半导体物理基础(1-2)2.ppt

半导体物理基础(ElementarySemiconductorPhysics),Conductor104105scm-1,Insulator10-1810-10scm-1,Semiconductor10-10104scm-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）theanglebetweenh1k1l1andh2k2l2:,（4）Interplanarspacing,aLatticeconstant,（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,andGaAsEnergyBand,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:T0K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NDNA时，n=ND-NAND半导体是n型*当NDNA时，p=NA-NDNA半导体是p型*当NDNA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.lnni1/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）nT,分析、讨论,（2）EFT,（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：NDNC时,ND(lnND-ln2NC)NDNC时,ND|lnND-