1、半導(dǎo)體物理與器件湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院胡慧芳,教材與參考書,推薦教材： 光電器件基礎(chǔ)與應(yīng)用 彭軍 科學(xué)出版社,2009 參考教材： 半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)(美)Robert F.Pierret著，黃如等譯，2010 現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理(美)施敏(S.M.Sze)著，王陽元等譯，科學(xué)出版社，2001 半導(dǎo)體物理與器件 Donald A.Neamen著，電子工業(yè)出版社出版 半導(dǎo)體物理學(xué) 劉恩科 ，西安交通大學(xué)出版社，2003 半導(dǎo)體物理學(xué)顧祖毅，田立林等，電子工業(yè)出版社，1995,本課程的目標(biāo) 通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將較全面了解光電子科學(xué)與技術(shù)的基礎(chǔ)知識與基本技能、應(yīng)用領(lǐng)域及研究熱點、學(xué)科方向與發(fā)展

2、趨勢等內(nèi)容，為學(xué)生進入相關(guān)研究領(lǐng)域或相關(guān)的交叉學(xué)科，打下一個初步的基礎(chǔ)。,光電器件的分類,換能器（發(fā)光器件）在光纖通信中占有重要的地位,光纖通信對光源的基本要求有如下幾個方面： 1）光源發(fā)光的峰值波長應(yīng)在光纖的低損耗窗口之內(nèi)，要求材料色散較小。 2）光源輸出功率必須足夠大，入纖功率一般應(yīng)在10微瓦到數(shù)毫瓦之間。 3）光源慶具有高度可靠性，工作壽命至少在10萬小時以上才能滿足光纖通信工程的需要。 4）光源的輸出光譜不能太寬，以利于傳播高速脈沖。 5）光源應(yīng)便于調(diào)制，調(diào)制速率應(yīng)能適應(yīng)系統(tǒng)的要求。 6）電光轉(zhuǎn)換效率不應(yīng)太低，否則會導(dǎo)致器件嚴(yán)重發(fā)熱和縮短壽命。 7）光源應(yīng)省電，光源的體積、重量不應(yīng)太大

3、。,作為光通信系統(tǒng)用的光探測器需要滿足以下要 求： 1）其響應(yīng)波長范圍要與光纖通信的低衰耗窗口匹配， 2）具有很高的量子效率和響應(yīng)度， 3）具有很高的響應(yīng)速度， 4）具有高度的可靠性。,半導(dǎo)體的基本知識,在物理學(xué)中，根據(jù)材料的導(dǎo)電性能，可分其為： 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 半導(dǎo)體器件在人們生活中的重要作用 信息領(lǐng)域：計算機及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（CPU、Memory、Chips）通信（移動電話） 能源領(lǐng)域：電源、機車、電機、馬達、電力輸送、節(jié)能、環(huán)保、自動化 軍事領(lǐng)域：尖端智能武器、光探測器、測距 消費類：隨身聽、音頻數(shù)字信號處理、光筆、電子表、汽車電子（電動車門、電噴、照明）、空調(diào)、彩電,現(xiàn)代文明,第一章

4、半導(dǎo)體器件基礎(chǔ),1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識 根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣 體和半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體。在一定條件下可導(dǎo)電。 半導(dǎo)體的電阻率為10-3109 cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。,半導(dǎo)體特點： 1) 在外界能源的作用下，導(dǎo)電性能顯著變 化。光敏元件、熱敏元件屬于此類。 2) 在純凈半導(dǎo)體內(nèi)摻入雜質(zhì)，導(dǎo)電性能顯 著增加。二極管、三極管屬于此類。,常見的典型半導(dǎo)體硅Si和鍺Ge都是4價元素,外層電子受原子核的束縛力最小，稱為價電子。物質(zhì)的性質(zhì)是由價電子決定的 。,1.1.1 本征半導(dǎo)體,本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu),本征晶

5、體中各原子之間靠得很近，使原來屬于各原子的四個價電子同時受到相鄰原子的吸引，分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。如下圖所示：,共價鍵性質(zhì),共價鍵上的兩個電子是由相鄰原子各用一個電子組成的，這兩個電子被成為束縛電子。 束縛電子同時受兩個原子的約束，如果沒有足夠的能量，不易脫離軌道。 因此，在絕對溫度T=0K（-273 C）時，由于共價鍵中的電子被束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有自由電子，不導(dǎo)電。只有在激發(fā)下，本征半導(dǎo)體才能導(dǎo)電。,電子與空穴,電子與空穴,自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破

6、壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。,導(dǎo)電機制,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能取決于外加能量： 溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化,電子與空穴的復(fù)合,可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，如圖所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達到動態(tài)平衡。,空穴的移動,由于共價鍵中出現(xiàn)了空穴，在外加能源的激發(fā)下，鄰近的價電子有可能掙脫束縛補到這個空位上，而這個電子原來的位置又出現(xiàn)了空穴，其它電子又有可能轉(zhuǎn)移到該位置上。這樣一來在共價鍵中就出現(xiàn)了電荷遷移電流。,電流的方向與電子移動的方向相反

7、，與空穴移動的方向相同。本征半導(dǎo)體中，產(chǎn)生電流的根本原因是由于共價鍵中出現(xiàn)了空穴。由于空穴數(shù)量有限，所以其電阻率很大。,晶體中的電子或空穴受到荷電的原子實的周期勢的作 用 ，用有效質(zhì)量來描述電子或空穴在半導(dǎo)體中運動的 量子力學(xué)性質(zhì) 一個電子的能量動量關(guān)系可寫為：,（1.1.1）,1.1.2 有效質(zhì)量和能帶,1.1.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。,(1) N型半導(dǎo)體 (2) P型半導(dǎo)體,1. N型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷可形成 N型半導(dǎo)體,也稱電子型

8、半導(dǎo)體。因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。,在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；另外，硅晶體由于熱激發(fā)會產(chǎn)生少量的電子空穴對，所以空穴是少數(shù)載流子。,N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因失去一個電子而帶 單位正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為 施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。,所以，N型半導(dǎo)體中的導(dǎo)電粒子有兩種： 自由電子多數(shù)載流子（由兩部分組成） 空穴少數(shù)載流子,2. P型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為

9、空穴型半導(dǎo)體。 因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。當(dāng)相鄰共價鍵上的電子因受激發(fā)獲得能量時，就可能填補這個空穴，而產(chǎn)生新的空穴?？昭ㄊ瞧渲饕d流子。,P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),在P型半導(dǎo)體中，硼原子很容易由于俘獲一個電子而成為一個帶單位負(fù)電荷的負(fù)離子，三價雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。 而硅原子的共價鍵由于失去一個電子而形成空穴。所以P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。,P型半導(dǎo)體中：空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成； 電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。,1.2 半導(dǎo)體中的自由載流子濃度,1.2.1 能量和態(tài)密度 能量 在本征半導(dǎo)體中，電子密度恰好等于空穴密度,(1.2.

10、1),使用能帶模型解釋a）施主雜質(zhì) b）受主雜質(zhì)的作用,態(tài)密度 當(dāng)電子能量為E，距離能帶帶邊不遠(yuǎn)時，有,（1.2.2）,費米分布函數(shù),(1.2.3),若E E F k 0T 上式是電子的玻耳茲曼分布函數(shù) 費米分布函數(shù)和玻耳茲曼分布函數(shù)的區(qū)別：前者受泡利不相容原理的制約 對于空穴，1 f(E)就是能量為E 的量子態(tài)被空穴占據(jù)的幾率 E E F k 0T時，上式轉(zhuǎn)化為空穴的玻耳茲曼分布函數(shù),(1.2.4),(1.2.5),(1.2.6),1.2.2 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 對導(dǎo)帶或價帶中所有量子態(tài)來說，電子或空穴都可以用玻耳茲曼統(tǒng)計分布描述 通常將服從玻耳玆曼統(tǒng)計分布規(guī)律的半導(dǎo)體稱為非兼并半導(dǎo)體，

11、將服從費米統(tǒng)計分布規(guī)律的半導(dǎo)體稱為兼并半導(dǎo)體 對非簡并半導(dǎo)體，在EE+dE內(nèi),(1.2.7),(1.2.8),對上式從導(dǎo)帶底到導(dǎo)帶頂積分，得到平衡態(tài)下非簡并導(dǎo) 帶和價帶的電子、空穴濃度,將n0和p0兩式代入上式的電中性條件,(1.2.10),(1.2.11),(1.2.12),(1.2.13),(1.2.9),1.2.3 雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度 電子占據(jù)施主能級ED的幾率為 設(shè)施主雜質(zhì)濃度為ND，施主能級上的電子濃度為 電離施主雜質(zhì)濃度為,（1.2.14）,（1.2.15）,（1.2.16）,平衡載流子分布,1.2.4 簡并半導(dǎo)體及其載流子濃度,如果n 型半導(dǎo)體中施主濃度ND很高, FE 就會與導(dǎo)帶底Ec 重合甚至進入導(dǎo)帶，此時EEF k0 T 不再成立,必須用 費米分布函數(shù)計算導(dǎo)帶電子濃度。,這種情況稱為載流子的簡并化,（1.2.17）,簡并半導(dǎo)體的n0 簡并半導(dǎo)體的n0 與非簡并半 導(dǎo)體計算類似，只是分布函 數(shù)要代入費米分布,（1.2.18）,上式就是簡并半導(dǎo)體的n0表達式 什么樣的摻雜濃度會發(fā)生簡并呢？ 簡并時NDNC，摻雜濃度很高。 發(fā)生簡并的ND還與ED（EC-EF）有關(guān)， ED較大則發(fā)生簡并所需要的ND也大； 3) 簡并化只在一定的溫度區(qū)間內(nèi)才會發(fā)生。,因為,令,式（1.2.18）簡化為,（1.2.19）,遷移率n：單位電場強度下電子的平均