半导体物理学期末总复习.ppt

一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构九．半导体的光学性质和光电与发光现象半导体物理学晶体结构半导体的晶格结构和结合性质半导体中的电子状态和能带半导体中的电子运动和有效质量本征半导体的导电机构空穴回旋共振硅和锗的能带结构III－V族化合物半导体的能带结构II－VI族化合物半导体的能带结构金刚石晶体结构金刚石结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有金刚石晶体结构半导体有:化合物半导体如GaAs、InP、ZnS闪锌矿晶体结构金刚石型闪锌矿型原子的能级电子壳层不同支壳层电子1s；2s，2p；3s，2p，3d；…共有化运动+14电子的能级是量子化的n=3四个电子n=28个电子n=12个电子SiHSi原子的能级原子的能级的分裂孤立原子的能级4个原子能级的分裂原子的能级的分裂原子能级分裂为能带价带：0K条件下被电子填充的能量的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导带价带Eg自由电子的运动微观粒子具有波粒二象性0pmu202pEm()(,)iKrtrtAepKEhv半导体中电子的运动薛定谔方程及其解的形式2220()()()()()()2VxVxsadxVxxExmdx()()()()ikxkkkkxuxeuxuxna布洛赫波函数半导体的能带本征激发半导体中E（K）与K的关系在导带底部，波数，附近值很小，将在附近泰勒展开220021()(0)()()....2kkdEdEEkEkkdkdk0kk()Ek0k22021()(0)()2kdEEkEkdk半导体中E（K）与K的关系22021()(0)()2kdEEkEkdk令代入上式得2022*11()kndEdkm22*()(0)2nkEkEm自由电子的能量微观粒子具有波粒二象性0pmu202pEm()(,)iKrtrtAepKEhv2202kEm半导体中电子的平均速度在周期性势场内，电子的平均速度u可表示为波包的群速度dvudk1dEudk22*()(0)2nhkEkEm*nkumEhv自由电子的速度微观粒子具有波粒二象性0pmu202pEm()(,)iKrtrtAepKEhv0kum半导体中电子的加速度半导体中电子在一强度为E的外加电场作用下，外力对电子做功为电子能量的变化dEfdsfudt1dEudkfdEdEdtdkdkfdt2222211()duddEdEdkfdEadtdtdkdkdtdk半导体中电子的加速度令即2*2211ndEmdk*nfam2*22nmdEdk有效质量的意义自由电子只受外力作用；半导体中的电子不仅受到外力的作用，同时还受半导体内部势场的作用意义：有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得研究半导体中电子的运动规律时更为简便（有效质量可由试验测定）空穴只有非满带电子才可导电导带电子和价带空穴具有导电特性；电子带负电-q（导带底），空穴带正电+q（价带顶）K空间等能面在k=0处为能带极值22*()(0)2nkEkEm22*()(0)2pkEkEm导带底附近价带顶附近K空间等能面以、、为坐标轴构成空间，空间任一矢量代表波矢导带底附近xk2222xyzkkkkykzkkkk2222*()(0)()2xyznEkEkkkmK空间等能面对应于某一值，有许多组不同的，这些组构成一个封闭面，在着个面上能量值为一恒值，这个面称为等能量面，简称等能面。等能面为一球面（理想）()Ek(,,)xyzkkk2222*()(0)()2xyznEkEkkkm一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构半导体物理学与理想情况的偏离晶格原子是振动的材料含杂质晶格中存在缺陷点缺陷（空位、间隙原子）线缺陷（位错）面缺陷（层错）与理想情况的偏离的影响极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响，同时也严重影响半导体器件的质量。1个B原子/个Si原子在室温下电导率提高倍Si单晶位错密度要求低于5103103210cm与理想情况的偏离的原因理论分析认为，杂质和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，并在禁带中引入了能级，允许电子在禁带中存在，从而使半导体的性质发生改变。间隙式杂质、替位式杂质杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂质称为间隙式杂质。间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质称为替位式杂质。替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构要求与被取代的晶格原子相近。如Ⅲ、Ⅴ族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。间隙式杂质、替位式杂质单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中的P和AsN型半导体As半导体的掺杂DEDECEVE施主能级受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如Si中的BP型半导体B半导体的掺杂CEVEAEAE受主能级半导体的掺杂Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高，施主能级比导带底低，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。AEDE半导体中同时存在施主和受主杂质，且。DANNDANNN型半导体N型半导体半导体中同时存在施主和受主杂质，且。ADNNADNNP型半导体P型半导体杂质的补偿作用半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是N型还是P型由杂质的浓度差决定半导体中净杂质浓度称为有效杂质浓度（有效施主浓度；有效受主浓度）杂质的高度补偿（）ADNN点缺陷弗仓克耳缺陷间隙原子和空位成对出现肖特基缺陷只存在空位而无间隙原子间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大，为热缺陷，它们不断产生和复合，直至达到动态平衡，总是同时存在的。空位表现为受主作用；间隙原子表现为施主作用点缺陷替位原子（化合物半导体）位错位错是半导体中的一种缺陷，它严重影响材料和器件的性能。位错施主情况受主情况一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构半导体物理学热平衡状态在一定温度下，载流子的产生和载流子的复合建立起一动态平衡，这时的载流子称为热平衡载流子。半导体的热平衡状态受温度影响，某一特定温度对应某一特定的热平衡状态。半导体的导电性受温度影响剧烈。态密度的概念能带中能量附近每单位能量间隔内的量子态数。能带中能量为无限小的能量间隔内有个量子态，则状态密度为()gEEEdE（）zd()dzgEdEE态密度的计算状态密度的计算单位空间的量子态数能量在空间中所对应的体积前两者相乘得状态数根据定义公式求得态密度()gEEEdE（）kdzk空间中的量子态在空间中，电子的允许能量状态密度为，考虑电子的自旋情况，电子的允许量子态密度为，每个量子态最多只能容纳一个电子。2(0,1,2,2(0,1,2,2(0,1,2,xxxyyyzzznknLnknLnknL）））3/8V（）kk3/4V（）态密度导带底附近状态密度（理想情况）22*()2CnkEkEm2344Vdzkdk*2nmdEkdk*3/21/223(2)()2nCmVdzEEdE态密度*3/21/223(2)()()2ncCmdzVgEEEdE*3/21/223(2)()()2pvvmdzVgEEEdE（导带底）（价带顶）费米能级根据量子统计理论，服从泡利不相容原理的电子遵循费米统计律对于能量为E的一个量子态被一个电子占据的概率为称为电子的费米分布函数空穴的费米分布函数？()fE01()1FEEkTfEe()fE1()fE费米分布函数称为费米能级或费米能量温度导电类型杂质含量能量零点的选取处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级FE()iifEN()FTdFEdN费米分布函数当时若，则若，则在热力学温度为0度时，费米能级可看成量子态是否被电子占据的一个界限当时若，则若，则若，则费米能级是量子态基本上被电子占据或基本上是空的一个标志FEE()1fEFEE()0fE01()1FEEkTfEeFE0TK0TKFEEFEEFEE()1/2fE()1/2fE()1/2fE玻尔兹曼分布函数当时，由于，所以费米分布函数转化为称为电子的玻尔兹曼分布函数0FEEkT0exp()1FEEkT001exp()exp()FFEEEEkTkT0000exp()exp()exp()exp)()(BFFEEEEkTkEfEAkTTkT()BfE玻尔兹曼分布函数空穴的玻尔兹曼分布函数000001exp()exp()exp(1()exp())1FFFEEkTEEEEkTkTkTEfEBkTe1()BfE玻尔兹曼分布函数导带中电子分布可用电子的玻尔兹曼分布函数描写（绝大多数电子分布在导带底）；价带中的空穴分布可用空穴的玻尔兹曼分布函数描写（绝大多数空穴分布在价带顶）服从费米统计律的电子系统称为简并性系统；服从玻尔兹曼统计律的电子系统称为非简并性系统费米统计律与玻尔兹曼统计律的主要差别：前者受泡利不相容原理的限制导带中的电子浓度在导带上的间有个电子从导带底到导带顶对进行积分，得到能带中的电子总数，除以半导体体积，就得到了导带中的电子浓度~EEdE（）()()cfEgEdE()()cfEgEdE0n0n()()BcdNfEgEdE导带中的电子浓度0*3/21/223(2)()2FEEkTnCmVdNeEEdE0*3/21/223(2)()2FEEkTnCmdNdneEEdEV''0*3/21/2023(2)()2FCCCCEEEEkTnCEEmndneEEdE0()/()CxEEkT0n0'*3/200231/20(2)2cFkxEnxETxedTxmkne导带中的电子浓度0*3/2003/23(2)4cFEkTnEmekTn500TK'1/0.04323x1~2eV0n1/202xxedx导带宽度的典型值一般，，所以，因此，，积分上限改为并不影响结果。由此可得导带中电子浓度为00.043kTK00cFEEkTCnNe价带中的空穴浓度0*3/203/023(2)4VFEEpkTmkTpe0n同理得价带中的空穴浓度00VFEEkTVpNe载流子浓度乘积0000gCVEEEkTkTCVCVnpNNeNNe0**3/2300032()()2gEnpkTmmkTnpe同理得价带中的空穴浓度热平衡状态下的非简并半导体中，在一定的温度下，乘积是一定的，如果电子浓度增大，空穴浓度就会减小；反之亦然00np本征半导体载流子浓度00np本征半导体无任何杂质和缺陷的半导体本征费米能级00np00CFFVEEEEk