半導體物理第一章

1、半導體物理半導體物理 半導體物理是半導體物理是凝聚態(tài)物理凝聚態(tài)物理領域中的一個活躍分支領域中的一個活躍分支, ,也也是半導體科學技術發(fā)展的重要物理基礎。半個多世紀以來，是半導體科學技術發(fā)展的重要物理基礎。半個多世紀以來，半導體物理自身不僅在晶態(tài)半導體、非晶態(tài)半導體、半導半導體物理自身不僅在晶態(tài)半導體、非晶態(tài)半導體、半導體表面、半導體超晶格、納米半導體和有機半導體等領域體表面、半導體超晶格、納米半導體和有機半導體等領域中都獲得了令世人矚目的重大進展，而且它還是一系列新中都獲得了令世人矚目的重大進展，而且它還是一系列新材料、新結構、新效應、新器件和新工藝產(chǎn)生的源泉。因材料、新結構、新效應、新器件和

2、新工藝產(chǎn)生的源泉。因此，此課程的學習對日后此，此課程的學習對日后從事半導體領域研究及其他新興從事半導體領域研究及其他新興交叉學科如納米科學的研究交叉學科如納米科學的研究尤為重要。尤為重要。 主講教師：劉金平主講教師：劉金平授課主要內容（半導體物理基礎知識）授課主要內容（半導體物理基礎知識）： 摻雜半導體的導電性（載流子，電導率，電阻率，遷移率，方塊電阻） 能級（多子，少子，費米能級，非平衡載流子復合、擴散） PN結（I-V關系，空間電荷區(qū)，晶體管，PN結擊穿、電容效應，金屬-半導體接觸） 半導體表面（表面空間電荷區(qū)，MIS電容器，MOS場效應晶體管，電荷耦合器件） 晶格和缺陷（空位，間隙原子，

3、位錯，層錯，相變，相圖）前沿應用領域選講：o 太陽能電池（PN結型，染料敏化，有機光伏）o 半導體光催化（光吸收，電子空穴分離）o 光電化學分解水（原理，基本物理過程）o 半導體器件教材教材：半導體物理基礎，黃昆，韓汝琦；科學出版社 參考書目參考書目： 半導體物理學半導體物理學劉恩科、劉恩科、朱秉升、羅晉生等編著，電子朱秉升、羅晉生等編著，電子工業(yè)出版社工業(yè)出版社 半導體物理與器件半導體物理與器件基基本原理本原理( (第第3 3版版)()(美美) )DonaldA.NeamenDonaldA.Neamen著著第一章：摻雜半導體的導電性1.1 載流子載流子 半導體的導電與金屬不同，存在兩種載流載

4、流子子：電子和空穴。 空穴空穴：可以自由移動的缺位。 常溫下，熱運動對半導體導電性影響十分微弱（對于Si，Ne, Np1.51010 cm-3）。 摻雜摻雜是控制半導體中載流子濃度，從而控制半導體導電性的重要手段。1.2 摻雜摻雜（1）施主摻雜施主摻雜純純SiSiV V主族元素摻雜（主族元素摻雜（P,As,Sb,BiP,As,Sb,Bi）施主雜質施主雜質：雜質原子提供自由電子而本身變成帶正電雜質原子提供自由電子而本身變成帶正電的離子的離子。N N型半導體型半導體：依靠電子導電的半導體依靠電子導電的半導體。1.2 摻雜摻雜（2）受主摻雜受主摻雜純純SiSiIIIIII主族元素摻雜（主族元素摻雜（

5、B,Al,Ga,InB,Al,Ga,In）受主雜質受主雜質：雜質原子提供空穴而本身變成帶負電的離雜質原子提供空穴而本身變成帶負電的離子子。P P型半導體型半導體：依靠空穴導電的半導體依靠空穴導電的半導體。討論：討論： 對于半導體對于半導體GeGe，上述討論依然成立。由于，上述討論依然成立。由于GeGe較大的原子系數(shù)，其對價電子束縛力較弱。較大的原子系數(shù)，其對價電子束縛力較弱。 存在大量的化合物半導體材料。比如存在大量的化合物半導體材料。比如III-VIII-V型化合物：型化合物：GaAs,InSb,GaP,InPGaAs,InSb,GaP,InP等。等。II-VIII-VI型型半導體：半導體：

6、ZnO,CdS.ZnO,CdS. GaAs GaAs是一類重要的半導體，已廣泛用于制是一類重要的半導體，已廣泛用于制造發(fā)光二極管、激光器以及微波器件等。造發(fā)光二極管、激光器以及微波器件等。 III-VIII-V型半導體型半導體 * *共價鍵與離子鍵的結合。對價電子的束縛力更大。共價鍵與離子鍵的結合。對價電子的束縛力更大。 陽離子摻雜陽離子摻雜：鋅鋅Zn, Zn, 鎘鎘CdCd 陰離子摻雜陰離子摻雜：碲碲Te, Te, 硒硒SeSe Si,GeSi,Ge等等IVIV族的元素既可受主、亦可施主摻雜。族的元素既可受主、亦可施主摻雜。1.3 微分歐姆定律、電導率、電阻率微分歐姆定律、電導率、電阻率 微

7、分歐姆定律微分歐姆定律：描述半導體內各點電流強弱的不均：描述半導體內各點電流強弱的不均勻性。勻性。 為為通過單位橫截面積的電流強度通過單位橫截面積的電流強度，稱為，稱為電流密度電流密度。 稱為半導體的稱為半導體的 電導率電導率。E為為電場強度。電場強度。 探針測試半導體電阻探針測試半導體電阻這種情況下，這種情況下，電流成一個以探電流成一個以探針尖為中心、沿半徑四周散開的電流分布針尖為中心、沿半徑四周散開的電流分布。jEj在半導體內部某點在半導體內部某點A A，如果電流密度是，如果電流密度是j jA A，則在，則在A A點點通過橫截面積元通過橫截面積元d dS S的電流強度就是的電流強度就是 j

8、 jA Ad dS S. . 假設總電假設總電流為流為I I，則很容易得到在圖中所畫的半徑為，則很容易得到在圖中所畫的半徑為r r的半球面的半球面上，各點的電流密度為上，各點的電流密度為： 22Ijr下面就下面就均勻導電體均勻導電體模型推算模型推算微分歐姆定律微分歐姆定律。VIRISjVLELEjRS1;RSL可得到又有電阻率又有電阻率：jE歐姆定律歐姆定律： 對于非均勻導體非均勻導體，我們可以取一個小體積元，當小體積元足夠小時，可以看出是均勻的，上述推導依然有效。 參量單位參量單位 電流密度電流密度j: 安培/厘米2（A/cm2） 電場強度電場強度E: 伏特/cm(V/cm) 電導率電導率

9、: 歐姆-1厘米-1（ cm-1） 電阻率電阻率 : 歐姆厘米（ cm）1電導率與摻雜濃度的關系電導率與摻雜濃度的關系電子熱運動速率估算電子熱運動速率估算： k為波爾子曼常數(shù)。為波爾子曼常數(shù)。m0是是電子質量電子質量*。因此可計算得。因此可計算得： v01.2107 cm/s熱運動是無規(guī)則的，效果相互抵消，并不形成電流。熱運動是無規(guī)則的，效果相互抵消，并不形成電流。當有電場存在時，電子才會沿著電場力方向產(chǎn)生一定速度。當有電場存在時，電子才會沿著電場力方向產(chǎn)生一定速度。載流子在做無規(guī)則運動的同時，由于電場作用而產(chǎn)生的、沿著載流子在做無規(guī)則運動的同時，由于電場作用而產(chǎn)生的、沿著電場力方向的運動電場

10、力方向的運動叫做叫做漂移運動漂移運動。有效質量有效質量：電子在加速運動中表現(xiàn)出的質量（不同于自由電子電子在加速運動中表現(xiàn)出的質量（不同于自由電子質量）。質量）。20322m vkT如上圖，在如上圖，在dt時間內通過半導體時間內通過半導體A處的處的dS截面的電荷量可表截面的電荷量可表述為：述為：由于電流密度由于電流密度 故，故，設電子在電場作用下的平均漂移速度為：設電子在電場作用下的平均漂移速度為： 電子濃度為電子濃度為nvdQnvdtdS q/()jdQ dt dSjnqv又有又有：因因n和和q都與都與E無關，因此可以看出載流子的漂移速度和無關，因此可以看出載流子的漂移速度和電場強度是成正比的

11、。電場強度是成正比的。定義定義電子遷移率電子遷移率： 遷移率遷移率：單位電場作用下的漂移速度單位電場作用下的漂移速度。 因此：因此： n型半導體：型半導體： p型半導體：型半導體：jEvEjnq EEnq;npnqpq摻雜半導體中，電子或空穴的濃度基本上分別等于施主和受主雜質濃度摻雜半導體中，電子或空穴的濃度基本上分別等于施主和受主雜質濃度。延伸： 在不同的半導體中，電子和空穴的遷移率是不相同在不同的半導體中，電子和空穴的遷移率是不相同的；同一個半導體中，電子、空穴的遷移率也是隨的；同一個半導體中，電子、空穴的遷移率也是隨著溫度和摻雜濃度而變化的。著溫度和摻雜濃度而變化的。 已知電導率和摻雜的

12、關系，已知電導率和摻雜的關系， A A：通過：通過電阻率（電導率）和摻雜濃度，電阻率（電導率）和摻雜濃度，可以計算可以計算電子遷移率電子遷移率。 B B：通過：通過電阻率電阻率和和電子遷移率電子遷移率，可計算，可計算摻雜濃度摻雜濃度。 見見教材例題教材例題。1.4 1.4 遷移率遷移率 遷移率的意義遷移率的意義： 遷移率是反應半導體中載流子導電能力的重遷移率是反應半導體中載流子導電能力的重要參數(shù)。同樣的摻雜濃度，遷移率越大，材料要參數(shù)。同樣的摻雜濃度，遷移率越大，材料的電導率就越高。的電導率就越高。 遷移率直接決定著載流子運動（漂移、擴遷移率直接決定著載流子運動（漂移、擴散）的快慢，對半導體器

13、件工作的速度有重要散）的快慢，對半導體器件工作的速度有重要影響。影響。影響遷移率的主要因素影響遷移率的主要因素（1）摻雜濃度摻雜濃度 同一材料，摻雜不同，載流子的遷移率就不一樣。同一材料，摻雜不同，載流子的遷移率就不一樣。摻雜濃度增加摻雜濃度增加對于對于N型和型和P型硅材料，型硅材料，常溫下，摻雜濃度較低范常溫下，摻雜濃度較低范圍內，電子和空穴有比較圍內，電子和空穴有比較確定的遷移率確定的遷移率。摻雜濃度高于一定程度，摻雜濃度高于一定程度，遷移率隨著摻雜濃度變大遷移率隨著摻雜濃度變大和降低。和降低。（2 2）溫度）溫度對于對于N型和型和P型硅材料，較高摻雜濃度下，載流子遷移率隨溫度變化平緩、型

14、硅材料，較高摻雜濃度下，載流子遷移率隨溫度變化平緩、不顯著。不顯著。對低的摻濃度，遷移率隨著溫度升高大幅度下降。對低的摻濃度，遷移率隨著溫度升高大幅度下降。摻雜濃度增加摻雜濃度增加摻雜濃度增加摻雜濃度增加載流子遷移的微觀圖像（散射）載流子遷移的微觀圖像（散射）電場作用下載流子的漂移電場作用下載流子的漂移 需要注意的是，恒定的電場作用下，載流子保持的需要注意的是，恒定的電場作用下，載流子保持的是一個確定的平均漂移速度，并未不斷加速。這意味著是一個確定的平均漂移速度，并未不斷加速。這意味著載流子是受到阻力作用的。載流子是受到阻力作用的。 載流子在其熱運動中，不斷與晶格、雜質及缺陷發(fā)載流子在其熱運動

15、中，不斷與晶格、雜質及缺陷發(fā)生碰撞而無規(guī)則改變其運動方向的現(xiàn)象生碰撞而無規(guī)則改變其運動方向的現(xiàn)象，稱為，稱為散射散射。 載流子每經(jīng)一次散射，就重新開載流子每經(jīng)一次散射，就重新開始沿電場力方向加速，直到再一始沿電場力方向加速，直到再一次發(fā)生散射，這段時間內加速運次發(fā)生散射，這段時間內加速運動的平均速度動的平均速度可視為可視為平均漂移速平均漂移速度度。設載流子（電子或空穴）質量為設載流子（電子或空穴）質量為m*,電場力電場力Eq，則加速度為：，則加速度為：則兩次碰撞間的時間則兩次碰撞間的時間t內載流子的平均速度：內載流子的平均速度：定義定義平均自由運動時間平均自由運動時間可得到可得到又因又因 得到

16、遷移率得到遷移率*Eqam*11(0)22EqEqvttmm/2t*EqvmvE*qm*電子和空穴的有效質量不一樣，因此它們遷移率表現(xiàn)出明顯差異。電子和空穴的有效質量不一樣，因此它們遷移率表現(xiàn)出明顯差異。討論：討論： 載流子平均自由運動時間越長，遷移率越高。載流子平均自由運動時間越長，遷移率越高。而平均自由運動時間的長短則是由載流子散而平均自由運動時間的長短則是由載流子散射的強弱來決定的。射的強弱來決定的。 摻雜濃度和溫度對于遷移率的影響，實際上摻雜濃度和溫度對于遷移率的影響，實際上是由于它們直接影響著載流子散射的強弱。是由于它們直接影響著載流子散射的強弱。那么，在半導體中，是哪些因素引起載流

17、子的散射呢？載流子散射的類型載流子散射的類型 晶格散射晶格散射 由晶格振動引起的載流子散射由晶格振動引起的載流子散射叫做叫做晶格散射晶格散射。 當溫度升高時，晶格振動加強，對載流子的晶當溫度升高時，晶格振動加強，對載流子的晶格散射就會增強。對于格散射就會增強。對于低摻雜濃度低摻雜濃度的半導體，遷的半導體，遷移率隨溫度的升高而大幅度下降，原因在于此。移率隨溫度的升高而大幅度下降，原因在于此。載流子散射的類型載流子散射的類型 電離雜質散射電離雜質散射 半導體中電離雜質形成的正、負電中心對載流子的吸引或半導體中電離雜質形成的正、負電中心對載流子的吸引或者排除作用者排除作用叫做叫做電離雜質散射電離雜質

18、散射。 一般來講，電子雜質一般來講，電子雜質散射隨著散射隨著摻雜濃度摻雜濃度的的增加而增強。電離雜增加而增強。電離雜質越多，載流子被散質越多，載流子被散射的機會就越大。射的機會就越大。載流子散射的類型載流子散射的類型 雜質原子散射雜質原子散射 缺陷散射缺陷散射 對于電離雜質散射來說，對于電離雜質散射來說，溫度越低，載流子運動越慢，散溫度越低，載流子運動越慢，散射作用越強，這個晶格散射的情況是相反的射作用越強，這個晶格散射的情況是相反的。故，故，摻雜濃度較高摻雜濃度較高時，由于電離雜質散射隨溫度變化的趨時，由于電離雜質散射隨溫度變化的趨勢與晶格散射相反，因此遷移率隨溫度變化較?。辉谳^低勢與晶格散

19、射相反，因此遷移率隨溫度變化較?。辉谳^低的溫度下，遷移率隨溫度上升而升高，而在較高的溫度下的溫度下，遷移率隨溫度上升而升高，而在較高的溫度下是隨著溫度的上升而下降的，這實際上是表明，是隨著溫度的上升而下降的，這實際上是表明，在高摻雜在高摻雜濃度下，較低溫度時電離雜質散射占優(yōu)勢，只有在較高溫濃度下，較低溫度時電離雜質散射占優(yōu)勢，只有在較高溫度，晶格散射才占優(yōu)勢。度，晶格散射才占優(yōu)勢。強電場效應強電場效應o 在很強的電場下，即使摻雜濃度和溫度一定，載流子遷在很強的電場下，即使摻雜濃度和溫度一定，載流子遷移率不再是一個常數(shù)，平均漂移速度隨著外場增加而加移率不再是一個常數(shù)，平均漂移速度隨著外場增加而加

20、快的速度變得緩慢，最后趨向于一個恒定值快的速度變得緩慢，最后趨向于一個恒定值，即，即飽和漂飽和漂移速度（極限漂移速度）移速度（極限漂移速度）。 低電場情況下，載流子平均漂移速度比平均越運動速度小很低電場情況下，載流子平均漂移速度比平均越運動速度小很多，平均自由運動時間取決于載流子的平均熱運動速度而與電多，平均自由運動時間取決于載流子的平均熱運動速度而與電場無關，遷移率為常數(shù)。場無關，遷移率為常數(shù)。 強電場下，載流子運動加快，平均自由運動時間減小，遷移強電場下，載流子運動加快，平均自由運動時間減小，遷移率下降，從而平均漂移速度不再與電場成正比，而是變化緩率下降，從而平均漂移速度不再與電場成正比，

21、而是變化緩慢。足夠強電場時，晶格散射會變得特別強，最終平均漂移速慢。足夠強電場時，晶格散射會變得特別強，最終平均漂移速度趨于飽和值。度趨于飽和值。 強電場效應強電場效應o 在很強的電場下，即使摻雜濃度和溫度一定，載流子遷在很強的電場下，即使摻雜濃度和溫度一定，載流子遷移率不再是一個常數(shù)，平均漂移速度隨著外場增加而加移率不再是一個常數(shù)，平均漂移速度隨著外場增加而加快的速度變得緩慢，最后趨向于一個恒定值快的速度變得緩慢，最后趨向于一個恒定值，即，即飽和漂飽和漂移速度（極限漂移速度）移速度（極限漂移速度）。 低電場情況下低電場情況下，載流子平均漂移速度比平均越運動速度小很，載流子平均漂移速度比平均越

22、運動速度小很多，平均自由運動時間取決于載流子的平均熱運動速度而與電多，平均自由運動時間取決于載流子的平均熱運動速度而與電場無關，遷移率為常數(shù)。場無關，遷移率為常數(shù)。 強電場下強電場下，載流子運動加快，平均自由運動時間減小，遷移，載流子運動加快，平均自由運動時間減小，遷移率下降，從而平均漂移速度不再與電場成正比，而是變化緩率下降，從而平均漂移速度不再與電場成正比，而是變化緩慢。足夠強電場時，晶格散射會變得特別強，最終平均漂移速慢。足夠強電場時，晶格散射會變得特別強，最終平均漂移速度趨于飽和值。度趨于飽和值。 1.5 1.5 四探針法四探針法 電阻率電阻率是半導體單晶材料的主要技術指標。四探針法是

23、是半導體單晶材料的主要技術指標。四探針法是目前檢測硅單晶電阻率的主要方法。目前檢測硅單晶電阻率的主要方法。減除接觸電阻的問題減除接觸電阻的問題1、4探針間電流探針間電流I；2、3探針間的電勢差探針間的電勢差VVcIc是與樣品幾何參數(shù)和探針間是與樣品幾何參數(shù)和探針間距有關的系數(shù)。距有關的系數(shù)。22Ijr半球上電流密度是均勻分布的：半球上電流密度是均勻分布的：則半球上電場強度：則半球上電場強度：2220;2214jIIErrqEr 點電荷場強公式：點電荷場強公式：對比，可等效看成在對比，可等效看成在A的一個點電的一個點電荷荷 產(chǎn)生的場強分布。產(chǎn)生的場強分布。02qI 因此電勢分布可寫成：因此電勢分

24、布可寫成：2IVr探針探針2處的電勢：處的電勢：231323121111()2IVVSSSSSS312311()2IVSSS2IVS探針探針3處的電勢：處的電勢：探針探針2和和3之間的電勢差：之間的電勢差：2VSI212311()2IVSSS取取S1=S2=S3=S，則：，則：實際測試中要注意：探針及尖，間距足夠?。▽嶋H測試中要注意：探針及尖，間距足夠?。?mm）;避免電流過大。避免電流過大。1.6 1.6 方塊電阻方塊電阻 描述擴散薄層的導電性能的重要參數(shù)描述擴散薄層的導電性能的重要參數(shù)。擴散后的雜質濃度分布（擴散后的雜質濃度分布（p型）型）離開表面深度離開表面深度如圖，受主雜質濃度與施主雜

25、如圖，受主雜質濃度與施主雜質濃度相等的地方質濃度相等的地方xj是是P型和型和N型的交界面，此處形成型的交界面，此處形成PN結。結。xj稱為稱為結深結深。表面厚度為表面厚度為xj的的這一層叫做這一層叫做擴散薄層擴散薄層，通常厚，通常厚度為幾個微米。度為幾個微米。對于對于電阻率恒定電阻率恒定的薄層導體，如果其寬為的薄層導體，如果其寬為W、厚、厚為為d，則其電阻為：，則其電阻為：()LLRWdd W001111( )( )jjxxjjjjxxqN xdxxx dxx( )( )xN x q 比例系數(shù)比例系數(shù) 稱為稱為方塊電阻方塊電阻dR對于對于電阻率不恒定電阻率不恒定的薄層導體，的薄層導體，R如果忽略遷移率隨著雜質濃度的變化，則如果忽略遷移率隨著雜質濃度的變化，則01( )jxqN x dxR顯而易