半导体材料课件剖析

1、第一章第一章 半导体材料半导体材料 (一一) 信息功能材料信息功能材料 第一章第一章 半导体材料半导体材料 半导体的基本特性、结构与类型半导体的基本特性、结构与类型 半导体的导电机构半导体的导电机构 半导体材料中的杂质和缺陷半导体材料中的杂质和缺陷 典型半导体材料的应用和器件典型半导体材料的应用和器件 内容：内容： 重点：重点：半导体的电子结构和能带半导体的电子结构和能带 典型半导体的应用典型半导体的应用 引引 言言 导体导体 半导体半导体 绝缘体绝缘体 导电性划分导电性划分 结晶半导体结晶半导体 元素半导体元素半导体 非结晶半导体非结晶半导体 半导体半导体 有机半导体有机半导体 无机半导体无

2、机半导体 化合物半导体化合物半导体 一些常见的半导体材料与器件：一些常见的半导体材料与器件： 半导体材料的分类半导体材料的分类 分类分类主要半导体材料主要半导体材料 无无 机机 半半 导导 体体 晶晶 体体 材材 料料 化化 合合 物物 半半 导导 体体 及及 固固 溶溶 体体 半半 导导 体体 III-V族族Ge、Si、Se、Te、灰、灰Sn IIVI族族GaAs、InSb 、GaP 、InP 、AlP等及其固溶体等及其固溶体 IV-IV族族SiC 、GeSi IV-VI族族 PbS PbSe PbTe SnTe Pb1-xSrxTe (x=00.3) Pb1-ySrySe (y=00.4)

3、 V-VI族族Bi2Te3 金属氧化物金属氧化物Cu2O ZnO Al2O3 过渡金属氧化物过渡金属氧化物SeO TiO3 V2O5 Cr2O3 Mn2O3 Fe2O3 FeO CoO NiO 尖晶石型化合物尖晶石型化合物(磁性半导磁性半导 体体) CdCr2S4 CdCr2Se4 HgCr2S4 HgCr2Se4 CuCr2S3C 稀土氧、硫、硒、碲化合物稀土氧、硫、硒、碲化合物EuO EEuS EuSe EuTe 非晶态非晶态 半导体半导体 元素元素Ge Si Te Se 化合物化合物GeTe As2Te3 Se4Te Se2As3 As2SeTe As2Se2Te 有机有机 半导体半导体

4、 芳香族化合物芳香族化合物多环芳香族化合物多环芳香族化合物 电荷移动络合物电荷移动络合物 元素半导体元素半导体 具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。硒是具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。硒是 最早使用的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其最早使用的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其 是硅材料由于具有许多优良特性，绝大多数半导体器件都是硅材料由于具有许多优良特性，绝大多数半导体器件都 是用硅材料制作的。是用硅材料制作的。 二元化合物半导体二元化合物半导体 它们由两种元素它们由两种元素 组成，主要是有组成，主要是有 III-VIII-V族化合物半族化合物半 导体、导体、

5、II-VIII-VI族化族化 合物半导体、合物半导体、IV-IV- VIVI族化合物半导族化合物半导 体、体、II-IVII-IV族化合族化合 物半导体，铅化物半导体，铅化 合物及氧化物半合物及氧化物半 导体等。导体等。 三元化合物半导体三元化合物半导体 以以A1GaAs相相GaAsP为代表的二元化合物半导为代表的二元化合物半导 体材料，已为人们广泛研究，可制作发光器件；体材料，已为人们广泛研究，可制作发光器件； AgSbTe2是良好的温差电材料；是良好的温差电材料； CdCr2Se、MgCr2S4是磁性半导体材料；是磁性半导体材料； SrTiO3是超导电性半导体材料，在氧欠缺的条是超导电性半

6、导体材料，在氧欠缺的条 件下，它表现出超导电性。件下，它表现出超导电性。 固溶体半导体固溶体半导体 元素半导体或化合物半导体相互溶解而成的元素半导体或化合物半导体相互溶解而成的 半导体材料称为固溶体半导体。半导体材料称为固溶体半导体。 它的一个重要特性是禁带宽度它的一个重要特性是禁带宽度(Eg)随固溶度的随固溶度的 成分变化，因此可以利用固溶体得到有多种性成分变化，因此可以利用固溶体得到有多种性 质的半导体材料。质的半导体材料。 例例: 可以利用可以利用GaAs1-xPx随随x变化而作出能发不变化而作出能发不 同波长的发光二极管。同波长的发光二极管。Sb2Te3-Bi2Se3和和 Bi2Se3

7、-Bi2Te3是较好的温差电材料。是较好的温差电材料。 非晶态半导体非晶态半导体 非晶态物质的特征是原子排列没有规非晶态物质的特征是原子排列没有规 律从长程看杂乱无章，有时也叫无定形物律从长程看杂乱无章，有时也叫无定形物 质；质； 在非晶态材料中有一些在常态下是绝缘体在非晶态材料中有一些在常态下是绝缘体 或高阻体，但是在达到一定值的外界条件或高阻体，但是在达到一定值的外界条件( (如如 电场、光、温度等电场、光、温度等) )时，就呈现出半导体电性时，就呈现出半导体电性 能，称之为非晶态半导体材料，也叫玻璃态能，称之为非晶态半导体材料，也叫玻璃态 半导体；半导体； 非晶态半导体材料在开关元件、记

8、忆元件、非晶态半导体材料在开关元件、记忆元件、 固体显示、热敏电阻和太阳能电池等的应用固体显示、热敏电阻和太阳能电池等的应用 方面有着重要应用和良好前景。方面有着重要应用和良好前景。 1.1 半导体材料的基本特性半导体材料的基本特性 能带：用来表示电子各种行为。能带：用来表示电子各种行为。 能带结构能带结构: 称能带、禁带宽度以及电子填充能带的情况称能带、禁带宽度以及电子填充能带的情况 能带和禁带宽度：取决于晶体的原子结构和晶体结构，而电能带和禁带宽度：取决于晶体的原子结构和晶体结构，而电 子填充要遵从能量最小原理相泡利不相容原理。子填充要遵从能量最小原理相泡利不相容原理。 画能带时只需画能量

9、最高的价带和能量最低的导带，价带顶画能带时只需画能量最高的价带和能量最低的导带，价带顶 和导带底都称为带边，分别用和导带底都称为带边，分别用Ev和和Ec表示它们的能量。表示它们的能量。 带隙宽度带隙宽度Eg : Eg=Ec-Ev 本征半导体的能带结构分两类：直接带隙和间接带隙。本征半导体的能带结构分两类：直接带隙和间接带隙。 一、半导体的电子结构一、半导体的电子结构 1.半导体的能带结构半导体的能带结构 1.半导体的能带结构半导体的能带结构 直接带隙：价带顶和导带底直接对应，位于直接带隙：价带顶和导带底直接对应，位于k k空间同一点。空间同一点。 间接带隙：价带顶和导带底不直接对应，位于间接带

10、隙：价带顶和导带底不直接对应，位于k k空间不同点。空间不同点。 具有这两种能带结构的材料分别称为直接带隙半导体材料具有这两种能带结构的材料分别称为直接带隙半导体材料( (如如 GaAs)GaAs)和间接带隙半导体材料和间接带隙半导体材料( (如如(Ge(Ge、Si)Si)。 1.半导体的能带结构半导体的能带结构 直接带隙半导体材料和间接直接带隙半导体材料和间接 带隙半导体材料在光吸收、带隙半导体材料在光吸收、 发光、输运现象和过剩载流子发光、输运现象和过剩载流子 复合等行为上有明显的区别。复合等行为上有明显的区别。 发生光吸收或复合发光时，过程必须满足准动量守恒：发生光吸收或复合发光时，过程

11、必须满足准动量守恒： qif kkk 其中其中ki为初始状态电子波矢，为初始状态电子波矢， kf为末尾状态电子波矢，为末尾状态电子波矢， kq为为 光子波矢。光子波矢。 对于间接对于间接带隙带隙半导体，发生导带与价带之间光学跃迁时，半导体，发生导带与价带之间光学跃迁时， 需要声子参与才能满足上式；需要声子参与才能满足上式； 对于直接对于直接带隙带隙半导体，不需要声子参与就能满足式上式，半导体，不需要声子参与就能满足式上式， 因此用直接跃迁型半导体制作发光和激光器件大有作为。因此用直接跃迁型半导体制作发光和激光器件大有作为。 1.半导体的能带结构半导体的能带结构 用晶体中电子的能量用晶体中电子的

12、能量E E与波矢与波矢k k的函数关系来描述电子在的函数关系来描述电子在 能带中的填充，对半导体起作用的常常是接近于导带底能带中的填充，对半导体起作用的常常是接近于导带底 或价带顶的电子，因此只需列出带边附近或价带顶的电子，因此只需列出带边附近E E和和k k的关系。的关系。 根据固体理论，当半导体材料导带底和价带顶部位于根据固体理论，当半导体材料导带底和价带顶部位于k k空空 间原点间原点( ( 点点) )，而且等能面为球面时，可推出：，而且等能面为球面时，可推出： 导带底附近导带底附近 * 22 2 )( e cc m k EkE 价带顶附近价带顶附近 * 22 2 )( h cv m k

13、 EkE 其中其中me*和和mh*分别为导带底附近电子和价带顶附近空穴的分别为导带底附近电子和价带顶附近空穴的 有效质量。有效质量。 例：半导体材料例：半导体材料Ge、 Si和和GaAs导带结构导带结构 第一：第一： GaAs的导带底附近等能面形状为球面，因此的导带底附近等能面形状为球面，因此GaAs的许多性质的许多性质(如如 电阻率、磁阻效应等电阻率、磁阻效应等)呈各向同性；呈各向同性； Ge、Si的等能面为旋转椭球面。的等能面为旋转椭球面。Ge、Si的许多性质呈各向异性。的许多性质呈各向异性。 第二：第二： Ge和和Si是典型的多能谷半导体：导带极值不在是典型的多能谷半导体：导带极值不在k

14、空间原点，按对称空间原点，按对称 性的要求，必然存在若干个等价的能谷性的要求，必然存在若干个等价的能谷(称为多能谷半导体称为多能谷半导体)； GaAs为单能谷半导体：导带极值在为单能谷半导体：导带极值在k空间原点处，只有单个极值，空间原点处，只有单个极值， 称为单能谷半导体。称为单能谷半导体。 例：例：Ge、Si和和GaAs导带结构导带结构 第三：第三： 多能谷半导体可用来制作压阻器件。多能谷半导体可用来制作压阻器件。 如：如：Si的导带底处在的导带底处在方向，距原点约方向，距原点约5/6处，处， 因此它有因此它有6个对称的等价能谷，且每个等能面为旋转个对称的等价能谷，且每个等能面为旋转 椭球

15、面，电子的纵向有效质量椭球面，电子的纵向有效质量ml大于横向有效质量大于横向有效质量 m2，即，即mlm2；因而沿椭球主轴方向的纵向迁移率；因而沿椭球主轴方向的纵向迁移率 I小于垂直于主轴方向的横向迁移率，当从小于垂直于主轴方向的横向迁移率，当从x轴对轴对N 型硅施加压力时，导带结构发生变化，型硅施加压力时，导带结构发生变化，y轴相轴相z轴上轴上 能谷的电子转移到能谷的电子转移到x轴上的能谷，使轴上的能谷，使x轴方向电导率轴方向电导率 减少，因此硅是制作压阻器件的一种材料。减少，因此硅是制作压阻器件的一种材料。 例：例：Ge、Si和和GaAs导带结构导带结构 第四：第四： 存在多种能量极值的半

16、导体材料，由于不同极值处导存在多种能量极值的半导体材料，由于不同极值处导 带的曲率带的曲率( E/ K)不同，而且其曲率与该处电子的有效不同，而且其曲率与该处电子的有效 质量成反比，则发生转移电子效应。如质量成反比，则发生转移电子效应。如GaAs的导带在的导带在 位于位于方向的极值方向的极值(可称为子能谷可称为子能谷)比位于比位于k空间原空间原 点的极值点的极值(可称为主能谷可称为主能谷)高约，而且前者电子的有效质高约，而且前者电子的有效质 量较大，迁移率较低，因此在强电场作用下，电子从量较大，迁移率较低，因此在强电场作用下，电子从 原点极值转移到原点极值转移到100方向极值处时，产生负阻现象

17、。方向极值处时，产生负阻现象。 利用此待性利用此待性GaAs可以制作转移电子器件。根据实验表可以制作转移电子器件。根据实验表 明明InP是制作转移器件的更好半导体材料。是制作转移器件的更好半导体材料。 2. n型和型和p型半导体型半导体 半导体掺杂半导体掺杂改变半导体的性质、载流子类型改变半导体的性质、载流子类型 人工掺杂人工掺杂半导体材料设计半导体材料设计器件器件 掺杂工艺掺杂工艺扩散、离子注入扩散、离子注入 掺杂种类：掺杂种类： 施主掺杂（施主掺杂（n n型）型）高价元素掺杂，杂质原子提供的价高价元素掺杂，杂质原子提供的价 电子数目多于半导体原子，多余的价电子很容易进入导电子数目多于半导体

18、原子，多余的价电子很容易进入导 带而成为电子载流子，半导体的电导率增加。带而成为电子载流子，半导体的电导率增加。 受主掺杂（受主掺杂（p p型）型）低价元素掺杂，杂质原子提供的价低价元素掺杂，杂质原子提供的价 电子数目少于半导体原子，很容易在价带中形成空穴，电子数目少于半导体原子，很容易在价带中形成空穴， 半导体的电导率同样增加。半导体的电导率同样增加。 Si的的施主掺杂施主掺杂V V族族P P掺杂掺杂 特点特点多余价电子与多余价电子与P P+ +的弱库仑引力形成的弱库仑引力形成 局域化的弱束缚态，很容易电离局域化的弱束缚态，很容易电离; ; 电离出来的电子填充在导带底部，成为导电离出来的电子

19、填充在导带底部，成为导 电载流子电载流子; ; 束缚态能级束缚态能级施主能级施主能级E Ed d位于导带底部，位于导带底部， 比价带至导带的本征跃迁容易，可显著提比价带至导带的本征跃迁容易，可显著提 高半导体的电导率！高半导体的电导率！ 中性施主中性施主未电离的施主；未电离的施主； 电离施主电离施主电离后的施主；电离后的施主； re e E m m EdEc 0 * 利用类氢原子模型可以计算出施主利用类氢原子模型可以计算出施主 能级，并将施主提供的多余电子近能级，并将施主提供的多余电子近 似看成是在相对介电常数为似看成是在相对介电常数为r的介的介 质中运动，且基态是稳定的，可得：质中运动，且基

20、态是稳定的，可得： Si的的施主掺杂施主掺杂V V族族P P掺杂掺杂 re e E m m EdEc 0 * 施主掺杂施主掺杂弱束缚态，使得电子很容易从施主能级弱束缚态，使得电子很容易从施主能级E Ed d跃迁跃迁 到导带，实现施主电离；到导带，实现施主电离； 主要载流子是导带上的电子主要载流子是导带上的电子多数载流子（多子）；多数载流子（多子）； 价带顶部的空穴价带顶部的空穴少数载流子（少子）；少数载流子（少子）； n n型半导体型半导体 Si的受的受主掺杂主掺杂IIIIII族族B B掺杂掺杂 特点特点B等可与等可与Si形成固溶体共价网络；形成固溶体共价网络； 在三价在三价B使得在四价使得在

21、四价Si的某个键上形成的某个键上形成 电子空位，相当于一个带正电荷的粒电子空位，相当于一个带正电荷的粒 子子空位；空位； 空位如果在空位如果在Si中是非局域化的，将位于中是非局域化的，将位于 价带顶部，形成空穴；价带顶部，形成空穴； 空位与空位与B-的弱库仑引力形成局域化的弱的弱库仑引力形成局域化的弱 束缚态束缚态受主能级受主能级Ea,受主的中性束缚受主的中性束缚 态即是空穴占据的能级态即是空穴占据的能级Ea； 电离态电离态空穴从空穴从Ea跃迁到价带顶部，跃迁到价带顶部， 即电子从价带顶部跃迁到即电子从价带顶部跃迁到Ea ，易于成，易于成 为导电载流子，这种电子从价带顶部很为导电载流子，这种电

22、子从价带顶部很 容易跃迁到受主能级容易跃迁到受主能级,因而会有效提高因而会有效提高 半导体的电导率半导体的电导率受主能级受主能级Ea ： re h E m m EvEa 0 * Si的受的受主掺杂主掺杂IIIIII族族B B掺杂掺杂 受主掺杂受主掺杂弱束缚态，使得电子很容易从价带顶跃迁到施弱束缚态，使得电子很容易从价带顶跃迁到施 主能级主能级Ea; 主要载流子是价带顶附近的空穴主要载流子是价带顶附近的空穴多数载流子（多子）；多数载流子（多子）； 导带底附近的电子导带底附近的电子少数载流子（少子）；少数载流子（少子）； p型半导体型半导体 re h E m m EvEa 0 * 3.3.半导体中

23、的载流子分布半导体中的载流子分布 q热平衡载流子分布热平衡载流子分布 q本征半导体的热平衡载流子分布本征半导体的热平衡载流子分布 q杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布 q非平衡载流子非平衡载流子 3.3.半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布 (1) 热平衡载流子分布热平衡载流子分布 q由由Fermi-Dirac分布函数分布函数 q得导带上的电子数得导带上的电子数 q最后得到：最后得到： )exp(1 1 )( Tk EE Ef B F t c E E c dEEgEfTN)()()( EF为为Fermi能级能级 kB为为Boltzman Con. Et为导带顶的能量为

24、导带顶的能量 gc(E)为导带上的态密度为导带上的态密度 )( 2 )() 2 ( 2 )( 2/ 12/3 2 * 2 F c c e c xF N n EE mV Eg n为导带上的电子浓度为导带上的电子浓度 F(xF)为为Fermi积分积分 Nc导带上的等效电子密度导带上的等效电子密度 半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布 q各个中间参量计算出来之后，可得导带电子密度各个中间参量计算出来之后，可得导带电子密度 q注意到空穴的统计分布为注意到空穴的统计分布为1-f(E)，同样计算可得价，同样计算可得价 带空穴密度为带空穴密度为 Tk EE Nn B Fc c )( exp Tk EE

25、Np B vF v )( exp (1) 热平衡载流子分布热平衡载流子分布 Nv价带上的等效电子密度价带上的等效电子密度 Nc导带上的等效电子密度导带上的等效电子密度 2 3 2 * 2 2 Tkm N Bh v 2 3 2 * 2 2 Tkm N Be c 半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布 q由上两式可得由上两式可得Mass Action LawMass Action Law Tk E NN Tk EE NNnp B g vc B vc vc exp )( exp (1) 热平衡载流子分布热平衡载流子分布 Eg为半导体的禁带宽度：为半导体的禁带宽度： vcg EEE q质量作用定律的

26、意义：质量作用定律的意义： 对一个给定半导体而言，导对一个给定半导体而言，导 带上电子浓度与价带上空穴带上电子浓度与价带上空穴 浓度的乘积为常数，仅取决浓度的乘积为常数，仅取决 与半导体的禁带宽度。与半导体的禁带宽度。 半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布 (2)本征半导体的热平衡载流子分布本征半导体的热平衡载流子分布 Tk E NNn： B g vci 2 exp)( 2/1 即 对本征半导体而言，导带上的电子全部来源于价带上电对本征半导体而言，导带上的电子全部来源于价带上电 子向导带的本征激发，因而，导带上的电子浓度与价子向导带的本征激发，因而，导带上的电子浓度与价 带上的空穴浓度必然

27、相等。带上的空穴浓度必然相等。 故：本征半导体的热平衡载流子浓度：故：本征半导体的热平衡载流子浓度：pnni )ln( 4 3 2 e h B vc F m m Tk EE E 相应可以得到费米能级：相应可以得到费米能级： ）E（EE：KT vcF 2 1 0时 绝对零度下，费米能级位绝对零度下，费米能级位 于禁带中央，随温度升高，于禁带中央，随温度升高， 费米能级逐渐增加。费米能级逐渐增加。 半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布 v杂质半导体的载流子浓度来源：本征激发杂质半导体的载流子浓度来源：本征激发+杂质电离；杂质电离； v对于对于n型半导体，对导带上的电子载流子浓度是由本征型半导体

28、，对导带上的电子载流子浓度是由本征 激发和施主电离两者的贡献。由电中性方程：激发和施主电离两者的贡献。由电中性方程： v把把n、p代入电中性方程得：代入电中性方程得： pNn d Tk EE N N B dF d d exp21 Tk EE N Tk EE N Tk EE N B vF v B dF d B Fc c )( exp exp21 )( exp (3)杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布 n为导带电子浓度，为导带电子浓度，N d为电离施主浓度， 为电离施主浓度，p价带上空穴浓度价带上空穴浓度 Nd为电离施主浓度为电离施主浓度 从这里，即可求出各种给定温度下的费米

29、能级从这里，即可求出各种给定温度下的费米能级E EF F。 从而求出导带上的电子载流子浓度。从而求出导带上的电子载流子浓度。 半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布 该方程没有解析解，只该方程没有解析解，只 能给出数值解。能给出数值解。 关于关于Si的费米能级与温的费米能级与温 度和杂质的关系：度和杂质的关系： (3)杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布 Tk EE N Tk EE N Tk EE N B vF v B dF d B Fc c )( exp exp21 )( exp 半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布 q当温度很低时，略去式中最后一项，可得：当温度很

30、低时，略去式中最后一项，可得： q当当T=0K时，时，Fermi能级位于导带底和施主能级的中能级位于导带底和施主能级的中 央，温度升高时，逐渐升高。央，温度升高时，逐渐升高。 ) 2 ln( 2 1 )( 2 1 c d BdcF N N TkEEE (3)杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布 Tk EE N Tk EE N Tk EE N B vF v B dF d B Fc c )( exp exp21 )( exp 半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布 v对于对于P型半导体，价带上的空穴载流子浓度是由本征跃型半导体，价带上的空穴载流子浓度是由本征跃 迁和受主电离两

31、者的贡献。迁和受主电离两者的贡献。 v由电中性方程可写为：由电中性方程可写为： nNp a (3)杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布 P为价带上空穴载流子浓度为价带上空穴载流子浓度 N-d为电离受主浓度为电离受主浓度 n为导带中电子载流子浓度为导带中电子载流子浓度 半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布 非平衡载流子的概念非平衡载流子的概念当半导体受到外界作用时，当半导体受到外界作用时， 除了热平衡载流子以外，还将受到光照、电场等的除了热平衡载流子以外，还将受到光照、电场等的 作用，这些外界条件也将激发载流子，称为非平衡作用，这些外界条件也将激发载流子，称为非平衡 载流

32、子。载流子。 P-n结的工作就是与非平衡载流子的注入和抽取有关。结的工作就是与非平衡载流子的注入和抽取有关。 例：光辐照半导体产生的非平衡载流子与复合过程：例：光辐照半导体产生的非平衡载流子与复合过程： (4) 非平衡载流子非平衡载流子 半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布 当用光子能量大于禁带宽度的光辐照半导体时，价当用光子能量大于禁带宽度的光辐照半导体时，价 带电子就可以跃迁到导带，形成非平衡载流子。带电子就可以跃迁到导带，形成非平衡载流子。 相应的导带电子和价带空穴浓度为：相应的导带电子和价带空穴浓度为： ppp nnn 0 0 (4) 非平衡载流子非平衡载流子 pn：且 n0和和p

33、0分别为热平衡时分别为热平衡时 电子和空穴的浓度电子和空穴的浓度 结论：结论： 非平衡载流子使得导电载流子浓度增加，半导体的导电非平衡载流子使得导电载流子浓度增加，半导体的导电 率增加！率增加！ 由光激发所增加的部分电导率称为光电导！由光激发所增加的部分电导率称为光电导！ 光敏元件的原理！光敏元件的原理！ 当光停止照射后，出现复合过程！当光停止照射后，出现复合过程！ 需要一定时间需要一定时间非平衡载流子的寿命！非平衡载流子的寿命！ 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 1、载流子的漂移运动及电导率、载流子的漂移运动及电导率 移率分别为电子和空穴的迁 漂移速度分别为电子的平均定向 he

34、 he vv , , _ Ev Ev hh ee _ _ 在外电场作用下，半导体中的载流子要受到电场力的作用，从而在外电场作用下，半导体中的载流子要受到电场力的作用，从而 获得一定的漂移速率，在半导体中形成电流。获得一定的漂移速率，在半导体中形成电流。 电子和空穴漂移方向相反；电子和空穴漂移方向相反； 电子和空穴漂移速率一般不同：电子大于空穴；电子和空穴漂移速率一般不同：电子大于空穴； 半导体的电导率为电子和空穴电导率之和。半导体的电导率为电子和空穴电导率之和。 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 如果载流子的电荷为如果载流子的电荷为e，浓度为，浓度为，则电流密度为：，则电流密度为

35、： he hehc pene EJ EpeneJJJ evJ 得： 由欧姆定律 )( 1、载流子的漂移运动及电导率、载流子的漂移运动及电导率 Ev Ev hh ee _ _ 对对n型：主要以电子电导率为主；型：主要以电子电导率为主； 对对p型：主要以空穴电导率为主；型：主要以空穴电导率为主； 对本征半导体，对本征半导体，n=p=ni, 则：则：)( heii en 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 (1) 载流子的浓度载流子的浓度 2、电导率的主要影响因素、电导率的主要影响因素 载流子的浓度受温度载流子的浓度受温度 影响影响热激发：热激发： 本征半导体：载流子本征半导体：载流子

36、的浓度因本征激发而的浓度因本征激发而 增加；增加； 杂质半导体：由杂质杂质半导体：由杂质 浓度和温度共同决定；浓度和温度共同决定； 杂质电离杂质电离 本征激发本征激发 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 (2)载流子的散射载流子的散射 * * * ; m e v me E vmEe 可得结合漂移速度的定义式 移速度为载流子的平均定向漂 为载流子的有效质量为载流子电荷 为电场强度 2、电导率的主要影响因素、电导率的主要影响因素 受到各种散射作用的弛豫时间：受到各种散射作用的弛豫时间： 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 有效质量一定时，影响迁移率的主要因素是弛豫时有效质量

37、一定时，影响迁移率的主要因素是弛豫时 间间 得出 为散射几率 i i i i i i PP P P 11 11 /1 左式对于电子载流子左式对于电子载流子 和空穴载流子都是适和空穴载流子都是适 用的用的 (2)载流子的散射载流子的散射 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 电离杂质对载流子的散射机制电离杂质对载流子的散射机制类类Rutherford 散射：散射： (2)载流子的散射载流子的散射 晶格振动对载流子的散射机制晶格振动对载流子的散射机制声子散射声子散射 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 本征半导体本征半导体 电阻率随温度上升而下降，负温度系数特性；电阻率随温度

38、上升而下降，负温度系数特性； (2)电阻率与温度的关系电阻率与温度的关系 杂质半导体杂质半导体 不同温度段具有不同的温度系数特性。不同温度段具有不同的温度系数特性。 半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布 (2)本征半导体的热平衡载流子分布本征半导体的热平衡载流子分布 Tk E NNn： B g vci 2 exp)( 2/1 即 对本征半导体而言，导带上的电子全部来源于价带上电对本征半导体而言，导带上的电子全部来源于价带上电 子向导带的本征激发，因而，导带上的电子浓度与价子向导带的本征激发，因而，导带上的电子浓度与价 带上的空穴浓度必然相等。带上的空穴浓度必然相等。 故：本征半导体的热平衡

39、载流子浓度：故：本征半导体的热平衡载流子浓度：pnni )ln( 4 3 2 e h B vc F m m Tk EE E 相应可以得到费米能级：相应可以得到费米能级： ）E（EE：KT vcF 2 1 0时 绝对零度下，费米能级位绝对零度下，费米能级位 于禁带中央，随温度升高，于禁带中央，随温度升高， 费米能级逐渐增加。费米能级逐渐增加。 半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布杂质情况杂质情况 v杂质半导体的载流子浓度来源：本征激发杂质半导体的载流子浓度来源：本征激发+杂质电离；杂质电离； v对于对于n型半导体，对导带上的电子载流子浓度是由本征型半导体，对导带上的电子载流子浓度是由本征 激

40、发和施主电离两者的贡献。由电中性方程：激发和施主电离两者的贡献。由电中性方程： v把把n、p代入电中性方程得：代入电中性方程得： pNn d Tk EE N N B dF d d exp21 Tk EE N Tk EE N Tk EE N B vF v B dF d B Fc c )( exp exp21 )( exp (3)杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布 n为导带电子浓度，为导带电子浓度，N d为电离施主浓度， 为电离施主浓度，p价带上空穴浓度价带上空穴浓度 Nd为电离施主浓度为电离施主浓度 从这里，即可求出各种给定温度下的费米能级从这里，即可求出各种给定温度下的费

41、米能级E EF F。 从而求出导带上的电子载流子浓度。从而求出导带上的电子载流子浓度。 半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布 该方程没有解析解，只该方程没有解析解，只 能给出数值解。能给出数值解。 关于关于Si的费米能级与温的费米能级与温 度和杂质的关系：度和杂质的关系： (3)杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布 Tk EE N Tk EE N Tk EE N B vF v B dF d B Fc c )( exp exp21 )( exp 半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布 q当温度很低时，略去式中最后一项，可得：当温度很低时，略去式中最后一项，可得： q当当

42、T=0K时，时，Fermi能级位于导带底和施主能级的中能级位于导带底和施主能级的中 央，温度升高时，逐渐升高。央，温度升高时，逐渐升高。 ) 2 ln( 2 1 )( 2 1 c d BdcF N N TkEEE (3)杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布 Tk EE N Tk EE N Tk EE N B vF v B dF d B Fc c )( exp exp21 )( exp 半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布 v对于对于P型半导体，价带上的空穴载流子浓度是由本征跃型半导体，价带上的空穴载流子浓度是由本征跃 迁和受主电离两者的贡献。迁和受主电离两者的贡献。 v

43、由电中性方程可写为：由电中性方程可写为： nNp a (3)杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布 P为价带上空穴载流子浓度为价带上空穴载流子浓度 N-d为电离受主浓度为电离受主浓度 n为导带中电子载流子浓度为导带中电子载流子浓度 半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布 非平衡载流子的概念非平衡载流子的概念当半导体受到外界作用时，当半导体受到外界作用时， 除了热平衡载流子以外，还将受到光照、电场等的除了热平衡载流子以外，还将受到光照、电场等的 作用，这些外界条件也将激发载流子，称为非平衡作用，这些外界条件也将激发载流子，称为非平衡 载流子。载流子。 P-n结的工作就是与非平

44、衡载流子的注入和抽取有关。结的工作就是与非平衡载流子的注入和抽取有关。 例：光辐照半导体产生的非平衡载流子与复合过程：例：光辐照半导体产生的非平衡载流子与复合过程： (4) 非平衡载流子非平衡载流子 半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布 当用光子能量大于禁带宽度的光辐照半导体时，价当用光子能量大于禁带宽度的光辐照半导体时，价 带电子就可以跃迁到导带，形成非平衡载流子。带电子就可以跃迁到导带，形成非平衡载流子。 相应的导带电子和价带空穴浓度为：相应的导带电子和价带空穴浓度为： ppp nnn 0 0 (4) 非平衡载流子非平衡载流子 pn：且 n0和和p0分别为热平衡时分别为热平衡时 电子和

45、空穴的浓度电子和空穴的浓度 结论：结论： 非平衡载流子使得导电载流子浓度增加，半导体的导电非平衡载流子使得导电载流子浓度增加，半导体的导电 率增加！率增加！ 由光激发所增加的部分电导率称为光电导！由光激发所增加的部分电导率称为光电导！ 光敏元件的原理！光敏元件的原理！ 当光停止照射后，出现复合过程！当光停止照射后，出现复合过程！ 需要一定时间需要一定时间非平衡载流子的寿命！非平衡载流子的寿命！ 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 1、载流子的漂移运动及电导率、载流子的漂移运动及电导率 移率分别为电子和空穴的迁 漂移速度分别为电子的平均定向 he he vv , , _ Ev Ev

46、hh ee _ _ 在外电场作用下，半导体中的载流子要受到电场力的作用，从而在外电场作用下，半导体中的载流子要受到电场力的作用，从而 获得一定的漂移速率，在半导体中形成电流。获得一定的漂移速率，在半导体中形成电流。 电子和空穴漂移方向相反；电子和空穴漂移方向相反； 电子和空穴漂移速率一般不同：电子大于空穴；电子和空穴漂移速率一般不同：电子大于空穴； 半导体的电导率为电子和空穴电导率之和。半导体的电导率为电子和空穴电导率之和。 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 如果载流子的电荷为如果载流子的电荷为e，浓度为，浓度为，则电流密度为：，则电流密度为： he hehc pene EJ E

47、peneJJJ evJ 得： 由欧姆定律 )( 1、载流子的漂移运动及电导率、载流子的漂移运动及电导率 Ev Ev hh ee _ _ 对对n型：主要以电子电导率为主；型：主要以电子电导率为主； 对对p型：主要以空穴电导率为主；型：主要以空穴电导率为主； 对本征半导体，对本征半导体，n=p=ni, 则：则：)( heii en 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 (1) 载流子的浓度载流子的浓度 2、电导率的主要影响因素、电导率的主要影响因素 载流子的浓度受温度影响载流子的浓度受温度影响 热激发：热激发： 本征半导体：载流子的浓度因本征半导体：载流子的浓度因 本征激发而增加；本征激

48、发而增加； 杂质半导体：由杂质浓度和温杂质半导体：由杂质浓度和温 度共同决定；度共同决定； 杂质电离杂质电离 本征激发本征激发 本征半导体本征半导体电阻率随温度上升而下降，负温度系数特性；电阻率随温度上升而下降，负温度系数特性； 杂质半导体杂质半导体不同温度段具有不同的温度系数特性。不同温度段具有不同的温度系数特性。 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 EpqnqJJJ pepn )( 导带中的电子和价带中的空穴，在相同的电场作导带中的电子和价带中的空穴，在相同的电场作 用下，产生漂移运动，但两者所获平均漂移速度不同，用下，产生漂移运动，但两者所获平均漂移速度不同， 即电子迁移率即

49、电子迁移率 e e大于空穴迁移率大于空穴迁移率 p p ，而总导电作用，而总导电作用 为两者之和，即总电流密度：为两者之和，即总电流密度： 其中，其中，J Jn n、J Jp p分别为电子和空穴的电流密度；分别为电子和空穴的电流密度；q q为为 电子电荷量；电子电荷量；E E为电场强度。为电场强度。 半导体的电导率为：半导体的电导率为： pe pqnq (2)载流子的散射载流子的散射 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 宏观量宏观量 敢决于两个因素：载流子浓度和迁移敢决于两个因素：载流子浓度和迁移 率。在掺杂情况下，如果一种载流于浓度远大于另率。在掺杂情况下，如果一种载流于浓度远大

50、于另 一种载流子浓度，则分别称为多数载流子一种载流子浓度，则分别称为多数载流子( (简称多子简称多子) ) 和少数载流子和少数载流子( (简称少子简称少子) )。主要是多子参与导电，。主要是多子参与导电， 上式可以简化为上式可以简化为 p e pq nq 迁移率是与电子、空穴所受的散射作用有关的一个量，散射迁移率是与电子、空穴所受的散射作用有关的一个量，散射 越强，载流于平均自由运动时间越强，载流于平均自由运动时间 就越短，迁移率就越小；相就越短，迁移率就越小；相 反，迁移率就越大。只有在晶体的原子排列的周期场受到破反，迁移率就越大。只有在晶体的原子排列的周期场受到破 坏时，运动的电子才会受到

51、散射。坏时，运动的电子才会受到散射。 (2)载流子的散射载流子的散射 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 散射主要有两种：晶格散射和电离杂质散射散射主要有两种：晶格散射和电离杂质散射 晶格散射：晶格散射： 由于原子晶格振动引起的载流子散射叫晶格散射。原子由于原子晶格振动引起的载流子散射叫晶格散射。原子 间振动按照波叠加原理可以分解为若干不同的基本波动，间振动按照波叠加原理可以分解为若干不同的基本波动， 其中纵波才会引起原子的位移，引起体积的压缩和膨胀，其中纵波才会引起原子的位移，引起体积的压缩和膨胀， 从而引起能带的起伏，使载流子受到它的势场作用引起散从而引起能带的起伏，使载流子受

52、到它的势场作用引起散 射。对于横波在单一极值能带中不起散射作用，但对多极射。对于横波在单一极值能带中不起散射作用，但对多极 值的复杂能带结构，横波也会产生散射。当温度升高时，值的复杂能带结构，横波也会产生散射。当温度升高时， 品格热振动加强，散射也随之加强。品格热振动加强，散射也随之加强。 晶格振动对载流子的散射机制晶格振动对载流子的散射机制声子散射声子散射 (2)载流子的散射载流子的散射 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 被电离的杂质作为正电中心或负电中心，可以改变载被电离的杂质作为正电中心或负电中心，可以改变载 流子原有运动速度的方向和大小，被称为电离杂质散流子原有运动速度的

53、方向和大小，被称为电离杂质散 射。载流子在散射过程中的轨迹是以电离杂质为射。载流子在散射过程中的轨迹是以电离杂质为个个 焦点的双曲线。焦点的双曲线。 晶体中掺入杂质越多，载流子与电离杂质相遇而晶体中掺入杂质越多，载流子与电离杂质相遇而 被散射的机会也越多，即随掺杂浓度增加，散射也增被散射的机会也越多，即随掺杂浓度增加，散射也增 加。而且当温度升高时，载流子运动加快，电离杂质加。而且当温度升高时，载流子运动加快，电离杂质 散射作用越弱。浅能级的施主或受主杂质在室温几乎散射作用越弱。浅能级的施主或受主杂质在室温几乎 可以全部电离。可以全部电离。 (2)(2)载流子的散射载流子的散射-电离杂质散射：

54、电离杂质散射： 电离杂质对载流子的散射电离杂质对载流子的散射 机制机制类类Rutherford Rutherford 散散 射射. . 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 3 3、光电导效应光电导效应 在光的照射下，使半导体材料的电导率发生变化在光的照射下，使半导体材料的电导率发生变化 的现象，称为光电导效应。的现象，称为光电导效应。 按其发生机制可以分为本征光电导和杂质光电导。按其发生机制可以分为本征光电导和杂质光电导。 本征光电导效应指光照射半导体时，当光的能量达本征光电导效应指光照射半导体时，当光的能量达 到禁带宽度的能量值，价带的电子跃迁到导带，材到禁带宽度的能量值，价带的

55、电子跃迁到导带，材 料内产生电子料内产生电子- -空穴对，这两种光生载流子都参与导空穴对，这两种光生载流子都参与导 电，使电导率增加。杂质光电导效应指光照射半导电，使电导率增加。杂质光电导效应指光照射半导 体时，当光的能量达到一定值后，禁带中杂质能级体时，当光的能量达到一定值后，禁带中杂质能级 上的电子接收光子能量后，跃迁到导带而参与导电上的电子接收光子能量后，跃迁到导带而参与导电 ( (或是价带电子跃迁到受主能级上产生空穴参与导电或是价带电子跃迁到受主能级上产生空穴参与导电) )， 使电导率增加。使电导率增加。 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 3 3、光电导效应光电导效应 光

56、照射在半导体中产生非平衡载流了，使半导体光照射在半导体中产生非平衡载流了，使半导体 中载流子数目增加中载流子数目增加 n ( p)，引起附加的光电导，亦，引起附加的光电导，亦 称光电导。对本征光电导附加光电导率为：称光电导。对本征光电导附加光电导率为： )( 0p pnq 其中其中 n 、 p分别为光生电子、空穴数；分别为光生电子、空穴数； n、 p分分 别为电子、空穴迁移率。别为电子、空穴迁移率。 杂质光电导率为：杂质光电导率为： )( pn pqnq或 正是利用半导体的光电导持性，制成光敏电阻，正是利用半导体的光电导持性，制成光敏电阻， 光的探测、度量和其它光电元件。光的探测、度量和其它光

57、电元件。 二、半导体中的电学性质二、半导体中的电学性质 4 4、载流子的迁移率、载流子的迁移率 迁移率迁移率 是与电子、空穴所受的散射作用有关的是与电子、空穴所受的散射作用有关的 一个量；单位电场下载流子漂移的速度称为载流子一个量；单位电场下载流子漂移的速度称为载流子 的迁移率。的迁移率。 它是反映半导体中载流子的导电能力的重要参数，而且它是反映半导体中载流子的导电能力的重要参数，而且 直接决定着载流子运动直接决定着载流子运动( (包括漂移和扩散包括漂移和扩散) )的快慢，它对的快慢，它对 半导体器件的工作速度有直接的影响。由上面分析可知，半导体器件的工作速度有直接的影响。由上面分析可知， 迁

58、移率是与散射几率有关的。当同时有几种散射作用时，迁移率是与散射几率有关的。当同时有几种散射作用时， 总的迁移率总的迁移率 与各种迁移率与各种迁移率 i i的关系为：的关系为： i i 1 . 111 21 .3 ,2, 1i 一般只考虑晶格振动散射和电离杂质散射，相应的迁移率用一般只考虑晶格振动散射和电离杂质散射，相应的迁移率用 L L和和 I I表示。表示。 二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质 有效质量一定时，影响迁移率的主要因素是弛豫时间有效质量一定时，影响迁移率的主要因素是弛豫时间 得出 为散射几率 i i i i i i PP P P 11 11 /1 左式对于电子载流子左

59、式对于电子载流子 和空穴载流子都是适和空穴载流子都是适 用的用的 4 4、载流子的迁移率、载流子的迁移率 二、半导体中的电学性质二、半导体中的电学性质 4 4、载流子的迁移率、载流子的迁移率 对于简单能带，可将晶格振动散射对于简单能带，可将晶格振动散射 L L与温度与温度T T的关系表示为的关系表示为 L L=a=aL LT T-3/2 -3/2 其中其中a aL L为与载流子有效质量有关的系数。为与载流子有效质量有关的系数。 对于电离杂质对载流子散射，有关系式对于电离杂质对载流子散射，有关系式 I I=a=aI IL L3/2 3/2 a aI I为与载流子的有效质量有关的系数，所以载流子迁

60、移率随温度变为与载流子的有效质量有关的系数，所以载流子迁移率随温度变 化。当温度升高时化。当温度升高时, ,电离杂质散射减弱，迁移率电离杂质散射减弱，迁移率 I I升高。但是升高。但是晶晶格散射格散射 增强，使迁移率增强，使迁移率 L L下降。对掺杂浓度低的硅材料，其迁移率随温度的下降。对掺杂浓度低的硅材料，其迁移率随温度的 升高，大幅度下降，因此影响迁移率的主要因素是晶格散射。升高，大幅度下降，因此影响迁移率的主要因素是晶格散射。 对掺杂浓度高的硅材料，其迁移率随温度变化较平缓，这是电离杂对掺杂浓度高的硅材料，其迁移率随温度变化较平缓，这是电离杂 质散射和品格散射共同作用的结果。而且，在同一