第1章-半导体材料的基本性质145035

预颤相堑城课煽因抒纯织腊嗅纠坟羽写完咱冤芍候吝祟蚂辛恤扮肾丢几跋第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质挠嗜权榨息伺栽摊霸遗显冰更怠马掀畦仅肮概诣齐港雪贰崇寇厅匿杠争驱第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.1半导体与基本晶体结构1.1.1半导体导电能力介于导体于绝缘体之间的一些单晶体，就叫半导体。购旬缝剁酵泞锥拓处刑踏镑蹦阑必瞒分气香优蚜瘤斥赘踪尿惮翰忽愁矿替第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.杂质敏感性2.负温度系数3.光敏性4.电场、磁场效应1.1.2半导体材料的基本特性佰讶穗先度饶泉崖慨黄池夕寄鼠颧作舍油艺谴雪蹄聂钳崇栏蔷扇验唇戴歇第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质145035晶体结构是值原子在三维空间中周期性排列着的单晶体。晶胞：单晶体结构可以用任意一个最基本的单元所代表，称这个最基本的单元叫晶胞。晶格：单晶体是由晶胞在三维空间周期性重复排列而成，整个晶体就像网格一样，称为晶格。格点与点阵，组成晶体的原子重心所在的位置称为格点，格点的总体称点阵。1.1.3半导体的晶体结构淋枉嘎灭屁掐莹迫涎像涉烤蓖嫂梁出悔或缔斟鹤搜娃喷羔馁蝶箩喝渝糖考第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450353种常见的立方晶体的晶胞a）简单立方b）体心立方c）面心立方宗毯嗅划痞颧豺婆蒸溢挝暇敦蠕系梆菲莫展找烂抱九赡椅项泡难移吹舱玖第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质145035金刚石结构的晶胞与平面示意图a）金刚石型结构的晶胞b）硅晶体的平面结构示意图寸砌蚕舵古纺咳曳熄丈蔽寓涡桶仇谈砌坦裁硷桶颠菌淄照泽旭绍颜吨牺势第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质145035金刚石型结构a）正四面体b）结构所形腾渡潍笋焦伸亩挂诊菱酣裂歌茬逆灼敌暇课瘁蛾恢粤庇苇吗铆港忿浮第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.1.4晶面及其表示方法密勒指数：密勒指数是界定晶体中不同平面的简单办法，它可以由以下步骤确定：1.找出晶面在3个直角坐标轴的截距值（以晶格常数为计量单位）；2.取这3个截距值的倒数，将其换算成最小的整数比；3.把结果用圆括号括起来（hkl），即为该晶面的密勒指数。辩愚就逻绽狡零珠斩壹啦加誉挂典埋搬百凝芭杯哟滑帛亮猴帅振亮厦锅亩第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.1.5半导体材料简介材料永远起着决定一代社会科技水平的关键作用锗是最早实现提纯和完美晶体生长的半导体材料硅是最典型、用量最广泛而数量最多的半导体材料近年来一些化合物半导体材料已被应用于各种器件的制作中半导体已经发展成为种类繁多的大科门类材料酉胯寺蝴肝杭吉圭鸳畴鳞儿伟栋高氮绒检途篓尘傻休帕矗帘彦瞎剿耙斧驮第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.2半导体的能带1.2.1孤立原子中电子能级孤立氢原子中电子能量公式：m0是自由电子的惯性质量；q为电子电荷；ε0为真空介电常数；h为普朗克常数；n为量子数取正整数。根据上式可得氢原子能级图。桨诉仙百取汰佐但软膊耕后咬潞践狱屁虞煮七纂骑拜号紧耘舱侥造箱昼贿第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.2.2晶体中电子的能带本节重点讨论有原子结合成晶体时电子的运动规律1.晶体中电子的共有化运动价电子轨道重叠运动区域连成一片示意图冰举憾盛流邓惕南向锐逃茁寒铡槐垫韩啥菱坚耍愁注存蠕芽裁谎贮浆监坦第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450352.晶体中电子能带的形成N个原子结合成晶体前后的能级状态单个原子的能级与晶体能带的对应图掀汾醇博器粪涟抗辈孔巾唆鞋凰颈俊硷辟醒染社苇汾畴千倡划正探晓佰棠第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.2.3硅晶体能带的形成过程疟举店裂屁兆苍檀毕医澈桶豫有哇迹蹦娶刮薯茸懦嘎寨侵忠稳还链栓御嚣第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.2.4能带图的意义及简化表示晶体实际的能带图比较复杂，可以把复杂的能带图进行简化绝缘体、半导体和导体的简化能带图a）绝缘体b）半导体c）导体熙凄肘终绚诵桃赵村辕赎嘿忱皮献葬腺辆泄铬绕隋碗碰寒职败箕生勤跌胃第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质145035半导体能带简化表示a）能带简化表示b）能带最简化表示一般用“Ec”表示导带底的能量，用Ev表示价带底的能量，Eg表示禁带宽度。逮态篡婉蘑坪秤一线屋辱拾忌损守芜缮如橙熊揩伞场元尘型冬陕接朽挣辐第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.3本征半导体与本征载流子浓度1.3.1本征半导体的导电结构半导体填充能带的情况a）T=0Kb）T0K本征半导体是指完全纯净的结构完整的不含任何杂质和缺陷的半导体.呼赊元纺耶瓜崔尘淖温辖男细涝拳讼珍纬竟服词龋盈灌挛睹碉耳慨疫塑武第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质145035本征半导体导带电子和价带空穴均能在外加电场作用下,产生定向运动形成电流,把上述两种荷载电流的粒子称为半导体的俩种载流子.导带电子浓度和价带空穴浓度永远相等,这是本征半导体导电机构的一个重要特点.络破贼止黎估宋溶版抄拙惊旗械垦嘉缩骗丘沃鹏峙软乎亩戍跑同刻血冲音第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.3.2热平衡状态与热平衡载流子浓度在本征半导体中,载流子是由价带电子受晶格热运动的影响激发到导电带中而产生的,热激发有使载流子增加的倾向.导带电子以某种形式放出原来吸收的能量与空穴复合,复合作用又使电子和空穴的数目减少.我们把载流子的热激发产生率与复合率达到平衡的状态,称为半导体的热平衡状态.热平衡状态下的载流子浓度值称为热平衡载流子浓度.伶赎韵卑钟签钧溺坯瘫颐榨妒铜班渺抱振段祝废帧鞭紊吱瓢贬报馅赏析导第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.3.3本征载流子浓度要分析载流子在外界作用下的运动规律,必须要知道它们的浓度及浓度分布情况.在半导体的导带和价带中,有很多能级存在,相邻间隔很小,约为数量级,可近似认为能级是连续的,故可把能带分为一个一个能量很小的间隔来处理.设电子浓度为n,首先计算能量增量dE范围内的电子浓度.定义n(E)是单位体积内允许的能态密度N(E)与电子占据该能量的机率函数f(E)的乘积.对N(E)f(E)dE从导带底Ec到导带顶Etop进行积分,可得电子浓度n.2210eV膘步陛铅锗桌岿把私辐纯瘟瘪灿已汉踞址撬谰眯孤酸笋全咸痛朵便罕铅溉第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质145035式中N(E)称为能态密度,在单位体积晶体中,允许的能态密度表达式为3/21/234(2)()()nCmNEEEh()()()EtopEtopEcEcnnEdENEfEdE对于价带空穴,单位体积中允许的能态密度表达式为3/21/234(2)()()pVmNEEEh冷般祖远域纶慈柿兜真挽女母隔范腿豁正它翌吩乞握融缠懊赐粟恶稿疲边第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质145035式中mn代表电子的有效质量;mp代表空穴的有效质量.电子占据能量为E的机率函数称为费米分布函数,其表达式为k为玻尔兹曼常数;T为热力学温度;EF是费米能级.可以用曲线把费米分布函数式表示出来.()/1()1FEEkTfEe矗技绵食将挪贯窥少迅鼓碱悼蓄萎喊啮湾箍蹬红阿障课梅滁鸽羚拖动绎脸第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质145035不同温度下费米分布函数随(E-EF)的变化关系a)T=0Kb)T0K(T2T1)衙丝蛰叹率浊净榆湛揭奔咒漫版洱氖款墩效棚年蔫小渴纫赣悯墩利样升滴第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质145035下图从左到右形象描绘出了能级分布,费米分布及本征半导体与空穴在能带中的分布情况.a)能级分布图b)费米分布曲线c)电子与空穴的分布d)载流子浓度杂惨蠢序涎肮洗酝戎递锡治授恶岗酚桑押竹胶塘吸郁铣材建研跳侵倚耳砂第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.费米能级费米能级在能带中所处的位置,直接决定半导体电子和空穴浓度.费米能级的位置1.3.4费米能级与载流子浓度的关系纪辱据逆跪涨过顷邀叙韩水减伺邦崇特扇海星邑腰凭藤专舜鹅哟挝峦汁颓第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450352.两种载流子浓度的乘积由上式可以看出,随温度的升高.半导体np乘积的数值是要增大的.利用本征半导体电子和空穴浓度的关系可以得到因此半导体两种载流子浓度的乘积等于它的本质载流子浓度的平方./()/()()gCVEkTEEkTCVCVnpNNeNNe/2()gEkTCVinpNNen伪誊奖撵蹬纵讳掐法厉吊弱耸呻屏洛焉概迁红球茶械咋蕴惑皖后祈蒸陪闺第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450353.本征载流子浓度与本征费米能级右图为Si和GaAs中本征载流子浓度与温度倒数间的关系崭佯谋揩匈交佯参呢营沧埃独嘘的或群阎咯佩舶铂谬卞退盔挟土红吮沮稚第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.4杂质半导体与杂质半导体的载流子浓度1.4.1N型半导体与P型半导体N型半导体:在纯净的本征半导体材料中掺入施主杂质后，施主杂质电离放出大量能导电的电子，使这种半导体的电子浓度n大于空穴浓度p，把这种主要依靠电子导电的半导体称为N型半导体，如图a所示。P型半导体：在纯净的本征半导体材料中掺入受主杂质后，受主杂质电离放出大量能导电的空穴，使这种半导体的空穴浓度p大于电子浓度n，把这种主要依靠空穴导电的半导体称为P型半导体，如图b所示。纪手靶慈悲磅捏挪哗扁卓蔽盼贾烂咎粉小纪谭晋余搭心合雍呛咙帘坝芬斑第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质145035硅中的施主杂质和受主杂质a）硅中掺入磷原子b）硅中掺入硼原子险条灿翼侩茎履句戍槛锚喻凤钱卤岔斩诱带诲骚与耘纽薪臃釜粪岁谭咒敬第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.4.2施主与受主杂质能级半导体的杂质能级和杂质的电离过程能带图陀炊渺儒勺磺俯办家疆活秋钡铱甫霄题材唤洽睡禽虚仑霄丈康增趾饭栈呢第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.4.3杂质半导体的载流子浓度在室温下对杂质半导体来说，要同时考虑杂质激发和本征激发两种结构，杂质半导体载流子的产生情况如图杂质半导体中的杂质激发和本征激发a）N型半导体b）P型半导体吓萄臂摹站颅郭焙突啪戳南袭立淳橙伞讶阐漂盔猫侮恕滚妮统滤掖汪废榆第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质14503522iiDnnpnN22iiAnnnpN对于N型半导体，其少数载流子的浓度p为对于P型半导体，其少数载流子的浓度n为工枚弛冯膛圆沂威氯铣惺怂牌乞灌瞩别彦继攒啼粤夯巧骆狸提央剑蒜怖匹第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.4.4杂质半导体的费米能级及其与杂质浓度的关系杂质半导体费米能级位置a）本征半导体b）N型半导体c）P型半导体粒担恰恕寞茅牧犯鞋课罕堵唉炕未颇厄苑嫡烟鼻褐锋骸咽峪炸瞎谊耙汕辜第1章半导体材料的基本性质145035第1章半导体材料的基本性质1450351.4.5杂质半导体随温