第二章半导体特性

1、2021-6-11 TkEE v BvF e Np / )( 第二章第二章 半导体特性半导体特性 201309013 第二周 2021-6-12 晶体结构和取向 硅太阳电池生产中常用的硅（Si），磷（P），硼 （B）元素的原子结构模型如下： 第三层第三层4个电子个电子 第二层第二层8个电子个电子 第一层第一层2个电子个电子 Si +14 P +15 B 最外层最外层5个电子个电子 最外层最外层3个电子个电子 siPB 2021-6-13 晶体结构和取向 原子最外层的电子称为价电子，有几个价电 子就称它为几族元素。 若原子失去一个电子，称这个原子为正离子， 若原子得到一个电子，则成为一个带负电的

2、负离 子。原子变成离子的过程称为电离。 2021-6-14 晶体结构和取向 晶体结构 固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规 则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原 子规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点， 而非晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围 内逐渐软化，如玻璃。 2021-6-15 半导体材料硅的晶体结构 单晶和多晶的区别 在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列， 称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地 排列在一起的固体称为多晶。 2021-6-16 晶体结构和取向 硅晶体内的共价键硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连

3、接 在一起。硅原子的在一起。硅原子的4个价电子和它相邻的个价电子和它相邻的4个原子个原子 组成组成4对共有电子对。这种共有电子对就称为对共有电子对。这种共有电子对就称为 “共价键共价键”。 2021-6-17 晶体结构和取向 硅晶体的金刚石结构硅晶体的金刚石结构 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子， 简称晶格，最小的晶格叫晶胞。以下是较重要的简称晶格，最小的晶格叫晶胞。以下是较重要的 几个晶胞：几个晶胞： (a)简单立方简单立方 （Po） (b)体心立方体心立方 （Na、W） (c)面心立方面心立方 （Al、Au） 2021-6-18 晶体结构和取向 金

4、刚石结构是一种复式格子，它是两个面心 立方晶格沿对角线方向上移1/4互相套构而成。 正四面实体结构正四面实体结构 金钢石结构金钢石结构 2021-6-19 晶体结构和取向 晶面和晶向 晶体中的原子可以看成是分布在一系列平行 而等距的平面上，这些平面就称为晶面。每个晶 面的垂直方向称为晶向。 (100晶面晶面)(110晶面晶面)(111晶面晶面) 2021-6-110 一、半导体的晶格结构、各向异性一、半导体的晶格结构、各向异性 密勒指数密勒指数是这样得到的：是这样得到的： （1）确定某平面在直角坐标系三个）确定某平面在直角坐标系三个 轴上的截点，并以晶格常数为单位轴上的截点，并以晶格常数为单位

5、 测得相应的截距；测得相应的截距； （2）取截距的倒数，然后约简为三）取截距的倒数，然后约简为三 个没有公约数的整数，即将其化简个没有公约数的整数，即将其化简 成最简单的整数比；成最简单的整数比； （3）将此结果以）将此结果以“（hkl）”表示，表示， 即为此平面的密勒指数。即为此平面的密勒指数。 晶向指数晶向指数是这样得到的：是这样得到的： （1）晶列指数是按晶列矢量在坐标）晶列指数是按晶列矢量在坐标 轴上的投影的比例取轴上的投影的比例取互质数互质数 （2）将此结果以）将此结果以“hkl”表示表示 2021-6-111 晶体结构和取向 原子密排面和解理面 在晶体的不同面上，原子的疏密程度是不

6、同 的，若将原子看成是一些硬的球体，按照下图方 式排列的晶面就称为原子密排面。 2021-6-112 晶体结构和取向 比较简单的一种包含原子密排面的晶格是面心立 方晶格。而金刚石晶格又是两个面心立方晶格套 在一起，相互之间沿着晶胞体对角线方向平移1/4 而构成的。我们来看面心立方晶格中的原子密排 面。按照硬球模型可以区分在(100)(110)(111)几 个晶 面上原子排列的情况。 2021-6-113 晶体结构和取向 (100)(110) (111) 2021-6-114 单晶制绒 (各向异性腐蚀) 硅的各向异性腐蚀是指对硅的不同晶面具用 不同的腐蚀速率.各向异性腐蚀剂一般分为 两类:一类是

7、有机腐蚀剂：包括EPW和联胺 等另一类无机腐蚀剂,包括无机碱性腐蚀剂 如KOH NaOH LiOH等, 单晶制绒腐蚀剂用 的是无机碱性腐蚀剂. 在腐蚀液浓度一致的 前提下, 改变腐蚀液的温度, 各晶面的腐蚀 速率随温度的变化示于图5 2021-6-115 不同晶面腐蚀速度 单晶制绒溶液通常用低浓度（0.5.1.5wt%）的氢氧化钠混合（5- 10vol%）的异丙醇（或乙醇）配制成，在75-80温度范围内对（100） 晶向的硅片表面进行各向异性腐蚀，便可以得到由（111）面包围形成的 角锥体分布在表面上构成的绒面。 2021-6-116 腐蚀过程的化学反应 硅硅(100) 晶面原子在晶面原子在N

8、aOH 腐蚀过程中出现腐蚀过程中出现 的状态示意图的状态示意图(图图1) 2021-6-117 2021-6-118 2021-6-119 晶体结构和取向 金钢石晶格是由面心立方晶格构成，所以它的 (111)晶面也是原子密排面，它的特点是，在晶面 内原子密集、结合力强，在晶面之间距离较大， 结合薄弱，由此产生以下性质： 1、由于(111)密排面本身结合牢固而相互间 结合脆弱，在外力作用下，晶体很容易沿着(111) 晶面劈裂，晶体中这种易劈裂的晶面称为晶体的 解理面。 2021-6-120 晶体结构和取向 2、由于(111)密排面结合牢固，化学腐蚀就 比较困难和缓慢，而(100)面原子排列密度比

9、(111) 面低。所以(100)面比(111)面的腐蚀速度快，选择 合适的腐蚀液和腐蚀温度，(100)面腐蚀速度比 (111)面大的多，因此，用(100)面硅片采用这种各 向异性腐蚀的结果，可以使硅片表面产生许多密 布表面为(111)面的四面方锥体，形成绒面状的硅 表面。 2021-6-121 2.3 禁带宽度 原子中的电子在原子核的势场和其他电子的作用下，它们 分别在不同的能级上，形成电子壳层。晶体中，各个原 子互相靠的很近，不同原子的内、外壳层都有一 定的重叠，电子不在局限在某一个原子中，可以 由一个原子转移到相邻的原子上，导致电子共有 化运动，结果使孤立原子的单一能级分裂行成能 带。 根

10、据电子先填充低能级的的原理，下面的能带先填满电子， 这个带被称为价带或满带，上面的未被电子填满的能 带或空能带称为导带，中间以禁带相隔。 已被电子填满的能带称为价带 2021-6-122 2.3 禁带宽度 电子在原子之间的转移不是任意的，电子只能在能量相同电子在原子之间的转移不是任意的，电子只能在能量相同 的轨道之间发生转移的轨道之间发生转移.当电子获得足够能量的时候将越过当电子获得足够能量的时候将越过 禁带发生跃迁。禁带发生跃迁。 能带能带 禁带禁带 能带能带 禁带禁带 能带能带 2021-6-123 2.3 禁带宽度 绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体 Ec Ev E9 E9 导导 带带 禁

11、禁 带带 价价 带带 2021-6-124 2.3 禁带宽度 导体：能带交叠，即使极小的外加能量就会引起 导电。 绝缘体：能带间距很大，不可能导电。 半导体：禁带比绝缘体窄很多，部分电子因热运 动从价带跳到导带，使导带中有少量电子，价带 中有少量空穴，从而有一定的导电能力。 2021-6-125 2.4 允许能态的占有几率 写出费米写出费米-狄拉克分布函数的表达式狄拉克分布函数的表达式 能量为能量为E E的一个量子态的一个量子态 被一个电子占据的几率被一个电子占据的几率 费米能级费米能级E EF F是是量子态被电子占据或是空的一个标志。量子态被电子占据或是空的一个标志。绝绝 对零度时，费米能级

12、对零度时，费米能级E EF F可看成量子态是否被电子占据的一个可看成量子态是否被电子占据的一个 界限。界限。 大多数情况下，它的数值在半导体能带的大多数情况下，它的数值在半导体能带的禁带范围禁带范围内，内， 和和温度温度、半导体材料的导电类型半导体材料的导电类型、杂质的含量杂质的含量以及以及能量零点能量零点 的选取的选取有关。只要知道了有关。只要知道了E EF F的数值，在一定温度下，电子在的数值，在一定温度下，电子在 各量子态上的统计分布就完全确定了。各量子态上的统计分布就完全确定了。 什么是费米能级？什么是费米能级？ (0K),晶体费米能级费米能级EF以下所有能态被两个电子以下所有能态被两

13、个电子 占据占据 2021-6-126 2.4 允许能态的占有几率 分析费米分析费米-狄拉克分布函数的意义（特性）狄拉克分布函数的意义（特性） 当当T=0K时，时， 若若EEF，则，则f（E）=0 在绝对零度时，能量比在绝对零度时，能量比E EF F小的量子态被电小的量子态被电 子占据的几率是百分之百，因而这些量子态上子占据的几率是百分之百，因而这些量子态上 都是有电子的；能量比都是有电子的；能量比E EF F大的量子态，被电子大的量子态，被电子 占据的几率是零，因而这些量子态上都没有电占据的几率是零，因而这些量子态上都没有电 子，是空的。子，是空的。 绝对零度时，费米能级绝对零度时，费米能级

14、E EF F可看成量子态是可看成量子态是 否被电子占据的一个界限。否被电子占据的一个界限。 当当T0K时，时， 若若E1/2 若若E= EF，则，则f（E）=1/2 若若E EF，则，则f（E）pp0 0，费米能级比较靠近导带；，费米能级比较靠近导带； P P型半导体型半导体 p p0 0nn0 0，费米能级比较靠近价带；，费米能级比较靠近价带； 费米能级的位置不但反映了费米能级的位置不但反映了半导体的导电类型半导体的导电类型，而且还反映了半，而且还反映了半 导体的掺杂水平。导体的掺杂水平。掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。掺杂浓度越高，费米能级离导带或价带越近。 2021-6-128

15、2.4 允许能态的占有几率 P13 图2.5 半导体只不过是窄带隙绝缘体，低温不导电， 高温费米函数不集中，完全被填满的价带某些 能级现在是空的，（可以导电）；导带有电子， 也可以导电。 P14 图2.7 2021-6-129 2.6 电子和空穴的动力学 直接带隙半导体 直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和价带最 大值在k空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电 的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量。 直接带隙半导体（Direct gap semiconductor）的例子： GaAs、InP半导体。相反，Si、Ge是间接带隙半导体。 直接带隙半导体的重要性质：当价带电子往导带

16、跃迁时， 电子波矢不变，在能带图上即是竖直地跃迁，动量可保持 不变满足动量守恒定律。相反，如果导带电子下落到 价带（即电子与空穴复合）时，也可以保持动量不变 直接复合，即电子与空穴只要一相遇就会发生复合（不需 要声子来接受或提供动量）。因此，直接带隙半导体中载直接带隙半导体中载 流子的寿命必将很短流子的寿命必将很短；同时，这种直接复合可以把能量几 乎全部以光的形式放出（因为没有声子参与，故也没有把 能量交给晶体原子）发光效率高（这也就是为什么发 光器件多半采用直接带隙半导体来制作的根本原因）。 2021-6-130 2.6 电子和空穴的动力学 间接带隙半导体间接带隙半导体材料（如Si、Ge）导

17、带最小 值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。形成半 满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。 间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在 k空间中不同位置。电子在k状态时的动量是（h/2pi）k，k 不同，动量就不同，从一个状态到另一个必须改变动量。 锗和硅的价带顶Ev都位于布里渊区中心，而导带底Ec则分别 位于方向的简约布里渊区边界上和布里渊区中心到 布里渊区边界的0.85倍处，即导带底与价带顶对应的即导带底与价带顶对应的 波矢不同。波矢不同。这种半导体称为间接禁带半导体。 k空间是寻常空间在傅利叶转换 下的对偶空间 2021-6-131 2021-6-132 2.7允许态能

18、量密度 P16 图2.10 导带中的大多数电子和价带中的空穴都集 中在带边附近，密度可以积分求出。 2021-6-133 2.8 电子和空穴密度电子和空穴密度 单位晶体中在导带内的电子数由费米-狄拉克 分布函数积分求出： No Image Nc是常数，称为导带内的有效态 密度。 2021-6-134 同样，单位晶体中在价带内的空穴总数 2021-6-135 2.8 2.8 电子和空穴密度电子和空穴密度 本征半导体载流子浓度公式及其影响因素本征半导体载流子浓度公式及其影响因素 一定的半导体材料，其本征载流子浓度一定的半导体材料，其本征载流子浓度n ni i随随温度上升温度上升 而迅速增加而迅速增

19、加；不同的半导体材料在同一温度下，；不同的半导体材料在同一温度下，禁带宽度禁带宽度 越大越大，本征载流子浓度，本征载流子浓度n ni i就越小就越小。 公式公式n0p0=ni2 在一定温度下，任何非简并半导体的在一定温度下，任何非简并半导体的热平衡载流子浓热平衡载流子浓 度的乘积度的乘积n n0 0p p0 0等于该温度下的本征半导体载流子浓度等于该温度下的本征半导体载流子浓度n ni i的平的平 方，方，与所含杂质无关与所含杂质无关。 该式不仅适用于该式不仅适用于本征半导体本征半导体，而且也适用于非简并的，而且也适用于非简并的 杂质半导体材料杂质半导体材料。 n=p=ni np=ni2=NC

20、NVe -Eg/(kt) 2021-6-136 2.8 电子和空穴密度电子和空穴密度 C VVC N N kT EE ln 2 2 EF EF费米能级等于EC导带能级与EV价带能 级的二分之一加上偏离程度，偏离程度 取决于导带和价带的有效态密度的差 2021-6-137 2.9 族半导体的键模型 无断键不导电；断键释 放电子在导带中，能量 高，另一个在价带中， 留一空穴。断键能量等 于禁带宽度 2021-6-138 2021-6-139 2.10和族掺杂剂 参杂后释放出杂质多余的电子需要的能量 很小，参杂族原子需要0.02eV的能量， 远小于硅的带隙能1.1eV.在禁带中多了一 个允许的能级。

21、 2021-6-140 2.11 载流子浓度 单位体积的载流子数目。在室温无补偿存 在的条件下等于电离杂质的浓度 2021-6-14141 EF Ec Ev n n型半导体型半导体 EF Ec Ev p p型半导体型半导体 EF Ec Ev 本征半导体本征半导体 Di Nnp/ 2 2 B i Tk E vc neNNnp g TkEE c BFc eNn / )( Ai Nnn/ 2 ) 2 exp( Tk E NNnpn B g vci D c BcF N N TkEEln A v BvF N N TkEEln )/()( p kTEE FV Nve 完全电离）( A Np 普普 适适 公

22、公 式式 2.12 参杂半导体中费米能级的位置 NC、NV导带 和价带的有 效态密度 ND、NA 施主和 受主浓 度 2021-6-14242 d 2021-6-14343 当当NAND，p型，型， pp=NA-ND，np=ni2/(NA-ND) 当当NDNA ，n型，型，nn=ND-NA，pn=ni2/(ND-NA) n杂质的补偿作用杂质的补偿作用 当半导体内部同时存在施主和受主时，完全电离且当半导体内部同时存在施主和受主时，完全电离且 NA-ND远大于本征载流子浓度远大于本征载流子浓度ni时，半导体内载时，半导体内载 流子浓度：流子浓度： 较高浓度的杂质决定半导体的传导类型较高浓度的杂质决

23、定半导体的传导类型 2021-6-144 2021-6-145 2.14 载流子的传输迁移率 电场对载流子的作用 * p F ma eE 45 2021-6-146 2.14 载流子的传输漂移电流密度 若密度为的正体积电荷以平均漂移速度 运动，则形成的 漂移电流密度为 在外场|E|的作用下，半导体中载流子要逆(顺)电场方向作 定向运动，这种运动称为漂移运动。 定向运动速度称为漂移速度，它大小不一，取其平均值 称 作平均漂移速度。 d d r fd J 单位：C/cm2s或A/cm2（2.33） 空穴形成的漂移电流密度 e单位电荷电量；p：空穴的数量；vdp, 为空穴的平均漂移速度。 空穴的速度是否会持续增大？ 46 nnx dif dn JeD dx 2021-6-