第二章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)課件

大家好12第二章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)3典型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)硅、鍺：共價(jià)半導(dǎo)體硅、鍺晶體結(jié)構(gòu)：金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)每個(gè)原子周圍有四個(gè)最鄰近的原子，這四個(gè)原子處于正四面體的頂角上，任一頂角上的原子和中心原子各貢獻(xiàn)一個(gè)價(jià)電子為該兩個(gè)原子所共有，并形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵夾角：109?28’4閃鋅礦結(jié)構(gòu)AsGa結(jié)晶學(xué)原胞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：與金剛石結(jié)構(gòu)的區(qū)別：兩類原子各自組成面心立方晶格，沿空間對(duì)角線方向彼此位移四分之一空間對(duì)角線長(zhǎng)度套構(gòu)而成。共價(jià)鍵具有一定的極性（兩類原子的電負(fù)性不同），因此晶體不同晶面的性質(zhì)不同。不同雙原子復(fù)式晶格。常見(jiàn)閃鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料Ⅲ-Ⅴ族化合物（GaN,GaAs,AlN）部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，除硒化汞，碲化汞為半金屬材料。5纖鋅礦型結(jié)構(gòu)——與閃鋅礦型結(jié)構(gòu)相比相同點(diǎn)：以正四面體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)成區(qū)別：具有六方對(duì)稱性，而非立方對(duì)稱性共價(jià)鍵的離子性更強(qiáng)——硫化鋅、硒化鋅、硫化鎘、硒化鎘等材料均可以閃鋅礦型和纖鋅礦型兩種結(jié)構(gòu)結(jié)晶。6能帶的形成

?原子中的電子在原子核周期勢(shì)場(chǎng)和其他電子作用下，分列在不同能級(jí)，形成電子殼層（軌道）?不同支殼層電子用1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f…等符號(hào)表示，對(duì)應(yīng)確定能量?原子組成晶體后，由于電子殼層的交疊，電子并不完全局限于某一個(gè)原子中，在整個(gè)晶體中自由運(yùn)動(dòng)，形成電子的共有化運(yùn)動(dòng)共有化運(yùn)動(dòng)就會(huì)形成能級(jí)的分裂7能帶特點(diǎn)：分裂的每一個(gè)能帶稱為允帶，允帶間的能量范圍稱為禁帶；內(nèi)層原子受到的束縛強(qiáng)，共有化運(yùn)動(dòng)弱，能級(jí)分裂小，能帶窄；外層原子受束縛弱，共有化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，能級(jí)分裂明顯，能帶寬。8

當(dāng)很多原子結(jié)合在一起時(shí)，所有電子的能級(jí)分裂的結(jié)果，形成一組密集的能級(jí)帶，簡(jiǎn)稱能帶。用電子能量來(lái)衡量，半導(dǎo)體中能帶可分為價(jià)帶、導(dǎo)帶和禁帶（又稱為帶隙）。a電子受到周期性勢(shì)場(chǎng)的作用。能級(jí)被電子占據(jù)的概率滿足費(fèi)米分布函數(shù)（1）半導(dǎo)體中的能帶9價(jià)帶：是價(jià)電子能級(jí)分裂出來(lái)的價(jià)電子能帶。當(dāng)晶體處于絕對(duì)零度和無(wú)外界激發(fā)時(shí)，價(jià)電子完全被共價(jià)健束縛住，此時(shí)價(jià)帶是滿帶且是不導(dǎo)電的。導(dǎo)帶：半導(dǎo)體內(nèi)部自由運(yùn)動(dòng)的電子(簡(jiǎn)稱自由電子)所填充的能帶（是電子部分占滿的能帶，當(dāng)有自由電子時(shí)，它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用下就能參與導(dǎo)電）稱為導(dǎo)帶；導(dǎo)帶是自由電子能帶。在沒(méi)有自由電子的情況下，這個(gè)能帶是空帶。禁帶（帶隙）：在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間不允許電子填充的空隙，稱為禁帶或帶隙。價(jià)帶、導(dǎo)帶和禁帶10EEg禁帶絕緣體價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶EEg禁帶半導(dǎo)體導(dǎo)帶價(jià)帶E導(dǎo)體空帶空帶半滿帶半滿帶111213141516（2）費(fèi)米原理與費(fèi)米能級(jí)

物質(zhì)中的電子在不斷地作無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，它們可以從較低的能級(jí)躍遷到較高的能級(jí)，也可以從較高的能級(jí)躍遷到較低的能級(jí)。就一個(gè)電子來(lái)看，所具有的能量時(shí)大時(shí)小，不斷地變化，但從大量電子的統(tǒng)計(jì)規(guī)劃來(lái)看，電子按能量大小的分布卻有一定規(guī)律。因而我們只能從大量電子的統(tǒng)計(jì)規(guī)律來(lái)衡量每個(gè)能級(jí)被電子占據(jù)的可能性。

費(fèi)米(意大利

1901～1954

)

1938獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

發(fā)錯(cuò)的諾貝爾獎(jiǎng)17費(fèi)米分布函數(shù)（Fermi-DiracDistributionFunction）

半導(dǎo)體中的載流子（電子或空穴）是帶電的，能量是量子化的，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律、分布狀態(tài)服從量子統(tǒng)計(jì)理論。

量子統(tǒng)計(jì)理論認(rèn)為：ⅰ同一系統(tǒng)中的電子（或空穴）是全同的，不可分辨的，任意兩個(gè)電子交換，并不引起新的微觀狀態(tài)。ⅱ電子（或空穴）在量子態(tài)中的分布服從能量最小原理和泡利不相容原理18

根據(jù)以上理論，在熱平衡下，每個(gè)能量為E的量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率為：每個(gè)單量子態(tài)<>最多能容納一個(gè)電子或者是空的即不被電子占據(jù)。

fn(E)

稱為電子的費(fèi)米分布函數(shù)，kB、T

分別為波耳茲曼常數(shù)和熱力學(xué)溫度。EF稱為費(fèi)米能級(jí)，它與物質(zhì)的特性有關(guān)。19

電子占據(jù)不同能級(jí)的幾率：

T=0K時(shí)，前者表示小于的量子態(tài)全被電子占據(jù)，后者表示大于的量子態(tài)全空著。費(fèi)米分布函數(shù)的意義14.1半導(dǎo)體中的能帶

故在熱力學(xué)溫度為零度時(shí)，費(fèi)米能級(jí)EF可以看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限20T＞0K時(shí)：無(wú)關(guān)費(fèi)米分布函數(shù)的意義24.1半導(dǎo)體中的能帶

上述結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)系統(tǒng)溫度高于熱力學(xué)零度時(shí)，如果量子態(tài)的能量低于費(fèi)米能級(jí)，則該量子態(tài)被電子占據(jù)概率大于50%；如果量子態(tài)的能量高于費(fèi)米能級(jí)，則該量子態(tài)被電子占據(jù)概率小于50%；當(dāng)量子態(tài)的能量等于費(fèi)米能級(jí)，則該量子態(tài)被電子占據(jù)概率等于50%。21由圖看到：ⅰ

時(shí)，

即T↑，電子占據(jù)高能態(tài)的幾率↑，占據(jù)低能態(tài)的幾率↓。ⅱ

時(shí)，與溫度無(wú)關(guān)。圖3-3電子的費(fèi)米分布函數(shù)22

在（2.26）式中，當(dāng)E-EF＞＞kBT時(shí)，由于(E-EF)/kBT＞＞1，費(fèi)米分布函數(shù)就轉(zhuǎn)化為波耳茲曼分布：

上式說(shuō)明，在一定溫度下，電子占據(jù)能量為E的能級(jí)的幾率fB(E)由(2.28)式中指數(shù)因子所決定，即電子能級(jí)的分布近似服從波耳茲曼分布規(guī)律。波耳茲曼分布費(fèi)米分布函數(shù)的意義323

空穴占據(jù)各能級(jí)的幾率：費(fèi)米分布函數(shù)的意義4

空穴的玻爾茲曼分布：24非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體可用Boltzmann分布函數(shù)代替Fermi函數(shù)。

載流子服從Boltzmann分布的半導(dǎo)體稱為非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。滿足Fermi分布的半導(dǎo)體稱簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。

在半導(dǎo)體中,常遇的情況是費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中，且與導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂?shù)木嚯x遠(yuǎn)大于kBT,

滿足。圖導(dǎo)帶能級(jí)一般滿足25費(fèi)密能級(jí)EF

EF

是一種用來(lái)描述電子的能級(jí)填充水平的假想能級(jí)，EF

越大，表示處于高能級(jí)的電子越多；EF越小，則表示高能級(jí)的電子越少。

EF在能級(jí)圖中的位置與材料摻雜情況有關(guān)，對(duì)本征半導(dǎo)體，處于禁帶的中央。

本征半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體

26

輕摻雜半導(dǎo)體

如果是N型材料由于電子占據(jù)導(dǎo)帶的幾率較大，則EF的位置上移離導(dǎo)帶不遠(yuǎn)。

如果是P型材料則

EF的位置下移離價(jià)帶不遠(yuǎn)。EEg禁帶N型價(jià)帶導(dǎo)帶EFEEg禁帶P型價(jià)帶導(dǎo)帶EF27重?fù)诫s半導(dǎo)體對(duì)N型材料，能參與導(dǎo)電的電子比空穴多許多，EF

的有可能進(jìn)入導(dǎo)帶；對(duì)P型材料，

EF可能進(jìn)入價(jià)帶。EFEEg禁帶P型價(jià)帶導(dǎo)帶EFEEg禁帶N型價(jià)帶導(dǎo)帶28293031323334

晶格散射歸因于在任何高于絕對(duì)零度下的晶格原子的熱振動(dòng)隨溫度增加而增加，晶格原子的振動(dòng)會(huì)引起載流子的散射，在高溫下晶格散射自然變得顯著，遷移率也因此隨著溫度的增加而減少。理論分析顯示晶格散射所造成的遷移率μL將隨T-3/2方式減少。353637383940

一般狀態(tài)下，本征半導(dǎo)體的電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的，用EF位于禁帶中央來(lái)表示。

在本征半導(dǎo)體中摻入施主雜質(zhì)，稱為N型半導(dǎo)體。

在本征半導(dǎo)體中，摻入受主雜質(zhì)，稱為P型半導(dǎo)體。

PN結(jié)的特性pn結(jié)41

硅的晶格結(jié)構(gòu)硅的晶格結(jié)構(gòu)(平面圖)本征半導(dǎo)體材料Si電子和空穴是成對(duì)出現(xiàn)的受熱時(shí)，Si電子受到熱激勵(lì)躍遷到導(dǎo)帶，導(dǎo)致電子和空穴成對(duì)出現(xiàn)。此時(shí)外加電場(chǎng)，發(fā)生電子/空穴移動(dòng)導(dǎo)電。

本征半導(dǎo)體：

完全純凈、結(jié)構(gòu)完整沒(méi)有雜質(zhì)的半導(dǎo)體。42導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV電子躍遷帶隙Eg

=1.1eV電子態(tài)數(shù)量空穴態(tài)數(shù)量電子濃度分布空穴濃度分布空穴電子本征半導(dǎo)體的能帶圖電子向?qū)кS遷相當(dāng)于空穴向價(jià)帶反向躍遷Ef－43非本征半導(dǎo)體材料：N型第V族元素(如磷P,砷As,銻Sb)摻入Si晶體后，產(chǎn)生的多余電子受到的束縛很弱，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能讓它掙脫束縛成為自由電子。這個(gè)電離過(guò)程稱為雜質(zhì)電離。As除了用4個(gè)價(jià)電子和周圍的Si建立共價(jià)鍵之外，還剩余一個(gè)電子As+摻雜半導(dǎo)體：

在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)可使半導(dǎo)體性質(zhì)發(fā)生顯著變化，稱為摻雜半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體：若摻入的雜質(zhì)提供電子給導(dǎo)帶，稱為N

型雜質(zhì)或施主雜質(zhì)，如摻入錫和碲。摻入N型雜質(zhì)的材料稱為N型半導(dǎo)體。44導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV施主能級(jí)電子能量電子濃度分布空穴濃度分布施主能級(jí)施主雜質(zhì)電離使導(dǎo)帶電子濃度增加N型材料，施主能級(jí)第V族元素稱為施主雜質(zhì)，被它束縛住的多余電子所處的能級(jí)稱為施主能級(jí)。由于施主能級(jí)上的電子吸收少量的能量DED后可以躍遷到導(dǎo)帶，因此施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶很近的禁帶。Ef45非本征半導(dǎo)體材料：P型由于B只有3個(gè)價(jià)電子，因此B和周圍4個(gè)Si的共價(jià)鍵還少1個(gè)電子B容易搶奪周圍Si原子的電子成為負(fù)離子并產(chǎn)生多余空穴B–第III族元素(如銦In,鎵Ga,鋁Al)摻入Si晶體后，產(chǎn)生多余的空穴，它們只受到微弱的束縛，只需要很少的能量DEA<Eg

就可以讓多余孔穴自由導(dǎo)電。P型半導(dǎo)體：若摻入的雜質(zhì)提供空穴給價(jià)帶，稱為受主雜質(zhì)或P型雜質(zhì)，如摻入鍺。摻入P型雜質(zhì)的材料稱為P型半導(dǎo)體。46導(dǎo)帶EC價(jià)帶EV受主能級(jí)電子能量電子濃度分布空穴濃度分布受主能級(jí)受主能級(jí)電離使導(dǎo)帶空穴濃度增加P型材料，受主能級(jí)第III族元素容易搶奪Si的電子而被稱為受主雜質(zhì)。被它束縛的空穴所處的能級(jí)稱為受主能級(jí)EA。當(dāng)空穴獲得較小的能量DEA之后就能擺脫束縛，反向躍遷到價(jià)帶成為導(dǎo)電空穴。因此，受主能級(jí)位于靠近價(jià)帶EV的禁帶中。Ef47PN結(jié)的形成4849

PN結(jié)n型p型耗盡層載流子擴(kuò)散構(gòu)成內(nèi)建電場(chǎng)50耗盡區(qū)擴(kuò)散電子pn結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)能帶傾斜---+++1.濃度的差別導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)pnEF能帶傾斜2.內(nèi)部電場(chǎng)：產(chǎn)生與擴(kuò)散相反方向的漂移運(yùn)動(dòng)，直到P區(qū)和N區(qū)的EF相同，兩種運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)為止，結(jié)果使平衡pn結(jié)的費(fèi)米能級(jí)處處相等從而能帶發(fā)生傾斜，見(jiàn)圖。能帶的相對(duì)移動(dòng)是pn結(jié)空間電荷區(qū)中存在內(nèi)建電場(chǎng)得到結(jié)果：隨著從n區(qū)指向p區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)不斷增加，n區(qū)電勢(shì)能降低，p區(qū)電勢(shì)能升高，直到費(fèi)米能級(jí)處處相等，能帶才停止移動(dòng)，pn結(jié)達(dá)到平衡狀態(tài)。51P-N結(jié)施加正向電壓

當(dāng)PN結(jié)兩端加上正向偏置電壓時(shí)，產(chǎn)生與內(nèi)部電場(chǎng)相反方向的外加電場(chǎng)，耗盡區(qū)變窄，勢(shì)壘降低。

n型p型耗盡層耗盡層在外電場(chǎng)作用下，多子將向ＰＮ結(jié)移動(dòng)，結(jié)果使空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起主要作用。結(jié)果，Ｐ區(qū)的多子空穴將源源不斷的流向Ｎ區(qū)，而Ｎ區(qū)的多子自由電子亦不斷流向Ｐ區(qū)，這兩股載流子的流動(dòng)就形成了ＰＮ結(jié)的正向電流。52P-N結(jié)施加反向偏壓PN結(jié)外加反向電壓（P區(qū)接電源的負(fù)極，N區(qū)接電源的正極，或P區(qū)的電位低于N區(qū)電位），稱為反向偏置，簡(jiǎn)稱反偏。

在外電場(chǎng)作用下，多子將背離ＰＮ結(jié)移動(dòng)，結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場(chǎng)被增強(qiáng)，有利于少子的漂移而不利于多子的擴(kuò)散，漂移運(yùn)動(dòng)起主要作用。漂移運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的漂移電流的方向與正向電流相反，稱為反向電流。因少子濃度很低，反向電流遠(yuǎn)小于正向電流。當(dāng)溫度一定時(shí)，少子濃度一定