半導(dǎo)體器件物理第二章能帶和載流子課件

2.1半導(dǎo)體材料2.2基本晶體結(jié)構(gòu)2.3基本晶體生長(zhǎng)技術(shù)2.4共價(jià)鍵2.5能帶2.6本征載流子濃度2.7施主與受主第2章熱平衡時(shí)的能帶和載流子濃度1§2.1半導(dǎo)體材料固體材料：絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體半導(dǎo)體易受溫度、光照、磁場(chǎng)及微量雜質(zhì)原子影響元素半導(dǎo)體：硅、鍺化合物半導(dǎo)體：二元、三元、四元化合物GaAs、InP、AlxGa1-xAs、Gaxln1-xAsyP1-y2§2.2基本晶體結(jié)構(gòu)基本立方晶體單胞金剛石結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的區(qū)別3金剛石晶格結(jié)構(gòu)：復(fù)式晶格。由兩個(gè)面心立方晶格沿立方對(duì)稱晶胞的體對(duì)角線錯(cuò)開1/4長(zhǎng)度套構(gòu)而成。排列方式以雙原子層ABCABCSiGeGaAs5.430895.657545.64195X10224.42X1022晶格常數(shù)a(?)原子密度晶格常數(shù)5（111）（111）6晶格由兩種不同原子組成的面心立方晶格套構(gòu)而成。雙原子復(fù)式格子III－V族化合物，每個(gè)原子被四個(gè)異族原子包圍。共價(jià)鍵中有一定的離子性，稱為極性半導(dǎo)體。閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)(ZincblendeStructure),GaAs,InP7§2.3基本晶體生長(zhǎng)技術(shù)硅晶體、95%（目前半導(dǎo)體材料）原始材料：石英巖（高純度硅砂SiO2）步驟：1、SiC+SiO2—Si+SiO+CO2、Si+3HCl—SiHCl3+H23、SiHCl3+H2—Si+3HCl多晶硅4、拉單晶：柴可拉斯基法910§2.4共價(jià)鍵金剛石晶格結(jié)構(gòu)：共價(jià)鍵閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)：共價(jià)鍵但存在微量離子鍵成分本征激發(fā)或熱激發(fā)：電子與空穴見(jiàn)Flash11電子共有化運(yùn)動(dòng)2p3s3s3s3s2p2p2p原子組成晶體后，由于電子殼層的交疊，電子不再局限在某一個(gè)原子上，可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子中去，可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。稱為電子的共有化運(yùn)動(dòng)。131、晶體電子兼有原子運(yùn)動(dòng)和共有化運(yùn)動(dòng)原子運(yùn)動(dòng)電子在原子核周圍作局域運(yùn)動(dòng)共有化運(yùn)動(dòng)電子在不同原子的相同軌道上轉(zhuǎn)移2、不同軌道電子的共有化運(yùn)動(dòng)程度不同（附圖如后）內(nèi)層電子弱外層電子強(qiáng)3、共有化運(yùn)動(dòng)是晶體電子運(yùn)動(dòng)的特征，也是使晶體原子相互結(jié)合形成周期性晶格的原因4、電子共有化運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生是由于不同原子的相似殼層間的交疊14共有化運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱決定于形式（擴(kuò)展性）共有化運(yùn)動(dòng)弱內(nèi)層電子“緊束縛近似”共有化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)外層電子（價(jià)電子）“近自由電子近似”15用能帶論來(lái)區(qū)分導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體價(jià)帶：電子已占滿，在外場(chǎng)作用下，不形成電流。導(dǎo)帶：電子被部分占據(jù)。電子可以從外電場(chǎng)中吸收能量躍遷到未被電子占據(jù)的能級(jí)，形成電流。禁帶：最低的空帶－導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的距離稱為禁帶寬度。17能量-動(dòng)能圖自由電子能量和動(dòng)量的關(guān)系：E=P2/2m0（m0為自由電子質(zhì)量）E=P2/2mn（p為動(dòng)量，mn為電子有效質(zhì)量）拋物線表示：EP注意：電子有效質(zhì)量由半導(dǎo)體特性決定，但可以由E對(duì)P的二次微分算出：mn=（d2E/dp2）-1由此得：曲率越小，二次微分越大，有效質(zhì)量越小18硅與砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)19絕緣體：被電子占據(jù)的最高能帶是滿帶，而且禁帶寬度很大?？諑眨瑵M帶全滿。激發(fā)電子需要很大能量。除非電場(chǎng)很強(qiáng)，上面許可帶中沒(méi)有電子，因此在電場(chǎng)下沒(méi)有電流。良好地絕緣性。(Eg>5eV)21對(duì)于金屬，被電子填充的最高能帶通常是半滿或部分填充的。能帶發(fā)生交疊。在某一方向上周期場(chǎng)產(chǎn)生的禁帶被另一個(gè)方向上許可的能帶覆蓋，晶體的禁帶消失。對(duì)于半導(dǎo)體，Eg<2eV.常溫下，當(dāng)熱激發(fā)或光照時(shí)，滿帶中少量電子被激發(fā)到上面空帶中，于是參予導(dǎo)電。脫離共價(jià)鍵所需的最低能量是禁帶寬度Eg。22幾種固體材料導(dǎo)電特性總結(jié)絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體（金屬）半金屬T=0K不導(dǎo)電不導(dǎo)電導(dǎo)電導(dǎo)電T=300K不導(dǎo)電很高導(dǎo)電較高(熱激發(fā)e,h)導(dǎo)電低(n~1022cm-3)導(dǎo)電金屬<半金屬<半導(dǎo)體舉例金剛石Si,Ge,GaAsNa:1s22s22p63s1Mg:1s22s22p63s2V族Bi,Sb,As23熱平衡狀態(tài)概念：在一定的溫度下，電子從低能量的量子態(tài)躍遷到高能量的量子態(tài)及電子從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子態(tài)這兩個(gè)相反過(guò)程之間建立起動(dòng)態(tài)平衡，稱為熱平衡狀態(tài)。25本征半導(dǎo)體概念：本征激發(fā)：當(dāng)半導(dǎo)體的溫度T>0k時(shí)，就有電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶去，同時(shí)價(jià)帶中產(chǎn)生了空穴的過(guò)程。當(dāng)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)遠(yuǎn)小于有熱激發(fā)產(chǎn)生的電子空時(shí)，此半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。26導(dǎo)帶中的電子濃度和價(jià)帶中的空穴濃度價(jià)帶中的空穴濃度公式：

令則

導(dǎo)帶中的電子濃度令則

29載流子濃度乘積公式：特點(diǎn)：對(duì)一定的半導(dǎo)體材料，乘積n0p0是一定的。換言之，當(dāng)半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，載流子濃度的乘積保持恒定，如果電子濃度增加，空穴濃度就要減少，反之亦然。適用：熱平衡狀態(tài)下的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體

30本征載流子濃度：

式中，Eg=Ec-Ev

本征費(fèi)米能級(jí)Ei31表3300K下鍺、硅、砷化鎵的本征載流子濃度各項(xiàng)參數(shù)Eg(ev)mn*(mdn)mp*(mdp)Nc(cm-3)Nv(cm-3)ni(cm-3)計(jì)算值ni(cm-3)測(cè)量值Ge0.670.56m00.37m01.05x10195.7x10182.0x10132.4x1013Si1.121.08m00.59m02.86x10192.66x10197.8x1099.65x109GaAs1.420.068m00.47m04.7x10177x10182.3x106

2.25x10632§2.7施主與受主非本征半導(dǎo)體施主與受主多子與少子非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體簡(jiǎn)并半導(dǎo)體33施主與受主替位式雜質(zhì)與間隙式雜質(zhì)施主雜質(zhì)與施主能級(jí)受主雜質(zhì)與受主能級(jí)34間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)(b)替位式擴(kuò)散(substitutional)間隙式雜質(zhì)：O,Fe,Ni,Zn,Mg替位式雜質(zhì)P，B，As,Al,Ga,Sb,Ge(a)間隙式擴(kuò)散(interstitial)雜質(zhì)原子比較小雜質(zhì)原子和被取代的晶格原子大小相近，價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)相近。35間隙式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置；一般原子比較小。替位式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子取代晶格原子位于晶格處。要求替位式雜質(zhì)的大小與被取代的晶格原子的大小相近。36施主雜質(zhì)(donor)V族：P,AsV族元素取代Si原子后，形成一個(gè)正電中心和一個(gè)多余的價(jià)電子。該價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：比成鍵電子自由受到As＋的庫(kù)侖作用。As＋：不能移動(dòng)的正電中心施主雜質(zhì)(n型雜質(zhì)）：能夠向晶體提供電子同時(shí)自身成為帶正電的離子的雜質(zhì)。37雜質(zhì)電離(ImpurityIonization)雜質(zhì)電離：電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電子的過(guò)程雜質(zhì)電離能：使這個(gè)多余的價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需要的能量。ED<<Eg，

(P在Si中的電離能：44meV)施主電離：施主雜質(zhì)施放電子的過(guò)程。施主雜質(zhì)未電離時(shí)是中性的，稱為束縛態(tài)；電離后成為正電中心，稱為離化態(tài)。38施主能級(jí)施主能級(jí)：被雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)。ED施主能級(jí)ED位于離導(dǎo)帶很近的禁帶中。用短線表示。分立能級(jí)，未形成帶。T=0K，束縛態(tài)T

0K，能帶角度：電子從ED躍遷到EC，成為導(dǎo)帶電子空間角度：電子脫離P+離子的庫(kù)侖束縛，運(yùn)動(dòng)到無(wú)窮遠(yuǎn)離化態(tài)電離的原因：熱激發(fā)，遠(yuǎn)紅外光的照射39N型半導(dǎo)體：在純凈半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，雜質(zhì)電離后，導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子增多。依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體。40受主雜質(zhì)(acceptor)III族元素：BB取代Si后，從別的硅原子中奪取一個(gè)價(jià)電子，產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電中心(B-)和一個(gè)空穴。受主雜質(zhì)(p型雜質(zhì)）：能夠接受電子并使自身帶負(fù)電的雜質(zhì)。(a)B的三個(gè)價(jià)電子只能和四個(gè)近鄰硅原子形成三個(gè)共價(jià)鍵，在另一個(gè)鍵上出現(xiàn)一個(gè)電子空位；相當(dāng)于在價(jià)帶中出現(xiàn)一個(gè)空穴；(b)空穴從鄰近的原子的共價(jià)鍵中獲得一個(gè)電子。B形成負(fù)電中心。在空穴能量較低時(shí)，該負(fù)電中心將空穴束縛在自己周圍，形成空穴的束縛態(tài)。41受主電離過(guò)程：電子的運(yùn)動(dòng)。價(jià)帶中的電子得到能量EA后，躍遷到受主能級(jí)上電子和束縛在受主能級(jí)上的空穴復(fù)合，并在價(jià)帶中產(chǎn)生了一個(gè)可以自由運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)電空穴，同時(shí)也就形成了一個(gè)不可移動(dòng)的受主離子。

（也可看成是空穴得到能量后，躍遷到價(jià)帶）EAP型半導(dǎo)體：依靠空穴導(dǎo)電空穴能量受主能級(jí)：被受主雜質(zhì)所束縛的空穴的能量狀態(tài)；位于離價(jià)帶頂很近的禁帶中。EA，EA=EA-EV422.7.1非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體

費(fèi)米能級(jí)EF比EV高3kT或比EC低3kT，或者說(shuō)電子或空穴的濃度遠(yuǎn)低于導(dǎo)帶或價(jià)帶中有效態(tài)密度。-----非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體對(duì)淺層施主：完全電離時(shí)電子濃度n=ND（ND施主濃度）費(fèi)米能級(jí)EC-EF=kTln（Nc/ND）對(duì)淺層受主：完全電離時(shí)空穴濃度P=NA

費(fèi)米能級(jí)EF-EV=kTln（Nv/NA)43質(zhì)量作用定律n=niexp[(EF-Ei)/kT]p=niexp[(Ei-EF)/kT]質(zhì)量作用定律np=ni2

對(duì)本征半導(dǎo)體和非本征半導(dǎo)體都適用施主與受主同時(shí)存在，則由較高濃度類型的雜質(zhì)決定半導(dǎo)體的傳導(dǎo)類型。完全電離：n+NA=p+ND

44多數(shù)載流子與少數(shù)載流子一般而言，凈雜質(zhì)濃度|ND-NA|>ni下標(biāo)表示半導(dǎo)體導(dǎo)電類型.

452.7.2簡(jiǎn)并半導(dǎo)體對(duì)于高摻雜的