半导体第一章.

半导体物理SemiconductorPhysics半导体材料、器件与半导体物理学半导体材料的重要性广泛用于微电子技术和光电子技术领域在电子材料中的地位极为重要对科学技术的发展起关键作用半导体材料的用途制作半导体二极管、三极管、集成电路制作整流器、太阳电池、激光器、发光器件、敏感器件半导体材料、器件与半导体物理学半导体的独特性质1、电阻率介于金属和绝缘体之间半导体的独特性质2、杂质对半导体材料的电阻率产生很大影响微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力例，纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷），硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由214kΩcm降至0.2Ωcm以下半导体的独特性质3、温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降(完整纯净半导体电导率随温度升高而指数式上升)如，室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率降低50%左右半导体的独特性质4、纯净半导体具有负的电阻温度系数半导体的独特性质5、与金属相比具有较高的温差电动势率半导体100μV/K以上金属0～10μV/K半导体的独特性质6、适当波长的光照可以改变半导体的导电能力如，在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ半导体的独特性质7、半导体的导电能力随电场、磁场等作用而改变如：a.砷化镓电导率随电场的增加时而增加，时而减小，并形成高频振荡如：b.磁阻效应,InSb磁敏电阻半导体的独特性质8、半导体的中有两种载流子（参与导电）电子空穴三种导电类型：n型导电p型导电本征导电半导体分类Elementalsemiconductor--Si,GeCompoundsemiconductorIV-IV---SiCIII-V----AlP,AlAs,GaAs,GaSb,InP,InAsII-VI---ZnO,ZnS,ZnSe,CdTe,HgTeIV-VI---PbS,PbSe,PbTeAlloysBinary---Si1-xGexTenary---AlGaAs,AlInAs,HgCdTeQuaternary---AlGaAsSb半导体材料、器件与半导体物理学半导体物理学研究半导体原子状态和电子状态以及半导体器件内部电子过程的学科固体物理学的一个分支半导体物理学的基础和研究对象研究半导体中的原子状态是以晶体结构学和点阵动力学为基础，主要研究半导体的晶体结构、晶体生长，以及晶体中的杂质和各种类型的缺陷半导体材料、器件与半导体物理学研究半导体中的电子状态是以固体电子论和能带理论为基础，主要研究半导体的电子状态，即能带结构、杂质和缺陷的影响、电子在外电场和外磁场作用下的输运过程、半导体的光电和热电效应、半导体的表面结构和性质、半导体与金属或不同类型半导体接触时界面的性质和所发生的过程、各种半导体器件的作用机理和制造工艺等。半导体物理学的发展使人们对半导体有了深入的了解，由此产生的各种半导体器件、集成电路和半导体激光器等已得到广泛的应用。第一章半导体中的电子状态1.1常见半导体的晶格结构和结合性质1.2能带论的主要结果1.3半导体中电子的运动以及描述1.4本征半导体的导电机构、空穴1.5回旋共振1.6硅、锗和砷化镓的能带结构1.7混合晶体的能带第一章半导体中的电子状态简单化：忽略电子-电子的相互作用，价电子在平均势场中运动，原子固定不动:“单电子近似”(Hi-i,He-e)分别消除研究一个电子在周期性势场中的状态(单电子近似-平均势场-能带论)研究方法：假设(近似)、理论、验证已经了解：单个原子的电子结构不了解：多个原子排列在一起出现的问题电子–原子、电子-电子的相互作用以及原子-原子排列形成的势场等多体问题iiieeeHHHH1.1常见半导体的晶格结构和结合性质第Ⅳ族元素半导体Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体HgS第Ⅳ族元素半导体★元素半导体以Si,Ge为代表电子组态-4个价电子,sp3杂化轨道晶格结构-金刚石结构(正四面体结构)结合性质–共价键(饱和性,方向性)★晶格常数a♦Si:a=0.543nm,♦Ge:a=0.566nm1金刚石型结构和共价鍵许多材料的结构与金刚石相同，故称之为金刚石型结构。这些材料为第IV族的C(碳)、Si(硅)、Ge(锗)、Sn(锡)，而Si和Ge均是重要的半导体材料。特点：金刚石型结构为两个面心立方的套构。一个基元有两个原子，相距为对角线长度的1/4。正四面体：顶角、中心有原子电子云密度大-共价鍵-配位数每个原子的最近邻均有4个原子正四面体结构共价鍵每个原子最外层价电子为一个s态电子和三个p态电子。在与相邻的四个原子结合时，四个共用电子对完全等价，难以区分s与p态电子，提出“杂化轨道”概念：一个s和三个p轨道形成能量相同的sp3杂化轨道。金刚石结构金刚石结构sp3杂化轨道四面体结构中的4个共价键是以s态和p态波函数的线性组合为基础金刚石结构{100}面投影正四面体(111)面堆积[侧视图]立方密堆积计算原子体密度原子体密度=晶胞原子数/晶胞体积★体心立方单晶材料密度=2/a3(a:晶格常数)例：a=0.5nm=5×10-8cm密度=2/(5×10-8)3=1.6×1022个原子/cm-3计算原子体密度原子体密度=晶胞原子数/晶胞体积★面心立方单晶材料密度=4/a3计算原子体密度原子体密度=晶胞原子数/晶胞体积★金刚石结构单晶材料密度=8/a3例1：Si密度=8/(5.431×10-8)3=5.00×1022/cm3例2：Ge密度=8/(5.658×10-8)3=4.42×1022/cm3Ⅲ-Ⅴ族化合物(以GaAs为代表)★电子组态-平均价电子数=4(4个共价键)晶格结构-闪锌矿结构(4个最近邻为异类原子)结合性质–混合键(以SP3杂化轨道为基础,四面体键,具有一定的离子键成分)-极性半导体晶格常数GaAs:a=0.565nm闪锌矿结构闪锌矿结构闪锌矿结构Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体（如GaAs）极性半导体Ga电负性1.6As电负性2.0元素电负性电负性综合考虑了电离能和电子亲合能，表示元素原子在化合物中对键合电子的吸引能力。电负性数值越大，原子在形成化学键时对成键电子的吸引力越强（稀有气体除外）。Ⅲ-Ⅴ族化合物绝大多数具有闪锌矿结构Ⅱ-Ⅵ族化合物的大部分也具有闪锌矿结构Ⅲ-Ⅴ族化合物中的AlN,InNⅡ-Ⅵ族化合物中的ZnO具有纤锌矿结构Ⅱ-Ⅵ族中的ZnS,ZnSe,CdS,CdSe可以有两种结构纤锌矿结构★纤锌矿结构电子组态-正四面体结构,平均价电子数=4晶格结构-六角晶系(金刚石结构,闪锌矿结构为立方晶系)结合性质–混合键(具有更多的离子键成分)离子性成分示意图各种晶体离子性结合成分晶体离子性成分晶体离子性成分晶体离子性成分Si0GaSb0.261ZnTe0.609Ge0GaAs0.310HgTe0.651.2能带论的主要结果能带论的定性描述（1）孤立原子中的电子状态及能量（2）晶体中的电子状态以及能量能带论的数学说明绝缘体、导体、半导体的能带孤立原子中的电子状态和能量主量子数n—电子壳层n=1K壳层n=2L壳层…角量子数L—支壳层L=0,1,2…n-1(s,p,d…壳层)磁量子数ML—支壳层中的量子态ML=0,±1,±2…±LL=0ML=0;L=1ML=0,+1,-1自旋量子数MS—电子自旋方向（+1/2或-1/2）+n=1n=2S支壳层p支壳层孤立原子中电子的能量能量（不考虑相对论）Z：核内正电荷数m0:电子质量q:电子电荷数ε0：真空介电常数h：普朗克常数n：主量子数eVnnhqmZE22220402n16.131.8-13.6eV-3.4-1.5n=1n=2n=3n=0氢原子电子能级示意图简并:对于一个能量值有n个状态，就是n度简并。问题：主量子数n相同的但角量子数l不同的状态，是否简并？答：在考虑到相对论的情况下不是。同一主量子数n对应的电子壳层中角量子数l不同的支壳层，实际上是不同形状的电子轨道，每种轨道运动能量略有差别。论）运动物体的动能（相对1112220cvcmT孤立原子中的简并不考虑电子自旋：s轨道p轨道d轨道考虑电子自旋：s轨道p轨道d轨道l=0Ml=0无简并l=1Ml=0，+1，-13度简并l=2Ml=0，±1，±25度简并2度简并6度简并10度简并s，p，d轨道上的简并问题半导体中的电子状态和能带原子的能级和晶体中电子的“共有化”运动原子能级的简并及消失当N个原子相距很远时，每个原子的电子壳层完全相同，即电子有相同的能级，此时为简并的。当N个原子相互靠近时，相邻原子的电子壳层开始交叠，电子不再局限在一个原子上，通过交叠的轨道，可以转移到相邻原子的相似壳层上，由此导致电子在整个晶体上的“共有化”运动。晶体中电子的“共有化”运动2p3s3s+2p+++2s2p2p3s3s2s2s2s3s+2s3s+2s3s+2s3s+2s2p2p2p2p共有化电子运动示意图电子由一个原子转移到相邻的原子上去,因而,电子将可以在整个晶体中运动。但电子只能在相似壳层之间转移。由于2个电子不能有完全相同的能量，交叠的壳层发生分裂，形成相距很近的能级带以容纳原来能量相同的电子。原子相距越近，分裂越厉害，能级差越大。由此导致简并的消失。两个原子互相靠近时，每个原子中的电子除受到本身原子的势场作用外，还要受到另一个原子势场的作用，其结果是每一个二度简并的能级部分裂为两个彼此相距很近的能级。内壳层的电子，轨道交叠少，共有化运动弱，可忽略。外层的价电子，轨道交叠多，共有化运动强，能级分裂大，被视为“准自由电子”。原来简并的N个原子的s能级，结合成晶体后分裂为N个十分靠近的能级，形成能带(允带)，因N值极大，能带被视为“准连续的”。原子靠近时能级分裂原子结合成晶体能量的变化当N个原子相互中间隔的很远时，是N度简并的。相互靠近组成晶体后，它们的能级便分裂成N个彼此靠的很近的能级，简并消失。这N个能级组成一个能带称为允带。内层原子受到的束缚强，共有化运动弱，能级分裂小，能带窄；外层原子受束缚弱，共有化运动强，能级分裂明显，能带宽。原子能级分裂为能带的示意图允带{能带原子级能{禁带{禁带原子轨道dpsN个碱金属原子的s能级分裂后形成了N个准连续的能级，可容纳2N个电子。因此，N个电子填充为半满，导电。金刚石、硅、锗单个原子的价电子为2个s和2个p电子；形成晶体后为1个s电子和3个p电子；经过轨道杂化后N个原子形成了2N个能级的低能带和2N个能级的高能带，4N个电子填充在低能带，又称价带；而上面的能带为空带，又称导带。两者之间为禁带。第Ⅳ族元素半导体能带情况第Ⅳ族元素外层电子情况（考虑自旋）s轨道2重简并p轨道6重简并理想能级情况实际情况（能级与能带一一对应）2N6N4N4N第Ⅳ族元素半导体能带情况孤立的硅原子彼此接近组成金刚石结构晶体时形成能带示意图4N个状态4N个状态3p(6N个状态)3s(2N个状态)能带论的定性描述小结原子:在孤立原子中,束缚电子处于分立的能级晶体:大量原子按一定的晶格结构形成晶体—原子结合成晶体♦价电子运动状态--电子共有化运动内层电子则与孤立原子中的比较接近♦(价)电子能量状态--能级分裂成能带(准连续)能带论的数学说明自由电子晶体中电子—近自由电子近似★自由电子粒子性描述波动性描述(1)DeBroglie关系(2)波函数-平面波vmp0（动量方程）（能量方程）（波方程）022mpE)(),(trkiAetr2kktitixikexeAetx)(),(xikAex)(考虑一维情况式中遵守薛定谔方程自由电子能量(波动性)(3)能量-及Ek关系-抛物线(一维时)能量状态连续变化波矢k—动量、能量相关—可以表示电子运动状态根据上述方程可以看出：对于自由电子能量和运动状态之间呈