第三讲-材料的能带和缺陷

1„晶体结合的化学键理论基础„原子结构„化学键和晶体的结合„能带理论„晶体缺陷„晶体缺陷类型„缺陷对材料性质的影响„晶体的掺杂„材料的掺杂效应半导体材料物理基础原子能级和晶体能带的对应关系从唯象角度看，原子结合形成固体时，由于原子间电子的相互作用，对原子能级产生微扰作用，使得原子能级展宽为晶体的能带。能带理论|ψσ|2ΗΗ(β)(α)|ψσ∗|2ΗΗ成键态反成键态H结合成H2H-atomH-atomH2Eσ∗EσΔE=BondingEnergyE1sE1s(b)ψσ∗Eσ∗(R)ψ1sE1sψσEσ(a)Eσ(R)a0ESYSTEM2H-Atoms2Electrons1Electron/Atom1Orbital/AtomR,InteratomicSeparation0R=∞BondingEnergy(a)2个H原子构成的体系中电子的能量成键能..aInteratomicSeparation(R)SYSTEMNLiAtomsNElectronsNOrbitals2NStatesE2p1s2s2p∞E2sE1sSystemofNLiAtomsψsolid(N)SolidETEBψsolid(1)IsolatedAtomsN个Li原子中2s电子构成的体系N个2s电子形成一个具有细微分离的能带，其中N/2个能级占满，另N/2个能级是空的。InteratomicSeparation(R)E2sE2pE3sE1sR=aR=∞IsolatedAtomsTheSolidE=0(VacuumLevel)FreeelectronElectronenergyFULLEMPTYN个Li原子构成的体系自由电子真空能级2ElectronEnergyVacuumLevelEF0EBEF0ΦElectroninsidethemetalElectronoutsidethemetal0–2.5eV–7.2eV04.7eV7.2eVFig.4.11:典型金属电子能带图,价带部分填充,能带顶部为电子真空能级FromPrinciplesofElectronicMaterialsandDevices,SecondEdition,S.O.Kasap(©McGraw-Hill,2002)－Si键相对应形成价带VBValenceband形成导带CBConductionbandSiATOMψBψBψAψAψhybCONDUCTIONBANDVALENCEBANDEnergygap,Eg3p3sψhybψhyborbitalsSiioncore(+4e)ValenceelectronSi共价键价带电子C原子(4个价电子)的能级和金刚石晶体能带的对应关系S和p电子通过轨道杂化形成简并的sp3杂化能级；简并的sp3杂化能级在形成共价键后，分裂成成键和反成键能级；成键和反成键能级分别展宽为价带和导带3、能带理论续例导带价带ElectronenergyValenceBand(VB)Fullofelectronsat0K.EcEv0Ec+χ(c)Bandgap=Eg(b)ψBConductionBand(CB)Emptyofelectronsat0K.Sicrystalin2-D考虑理想半导体晶体,如果所有的原子之间都形成了理想的共价键如图（b）所示，则形成理想晶体的半导体能带结构如图（c）所示,其中价带中所有的能态被电子所占据，导带中所有的能态是空的。半导体的能带价带：0K条件下被电子填充的能量昀高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量昀低的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构Ec为导带底，Ev为价带顶半导体中的载流子半导体中的载流子：能够导电的自由粒子电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位导带中的电子电子Electron价带中的空位空穴Hole导导带带价价带带EEgg3e-holeCBVBEcEv0Ec+χEgFreee-hυEgHolehυ(a)(b)h+e半导体中的导电载流子半导体中的导电载流子有两种：电子和空穴能量大于Eg的光子激发一对电子和空穴热振动使价键断裂产生一对电子和空穴电子能量0K时：纯净半导体的导电特性导带全空，没有能够参与导电的电子价带全满，电子无法在外场下运动，产生净电流半导体和绝缘体没有什么差别一定温度下时：导带有少量电子，能够参与导电价带有部分空位，也能够在外场下运动，产生净电流半导体的导电特性由材料的禁带宽度决定由于热振动可能会使电子获得足够的能量，脱离价键的束缚，由价带激发到导电满带不导电！价带中空穴的运动h+EgVBCBh+e－(a)h+h+h+e－h+h+h+(d)h+e－e杴h+(f)(b)(c)(e).VBCBVBCBxx=0x=LV(x)ElectrostaticPE(x)(a)(b)ExFig.Whenanelectricfieldisapplied,electronsintheCBandholesintheVBcandriftandcontributetotheconductivity.(a)AsimplifiedillustrationofdriftinEx.(b)Appliedfieldbendstheenergybandssincetheelectrost半导体的导电外场下，导带电子和价带空穴同时进行漂移运动，对电导有贡献ExElectronsHoles绝缘体半导体半金属金属满态空态半满带Eg5eV能带结构的差异造成导电性能的不同金属、半导体和绝缘体金属、半导体和绝缘体施主的特征施主未电离前，施主能级是被电子占据并保持电中性，电离后向导带释放电子并带正电受主的特征受主未电离前，受主杂质保持电中性，受主能级未被电子占据；电离后，从价带接受电子，受主能级被电子占据，受主杂质带负电。半导体的掺杂：掺入杂质能够改变半导体中载流子的数目，改变半导体材料的特性。4电子和空穴的浓度电子和空穴的浓度∫=dEEfEgn)()(1）按照统计物理理论，固体中电子的浓度状态密度的物理意义是，在能带中，能量允许值E附近单位能量间隔内包含的量子态数假定电子主要集中在导带底附近，则有：其中，NC是导带底状态密度费米分布函数，按照量子统计理论，在热平衡条件下，电子占据能量E的状态的概率∫−=dEEfEgp))(1)((2）半导体中空穴的浓度费米－狄拉克分布函数按照量子统计理论，在热平衡条件下，电子占据能量E的状态的概率为：•在绝对零度下，能量小于EF的能级态全满，而能量大于EF的能级态全空•EF是费米能级•费米能级是反映电子在能带中填充状态的一个标尺T2T1右图示出半导体中本征载流子的状态密度、分布函数、和载流子浓度实际的分布∫=dEEfEgn)()(但在实际应用中，我们通常将载流子的分布等效为：电子主要分布在导电底，而空穴主要分布在价带顶kTEECFCeNn)(−−=kTEEVVFeNp)(−−=从能带理论出发研究半导体光电效应和热电效应EvEcCBVBψcb(kcb)ψvb(kvb)hυ=EgEnergyDistanceEcEvEdCBVBhυEgTrappingExcitedStateGroundStateLuminescentCenter(Activator)hυEgEgEcEvCBVBEtThermalizationRecombination吸收光产生EHP,电子热能化离开导带被局域陷阱中心俘获,接着去俘获到导带自由移动,昀终在发光中心作用下与空穴复合放出光子.陷阱的存在复合延迟EcEvEc+χhυ粆EgLargehυThermalization3kT2CBVBEg半导体载流子的复合及光电效应5金属与金属接触的能带结构金属与金属接触的能带结构由于金属费米能级不同，接触后会发生电荷转移，形成电场和电势，产生金属接触电势由于金属中存在大量的电子，因此，电子的转移不会形成空间电荷耗尽层金属半导体接触的能带结构金属半导体接触的能带结构EcEvCBVBΦBΦm–Φn=eVoΦm-ΦnEFnEFmNeutralsemiconductorregionDepletionregionMetalEoVoWMetalEFmΦmΦnn-TypeSemiconductorχ接触前EcEvEFnCBVBVacuumlevelmnΦΦ.接触后金/半接触时，由于存在费米能级差：会电荷转移形成电场和电势。由于半导体中荷电粒子较少，电荷的转移往往会造成荷电粒子在空间的耗尽，形成空间电荷区和肖特基势垒。EcEvn-typeSemiconductorMetalCBEFmEFnVBAccumulationRegionOhmicContactBulkSemiconductorAfterContactEcEvEFnn-typeSemiconductorMetalEFmΦmΦnCBVBBeforeContact金属与半导体接触的能带结构金属与半导体接触的能带结构金/半接触时，电荷的转移如果造成的是半导体区域荷电粒子的积累。应力影响应变SiGe应变SiGe降低带内散射降低有效质量应变Si的输运特性改善应力对Si能带的影响6Strain方式•Uniaxial单轴•Biaxial双轴方向•Tensile张应力•compressive压应力全局应力(Globalstrain)＝沟道区逐层沉积引起的沟道应力.Strain的类型Localstrain应变的物理•晶体缺陷类型•缺陷对材料性质的影响产生的原因：1）晶体结构不完整引起；2）成分不连续引起;3）掺杂引起晶体缺陷BulkcrystalSurfaceSurfaceatomsReconstructedsurfaceOHAbsorbedOxygenH2OOH2Danglingbond由于其周期性受到破坏，会出现未成键的化学键（不饱和键）此时可能出现各种不同的情形：1）形成悬挂键；2）发生表面重构；3）吸附其它原子，形成其它键晶体表面的缺陷晶体中的缺陷包括：1）点缺陷－在各个方向没有延伸2）线缺陷－只在某一方向延伸3）面缺陷－二维缺陷4）体缺陷等点缺陷的种类在各个方向均没有延伸，主要包括：自间隙原子、空位、肖特基缺陷、弗兰克尔缺陷、外来原子（替位式、间隙式）7(a)Perfectcrystalwithoutvacancies(b)Anenergeticatomatthesurfacebreaksbondsandjumpsontoanewadjoiningpositiononthesurface.Thisleavesbehindavacancy(c)Anatominthebulkdiffusestofillthevacancytherebydisplacingthevacancytowardsthebulk.(d)Atomicdiffusionscausethevacancytodiffuseintothebulk.自间隙原子和空位缺陷只要不是0K，就会出现的本征缺陷(a)SchottkyandFrenkeldefectsinanioniccrystal.FrenkeldefectSchottkydefect点缺陷－点缺陷－肖特基缺陷、弗兰克尔缺陷肖特基缺陷：体内产生的晶格空位在Si中就是空位弗兰克尔缺陷：如果同时产生了一个间隙原子和一个空位，则称为弗兰克尔缺陷。(a)Avacancyinthecrystal.(b)Asubstitutionalimpurityinthecrystal.Theimpurityatomislargerthanthehostatom.(c)Asubstitutionalimpurityinthecrystal.Theimpurityatomissmallerthanthehostatom.(d)Aninterstitialimpur