电子工程物理基础v10(5)

韩磊东南大学电子科学与工程学院第5章半导体中电子的控制5.1半导体与外界作用5.2半导体与金属5.3半导体与半导体5.4半导体与绝缘体5.1半导体与外界作用一.半导体与热温度可以影响载流子浓度载流子运动：温度不均匀载流子浓度不均匀扩散运动低温弱电离中温全电离高温本征激发费米能级载流子浓度())2ln(21210CDDCFNNTkEEE++=TkECDDeNNn021202Δ−⎟⎠⎞⎜⎝⎛=)ln(0CDCFNNTkEE+=DNn≈0()CVVCiFNNTkEEEEln21210++==()TkEVCigeNNnpn021200−==≈中温高温低温1.环境温度的影响由4.2得知（1）n~T分析讨论TkECDDeNNn021202Δ−⎟⎠⎞⎜⎝⎛=DNn≈0()TkEVCigeNNn0212−=希望器件工作在此温区（2）EF~T())2ln(21210CDDCFNNTkEEE++=)ln(0CDCFNNTkEE+=（3）EF~掺杂（T一定，则NC也一定）T一定，ND越大，EF越靠近ECT一定，NA越大，EF越靠近EV2.局部热的影响温度不均匀载流子浓度不均匀扩散运动载流子扩散内建电场温差电动势0032CFskEETqkT⎛⎞−Θ=−+Δ⎜⎟⎝⎠均匀温度梯度下的半导体的能带图二.半导体与光产生非平衡载流子()gEh≥ν半导体中会出现阻碍多子扩散的内建电场，导致能带弯曲。但当光注入载流子量不大时，该内建电场可以忽略。类似于温差电动势，半导体吸收光子也会产生电动势—光生伏特效应。一类是发生在均匀半导体材料内部——丹倍效应非平衡载流子扩散速度的差异而引导起的光照方向产生电场和电位差。一类是发生在半导体的界面——PN结光生伏特效应（常用于太阳能电池）光在界面层被吸收，产生电子－空穴对。通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子和空穴向相反方向运动。产生一个向外的可测试的电压。三.半导体与磁1.霍耳效应磁场作用下的通电n半导体的霍尔效应通过电流的半导体在垂直电流方向的磁场作用下，在与电流和磁场垂直的方向上形成电荷积累和出现电势差的现象。磁场洛仑兹力改变载流子运动的方向和速度xyznυEyyxxEJB∝yHxxERJB=比例系数RH—霍尔系数yxxqEqvB−=洛仑兹力电场力xyxxxHxxJEvBBRJBnq=−=−=10HRnq=−霍尔效应可以测定载流子浓度及载流子迁移率等重要参数，以及判断材料的导电类型。（1）判断导电类型n型RH0P型RH0霍尔电压的正负相反对p型半导体，同理n型10HRpq=（2）测定载流子浓度及迁移率yHxxERJB=xHHxIVRBbbd=HHxxVdRIB=1HRnq=−1HRpq=或三参量已知，测出VH—求出RH求出n或p测出电导率可求出霍尔迁移率（3）霍尔器件HxxVIB∝保持其中一个量不变，另一个或两个作变量，应用于不同场合。2.回旋共振‹Cyclotronresonanceexperiments测m*m*能带结构一些物质如半导体中的载(电)流子在一定的恒定(直流)磁场和高频磁场同时作用下会发生抗磁共振(常称回旋共振)电子的初速度为v,在恒定磁场（B）中：∗=ncmqBωBvqfKKK×−=BqvqvBf⊥==θsin2nvfmr∗⊥=cvr⊥=ω回旋频率原理θfv//v┴rBKvK均匀磁场实验方法∗=ncmqBω若等能面是椭球面，有效质量∗∗∗zyxmmm,,沿kx、ky、kz方向有效质量222222222222121(*)xxyxzyxyyzzxzyzEEEkkkkkEEEkkkkkEEEkkkkkm∂∂∂∂∂∂∂∂−∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦=222222112100()1()00()00xyzEkxEykEzkmmm∂∗−∂∗−∂∂∗−∂∂⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦=22222220010000xyzEkxxEyykEzzkafafaf∂∂∂∂∂∂⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦=kx,ky,kz沿张量主轴方向**xxxxxdvfmamdt==**yyyyydvfmamdt==**zzzzzdvfmamdt==离心力设B沿kx、ky、kz轴的方向余弦分别为：γβα、、)(βγzyxvvqBf−−=)(γαxzyvvqBf−−=)(αβyxzvvqBf−−=BvqfKKK×−=洛伦磁力那么：∗=ncmqBω其中：∗∗∗∗∗∗∗++=zyxzyxnmmmmmmm2221γβαcccitxxityyitzzvvevvevveωωω′=′=′=~cvω以硅为例,回旋共振实验现象：（1）B沿[111]方向，观察到一个吸收峰。（2）B沿[110]方向，观察到两个吸收峰。（3）B沿[100]方向，观察到两个吸收峰。（4）B沿任意轴方向，观察到三个吸收峰。硅导带底附近等能面是沿{100}方向的旋转椭球面。θBk1k2k3⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−+−+−+=∗∗∗zzzyyyxxxmkkmkkmkkkEkE20202020)()()(2)()(=（2）Si、Ge导带结构分析：设：θBk1k2k3[001]适当选取坐标，使B位于k1-k3平面内：α=sinθβ=0γ=cosθ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=ltmkmkkkE23222122)(=选择坐标则：22sincoslnttlmmmmmθθ∗=+∗∗∗∗∗∗∗++=zyxzyxnmmmmmmm2221γβαα=sinθβ=0γ=cosθ**xytmmm==*zlmm=θBk1k2k3∗=ncmqBω[]21222222212121212121))(()cos(lkhlkhllkkhh++++++=θθθ22cossinltltnmmmmm+=∗[001]以硅为例,回旋共振实验现象：（1）B沿[111]方向，观察到一个吸收峰。（2）B沿[110]方向，观察到两个吸收峰。（3）B沿[100]方向，观察到两个吸收峰。（4）B沿任意轴方向，观察到三个吸收峰。硅导带底附近等能面是沿{100}方向的旋转椭球面。Constant-EnergySurface（等能面）Ge、Si四.半导体与力压阻效应是指半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。它是C.S史密斯在1954年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。半导体施加力晶格间距变化周期势场变化能带结构变化迁移率变化电导率变化(,1,2,3,4)abTabρπρΔ==压阻系数，四阶张量。反映压电效应的强弱。第5章半导体中电子的控制5.1半导体与外界作用5.2半导体与金属5.3半导体与半导体5.4半导体与绝缘体5.2半导体与金属（metal‐semiconductor contact）⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧−⎩⎨⎧−smsmsmsmWWWWP型半导体金属WWWWn型半导体金属四种类型功函数电子亲和能1. 能带图(1)M-S(n型),WmWssmssDnssmDχWχWqVqφWWqV−=−+=−=n型阻挡层(2)M-S(n型),WmWsmsssDnsmsDWχχWqVqφWWqV−=−−=−=)(n型反阻挡层(3)M-S(p型),WmWsmsgssgDnsmsDWχE)χ(WEqVqφWWqV−+=−−+=−=p型阻挡层(4)M-S(p型),WmWsp型反阻挡层smssDpssmDχ-WχWqVqφWWqV=−+=−=)(（对阻挡层而言）金属与半导体接触可以形成阻挡层（肖特基势垒SchottkyBarrier）与反阻挡层，前者具有与p-n结相似的整流特性，而后者具有欧姆特性。外加电压对n型半导体的影响：（1）加正电压（金属接“+”）2. 整流特性势垒高度随外加正电压的增加而降低,因此由半导体流向金属的净电子流增加.（2）加反向电压（金属接“－”）势垒高度随外加反电压的增加而身升高,因而从半导体到金属的电子减少,反向电流主要由金属到半导体的电子流构成,金属净电子流增加.⎩⎨⎧−热电子发射理论扩散理论V特性的理论有两种描述肖特基I扩散理论：假设势垒区宽度较半导体内的电子的平均自由程长，必须同时考虑电子在势垒区的漂移和扩散运动。热电子发射：假设势垒区宽度较电子的平均自由程短，故可略去电子在势垒区的碰撞，当电子的热运动有足够大的动能超越势垒的顶点时，就可以自由地通过势垒区进入金属。同样，金属中能超越势垒顶的电子也都能到达半导体内。Ge、Si、GaAs：迁移率较大，则电子平均自由程较大。一般采用热电子发射理论，得：)1exp(−=kTqVIIs)exp(2kTqTAAInssφ−=∗其中：A—结面积A*—有效理查逊常数实际I-V特性将偏离理想情况。如1.反向电流不饱和现象2.正向电流上升比较缓慢.3.肖特基势垒二极管(1)结构(2)与p‐n结二极管的比较SDB与p-n结二极管相比的主要特点是:1.SDB是多数载流子器件,而p-n结二极管电流取决于非平衡少数载流子的扩散运动.2.p-n结二极管中,少数载流子注入造成非平衡载流子在势垒区两侧界面的积累,外加电压变化,电荷积累和消失需有一弛豫过程(电荷存储效应),严重影响了p-n结二极管的高频性能.SDB器件不发生电荷存储现象,使得它在高频、高速器件中有重要作用。3。SDB的正向开启电压比p-n的低；而反向饱和电流比p-n的大。这是因为多数载流子电流远高于少数载流子电流。SDB中通常存在额外的漏电流和软击穿。4.欧姆接触（Ohmic Contact）由于表面态的影响，不能通过选择金属的功函数来实现欧姆接触（理论上说，WmWns或WmWps可形成反阻挡层）。在生产实际中，主要是利用隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触。采用重掺杂半导体与金属接触。从电学上讲，理想的欧姆接触的接触电阻应当很小，同时还应具有线性的和对称的电流—电压关系。（1）.表面态对接触势垒的影响WmWsWmWsWmWs（2）欧姆接触的实现用重掺杂的半导体与金属接触第5章半导体中电子的控制5.1半导体与外界作用5.2半导体与金属5.3半导体与半导体5.4半导体与绝缘体p-n结基本结构5.3半导体与半导体1.AlloyedJunctions(合金结)2.DiffusedJunctions(扩散结)3.IonImplantation(离子注入)4.EpitaxialGrowth(外延生长)制备方法：最常用一.p-n结缓变结与突变结1空间电荷区(Spacechargeregion)的形成漂移运动扩散运动+-内建电场E刚接触，扩散（达到动态平衡）扩散=漂移建立内建电场漂移P型半导体n型半导体阻挡层耗尽区Depletionregion空间电荷区Spacechargeregion当p型半导体和n型半导体接触在一起时,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。在两者的交界面处存在着一个过渡区,通常称为p-n结.中性区)(E0prAxxqN+−=εε)(E0DxxqNnr−−=εε∫−=Edx,)(Vx突变结空间电荷区中的电场、电势dxdExdxVdr−=−=022)(εερPoisson’sequation:Inthep-region:1000)(ECxqNdxqNdxxrArAr+−=−==∫∫εεεεεερ0E,=−=pxxprAxqNC01εε−=)(E0prAxxqN+−=εε所以Inthen-region:)(E0DxxqNnr−−=εεprnrxqNxqN0A0DmaxEεεεε−=−=∫−=Edx,)(Vx及0V,=−=pxx是连续函数V(x),0=x20A20D2)2()(prnrxqNxxxqNxVεεεε+−⋅=2能带图(Enery band diagram)势垒区-+0VDnnoppoTkEEpnFpFnenn000−=00000ln0pnDTkqVpnnnTkqVennD==∴平衡时TkEEiniFnenn00−=n型半导体中的电子浓度为p型半导体中的电子浓度为TkEEipiFpenn00−=ApDnNpNn≈≈00,