半导体物理器件2热平衡时的能带和载流子浓度

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度1热平衡时的能带和载流子浓度2004,7,30现代半导体器件物理与工艺PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度2本章内容半导体材料、基本晶体结构与共价键能级与能带本征载流子浓度施主和受主半导体器件物理桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度3导电性：固态材料可分为三类，即绝缘体、半导体及导体。绝缘体:电导率很低，约介于20-18S/cm～10-8S/cm,如熔融石英及玻璃；导体：电导率较高，介于104S/cm～106/cm，如铝、银等金属。半导体：电导率则介于绝缘体及导体之间。181016101410121010108106104102101210410610810181016101410121010108106104102101210410610810电阻率/(cm)S-1电导率/(cm)Ge锗()硅(Si)GaAs砷化镓()GaP磷化镓()CdS硫化镉()铜银铝铂硫化铋玻璃金刚石(纯)硫熔融石英181016101410121010108106104102101210410610810181016101410121010108106104102101210410610810电阻率/(cm)S-1电导率/(cm)Ge锗()硅(Si)GaAs砷化镓()GaP磷化镓()CdS硫化镉()铜银铝铂硫化铋玻璃金刚石(纯)硫熔融石英半导体材料现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度4半导体的特点：易受温度、照光、磁场及微量杂质原子的影响。正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成为各种电子应用中最重要的材料之一。半导体材料的类型：元素半导体：硅(Si)、锗(Ge)化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InAs）等半导体材料现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度5硅、锗都是由单一原子所组成的元素半导体，均为周期表第IV族元素。20世纪50年代初期，锗曾是最主要的半导体材料；60年代初期以后，硅已取代锗成为半导体制造的主要材料。周期IIIIIIVVVI2BCN硼炭氮3MgAlSiPS镁铝硅磷硫4ZnGaGeAsSe锌镓锗砷硒5CdInSnSbTe铬铟锡锑碲6HgPb汞铅周期IIIIIIVVVI2BCN硼炭氮3MgAlSiPS镁铝硅磷硫4ZnGaGeAsSe锌镓锗砷硒5CdInSnSbTe铬铟锡锑碲6HgPb汞铅硅的优势：硅器件在室温下有较佳的特性；高品质的硅氧化层可由热生长的方式产生，成本低；硅含量占地表的25%，仅次于氧，储量丰富。元素(elements)半导体半导体器件物理桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度6类别：二元化合物半导体：由两种元素组成。三元化合物半导体：由三种元素组成。多元化合物半导体：由三种及以上元素组成。二元化合物半导体：IV－IV族元素化合物半导体：炭化硅（SiC）；III-V族元素化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷化铟（InAs）等；II-VI族元素化合物半导体：氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）等；IV-VI族元素化合物半导体：硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、碲化铅（PbTe）化合物(compound)半导体材料现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度7三元化合物与多元化合物半导体：由III族元素铝(Al)、镓(Ga)及V族元素砷(As)所组成的合金半导体AlxGax-1As即是一种三元化合物半导体，具有AxB1-xCyD1-y形式的四元化合物半导体锗可由许多二元及三元化合物半导体组成。例如，合金半导体GaxIn1-xAsyp1-y是由磷化镓(GaP)、磷化铟(InAs)及砷化镓(GaAs)所组成。化合物半导体的优势与不足：许多化合物半导体具有与硅不同的电和光电特性。这些半导体，特别是砷化镓(GaAs),主要用于高速光电器件。与元素半导体相比，制作单晶体形式的化合物半导体通常需要较复杂的程序。化合物半导体的技术不如硅半导体技术成熟。化合物(compound)半导体材料现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度8化合物(compound)半导体材料现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度9半导体的晶格结构：半导体的结构特点：半导体材料是单晶体，它在三维空间是周期性地排列着的。即使当原子热振动时，仍以其中心位置作微量振动。晶格(lattice)：晶体中原子的周期性排列称为晶格。单胞(unitcell)：周期性排列的最小单元，用来代表整个晶格，将此单胞向晶体的四面八方连续延伸，即可产生整个晶格。acbαβγacbαβγ晶体结构半导体器件物理桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度10单胞及其表示：右图是一个简单的三维空间单胞。晶格常数：单胞与晶格的关系可用三个向量a、b及c来表示，它们彼此之间不需要正交，而且在长度上不一定相同，称为晶格参数。acbαβγacbαβγ每个三维空间晶体中的等效格点可用下面的向量组表示：R＝ma+nb+pc其中m、n及p是整数。晶体结构现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度11几种常见基本晶胞：简单立方晶格(simplecubic,sc)：在立方晶格的每一个角落，都有一个原子，且每个原子都有六个等距的邻近原子。长度a称为晶格常数。在周期表中只有钚(polonium)属于简单立方晶格。体心立方晶格(body-centered,bcc)：除了角落的八个原子外,在晶体中心还有一个原子。在体心立方晶格中，每一个原子有八个最邻近原子。钠(sodium)及钨(tungsten)属于体心立方结构。xzyxzABCD基本晶体结构现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度12面心立方晶格(face-centeredcubic,fcc):除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper)、金(gold)及铂(platinum)。密集六方结构：z基本晶体结构现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度13金刚石晶格结构：此结构属于面心立方晶体家族，可被视为两个相互套构的面心立方副晶格，此两个副晶格偏移的距离为立方体体对角线的1/4(a的长度)。此两个副晶格中的两组原子虽然在化学结构上相同，但以晶格观点看却不同。硅和锗都是金刚石晶格结构。闪锌矿结构(zincblendelattice)：大部分的III-V族化合物半导体(如GaAs)具有闪锌矿结构，它与金刚石晶格的结构类似，只是两个相互套构的面心立方副晶格中的组成原子不同，其中一个副晶格为III族原子(Ga)，另一个副晶格为V族原子(As)。基本晶体结构现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度14例1:假使将圆球放入一体心立方晶格中，并使中心圆球与立方体八个角落的圆球紧密接触，试计算出这些圆球占此体心立方单胞的空间比率。yxzABCD解：每单胞中的圆球(原子)数为＝(1/8)×8(角落)+1(中心)＝2；相邻两原子距离[沿图中立方体的对角线]=a；每个圆球半径=a；每个圆球体积=；单胞中所能填的最大空间比率=圆球数×每个圆球体积/每个单胞总体积=因此整个体心立方单胞有68%为圆球所占据，32%的体积是空的。163433433aa68.08/316/3233aa基本晶体结构现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度15例2硅在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体积中的硅原子数及常温下的硅原子密度。解：每个单胞中有8个原子，因此每立方厘米体积中的硅原子数为8/a3=8/(5.43×108)3=5×1022（个原子/cm3）密度=每立方厘米中的原子数×每摩尔原子质量/阿伏伽德罗常数=5×1022×28.09/(6.02×1023)g/cm3=2.33g/cm3基本晶体结构现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度16由于不同平面的原子空间不同。因此沿着不同平面的晶体特性并不同，且电特性及其他器件特性与晶体方向有着重要的关联。密勒指数(Millerindices)：是界定一晶体中不同平面的简单方法。这些指数可由下列步骤确定：找出平面在三坐标轴上的截距值(以晶格常数为计量单位)；取这三个截距值的倒数，并将其化简成最简单整数比；将此结果以“(hkl)”表示，即为单一平面的密勒指数。(010)aaa(001)O(100)yxzaaaO(100)yxzaaaO(100)yxz基本晶体结构现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度17关于密勒指数的一些其他规定：()：代表在x轴上截距为负的平面，如{hkl}：代表相对称的平面群，如在立方对称平面中，可用{100}表示(100)，(010)，(001)，，，六个平面。[hkl]：代表一晶体的方向，如[100]方向定义为垂直于(100)平面的方向，即表示x轴方向。而[111]则表示垂直于(111)平面的方向。hkl：代表等效方向的所有方向组，如100代表[100]、[010]、[001]、、、六个等效方向的族群。klh)001()010()001()100(]001[]010[]100[例如图所示平面在沿着三个坐标轴的方向有三个截距a、3a、2a，其的倒数分别为1/a、1/3a和1/2a。它们的最简单整数比为6:2:3(每个分数乘6a所得)。因此这个平面可以表示为(623)平面。a3a2azyx基本晶体结构现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度18在金刚石晶格中，每个原子被四个最邻近的原子所包围。右下图是其二维空间结构简图。每个原子在外围轨道有四个电子，分别与周围4个原子共用4对电子。这种共用电子对的结构称为共价键(covalentbonding)。每个电子对组成一个共价键。共价键产生在两个相同元素的原子间，或具有相似外层电子结构的不同元素原子之间，每个原子核拥有每个电子的时间相同。然而这些电子大部分的时间是存在两个原子核间。原子核对电子的吸引力使得两个原子结合在一起。111,,444110,,2210,0,2111,,22210,,021,0,02＋4＋4＋4＋4＋4半导体的共价键结合现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度19砷化镓为四面体闪锌矿结构，其主要结合也是共价键，但在砷化镓中存在微量离子键成分，即Ga＋离子与其四个邻近As－离子或As－离子与其四个邻近Ga＋离子间的静电吸引力。以电子观来看，这表示每对共价键电子存在于As原子的时间比在Ga原子中稍长。111,,444110,,2210,0,2111,,22210,,021,0,02＋4Ga＋4Ga＋4Ga＋4Ga＋4As半导体的共价键结合现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学热平衡时的能带和载流子浓度20载流子：低温时，电子分别被束缚在四面体晶格中，因此无法作电的传导。但在高温时，热振动可以打断共价键。当一些键被打断时，所产生的自由电子可以参与电的传导。而一个自由电子产生时，会在原处产生一个空缺。此空缺可由邻近的一个电子填满，从而产生空缺位置的移动，并可被看作与电子运动方向相反的正电荷，称为空穴(hole)。半导体中可移动的电子与空穴统称为载流子。＋4Si＋4Si＋4Si＋4Si空穴导电电子＋4Si＋4Si＋4Si＋4Si空穴导