固体与半导体物理(平衡状态下的半导体.ppt

我的信息,1.绝缘体,最高能带填满，再高的各能带是空的,2.半导体,由于热激发，满带电子跃迁到上面的空带， 两个能带都成了不满带，具备导电能力。,为什么si、ge是半导体而金刚石是绝缘体？,ge的4个价电子,si的4个价电子,金刚石的4个价电子,原子间的相互作用,ge si 金刚石,能带宽度,ge si 金刚石,禁带宽度,ge si 金刚石,能带独立-未填满,三维方向禁带发生的位置及禁带的宽度不同，出现能带交迭。,3.导体,最高能带未填满,最外层的s态上只有一个价电子，能带半空，有外场时导电。,(2)能带有交迭,碱土金属be，mg，ca，sr，ba等,碱金属 li，na，k 等，,为什么是金属导体？,归纳：,每个原子的价电子是奇数：金属导体,每个原子的价电子是偶数：能带独立绝缘体,能带交迭导体,4.1 半导体的能带结构,第四章 平衡状态下的半导体,1.各向异性模型,等能面是一系列环绕 的椭球面。,2.各向同性模型,等能面是一系列环绕 的球面。,极值位于k空间原点,能量极值位于,导带底附近,价带顶附近,导带底能量,导带底电子有效质量,价带顶能量,价带顶空穴有效质量,理想半导体的能带模型,二.常见半导体的能带结构,1. si的能带结构,(1)导带,多极值的能带结构,eg=1.12ev,(2)价带,由三个子带构成,a重空穴带,b轻空穴带,c分裂带,(3) 间接带隙半导体,导带底和价带顶处于不同k值,2. ge的能带结构,(1)导带,多极值能带结构,eg=0.67ev,(2)价带 与si相同,(3) 间接带隙半导体,3. gaas的能带结构,eg=1.43ev,价带基本与si、ge相同,直接带隙半导体,导带底和价带顶位于同一k值,4. eg与温度t的关系,负温度系数，与材料有关,硅是间接带隙能带结构，为满足动量守恒，电子只有在吸收或辐射一个声子时，才能在价带与导带之间跃迁，这种跃迁几率是很低的.,为什么硅基本没有处理光信号的能力?,gaas gan inn等-族半导体材料,发光效率比硅强10万倍,但这些材料制备的光电器件不能与广泛使用的硅电子技术兼容.,从微电子器件及其集成技术上看,发展了一套完整的硅平面 技术,并建立起整个微电子技术体系,因此,无论从工艺.技术 还是经济效益等方面,硅材料仍是最基础的材料.,90年代前, 主要集中在体材料和薄膜材料，(1)在硅材料中引入新的活性发光中心.(2)利用外延技术在硅衬底上制备具有发光性能的复合材料.采用能带理论对发光机理进行研究。,90年代后, 主要集中于硅基纳米和量子材料，多孔硅、硅量子线发光材料以及超晶格和量子阱发光材料.主要采用量子限制效应和表面态效应对发光机理进行研究.,硅基发光材料研究分为两个阶段：,4.2 本征半导体和杂质半导体,一.本征半导体,无杂质和缺陷,存在本征激发,1.本征激发,价带电子称为导带电子的过程,2.能带图,3.禁带宽度 是电子脱离共价键所需的最低能量,2.半导体呈本征型的条件,(1)高纯度、结构完整的半导体,(2)高温下的杂质半导体,二.杂质半导体,1. n型半导体,主要依靠导带电子导电的半导体,电子摆脱共价键的束缚,价带电子成为导带电子,(1) 施主杂质,在si、ge 族元素中掺入p、as、sb等元素,形成一个正电中心和一个电子,提供导带电子施主杂质,(2) 施主杂质能级,(3) 施主杂质电离能,氢原子模型,a: 电子受到晶格势场作用，用有效质量 取代电子的惯性质量 。,b: 杂质处于晶体中，考虑晶体介电常数 的影响。,施主能级和施主电离,氢原子基态电子的电离能,施主杂质的电离能,杂质,电离能（ev),晶体,2. p型半导体,主要依靠价带空穴导电的半导体,(1) 受主杂质,在si、ge 族元素中掺入b、al、ga、in等元素,形成一个负电中心和一个空穴,提供价带空穴受主杂质,(2) 受主杂质能级,(3) 受主杂质电离能,受主能级和受主电离,杂质,电离能（ev),晶体,掺入gaas中的si或ge是受主杂质还是施主杂质？,硅或锗中同时掺入施主杂质和受主杂质，半导体呈哪种类型？,3.杂质补偿,半导体呈n型,半导体呈p型,杂质很多，但导带电子和价带空穴很少，电学性质很差。,浅能级杂质,杂质能级在禁带中的位置接近导带底或价带顶,深能级杂质,杂质能级在禁带中的位置远离导带底或价带顶,si中掺au,形成载流子的有效复合中心，对半导体的光电性能产生影响。,一.热平衡状态,导带电子来源：,(1)本征激发的电子 (2)施主杂质电离,价带空穴来源：,(1)本征激发后价带形成的空穴 (2)受主杂质电离,载流子的产生过程,4.3 热平衡载流子的统计分布,热平衡载流子热平衡状态时的导带电子和价带空穴,载流子的产生和复合达到动态平衡平衡状态,载流子的复合过程,对于自由电子,导带底附近的状态密度,价带顶附近的能量函数,价带顶附近的状态密度,二.状态密度,导带底附近的能量函数,状态密度,三.载流子的统计分布,1.电子的统计分布,在热平衡状态下，能量为e的量子态被电子占据的几率,电子的费米分布,电子的玻尔兹曼分布,2.空穴的统计分布,空穴的费米分布,空穴的玻尔兹曼分布,3.本征半导体、轻掺杂半导体用玻尔兹曼分布函数描述,非简并半导体,本征半导体,n型半导体,p型半导体,满足,4.重掺杂半导体用费米分布函数描述,简并半导体,n型半导体,p型半导体,四.热平衡载流子浓度,考虑：（1）能带中能级连续分布，用,（2）用导带底附近的状态密度 代替导带的状态密度,（3）非简并半导体服从玻尔兹曼分布,导带有效状态密度,1.导带电子浓度,2.价带空穴浓度,3.载流子浓度乘积,热平衡状态下的非简并半导体的判据式,价带有效状态密度,五.本征半导体的费米能级和载流子浓度,1.费米能级,电中性条件,2.本征载流子浓度,用 和 表示 和,六.杂质半导体的费米能级和载流子浓度,n型：,p型:,电子多子,空穴少子,电子少子,空穴多子,1.杂质能级上载流子的分布函数,（1）施主能级上电子的分布函数,a:施主能级上的电子浓度,未电离的施主浓度,b:电离施主浓度,杂质基本未电离,杂质全部电离,未电离,电离,（2）受主能级上空穴的分布函数,a:未电离的受主浓度,b:电离受主浓度,2. n型半导体的费米能级和载流子浓度,计算的一般方法：,a:由电中性条件,b:联立,（1）电中性条件,(2) 低温弱电离区,电中性条件,(3) 强电离饱和区,电中性条件,a:轻掺杂的非简并半导体,b:,c:,(4) 高温过渡区,电中性条件,联立,a:近强电离饱和区,b:近本征激发区,电中性条件,高温下的半导体呈本征型,4.4 简并半导体,(5) 高温本征激发区,一简并半导体的载流子浓度,二简并化条件,a:,非简并,b:,弱简并,c:,简并,三简并时