第一章半导体物理基础(一).

半导体器件物理semiconductordevicephysics第1部分半导体物理2第1章半导物理基础1.1半导体的晶体结构和缺陷1.2半导体中的能带与杂质能级1.3半导体中的平衡与非平衡载流子1.4半导体中载流子的输运现象1.5半导体的表面3半导体材料的晶格结构电子和空穴的概念半导体的电性能和导电机理载流子的漂移运动和扩散运动非平衡载流子的产生和复合●——本章重点4物质按照导电能力分为：导体绝缘体半导体1.导体：电阻率10-3·cm的物质。如铜、银、铝等金属材料。2.绝缘体：电阻率109·cm物质。如橡胶、塑料等。3.半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质。电阻率10-3109·cm。大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。半导体的重要特性？？？5半导体的电性能温度与半导体金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度升高而增加，且增加得很慢）；半导体的电导率随温度升高而迅速增加。半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温度升高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。对温度敏感，体积又小，热惯性也小，寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、自动化等许多方面都有广泛的应用价值。热敏电阻6杂质与半导体杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。例如，纯净硅在室温下的电阻率为2.14×107Ω·m，若掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会降至20Ω·m。虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至原来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都利用了半导体的这一特性。7光照与半导体光照对半导体材料的导电能力也有很大的影响。例如，硫化镉（CdS）薄膜的暗电阻为几十兆欧，然而受光照后，电阻降为几十千欧，阻值在受光照以后改变了几百倍。成为自动化控制中的一个重要元件。光敏电阻8其他因素与半导体除温度、杂质、光照外，电场、磁场及其他外界因素（如外应力）的作用也会影响半导体材料的导电能力。9半导体的重要特性•温度升高使半导体导电能力增强，电导率下降•杂质可以显著增强半导体的导电能力•适当波长的光照可以增强半导体的导电能力10晶体自然界中存在的固体材料，按其结构形式不同，可以分为晶体（如石英、金刚石、硫酸铜等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。晶体又分为单晶和多晶1.1半导体的结构和缺陷1.1.1半导体的晶格结构1112单晶体：由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质。多晶体：小区域内原子周期性排列，整体不规则非晶体：原子排列无序13五种常见的晶格结构●简单立方结构●体心立方结构●面心立方结构●金刚石结构●闪锌矿结构钋(Po)晶格常数14晶体的原子按一定规律在空间周期性排列，形成格点，成为晶格。体心立方结构钠（Na）钼（Mo）钨（W）15面心立方结构铝（Al）铜（Cu）金（Au）银（Ag）16金刚石结构硅（Si）锗（Ge）由两个面心立方结构沿空间对角线错开四分之一的空间对角线长度相互嵌套而成。17大量的硅（Si）、锗（Ge）原子靠共价键结合组合成晶体，每个原子周围都有四个最邻近的原子，组成正四面体结构，。这四个原子分别处在正四面体的四个顶角上，任一顶角上的原子各贡献一个价电子和中心原子的四个价电子分别组成电子对，作为两个原子所共有的价电子对。18闪锌矿结构砷化镓（GaAs）磷化镓(GaP)硫化锌(ZnS)硫化镉(CdS)191.1.2晶体的晶向与晶面晶格：晶体中周期性的重复单元格点：组成晶体的原子的重心位置晶轴：以某一格点为原点，取三个相互垂直的坐标轴20•晶列：通过任意两格点所作的直线（晶列上有一系列格点）特征：同一格点可引出无限晶列；平行晶列构成族。•晶向：在坐标系中晶列的方向（确定晶向的方法待定）；用晶列指数表示，如[110]。•晶面：通过晶体中三个不在同一晶轴上的三个质点所作的平面。晶面用晶面指数（密勒指数）表示，如（111），（100）……特征：平行晶面格点分布相同，称同一族晶面1.1.2晶体的晶向与晶面21a、晶列的表征-晶列指数三个轴上互质整数表示。一列用[abc]表示，如：[100][110][111]一族用abc表示，如：100110111b、晶面的表征-晶面指数（密勒指数）三个轴上截距倒数的互质整数表示。某晶面用(abc)表示，如：(100)(110)(111)一族用{abc}表示，如：{100}{110}{111}晶列与晶面表征22•晶向指数是这样得到的：•（1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并以晶格常数为单位测得相应的截距；•（2）将三个截距其化简成最简单的整数比；•（3）将此结果以“[hkl]”表示，即为此平面的密勒指数。23一个简单的晶体结构242526密勒指数是这样得到的：（1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并以晶格常数为单位测得相应的截距；（2）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的整数，即将其化简成最简单的整数比；（3）将此结果以“（hkl）”表示，即为此平面的密勒指数。27如图，晶面ACC’A’在坐标轴上的截距为1，1，∞，其倒数为1，1，0，此平面用密勒指数表示为（110），相同指数的晶面和晶列互相垂直。28例29单个原子的电子电子1.能级电子绕原子核是按层分布的，每层电子的能量是固定的。我们把电子所具有的能量用线条表示出来，标志电子能量高低的线条就叫能级。电子受到原子核和其他电子的共同作用。-E1E2E3原子核能级1.2半导体中的能带和杂质能级30+原子的能级（电子壳层）++2.能级特点越是外层，电子的能量越高31晶体中的电子当原子间距很小时，原子间的电子轨道将相遇而交叠，晶体中每个原子的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的电子）作用。电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。32+++++++原子结合成晶体时晶体中电子的共有化运动++++33由于晶体中原子的周期性排列而使电子不再为单个原子所有的现象，称为电子共有化。在晶体中，不但外层价电子的轨道有交叠，内层电子的轨道也可能有交叠，它们都会形成共有化运动；内层电子的轨道交叠较少，共有化程度弱些，外层电子轨道交叠较多，共有化程度强些。1.2.1半导体中电子共有化运动与能带34•共有化的电子不像单个原子那样具有一个固定的能量，即有一个固定的能级，而是具有若干分布在一定范围内的能级，这些能级相互靠的很近，基本联成一片。这些连成一片的能级，就叫能带。35当原子之间距离逐步接近时，原子周围电子的能级逐步转变为能带，下图是能级向能带演变的示意图。能级能带氢原子能级36●禁带●满带●空带禁止电子存在的一系列能量状态被电子填充满的一系列准连续的能量状态满带不导电没有电子填充的一系列准连续的能量状态空带也不导电能级数目n很大,近似看成是连续的●允带允许电子存在的一系列准连续的能量状态37图一定温度下半导体的能带示意图●导带底EC●价带顶EV●禁带宽度Eg●本征激发导带电子的最低能量价带电子的最高能量Eg=Ec-Ev价带电子激发成为导带电子的过程。导带和价带之间的能级宽度，单位是能量单位：eV（电子伏特）38●导带●价带有电子能够参与导电的能带，但半导体材料价电子形成的高能级能带通常称为导带。由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。39导体、绝缘体、半导体的能带示意图能带被电子部分占满，在电场作用下这些电子可以导电禁带很宽，价带电子常温下不能被激发到空的导带禁带比较窄，常温下，部分价带电子被激发到空的导带，形成有少数电子填充的导带和留有少数空穴的价带，都能带电3~6eV硅1.12eV锗0.67eV砷化镓1.42eV40导带和价带重叠,中间无禁带。价带被电子部分填满,电子可以在晶体中自由运动.因此即使在低温下,也有大量电子参与导电,电阻率低,导电能力强.从能级图上来看，是因为电子很易从低能级跃迁到高能级上去。导体导体参与导电的有几种载流子?41导带价带间有一个禁带(禁带宽度窄),价带填满电子(所以绝对零度不导电).室温下,有部分电子从价带跳到导带参与导电.导体参与导电的有几种载流子?电流=导带电子电流+价带空穴电流之和半导体T↑,更多电子被激发到导带,导电能力↑禁带宽度的存在,被激发的电子少于导体中的自由电子,导电能力比导体差.导带价带间,禁带宽度比较大,价带被电子填满,一般情况下,价带电子从热激发中得到的能量不足以使它跳到导带上去,因此导带电子极少,绝缘体不导电.绝缘体42●空穴满带中因失去了电子而留下的空位称为空穴。在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电，这与金属导体导电有很大的区别。43晶体中的电子除了受到外力作用外，还受到晶格原子和其他电子的作用，为了把这些作用等效为晶体中的电子质量，所以引入有效质量的概念。（当电子在外力作用下运动时，它一方面受到外电场力的作用，同时还和半导体内部原子、电子相互作用着，电子的加速度应该是半导体内部势场和外电场作用的综合效果。但是要找出内部势场的具体形式并且求出加速度遇到一定的困难，引进有效质量后可使问题变得简单，直接把外力和电子的加速度联系起来，而内部势场的作用则由有效质量加以概括。特别是有效质量可以直接由试验测定，因而可以很方便地解决电子的运动规律。）1.2.2有效质量44本征激发：电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴本征激发的特征：成对的产生导带电子和价带空穴1.2.3本征半导体载流子参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子。本征半导体纯净的，不含任何杂质和缺陷的半导体451.2.4杂质半导体理想的半导体晶体实际应用中的半导体材料十分纯净不含任何杂质晶格中的原子严格按周期排列的原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动并不是纯净的，而是含有若干杂质，即在半导体晶格中存在着与组成半导体的元素不同的其他化学元素的原子晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的缺陷46杂质的填充方式一）杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，间隙式杂质；二）杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，替位式杂质。间隙式杂质替位式杂质杂质浓度单位体积中的杂质原子数，单位cm-347两种杂质的特点间隙式杂质原子半径一般比较小。替位式杂质原子的半径与被取代的晶格原子的半径大小比较相近，且它们的价电子壳层结构也比较相近。三/五族元素掺入硅和锗中形成替位式杂质48施主杂质和施主能级硅中掺入磷（P）为例，研究Ⅴ族元素杂质的作用。当一个磷原子占据了硅原子的位置，如图所示，磷原子有五个价电子，其中四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩余一个价电子。室温下，很容易脱离磷原子束缚，成为自由电子。磷原子成一个带有一个正电荷的磷离子（P+），称为正电中心磷离子。其效果相当于形成了一个正电中心和一个多余的电子。49Ⅴ族元素杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心。施主释放电子的过程称为施主电离。施主杂质在未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电中心，称为离化态。施主杂质/N型杂质电子型半导体/N型半导体纯净半导体中掺入施主杂质后，施主杂质电离，使导带中的导电电子增多（电子密度大于空穴密度），增强了半导体的导电能力，成为主要依靠电子导电的半导体材料。50施主能级用离导带底Ec为ΔED处的短线段表示，施主能级上的小黑点表示被施主杂质束缚的电子。箭头表示被束缚的电子得到电离能后从施主能级跃迁到导带成为导电电子的电离过程。导带中的小黑点表示进入导带中的电子，⊕表示施主杂质电离后带正电，成为不可移动的正点中心。电子得到能量ΔED后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，被施主杂质束缚时的电子的能量比导带底Ec低ΔED，称为施主能级，用ED表示。由于ΔED远小于禁带宽度Eg，所以施主能级位于离导带底很近的禁带中。51受主杂质和受主能级硅中掺入硼（B）为例，研究Ⅲ族元素杂质的作用。当一个硼原子占据了硅原子的位置，如图所示，