《半導(dǎo)體器件物理第二章能帶和載流子》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《半導(dǎo)體器件物理第二章能帶和載流子（49頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、1 2.1 半導(dǎo)體材料 2.2 基本 晶體結(jié)構(gòu) 2.3 基本晶體生長技術(shù) 2.4 共價(jià)鍵 2.5 能帶 2.6 本征載流子濃度 2.7 施主與受主 第 2章 熱平衡時(shí)的能帶和載流子濃度 2 2.1 半導(dǎo)體材料 固體材料：絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體 半導(dǎo)體易受溫度、光照、磁場及微量雜質(zhì)原子影響 元素半導(dǎo)體：硅、鍺 化合物半導(dǎo)體：二元、三元、四元化合物 GaAs 、 InP、 AlxGa1-xAs、 Gaxln1-xAsyP1-y 3 2.2 基本晶體結(jié)構(gòu) 基本立方晶體單胞 金剛石結(jié)構(gòu) 閃鋅礦結(jié)構(gòu) 金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的區(qū)別 4 金剛石晶格結(jié)構(gòu) Si,Ge,C 等 IV族元素，原子 的最外層有四個(gè)價(jià)電

2、子 正四面體結(jié)構(gòu)：每個(gè)原 子周圍有四個(gè)最近鄰的 原子。 5 金剛石晶格結(jié)構(gòu)：復(fù)式晶格。由兩個(gè)面心 立方晶格沿立方對(duì)稱晶胞的體對(duì)角線錯(cuò)開 1/4長度套構(gòu)而成。 排列方式 以雙原子層 ABCABC Si Ge GaAs 5.43089 5.65754 5.6419 5X1022 4.42X1022 晶格常數(shù) a () 原子密度 晶格常數(shù) 6 （ 111） （ 111） 7 晶格由兩種不同原子組成的面心立 方晶格套構(gòu)而成。雙原子復(fù)式格子 III V族化合物，每個(gè)原子被四 個(gè)異族原子包圍。 共價(jià)鍵中有一定的離子性，稱 為 極性半導(dǎo)體。 閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu) (Zincblende Structure), G

3、aAs, InP 8 金剛石結(jié)構(gòu)和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的區(qū)別 不同：前者由兩種相同的原子組成，后者 由兩類不同的原子組成。 相同：都由兩面心立方晶格，沿空間對(duì)角 線彼此位移四分之一空間對(duì)角線長度套構(gòu) 而成。 9 2.3 基本晶體生長技術(shù) 硅晶體、 95%（目前半導(dǎo)體材料） 原始材料：石英巖（高純度硅砂 SiO2） 步驟： 1 、 SiC+SiO2Si+SiO+CO 2 、 Si+3HCl SiHCl3+H2 3 、 SiHCl3+H2 Si+3HCl 多晶硅 4 、拉單晶 ：柴可拉斯基法 10 11 2.4 共價(jià)鍵 金剛石晶格結(jié)構(gòu)：共價(jià)鍵 閃鋅礦晶格結(jié)構(gòu)：共價(jià)鍵 但存在微量離子鍵成分 本征激發(fā)或熱激發(fā)：

4、 電子與空穴 見 Flash 12 2.5 能帶 電子共有化運(yùn)動(dòng) 原子能級(jí)分裂成能帶 絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體的能帶 13 電子共有化運(yùn)動(dòng) 2p 3s 3s 3s 3s 2p 2p 2p 原子組成晶體后，由于電子殼層的交疊，電子不再局限 在某一個(gè)原子上，可以由 一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子中 去，可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。稱為 電子的共有化運(yùn)動(dòng)。 14 1、晶體電子兼有 原子運(yùn)動(dòng) 和 共有化運(yùn)動(dòng) 原子運(yùn)動(dòng) 電子在原子核周圍作局域運(yùn)動(dòng) 共有化運(yùn)動(dòng) 電子在 不同原子的相同軌道 上轉(zhuǎn)移 2、不同軌道電子的共有化運(yùn)動(dòng)程度不同（附圖如后） 內(nèi)層電子 弱 外層電子 強(qiáng) 3、 共有化運(yùn)動(dòng)是晶體電子運(yùn)動(dòng)的特征，也是使晶體

5、原子相 互結(jié)合形成周期性晶格的原因 4、 電子共有化運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生是由于不同原子的相似殼層間的 交疊 15 共有化運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱 決定于 形式（擴(kuò)展性） )(rku 共有化運(yùn)動(dòng)弱 內(nèi)層電子 “緊束縛近似” 共有化運(yùn)動(dòng)強(qiáng) 外層電子（價(jià)電子） “近自由電子近似” 16 原子能級(jí)分裂為能帶的示意圖 N個(gè)原子互相靠近結(jié)合成晶體后，每個(gè)電子都要受到周 圍原子勢場的作用，其結(jié)果是每一個(gè) N度簡并的能級(jí)都 分裂成 N個(gè)彼此相距相近的能級(jí)，這 N個(gè)能級(jí)組成一個(gè) 能帶。分裂的每一個(gè)能帶都稱為允帶，允帶之間因沒 有能級(jí)稱為禁帶。 能級(jí)的分裂和能帶的形成 17 用能帶論來區(qū)分 導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體 價(jià)帶：電子已占滿，在外場

6、作用下，不形成電流。 導(dǎo)帶：電子被部分占據(jù)。電子可以從外電場中吸 收能量躍遷到未被電子占據(jù)的能級(jí)，形成電流。 禁帶：最低的空帶導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的距離稱為 禁帶寬度。 18 能量 -動(dòng)能圖 自由電子 能量和動(dòng)量 的關(guān)系： E=P2/2m0 （ m0為自由電子質(zhì)量） E=P2/2mn （ p為動(dòng)量 ， mn為電子有效質(zhì)量） 拋物線 表示： E P 注意： 電子有效質(zhì)量由半導(dǎo)體特性決定，但可以由 E對(duì) P 的二次微分算出： mn=（ d2E/dp2） -1 由此得：曲率越小，二次微分越大，有效質(zhì)量越小 19 硅與砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu) 1 1 1 1 0 0 p E S i 1 1 1 1 0 0 p E

7、G a A s 20 直接禁帶半導(dǎo)體與間接禁帶半導(dǎo)體 砷化鎵也被稱為直接禁帶半導(dǎo)體，當(dāng)電子從價(jià)帶 轉(zhuǎn)換到導(dǎo)帶時(shí)，不需要?jiǎng)恿哭D(zhuǎn)換。 硅、鍺也被稱為間接禁帶半導(dǎo)體，當(dāng)電子從價(jià)帶 轉(zhuǎn)換到導(dǎo)帶時(shí)，需要?jiǎng)恿哭D(zhuǎn)換。 21 絕緣體： 被電子占據(jù)的最高能帶是滿帶，而且禁 帶寬度很大?？諑眨瑵M帶全滿。激發(fā)電子需 要很大能量。除非電場很強(qiáng)，上面許可帶中沒有 電子，因此在電場下沒有電流。良好地絕緣性。 (Eg5eV) 22 對(duì)于金屬，被電子填充的最 高能帶通常是半滿或部分填 充的。能帶發(fā)生交疊。在某 一方向上周期場產(chǎn)生的禁帶 被另一個(gè)方向上許可的能帶 覆蓋，晶體的禁帶消失。 對(duì)于半導(dǎo)體， Eg 2eV.常溫 下

8、，當(dāng)熱激發(fā)或光照時(shí)，滿 帶中少量電子被激發(fā)到上面 空帶中，于是參予導(dǎo)電。 脫離共價(jià)鍵所需的最低能 量是禁帶寬度 Eg。 23 幾種固體材料導(dǎo)電特性總結(jié) 絕緣體 半導(dǎo)體 導(dǎo)體（金屬） 半金屬 T = 0 K 不導(dǎo)電 不導(dǎo)電 導(dǎo)電 導(dǎo)電 T = 300 K 不導(dǎo)電 很高 導(dǎo)電 較高 (熱激發(fā) e,h) 導(dǎo)電 低 (n 1022 cm-3) 導(dǎo)電 金屬 半金屬 0k時(shí)，就有電子 從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶去，同時(shí)價(jià)帶中產(chǎn)生了空穴的 過程。 當(dāng)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)遠(yuǎn)小于有熱激發(fā)產(chǎn)生的電子空 時(shí)，此半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。 27 兩種分布函數(shù)及適用范圍 費(fèi)米分布函數(shù) 公式： 玻耳茲曼分布函數(shù) 公式： k0是玻耳茲曼常數(shù)，

9、 T是絕 對(duì)溫度， EF費(fèi)米能級(jí)或費(fèi)米 能量。 f(E) = 1 1+exp E-EF ( k 0 T ) 適用：在 E-EFk0T處， 量子態(tài)為電子占據(jù)的幾率很 小時(shí) fB(E)=A e E k0T - A=e EF k 0T 其中 28 非簡并性系統(tǒng)：服從玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng) 簡并性系統(tǒng)：服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng) 費(fèi)米能級(jí)是量子態(tài)基本上被電子占據(jù)或基本上是空的一 個(gè)標(biāo)志 費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律與玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)律的主要區(qū)別在于：前者受到 泡利不相容原理的限制。在 E-EFK0T的條件下，泡利不相 容原理失去作用，因而兩種統(tǒng)計(jì)的結(jié)果變成一樣了。 29 導(dǎo)帶中的電子濃度和價(jià)帶中的空穴濃度 價(jià)帶中的空穴濃度

10、公式： 3 23 0 * )2( 2 h TkmN nc 令 則 Tk EENn FC c 0 0 e x p 導(dǎo)帶中的電子濃度 3 23 0 * )2( 2 h TkmN p 令 則 Fk EENp F 0 0 e x p 30 載流子濃度乘積 公式： 特點(diǎn)：對(duì)一定的半導(dǎo)體材料，乘積 n 0p0是一定的。換言 之， 當(dāng)半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時(shí)，載流子濃度的乘積保 持 恒定，如果電子濃度增加，空穴濃度就要減少，反之 亦然。 適用：熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導(dǎo)體 Tk E T m mm pn gpn 0 3 23 2 0 * 31 00 e x p1033.2 31 本征載流子濃度： 式中， Eg=E

11、c-Ev Tk ENNpnn g Ci 0 21 00 2e x p 本征費(fèi)米能級(jí) Ei V CVC Fi N NkTEEEE ln 22 32 表 3 300K下鍺、硅、砷化鎵的本征載流子濃度 各項(xiàng) 參數(shù) Eg(ev) mn*(mdn) mp*(mdp) Nc(cm-3) Nv(cm-3) ni(cm-3) 計(jì)算值 ni(cm-3) 測量值 Ge 0.67 0.56m0 0.37m0 1.05x1019 5.7x1018 2.0 x1013 2.4x1013 Si 1.12 1.08m0 0.59m0 2.86x1019 2.66x1019 7.8x109 9.65x109 GaAs 1.4

12、2 0.068m0 0.47m0 4.7x1017 7x1018 2.3x106 2.25x106 33 2.7 施主與受主 非本征半導(dǎo)體 施主與受主 多子與少子 非簡并半導(dǎo)體 簡并半導(dǎo)體 34 施主與受主 替位式雜質(zhì) 與間隙式雜質(zhì) 施主雜質(zhì)與施主能級(jí) 受主雜質(zhì)與受主能級(jí) 35 間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì) (b) 替位式擴(kuò)散 (substitutional) 間隙式 雜質(zhì)： O, Fe, Ni, Zn, Mg 替 位 式 雜質(zhì) P， B， As, Al, Ga, Sb, Ge (a) 間隙式擴(kuò)散 (interstitial) 雜質(zhì)原子比較小 雜質(zhì)原子和被取代的晶格原子大小 相近，價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)相近

13、。 36 間隙式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置；一 般原子比較小。 替位式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子取代晶格原子位于晶格處。要求 替位式雜質(zhì)的大小與被取代的晶格原子的大小相近。 37 施主雜質(zhì) (donor) V族 ： P, As V族元素取代 Si原子后，形 成一個(gè) 正電中心 和 一個(gè)多余 的價(jià)電子 。 該價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)： 比成鍵電子自由 受到 As 的庫侖作用。 As ：不能移動(dòng)的正電中心 施主雜質(zhì) (n型雜質(zhì)）： 能夠 向晶體提供電子同時(shí)自身成 為帶正電的離子的雜質(zhì)。 38 雜質(zhì)電離 (Impurity Ionization) 雜質(zhì)電離 ：電子脫離雜質(zhì)原子的束縛成為導(dǎo)電電 子的過程 雜質(zhì)電

14、離能 ：使這個(gè)多余的價(jià)電子掙脫束縛成為 導(dǎo)電電子所需要的能量。 ED ni 下標(biāo)表示半導(dǎo)體導(dǎo)電類型 . , , n D A D A P A D A D n N N N N P N N N N 46 2.7.2 簡并半導(dǎo)體 對(duì)于高摻雜的 n型或 p型半導(dǎo)體， EF將高于 EC， 或 低于 EV-簡并半導(dǎo)體 禁帶寬度變窄效應(yīng)：高濃度造成禁帶寬度變小。 47 作業(yè) 1 1.半導(dǎo)體器件的哪四種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)？ 2.什么是晶體中電子共有化運(yùn)動(dòng)？ 3.簡述半導(dǎo)體晶體中能帶如何形成的？ 48 作業(yè) 2 1 P45 7 2 P46 14 49 作業(yè) 3 1.什么是熱平衡狀態(tài)？ 2.什么是本征激發(fā)、本征半導(dǎo)體？ 3.金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶圖？ 4.什么是非簡并半導(dǎo)體？ 5. P46 15 . 17