硅)、Ge(鍺)、Sn(錫)，而Si和Ge均是重要的半導(dǎo)體材料。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.金剛石型結(jié)構(gòu)為兩個(gè)面心立方的套構(gòu)。一個(gè)基元有兩個(gè)原子，相距為對(duì)角線長(zhǎng)度的1/4，n=2。因此，晶格的格波有3n支離子振動(dòng)格波，3個(gè)聲學(xué)波和3n-3個(gè)光學(xué)波。 正四面體：頂角、中心有原子 電子云密度大-共價(jià)鍵-配位數(shù) 2.任何一個(gè)原子的最近鄰均有4個(gè)原子。例如，離0點(diǎn)對(duì)角線1/4處的原子的最近鄰原子為0點(diǎn)原子和三個(gè)面心原子，它們形成了一個(gè)正四面體。共價(jià)鍵。3.每個(gè)原子的最外層價(jià)電子為一個(gè)s態(tài)

6、電子和三個(gè)p態(tài)電子。在與相鄰的四個(gè)原子結(jié)合時(shí)，四個(gè)共用電子對(duì)完全等價(jià)，難以區(qū)分出s與p態(tài)電子，因而人們提出了“雜化軌道”的概念：一個(gè)s和三個(gè)p軌道形成了能量相同的sp3雜化軌道。(a):構(gòu)成了固體物理學(xué)原胞，基矢有兩個(gè)原子。(b):每個(gè)實(shí)心的原子有四個(gè)相鄰的空心原子(反之成立)，每個(gè)相鄰的連線方向可以形成一個(gè)四面體。故一個(gè)原子成為了四個(gè)四面體的頂角。(c):結(jié)晶學(xué)原胞固體物理學(xué)原胞：基于固體物理學(xué)中的基矢平衡構(gòu)成的原胞，體積最小；結(jié)晶學(xué)原胞：外觀觀測(cè)、對(duì)稱性好，易于分析。圖1-1： (a)四面體，(b)金剛石型結(jié)構(gòu)，(c)晶胞(d)(111)面的堆積，(e)100面的投影注：表示 100,01

7、0,等六個(gè)晶格方向；110表示(110),(101),等六個(gè)密勒指數(shù)的晶面方向。(d):取垂直于(c)中對(duì)角線的平面，如一個(gè)頂角最近鄰的三個(gè)頂角，這三個(gè)頂角構(gòu)成了(111)面。該層包含了套構(gòu)的原子，形成了雙原子層的A層。面心立方為ABC層排列。(e):從上到下分為五層。思考：n原子或離子的排列結(jié)構(gòu)與性質(zhì)有哪些關(guān)系？n與倒空間的關(guān)系？n能帶結(jié)構(gòu)？n與晶格振動(dòng)的關(guān)系？n晶格常數(shù)：硅 0.543nm, 鍺 0.566nmn密度： 5.00*1022cm-3, 4.42*1022cm-3n共價(jià)半徑： 0.117nm, 0.122nm.n價(jià)鍵：共價(jià)鍵，有一定成份的“離子鍵”，稱之為：混合鍵 即具有“離子

8、性”-“極性半導(dǎo)體”。 (極性物質(zhì)：正負(fù)電荷中心不重合的物質(zhì)，會(huì)形成“電偶極子”) 如砷化鎵中，砷具有較強(qiáng)的電負(fù)性(得電子能力)。因此，砷(V)相當(dāng)于負(fù)離子，鎵(III)相當(dāng)于正離子。光學(xué)支格波存在。雙原子層：電偶極層。IIIV：111方向，III族原子層為111面。結(jié)論：共價(jià)結(jié)合占優(yōu)勢(shì)的情況下，此類物質(zhì)傾向于構(gòu)成 “”。n在金剛石結(jié)構(gòu)中，若由兩類原子組成，分別占據(jù)兩套面心立方-閃鋅礦結(jié)構(gòu)。n兩類原子：III族(銦,鎵)和V族(磷,砷,銻)n六角密堆積結(jié)構(gòu)和面心立方結(jié)構(gòu)具有相似的地方：ABABAB;ABCABC。n兩套面心的套構(gòu)形成了閃鋅礦結(jié)構(gòu)； 兩套六角的套構(gòu)形成了纖鋅礦結(jié)構(gòu)。 每個(gè)原子與最

9、近鄰的四個(gè)原子依然保持 “正四面體”結(jié)構(gòu)。 主要由II和VI族原子構(gòu)成，它們的大小、電負(fù)性差異較大。呈現(xiàn)較強(qiáng)的離子性，如：硫化鋅、硫化鎘等。n原子能級(jí)的簡(jiǎn)并及消失 當(dāng)N個(gè)原子相距很遠(yuǎn)時(shí)，每個(gè)原子的電子殼層完全相同，即電子有相同的能級(jí)。 當(dāng)N個(gè)原子相互靠近時(shí)，相鄰原子的電子殼層開始交疊，電子不再局限在一個(gè)原子上，通過交疊的軌道，可以轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上，由此導(dǎo)致電子在整個(gè)晶體上的“共有化”運(yùn)動(dòng)。n另外，由于2個(gè)電子不能有完全相同的能量，交疊的殼層發(fā)生分裂，形成相距很近的能級(jí)帶以容納原來能量相同的電子。原子相距越近，分裂越厲害，能級(jí)差越大。由此導(dǎo)致簡(jiǎn)并的消失。n內(nèi)殼層的電子，軌道交疊少，共有

10、化運(yùn)動(dòng)弱，可忽略。n外層的價(jià)電子，軌道交疊多，共有化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，能級(jí)分裂大，被視為“”。n原來簡(jiǎn)并的N個(gè)原子的s能級(jí)，結(jié)合成晶體后分裂為N個(gè)十分靠近的能級(jí)，形成能帶(允帶)，因N值極大，能帶被視為“”。n提問n1. 能否用實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證上述準(zhǔn)連續(xù)的能帶？n2. 非晶態(tài)物質(zhì)中是否存在能帶結(jié)構(gòu)？nN個(gè)堿金屬原子的個(gè)堿金屬原子的s能級(jí)分裂后形成了能級(jí)分裂后形成了N個(gè)準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)，個(gè)準(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)，可容納可容納2N個(gè)電子。因此，個(gè)電子。因此，N個(gè)電子填充為半滿，導(dǎo)電。個(gè)電子填充為半滿，導(dǎo)電。nN個(gè)堿土金屬的個(gè)堿土金屬的s能級(jí)被能級(jí)被2N個(gè)電子填滿，因上下能帶交疊個(gè)電子填滿，因上下能帶交疊而導(dǎo)電。而導(dǎo)電。n金剛

11、石、硅、鍺單個(gè)原子的價(jià)電子為金剛石、硅、鍺單個(gè)原子的價(jià)電子為2個(gè)個(gè)s和和2個(gè)個(gè)p電子；形電子；形成晶體后為成晶體后為2個(gè)個(gè)s電子和電子和2個(gè)個(gè)p電子；經(jīng)過軌道雜化后電子；經(jīng)過軌道雜化后N個(gè)原個(gè)原子形成了復(fù)雜的子形成了復(fù)雜的2N個(gè)低能帶和個(gè)低能帶和2N個(gè)高能帶，個(gè)高能帶，4N個(gè)電子填個(gè)電子填充在低能帶，又稱價(jià)帶；而上面的能帶為空帶，又稱導(dǎo)帶。充在低能帶，又稱價(jià)帶；而上面的能帶為空帶，又稱導(dǎo)帶。n因軌道雜化，導(dǎo)致中間出現(xiàn)禁帶。因軌道雜化，導(dǎo)致中間出現(xiàn)禁帶。n在晶體中的電子，存在著電子和電子之間的相互作用，也存在電子與離子的相互作用。為了理論計(jì)算的方便，必須作簡(jiǎn)化處理。n單電子近似：忽略電子之間的相

12、互作用，僅考慮離子的周期性勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子的影響，同時(shí)認(rèn)為原子核是固定不動(dòng)的。這種近似也叫做“獨(dú)立電子近似”。n電子運(yùn)動(dòng)滿足的規(guī)律： 02200202,1,21,mkhEmhkvhkphvEkkmpEvmpn單電子近似認(rèn)為，電子與原子的作用相當(dāng)于電子在原子的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。周期性的原子排列產(chǎn)生了周期性的勢(shì)場(chǎng)。在一維晶格中，x處的勢(shì)能為： )()(naxVxVn電子所滿足的波函數(shù)為布洛赫波函數(shù)： kxikexux2)()()()(naxuxukk為周期函數(shù)，反映電子在每個(gè)原子附近的運(yùn)動(dòng)情況。kxie2 平面波函數(shù)，空間各點(diǎn)出現(xiàn)的幾率相同，共有化。n什么是電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由電子波矢k的大小和方向確定

13、，求解(k)與k的關(guān)系，可以得到電子的能量，如圖1-10.n圖中虛線為自由電子的關(guān)系，實(shí)線為周期勢(shì)場(chǎng)的關(guān)系曲線，在布里淵區(qū)邊界出現(xiàn)了不連續(xù)，形成了允帶和禁帶。允帶出現(xiàn)的條件是：第一布里淵區(qū)出現(xiàn)在中間，第二、第三分別在兩邊。將能量值(k)作布里淵區(qū)整數(shù)倍的平移，總可以將其他布里淵區(qū)的值平移到第一布里淵區(qū)。因倒空間的周期性，這種平移不改變能量的大小。因此，第一布里淵區(qū)有晶體能量的全部信息。常稱此區(qū)域?yàn)楹?jiǎn)約布里淵區(qū)。根據(jù)周期性邊界條件，三個(gè)波矢分量為,.)2,1,0(,.)2,1,0(,.)2,1,0(zzzyyyxxxnLnknLnknLnkn起主要作用的是處于能帶頂部和底部的電子。在能帶頂部和底

14、部的電子能量為.kdkEdkdkdE)(E)k(Ekk20220210能帶頂部的底部的波矢均為k=0，同時(shí)dE/dk=0，其結(jié)果為*222)0()(nmkhEkE能帶頂部和底部電子的有效質(zhì)量分別為負(fù)和正。n電子含時(shí)間的波函數(shù)為：hiEtkkextx/)(),(電子的平均速度(波包的速度)為：Ehvk1在能帶極值附近的電子速度為：*nmhkv電子的加速度為：*/nmfa其中222*11,dkEdhmdtdpdtdkhfnn加速度的公式中，外力作用于有效質(zhì)量而不是慣性質(zhì)量。其原因是，電子受的總力為外電場(chǎng)力和內(nèi)部原子的勢(shì)場(chǎng)力。因此，加速度是內(nèi)外場(chǎng)作用的綜合效果。使用有效質(zhì)量可以使問題變簡(jiǎn)單：可以不涉

15、及半導(dǎo)體的內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)，而又可以從實(shí)驗(yàn)測(cè)定有效質(zhì)量。n在k=0附近，內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)很弱，接近自由電子，有效質(zhì)量為正。n在布里淵區(qū)邊界，內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子的作用很強(qiáng)，大于外場(chǎng)，使有效質(zhì)量呈現(xiàn)負(fù)值。n機(jī)構(gòu)：指產(chǎn)生機(jī)理的物質(zhì)。n本征半導(dǎo)體中本征的含義：本征方程、本征值， 即本來的特征，100%純的，無外來雜質(zhì)的，“理想的”材料本身所特有的材料如何導(dǎo)電？如何分析？用能帶：導(dǎo)帶、價(jià)帶，占滿電子。只有不滿能帶的電子才能導(dǎo)電。堿金屬：占半滿價(jià)帶，電子有移動(dòng)的空間。堿土金屬：占滿價(jià)帶，電子沒有移動(dòng)空間，但三維布里淵區(qū)不對(duì)稱，導(dǎo)帶與價(jià)帶有交疊，使其導(dǎo)電。三價(jià)金屬：半滿價(jià)帶，導(dǎo)電。四價(jià)：非金屬。電子填滿了第二級(jí)允帶-價(jià)滿，其導(dǎo)

16、帶為第三級(jí)允帶。 解釋：電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶底，在外場(chǎng)作用下，導(dǎo)帶電子參與導(dǎo)電；同時(shí)，價(jià)帶不滿的狀態(tài)-空穴也參與了導(dǎo)電霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)n沿Z方向加磁場(chǎng)，沿X方向通工作電流I，則在Y方向產(chǎn)生出電動(dòng)勢(shì) n電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶：成為可在整個(gè)晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的共有化電子。n在結(jié)構(gòu)上理解為圖1-15：產(chǎn)生了一個(gè)空穴和一個(gè)填隙電子。n對(duì)于空穴：產(chǎn)生了一個(gè)正電荷的空狀態(tài)；n對(duì)于電子：在外電場(chǎng)E作用下，受外力作用，電子的k狀態(tài)不斷變化：hEqdtdk/空狀態(tài)的電流：)()(kvqJ所有電子的k狀態(tài)均變化相同，在價(jià)帶頂，*/nmEqa，空穴帶正電，力為qE, m*n0,令mp*=- mn*表示空穴的 有效質(zhì)量在價(jià)頂為正。

17、引入 概念，把價(jià)帶中大量電子對(duì)電流的貢獻(xiàn)用少量的空穴表達(dá)。因此，半導(dǎo)體中的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)有兩種：電子和空穴。而金屬只有電子一種。 作業(yè)： P43 1、2 n1有效質(zhì)量amffinext0為了便于研究，將公式變?yōu)閍mfnext*n2外電場(chǎng)對(duì)電子的作用 當(dāng)外電場(chǎng)加在電子上，波矢k隨時(shí)間變化Ehvk1電子電流為)()(kvqJ電子受力加速運(yùn)動(dòng)平均速度為h/Eqdt/dk其中，電子運(yùn)動(dòng)方向和波矢變化方向均與外電場(chǎng)方向相反。見圖n如果給電子加磁場(chǎng)，電子會(huì)做圓周運(yùn)動(dòng)，速度不變，半徑一定。n如果給做圓周運(yùn)動(dòng)的電子加交變的電磁場(chǎng)，則電子會(huì)吸收能量，圓周運(yùn)動(dòng)的速度加快，半徑加大。n電子吸收能量后，其運(yùn)動(dòng)速度的變化應(yīng)該

18、與電子的有效質(zhì)量相關(guān)。n三維的半導(dǎo)體材料，能帶結(jié)構(gòu)顯示為各向異性：沿不同的波矢k的方向，k關(guān)系不同。此關(guān)系可以由回旋共振確定。n三維情況下理想的導(dǎo)帶底能量為)(2)0()(2222zyxkkkmhEkEnk空間球形等能面的半徑為)0()()/2(2*EkEhmnn然而，各向異性表現(xiàn)為：1)在不同的k方向，電子的有效質(zhì)量不同； 2)能帶極值不一定位于k=0處，設(shè)位于k0處，導(dǎo)帶底能量為)()()(2)()(*20*20*2020zzzyyyxxxmkkmkkmkkhkEkEn磁場(chǎng)強(qiáng)度為B作用在速度為v的電子上，磁場(chǎng)力為Bqvf電子作回旋運(yùn)動(dòng)，回旋速度和加速度分別為*ncmqB由此導(dǎo)出的回旋頻率為

19、rvarvc/,2 外加交變電場(chǎng)，則電子會(huì)吸收電場(chǎng)能量，加快回旋。測(cè)量被吸收的電場(chǎng)能量，可以得到吸收譜：n (1) 在回旋頻率有較大的吸收峰n (2) 有幾個(gè)吸收峰就有幾個(gè)有效質(zhì)量。在實(shí)驗(yàn)上測(cè)出發(fā)生共振吸收時(shí)的頻率和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，就可以得到有效質(zhì)量qBmn*計(jì)算方法：n取磁場(chǎng)B為任意方向n經(jīng)過計(jì)算，各向異性的回旋頻率也滿足上式，只是*2*2*2*1zyxzyxnmmmmmmm,可以得出結(jié)論：等能面橢球的徑向與B的夾角余弦決定了有效質(zhì)量。若mx= my =mt，mz =ml 。2221*2*2*2*)()1(1ltltnmmmmm分別為B在k空間三個(gè)方向的方向余弦。實(shí)驗(yàn)方法n1、B的大小不變，方

20、向不斷改變，并以掃描的方式進(jìn)行；n2、電磁波的頻率不斷變化，以掃描的方式進(jìn)行，測(cè)量穿過樣品后電磁波的強(qiáng)度，可以得到吸收譜：是否有吸收峰？n如“雷達(dá)”n1 硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)n回旋共振硅的吸收峰：(改變B的方向)當(dāng)磁場(chǎng)相對(duì)于晶軸有不同取向時(shí)，可以得到為數(shù)不等當(dāng)磁場(chǎng)相對(duì)于晶軸有不同取向時(shí)，可以得到為數(shù)不等的吸收峰，如，對(duì)的吸收峰，如，對(duì)硅而言，而言，若若B沿沿111方向，只能觀察到一個(gè)吸收峰方向，只能觀察到一個(gè)吸收峰若若B沿沿110方向，可以觀察到兩個(gè)吸收峰方向，可以觀察到兩個(gè)吸收峰若若B沿沿100方向，可以觀察到兩個(gè)吸收峰方向，可以觀察到兩個(gè)吸收峰若若B沿其它任意方向，可以觀察到三個(gè)吸收峰沿其它任

21、意方向，可以觀察到三個(gè)吸收峰n為解釋上述結(jié)果，提出的模型認(rèn)為：導(dǎo)帶底等能面沿100方向，共有六個(gè)，如圖22所示。設(shè)徑向?yàn)閦方向，縱向和橫向有效質(zhì)量分別為n考慮001方向的橢球*,yxtzlmmmmm2)(2322212ltmkmkkhkE)()()(2)()(*20*20*2020zzzyyyxxxmkkmkkmkkhkEkE外加磁場(chǎng)對(duì)等能面橢球的影響 選取某個(gè)橢球，若B在k1和k3 平面，與k2的夾角為 ， 有效質(zhì)量為22*consinltltnmmmmm*2*2*2*1zyxzyxnmmmmmmmKz沿6個(gè)立方邊方向 若若B沿沿100方向：方向：22cos0,cos1or對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)2個(gè)共振峰

22、個(gè)共振峰若若B沿沿110方向：方向：22cos0,cos1/ 2or對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)2個(gè)共振峰個(gè)共振峰若若B沿沿111方向：方向：2cos1/3對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)1個(gè)共振峰個(gè)共振峰 若若B沿除此之外的任意方向，則沿除此之外的任意方向，則B與與kz之間的夾角可以給出之間的夾角可以給出3種不同的種不同的2cos對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)3個(gè)共振峰個(gè)共振峰n作業(yè)：第一章習(xí)題3和 4。鍺和硅的三維等能面n鍺和硅的三維等能面見圖24，鍺和硅的晶格常數(shù)不同，三維等能面也不同。鍺在方向的簡(jiǎn)約布里淵區(qū)的八個(gè)面上，見圖24a。硅在方向的簡(jiǎn)約布里淵區(qū)的六個(gè)面上，見圖24b鍺和硅的禁帶寬度n鍺和硅的禁帶寬度Eg與溫度相關(guān)。nT=0時(shí)，分別為1.170

23、eV和0.7437eVn溫度升高，禁帶寬度Eg下降，公式：n=4.7310-4eV/K，=636 Kn=4.77410-4eV/K，=235 KTTETEgg2)0()(01002003004005006000.20.40.60.81.01.2 Si Ge Eg(eV)T (K)1.124520.66339n半導(dǎo)體偏離理想的情況：n1)在平衡位置附近振動(dòng)，不靜止在格點(diǎn)上n2)含雜質(zhì)，不純凈n3)存在缺陷(點(diǎn)、線、面)n雜質(zhì)的摻入：n 無意：本身的純度不夠n 有意：控制性質(zhì)，對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的精確控制，使其能夠廣泛應(yīng)用n單位體積摻入雜質(zhì)的濃度：1014-1020cm-3n雜質(zhì)的影響：105個(gè)硅原子中

24、有一個(gè)雜質(zhì)硼原子，室溫電導(dǎo)率增加103個(gè)數(shù)量級(jí)。n缺陷的影響：硅平面器件要求位錯(cuò)密度控制在103cm2以下。n原因1.破壞了周期性勢(shì)場(chǎng)；n 2.在禁帶中引入了雜質(zhì)能級(jí)。n主要討論雜質(zhì)和缺陷：n1.替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì)n雜質(zhì)來源：原料、工藝、人為摻入。n雜質(zhì)存在位置：金剛石晶體中，原子占全部的34%，空隙占66%。n空隙-間隙位置，如金剛石原胞4方中心T和三個(gè)面心、三個(gè)體心原子的中央H。n存在方式：間隙式雜質(zhì)，間隙原子存在于間隙位置(小原子)n替位式雜質(zhì)，雜質(zhì)原子替換晶體原子(人為摻入)，原子大小相近。n雜質(zhì)含量：用雜質(zhì)濃度表示，單位 cm-3。n在純硅中摻入5價(jià)的磷P，磷的5個(gè)價(jià)電子中的4個(gè)

25、形成了共價(jià)鍵，剩余一個(gè)價(jià)電子+多余一個(gè)正電荷中心P+。n價(jià)電子束縛在正電中心P+周圍，此價(jià)電子很容易掙脫束縛，成為導(dǎo)電電子在晶格中運(yùn)動(dòng)，因磷離子為不動(dòng)的正電荷中心，基本不參與導(dǎo)電。這種電子脫離雜質(zhì)束縛的過程稱為“”。電子脫離束縛所需要的能量為“”。族雜質(zhì)能夠施放(提供)導(dǎo)帶電子被稱為“施主雜質(zhì)”或n型雜質(zhì)。將施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為“施主能級(jí)”記為ED。n結(jié)論：摻磷(5價(jià))，施主，電子導(dǎo)電，n型半導(dǎo)體。n在硅中摻入3價(jià)的硼B(yǎng)，硼原子有3個(gè)價(jià)電子，與周圍四個(gè)硅原子形成共價(jià)鍵，缺少一個(gè)電子，必須從周圍獲得一個(gè)電子，成為負(fù)電中心B-。n硼的能級(jí)距價(jià)帶能級(jí)頂部很近，容易得到電子。n負(fù)電中心B-不能移

26、動(dòng)；而價(jià)帶頂?shù)目昭ㄒ子诒恢車娮犹畛洌纬煽昭ǖ囊苿?dòng)，即“”。n這種能夠接受電子的雜質(zhì)稱之為“受主雜質(zhì)”，或P型雜質(zhì)。n受主雜質(zhì)獲得電子的過程稱之為“受主電離”；n受主束縛電子的能量狀態(tài)稱之為“受主能級(jí)EA”；n受主能級(jí)比價(jià)帶頂EV高“電離能EA” 。電離能的大?。簄硅中摻磷為0.044，摻硼為0.045(eV)。n鍺中摻磷為0.0126，摻硼為0.01(eV)。n這種電離能很小，雜質(zhì)可以在很低的溫度下電離。故稱之為“淺能級(jí)雜質(zhì)”，在室溫幾乎全部電離。n雜質(zhì)能級(jí)用短線表示，因雜質(zhì)濃度與硅相比很低，雜質(zhì)原子相互之間幾乎無作用，雜質(zhì)能級(jí)相同，量子的排斥原理對(duì)低濃度的雜質(zhì)摻雜不起作用。在介電(陶瓷)

27、中的情況n3價(jià)摻雜替代2價(jià)(如BaTiO3中Bi替代Ba) 產(chǎn)生一個(gè)固定的正電荷和一個(gè)可動(dòng)的電子:O6VBi4O2Bi TiBa32OBaO32O3Bi2VOBi1) 消除氧空位: 2) 使金屬離子變價(jià):O21O2Bi2OBi2OBa32en 然而，該電子往往被束縛住，成為不可動(dòng)的:3) 產(chǎn)生離子缺位 O3VBi2OBi BaBa3234Ti eTiBa eBa2n類氫模型：雜質(zhì)離子+束縛電子n使用類氫模型計(jì)算：200*200*,rpArnDmEmEmEmEE0=13.6eV(氫基態(tài))， m0電子慣性質(zhì)量，r相對(duì)介電常數(shù)玻爾原子模型n玻爾原子中電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑：n軌道能級(jí)：n在硅中可以做類似

28、的計(jì)算，使用有效質(zhì)量2020nqmhrH2220408nhqmEan同時(shí)摻入P型和n型兩種雜質(zhì)，它們會(huì)相互抵消。n若NDNA,則為n型半導(dǎo)體，n= ND-NA ；n反之為P型，p= NA-ND。n其凈雜質(zhì)濃度稱之為“有效雜質(zhì)濃度”。n值得注意的是，當(dāng)兩種雜質(zhì)的含量均較高且濃度基本相同時(shí)，材料容易被誤認(rèn)為是“高純半導(dǎo)體”，實(shí)際上，過多的雜質(zhì)含量會(huì)使半導(dǎo)體的性能變差，不能用于制造器件。n重金屬元素?fù)饺氚雽?dǎo)體中會(huì)引入深能級(jí)?！?”或“-”號(hào)分別表示該能級(jí)是施主或受主能級(jí)一個(gè)深能級(jí)雜質(zhì)能產(chǎn)生多個(gè)雜質(zhì)能級(jí)。如I族的銅、銀、金能產(chǎn)生三個(gè)受主能級(jí)；II族元素鋅、鎘、汞在硅、鍺中各產(chǎn)生兩個(gè)受主能級(jí)。其原因是什

29、么呢？n金 是1價(jià)元素，中性的金有一個(gè)價(jià)電子。在鍺中，金的價(jià)電子若電離躍入導(dǎo)帶，則成為施主。然而，此價(jià)電子被多個(gè)共價(jià)鍵束縛，電離能很大，故為“深施主”。另一方面，金比鍺少三個(gè)電子。鍺的整體結(jié)構(gòu)要求每個(gè)原子為四價(jià)，因此，金有可能接受三個(gè)電子，形成EA1、 EA2、EA3三個(gè)受主能級(jí)。當(dāng)金接受了一個(gè)電子后，成為Au-，再接受一個(gè)電子將受到負(fù)電中心的排斥作用，難度更大。因而受主能級(jí)EA2將更大。 EA3最大，能級(jí)最深，非常靠近導(dǎo)帶。如圖2-10。n含量很少。作用是捕獲電子，即電子陷阱。由于它能夠消除積累的空間電荷，減少電容，故可提高器件速度。nIII-V族化合物是兩種元素1:1構(gòu)成的物質(zhì)。雜質(zhì)進(jìn)入后，可以成為間隙或替位式雜質(zhì)。n當(dāng)III族雜質(zhì)和V族雜質(zhì)摻入III-V族化合物中時(shí)，實(shí)驗(yàn)中測(cè)不到雜質(zhì)的影響，因?yàn)樗鼈儧]有在禁帶中引入能級(jí)。n但有些V族元素的取代會(huì)產(chǎn)生能級(jí)，此能級(jí)為等電子能級(jí)，效應(yīng)稱之為“等電子雜質(zhì)效應(yīng)”：n 雜質(zhì)電子與基質(zhì)原子的價(jià)電子數(shù)量相等。替代格點(diǎn)原子后，仍為電中性。但是，原子序數(shù)不同導(dǎo)致了原子的“共價(jià)半徑”和“電負(fù)性”不同，即對(duì)電子的束縛能力不同于格點(diǎn)原子，能俘獲電荷成為帶電中心，形成電子陷阱或正電荷陷阱。該陷阱俘獲載流子后，又能俘獲相反符號(hào)的電荷，形成“束縛激子”。這種束縛激子在間接帶隙半導(dǎo)體制成了發(fā)光器件