半导体物理学(第七版)电子工业出版社刘恩科等编着p

1半导体物理学李岩2半导体物理学•教材:–《半导体物理学》(第七版)，刘恩科等编著，电子工业出版社•参考书：–《半导体物理与器件》（第三版），DonaldA.Neamen著，电子工业出版社–樊昌信著，《半导体物理》，国防工业出版社，2009年1月第六版–王建平编著，《半导体物理》，人民邮电出版社，2007月10月第一版3一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构半导体物理学4固态电子学分支之一微电子学光电子学研究在固体（主要是半导体〕材料上构成的微小型化器件、电路、及系统的电子学分支学科微电子学简介:半导体概要目前主要方向：太阳能，纳米结构，生物应用5微电子学研究领域•半导体器件物理•集成电路工艺•集成电路设计和测试微电子学发展的特点向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方向发展与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：光电集成、MEMS、生物芯片半导体概要6固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体什么是半导体？半导体及其基本特性可以在在特定温度以下，呈现电阻为零的导体78一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构半导体物理学9半导体的纯度和结构•纯度–极高，杂质1013cm-3•结构10晶体结构•单胞–对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元注：（a）单胞无需是唯一的（b）单胞无需是基本的11晶体结构•三维立方单胞–简立方、体心立方、面立方12金刚石晶体结构金刚石结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构价键之间具有相同的夹角o'1092813半导体有:元素半导体如Si、Ge金刚石晶体结构14•Si和Ge的晶格常数a分别为0.543102nm和0.565791nm•硅每立方厘米体积有锗每立方厘米体积有两原子间最短距离硅为0.235nm,锗为0.245nm225.0010224.4210个原子个原子15半导体有:化合物半导体如GaAs、InP、ZnS闪锌矿晶体结构金刚石型闪锌矿型161718原子的能级•电子壳层•不同支壳层电子–1s；2s，2p；3s，2p，3d；…•共有化运动19电子共有化运动概念•原子组成晶体后，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，因而，电子将可以在整个晶体中运动。•共有化运动的产生由于不同原子的相似壳层间的交叠，由于内个壳层交叠程度不同，所以只有最个层电子的共有化运动才显著。20+14•电子的能级是量子化的n=3四个电子n=28个电子n=12个电子SiHSi原子的能级21原子的能级的分裂•孤立原子的能级4个原子能级的分裂22原子的能级的分裂•原子能级分裂为能带23Si的能带（价带、导带和带隙〕24价带：0K条件下被电子填充的能量的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导带价带Eg25自由电子的运动•微观粒子具有波粒二象性0pmv202pEm()(,)iKrtrtAepKEhvA为常数，r是空间某点的矢径，k是平面波的波数，等于波长倒数的倍226半导体中电子的运动•薛定谔方程及其解的形式2220()()()()()()2VxVxsadxVxxExmdx()()()()ikxkkkkxuxeuxuxna布洛赫波函数27布里渊区与能带2829固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体固体材料的能带图30金刚石的禁带宽度为6～7eV,是绝缘体。硅为1.12eV，锗为0.67eV,砷化镓1.43eV，它们都是半导体31半导体、绝缘体和导体32半导体的能带•本征激发33练习1、什么是共有化运动？2、画出Si原子结构图（画出s态和p态并注明该能级层上的电子数）3、电子所处能级越低越稳定。（）4、无论是自由电子还是晶体材料中的电子，他们在某处出现的几率是恒定不变的。（）5、分别叙述半导体与金属和绝缘体在导电过程中的差别。34薛定谔方程•薛定谔方程（Schrödingerequation）是由奥地利物理学家薛定谔提出的量子力学中的一个基本方程，也是量子力学的一个基本假定，其正确性只能靠实验来检验。它是将物质波的概念和波动方程相结合建立的二阶偏微分方程，可描述微观粒子的运动，每个微观系统都有一个相应的薛定谔方程式，通过解方程可得到波函数的具体形式以及对应的能量，从而了解微观系统的性质。35薛定谔方程及其解的形式2220()()()()()()2VxVxsadxVxxExmdx()()()()ikxkkkkxuxeuxuxna布洛赫波函数晶体中电子所遵守的薛定谔方程S为常数，a为晶格常数36布里渊区的概念37半导体中E（K）与K的关系•在导带底部，波数，附近值很小，将在附近泰勒展开220021()(0)()()....2kkdEdEEkEkkdkdk0kk()Ek0k22021()(0)()2kdEEkEkdk38半导体中E（K）与K的关系22021()(0)()2kdEEkEkdk令代入上式得2022*11()kndEdkm22*()(0)2nkEkEm39自由电子的能量•微观粒子具有波粒二象性0pmu202pEm()(,)iKrtrtAepKEhv2202kEm40半导体中电子的平均速度•在周期性势场内，电子的平均速度u可表示为波包的群速度dvudk1dEudk22*()(0)2nhkEkEm*nkumEhv41自由电子的速度•微观粒子具有波粒二象性0pmu202pEm()(,)iKrtrtAepKEhv0kum42半导体中电子的加速度•半导体中电子在一强度为E的外加电场作用下，外力对电子做功为电子能量的变化dEfdsfudt1dEudkfdEdEdtdkdkfdt2222211()duddEdEdkfdEadtdtdkdkdtdk43半导体中电子的加速度令即2*2211ndEmdk*nfam2*22nmdEdk44有效质量的意义•自由电子只受外力作用；半导体中的电子不仅受到外力的作用，同时还受半导体内部势场的作用•意义：有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得研究半导体中电子的运动规律时更为简便（有效质量可由试验测定）45空穴•只有非满带电子才可导电•导带电子和价带空穴具有导电特性；电子带负电-q（导带底），空穴带正电+q（价带顶）46K空间等能面•在k=0处为能带极值22*()(0)2nkEkEm22*()(0)2pkEkEm导带底附近价带顶附近47K空间等能面•以、、为坐标轴构成空间，空间任一矢量代表波矢•导带底附近xk2222xyzkkkkykzkkkk2222*()(0)()2xyznEkEkkkm48K空间等能面•对应于某一值，有许多组不同的，这些组构成一个封闭面，在着个面上能量值为一恒值，这个面称为等能量面，简称等能面。•等能面为一球面（理想）()Ek(,,)xyzkkk2222*()(0)()2xyznEkEkkkm49一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构半导体物理学50与理想情况的偏离•晶格原子是振动的•材料含杂质•晶格中存在缺陷–点缺陷（空位、间隙原子）–线缺陷（位错）–面缺陷（层错）51与理想情况的偏离的影响•极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响，同时也严重影响半导体器件的质量。–1个B原子/个Si原子在室温下电导率提高倍–Si单晶位错密度要求低于5103103210cm52与理想情况的偏离的原因•理论分析认为，杂质和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，并在禁带中引入了能级，允许电子在禁带中存在，从而使半导体的性质发生改变。53硅、锗晶体中的杂质能级例：如图所示为一晶格常数为a的Si晶胞，求：（a）Si原子半径（b）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比解：（a）113(3)248raa（b）3348330.3416ra54间隙式杂质、替位式杂质•杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂质称为间隙式杂质。–间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。•杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质称为替位式杂质。–替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构要求与被取代的晶格原子相近。如Ⅲ、Ⅴ族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。55间隙式杂质、替位式杂质•单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度56练习1、实际情况下k空间的等能面与理想情况下的等能面分别是如何形状的？它们之间有差别的原因？2、实际情况的半导体材料与理想的半导体材料有何不同？3、杂质和缺陷是如何影响半导体的特性的？57施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中的P和AsN型半导体As半导体的掺杂DEDECEVE施主能级58受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中的BP型半导体B半导体的掺杂CEVEAEAE受主能级59半导体的掺杂•Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高，施主能级比导带底低，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。•杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。AEDE60•半导体中同时存在施主和受主杂质，且。DANNDANNN型半导体N型半导体61•半导体中同时存在施主和受主杂质，且。ADNNADNNP型半导体P型半导体62杂质的补偿作用•半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是N型还是P型由杂质的浓度差决定•半导体中净杂质浓度称为有效杂质浓度（有效施主浓度；有效受主浓度）•杂质的高度补偿（）ADNN63点缺陷•弗仓克耳缺陷–间隙原子和空位成对出现•肖特基缺陷–只存在空位而无间隙原子•间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大，为热缺陷，它们不断产生和复合，直至达到动态平衡，总是同时存在的。•空位表现为受主作用；间隙原子表现为施主作用64点缺陷•替位原子（化合物半导体）65位错•位错是半导体中的一种缺陷，它严重影响材料和器件的性能。66位错施主情况受主情况67练习1、Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中为深能级杂质。（）2、受主杂质向价带提供空穴成为正电中心。（）3、杂质处于两种状态：（）和（）。4、空位表现为（）作用，间隙原子表现为（）作用。5、以Si在GaAs中的行为为例，说明Ⅳ族杂质在Ⅲ—Ⅴ化合物中可能出现的双性行为。68一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构半导体物理学69热平衡状态•在一定温度下，载流子的产生和载流子的复合建立起一动态平衡，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。70态密度的概念•能带中能量附近每单位能量间隔内的量子态数。•能带中能量为无限小的能量间隔内有个量子态，则状态密度为()gEEEdE（）zd()dzgEdEE71态密度的计算•状态密度的计算–单位空间的量子态数–能量在空间中所对应的体积–前两者相乘得状态数–根据定义公式求得态密度()gEEEdE（）kdz