半导体物理基础(1-2)2.ppt

半导体物理基础 ElementarySemiconductorPhysics Conductor104 105s cm 1 Insulator10 18 10 10s cm 1 Semiconductor10 10 104s cm 1 1 电导率介于导体与绝缘体之间 Chapter1BasicSemiconductorProperties 第一章半导体的一般特性 1导电性 3 与温度 光照 湿度等密切相关 2 两种载流子参于导电 4 与掺杂有关 2SemiconductorMaterials Elemental 元素 Compounds 化合物 Alloys 合金 指两种或多种金属混合 形成某种化合物 1 classifiedas 2 Crystalstructure Diamondlattice 金刚石晶格 Si Ge Zincblendelattice 闪锌矿晶格 ZnS GaAs InP CuF SiC CuCl AlP GaP ZnSe AlAs CdS InSb和AgI 3 MillerIndices 236 B 101 等效晶面 5 theangle between h1k1l1 and h2k2l2 4 Interplanarspacing a Latticeconstant hkl planes 3EnergyBandTheory Nearlyfreeelectronmodel 1 GeneralConsideration Tight bindingmodel 对称性E k E k 周期性 2 Constant EnergySurface 3 BrillouinZones FirstBrillouinzonesformaterialscrystallizinginthediamondandzineblendelattices 4 Ge Si andGaAs EnergyBand Cyclotronresonanceexperiments 测m m 能带结构 回旋共振实验 B 电子的初速度为v 在恒定磁场 B 中 若等能面是椭球面 沿kx ky kz方向有效质量分别为 设B沿kx ky kz轴的方向余弦分别为 那么 其中 以硅为例 1 B沿 111 方向 观察到一个吸收峰 2 B沿 110 方向 观察到两个吸收峰 3 B沿 100 方向 观察到两个吸收峰 4 B沿任意轴方向 观察到三个吸收峰 硅导带底附近等能面是沿 100 方向的旋转椭球面 硅导带底附近等能面是方向的旋转椭球面 分析 设 001 适当选取坐标 使B位于k1 k2平面内 sin 0 cos 则 Constant EnergySurface 等能面 Ge Si GaAs E k关系图 Ge Si 3 3 2 锗 Eg 0 74eV硅 Eg 1 17eV 1 Heavyholes 2 Lightholes T 0K E k关系图 GaAs GaAs Eg 1 16eV 本征半导体 是指一块没有杂质和缺陷的半导体 本征激发 T 0K时 电子从价带激发到导带 同时价带中产生空穴 n0 p0 nin0p0 ni2ni 本征载流子浓度 1 IntrinsicSemiconductor 本征半导体 第二章半导体中杂质和缺陷能级 从si的共价键平面图看 P15 1S22S22P63S23P3 这种束缚比共价键的束缚弱得多 只要很少的能量就可以使它挣脱束缚 成为导带中的自由粒子 这个过程称杂质电离 Doped extrinsicSemiconductor 掺杂 非本征半导体 1 Donor 施主杂质 n型半导体 族元素硅 锗中掺 族元素 如P 从Si的电子能量图看 结论 磷杂质在硅 锗中电离时 能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心 这种杂质称施主杂质 掺施主杂质后 导带中的导电电子增多 增强了半导体的导电能力 主要依靠导带电子导电的半导体称n型半导体 电离能的计算 氢原子 2 Acceptor 受主杂质 p型半导体 族元素硅 锗中掺 族元素 如硼 B 从si的共价键平面图看 B13 1S22S22P63S23P1 小结 纯净半导体中掺入受主杂质后 受主杂质电离 使价带中的导电空穴增多 增强了半导体的导电能力 主要依靠价带空穴导电的半导体称p型半导体 从Si的电子能量图看 3 杂质的补偿作用 半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时 它们之间有相互抵消的作用 杂质补偿作用 当ND NA时 n ND NA ND半导体是n型 当ND NA时 p NA ND NA半导体是p型 当ND NA时 杂质的高度补偿 ND 施主杂质浓度NA 受主杂质浓度n 导带电子浓度p 价带空穴浓度 第三章半导体中载流子的统计分布 CarrierStatistics 载流子浓度 状态密度g E 分布函数f E dE V状态密度g E 单位能量间隔中的量子态数 能级数 分布函数f E 能量为E的量子态被一个粒子占据的几率 状态密度 Densityofstates 金属自由电子g E 半导体导带电子gc E 1 Electornconcentration 导带中的电子浓度 对于Si Ge 其中 Ge s thenumberofellipsoidalsurfaceslyingwithinthefirstBrillouin 导带底电子状态密度有效质量 Si s 6 s 1 2 8 4 分布函数f E 半导体导带中的电子按能量的分布服从费米统计分布 玻尔兹曼分布 fermifunction 非简并半导体 nondegeneratedsemiconductor 简并半导体 degeneratedsemiconductor 导带电子浓度n 令Etop 则 top 导带的有效状态密度Nc 电子占据量子态Ec的几率 状态密度 2 Holeconcentration 价带中的空穴浓度 分布函数fV E fV E 表示空穴占据能态E的几率 即能态E不被电子占据的几率 价带空穴浓度p0 价带的有效状态密度Nv 价带顶部EV态被空穴占据的几率 3 施主能级上的电子浓度 状态密度 所掺施主杂质的浓度ND E ED 分布函数fD E 施主杂质能级与导带中的能级不同 只能是以下两种情况之一 1 被一个有任一自旋方向的电子所占据 2 不接受电子 施主能级上的电子浓度nD 电离了的施主浓度 ionizeddonors 4 受主能级上的空穴浓度 状态密度 所掺受主杂质的浓度NA E EA 受主能级上的空穴浓度PA 分布函数fA E 空穴占据受主能级的几率 电离了的受主杂质浓度 ionizedacceptors 分析 n0 p0的大小与T EF有关 EF的高低反映了半导体的掺杂水平 2n0与p0的乘积与EF无关即与掺杂无关 4 电中性关系 ChargeNeutralityRelationship 1 intrinsicsemiconductor 2 3CarrierconcentrationandEFCalculations 本征半导体的电中性方程 n0 p0 ni 两边取对数并整理 得 载流子浓度和EF的计算 结论 本征半导体的费米能级Ei基本位于禁带中央 本征半导体的费米能级EF一般用Ei表示 Intrinsiccarrierconcentrationni 本征载流子浓度 结论 本征载流子浓度ni随温度升高而增加 lnni 1 T基本是直线关系 电中性方程 以只含施主为例来分析 分温区讨论 1 低温弱电离区 电中性方程 2 extrinsicsemiconductor 非本征 杂质半导体 Freeze out 两边取对数并整理 得 ED起了本征情况下EV的作用 载流子浓度 2 中温强电离区 电中性方程 两边取对数并整理 得 载流子浓度 本征激发不可忽略 电中性方程 3 过渡区 n0 多数载流子p0 少数载流子 4 高温本征区 本征激发产生的载流子远多于杂质电离产生的载流子 电中性方程 载流子浓度 温区低温中温高温 费米能级载流子浓度 1 n T 分析 讨论 2 EF T 3 EF 掺杂 T一定 则NC也一定 T一定 ND越大 EF越靠近EC 低温 ND NC时 ND lnND ln2NC ND NC时 ND lnND ln2NC 中温 由于T的升高 NC增加 使ND NC ND lnND ln2NC T一定 NA越大 EF越靠近EV 1载流子浓度 2 4简并半导体 degenrratedsemiconductor 对于简并半导体 导带底部的量子态基本被电子占满 电子分布函数不再能近似为玻尔兹曼分布函数了 而要用费米分布描述 费米积分 P76 当掺杂浓度很高