半导体器件物理课件一

第一章半导体物理基础广东工业大学第1章半导体物理基础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习题第一章半导体物理基础广东工业大学非平衡载流子的产生和复合载流子的漂移运动和扩散运动●——本章重点第一章半导体物理基础广东工业大学关于能带图电子能量，从下往上为升高的方向；空穴能量，从上往下为升高的方向；电子和空穴可以看作是两种所带电荷性质相反，电荷数量相同，质量相当的粒子；施放电子的过程可以看作俘获空穴的过程；施放空穴的过程也可以看作俘获电子的过程。1.2半导体的能带与杂质能级Eg空穴能量电子能量导带（mn＝0.25m0）价带（mp=m0）第一章半导体物理基础广东工业大学有效杂质浓度经过补偿之后，半导体中的净杂质浓度当NDNA时，则（ND-NA）为有效施主浓度；当NAND时，则（NA-ND）为有效受主浓度。利用杂质补偿的作用，就可以根据需要用扩散或离子注入等方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制备各种器件。杂质的补偿作用施主和受主杂质之间有相互抵消的作用第一章半导体物理基础广东工业大学深能级杂质非Ⅲ、Ⅴ族元素掺入硅、锗中也会在禁带中引入能级。非Ⅲ、Ⅴ族元素产生的能级有以下两个特点：（1）施主能级距离导带底较远，受主能级距离价带顶也较远。称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质；（2）这些深能级杂质能产生多次电离，每一次电离相应地有一个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往引入若干个能级。而且，有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。第一章半导体物理基础广东工业大学金在锗中一共有Au+、Au0、Au-、Au=、Au≡五个荷电状态，相应地存在着ED、EA1、EA2、EA3四个孤立能级，它们都是深能级。深能级杂质，一般情况下在半导体中的含量极少，而且能级较深，它们对半导体中的导电电子浓度、导电空穴浓度和导电类型的影响没有浅能级杂质明显，但对于载流子的复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称为复合中心，它们引入的能级就称为复合中心能级。金是一种很典型的复合中心，在制造高速开关器件时，常有意地掺入金以提高器件的速度。第一章半导体物理基础广东工业大学载流子参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子。载流子的产生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杂质电离当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子；当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴1.3半导体中的平衡与非平衡载流子第一章半导体物理基础广东工业大学载流子的复合在导电电子和空穴产生的同时，还存在与之相反的过程，即电子也可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向晶格放出一定的能量。第一章半导体物理基础广东工业大学在一定温度下，载流子产生和复合的过程建立起动态平衡，即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。这时，半导体中的导电电子浓度和空穴浓度都保持一个稳定的数值。处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。热平衡状态第一章半导体物理基础广东工业大学实践表明，半导体的导电性与温度密切相关。实际上，这主要是由于半导体中的载流子浓度随温度剧烈变化所造成的。所以，要深入了解半导体的导电性，必须研究半导体中载流子浓度随温度变化的规律。因此，解决如何计算一定温度下，半导体中热平衡载流子浓度的问题成了本节的中心问题。第一章半导体物理基础广东工业大学能量在E→E+dE范围内的电子数（统计方法）电子填充能级E的几率N(E)单位体积晶体中在能量E处的电子能级密度能量为E的状态密度能量无限小量1、导带电子浓度与价带空穴浓度第一章半导体物理基础广东工业大学能量为E的电子状态密度EC导带底h普朗克常数mn*电子的有效质量第一章半导体物理基础广东工业大学能量为E的空穴状态密度mp*空穴的有效质量EV价带顶第一章半导体物理基础广东工业大学费米-狄拉克分布函数能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率E电子能量k0玻耳兹曼常数T热力学温度EF费米能级常数，大多数情况下，它的数值在半导体能带的禁带范围内，和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。只要知道了EF的数值，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。第一章半导体物理基础广东工业大学费米-狄拉克分布函数的特性当T=0K时，若EEF，则f（E）=1若EEF，则f（E）=0绝对零度时，费米能级EF可看成量子态是否被电子占据的一个界限。第一章半导体物理基础广东工业大学当T0K时，若EEF，则f（E）1/2若E=EF，则f（E）=1/2若EEF，则f（E）1/2当系统的温度高于绝对零度时，如果量子态的能量比费米能级低，则该量子态被电子占据的几率大于百分之五十；若量子态的能量比费米能级高，则该量子态被电子占据的几率小于百分之五十。因此，费米能级是量子态基本上被电子占据或基本上是空穴的一个标志。第一章半导体物理基础广东工业大学导带电子浓度能量在E~E+dE范围内的导带电子浓度导带范围内积分，就可以得到导带电子浓度n0。积分上限扩展到∞，（导带电子主要集中在导带底附近，在导带顶或能量更高的区域，电子的分布几率已减小到接近于零）。第一章半导体物理基础广东工业大学常温时k0T=0.026eV，Eg在1eV左右，EF在禁带中，所以E-EF远大于k0T第一章半导体物理基础广东工业大学导带电子浓度导带的有效能级密度式（1-6）第一章半导体物理基础广东工业大学价带空穴浓度（同理）价带的有效能级密度式（1-7）第一章半导体物理基础广东工业大学n0、p0和EF的关系导带中电子浓度n0和价带中空穴浓度p0随着温度T和费米能级EF的不同而变化。◆在一定温度下，由于半导体中所含杂质的类型和数量的不同，电子浓度n0及空穴浓度p0也将随之变化。◆在温度一定时，NC和NV是常数，且它们的值很接近，公式中的指数因子是造成n0和p0差别很大的主要原因。第一章半导体物理基础广东工业大学n0、p0和EF的关系本征半导体（一块没有杂质和缺陷的半导体），n0=p0，费米能级大致在禁带的中央；N型半导体n0p0，费米能级比较靠近导带；P型半导体p0n0，费米能级比较靠近价带；掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。第一章半导体物理基础广东工业大学当半导体的温度大于绝对零度时，就有电子从价带激发到导带去，同时价带中产生空穴，这就是本征激发。由于电子和空穴成对出现，导带中的电子浓度应等于价带中的空穴浓度n0=p0式（1-8）将式（1-6）、（1-7）代入（1-8），可以求得本征半导体的费米能级EF，并用符号Ei表示，称为本征费米能级式（1-9）expexpCFFVCVEEEEnNpNkTkT即令：２、本征载流子浓度与本征费米能级第一章半导体物理基础广东工业大学式（1-9）等式右边第二项近似为零，可忽略，所以本征半导体的费米能级Ei基本上在禁带中线处。将式（1-9）分别代入式（1-6）、（1-7），可得本征半导体载流子浓度ni式（1-11）第一章半导体物理基础广东工业大学式（1-11）一定的半导体材料，其本征载流子浓度ni随温度上升而迅速增加；不同的半导体材料在同一温度下，禁带宽度越大，本征载流子浓度ni就越小。由（1-6）（1-7）得载流子浓度乘积，并与（1-11）比较，可得n0p0=ni2式（1-12）第一章半导体物理基础广东工业大学在一定温度下，任何非简并半导体（电子或空穴的浓度分别远低于导带或价带的有效能级密度）的热平衡载流子浓度的乘积n0p0等于该温度下的本征半导体载流子浓度ni的平方，与所含杂质无关。式（1-12）不仅适用于本征半导体，而且也适用于非简并的杂质半导体材料。n0p0=ni2式（1-12）该式对对非本征半导体同样成立，称为质量作用定律。第一章半导体物理基础广东工业大学表1-1300K下锗、硅、砷化镓的本征载流子浓度第一章半导体物理基础广东工业大学３、杂质半导体的载流子浓度一般来说，在室温下所有的杂质都已电离，一个杂质原子可以提供一个载流子；假设掺入半导体中的杂质浓度远大于本征激发的载流子浓度。N型半导体P型半导体(ND为施主杂质浓度)(NA为受主杂质浓度)N型半导体中，电子为多数载流子（简称多子），空穴为少数载流子（简称少子）；P型半导体中，空穴为多数载流子，电子为少数载流子。第一章半导体物理基础广东工业大学式（1-12）n0p0=ni2由式（1-12），可以确定少数载流子的浓度N型半导体P型半导体由于ND（或NA）远大于ni，因此在杂质半导体中少数载流子比本征半导体的载流子浓度ni小得多。第一章半导体物理基础广东工业大学本征激发时式（1-6）式（1-6）可改写如下★式第一章半导体物理基础广东工业大学★式代入式（1-6）可得★式第一章半导体物理基础广东工业大学当一块半导体中同时掺入P型杂质和N型杂质时，考虑室温下，杂质全部电离，以及杂质的补偿作用，载流子浓度为|ND-NA|。多子浓度计算少子浓度计算N型半导体P型半导体第一章半导体物理基础广东工业大学对于杂质浓度一定的半导体，随着温度的升高，载流子则是从以杂质电离为主要来源过渡到以本征激发为主要来源的过程。相应地，费米能级则从位于杂质能级附近逐渐移近到禁带中线处。当温度一定时，费米能级的位置由杂质浓度所决定，例如N型半导体，随着施主浓度的增加，费米能级从禁带中线逐渐移向导带底方向。对于P型半导体，随着受主杂质浓度的增加，费米能级从禁带中线逐渐移向价带顶附近。杂质浓度与费米能级的关系第一章半导体物理基础广东工业大学在杂质半导体中，费米能级的位置不但反映了半导体的导电类型，而且还反映了半导体的掺杂水平。对于N型半导体，费米能级位于禁带中线以上，ND越大，费米能级位置越高。对于P型半导体，费米能级位于禁带中线以下，NA越大，费米能级位置越低。如图1-15所示。第一章半导体物理基础广东工业大学例一硅晶掺入每立方厘米1016个砷原子，求室温下(300K)的载流子浓度与费米能级。室温时，硅的ni为9.65×109cm-3,Nc为2.86×109cm-3,kT为26meV。解在300K时，假设杂质原子完全电离，可得到292333169.65109.31010iDnpcmcmN得：16310DnNcm室温时，硅的ni为9.65×109cm-319162.8610ln()0.0259ln()0.20510CCFDNEEkTeVeVN从本征费米能级算起的费米能级为从导带底端算起的费米能级为16910lnln0.0259ln0.3589.6510DFiiiNnEEkTkTeVeVnnDECEVE0.205eV1.12eV0.054eV0.358eVFEiE2inpn因为第一章半导体物理基础广东工业大学练习判断半导体的导电类型并计算载流子浓度1)硅中掺入P原子，浓度为1016cm-3；2)锗中掺入B原子，浓度为1017cm-3；3)硅中先掺入P原子，浓度为2*1016cm-3，再掺入B原子，浓度为4*1016cm-3;4)锗中先掺入P原子，浓度为2*1016cm-3，再掺入As原子，浓度为4*1016cm-3。第一章半导体物理基础广东工业大学半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。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。用n0和p0分别表示平衡时的电子浓度和空穴浓度，它们的乘积满足处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度将不再是n0和p0，可以比它们多出一部分。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子，有时也称过剩载流子，用Δn和Δp分别表示非平衡电子和非平衡空穴。4、非平衡载流子的产生与复合及准费米能级第一章半导体物理基础广东工业大学例如在一定温度下，当没有光照时，一块半导体中的电子和空穴浓度分别为n0和p0，假设是N型半导体，则n0p0，当用适当波长的光照射该半导体时，只要光子的能量大于该半导体的禁带宽度，那么光子就能把价带电子激发到导带上去，产生电子-空穴对