半导体器件物理.pdf

1 半导体器件物理半导体器件物理 深圳大学光电工程学院深圳大学光电工程学院 sbpengds 主要参考书目主要参考书目 1 孟庆巨 刘海波 孟庆辉 编著孟庆巨 刘海波 孟庆辉 编著 半导体器件物理半导体器件物理 第 二版 第 二版 科学出版社 科学出版社 2 施敏施敏 现代半导体器件物理 科学出版社现代半导体器件物理 科学出版社 3 刘恩科 半导体物理学 第七版 电子工 业出版社 刘恩科 半导体物理学 第七版 电子工 业出版社 4 王庆有 光电技术 第二版 北京 电子工 业出版社 王庆有 光电技术 第二版 北京 电子工 业出版社 5 安毓英 刘继芳 李庆辉 光电子技术 第二 版 北京 电子工业出版社 安毓英 刘继芳 李庆辉 光电子技术 第二 版 北京 电子工业出版社 课程简介课程简介 半导体器件物理课程结合一些主要的 常见的 半导体器件介绍了半导体器件的基本结构 基 本工作原理 基本性能和基本制造工艺 半导体器件物理课程结合一些主要的 常见的 半导体器件介绍了半导体器件的基本结构 基 本工作原理 基本性能和基本制造工艺 半导体器件物理课程是微电子 光电子 电子 科学与技术等专业的主干专业基础课 半导体器件物理课程是微电子 光电子 电子 科学与技术等专业的主干专业基础课 1833年发现硫化银的电阻率温度系数为负年发现硫化银的电阻率温度系数为负 1839年 法国贝克莱尔 发现年 法国贝克莱尔 发现光生伏特效应光生伏特效应 1873年 英国史密斯 发现年 英国史密斯 发现光电导效应光电导效应 1874年 德国布劳恩 发现年 德国布劳恩 发现整流效应整流效应 1879年 美国霍尔 发现年 美国霍尔 发现霍尔效应霍尔效应 1947年晶体管的出现年晶体管的出现 1959年集成电路问世年集成电路问世 1960年发明了增强型年发明了增强型MOSFET 1962年砷化镓激光器问世年砷化镓激光器问世 1969年提出超晶格理论年提出超晶格理论 1991年年GaN 蓝光蓝光LED的出现的出现 半导体技术发展的里程碑半导体技术发展的里程碑 什么是半导体 什么是半导体 固体材料可分成 超导体 导体 半导体 绝缘体 固体材料可分成 超导体 导体 半导体 绝缘体 从导电性 电阻 从导电性 电阻 电阻率电阻率 介于导体和绝缘体之间 并且具 有负的电阻温度系数 介于导体和绝缘体之间 并且具 有负的电阻温度系数 半导体半导体 电阻率电阻率 导体 导体 10 3 cm 例如 例如 Cu 10 6 cm 半导体 半导体 10 2 cm 109 cm Ge 0 2 cm 绝缘体 绝缘体 109 cm 2 T R 半导体 金属 绝 缘 体 电阻温度系数 电阻温度系数 电子激发能隙电子激发能隙 导体 导体 Eg 0 例如 例如 Eg Cu 0 eV 绝缘体 绝缘体 Eg 3 eV例如 例如 Eg SiO2 8 0 eV 半导体 半导体 0 Eg 3 eV 例如 例如 Eg Si 1 12 eV 例外例外 半导体金刚石半导体金刚石 Eg 6 eV 氮化镓 氮化镓GaN Eg 3 4 eV 硫化锌 硫化锌 ZnS Eg 3 5 eV 半导体材料的分类半导体材料的分类 按功能和应用分按功能和应用分 微电子半导体 光电半导体 热电半导体 微波半导体 气敏半导体 微电子半导体 光电半导体 热电半导体 微波半导体 气敏半导体 按组成分 按组成分 无机半导体 元素 化合物 有机半导体 按结构分 无机半导体 元素 化合物 有机半导体 按结构分 晶体 单晶体 多晶体 非晶 无定形 晶体 单晶体 多晶体 非晶 无定形 无机半导体晶体材料无机半导体晶体材料 无机半导体晶体材料无机半导体晶体材料 元素半导体 化合物半导体 固溶体半导体 元素半导体 化合物半导体 固溶体半导体 3 元素半导体晶体元素半导体晶体 Ge Se Si C B Te P Sb As 元素 半导体 SI Sn 熔点太 高 不易 制成单晶 熔点太 高 不易 制成单晶 不稳定 易挥发 不稳定 易挥发 低温某种 固相 低温某种 固相 稀少稀少 1 元素半导体晶体元素半导体晶体 化合物 半导体 化合物 半导体 族 族 族 族 金 属氧化物 金 属氧化物 族 族 族 族 族 族 InP GaP GaAs InSb InAs CdS CdTe CdSe ZnS SiC GeS SnTe GeSe PbS PbTe AsSe3 AsTe3 AsS3 SbS3 CuO2 ZnO SnO2 化合物半导体及固溶体半导体化合物半导体及固溶体半导体 过渡金属氧化物半导体 过渡金属氧化物半导体 有有ZnO SnO2 V2O5 Cr2O3 Mn2O3 FeO CoO NiO 等 等 尖晶石型化合物 磁性半导体 尖晶石型化合物 磁性半导体 主要有主要有 CdCr2S4 CdCr2Se4 HgCr2S4等 等 稀土氧 硫 硒 碲化合物 稀土氧 硫 硒 碲化合物 有有EuO EuS EuSe EuTe 等 等 1 非晶非晶Si 非晶 非晶Ge以及非晶以及非晶Te Se元素半 导体 元素半 导体 2 化合物有化合物有GeTe As2Te3 Se4Te Se2As3 As2SeTe非晶半导体非晶半导体 非晶态半导体非晶态半导体 有机半导体 酞菁类及一些多环 稠环化合物 聚乙炔和环化脱聚丙烯腈等导电高分 子 他们都具有大 键结构 有机半导体 酞菁类及一些多环 稠环化合物 聚乙炔和环化脱聚丙烯腈等导电高分 子 他们都具有大 键结构 有机半导体有机半导体 高分子聚合物 有机分子晶体 有机分子络合物 高分子聚合物 有机分子晶体 有机分子络合物 4 半导体材料的地位半导体材料的地位 国民经济国民经济国家安全国家安全 科学技术科学技术 半导体微电子和光电子材料半导体微电子和光电子材料 通信 高速计算 大容量信息处理 空间防御 电子对 抗 武器装备的微 型化 智能化 半导体器件分类半导体器件分类 按器件的构成分类 按器件的构成分类 金属与半导体界面形成的一类器件 如金属与半导体界面形成的一类器件 如 MESFET 由由P N结形成的一类器件 如二极管 晶体管 晶闸管等 结形成的一类器件 如二极管 晶体管 晶闸管等 由异质结界面形成的一类器件 如异质结由异质结界面形成的一类器件 如异质结LED 和和LD等 等 金属金属 绝缘材料绝缘材料 半导体界面形成的一类器 件 如 半导体界面形成的一类器 件 如MOSFET等 等 按器件的性能分类按器件的性能分类 电子器件电子器件 可大致分为单极器件 双极器件 和微波器件等 半导体光电器件半导体光电器件 利用光子和载流子相互作用 实现光电转换和控制的一大类半导体功能器件 光电子有源器件光电子有源器件 LD LED等 光电子控制器件光电子控制器件 光调制器 光开关和半导体光 学双稳态器件等 光电子无源器件光电子无源器件 光探测器 光波导及CCD固 体成像器件等 半导体的发展半导体的发展 萌 芽 期 萌 芽 期 成长期成长期成熟期成熟期 衰 退 期 1874年年 F Braun 金属 半导体接触金属 半导体接触 氧化铜 硒 整流器 曝光计 氧化铜 硒 整流器 曝光计 1879年年Hall效应效应 K Beadeker半导 体中有两种不同 类型的电荷 半导 体中有两种不同 类型的电荷 1948年年 Shockley Bardeen Brattain 锗晶体管锗晶体管 transistor 点接触式的点接触式的 硅 检波器 硅 检波器 1940187019301950 萌 芽 期 萌 芽 期 硅 晶体 管 硅 晶体 管 第一个点接触式的第一个点接触式的晶体管晶体管 transistor 成为现代电子 工业的基础 成为现代电子 工业的基础 Ge 晶体管晶体管 获获1956年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖 5 1955年德国西门子 氢还原三氯硅烷法 制得高纯硅 年德国西门子 氢还原三氯硅烷法 制得高纯硅 1950年年G K Teel 直拉法 较大的锗单晶 直拉法 较大的锗单晶 1952年年G K Teel 直拉法 第一根硅单晶 直拉法 第一根硅单晶 1957年 第一颗砷化镓 单晶诞生 年 第一颗砷化镓 单晶诞生 19601950 进 入 成 长 期 进 入 成 长 期 1952年年H Welker 发现 发现 族化 合物 族化 合物 1958年年 W C Dash 无位错硅单 晶 无位错硅单 晶 1958年年 W C Dash 无位错硅单 晶 无位错硅单 晶 1963年 用液相外延法生长 砷化镓外延层 半导体激光器 年 用液相外延法生长 砷化镓外延层 半导体激光器 1963年 用液相外延法生长 砷化镓外延层 半导体激光器 年 用液相外延法生长 砷化镓外延层 半导体激光器 1963年砷化镓 微波振荡效应 年砷化镓 微波振荡效应 1963年砷化镓 微波振荡效应 年砷化镓 微波振荡效应 19701960 硅外延 技术 硅外延 技术 1965年年 J B Mullin发明 氧化硼液封直拉 法砷化镓单晶 发明 氧化硼液封直拉 法砷化镓单晶 分子束外延分子束外延MBE 金属有机化学汽相沉积金属有机化学汽相沉积MOCVD 半导体超晶格 量子阱材料半导体超晶格 量子阱材料 杂质工程杂质工程能带工程能带工程 电学特性和光学特性可裁剪电学特性和光学特性可裁剪 几种主要半导体的发展现状与趋势几种主要半导体的发展现状与趋势 硅 增大直拉硅 硅 增大直拉硅 CZ Si 单晶的直径仍是 今后 单晶的直径仍是 今后CZ Si发展的总趋势 发展的总趋势 Si单晶 8英寸 英寸 200mm 已实现大规模 工业生产 12英寸 英寸 300mm 2005年全球16 个工厂 18英寸英寸 2007年可 投入生产 27英寸英寸 研制正在 积极筹划 GaAs和和 InP单晶单晶 世界世界GaAs单晶的总年产量已超过单晶的总年产量已超过200吨 日本 吨 日本1999年的年的GaAs单晶的生产量为单晶的生产量为94吨 吨 InP为为27吨 吨 以低位错密度生长的以低位错密度生长的2 3英寸的导电英寸的导电GaAs衬 底材料为主 衬 底材料为主 6 研制直径研制直径3英寸以上大直径的英寸以上大直径的InP 单 晶的关键技术尚未完全突破 价格居高 不下 单 晶的关键技术尚未完全突破 价格居高 不下 InP比比GaAs 具有更优越的高频性能 具有更优越的高频性能 发展的速度更快 发展的速度更快 但不幸的是但不幸的是 半导体超晶格 量子阱半导体超晶格 量子阱 III V族超晶格 量子阱材料族超晶格 量子阱材料 GaAlAs GaAs GaInAs GaAs AlGaInP GaAs GaInAs InP AlInAs InP InGaAsP InP等等GaAs InP基 晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当 成熟 基 晶格匹配和应变补偿材料体系已发展得相当 成熟 已成功地用来制造超高速 超高频微电子器 件和单片集成电路 已成功地用来制造超高速 超高频微电子器 件和单片集成电路 目前硅基材料研究的主流 目前硅基材料研究的主流 GeSi Si应变层超晶格材料 新一 代移动通信 应变层超晶格材料 新一 代移动通信 硅基应变异质结构材料硅基应变异质结构材料 Si GeSi MOSFET 的最高截止频率已达的最高截止频率已达 200GHz 噪音在 噪音在10GHz下为下为0 9dB 其 性能可与 其 性能可与GaAs器件相媲美 器件相媲美 量子线 量子点 量子线 量子点 基于基于 低维新型半导体材料低维新型半导体材料 人工构造 通过能带工程实施 人工构造 通过能带工程实施 新一代量子器件的基础 非线性光学效应 新一代量子器件的基础 非线性光学效应 量子尺寸效应 量子干涉效应 量子隧穿效应 量子尺寸效应 量子干涉效应 量子隧穿效应 宽带隙半导体材料 宽带隙半导体材料 金刚石 碳化硅 金刚石 碳化硅 III族氮化物 立方氮化硼族氮化物 立方氮化硼 II VI族硫 锡 碲化物 氧化物及固溶体等族硫 锡 碲化物 氧化物及固溶体等 高频大功率 耐高温 抗辐射半导体微电子 器件和电路的理想材料 高频大功率 耐高温 抗辐射半导体微电子 器件和电路的理想材料 通信 汽车 航空 航天 石油开采及国防通信 汽车 航空 航天 石油开采及国防 特别特别 SiC GaN 和金刚石薄膜等材料的特点和金刚石薄膜等材料的特点 高热导率 高电子饱和漂移速度 大临界击穿电压 高热导率 高电子饱和漂移速度 大临界击穿电压 7 半导体的应用半导体的应用 分离元件分离元件集成电路集成电路 二极管二极管 三极管三极管 场效应管场效应管 微处理器微处理器 单片机单片机 处理器 数字信号 处理器 数字信号 微元件微元件 存储器存储器 逻辑元件逻辑元件 发光二极管发光二极管 光电池光电池 光电导器件光电导器件 温差电制冷器温差电制冷器 热敏电阻热敏电阻 温差发电器温差发电器 半导体半导体 电子元器件电子元器件光电器件光电器件热敏器件热敏器件 半导体的应用半导体的应用 例 单片机 例 单片机MCU与日常生活 与日常生活 半导体的应用半导体的应用 例 发光二极管 例 发光二极管LED与日常生活 与日常生活 上世纪上世纪60年代 红光 年代 红光 70年代 绿光 年代 绿光 90年代 蓝光 年代 蓝光 半导体的应用半导体的应用 例 发光二极管 例 发光二极管LED与日常生活 与日常生活 1 1 导体 半导体和绝缘体导体 半导体和绝缘体 导体 导体 自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体 金属 一般都是导体 金属 一般都是导体 绝缘体 绝缘体 有的物质几乎不导电 称为有的物质几乎不导电 称为绝缘体绝缘体 如橡 皮 陶瓷 塑料和石英 如橡 皮 陶瓷 塑料和石英 半导体 半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间 称为 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间 称为半导体半导体 如锗 硅 砷化镓 和一些硫化物 氧化物等 如锗 硅 砷化镓 和一些硫化物 氧化物等 1 半导体的基本知识半导体的基本知识 1 满带中的电子不导满带中的电子不导 电电 I k I k 即是说 k态和态和 k态的 电子电流互相抵消 态的 电子电流互相抵消 2 对部分填充的能对部分填充的能 带 将产生宏观电流 带 将产生宏观电流 8 Eg 电 子 能 量 Ec Ev gCV EEE 能带图可简化成 禁带宽度禁带宽度 导带 导带 半满带 禁带 价带 禁带 价带 满带 绝缘体 半导体和导体的能带示意图绝缘体 半导体和导体的能带示意图 绝缘体半导体导体 本征激发 当温度一定时 价带电子受到激发而成为导 带电子的过程 本征激发 当温度一定时 价带电子受到激发而成为导 带电子的过程 本征激发本征激发 当温度一定时 价带电子受到激发而成为导 带电子的过程 当温度一定时 价带电子受到激发而成为导 带电子的过程 激 发 后 激 发 后 空的量子态 空穴 价带电子空的量子态 空穴 价带电子 激 发 前 激 发 前 导带电子 空穴空穴 将价带电子的导电作用等效为带正电荷的准 粒子 准 粒子的导电作用 空穴的主要特征 A 荷正电 q B 空穴浓度表示为p 电子浓度表示为n 因此 在半导体中存在两种载流子 因此 在半导体中存在两种载流子 1 电子 电子 2 空穴 而在本征半导体中 空穴 而在本征半导体中 n p 空穴 空穴与导电电子导电电子 半导体中的空穴半导体中的空穴 1 空穴的波矢空穴的波矢 kp和速度和速度 假设价带内失去一个假设价带内失去一个ke态的电子 而价带中 其它能级均有电子占据 它们的波矢总和为 态的电子 而价带中 其它能级均有电子占据 它们的波矢总和为 k 满带时 满带时 k ke 0 k ke 而 而 k kp 空穴的波矢 空穴的波矢 kP ke 9 EC EV 电子少电子少 电子多 导带 价带 电子多 导带 价带 设价带内失去一个设价带内失去一个ke态的电子 而价带中 其它能级均有电子占据 态的电子 而价带中 其它能级均有电子占据 Ec Ev E ke J 表示该价带内实际存在 的电子引起的电流密度 表示该价带内实际存在 的电子引起的电流密度 设想有一个电子填充到空的设想有一个电子填充到空的ke态 这个电 子引起的电流密度为 态 这个电 子引起的电流密度为 q V ke 在填入这个电子后 该价带又成了满 带 总电流密度应为零 即 在填入这个电子后 该价带又成了满 带 总电流密度应为零 即 0 e kVqJ e JqV k 价带内ke态空出时 价带的电子产生的总电 流 就如同一个带正电荷带正电荷q的粒子以的粒子以ke状态 的电子速度 状态 的电子速度V ke 运动时所产生的电流 运动时所产生的电流 称这个带正电的粒子为空穴空穴 空穴的速度空穴的速度 设价带所有电子形成的总电流为设价带所有电子形成的总电流为 J 那么 那么 pe V kV k p kqVkqVJ 0 e kqVJ又因 2 空穴的能量空穴的能量 Ec Ev E ke 设价带顶的能量设价带顶的能量 Ev 0 E 电子从价带顶电子从价带顶Ev ke 将释放出能量 将释放出能量 EkE e 空穴从价带顶空穴从价带顶Ev ke 也就是电子从 也就是电子从 ke态到价带顶 将获得能量 态到价带顶 将获得能量 EkE P Pe E kE k 电子能量 空穴能量空穴能量 10 半导体半导体的导电机理不同于其它物质 所以它具有 不同于其它物质的特点 例如 的导电机理不同于其它物质 所以它具有 不同于其它物质的特点 例如 当受外界热和光的作用时 它的导电能 力明显变化 当受外界热和光的作用时 它的导电能 力明显变化 往纯净的半导体中掺入某些杂质 会使 它的导电能力明显改变 往纯净的半导体中掺入某些杂质 会使 它的导电能力明显改变 1 2 本征半导体本征半导体 一 本征半导体的结构特点一 本征半导体的结构特点 Ge Si 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体晶体 现代电子学中 用的最多的半导体是硅和锗 它们 的最外层电子 价电子 都是四个 现代电子学中 用的最多的半导体是硅和锗 它们 的最外层电子 价电子 都是四个 本征半导体 本征半导体 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 在硅和锗晶体中 原子按四角形系统组成晶 体点阵 每个原子都处在正四面体的中心 而四 个其它原子位于四面体的顶点 每个原子与其相 临的原子之间形成 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 在硅和锗晶体中 原子按四角形系统组成晶 体点阵 每个原子都处在正四面体的中心 而四 个其它原子位于四面体的顶点 每个原子与其相 临的原子之间形成共价键共价键 共用一对价电子 共用一对价电子 金刚石型结构的晶胞 硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构 共价键共 用电子对 共价键共 用电子对 4 4 4 4 4表示除 去价电子 后的原子 4表示除 去价电子 后的原子 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为 束缚电子束缚电子 常温下束缚电子很难脱离共价键成为 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子 自 由电子 因此本征半导体中的自由电子很少 所以 本征半导体的导电能力很弱 因此本征半导体中的自由电子很少 所以 本征半导体的导电能力很弱 形成共价键后 每个原子的最外层电子是 八个 构成稳定结构 形成共价键后 每个原子的最外层电子是 八个 构成稳定结构 共价键有很强的结合力 使原子规 则排列 形成晶体 共价键有很强的结合力 使原子规 则排列 形成晶体 4 4 4 4 二 本征半导体的导电机理二 本征半导体的导电机理 在绝对在绝对0度 度 T 0K 和没有外界激发时 价 电子完全被共价键束缚着 本征半导体中没有 可以运动的带电粒子 即 和没有外界激发时 价 电子完全被共价键束缚着 本征半导体中没有 可以运动的带电粒子 即载流子载流子 它的导电 能力为 它的导电 能力为 0 相当于绝缘体 在常温下 由于热激发 使一些价电子获 得足够的能量而脱离共价键的束缚 成为 相当于绝缘体 在常温下 由于热激发 使一些价电子获 得足够的能量而脱离共价键的束缚 成为自由电 子 自由电 子 同时共价键上留下一个空位 称为 同时共价键上留下一个空位 称为空穴空穴 1 载流子 自由电子和空穴1 载流子 自由电子和空穴 11 4 4 4 4 自由电子自由电子 空穴空穴 束缚电子束缚电子 2 本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 4 4 4 4 在其它力的作用下 空穴吸引附近的电子 来填补 这样的结果 相当于空穴的迁移 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动 因此 可以认为空穴是载流 子 在其它力的作用下 空穴吸引附近的电子 来填补 这样的结果 相当于空穴的迁移 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动 因此 可以认为空穴是载流 子 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 即本征半导体中存在数量相等的两种载流子 即 自由电子自由电子和和空穴空穴 温度越高 载流子的浓度越高 因此本征半 导体的导电能力越强 温度越高 载流子的浓度越高 因此本征半 导体的导电能力越强 温度温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素 这是半导体的一 大特点 是影响半导体性 能的一个重要的外部因素 这是半导体的一 大特点 本征半导体的导电能力取决于本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度载流子的浓度 本征半导体中电流由两部分组成 本征半导体中电流由两部分组成 1 自由电子移动产生的电流 自由电子移动产生的电流 2 空穴移动产生的电流 空穴移动产生的电流 1 3 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 就会 使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 就会 使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加 P 型半导体 型半导体 空穴浓度大大增加的杂质半导体 也 称为 空穴半导体 空穴浓度大大增加的杂质半导体 也 称为 空穴半导体 N 型半导体 型半导体 自由电子浓度大大增加的杂质半导 体 也称为 电子半导体 自由电子浓度大大增加的杂质半导 体 也称为 电子半导体 一 一 N 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 或锑 晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代 磷原子的最外层有五个价电子 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键 必定多出一个电子 这个电子几乎不受束 缚 很容易被激发而成为自由电子 这样磷 原子就成了不能移动的带正电的离子 每个 磷原子给出一个电子 称为 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 或锑 晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代 磷原子的最外层有五个价电子 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键 必定多出一个电子 这个电子几乎不受束 缚 很容易被激发而成为自由电子 这样磷 原子就成了不能移动的带正电的离子 每个 磷原子给出一个电子 称为施主原子施主原子 4 4 5 4 多余 电子 多余 电子 磷原子磷原子 N 型半导体中 的载流子是什 么 型半导体中 的载流子是什 么 1 由施主原子提供的电子 浓度与施主原子相同 2 本征半导体中成对产生的电子和空穴 1 由施主原子提供的电子 浓度与施主原子相同 2 本征半导体中成对产生的电子和空穴 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以 自 由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以 自 由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为多数载流 子 多数载流 子 多子多子 空穴称为 空穴称为少数载流子少数载流子 少子少子 12 二 二 P 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素 如硼 或铟 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质 取代 硼原子的最外层有三个价电子 与相邻的 半导体原子形成共价键 时 产生一个空穴 这个 空穴可能吸引束缚电子来 填补 使得硼原子成为不 能移动的带负电的离子 由于硼原子接受电子 所 以称为 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素 如硼 或铟 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质 取代 硼原子的最外层有三个价电子 与相邻的 半导体原子形成共价键 时 产生一个空穴 这个 空穴可能吸引束缚电子来 填补 使得硼原子成为不 能移动的带负电的离子 由于硼原子接受电子 所 以称为受主原子受主原子 4 4 3 4 空穴空穴 硼原子硼原子 P 型半导体中空穴是多子 电子是少子型半导体中空穴是多子 电子是少子 三 杂质半导体的示意表示法三 杂质半导体的示意表示法 P 型半导体型半导体 N 型半导体型半导体 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流 但由于数量的关系 起导电作用的主要是多子 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流 但由于数量的关系 起导电作用的主要是多子 近似认为 近似认为多子与杂质浓度多子与杂质浓度相等 相等 1 4 有效质量有效质量 从粒子性出发从粒子性出发 它具有一定的质量 m0和 运动速度 V 它的能量E和动量P分别为 一 自由空间的电子一 自由空间的电子 2 0 2 1 VmE VP 0 m 从波动性出发从波动性出发 电子的运动看成频率为 波矢为 K 的平面波在波矢方向的传输过程 德布罗意关系 1 能量能量 E k 自由电子自由电子E与与k 的关系的关系 E k0 0 2 2 2 2 1 m kh VmE o Ehv kph o m kh h dk dE dk dE hm kh m p V oo 1 对对 E k 微分微分 得到 当有 得到 当有外力外力 F 作用于电子时作用于电子时 在在 dt 时间内时间内 电子 位移了 电子 位移了ds 距离距离 那么外力对电子所作的功等于 能量的变化 那么外力对电子所作的功等于 能量的变化 即即 2 速度速度 V k 3 加速度加速度 a 13 FVdtFdsdE dk dE h FFV dt dE1 dt dk dk dE dt dE o o o m F a am dt Vmd dt khd F dt dk hF dk kdE h V 1 0 0 V dk dE 二 半导体中的电子 二 半导体中的电子 晶体中作共有化运动的电子平均速度晶体中作共有化运动的电子平均速度 1 速度速度 V 设导带底或价带顶位于设导带底或价带顶位于 k 0 则则 以一维情况为例 设 E k 在 k 0 处取得极值 在 极值附近按泰勒级数展开 展开 0 0 kK dE E kE dk 0 2 2 2 1 2 k d E k dk 2 0 2 2 2 1 0 k k E EkE k dd 为得导带底或价带顶附近 令 11 0 2 2 2 kE mdk Ed h n k 22 2 1 0 n m kh EkE 得到能带极值附近电子的速度为 d d1 n m h k E h k V mn 为导带底或价带顶电子的有效质量 导带底 价带顶 电子的mn 0 电子的mn 0 mn 0 0 mn 0 电子的mn T1 E T1 T2 F E Ef 1 1 0 Tk EE F e Ef 例 例 量子态的能量量子态的能量 E 比比 EF高或低高或低 5kT 当当 E EF 5 kT 时 时 f E 0 007 当当 E EF 5 kT 时 时 f E 0 993 温度不很高时温度不很高时 能量大于能量大于 EF的量子态基本没有被电子占据的量子态基本没有被电子占据 能量小于能量小于 EF的量子态基本为电子所占据的量子态基本为电子所占据 电子占据电子占据 EF的概率在各种温度下总是的概率在各种温度下总是 1 2 2 f E 与 E 2 f E 与 EF F有关有关 E EF F f E 能带中的电子占有几率增加 f E 能带中的电子占有几率增加 费米能级位置标志着电子填充能级水平的高低 费米能级位置标志着电子填充能级水平的高低 EF EA a b c d e c E V E EF EF EF EF 强强p型型 p型本征型本征n型 强 型 强n型型 Ei EF 的意义的意义 EF 的位置比较直观地反映了电子占据 电子态的情况 即标志了电子填充能级的 水平 EF 越高 说明有较多的能量较高的电子 态上有电子占据 越高 说明有较多的能量较高的电子 态上有电子占据 16 二 玻尔兹曼分布二 玻尔兹曼分布 1 电子的玻氏分布1 电子的玻氏分布 当 E EF kT 时 Tk EE F e 0 1 1 1 0 Tk EE F e Ef 00 EfAee B Tk E Tk EE F 玻尔兹曼分布 例如 E EF 5kT时 006693 0 1 1 1 1 5 0 e e Ef Tk EE F 006739 0 5 eEfB 在室温时 kT 0 026eV 0 56 0 026 21 6 5 本征 Si Fii EE E 本征 为禁带中心能级 1 12 g Eev 0 56 cFci EEEEev 所以 导带底电子满足玻尔兹曼统计规律 所以 导带底电子满足玻尔兹曼统计规律 2 空穴的玻氏分布2 空穴的玻氏分布 1 1 1 0 Tk EE F e Ef 1 1 0 Tk EEF e 当EF E kT时 Tk E Tk EE BeeEf F 00 1 E 空穴占有几率增加 EF 空穴占 有几率下降 即电子填充水平增高 服从Boltzmann分布的电子系统 非简并系统非简并系统 相应的半导体非简并半导体非简并半导体 服从Fermi分布的电子系统 简并系统简并系统 相应的半导体简并半导体简并半导体 满足 F EEkT EkT F 或E 载流子的统计分布载流子的统计分布 导带电子浓度导带电子浓度 其中 称为导带有效状态密度 KT EE Nn FC Cexp 3 2 3 22 h KTm N dn c 17 价带空穴浓度价带空穴浓度 其中 称为价带有效状态密度 exp FV V EE pN KT 3 2 3 22 h KTm N dp V 导带电子浓度和价带空穴浓度之积 导带电子浓度和价带空穴浓度之积 式中为禁带宽度 与温度有关 可以把它 写成经验关系式 于是 其中为常数 KT Eg Vc eNNnp g E g E TEE gg 0 KT Eg eTKnp 0 3 1 1 K 本征半导体本征半导体 n p 1 7 24 于是 1 7 25 1 7 26 1 7 27 称为质量作用定律 利用和 也可以把电子和空 穴浓度写成下面的形式 1 7 28 1 7 29 11 ln 22 V icV c N EEEKT N 12 exp 2 g iiCV E npN N KT 2 i npn i n i E exp Fi i EE nn KT exp iF i EE pn KT 只有一种杂质的半导体只有一种杂质的半导体 N型半导体型半导体 在杂质饱和电离的温度范围内 导带电子浓度等于施主浓度 1 7 30 而 1 7 31 1 7 32 或 1 7 33 温度升高 费米能级逐渐远离导带底 施主浓度越高 费米 能级越靠近导带底 d Nn d ii N n n n p 22 d C CF N N KTEEln ln d Fi i N EEKT n P型半导体型半导体 在杂质饱和电离的温度范围内 1 7 34 导带电子浓度为 1 7 35 费米能级 1 7 36 1 7 37 a Np a ii N n p n n 22 a V VF N N KTEEln i a iF n N KTEEln 杂质补偿半导体杂质补偿半导体 在 的半导体中 1 7 38 1 7 39 相应的费米能级为 1 7 40 和 1 7 41 d N a N ad NNn ad ii NN n n n p 22 ad C CF NN N KTEE ln i ad iF n NN KTEE ln 18 杂质补偿半导体杂质补偿半导体 在 的半导体 中 1 7 42 1 7 43 相应的费米能级为 1 7 44 1 7 45 d N a N da NNp da ii NN n p n n 22 da V VF NN N KTEE ln i da iF n NN KTEE ln 半导体的能带结构半导体的能带结构 1 元素半导体的能带结构元素半导体的能带结构 金刚石结构金刚石结构 导带 价 带 价 带 硅和锗的能带结构硅和锗的能带结构 0 0 100 00 010 00 001 硅导带等能面示意图硅导带等能面示意图 极大值点 k0 在坐标 轴上 共有6个形状一样的 旋转椭球等能面 1 导带导带 A B C D 导带最低能值导带最低能值 100 方向 硅的能带结构硅的能带结构 价带极大值价带极大值 位于布里渊区的中心 坐 标原点 位于布里渊区的中心 坐 标原点K 0 存在极大值相重 合的两个价带 存在极大值相重 合的两个价带 外面的能带曲率小 对应的 有效质量大 称该能带中的 空穴为 外面的能带曲率小 对应的 有效质量大 称该能带中的 空穴为重空穴重空穴 mp h 内能带的曲率大 对应的有 效质量小 称此能带中的空 穴为 内能带的曲率大 对应的有 效质量小 称此能带中的空 穴为轻空穴轻空穴 mp l E k 为球形等能面 为球形等能面 2 价带 价带 锗的能带结构锗的能带结构 导带最低能值导带最低能值 111 方向布里渊区边界方向布里渊区边界 E k 为以为以 111 方向为 旋转轴的椭圆等能面 方向为 旋转轴的椭圆等能面 19 价带极大值价带极大值 位于布里渊区的中心 位于布里渊区的中心 K 0 存在极大值相重合 的两个价带 存在极大值相重合 的两个价带 外面的能带曲率小 对应 的有效质量大 称该能带 中的空穴为重空穴 内能带的曲率大 对应的 有效质量小 称此能带中 的空穴为轻空穴 外面的能带曲率小 对应 的有效质量大 称该能带 中的空穴为重空穴 内能带的曲率大 对应的 有效质量小 称此能带中 的空穴为轻空穴 禁带宽度 Eg随温度增加而减小 且 Si Ge Eg T 0 Eg Ge 0 7437 eV Eg Si 1 170 eV Ge Si能带结构的主要特征能带结构的主要特征 T T ETE gg 2 0 KKeV KKeV 235 10774 4 636 1073 4 4 4 多能谷结构 多能谷结构 锗 硅的导带分别存在四个和六 个这种能量最小值 导带电子主要分 布在这些极值附近 通常称锗 硅的 导带具有 锗 硅的导带分别存在四个和六 个这种能量最小值 导带电子主要分 布在这些极值附近 通常称锗 硅的 导带具有 间接带隙半导体 间接带隙半导体 硅和锗的导带底和价带顶在硅和锗的导带底和价带顶在 k 空间处 于不同的 空间处 于不同的 k 值 值 2 III V族化合物的能带结构族化合物的能带结构 GaAs的能带结构 闪锌矿结构 导带有三个极小值 一个在k 0处 为球形等 能面 另两个在 100 及 111方向 为椭球等能面 能量比 k 0处的高 0 476eV及 0 284eV 0 063 0mme 0 0 55 0 85 0mmmm ee 价带顶也在坐标原点 k 0 球形等能 面 存在重 轻空穴带 还存在一个由于 自旋 轨道耦合分裂出来的第三个能带 第三个能带裂距为0 34eV GaAs的导带的极小值点和价带的极 大值点位于 的导带的极小值点和价带的极 大值点位于K空间的同一点 这种 半导体称为 空间的同一点 这种 半导体称为直接带隙直接带隙半导体 半导体 20 III V族混合晶体的能带结构族混合晶体的能带结构 GaAs1 xPx的的Eg与组分的关系与组分的关系 连续固溶体连续固溶体 混合晶体 能带结构随成分的 变化而连续变化 混合晶体 能带结构随成分的 变化而连续变化 Ga1 xInxP1 yAsy 的禁带 宽度随 的禁带 宽度随 x y 的变化的变化 Al1 xGaxAs1 ySby 的禁带 宽度随 的禁带 宽度随 x y 的变化的变化 混合晶体的混合晶体的Eg随组分变化的特性随组分变化的特性 发光器件发光器件 GaAs1 xPx发光二极管发光二极管 x 0 38 0 40时 时 Eg 1 84 1 94 eV 电 空复合发出电 空复合发出 640 680 nm红光红光 激光器件激光器件 Ga1 xInxP1 yAsy长波长激光器 调节 长波长激光器 调节 x y 组分可获得组分可获得1 3 1 6 m 红外光红外光 间接带隙半导体 间接带隙半导体 导带和价带的极值处于不同的k空间 跳跃是间 接的 间接跳跃过程除了发射光子还有声子 问题 硅 锗 砷化镓是什么类型的半导体 宽禁带半导体材料 宽禁带半导体材料 Eg 2 3 的能带 的能带 SiC 金刚石 金刚石 II族氧化物 族氧化物 II族硫化物 族硫化物 II族硒化物 族硒化物 III氮化物及其合金氮化物及其合金 高频 高功率 高温 抗辐射和高密度 集成的电子器件 蓝光 绿光 紫外光的发光器件和光探 测器件 高频 高功率 高温 抗辐射和高密度 集成的电子器件 蓝光 绿光 紫外光的发光器件和光探 测器件 21 SiC的晶格结构和能带的晶格结构和能带 同质多象变体 同质多型体 同质多象变体 同质多型体 在不同的物理化学环境下 形成两种或两 种以上的晶体 这些成分相同 形态 构造和 物理性质有差异的晶体称为 SiC的多象变体约的多象变体约 200 多种 多种 结构的差异使结构的差异使SiC的禁带宽度不同的禁带宽度不同 eV02 3 SiCR15 eV23 3 SiCH4 eV36 2 SiCC3 g g g E E E SiC 立方晶体结构的立方晶体结构的 SiC 变体 变体 SiC 六方和菱形晶体结构的六方和菱形晶体结构的 SiC 变体变体 SiC晶体的能带特点晶体的能带特点 间接带隙间接带隙 导带极小值在导带极小值在 X 点点 价带极大值在 点价带极大值在 点 GaN AlN的晶格结构和能带的晶格结构和能带 III族氮化物 族氮化物 GaN AlN InN AlGaN GaInN AlInN AlGaInN等等 禁带宽度范围 禁带宽度范围 红 黄 绿 蓝和紫外光红 黄 绿 蓝和紫外光 晶格结构 晶格结构 闪锌矿和纤锌矿闪锌矿和纤锌矿 GaN晶体的能带特点晶体的能带特点 直接带隙直接带隙 导带极小值与价带极大值在 点导带极小值与价带极大值在 点 对纤锌矿和闪锌矿结构对纤锌矿和闪锌矿结构 AlN晶体的能带特点晶体的能带特点 对纤锌矿结构对纤锌矿结构 直接带隙直接带隙 导带极小值与价带极大值在 点导带极小值与价带极大值在 点 对闪锌矿结构对闪锌矿结构 间接带隙 导带极小值在 间接带隙 导带极小值在 X 点 价带极大值在 点点 价带极大值在 点 22 非平衡载流子的注入与复合非平衡载流子的注入与复合 一 非平衡载流子的产生一 非平衡载流子的产生 1 光注入 光注入 用波长比较短的光 g Eh 照射到半导体 光照 n p no po 光照产生非平衡载流子 2 电注入 电注入 3 非平衡载流子浓度的表示法 非平衡载流子浓度的表示法 产生的非子一般都用 n p来表示 n n0 n p p0 p n0 p0为热平衡时电子浓度和空穴浓度 n p为非子浓度 对同块材料 n p 热平衡时n0 p0 ni2 非平衡时n p ni2 n型 n 非平衡多子 p 非平衡少子 p型 p 非平衡多子 n 非平衡少子 注意 注意 n p 非平衡载流子的浓度 n0 p0 热平衡载流子浓度 n p 非平衡时导带电子浓度 和价带空穴浓度 4 大注入 小注入 大注入 小注入 注入的非平衡载流子浓度大于平衡时的多子浓 度 称为大注入大注入 n型 n n0 p型 p p0 注入的非平衡载流子浓度小于平衡时的多子浓 度 称为小注入小注入 n型 n n0 或p型 p p0 例 例 1 cm的的n型硅中 型硅中 n0 5 5 1015cm 3 p0 3 1 104cm 3 注入非子 注入非子 n p 1010cm 3 则 则 n p0 非平衡载流子浓度 非平衡载流子浓度 平衡少子浓度 即使小注入 平衡少子浓度 即使小注入 实际上 非平衡少子起重要作用 实际上 非平衡少子起重要作用 23 二 非平衡时的附加电导二 非平衡时的附加电导 热平衡时热平衡时 np qnqp 000 非平衡时非平衡时 np nqpq 0 00 00 pnpn np nqqpqn qnnqpp pn nq 附加电导率附加电导率 n型 多子 nnn nqqn 0 少子 ppp pqqp 0 光注入引起附加光电导 光 照 R 半 导 体 非平衡载流子的检测非平衡载流子的检测 设外接电阻 R r 样品 的电阻 rR V I 光注入引起附加光电导 光 照 R 半 导 体 无光照时无光照时 pn qpqn 000 0 0 1 有光照后有光照后 0 1 2 0 0 0 0 0 11 S L S L r 2 0 pnCr pnrIVr 半导体上电压的变化 间接反映了非平衡载流 子的注入 半导体上电压的变化 间接反映了非平衡载流 子的注入 注入载流子的复合注入载流子的复合 产生非子的外部作用撤除后 由于半导 体的内部作用 使它由非平衡态恢复到平衡 态 非子逐渐消失 这一过程叫非平衡载流子 复合 产生非子的外部作用撤除后 由于半导 体的内部作用 使它由非平衡态恢复到平衡 态 非子逐渐消失 这一过程叫非平衡载流子 复合 24 复合类型复合类型 按复合机构分按复合机构分 直接复合直接复合 Ec Ev 间接复合间接复合 Ec Ev Et 按复合发生的位置分按复合发生的位置分 表面复合 体内复合 表面复合 体内复合 按放出能量的形式分按放出能量的形式分 发射光子 俄歇复合 发射声子 辐射复合 发射光子 俄歇复合 发射声子 辐射复合 直接复合直接复合 1 复合率和产生率 复合率和产生率 1 复合率 复合率 单位时间 单位体积中被复合的载流子对 电子 空穴对 量纲为 对 个 s cm3 用R表示 R np R rnp r 比例系数 它表示单位时间一个电子与一个空 穴相遇的几率 通常称为复合系数复合系数 当 n n0 p p0 时 r n0 p0 热平衡态时单位时间 单位体 积被复合掉的电子 空穴对数 对直接复合 用 Rd 表示复合率 Rd rdnp 非平衡 Rd rdn0p0 热平衡 rd 为直接复合的复合系数为直接复合的复合系数 2 产生率 产生率 单位时间 单位体积中产生的载流子 用 Q 表示 在达到热平衡时 产生率必须等于复合率 2 00iddd nrpnrQR Q 在所有非简并情况下 基本相同 与温度有关 与 在所有非简并情况下 基本相同 与温度有关 与 n p 无关无关 直接复合的净复合率直接复合的净复合率 ud 直接复合的净复合率 ud 复合率 00p nrnprQR dd ppnprd 00 产生率 25 3 直接复合的非子寿命 直接复合的非子寿命 1 00 ppnrd rd rd 大 小 寿命 与热平衡载流子浓度 n0 p0有关 与注入有关 d U p 小注入小注入 00 pnp 1 00 pnrd d N 型 n0 p0 0 1 nrd d P 型 p0 n0 0 1 prd d 小注入时 非子寿命决定于材料 多子 浓度大 小注入时 非子寿命决定于材料 多子 浓度大 小小 大注入时 非子寿命决定于注入 注 入浓度大 大注入时 非子寿命决定