L2-半导体中的载流子(1)...ppt

1 2 1半导体材料简介2 2半导体的能带结构2 3本征半导体和杂质半导体2 4电子和空穴的统计分布 2半导体中的载流子 1 2 2半导体中的载流子 1 2 1半导体材料简介 电导率为106 104 104 10 10 小于10 10 cm 1 1 导体 半导体和绝缘体的区别 固体材料根据其导电性可以分为导体 半导体和绝缘体三类 3 金属 半导体 绝缘体的能带 2半导体中的载流子 1 2 1半导体材料简介 4 在外电场的作用下 大量共有化电子很容易获得能量 集体定向流动形成电流 从能级图上来看 是因为其大量共有化电子处于可以自由移动的导带能级上 E 导体 2半导体中的载流子 1 2 1半导体材料简介 5 从能级图上来看 是因为满带与空带之间有一个较宽的禁带 Eg约3 6eV 共有化电子很难从低能级 满带 跃迁到高能级 空带 上去 在外电场的作用下 共有化电子很少所以形不成电流 的能带结构 满带与空带之间也是禁带 但是禁带很窄 Eg约0 1 2eV 绝缘体 半导体 2半导体中的载流子 1 2 1半导体材料简介 6 绝缘体与半导体的击穿 当外电场非常强时 它们的价带电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中的 绝缘体 半导体 导体 2半导体中的载流子 1 2 1半导体材料简介 7 半导体的主要特点 1 在纯净的半导体中 电导率随温度的上升而指数增加 2 半导体中杂质的种类和数量决定着半导体的电导率 在重掺杂情况下温度对半导体的影响较弱 3 在半导体中可以实现非均匀掺杂 4 光的辐照 高能电子等的注入可以影响半导体的电导率 2半导体中的载流子 1 2 1半导体材料简介 8 电子导电和空穴导电 在半导体材料中 如果共价键中的电子获得足够的能量 可以摆脱共价键的束缚而成为可以自由移动的电子 此时在原来的共价键上留下一个缺位 由于相邻共价键上的电子随时可以跳过来填补这个缺位 从而使缺位转移到相邻的共价键上 即可以认为缺位也是可以自由移动的 这种可以自由移动的缺位称为空穴 半导体就是靠电子和空穴的移动而导电的 这些电子和空穴通称为载流子 2半导体中的载流子 1 2 1半导体材料简介 9 半导体材料分类 1 元素半导体材料Si Ge Se2 化合物半导体材料III V族 GaAs InP GaN InAsII VI族 ZnS ZnSe CdS HgTeIV IV族 SiC GeSiI III VI族 CuInSe2 3 固溶体半导体材料Ga1 xAlxAs HgxCd1 xTe4 超晶格半导体材料GaAs GaAlAs InAs GaSb 2半导体中的载流子 1 2 1半导体材料简介 10 2半导体中的载流子 1 2 2半导体的能带结构 原子能级与能带的对应 一个原子能级 i对应一个能带 能量较低的能带较窄对应内层电子的能级 能量较高的能带较宽对应外层电子的能级 不同原子能级对应不同的能带形成了一系列能带 11 两个相邻能带之间的能量区域称为禁带 晶体中电子的能量只能取能带中的数值 而不能取禁带中的数值 E2 E3 E5 E4 E6 E7 E1 0 E E k曲线的表达图式 2半导体中的载流子 1 2 2半导体的能带结构 12 1 锗和硅的能带结构 I 价带均有3个能带 II 均为间接带隙结构 III 锗的导带底 111 方向L点 IV 硅的导带底在 100 方向的 点 2半导体中的载流子 1 2 2半导体的能带结构 13 2半导体中的载流子 1 2 2半导体的能带结构 14 2半导体中的载流子 1 2 2半导体的能带结构 15 2半导体中的载流子 1 2 2半导体的能带结构 16 I 价带有3个能带 II 具有直接带隙结构 III 导带具有多能谷 2 砷化镓的能带结构 2半导体中的载流子 1 2 2半导体的能带结构 17 2半导体中的载流子 1 2 2半导体的能带结构 18 2半导体中的载流子 1 2 2半导体的能带结构 19 1 本征半导体材料 本征半导体 化学成分纯净的半导体 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99 9999999 常称为 九个9 它在物理结构上呈单晶体形态 2半导体中的载流子 1 2 3本征半导体和杂质半导体 20 硅和锗的共价键结构 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 2半导体中的载流子 1 2 3本征半导体和杂质半导体 21 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 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子 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 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 2半导体中的载流子 1 2 3本征半导体和杂质半导体 22 本征半导体的导电机理 在绝对0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 即载流子 它的导电能力为0 相当于绝缘体 在常温下 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 同时共价键上留下一个空位 称为空穴 I 载流子 自由电子和空穴 这一现象称为本征激发 也称热激发 2半导体中的载流子 1 2 3本征半导体和杂质半导体 23 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的 称为电子空穴对 游离的部分自由电子也可能回到空穴中去 称为复合 如图所示 本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡 本征激发和复合的过程 2半导体中的载流子 1 2 3本征半导体和杂质半导体 24 II 本征半导体的导电机理 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 即自由电子和空穴 2半导体中的载流子 1 2 3本征半导体和杂质半导体 25 温度越高 载流子的浓度越高 本征半导体的导电能力也就越强 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 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 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 2 空穴移动产生的电流 2半导体中的载流子 1 2 3本征半导体和杂质半导体 26 2 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 p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 n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 2半导体中的载流子 1 2 3本征半导体和杂质半导体 27 I n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 称为施主原子 2半导体中的载流子 1 2 3本征半导体和杂质半导体 28 多余电子 磷原子 N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 半导体中由于热激发而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 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 2半导体中的载流子 1 2 3本征半导体和杂质半导体 29 II p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 所以称为受主原子 空穴 硼原子 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 2半导体中的载流子 1 2 3本征半导体和杂质半导体 30 杂质对半导体导电性的影响 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响 一些典型的数据如下 以上三个浓度基本上依次相差106 cm3 2半导体中的载流子 1 2 3本征半导体和杂质半导体 31 1 费米分布函数 在热平衡条件下 能量为E的状态被电子占据的几率为 当满足 E EF kBT时 则费米分布函数简化为波耳兹曼分布 称为费米分布函数 2半导体中的载流子 1 2 4电子和空穴的统计分布 32 2 平衡态下的载流子分布 将单位体积晶体中的导带在E E dE之间的量子态数写为g E dE g E 为能态密度 设导带具有球形等能面 即 根据有关理论可知 EC及h为电子有效质量 导带底能量值及普朗克常数 2半导体中的载流子 1 2 4电子和空穴的统计分布 33 因此 在E E dE之间的电子浓度dn应为 将各表达式代入上式并积分 可得 式中ECT为导带顶 对导带中所有能级而言 E EF KBT 上式可写为 2半导体中的载流子 1 2 4电