第2章 半导体材料的电学性能

1.4半导体材料导电性1.半导体材料概况(2)依据电子参与成键情况•本征半导体所有外层电子都成键；所有结合键上电子都满额•掺杂半导体－N型：Si(As,P)－P型：Si(B,Al,Ga)(1)依据化学组元个数，分为•元素半导体－Si、Ge•化合物半导体－III-V族GaAs,InSb,InP等II-VI族CdS,CdTe,ZnO等(Ga1－xAlx)As,HgCdTeS等1.半导体材料概况•掺杂半导体－N型：Si(As,P)，多余电子－P型：Si(B,Ga)，多余空穴结构特征：代位式固溶体1.半导体材料概况光学应用－激光器等GaAs,InSb,InP等(3)主要用途微电子技术应用：Si、Ge基半导体为主信息处理的基础信息传输的基础，信息存储信息技术基本环节：产生—处理(微电子技术，计算机)—传输(激光载体，光纤)—存储(光、磁存储，光盘、磁盘)光电信号转换的基础信息技术中光电转换：光电导(1)温度敏感性：对于温度非常敏感，本征导电性随温度升高呈指数规律增强(2)杂质敏感性：异常敏感，是所有材料性能中对于杂质(或掺杂)最敏感的性能(3)光照敏感性：受电磁波辐射(波长小于吸收限的所有电磁辐射，包括可见光、甚至近红外线)，导电性大幅度增加，具有光致导电效应(photoconductivity)载流子情况：导带电子n＋价带空穴p电导率理论公式：本征半导体中，价带电子激发到导带中而产生载流子，故n＝p掺杂半导体中受掺杂的影响：N型半导体中以导带电子为主要载流子；而P型半导体中以价带空穴为主要载流子=phe＋nee2.半导体的导电性特征3.半导体结构与能带特征晶体结构特征：维持键合特点，保持原子比例，使平均价电子数为4；掺杂原子代位固溶；掺杂量很少，保持基体结构不变；纯度极高晶体缺陷极低材料制备——超常规条件与技术超净室技术区域熔化提纯技术起源单晶体生长技术——完全消除晶界低位错密度晶体生长技术离子注入合金化技术/快速扩散掺杂半导体材料能带特征大小随温度升高小幅降低固溶体可以调节掺杂半导体有掺杂能级能带间隙：Eg＝EC−EV价带、导带及能带间隙间接带隙与直接带隙半导体电子有效质量能带底部电子有效质量m*0，电子有效质量me=m*能带顶部电子有效质量m*0空穴有效质量mh等于电子有效质量的负值，即mh＝－m*222dd*kEm•描述周期势场中电子的运动，固依据电子能量与波氏的关系确定•有效质量定义：半导体的电子有效质量与状态密度2.能态密度2123222π21CeEEmEN2123222π21EEmENVh3.借助于有效质量可以用经典力学形式描述电子的运动:f=m*a1.电子的有效质量依据其能量随波矢变化曲线的不同，可以具有不同的质量，也不同于电子的静止质量m0导带底部价带顶部半导体的电子有效质量与状态密度4.能带顶部m*0f=m*a=-eE电子沿电场方向加速—空穴运动—表现为正电荷的行为；实际上是电子以接力方式完成空穴沿着电场方向的位移。人为地看作带正电的空穴的移动—空穴带单位正电荷半导体的载流子体积密度载流子体积密度热平衡载流子的分布dEEfENnCE1expd2π21212322kTEEEEEmFECeCkTEETmmkmnFC23230e2320expπ241kTEENnFCCeexp232302320π241TmmkmNeCekTEENpVFVhexp232302320π241TmmkmNhVhNCe＝4.82x1021(me/m0)3/2·T3/2本征半导体的导电性本征半导体导带电子全部来自于价带n=p=(NCeNVh)1/2exp(−Eg/2kT)室温下本征载流子体积密度Si：1.5x10161/m3；Ge：2.5x10191/m3载流子数量是半导体导电性限制性因素，是首要关注因素本征载流子体积密度随着温度呈指数规律升高，使导电性也指数升高比较—金属Cu参与导电电子~1022m-3(E=100V/m时)所拥有的自由电子~1028m-31.本征半导体载流子密度本征半导体导电性及随温度变化3.本征半导体电导率随着温度升高呈指数规律增加4.通过检测电导率随温度的变化可以确定本征半导体的能带间隙EgkTEeTghe2exp1082.42321=phe＋nee掺杂半导体中的载流子与导电性1.N(或P)型半导体能带结构本征半导体中掺入高(或低)价掺杂形成代位式固溶如：Si中掺入P、As(或B、Al)等形成局部的类氢原子结构—类氢能级(需考虑基体的介电率)•掺杂能级N型半导体—施主能级P型半导体—受主能级掺杂能级的基态能量为2202r24eπ32emE掺杂半导体中的载流子与导电性N型半导体：extrae-受到掺杂原子的束缚，不能自由移动，因此其能量低于导带中的电子(相当于自由电子)；从使电子激发脱离所属原子的束缚的角度看—多余电子的能量高于共价键上的电子(价带电子)→电子的能量位于导带与价带之间—施主能级掺杂能级位置分析P型半导体：extrahole-摆脱掺杂原子束缚自由移动而成为价带空穴，需要额外能量；但此能量低于成键电子激发成自由电子及空穴所需能量Extrahole的能量位于价带之上，但远离导带—受主能级掺杂半导体中的载流子与导电性2.掺杂半导体的载流子N型半导体:掺杂原子带入的extrae-处于施主能级上掺杂原子的电离：施主能级上的extrae-受热激活摆脱掺杂离子的束缚，成为在半导体内自由移动的电子—导带电子载流子来源：(1)施主能级靠近导带底，extrae-激发成为导带电子(2)本征激发产生导带电子与价带空穴对施主能级靠近导带底，extrae-激发成为导带电子相对于本征激发产生电子/空穴对容易得多。因此，N型半导体中载流子常以掺杂电离产生的导带电子为主；P型半导体中则通常以因掺杂产生的价带空穴为主掺杂半导体载流子分析N型半导体导带电子n＝价带空穴p＋掺杂电离m+其中kTEENnFCCeexpkTEENpVFVhexpkTEEkSNmdCd0exp)Δexp(4个方程中包含的4个未知数：n、p、m＋和EF。可得包括费米能在内的各参量费米能级位置与载流子分布的关系掺杂半导体载流子随温度变化划分为3个温度区间：(a)低温电离区：导带电子主要来自掺杂电离n≈m+；lnm+与1/T的关系直线斜率为kEEdCkE2g(b)中温耗竭区：电离完毕，m+≈Nd0,而pm+，n≈Nd0保持不变(c)高温本征区：n≈pNd0lnn与1/T的直线斜率掺杂半导体的费米能掺杂半导体的费米能可在计算载流子体积密度过程中同时得出•低温下，费米能处于导带底与掺杂能级之间；•高温下，费米能处于导带与价带的能带间隙中部•中温区完成此连续变化Si(As)的费米能随温度变化(掺杂浓度：Nd0＝1021m－3)关于各种材料中电子体系的费米能：•金属材料中受温度影响极小，在冶金温度范围内可以忽略；•本征半导体中也基本上不受温度影响•掺杂半导体中随温度大幅度改变！掺杂半导体的导电性1、导电性公式=phe＋nee2、掺杂的影响与作用掺杂能级上的电子(和空穴都不参与导电)，因此0K下掺杂半导体同样不导电1ppm的掺杂，如果全部电离提供的载流子为1022m－3，比Si的本征载流子高出6个数量级，因此，可望使其电导率提高5～6个数量级不同的半导体对于掺杂的敏感度不同3、温度的影响•低温和高温区，受载流子变化的主导，导电性随温度呈指数规律升高；•中温区可略降，晶格热振动对载流子迁移率产生不利影响导电性的光敏性质－光电导(photoconductivity)基本原理电磁辐射的光子，提供足够能量时，可被半导体中价带电子吸收，而产生非平衡态载流子，从而提高半导体导电性条件：光子的能量高于半导体的能带间隙phphphhchEgEhcmax≥Eg半导体吸收限(最大波长)基本现象：在光(电磁波)的照射下，导电性显著提高半导体吸收波长范围紫外线—可见光—红外线半导体能带间隙Eg0.1~2.8eV利用半导体吸收光线导电性的改变检测光线，特别是红外线—热成像技术半导体导电性的光敏性质光电导特征•非稳态载流子•直接带隙与间接带隙半导体光吸收特性的差异—直接带隙半导体适合于作为光学器件—间接带隙电子跃迁过程中动量的变化必须借助于晶格振动来实现，因此吸收效率低gEhcmax半导体吸收限(最大波长)间接带隙半导体直接带隙半导体半导体光学性质应用1、光敏探测器电磁辐射可以显著改变半导体导电性。通过半导体器件电路的电流检测可以探测电磁波辐射强度的变化。半导体感受电磁辐射的波长范围可以自红外波段起，而红外线探测可以得到非常多的信息，故有重要的实际应用。使用反向偏压的二极管电路2、发光器件及应用•LED与半导体激光器•原理：激发的电子－空穴对复合时发光，其波长与能带间隙或掺杂能级有关•应用：照明、灯光效果、激光通讯、光学信息存储3、其他实现太阳能的转换利用等(光生伏特效应)半导体的组合——半导体基本器件实际应用中，半导体要与金属导线等连接，不同的半导体要相互接触，构成不同的器件基本的器件包括：二极管、晶体管和场效应管(diode,transistor,FET)这些器件及连接点的导电性规律，依赖于它们的结构及能带结构特征二极管及其能带结构二极管的导电特性曲线半导体的接触—PN结的能带结构与导电性P型与N型半导体接触，因载流子浓度差，发生载流子扩散，在结合面附近形成空间电荷区(并建立电场)电荷产生的电场反过来限制这种扩散，达到一种动态的平衡分布态平衡态下，P型与N型半导体中电子费米能相等导带与价带中电子的能量改变，形成新的能带结构；PN结附近受内部电场的影响变化大PN结的电子能带结构与导电性正向偏压作用00expeeejkTEDxCxCDJjDxCJjee1exp0kTeVjjjj0jjj没有外电场时的PN结kTVEDxCeexpe0受浓差驱使的扩散电子流动态平衡导电规律反向下坡运动的电子流j－kTVjeexp0PN结的能带结构与导电性kTEDxCejexp001eexp0kTVjjjjDxCJjee0jj反向偏压作用kTVjjjjeexp10kTVEDxCeeexp0kTVjeexp0其中反向偏压导电特性正向导通—电流随电压呈指数规律升高反向电压下，电流迅速达到反向饱和值—二极管的漏电流j02.5.1离子导电规律性离子导电性离子作为带电粒子，定向移动导电很弱(因为扩散激活能高，一般达100kJ/mol,折合100eV/at)故：多数离子化合物为绝缘体特例：快离子导体(固体电解质)晶体结构中存在特定通道，小个头离子在其中可以快速移动，扩散激活能低，其室温导电性可以达到10－2(Ω•cm)-1例证：电导率/(Ω•cm)-1•ReO3、CrO2、Fe3O4分别为5.0x105、3.3x104、1.0x102•MgO,Al2O3,SiO2均小于10－14离子化合物导电性的一般规律•主族金属的化合物晶体，导电性主要依靠离子扩散来完成，导电性差，属于典型绝缘体；•过渡族金属的氧化物由于次电子层中电子可参与导电，导电性可能比较好。离子化合物导电性•正、负离子导电—独特之处，但不是唯一机理，甚至不是主要的导电机理•电子导电—过渡族金属离子的次外层电子(