半導體材料的基本性質(zhì)

半導體材料的基本性質(zhì)第一頁，共67頁。1.1半導體與基本晶體結(jié)構(gòu)

1.1.1半導體導電能力介于導體于絕緣體之間的一些單晶體，就叫半導體。第二頁，共67頁。 1.雜質(zhì)敏感性 2.負溫度系數(shù) 3.光敏性 4.電場、磁場效應(yīng)1.1.2半導體材料的基本特性第三頁，共67頁。晶體結(jié)構(gòu)是指原子在三維空間中周期性排列著的單晶體。晶胞：單晶體結(jié)構(gòu)可以用任意一個最基本的單元所代表，稱這個最基本的單元叫晶胞。晶格：單晶體是由晶胞在三維空間周期性重復(fù)排列而成，整個晶體就像網(wǎng)格一樣，稱為晶格。格點與點陣，組成晶體的原子重心所在的位置稱為格點，格點的總體稱點陣。1.1.3半導體的晶體結(jié)構(gòu)第四頁，共67頁。3種常見的立方晶體的晶胞a）簡單立方b）體心立方c）面心立方第五頁，共67頁。金剛石結(jié)構(gòu)的晶胞與平面示意圖a）金剛石型結(jié)構(gòu)的晶胞b）硅晶體的平面結(jié)構(gòu)示意圖第六頁，共67頁。金剛石型結(jié)構(gòu)a）正四面體b）結(jié)構(gòu)第七頁，共67頁。1.1.4晶面及其表示方法密勒指數(shù)：密勒指數(shù)是界定晶體中不同平面的簡單辦法，它可以由以下步驟確定：1.找出晶面在3個直角坐標軸的截距值（以晶格常數(shù)為計量單位）；2.取這3個截距值的倒數(shù)，將其換算成最小的整數(shù)比；3.把結(jié)果用圓括號括起來（hkl），即為該晶面的密勒指數(shù)。第八頁，共67頁。1.1.5半導體材料簡介材料永遠起著決定一代社會科技水平的關(guān)鍵作用鍺是最早實現(xiàn)提純和完美晶體生長的半導體材料

硅是最典型、用量最廣泛而數(shù)量最多的半導體材料

近年來一些化合物半導體材料已被應(yīng)用于各種器件的制作中

半導體已經(jīng)發(fā)展成為種類繁多的大科門類材料

第九頁，共67頁。1.2半導體的能帶

1.2.1孤立原子中電子能級孤立氫原子中電子能量公式：m0是自由電子的慣性質(zhì)量；q為電子電荷；ε0為真空介電常數(shù)；h為普朗克常數(shù)；n為量子數(shù)取正整數(shù)。根據(jù)上式可得氫原子能級圖。第十頁，共67頁。1.2.2晶體中電子的能帶本節(jié)重點討論有原子結(jié)合成晶體時電子的運動規(guī)律1.晶體中電子的共有化運動價電子軌道重疊運動區(qū)域連成一片示意圖第十一頁，共67頁。2.晶體中電子能帶的形成N個原子結(jié)合成晶體前后的能級狀態(tài)單個原子的能級與晶體能帶的對應(yīng)圖第十二頁，共67頁。1.2.3

硅晶體能帶的形成過程第十三頁，共67頁。1.2.4能帶圖的意義及簡化表示晶體實際的能帶圖比較復(fù)雜，可以把復(fù)雜的能帶圖進行簡化絕緣體、半導體和導體的簡化能帶圖a）絕緣體b）半導體c）導體第十四頁，共67頁。半導體能帶簡化表示a）能帶簡化表示b）能帶最簡化表示一般用“Ec”表示導帶底的能量，用Ev表示價帶底的能量，Eg表示禁帶寬度。第十五頁，共67頁。1.3本征半導體與本征載流子濃度

1.3.1本征半導體的導電結(jié)構(gòu)半導體填充能帶的情況a）T=0Kb）T>0K本征半導體是指完全純凈的結(jié)構(gòu)完整的不含任何雜質(zhì)和缺陷的半導體.第十六頁，共67頁。本征半導體導帶電子和價帶空穴均能在外加電場作用下,產(chǎn)生定向運動形成電流,把上述兩種荷載電流的粒子稱為半導體的兩種載流子.導帶電子濃度和價帶空穴濃度永遠相等,這是本征半導體導電機構(gòu)的一個重要特點.第十七頁，共67頁。1.3.2熱平衡狀態(tài)與熱平衡載流子濃度在本征半導體中,載流子是由價帶電子受晶格熱運動的影響激發(fā)到導電帶中而產(chǎn)生的,熱激發(fā)有使載流子增加的傾向.導帶電子以某種形式放出原來吸收的能量與空穴復(fù)合,復(fù)合作用又使電子和空穴的數(shù)目減少.我們把載流子的熱激發(fā)產(chǎn)生率與復(fù)合率達到平衡的狀態(tài),稱為半導體的熱平衡狀態(tài).熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度值稱為熱平衡載流子濃度.第十八頁，共67頁。1.3.3本征載流子濃度要分析載流子在外界作用下的運動規(guī)律,必須要知道它們的濃度及濃度分布情況.在半導體的導帶和價帶中,有很多能級存在,相鄰間隔很小,約為數(shù)量級,可近似認為能級是連續(xù)的,故可把能帶分為一個一個能量很小的間隔來處理.設(shè)電子濃度為n,首先計算能量增量dE范圍內(nèi)的電子濃度.定義n(E)是單位體積內(nèi)允許的能態(tài)密度N(E)與電子占據(jù)該能量的機率函數(shù)f(E)的乘積.對N(E)f(E)dE從導帶底Ec到導帶頂Etop進行積分,可得電子濃度n.

第十九頁，共67頁。式中N(E)稱為能態(tài)密度,在單位體積晶體中,允許的能態(tài)密度表達式為對于價帶空穴,單位體積中允許的能態(tài)密度表達式為第二十頁，共67頁。式中mn代表電子的有效質(zhì)量;mp代表空穴的有效質(zhì)量.電子占據(jù)能量為E的機率函數(shù)稱為費米分布函數(shù),其表達式為k為玻爾茲曼常數(shù);T為熱力學溫度;EF是費米能級.可以用曲線把費米分布函數(shù)式表示出來.

第二十一頁，共67頁。不同溫度下費米分布函數(shù)隨(E-EF)的變化關(guān)系a)T=0Kb)T>0K(T2>T1)第二十二頁，共67頁。下圖從左到右形象描繪出了能級分布,費米分布及本征半導體與空穴在能帶中的分布情況.a)能級分布圖b)費米分布曲線c)電子與空穴的分布d)載流子濃度第二十三頁，共67頁。1.費米能級費米能級在能帶中所處的位置,直接決定半導體電子和空穴濃度.費米能級的位置1.3.4費米能級與載流子濃度的關(guān)系第二十四頁，共67頁。2.兩種載流子濃度的乘積由上式可以看出,隨溫度的升高.半導體np乘積的數(shù)值是要增大的.利用本征半導體電子和空穴濃度的關(guān)系可以得到因此半導體兩種載流子濃度的乘積等于它的本征載流子濃度的平方.第二十五頁，共67頁。3.本征載流子濃度與本征費米能級右圖為Si和GaAs中本征載流子濃度與溫度倒數(shù)間的關(guān)系第二十六頁，共67頁。1.4雜質(zhì)半導體與雜質(zhì)半導體的載流子濃度

1.4.1N型半導體與P型半導體N型半導體:在純凈的本征半導體材料中摻入施主雜質(zhì)后，施主雜質(zhì)電離放出大量能導電的電子，使這種半導體的電子濃度n大于空穴濃度p，把這種主要依靠電子導電的半導體稱為N型半導體，如圖a所示。P型半導體：在純凈的本征半導體材料中摻入受主雜質(zhì)后，受主雜質(zhì)電離放出大量能導電的空穴，使這種半導體的空穴濃度p大于電子濃度n，把這種主要依靠空穴導電的半導體稱為P型半導體，如圖b所示。第二十七頁，共67頁。硅中的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)a）硅中摻入磷原子b）硅中摻入硼原子第二十八頁，共67頁。1.4.2施主與受主雜質(zhì)能級半導體的雜質(zhì)能級和雜質(zhì)的電離過程能帶圖第二十九頁，共67頁。1.4.3雜質(zhì)半導體的載流子濃度在室溫下對雜質(zhì)半導體來說，要同時考慮雜質(zhì)激發(fā)和本征激發(fā)兩種結(jié)構(gòu)，雜質(zhì)半導體載流子的產(chǎn)生情況如圖雜質(zhì)半導體中的雜質(zhì)激發(fā)和本征激發(fā)a）N型半導體b）P型半導體第三十頁，共67頁。對于N型半導體，其少數(shù)載流子的濃度p為對于P型半導體，其少數(shù)載流子的濃度n為第三十一頁，共67頁。1.4.4雜質(zhì)半導體的費米能級及其與雜質(zhì)濃度的關(guān)系雜質(zhì)半導體費米能級位置a）本征半導體b）N型半導體c）P型半導體第三十二頁，共67頁。1.4.5雜質(zhì)半導體隨溫度的變化不論半導體中的雜質(zhì)激發(fā)還是本征激發(fā)，都是依靠吸收晶格熱振動能量而發(fā)生的。由于晶格的熱振動能量是隨溫度變化的，因而載流子的激發(fā)也要隨溫度而變化。載流子激發(fā)隨溫度的變化a）溫度很低b）室溫臨近c）溫度較高d）溫度很高第三十三頁，共67頁。伴隨著溫度的升高，半導體的費米能級也相應(yīng)地發(fā)生變化雜質(zhì)半導體費米能級隨溫度的變化a）N型半導體b）P型半導體第三十四頁，共67頁。Si、GaAs的費米能級隨溫度變化曲線a）Sib）GaAs第三十五頁，共67頁。1.5非平衡載流子處于熱平衡狀態(tài)的載流子濃度稱為熱平衡載流子濃度，用n0和p0分別表示熱平衡電子濃度和熱平衡空穴濃度，他們的乘積滿足下式：第三十六頁，共67頁。1.5.1非平衡載流子的產(chǎn)生如果對半導體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，迫使它處于熱平衡的相偏離的狀態(tài)，稱非平衡狀態(tài)。光照產(chǎn)生非平衡載流子示意圖第三十七頁，共67頁。1.5.2非平衡載流子的壽命產(chǎn)生非平衡載流子的外部條件撤出后，由于半導體的內(nèi)部作用，使它由非平衡狀態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)，過剩載流子逐漸消失，這一過程稱為非平衡載流子的復(fù)合。非平衡載流子的指數(shù)衰減式為非平衡載流子濃度隨時間的變化率第三十八頁，共67頁。1.5.3非平衡載流子的復(fù)合類型直接復(fù)合：指導帶電子與空穴電子放出能量，直接跳回價帶與空穴復(fù)合所引起的電子-空穴對的消失過程；間接復(fù)合：指電子與空穴通過所謂復(fù)合中心進行的復(fù)合。第三十九頁，共67頁。1.5.4準費米等級引入準費米能級后，非平衡狀態(tài)下的載流子濃度也可以用與平衡載流子濃度類似的公式來表達非平衡狀態(tài)下電子濃度和空穴濃度乘積為第四十頁，共67頁。N型半導體小注入前后準費米能級偏離費米能級的程度a）小注入前b）小注入后第四十一頁，共67頁。1.6載流子的漂移運動半導體導帶電子和價帶空穴是可以參加導電的，它們的導電性表現(xiàn)在當有外加電場作用在半導體上的時候，導帶電子和價帶空穴將在電場作用下作定向運動，傳導電流，我們把該運動稱為載流子的漂移運動。第四十二頁，共67頁。1.6.1載流子的熱運動與漂移運動沒有外電場作用下的運動稱為隨機熱運動。在足夠長的時間內(nèi)，載流子的隨機熱運動將導致其凈位移為零a)隨機熱運動b)隨機熱運動和外加電場作用下的運動合成第四十三頁，共67頁。隨機熱運動的結(jié)果是沒有電荷遷移，不能形成電流。引入兩個概念：大量載流子碰撞間存在一個路程的平均值，稱為平均自由程，用λ表示，其典型值為10-5cm；兩次碰撞間的平均時間稱為平均自由時間，用τ表示,約為1ps；建立了上述隨機熱運動的圖像后，就可以比較實際地去分析載流子在外加電場作用下的運動了。第四十四頁，共67頁。外加電場E施加于半導體上時，每一個電子在電場力F=-qE的作用下，沿著電場的反方向在相繼兩次碰撞之間做加速運動，其加速度可表示為

對于價帶空穴同樣有式中，mn，mp為電子空穴的有效質(zhì)量。第四十五頁，共67頁。需要說明的是這個加速度不能累積，每次碰撞之后，這個定向漂移運動的初始速度下降為零。也就是說，載流子在電場作用下的加速度只有在兩次散射間存在。隨機熱運動和漂移運動的合成使載流子產(chǎn)生了凈位移。對于等加速度運動來說，經(jīng)過平均自由時間τ之后的平均漂移速度應(yīng)為對電子對于空穴第四十六頁，共67頁。1.6.2遷移率μ遷移率定義為在單位電場作用下的載流子的漂移速度。電子的遷移率μn（單位為cm2/Vs）為則式中，μn是一個比例常數(shù)，描述了外加電場對載流子運動影響的程度。遷移率與平均自由時間及有效質(zhì)量有關(guān)。顯然，由于電子和空穴的運動狀態(tài)不同，它們的有效質(zhì)量和平均碰撞時間都是不同的，因此半導體中的電子和空穴都有不同的遷移率。第四十七頁，共67頁。左圖是硅中電子，空穴遷移率隨雜質(zhì)濃度的變化N型硅中電子和空穴的遷移率P型硅中電子和空穴的遷移率第四十八頁，共67頁。載流子的遷移率還要隨溫度而變化。a)μnb)μp

硅中載流子遷移率隨溫度變化的曲線第四十九頁，共67頁。1.6.3半導體樣品中的漂移電流密度設(shè)一個晶體樣品如圖所示，以單位面積為底，以平均漂移速度v為長度的矩形體積。先求出電子電流密度，設(shè)電場E為x方向，在電場的作用下，電子應(yīng)沿著-x方向運動?？汕蟮秒娮拥碾娏髅芏仁堑谖迨?，共67頁。同樣可求得空穴的漂移電流密度為所以總的漂移電流密度是對于N型半導體，特別是強N型半導體，由于n>>p，式可簡化為對于P型半導體，特別是強P型半導體，由于p>>n.可簡化為第五十一頁，共67頁。1.6.4半導體的電阻率ρ電阻率是半導體材料的一個重要參數(shù)，其值為電導率的倒數(shù)。對于強P型和強N型半導體業(yè)有相應(yīng)的簡化。從上面的公式可以看出，半導體電阻率的大小決定于n,p,μn,μp的具體數(shù)值，而這些參數(shù)又與溫度有關(guān)，所以電阻率靈敏的依賴于溫度，這是半導體的重要特點之一。第五十二頁，共67頁。測試電阻率最常用的方法為四探針法。下圖即為利用四探針法測量電阻率第五十三頁，共67頁。溫度在300K時Si和GaAs電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系曲線第五十四頁，共67頁。1.7載流子的擴散運動載流子在濃度不均勻的情況下，即存在濃度梯度時，從高濃度向低濃度的無規(guī)則熱運動，就叫載流子的擴散運動。決定擴散運動的是包括平衡與非平衡兩部分載流子的總濃度梯度，但對于雜質(zhì)分布均勻的樣品，其載流子濃度分布是均勻的，就不會有平衡載流子的擴散。所以當在雜質(zhì)分布均勻的樣品的一個面上注入非平衡載流子時，就可以只考慮非平衡載流子的擴散，在小注入情況下，只考慮非平衡少數(shù)載流子的擴散運動。第五十五頁，共67頁。1.7.1擴散方程的建立非平衡載流子的擴散左圖中示出的非平衡載流子空穴由表面向體內(nèi)的擴散，可以近似認為載流子只沿著垂直樣品表面的x方向。只考慮一維的情況下，非平衡載流子濃度隨x的變化可寫成△p(x)第五十六頁，共67頁。因為擴散運動是由濃度梯度引起的，如果定義空穴擴散流密度jp為單位時間垂直通過單位面積的空穴數(shù)，則擴散流密度應(yīng)與濃度梯度成正比，則有上式描寫了非平衡少數(shù)載流子空穴的擴散規(guī)律，稱菲克第一擴散定律。第五十七頁，共67頁。如果注入的是非平衡電子，則電子的擴散流密度為由表面注入的空穴，由于濃度梯度的存在，要向N型Si體內(nèi)即右端方向擴散，擴散過程中不斷與電子相遇要產(chǎn)生復(fù)合而消失。若光照恒定，則表面非平衡載流子濃度恒定。此時的擴散稱為穩(wěn)