半导体材料及其基本能带结构

固体理论朱俊微电子与固体电子学院第五章半导体电子论Electrontheoryofsemiconductor5.1半导体及其基本能带结构一.半导体材料二.半导体的带隙三.带边有效质量半导体的基本能带结构一.半导体材料半导体是电阻率介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻温度系数(NTC)的材料。室温电阻率：导体：＜10-4·cm【例如：铜10-6·cm】；半导体：10-3·cm＜＜108·cm【锗0.2·cm】；绝缘体：＞108·cm【玻璃1010~1014·cm】。半导体材料的电阻率对其杂质含量、环境温度、以及光照、电场、磁场、压力等外界条件有非常高的灵敏性——可控。1.半导体的定义整流效应光电导效应负的电阻温度(NTC)效应光生伏特效应霍尔效应2.半导体独特的物理性质RTI电流V电压0正向反向半导体的基本能带结构一.半导体材料1.3半导体材料的分类(1).化学组分和结构的不同，可分为：元素半导体：Si，Ge，Diamond,Carbonnanotube,Graphene…化合物半导体:III-V族化合物（GaAs、GaN等）II-VI族化合物(CdS、ZnO、ZnTe)IV-IV族化合物(SiC)固溶体半导体（SiGe、GaAlAs、GaAsP等）非晶半导体:（非晶硅、玻璃态氧化物半导体等）有机半导体(酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等)3.半导体的分类半导体的基本能带结构一.半导体材料1.3半导体材料的分类(2).禁带宽度的不同，可分为：窄带隙半导体(Eg2eV)：Si，Ge，GaAs宽带隙半导体(Eg2eV)：GaN，ZnO，SiC，AlN零带隙半导体(Eg~0eV)：-Sn，Graphene(石墨烯)(3).使用功能的不同，可分为：电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等半导体的基本能带结构一.半导体材料3.半导体的分类第一代半导体，元素半导体(以Si和Ge为代表):晶圆尺寸越来越大(8~12inch)、特征线宽越来越小(32nm)SOI、GeSi、StrainSilicon，highK栅介质第二代半导体，化合物半导体(以GaAs，InP等为代表)超高速、低功耗、低噪音器件和电路，光电子器件和光电集成增大晶体直径(4~6inch)、提高材料的电学和光学微区均匀性超晶格、量子阱材料第三代半导体，宽禁带半导体(以GaN，SiC，ZnO，金刚石等为代表)高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路新型半导体，以稀磁半导体，低维半导体等为代表材料体系的发展半导体的基本能带结构一.半导体材料4.半导体材料的发展趋势材料维度的发展由三维体材料向薄膜、两维超晶格量子阱、一维量子线和零维量子点材料方向发展。三维体材料：电子在其中可以自由运动而不受限制的材料。二维超晶格、量子阱材料、二维原子晶体：电子在X、Y平面里可以自由运动，在Z方向电子运动受到了限制。一维量子线：电子只能在长度的方向上可以自由的运动，在另两个方向X和Y都不能自由运动。它的能量在X和Y两个方向上都是量子化的。零维量子点：材料三个维度上的尺寸都比电子的平均自由程相比或更小，这时电子像被困在一个笼子中，它的运动在三个方向都被受限。半导体的基本能带结构一.半导体材料4.半导体材料的发展趋势半导体的基本能带结构一.半导体材料材料维度的发展4.半导体材料的发展趋势5.半导体材料的应用信息处理与存储通信、雷达显示半导体照明太阳能电池、热电转换信息感测半导体的基本能带结构一.半导体材料半导体的性质与用途电子运动的多样化半导体基本能带结构半导体的能带结构能带工程能带裁剪杂质工程应变工程缺陷工程……5.1半导体及其基本能带结构一.半导体材料二.半导体的带隙三.带边有效质量半导体的基本能带结构二.半导体的带隙硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构价电子是我们要研究的对象1.半导体的共价键结构金刚石结构（硅、锗、金刚石）纤锌矿结构（GaN、AlN、InN）半导体的基本能带结构二.半导体的带隙闪锌矿结构(GaAs、InSb、GaP)Ev——价带顶Ec——导带底Eg导带价带满带禁带空带空带满带2.半导体能带的形成T=0时，能量最低的空带——导带能量最高的满带——价带导带底与价带顶能量之差——带隙（禁带宽度）E半导体的基本能带结构二.半导体的带隙+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子称为束缚电子价带导带挣脱原子核束缚的电子称为自由电子价带中留下的空位称为空穴禁带Eg外电场E自由电子定向移动形成电子流束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流对硅(sp3)：成键态——价带反键态——导带半导体的基本能带结构二.半导体的带隙2.半导体能带的形成空穴价带上的电子由于本征激发跃迁到导带上，留下一个空着的状态。这个在几乎充满的能带中未被电子占据的空量子态称为空穴。由电中性条件，空穴可以看成是一个带正电的粒子，因此，空穴为一准粒子，其物理特性可以由价带电子的性质来描述。引进空穴的概念后，价带上大量电子的集体效应可以用少量的空穴来描述，空穴导电实质就是价带中大量电子的导电。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。本征半导体中有两种载流子——自由电子和空穴在外电场的作用下，产生电流——电子流和空穴流电子流自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动空穴流价电子递补空穴形成的与外电场方向相同始终在价带内运动用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流电子浓度ni=空穴浓度pi半导体的基本能带结构二.半导体的带隙EvEcEg导带价带禁带h3.半导体的带隙被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是带隙（禁带宽度）。禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。禁带宽度对于半导体器件性能的影响是不言而喻的，它直接决定着器件的耐压和最高工作温度。（金刚石、BJT）半导体的基本能带结构二.半导体的带隙本征光吸收：光照将价带中的电子激发到导带中，形成电子—空穴对，这一过程称为本征光吸收。光子的能量满足：h=hc/≥Eg带隙Eg的测量电导率随温度变化半导体的基本能带结构二.半导体的带隙3.半导体的带隙直接带隙与间接带隙直接带隙间接带隙半导体的基本能带结构二.半导体的带隙3.半导体的带隙价带的极大值和导带的极小值都位于k空间的原点上价带的电子跃迁到导带时，只要求能量的改变，而电子的准动量不发生变化——直接跃迁直接禁带半导体——GaAs，GaN，ZnO价带的极大值或导带的极小值不位于k空间的原点上价带的电子跃迁到导带时，不仅要求电子的能量要改变，电子的准动量也要改变——间接跃迁间接禁带半导体——Si，Ge,SiC直接带隙间接带隙半导体的基本能带结构二.半导体的带隙3.半导体的带隙直接带隙与间接带隙3.半导体的带隙GaAs的能带结构——直接带隙Si的能带结构——间接带隙直接跃迁，效率高——适合做发光器件和其他光电子器件间接跃迁为了能量守恒，必须有声子参加，因而发生间接跃迁的概率要小得多本征光吸收确定直接带隙与间接带隙半导体的基本能带结构二.半导体的带隙半导体的基本能带结构二.半导体的带隙电子-空穴对复合发光3.半导体的带隙Tips带隙是半导体重要的物理参数导电性器件耐压工作温度发光光吸收带隙的确定、直接带隙与间接带隙5.1半导体及其基本能带结构一.引言——半导体二.半导体的带隙三.带边有效质量导带底附近的电子有效质量和价带顶附近的空穴有效质量也是半导体能带的基本参数。反映半导体能带结构费米能级的位置载流子浓度半导体迁移率和导电性晶体中的电子和自由电子的差异——晶体中的电子，受到原子核周期性势场的影响。如何描述晶体中电子的能量？借用自由电子的能量公式：将其中的自由电子质量修正成mn*（电子在晶体中的有效质量），则以上公式变为即可以简单关系式表示晶体中，受到原子核周期性势场影响的电子能量。*22*222nnmkmPE0220222mkmPE1.有效质量半导体的基本能带结构三.带边有效质量有效质量近似模拟说明两个容器中之球落底时间不同，这是因为浮力不同。换个方向思考，将球落底所受的力只想成重力，不去计算浮力问题，可想成两个容器中球的质量不同，才造成落地时间不同。水油一模一样的球同理，自由电子与晶体中电子所受的力场不同，所以能量不同，但晶体中的力场不易得知，故换个想法，将晶体中质量修正为有效质量，则可不直接处理力场的问题，因此自由电子的相关公式皆可使用。有效质量是将周期性势场对电子的作用考虑了进去，电子在晶体中远动时可以看作是质量为mn*的自由电子。半导体的基本能带结构三.带边有效质量a）有效质量反映了晶体周期性势场的作用，则它不同于一般的惯性质量，有效质量可大于或小于其惯性质量，可以取正值（在能带底部）、也可以取负值（在能带顶部）；b）有效质量是具有数个分量的张量，则载流子运动的加速度可以与外力的方向不一致，只有当外力沿着等能面主轴方向时才具有相同的方向；c）有效质量与电子或空穴所处的状态k有关；d）有效质量与能带结构有关，能带越宽，能带曲线的曲率半径也越小，有效质量就越小（石墨烯）；e）有效质量概念只有在能带极值（能带底或能带顶）附近才有意义，在能带中部则否（因为在能带中部的有效质量将趋于∞）。有效质量的性质带边有效质量*22*222nnmkmPE122221222*)1()(kEpEmn可由能带图（E-P图或E-k图）的曲率倒数求得。2.带边有效质量曲线越”胖”，曲率越小，有效质量越大。曲线越”瘦”，曲率越大，有效质量越小。半导体的基本能带结构三.带边有效质量一般半导体中的载流子，往往就是处在能带底（电子）或能带顶（空穴）附近，故都可以采用有效质量概念。通过在晶体中引入应变来改变能带结构，可降低有效质量和减小散射几率，以达到提高载流子迁移率的目的——应变工程价电带电子的E-k图曲率为负，所以此区电子的有效质量为负。考虑牛顿运动定律****pnnnmeEmeEmeEaeEamF由左式分析，可知价带的电子（具有负的有效质量）运动行为可视为带正电的粒子（具有正的有效质量），此带正电的粒子即为空穴，其有效质量以mp*表示。-mn*=mp*2.带边有效质量空穴有效质量122221222*)1()(kEpEmn半导体的基本能带结构三.带边有效质量等能面为球面(m*为各向同性)时情况在恒定外磁场中，晶体中的电子(或空穴)将作螺旋运动，回转频率：0=qB/mn*。若在垂直于磁场方向加上频率为ω的交变电场，当ω=ω0时，交变电场的能量将被电子共振吸收，这个现象称为回旋共振。半导体的基本能带结构三.带边有效质量3.有效质量的测量——回旋共振推测或验证材料的能带结构，确定能谷在布里渊区的哪些对称轴上。测定电子和空穴和有效质量(各向同性，各向异性)回旋共振法用途半导体的基本能带结构三.带边有效质量3.有效质量的测量——回旋共振等能面为椭球面(m*为各向异性)时情况测量磁场在某个面内不同方向上的回旋共振有效质量的值。例如：Ge导带底等能面为旋转椭球，沿椭球旋轴Λ方向（111）的纵有效质量为ml*，垂直于Λ方向的平面内各方向有效质量相同，为横有效质量mt*。Si和Ge的导带电子的情况比较复杂，因为它们的导带底不在Brillouin区中心，数目分别是6个和8个并且导带底附近的等能面形状是椭球面，则其电子有效质量在椭球等能面的不同方向上有所不同（可区分为纵向有效质量ml*和横向有效质量mt*）4.常用半导体的有效质量(1)Si和Ge的导带底附近有效质量半导体的基本能带结构三.带边有效质量对Si导带底电子：ml*=0.98mo,mt*=0.19mo对Ge导带底电子：ml*=1.64mo，mt*=0.082mo三.带边有效质量(2)Si和Ge的价带及轻空穴、重空穴半导体的基本能带结构三.带边有效质量Si、Ge的价带顶都位于Γ点，