2-半导体特性

半导体特性国际单位制中,电压的单位伏即为纪念他而命名。1800年，他发明了世界上第一个伏特电池，这是最早的直流电源。从此，人类对电的研究从静电发展到流动电，开拓了电学的研究领域。他利用静电计对不同材料接地放电，区分了金属、绝缘体和导电性能介于它们之间的“半导体”。他在给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用了“Semiconductor”（半导体）一词。A.Volta（1745~1827）意大利物理学家1.1.1伏特：首次提出半导体一词发展简史法拉第，物理学家、化学家，现代电工科学的奠基者之一，电容的单位法（拉）即为纪念他而命名。发明了第一台电动机，提出了法拉第电磁感应定律。1833年，法拉第开始研究Ag2S半导体材料，发现了负的电阻温度系数，即随着温度的升高，电阻值下将。负电阻温度系数是半导体材料的特有性质之一。M.Faraday（1791~1867）英国物理学家1.1.2法拉第：负电阻温度系数正、负电阻温度系数负电阻温度系数（NTC）RRTT一般金属随着温度升高其电阻增大，而半导体则降低。如室温附近的纯Si，温度每增加8C，电阻率相应地降低50%左右。正电阻温度系数（PTC）半导体金属1873年，史密斯W.Smith用光照在硒的表面，发现了硒的光电导效应，它开创了半导体研究和开发的先河。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。光电导效应是半导体材料的特有性质之二照片1.1.3史密斯：光电导效应W.Smith英国物理学家hswsdsd0欧姆接触电子－空穴对光学吸收深度激光布劳恩，物理学家，与马可尼共同获得1909年度诺贝尔物理学奖。1874年，他观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导通，这就是半导体的整流效应。整流效应是半导体材料的特有性质之三布劳恩：整流效应K.F.Braun德国物理学家伏安特性I电流V电压0正向反向1876年，物理学家亚当斯(W.G.Adams)发现晶体硒和金属接触在光照射下产生了电动势，这就是半导体光生伏特效应。光生伏特效应最重要的应用就是把太阳能直接转换成电能，称为太阳能电池。1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%。光生伏特效应是半导体材料的特有性质之四。照片亚当斯：光生伏特效应W.G.Adams英国物理学家光生伏特效应光生伏特效应，简称光伏效应，是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。光伏产业链包括硅料、硅片、电池片、电池组件、应用系统5个环节。上游为硅料、硅片环节，中游为电池片、电池组件环节，下游为应用系统环节。1879年，霍尔(E.H.Hall)在研究通有电流的导体在磁场中受力，发现在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为“霍尔效应”。“霍尔效应”就是为纪念霍尔而命名的。利用“霍尔效应”可以测量半导体材料的载流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等重要参数。霍尔效应是半导体材料的特有性质之五照片霍尔：霍尔效应E.H.Hall英国物理学家霍尔效应BZIxvfBP型半导体薄片：长度为L，宽度为b，厚度为d磁场方向(z方向）与薄片垂直，电流方向为x方向LbdfExyz理论基础能带理论导电机理模型扩散理论这三个相互关联逐步发展起来的半导体理论模型，大体上构成了确立晶体管这一技术发明目标的理论基础。能带理论1928年普朗克在应用量子力学研究金属导电问题中，提出固体能带理论的基本思想-能带论。1931年，威尔逊在能带理论的基础上，提出半导体的物理模型。用能带理论解释导体、绝缘体和半导体的行为特征，其中包括半导体电阻的负温度系数和光电导现象。当N个原子靠的很近时，原来某个能级上的电子就分别处在分裂的N个能级上，这N个能级组成一个能带，这时电子不再属于某个原子而是在晶体中做共有运动，分裂的每个能级称为允带，允带之间因为没有能级称为禁带。原子能级半导体的能带结构Eg6eVEg绝缘体半导体价带导带导体（金刚石）=6~7eVEg(Si)=1.12eVEg(Ge)=0.67eVEg(GaAs)=1.43eVEg(SiC)=3.06eVEg(GaN)=3.3eV半导体导电机理1932年，威尔逊提出了杂质（及缺陷）能级的概念，这是认识掺杂半导体导电机理的重大突破。ECEVEDEgDE扩散理论1939年，莫特（N.F.Mott）和肖特基（W.Schottky）各自独立地提出可以解释阻挡层整流的扩散理论。金属半导体阻挡层能带论一、原子中电子的状态和能级电子的运动服从量子力学，处于一系列特定的运动状态——量子态，要完全描述原子中一个电子的状态，需要四个量子数：n—主量子数：表征量子态具有的能量大小，n=1,2,3…L—角量子数：表征电子运动的角动量大小，L=1,2,3…(n-1)m—磁量子数：决定轨道角动量在空间的方位，m=0,1,2,…Ls—自旋量子数：决定自旋角动量在空间的方位，s=1/2,-1/2注：为了求解薛定谔方程得到的原子中电子运动状态的合理解释，引入了主量子数、角量子数和磁量子数。原子中的电子处在不同的能级上，形成电子壳层3321/2101811/201/2-11/2-21/2111/2601/2-11/2001/222111/26801/2-11/2001/221001/222nLms状态数NLM的取值个数（简并度）计入自旋（考虑S值）32103d3p3s53110622102p2s3162101s12电子在壳层上的分布遵从：1、泡利(W.Pauli,1900-1958)不相容原理：在原子中不可能有两个或两个以上的电子占据同一个状态，也就是不可能有两个或两个以上的电子具有相同的一组量子数(n,l,m,s)2、能量最低原理：在原子处于基态时，电子所占据的状态总是使原子的能量为最低。3、洪特规则：在等价轨道上排布的电子将尽可能分占不同的轨道，且自旋方向相同。表示方法：电子组态，如Si：1s22s22p63s23p6在单个原子中，电子状态的特点：总是局限在原子和周围的局部化量子态，其能级取一些列分立值。二、晶体中能带的形成2.1多个原子的情况+完全分离的两个氢原子能级+2p2s1s2p2s1sAB-e-e+e+e二、晶体中能带的形成电子共有化运动：原子中的电子在原子核的势场和其他电子的作用下，它们分别在不同的能级上，形成所谓电子壳层，不同的支壳层的电子分别用1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s…等符号表示，每一支壳层对应于确定的能量。当原子相互接近时，不同原子的内外各电子壳层之间就有一定程度的交叠，相邻原子最外壳层交叠最多，内层交叠较少。由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，这种运动称为电子的共有化运动。2P3s2P3s2P3s2P3s1、各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量，电子只能在相似壳层间转移。2、内外壳层交叠程度不同，只有最外层电子的共有化运动才显著。二、晶体中能带的形成考虑两个相距很远的相同原子，它们之间的相互作用可以忽略，每个原子都可以看作是孤立的。如果将这两个原子看作一个系统，那么每一个电子能级都是简并的，这种简并仅仅在完全忽略原子间相互作用时才严格有效。当这种相互作用存在时，二重简并消除，每个能级分裂为相应的两个支能级。注：简并度是指具有同一能级的量子态数。OEr两个氢原子靠得很近时的能级分裂s1s2p2OErs1s2六个氢原子靠得很近时的能级分裂OEr固态晶体能带s22.2N个原子的情况N个原子相距很远时，相互作用忽略不计。N个原子逐渐靠近，最外层电子首先发生共有化运动，每一个能级分裂成N个相距很近的能级，形成一个准连续的能带。N个原子继续靠近，次外壳层电子也开始相互作用，能级分裂成能带。二、晶体中能带的形成注：假设能带宽度5eV，当N=1023个时，两个相邻能级之间能量间隔的数量级为：5/1023=510-23eV原子外壳层交叠的程度最大，共有化运动显著，能级分裂的很厉害，能带很宽；原子内壳层交叠程度小，共有化运动很弱，能级分裂的很小，能带很窄。二、晶体中能带的形成每个能级有2(2L+1)个量子态每个能级容纳2(2L+1)个电子每个能带容纳2N(2L+1)个电子金属Na各能带上电子的分布s1s2p2s3p3N2N2N6N当原子聚集形成晶体时，不能改变量子态的总数没有两个电子具有相同的量子数二、晶体中能带的形成2.3能带重组（轨道杂化）简并度不计自旋的状态数计入自旋的状态数s能级nL=0m=01或无简并12p能级nL=1m=-1,0,1336d能级nL=2m=-2,-1,0,1,25510实际晶体的能带与孤立能级间的对应关系，并不像上述的那么简单，因为一个能带不一定同孤立原子的某个能级相当，即不一定区分s能级和p能级所过渡的能带。二、晶体中能带的形成2s和2p能级分裂的两个能带导带或空带2N态0电子价带或满带2N态4N电子禁带晶体的能带与孤立原子的能级并非一一对应金刚石型结构价电子能带示意图金刚石和半导体硅、锗，它们的院子都有四个价电子，二个s电子，2个p电子，组成晶体后，由于轨道杂化的结果，其价电子形成能带。上下有两个能带，中间隔以禁带。两个能带并不分别和s和p能级相对应，而是上下两个能带中分别包含2N个状态，根据泡利不相容原理，各可容纳4N个电子。N个原子结合成的晶体，共有4N个电子，根据电子先填充低能量态这一原理，下面一个能带填满了电子，它们对应于共价键中的电子，称为价带或满带，上面一个能带是空的，没有电子，称为导带活空带，中间隔以禁带。半导体中载流子的统计分布在一定温度下，载流子的产生和载流子的复合建立起动态平衡，这时的载流子称为热平衡载流子。半导体的热平衡状态受温度影响，某一特定温度对应某一特定的热平衡状态。半导体的导电性受温度影响剧烈。一、导言二、状态密度态密度（g(E))：能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数。能带中能量为E到E+dE之间无限小的能量间隔内有dZ个量子态，则状态密度g(E)为：()dzgEdE基本概念概念计算方法计算单位k空间中的量子态数（k空间中的状态密度）；计算k空间中与能量E到E+dE间所对应的空间体积；前两者相乘得到量子态数dZ；利用公式求出态密度(0,1,2,)xxxnknL(0,1,2,)yyynknL(0,1,2,)zzznknL基本概念单位k空间的量子态数半导体中电子的允许能量状态（能级）用波矢k表示，由于周期性条件的限制，k只能取分立值：L：半导体晶体的线度V=L3：是晶体体积体积为1/V的一个立方体中有一个代表点，k空间中代表点的密度为V，因此在k空间中，电子的允许能量状态是V。1/V考虑电子的自旋，在k空间中，电子的允许量子态密