半导体器件物理(第一章-半导体特性)

晶胞晶胞是晶体结构中最小的周期性重复的单元。晶胞的边长称为晶格常数，通常用a表示。1.1半导体的晶体结构aaa3.几种常见的晶格结构简单立方面心立方体心立方1.1半导体的晶体结构在器件和集成电路制造中使用的一些重要的半导体具有属于四面体的金刚石或闪锌矿结构。1.1半导体的晶体结构1.1.2晶面与晶向晶列的取向称为晶向，为表示晶向，从一个格点O沿某个晶向到另一格点P作位移矢量R，则R=l1a+l2b+l3c若l1：l2：l3不是互质的，则要通过l1：l2：l3=m：n：p化为互质整数，mnp就称为晶列指数，写作[mnp]，用来表示某个晶向。1.晶向1.1半导体的晶体结构XYZaXYZa2.晶面：晶格中的所有格点也可看成全部位于一系列相互平行等距的平面系上，这样的平面系称为晶面族，通常我们用晶面指数（也称为密勒指数）来表示晶面的不同取向。1.1半导体的晶体结构aa2a3xyz0（1）首先确定该晶面在晶轴上的三个截距，并以晶格常数为单位表示截距值。（2）然后取截距的倒数，并约简为3个没有公约数的整数，即将其化简成最简单的整数比。（3）最后将此结果以“(hkl)”表示，即为此平面的密勒指数。【例】如图的平面，试求其密勒指数3.密勒指数计算1.1半导体的晶体结构XYZaXYZa[100](100)4.三个重要的晶面与晶向立方晶格中晶列指数和晶面指数相同的晶列和晶向是相互垂直的，如[100]晶向和（100）晶面垂直。1.1半导体的晶体结构YXZaaXYZaa[111](111)1.1半导体的晶体结构XYZaaYXZaa[110](110)1.1半导体的晶体结构1.2半导体中的电子状态1.2.1晶面与晶向1.电子的共有化运动1.2半导体中的电子状态由于晶体中各原子靠得很近，引起各原子外层价电子的运动区域相互重叠起来，使价电子的运动区域在晶格中连成一片。电子在这一瞬间可以在甲原子周围运动，而下一个瞬间又可通过交叠的运动区域转到乙原子周围运动，并以同样的方式继续转移，不断地从一个原子跑到另一个原子，从而能够在整个晶体中运动。这就是电子的共有化运动。1.2半导体中的电子状态由于一块晶体中的电子运动状态不能相同，因此为了容纳原来属于N个单个原子的所有价电子，原来分属于N个单个原子的相同的价电子能级必须分裂成属于整个晶体的N个稍有差别的能级，这些能级互相靠得很近，分布在一定的能量区域，通常就把这N个互相靠得很近的能级所占据的能量区域称为能带。2.能带的形成1.2半导体中的电子状态允带允带允带禁带禁带能级能带原子轨道(有N个能级)关于能带的名词：1.允带――允许电子填充的能带，称为允带。2.禁带――禁止电子填充的能量区间，称为禁带。3.空带――没有电子填充的能带，称为空带。4.满带――完全被电子填满的能带，称为满带。5.价带――价电子对应能级分裂而形成的能带，称为价带。6.导带――导带是位于价带之上第一个能带。在外电场作用下，该能带里的电子能从外电场吸收能量，从而形成电流，故称为导带。1.2半导体中的电子状态vEvEgEcEvEgE导带价带左下图表示具有金刚石结构的晶体的价电子填充能带的情况，图中的价带是满带。价带顶Ev和导带底Ec之间的间隙称为禁带。价带顶和导带底之间的能量间隙称为禁带宽度，用符号Eq表示。为方便，通常用右下图的简化画法。1.2半导体中的电子状态1.2.2本征半导体的导电机制SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi半导体材料大部分是共价键晶体。如果共价键中的电子获得足够的能量，它就可以摆脱共价键的束缚，成为可以自由运动的电子，这时在原来的共价键上就留下了一个空位。因为邻键上的电子随时可以跳过来填补这个空位，从而使空位转移到邻键上去，所以，空位也是可以移动的。这种可以自由移动的空位被称为空穴。半导体就是靠着电子和空穴的移动来导电的。因此，电子和空穴被统称为载流子。1.2半导体中的电子状态cEvEgE导带价带电子从晶格热运动吸收能量，从价带激发到导带的过程称为本征激发。相比于绝缘体，半导体的禁带宽度比较小，常温常压下，硅的Eg值约为1.12eV，锗Eg值为0.67eV，而砷化镓为1.42eV。在常温下，半导体中已有不少电子吸收晶格振动能量，激发到导带中去，所以具有一定的导电能力。1.2半导体中的电子状态1.3杂质与缺陷1.3.1杂质与杂质能级1.替位式杂质与间隙式杂质SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiAB2.杂质能级ePSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPeSiSiSiSi电子一个Ⅴ族杂质原子可以向半导体硅提供一个自由电子而本身成为一个带正电的离子，这种杂质称为施主杂质。当硅中掺有施主杂质时，主要靠施主提供的电子导电，我们把主要依靠电子导电的半导体称为N型半导体。N型半导体中的电子称为多数载流子，简称多子；而空穴称为少子。1.3杂质与缺陷BeSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSiSiSie空穴SiSi一个Ⅲ族杂质原子可以向半导体硅提供一个空穴，而本身接受一个电子成为带负电的离子，通常把这种杂质叫受主杂质。当硅中掺有受主杂质时，主要靠受主提供的空穴导电，我们把主要依靠空穴导电的半导体称为P型半导体。P型半导体中的空穴是多子，电子是少子。1.3杂质与缺陷cEvEDEgEDEcEvEAEgEAE能带图表示电离过程1.3杂质与缺陷cEvEDEAEcEvEAEDE3.杂质的补偿作用如果在半导体材料中，同时存在着施主和受主杂质，他们之间具有相互抵消的作用，称为杂质的补偿作用。在能带和杂质能级的基础上，这个问题很容易理解。从根本上来说，补偿的现象是因为导带和施主能级的能量比价带和受主能级高得多。所以，在导带或施主能级上的电子总是要首先去填充那些空的受主或价带能级。1.3杂质与缺陷N+硅衬底N外延层NPPN+硼磷杂质的补偿的应用在半导体器件和集成电路生产中，通过在N型Si外延层上特定区域掺入浓度更高的受主杂质，该区域经过杂质补偿作用就成为P型区，而在N型与P型区的交界处就形成了PN结。如果再次掺入更高浓度的施主杂质，在二次补偿区域就又由P型补偿为N型，从而形成双极型器件的NPN结构。1.3杂质与缺陷1.3.2缺陷与缺陷能级弗伦克尔缺陷肖特基缺陷间隙原子和空位成对出现的缺陷称为弗仑克尔缺陷。晶体内部产生空位但没有间隙原子，这种缺陷称为肖特基缺陷。肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷统称点缺陷。它们依靠热运动不断地产生和消失着，在一定的温度下达到动态平衡，使缺陷具有一定的平衡浓度值。1.点缺陷1.3杂质与缺陷2.线缺陷b晶体的滑移现象3.面缺陷1.3杂质与缺陷1.4热平衡载流子在一定温度下，半导体依靠本征激发和杂质电离产生导电电子和空穴。然而，在载流子产生的同时，电子也可以从高能级跃迁到低能级，并向晶格放出一定的能量。从而使导带中的电子和价带中的空穴不断减少，这一过程称为载流子的复合。在一定温度下，单位时间内产生的电子-空穴对数等于复合掉的电子-空穴对数，称为热平衡状态。热平衡状态1.4.1费米能级与载流子浓度1.费米能级的概念费米能级就是用来表达电子填充能带水平高低的一个概念。费米能级反映了半导体的掺杂类型，还能反映掺杂浓度的高低。cEvEiEFEFEFEFEFE本征半导体轻掺杂N型重掺杂N型重掺杂P型轻掺杂P型1.4热平衡载流子cEvEcEvEcEvEcEvE2.费米分布函数)exp(11)(kTEEEfF上式表明，一定温度下，一个能量为E的电子状态被电子占据的几率。1、费米能级是基本上填满和基本上空的能级的分界线。2、导带和价带中的载流子数目还是可以很多。kTEEF3%8.4)(EfkTEEF3%95)(Ef1.4热平衡载流子3.载流子浓度)exp(kTEENnFcC32/3*)2(2hkTmNnC其中)exp(kTEENpFvV其中32/3*)2(2hkTmNpV讨论：1、n和p随温度和费米能级如何变化？2、EF在不同的位置，n和p的大小关系？1.4热平衡载流子1.4.2本征半导体载流子浓度1、电中性条件pn2、本征费米能级2ln22FcCVFcFEENNkTEEE3、本征载流子浓度)2exp()(2/1kTENNpnngVCi2innp4、重要关系式讨论：本征半导体的载流子浓度和哪些因素有关？1.4热平衡载流子1.4.2本征半导体载流子浓度1.N型半导体DNnDiiNnnnp22ANpAiiNnpnn222.P型半导体3.杂质半导体载流子浓度表达式)exp(kTEEnniFi)exp(kTEEnpFii1.4热平衡载流子1.5非平衡载流子1.5.1非平衡载流子的注入如果对半导体施加外加作用，破坏了热平衡状态的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度将比平衡状态时多，多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。注入非平衡载流子的方式有1.光注入、2.电注入、3.其他方式。小注入条件:注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小得多。1.5.2非平衡载流子的复合在非平衡的情形下，产生和复合之间的相对平衡就被打破了。由于多余的非平衡载流子的存在，电子和空穴的数目比热平衡时增多了，它们在热运动中相互遭遇而复合的机会也将成比例地增加，因此，这时复合将要超过产生而造成一定的净复合，即净复合=复合-产生当去掉外界作用后，正是由于这种净复合的作用，使非平衡载流子逐渐减少，以至最后消失，半导体又回到平衡状态。1.5非平衡载流子ptpdd)exp(-)()(0tptptp0)(pep0)(0非平衡载流子的寿命可见，非平衡载流子的浓度随时间按指数规律衰减τ是非平衡载流浓度减小到原来的1/e所经历的时间常数。进一步计算表明，τ是非平衡载流子平均生存的时间，称为非平衡载流子的寿命。非平衡载流子寿命是标志半导体材料质量的主要参数之一。1.5非平衡载流子1.5.3复合机制1.直接复合cEvE直接复合就是单位体积中每个电子在单位时间里都有一定的几率和空穴相遇而复合。从能带角度讲，就是导带电子直接落入价带与空穴复合，同时还存在着上述过程的逆过程，即价带电子也有一定的几率跃迁到导带中去，产生一对电子和空穴。1.5非平衡载流子2.间接复合cEvEtE①②③④杂质和缺陷在半导体禁带中形成能级，它们不但影响半导体导电性能，还可以促进非平衡载流子的复合而影响其寿命，通常把具有促进复合作用的杂质和缺陷称为复合中心。复合中心的存在使电子-空穴的复合可以分为两个步骤，先是导带电子落入复合中心能级，然后再落入价带与空穴复合，而复合中心被腾空后又可以继续进行上述过程，当然相反的逆过程也同时存在。1.5非平衡载流子晶格结构在表面出现的不连续性在禁带中引入了大量的能量状态，这些能量状态称为表面态；除表面态外，还存在着由于紧贴表面的层内的吸附离子、分子或机械损伤等所造成的其他缺陷。它们在禁带形成复合中心能级，大大增加了表面区域的载流子的复合率。3.表面复合可见，非平衡载流子的寿命值，不仅与材料种类有关，而且与杂质原子的出现有关，特别是锗、硅中的深能级杂质，能形成复合中心，使寿命降低。同时，半导体的表面状态对寿命也有显著的影响。另外，晶体中位错等缺陷，也能形成复合中心能级。因而严重地影响少数载流子的寿命。在制造器件的过程中，由于高温处理，在材料内部增加新的缺陷，往往使寿命降低。所以，寿命值的大小在很大程度上反映了晶格的完整性，它是衡量材料质量的一个重要指标。1.5非平衡载流子1.6载流子的运动1.6.1载流子的漂移运动与迁移率1.欧姆定律的微分形式ElVRlRVsIJ//2.漂移运动和迁移率nqtvdsA