1、第五章 半導(dǎo)體,半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體摻雜機(jī)制 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu) 載流子漂移 P-N結(jié) 半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)制 半導(dǎo)體光伏電池,5.1 半導(dǎo)體材料,半導(dǎo)體材料的分類 I（按功能分類）,電子材料檢波/放大/整流/存儲(chǔ) 光電材料發(fā)光/探測(cè)/光伏/成像 熱電材料 測(cè)溫、發(fā)電 傳感材料氣敏/濕敏/熱敏/光敏/磁敏 光子材料激光/光傳輸/光放大/光計(jì)算/光存儲(chǔ) 微波材料,5.1 半導(dǎo)體材料,半導(dǎo)體材料的分類 II（按成分分類）,元素半導(dǎo)體由單一元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，如鍺、硅、硒等 化合物半導(dǎo)體由兩種或兩種以上元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，如InP, GaAs，Ga1-xAlxAs, GaN，ZnO，SiC等 有機(jī)半導(dǎo)體由有機(jī)

2、高分子材料構(gòu)成的半導(dǎo)體，如電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物，芳香族化合物 復(fù)合半導(dǎo)體：兩種或兩種以上半導(dǎo)體材料的復(fù)合，如無機(jī)/無機(jī)，有機(jī)/無機(jī)，有機(jī)/有機(jī)復(fù)合,5.1 半導(dǎo)體材料,半導(dǎo)體材料的分類 III（按結(jié)構(gòu)分類）,單晶半導(dǎo)體：整塊半導(dǎo)體材料中的原子周期性地有序排列。 多晶半導(dǎo)體：半導(dǎo)體材料中分成許多區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)的原 子周期性地有序排列。 非晶態(tài)半導(dǎo)體：半導(dǎo)體材料中的原子排列長程沒有周期性， 但短程有序。 異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體：指外延層與襯底材料不同的半導(dǎo)體多層 膜結(jié)構(gòu)。 超晶格半導(dǎo)體：利用外延技術(shù)制備的人工晶體結(jié)構(gòu)。 納米半導(dǎo)體：結(jié)構(gòu)尺度為納米的半導(dǎo)體材料，如納米顆粒 或納米薄膜。 復(fù)合半導(dǎo)體：兩種或兩種以上

3、半導(dǎo)體材料的復(fù)合，如無機(jī)/ 無機(jī)，有機(jī)/無機(jī)，有機(jī)/有機(jī)復(fù)合。,5.1 半導(dǎo)體材料,常見半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu),金剛石結(jié)構(gòu) 軌道雜化導(dǎo)致四個(gè)價(jià)電子等價(jià)。(1s)2(2s)2(2p)2 - (1s)2(2s)1(2p)3 面心立方兩個(gè)面心立方點(diǎn)陣沿對(duì)角線相對(duì)移動(dòng)1/4距離,Si, Ge,5.1 半導(dǎo)體材料,常見半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu),閃鋅礦結(jié)構(gòu)：與金剛石結(jié)構(gòu)相似，閃鋅礦結(jié)構(gòu)也是一種由面心立方構(gòu)成的復(fù)式格子，但兩套格子各自的原子不同。在這種結(jié)構(gòu)中，既有軌道雜化，又有原子間的電荷轉(zhuǎn)移，原子間的鍵為離子鍵與共價(jià)鍵組成的混合鍵。所以電子云的分布呈非對(duì)稱分布而偏向某一原子,GaAs，ZnS,5.1 半導(dǎo)體材料,熱力學(xué)

4、穩(wěn)定相為釬鋅礦結(jié)構(gòu)，寬帶隙，缺乏中心對(duì)稱性，具有強(qiáng)的壓電特性，對(duì)可見光透明等（ ZnO）,常見半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu),5.2 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制,本征半導(dǎo)體（semiconductor）,# 本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(dǎo)體。 # 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。,* 本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)：,所以加熱、光照、加電場(chǎng)都能把電子從滿帶激到發(fā)空帶中去，同時(shí)在滿帶中形成 “空穴”（hole）,半導(dǎo)體的滿帶與空帶之間也是禁帶，但是禁帶寬度Eg 很窄 (0.1 2eV),以半導(dǎo)體 CdS為例,滿帶上的一個(gè)電子躍遷到空帶后，滿帶中出現(xiàn)一個(gè)帶正電的空位，稱為 “空穴” 電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的。,電子和空穴叫本征載

5、流子，它們形成半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電性,5.2 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制,當(dāng)光照 h Eg 時(shí)，可發(fā)生本征吸收， 形成本征光電導(dǎo)。,解,例 要使半導(dǎo)體 Cd S產(chǎn)生本征光電導(dǎo)，求激發(fā)電子的光波的波長最大多長？,5.2 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制,空帶,滿帶,在外電場(chǎng)作用下，電子可以躍遷到空穴上來，這相當(dāng)于 空穴反向躍遷,空穴躍遷也形成電流，這稱為空穴導(dǎo)電,兩種導(dǎo)電機(jī)制： 電子導(dǎo)電： 半導(dǎo)體的載流子是電子 空穴導(dǎo)電： 半導(dǎo)體的載流子是空穴,5.2 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制,當(dāng)外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，共有化電子還是能越過禁帶躍遷到上面的空帶中，使半導(dǎo)體擊穿,為什么導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而升高，而半導(dǎo)體的電阻卻隨溫度升高而降低？,半導(dǎo)體,導(dǎo)

6、體,5.2 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制,雜質(zhì)（impurity）半導(dǎo)體,1. n型半導(dǎo)體,量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級(jí)在禁帶中緊靠空帶處， ED10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電,該能級(jí)稱為施主（donor）能級(jí)。,本征半導(dǎo)體 Si、Ge等的四個(gè)價(jià)電子，與另四 個(gè)原子形成共價(jià)結(jié)合，當(dāng)摻入少量五價(jià)的雜質(zhì) 元素（如P、As等）時(shí)，就形成了電子型半導(dǎo)體， 又稱 n 型半導(dǎo)體。,5.2 半導(dǎo)體摻雜,n 型半導(dǎo)體,空 帶,施主能級(jí),ED,5.2 半導(dǎo)體摻雜,Si 原子濃度1022 cm3 則P 原子濃度1018 cm3,np=1.51010 cm 3,室溫下：,本征激發(fā),雜質(zhì)激發(fā),導(dǎo)帶中電子濃度,nn=1

7、.51010 10181018 cm3,滿帶中空穴濃度,設(shè) Si中P的含量為104,在n型半導(dǎo)體中： 電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。 電子濃度nn 施主雜質(zhì)濃度nd,5.2 半導(dǎo)體摻雜,2. p型半導(dǎo)體,四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、e等摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素（如、Ga、In等）時(shí)，就形成空穴型半導(dǎo)體，又稱 p 型半導(dǎo)體。,量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴能級(jí)在禁帶中緊靠滿帶處， EA 10 -1eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。,該能級(jí)稱受主（acceptor）能級(jí)。,5.2 半導(dǎo)體摻雜,空 帶,EA,受主能級(jí),P型半導(dǎo)體,5.2 半導(dǎo)體摻雜,Si原子濃度1022 cm 3 則B 原子濃度1018 c

8、m 3,np=1.5101010181018 cm3,室溫下：,本征激發(fā),雜質(zhì)激發(fā),導(dǎo)帶中電子濃度,nn=1.51010cm 3,滿帶中空穴濃度,設(shè) Si中B的含量為104,在p型半導(dǎo)體中： 空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。 空穴濃度np 受主雜質(zhì)濃度na,5.2 半導(dǎo)體摻雜,3. n型化合物半導(dǎo)體,例如，化合物GaAs中摻Te，六價(jià)的Te替代五價(jià)的As可形成施主能級(jí)，成為n型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。,4. p型化合物半導(dǎo)體,例如，化合物 GaAs中摻Zn，二價(jià)的Zn替代三價(jià)的Ga可形成受主能級(jí)，成為p型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。,5.2 半導(dǎo)體摻雜,Si可以替代Ga，施主 Si可以替代As，受主

9、施主/受主5/1,化合物GaAs中摻Si,雜質(zhì)補(bǔ)償作用,實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃度nd），又有受主雜質(zhì)（濃度na），兩種雜質(zhì)有補(bǔ)償作用：,若nd na為n型（施主）,若nd na為p型（受主）,利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用， 可以制成 p-n 結(jié),5.2 半導(dǎo)體摻雜,以上形成的施主或受主，稱為類氫雜質(zhì)能級(jí) 特點(diǎn)：束縛能很小，對(duì)于產(chǎn)生電子和空穴特別有效，施主或受主的能級(jí)非常接近導(dǎo)帶或價(jià)帶，稱淺能級(jí)雜質(zhì),深能級(jí)雜質(zhì),一些摻雜半導(dǎo)體中的雜質(zhì)或缺陷在帶隙中引入的能級(jí)較深，稱 深能級(jí)雜質(zhì), 摻Au的Si半導(dǎo)體 受主能級(jí)：導(dǎo)帶下0.54 eV 施主能級(jí)：價(jià)帶上0.35 eV,5.2 半導(dǎo)體摻雜,一般情況下深能

10、級(jí)雜質(zhì)大多為多重能級(jí) 在Si中摻雜的Au原子為兩重能級(jí) 多重能級(jí)反映了雜質(zhì)帶電的情況,兩個(gè)能級(jí)均無電子填充時(shí)，Au雜質(zhì)帶正電 受主能級(jí)填充一個(gè)電子，施主能級(jí)無電子填充時(shí)，Au為中性帶電狀態(tài)； 受主能級(jí)和施主能級(jí)都有電子填充時(shí)，Au雜質(zhì)帶負(fù)電,5.2 半導(dǎo)體摻雜,深能級(jí)雜質(zhì)和缺陷的作用,可以成為有效復(fù)合中心，大大降低載流子的壽命； 可以成為非輻射復(fù)合中心，影響半導(dǎo)體的發(fā)光效率； 可以作為補(bǔ)償雜質(zhì)，大大提高半導(dǎo)體材料的電阻率,5.2 半導(dǎo)體摻雜,摻雜的要求,高濃度 降低能量、可行性 高效率 能級(jí)小 高質(zhì)量 遷移率大 穩(wěn)定性 化學(xué)鍵能大 高性價(jià)比 最便宜 環(huán)保性 無毒、污染小,5.2 半導(dǎo)體摻雜,1

11、. 半導(dǎo)體載流子,半導(dǎo)體中的電子服從費(fèi)米 狄拉克統(tǒng)計(jì), 在金屬中，電子填充空帶的部分形成導(dǎo)帶，相應(yīng)的費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶中, 對(duì)于摻雜不太多的半導(dǎo)體，熱平衡下，施主電子激發(fā)到導(dǎo)帶中，同時(shí)價(jià)帶中還有少量的空穴, 半導(dǎo)體中電子的費(fèi)米能級(jí)位于帶隙之中,5.3 半導(dǎo)體中電子的費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布,電子在導(dǎo)帶各能級(jí)分布的幾率,半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)位于帶隙之中且有, 導(dǎo)帶中的電子接近經(jīng)典 玻耳茲曼分布, 導(dǎo)帶中每個(gè)能級(jí)上電子的平均占據(jù)數(shù)很小,5.3 半導(dǎo)體中電子的費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布,滿帶中空穴占據(jù)的幾率 能級(jí)不被電子占據(jù)的幾率,應(yīng)用, 空穴占據(jù)狀態(tài)的E越低(電子的能量)，空穴的能量越高，空穴平均占據(jù)數(shù)越小(電子占據(jù)數(shù)越大),5

12、.3 半導(dǎo)體中電子的費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布, 半導(dǎo)體中的導(dǎo)帶能級(jí)和滿帶能級(jí)遠(yuǎn)離費(fèi)密能量 導(dǎo)帶接近于空的，滿帶接近于充滿,5.3 半導(dǎo)體中電子的費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布,導(dǎo)帶底附近的能量,滿帶頂附近的能量,應(yīng)用自由電子能態(tài)密度,5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度,導(dǎo)帶中電子的濃度,5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度,令,有效能級(jí)密度,5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度,導(dǎo)帶電子濃度,單位體積中導(dǎo)電電子數(shù)就是如同導(dǎo)帶底 處的 個(gè)能級(jí)所應(yīng)含有的電子數(shù),空穴濃度, 溫度不變，導(dǎo)帶中電子越多，空穴越少，反之亦然,5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度,雜質(zhì)激發(fā),如果N型半導(dǎo)體主要含有一種施主，施主的能級(jí): ED 施主的濃度: ND,足夠低的溫度下，載流

13、子主要是從施主能級(jí)激發(fā)到導(dǎo) 帶的電子,導(dǎo)帶中電子的數(shù)目是空的施主能級(jí)數(shù)目, 兩式消去 EF,因?yàn)?5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度, 導(dǎo)帶底與施主能級(jí)差,施主的電離能,導(dǎo)帶中電子的數(shù)目,5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度,溫度很低時(shí), 很少的施主被電離,溫度足夠高時(shí), 施主幾乎全被電離，導(dǎo)帶中的電子數(shù)接近于施主數(shù),5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度,P型半導(dǎo)體,受主的能級(jí)位置: EA 受主濃度: NA,足夠低的溫度下，載流子主要是從受主能級(jí)激發(fā)到滿帶的空穴,滿帶中空穴的濃度, 受主的電離能,在足夠低的溫度下, 只有很少的受主被電離,5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度,本征激發(fā), 足夠高的溫度下，本征激發(fā)占主導(dǎo)地位,

14、 特點(diǎn)為每產(chǎn)生一個(gè)電子同時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)空穴, 帶隙寬度,因?yàn)?本征激發(fā)隨溫度變化更為陡峭 測(cè)量分析載流子隨溫度的變化，可以確定帶隙寬度,滿帶到導(dǎo)帶的電子激發(fā),5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度,假定與能級(jí)E對(duì)應(yīng)的有G(E)個(gè)量子態(tài)，則 由于N和G（E）與半導(dǎo)體材料本身的能帶結(jié)構(gòu)及摻雜情況有關(guān)，因此只要知道了N 、G(E) 和溫度T，就可以求出Ef。反過來，如果知道了Ef，由此可以確定各能級(jí)上的電子數(shù)及總粒子數(shù)N 可以證明費(fèi)米函數(shù)等于化學(xué)勢(shì)，處于熱平衡狀態(tài)系統(tǒng)有相同的化學(xué)勢(shì)，所以對(duì)一個(gè)處于熱平衡的系統(tǒng)，各處費(fèi)米能級(jí)相同,5.4 費(fèi)米能級(jí)與能態(tài)密度,對(duì)于費(fèi)米子，一個(gè)量子態(tài)要么被電子占據(jù)，要么空著，能量為E

15、的能級(jí)被占據(jù)的幾率為f(E)，因此空著的幾率為 不難看出，f(E)與1-f(E)相對(duì)E=Ef是對(duì)稱的，在該點(diǎn)占據(jù)及空著的幾率均為1/2。能量比費(fèi)米能級(jí)高的能級(jí)空著的幾率大，反之，能量比費(fèi)米能級(jí)低的能級(jí)充滿的幾率較大。當(dāng)能量很大時(shí)，即 時(shí)，費(fèi)米分布與玻色分布趨向同一函數(shù)，,5.4 費(fèi)米函數(shù)性質(zhì),5.4費(fèi)米函數(shù)與波耳茲曼函數(shù),大多數(shù)情況下費(fèi)米能級(jí)與導(dǎo)帶底的距離比kT大得多，所以費(fèi)米函數(shù)可以用玻爾茲曼函數(shù)代替 f(E)隨E按指數(shù)下降，導(dǎo)帶寬度為eV量級(jí)，因此將上限擴(kuò)展至無窮大處也不會(huì)引起較大的誤差,導(dǎo)帶中所有能級(jí)上電子的總密度等價(jià)于能量為Ec，態(tài)密度為Nc的一個(gè)能級(jí)。即把一個(gè)涉及許多能級(jí)的復(fù)雜的能帶

16、問題簡(jiǎn)化成了只有一個(gè)能級(jí)問題，即可以將導(dǎo)帶理解為一個(gè)電子都集中于導(dǎo)帶底Ec，密度為Nc的能級(jí)。因此Nc稱為導(dǎo)帶的有效狀態(tài)密度。同理Nv稱為價(jià)帶的有效狀態(tài)密度。,5.4 狀態(tài)有效密度,用兩個(gè)能級(jí)代替導(dǎo)帶和價(jià)帶，大大簡(jiǎn)化各種分析 有效狀態(tài)密度反映了導(dǎo)帶或價(jià)帶容納電子或空穴的能力 有效狀態(tài)密度是溫度的3/2次方函數(shù)，溫度愈高，N愈大 對(duì)T=300K，兩者對(duì)硅分別為2.81019cm-3和1.041018cm-3 ，大大小于價(jià)電子密度,5.4 狀態(tài)有效密度,如果將n與p相乘，則可以發(fā)現(xiàn)乘積pn與Ef無關(guān)，即 對(duì)特定的半導(dǎo)體材料，Ef與摻雜種類及摻雜濃度有關(guān)，因此由np與Ef無關(guān)可以推論此乘積pn與摻雜

17、種類及摻雜濃度無關(guān)，即只與半導(dǎo)體材料本身能帶結(jié)構(gòu)有關(guān) 如果由于某種原因使得電子增加，則其中的空穴數(shù)目必然減少。 當(dāng)摻雜濃度很大時(shí)，費(fèi)米能級(jí)可能進(jìn)入導(dǎo)帶或價(jià)帶，玻爾茲曼近似不再成立，因此電子空穴數(shù)目乘積不再與Ef無關(guān)。,5.4 質(zhì)量作用定律,由p=n，我們得到 因?yàn)镹vNc,所以對(duì)本征半導(dǎo)體來說，費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中間稍偏下面的部位，但十分接近中間位置。不過如果某種半導(dǎo)體的Nc與Nv及mdn與mdp相差太大，則本征半導(dǎo)體的Ef偏離中心位置的距離可能較遠(yuǎn)。例如銻化銦的費(fèi)米能級(jí)偏離禁帶中心達(dá)0.2eV,5.4 本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí),將上面的Ef 代入n與p的表達(dá)式，我們可以得到 同樣可得 本征載流子濃

18、度隨溫度指數(shù)增加，而且pi=ni,5.4 本征載流子濃度,室溫下硅的本征載流子濃度為 而有效狀態(tài)密度分別為Nc=2.811019 cm-3和Nv=1.041018 cm-3，即導(dǎo)帶及價(jià)帶只有約10億分之一的能級(jí)被電子或空穴填充。因此室溫下本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力一般是很差的。,5.4 實(shí)例,硅的能帶結(jié)構(gòu):導(dǎo)帶,導(dǎo)帶在與X間有一極小值，偏離中心點(diǎn)4/5，共有6個(gè)對(duì)稱的極小點(diǎn)，稱為能谷。因?yàn)?度對(duì)稱軸，所以y,z方向等價(jià)，因此,l表示縱向、t表示橫向質(zhì)量。等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面，中心軸為軸,5.5 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu),硅的能帶結(jié)構(gòu): 價(jià)帶,有3個(gè)子能帶，都在k=0處有極大值 1 、2兩個(gè)能帶簡(jiǎn)并，但曲率不同，

19、因此它們對(duì)應(yīng)的空穴有效質(zhì)量不同，重的一個(gè)稱為重空穴，輕的為輕空穴 第三個(gè)能帶與1、2兩個(gè)有距離 特點(diǎn):間接能帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂不重合,5.5 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu),鍺的能帶結(jié)構(gòu):導(dǎo)帶,在與L之間的布里淵邊界上有一極小值，截角8面體共有8個(gè)極小值，但因?yàn)闃O小值剛好位于布里淵區(qū)邊界，相對(duì)兩個(gè)極小之間相差一個(gè)倒格矢，所以實(shí)際上只有4個(gè)極小值，即只有4個(gè)能谷，同樣，等能面也是旋轉(zhuǎn)橢球面，但中心軸為軸,5.5 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu),GaAs的能帶結(jié)構(gòu),導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂都在k=0處，即為直接能帶；等能面為球形； 導(dǎo)帶在(100)方向接近布里淵邊界區(qū)還有另外一個(gè)極小值； 它的價(jià)帶情況與硅、鍺的類似，也有三個(gè)子能帶，也有輕

20、重空穴之分 直接帶隙,5.5 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu),本征半導(dǎo)體,N型本征半導(dǎo)體,P型本征半導(dǎo)體,Ec,Ei,Ev,Ef,Ec,Ev,Ef,Ed,Ec,Ev,Ef,Ea,室溫下、正常摻雜濃度,5.5半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí),施主能級(jí)摻入價(jià)數(shù)較高的雜質(zhì)原子；晶格缺陷；雜質(zhì)-缺陷復(fù)合體。 受主能級(jí)摻入價(jià)數(shù)較的雜質(zhì)原子；晶格缺陷；雜質(zhì)-缺陷復(fù)合體。 激子能級(jí)：束縛的電子-空穴對(duì) 極化子能級(jí)：電子-晶格相互作用,5.5 半導(dǎo)體禁帶中的能級(jí),表面態(tài):表面原子狀態(tài)與體內(nèi)的不同 等電子雜質(zhì):雜質(zhì)價(jià)電子數(shù)與母體的相同 固有原子缺陷 (A格子空位VA,B格子空位,A元素間隙原子, B元素間隙原子) 錯(cuò)位原子:化合物半導(dǎo)體中兩種

21、原子換位 間隙雜質(zhì),5.5 半導(dǎo)體禁帶中的能級(jí),硅的介電常數(shù)為14，有效質(zhì)量分別1.0m0，代入可得硅中施主電子能級(jí)離開導(dǎo)帶的距離0.087eV。 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果 能級(jí)的位置是與雜質(zhì)的種類有關(guān)系,5.5 實(shí)例,溫度較高時(shí)，價(jià)帶電子可以通過熱激發(fā)直接進(jìn)入導(dǎo)帶，成為本征激發(fā) 由于施主上的未成鍵電子的束縛能很小，因此很容易通過熱激發(fā)進(jìn)入導(dǎo)帶 由于價(jià)帶離開受主能級(jí)距離很小，因此價(jià)帶上的電子很容易通過熱激發(fā)進(jìn)入受主能級(jí) 其他使得電子從價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶的激發(fā)過程，如光照等,5.5 半導(dǎo)體中載流子的來源,遷移率（mobility）,遷移率是用來描述半導(dǎo)體中載流子在單位電場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)快慢的物理量，是描述載流子輸運(yùn)現(xiàn)象的

22、一個(gè)重要參數(shù)，也是半導(dǎo)體理論中的一個(gè)非常重要的基本概念。,電子遷移率,遷移率定義為：,由于載流子有電子和空穴，所以遷移率也分為電子遷移率和空穴遷移率，即：,空穴遷移率,單位： cm2/(Vs),5.5 載流子的漂移,電子熱運(yùn)動(dòng)速度,半導(dǎo)體中的傳導(dǎo)電子不是自由電子，晶格的影響需并入傳導(dǎo)電子的有效質(zhì)量,其中mn為電子的有效質(zhì)量，而vth為平均熱運(yùn)動(dòng)速度,在室溫下(300K)，上式中的電子熱運(yùn)動(dòng)速度在硅晶及砷化鎵中約為107cm/s,在熱平衡狀態(tài)下，傳導(dǎo)電子在三維空間作熱運(yùn)動(dòng),由能量的均分理論得到電子的動(dòng)能為,5.5 載流子的漂移,半導(dǎo)體中的電子會(huì)在所有的方向做快速的移動(dòng)，如圖所示 單一電子的熱運(yùn)動(dòng)

23、可視為與晶格原子、雜質(zhì)原子及其他散射中心碰撞所引發(fā)的一連串隨機(jī)散射，在足夠長的時(shí)間內(nèi)，電子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致單一電子的凈位移為零 平均自由程(mean free path)： 碰撞間平均的距離 平均自由時(shí)間c： 碰撞間平均的時(shí)間 平均自由程的典型 值為10-5cm，平均自 由時(shí)間則約為1微微秒 (ps, 即10-5cm/vth10-12s）,5.5 載流子的漂移,當(dāng)一個(gè)小電場(chǎng)E施加于半導(dǎo)體時(shí)，每一個(gè)電子會(huì)從電場(chǎng)上受到一個(gè)-qE的作用力，且在各次碰撞之間，沿著電場(chǎng)的反向被加速。因此，一個(gè)額外的速度成分將再加至熱運(yùn)動(dòng)的電子上，此額外的速度成分稱為漂移速度(drift velocity),這種在外電場(chǎng)

24、作用下載流子的定向運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng),一個(gè)電子由于隨機(jī)的熱運(yùn)動(dòng)及漂移成分兩者所造成的位移如圖所示,值得注意的是，電子的凈位移與施加的電場(chǎng)方向相反,5.5 載流子的漂移,電子在每兩次碰撞之間，自由飛行期間施加于電子的沖量為-qEc，獲得的動(dòng)量為mnvn，根據(jù)動(dòng)量定理可得到,或,上式說明了電子漂移速度正比于所施加的電場(chǎng)，而比例因子則視平均自由時(shí)間與有效質(zhì)量而定，此比例因子即為遷移率。,因此,同理，對(duì)空穴有,5.5 載流子的漂移,最重要的兩種散射機(jī)制：,影響遷移率的因素：,晶格散射(lattice scattering),雜質(zhì)散射(impurity scattering),晶格散射歸因于在任何高于絕對(duì)

25、零度下晶格原子的熱震動(dòng)隨溫度增加而增加，在高溫下晶格散射自然變得顯著，遷移率也因此隨著溫度的增加而減少。理論分析顯示晶格散射所造成的遷移率L將隨T-3/2方式減少,5.5 載流子的漂移,散射機(jī)制,平均自由時(shí)間,遷移率,雜質(zhì)散射：,雜質(zhì)散射是當(dāng)一個(gè)帶電載流子經(jīng)過一個(gè)電離的雜質(zhì)時(shí)所引起的,由于庫侖力的交互作用，帶電載流子的路徑會(huì)偏移。雜質(zhì)散射的幾率視電離雜質(zhì)的總濃度而定,然而，與晶格散射不同的是，雜質(zhì)散射在較高的溫度下變得不太重要。因?yàn)樵谳^高的溫度下，載流子移動(dòng)較快，它們?cè)陔s質(zhì)原子附近停留的時(shí)間較短，有效的散射也因此而減少。由雜質(zhì)散射所造成的遷移率I理論上可視為隨著T3/2/NT而變化，其中NT為

26、總雜質(zhì)濃度,5.5 載流子的漂移,例1：計(jì)算在300K下，一遷移率為1000cm2/(Vs)的電子的平均自由時(shí)間和平均自由程。設(shè)mn=0. 682m0,解 根據(jù)定義，得平均自由時(shí)間為,所以，平均自由程則為,又,5.5 載流子的漂移,電導(dǎo)率與電阻率互為倒數(shù)，均是描述半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的基本物理量。電導(dǎo)率越大，導(dǎo)電性能越好。,電導(dǎo)率(conductivity)與電阻率(resistivity)：,半導(dǎo)體的電導(dǎo)率由以下公式計(jì)算：,相應(yīng)的電阻率為：,5.5 載流子的漂移,一般來說，非本征半導(dǎo)體中，由于兩種載流子濃度有好幾次方的差異，只有其中一種對(duì)漂移電流的貢獻(xiàn)是顯著的。,如對(duì)n型半導(dǎo)體而言，可簡(jiǎn)化為（因?yàn)?/p>

27、np）,而對(duì)p型半導(dǎo)體而言，可簡(jiǎn)化為（因?yàn)閜n）,5.5 載流子的漂移,常見半導(dǎo)體材料的遷移率（厘米2/伏秒）,對(duì)硅而言，由于電子的有效質(zhì)量小于空穴的有效質(zhì)量，因而電子的遷移率比空穴的大，因此對(duì)于同樣尺寸的器件，相對(duì)來說，N型材料制作的器件工作頻率較高,5.5 載流子的漂移,當(dāng)半導(dǎo)體中通以電流時(shí)，電子與空穴除熱運(yùn)動(dòng)外還在電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)要受到磁場(chǎng)引起的洛倫茲力,5.5 霍爾效應(yīng)原理,當(dāng)霍耳電場(chǎng)引起的力與磁場(chǎng)引起的力最后達(dá)到平衡時(shí)，有,由此我們得到一個(gè)十分重要的公式,即霍耳電勢(shì)與流過的電流大小及磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比 比例系數(shù)稱為霍耳系數(shù) 對(duì)電子R=為-1/ne，對(duì)空穴為R

28、=1/pe,5.5 霍爾效應(yīng)原理,霍耳遷移率 由于磁場(chǎng)的存在，電子的漂移運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，因此以上所指的遷移率嚴(yán)格來說應(yīng)是磁場(chǎng)下的遷移率,引入霍耳遷移率后，霍耳系數(shù)要進(jìn)行修改，,對(duì)簡(jiǎn)單能帶半導(dǎo)體，Rn與Rp沒有差別 由半導(dǎo)體的具體能帶結(jié)構(gòu)可以算出霍耳遷移率 與一般遷移率的比值，它們?yōu)?通過霍爾系數(shù)測(cè)量，可以確定材料的導(dǎo)電類型，載流子濃度，電導(dǎo)率等十分重要的參數(shù),5.5 霍爾效應(yīng)原理,5.6 pn 結(jié),p - n 結(jié)的形成,在n型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜質(zhì)，該區(qū)就成為p型半導(dǎo)體（補(bǔ)償作用）,電子和空穴的擴(kuò)散， 在p型和n型半導(dǎo)體交 界面附近產(chǎn)生了一個(gè) 內(nèi)建(電)場(chǎng),阻止電子和空穴 進(jìn)

29、一步擴(kuò)散,內(nèi)建場(chǎng)大到一定 程度，不再有凈電 荷的流動(dòng)，達(dá)到了 新的平衡,在p型 n型交界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為p-n結(jié)（阻擋層，耗盡層），約0.1m厚,p-n結(jié),5.6 pn 結(jié),p-n結(jié)處存在電勢(shì)差U0形成的勢(shì)壘區(qū) 。,# 它阻止 p區(qū)帶正電的空穴進(jìn)一步向n區(qū)擴(kuò)散；也阻止n區(qū)帶負(fù)電的電子進(jìn)一步向p區(qū)擴(kuò)散,對(duì)Ge: U0=0.20.3 V 對(duì) Si: U0=0.60.7 V,5.6 pn 結(jié),由于p-n結(jié)的存在，電子的能量應(yīng)考慮進(jìn)勢(shì)壘帶來的附加勢(shì)能。,電子的能帶出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象,5.6 pn 結(jié),擴(kuò)散和漂移形成平衡電荷分布，滿足玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律, N區(qū)和P區(qū)空穴濃度之比,熱平衡下N區(qū)和P區(qū)電

30、子濃度, P區(qū)和N區(qū)電子濃度之比,5.6 pn 結(jié),p-n結(jié)的單向?qū)щ娦?1. 正向偏壓,p-n結(jié)的p型區(qū)接電源正極，叫正向偏壓,形成正向電流（m級(jí)）,阻擋層勢(shì)壘降 低、變窄 有利于空穴向 n區(qū)運(yùn)動(dòng) 也有利電子 向p區(qū)運(yùn)動(dòng),5.6 pn 結(jié),外加正向電壓越大， 形成的正向電流也越大且呈非線性的伏安特性,鍺管的伏安特性曲線,5.6 pn 結(jié),2. 反向偏壓,p-n結(jié)的p型區(qū)接電源負(fù)極，叫反向偏壓。,阻擋層勢(shì)壘升 高、變寬， 不利于空穴向 n區(qū)運(yùn)動(dòng)， 也不利于電子 向p區(qū)運(yùn)動(dòng),沒有正向電流！,但是由于少數(shù)載流子的存在，會(huì)形成很弱 的反向電流，稱漏電流（級(jí)）,5.6 pn 結(jié),當(dāng)外電場(chǎng)很強(qiáng)，反向電壓

31、超過某一數(shù)值后， 反向電流會(huì)急劇增大反向擊穿,用其單向?qū)щ娦?，可制成二極管(diode):整流、開關(guān) 用其電致發(fā)光效應(yīng)，可制成發(fā)光二極管（LED） 用其光生伏特效應(yīng)，可制成太陽能電池,擊穿電壓,pn結(jié)的應(yīng)用：,加反向偏壓時(shí)，p n結(jié)的伏安特性曲線,5.6 pn 結(jié),雙極晶體管,由兩個(gè)相距很近的PN結(jié)組成：,分為：NPN和PNP兩種形式,基區(qū)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度,5.7 半導(dǎo)體器件,金屬絕緣體半導(dǎo)體和MOS反型層,MIS體系：金屬絕緣體半導(dǎo)體,(MetalInsulatorSemiconductor),MOS體系：金屬氧化物半導(dǎo)體, MIS結(jié)構(gòu)的一種特殊形式,(MetalOxideSemic

32、onductor),MOS有著許多主要的應(yīng)用,1) 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管：存儲(chǔ)信息 2) 集成電路：計(jì)算機(jī)RAM 3) 電荷耦合器件：CCD 存儲(chǔ)信號(hào)，轉(zhuǎn)換信號(hào),5.7 半導(dǎo)體器件,P型半導(dǎo)體,MIS體系的機(jī)理,金屬層 柵極 氧化物(SiO2 100nm) 半導(dǎo)體接地,在柵極施加電壓為負(fù)時(shí)，半導(dǎo)體中的空穴被吸收到IS表面，并在表面處形成帶 正電荷的空穴積累層 在柵極施加電壓為正時(shí)，半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子空穴被排斥離開IS表面 少數(shù)載流子 電離的受主電子被吸收表面處,5.7 半導(dǎo)體器件,正電壓較小 空穴被排斥，在表面處形成負(fù)電荷的耗盡層,為屏蔽柵極正電壓, 耗盡層具有一定的厚度d 微米量級(jí)空間電荷區(qū),5

33、.7 半導(dǎo)體器件, 空間電荷區(qū)存在電場(chǎng)，使能帶發(fā)生彎曲 對(duì)空穴來說形成一個(gè)勢(shì)壘,5.7 半導(dǎo)體器件,表面 x0相對(duì)于體內(nèi)xd的電勢(shì)差 表面勢(shì)：Vs,柵極正電壓增大時(shí)，表面勢(shì)進(jìn)一步增大 表面勢(shì)足夠大時(shí)，有可能表面處的費(fèi)密能級(jí)進(jìn)入帶隙的上半部 空間電荷區(qū)電子的濃度將要超過空穴的濃度形成電子導(dǎo)電層,5.7 半導(dǎo)體器件,空間電荷區(qū)的載流子主要為電子，半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子為空穴，空間電荷層 反型層,5.7 半導(dǎo)體器件,形成反型層時(shí)的能帶,Ei是半導(dǎo)體的本征費(fèi)密能級(jí)，EF是表面處的費(fèi)密能級(jí), 當(dāng)EF在Ei之上時(shí)，電子的濃度大于空穴的濃度 兩者相等時(shí)，電子和空穴的濃度相等 當(dāng)EF在Ei之下時(shí)，電子的濃度小于空

34、穴的濃度,5.7 半導(dǎo)體器件,形成反型層的條件, 費(fèi)密能級(jí)EF從體內(nèi)Ei之 下變成表面時(shí)Ei之上， 兩者之差qVF滿足,一般形成反型層的條件, 表面處電子濃度增加到等于或超過體內(nèi)空穴的濃度,5.7 半導(dǎo)體器件,反型層中的電子，一邊是絕緣層 導(dǎo)帶比半導(dǎo)體高出許多，另一邊 是耗盡層空間電荷區(qū)電場(chǎng)形成的勢(shì)壘,電子被限制在表面附近能量最低的一個(gè)狹窄的區(qū)域 有時(shí)稱反型層稱為溝道 P型半導(dǎo)體的表面反型層是電子構(gòu)成的 N溝道,5.7 半導(dǎo)體器件,N溝道晶體管,在P型襯底的MOS體系中增加兩個(gè)N型擴(kuò)散區(qū) 源區(qū)S和漏區(qū)D，構(gòu)成N溝道晶體管,1) 一般情況下：柵極電壓很小，源區(qū)S和漏區(qū)D被P型區(qū)隔開，即使在SD之

35、間施加一定的電壓，由于SP和DP區(qū)構(gòu)成兩個(gè)反向PN結(jié),# 只有微弱的PN反向結(jié)電流,5.7 半導(dǎo)體器件,2) 柵極電壓達(dá)到或超過一定的閾值，Insulator_P-Si表面處形成反型層 電子的濃度大于體內(nèi)空穴的濃度,3) 通過控制柵極電壓的極性和數(shù)值，使MOS晶體管處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，源區(qū)S和漏區(qū)D之間的電流受到柵極電壓的調(diào)制, 集成電路應(yīng)用,反型層將源區(qū)S和漏區(qū)D連接起來，此時(shí)在SD施加一個(gè)電壓，則會(huì)有明顯的電流產(chǎn)生,5.7 半導(dǎo)體器件,MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管,5.7 半導(dǎo)體器件,p-n結(jié)的適當(dāng)組合可以作成具有放大作用的晶體三極管（trasistor）和其他一些半導(dǎo)體器件。,集成電路,大規(guī)模集成

36、電路,超大規(guī)模集成電路,晶體管,（1947）,（1962 ）,（80年代）,103,105,甚大規(guī)模集成電路,巨大規(guī)模集成電路,107,109,（70年代）,（90年代）,（現(xiàn)在）,5.7 半導(dǎo)體器件,1947年12月23日，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的半導(dǎo)體小組做出世界上第一只具有放大作用的點(diǎn)接觸型晶體三極管。,1956年小組的三位成員獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。,5.7 晶體管的發(fā)明,2000諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),杰克基爾比 信息技術(shù)方面的基礎(chǔ)性工作：集成電路,5.7 集成電路,每一個(gè)集成塊（圖中一個(gè)長方形部分）約為手指甲大小，它有300多萬個(gè)三極管。,INMOS T900微處理器,四個(gè)尺寸參量： 載流子平均自由程 磁

37、場(chǎng)中電子回旋半徑 rc 薄膜厚度 d De Broglie 波長 分幾種情況來討論,體材料：l 忽略載流子與樣品邊界的作用，體內(nèi)散射為主。 d l 界面散射需考慮 r 磁場(chǎng)量子化 l 電導(dǎo)能帶理論不符合，低遷移率量子理論，介觀物理 d 載流子運(yùn)動(dòng)量子尺寸效應(yīng),5.7 尺寸效應(yīng),異質(zhì)外延晶格常數(shù)差,晶格失配度 臨界厚度晶格失配時(shí)厚度,SiGe/Si結(jié)構(gòu)中熱應(yīng)力對(duì) 臨界厚度的影響,JY Huang et al J. Appl. Phys. 1998,異質(zhì)結(jié)：兩種不同的材料“連接”在一起形成異質(zhì)結(jié),半導(dǎo)體、金屬、絕緣體等大量材料都可以用來制備優(yōu)質(zhì)的異質(zhì)結(jié),例：,SiO2/Si異質(zhì)結(jié)，界面缺陷非常少,

38、III-V化合物異質(zhì)結(jié),GaAs/AlGaAs, GaInAs/InP, GaInAs/AlInAs,GaSb/AlSb, GaN/AlN, InN/GaN,II-VI化合物異質(zhì)結(jié),CdZnO/ZnO, ZnMgO/ZnO,光電子、微電子廣泛采用異質(zhì)結(jié),調(diào)制能帶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能帶剪裁,量子結(jié)構(gòu)中的電子態(tài),例：幾種半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶圖,(a),(b),(c),(d),(e),(f),(g),(h),(i),(b): 單結(jié)異質(zhì)結(jié)構(gòu) (c) (e): 雙結(jié)異質(zhì)結(jié)構(gòu) (f): 四結(jié)異質(zhì)結(jié)構(gòu) (d) (g) (h) (i): 多結(jié)異質(zhì)結(jié)構(gòu),(a)(b):單異質(zhì)結(jié) (c):單量子阱 (d):多量子阱 (e):

39、單勢(shì)壘結(jié)構(gòu) (f): 雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu) (g):多勢(shì)壘結(jié)構(gòu) (h): I 類超晶格 (i): II類超晶格,根據(jù)能帶的不連續(xù)性，可以分為,I型,II型,電子和空穴在同一種材料中,電子和空穴在不同的材料中,一般約有幾百個(gè)毫電子伏，比載流子的能量(kT)要大許多，載流子被限制在勢(shì)阱中。,勢(shì)阱寬度 ,勢(shì)阱寬度 ,阱中載流子的de Broglie 波長,經(jīng)典勢(shì)阱,量子勢(shì)阱,量子阱結(jié)構(gòu),有如下假設(shè)：1）電子有效質(zhì)量m*為各向同性有效質(zhì)量 2）對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的勢(shì)能，假設(shè)為理想的臺(tái)階形狀 方勢(shì)阱近似,對(duì)應(yīng)于薄膜厚度非常薄的多層膜情況,量子阱中的電子態(tài)和態(tài)密度,在禁帶較窄的薄膜兩側(cè)，生長另一種禁帶較寬的材料，就構(gòu)成了量

40、子阱。,考慮電子情況，勢(shì)能：,勢(shì)阱高度,勢(shì)阱寬度,電子氣（空穴氣）,江崎嶺于奈 發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體中的隧道效應(yīng),1973諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),LED特點(diǎn),低電壓 3-4V 高效節(jié)能 35% 長壽命10萬小時(shí)（電燈3000-8000小時(shí)） 體積小 環(huán)保（廢棄物少） 應(yīng)用廣泛（全彩色顯示、汽車電子、手機(jī)顯示，儀器儀表顯示、未來白光照明） 海島、高山無電網(wǎng)處易實(shí)現(xiàn)太陽能照明（軍事）,5.7 半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器,2000諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),信息技術(shù)方面的基礎(chǔ)性工作:異質(zhì)結(jié)發(fā)光,澤羅斯阿爾費(fèi)羅夫,赫伯特克勒默,5.7 半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器,Active Layer,5-period In0.3Ga0.7N/Ga

41、N SLs (2.5nm/4.0nm),Transparent electrode,P electrode,N electrode,Blue InGaN/GaN multi-quantum well LED structure,N-type GaN: Si 3-4m,Substrate Sapphire or Si,P-type Al0.1Ga0.9N:Mg 100nm,P-type GaN:Mg 0.5m,GaN buffer layer: 30nm,2.5nm InGaN,4.0nm GaN,5.7 半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器,電子、空穴復(fù)合發(fā)光,5.7 半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器,三塊半導(dǎo)體

42、,緊密接觸，形成 p-I-n 結(jié),（本征）,5.7 半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器,量子阱LED 能帶結(jié)構(gòu)圖,5.7 半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器,超晶格LED 能帶結(jié)構(gòu)圖,同質(zhì)結(jié)激光器實(shí)質(zhì)上是由同一種材料制成的一個(gè) p-n結(jié)（重?fù)诫s） 異質(zhì)結(jié)激光器實(shí)質(zhì)上是由兩種不同材料制成的一 個(gè) p-I-n結(jié)（ I為本征半導(dǎo)體）,半導(dǎo)體激光器分兩類:,半導(dǎo)體激光器是光纖通訊中的重要光源，在創(chuàng)建信息高速公路的工程中起著極重要的作用。,5.7 半導(dǎo)體激光器,重?fù)诫s,普通摻雜,同質(zhì)結(jié)激光器,5.7 半導(dǎo)體激光器,加正向偏壓V 粒子數(shù)反轉(zhuǎn),電子空穴復(fù)合發(fā)光,5.7 半導(dǎo)體激光器,適當(dāng)鍍膜達(dá)到所要求 的反射系數(shù)，可形成光振蕩并利于選頻。,激勵(lì)能源就是外接 電源（電泵）它提供正向電流，使電子空穴的復(fù)合不斷進(jìn)行，維持激光的輸出,由自發(fā)輻射引起受激輻射,p-n結(jié)本身就形成一個(gè)光學(xué)諧振腔，它的兩個(gè)端面就相 當(dāng)于兩個(gè)反射鏡，,5.7 半導(dǎo)體激光器,核心部分：,p型GaAs n型GaAs,典型尺寸