半导体物理课件

1、半导体器件基础1教材：n半导体器件物理半导体器件物理，孟庆巨，孟庆巨，刘海波，孟，刘海波，孟庆辉编著庆辉编著n半导体物理与器件半导体物理与器件第三版，第三版，Donald A.Neamen著，赵毅强，姚素英，解晓东等译著，赵毅强，姚素英，解晓东等译2参考书：参考书：固体物理教程固体物理教程，黄昆原著，韩汝琦改编：，黄昆原著，韩汝琦改编：高等教育出版社，1988年版。 半导体物理学半导体物理学，第五版，刘恩科、朱秉升，第五版，刘恩科、朱秉升等，电子工业出版社，等，电子工业出版社，2004。Physics of Semiconductor Devices，美美 施敏著，电子工业出版社（中译本）施敏

2、著，电子工业出版社（中译本）1996。3课程主要内容n第一章：半导体物理基础第一章：半导体物理基础n第二章：第二章：PN结结n第三章：双极结型晶体管第三章：双极结型晶体管n第四章：金属第四章：金属-半导体结半导体结n第五章：结型和金半场效应管第五章：结型和金半场效应管n第六章：第六章：MOSFETn第七章：半导体太阳电池和光电二极管第七章：半导体太阳电池和光电二极管n第八章：发光二极管第八章：发光二极管4绪论n什么是半导体什么是半导体按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体 表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围材料导体半导体绝缘体电阻率(cm) 10-310-31091095

3、绪论 半导体具有一些重要特性，主要包括：n温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降 如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8，电阻率相应地降低50%左右n微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个族杂质（比如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000cm降至0.2cm以下n适当波长的光照可以改变半导体的导电能力适当波长的光照可以改变半导体的导电能力 如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的电阻为几十M，当受光照后电阻值可以下降为

4、几十Kn此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变6第一章半导体物理基础71.1 固体晶体结构1.2载流子状态和统计分布1.3平衡半导体1.4载流子输运1.5非平衡半导体81.1固体晶体结构1.1.1半导体材料n元素半导体（Si、 Ge）n化合物半导体（双元素，三元素等）91.1.2固体类型 半导体的晶体结构一、晶体的基本知识一、晶体的基本知识 长期以来将固体分为：晶体和非晶体。晶体和非晶体。晶体的基本特点：晶体的基本特点： 具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子（或离子）在较大的范围内（至少是微米量级）是按一定的方式有规则的排列而

5、成长程有序。（如Si，Ge，GaAs）101.1.2固体类型 半导体的晶体结构晶体又可分为：单晶和多晶。单晶和多晶。单晶：单晶：指整个晶体主要由原子(或离子)的一 种规则排列方式所贯穿。常用的半导体材料锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓 (GaAs)都是单晶。多晶：多晶：是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成的整块材料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。（晶界分离）111.1.2固体类型 半导体的晶体结构 非晶（体）的基本特点：非晶（体）的基本特点： 无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长程有序，但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列短程有序 （如非晶硅：a-Si） 121.1.2固

6、体类型 半导体的晶体结构n非晶体（无定型）n多晶n单晶131.1.3空间晶格 晶体是由原子周期性重复排列构成的，整个晶体就像网格，称为晶格晶格，组成晶体的原子(或离子)的重心位置称为格点格点，格点的总体称为点阵点阵。141.1.3空间晶格1.3.1 晶胞和原胞n1、晶胞可以复制成整个晶体的一小部分（基本单元，可以不同）151.1.3空间晶格晶胞和原胞n2、原胞可以形成晶体的最小的晶胞 广义三维晶胞的表示方法：晶胞和晶格的关系csbqapr161.1.3空间晶格1.3.2 基本晶体结构n简立方sc体心立方bcc面心立方fcc171.1.3空间晶格1.3.3晶面与密勒指数n1、晶面表示方法：(1)

7、平面截距：3，2，1(2)平面截距的倒数：1/3，1/2，1(3) 倒数乘以最小公分母：2，3，6平面用(236)标记，这些整数称为密勒指数。晶面可用密勒指数（截距的倒数）来表示：(hkl)181.1.3空间晶格晶面与密勒指数n简立方晶体的三种晶面 (100) (110) (111) 191.1.3空间晶格晶面与密勒指数n2、晶向通过晶体中原子中心的不同方向的原子列hkl201.1.3空间晶格1.3.4 金刚石结构n金刚石结构211.1.3空间晶格金刚石结构n四面体结构221.1.3空间晶格金刚石结构n金刚石晶格231.1.3空间晶格金刚石结构n闪锌矿结构（GaAs）n不同原子构成的四面体24

8、1.1.4原子价键n离子键（NaCl库仑力）n共价键 (H2共用电子对)n金属键 (Na电子海洋)n范德华键（弱HF 电偶极子存在分子或分子内非健结合的力）251.1.5固体中的缺陷和杂质n晶格振动n点缺陷（空位和填隙）n线缺陷261.1.5固体中的缺陷和杂质n替位式杂质n填隙式杂质271.2载流子状态和统计分布281.2.1允带与禁带能级分裂为能带外层先分裂允带和禁带r0 平衡时的距离r0 处存在能量的允带 准连续分布 291.2.1允带与禁带 K空间能带图n自由粒子的E-K关系P为粒子的动量，p与k为线形关系mP2E/(2m)PPk由粒子性有又由德布罗意关系因此mk22kE2m 由此可得到

9、图3.7所示的Ek关系。随波矢k的连续变化自由电子能量是连续的。301.2.1允带与禁带K空间能带图coscos2cos2fakakankan22E2m311.2.1允带与禁带 简约布里渊区321.2.1允带与禁带 简约布里渊区 (a) E(k)k/2关系 (b) 能带 (c) 第一布里渊区 图2.4 晶体中电子的E(k) k/2关系/2/2331.2.1允带与禁带 简约布里渊区 结论结论:（1）当k=2n/a （n= 1/2，2/2)时，能量不连续，形成一系列相间的允带和禁带。允带的k值位于下列几个称为布里渊区的区域中 第一布里渊区 /ak/a 第二布里渊区 2/ak-/a，/ak/a 第三

10、布里渊区 3/ak- 2/a ，2/ak3/a 第一布里渊区称为简约布里渊区，相应的波矢称为简约波矢 341.2.1允带与禁带 简约布里渊区（2）E(k)=E(k+2n/a)，即E(k)是k的周期性函数，周期为 2/a。因此在考虑能带结构时只需考虑/ak/a的第一布里渊区就可以了。 推广到二维和三维情况： 二维晶体的第一布里渊区 /a (kx，ky) /a 三维晶体的第一布里渊区 /a (kx，ky，kz)0K (c) 简化能带图nT=0K的半导体能带见图 (a)，这时半导体的价带是满带，而导带是空带，所以半导体不导电。n当温度升高或在其它外界因素作用下，原先空着的导带变为半满带，而价带顶附近

11、同时出现了一些空的量子态也成为半满带，这时导带和价带中的电子都可以参与导电，见图 (b)。n常温下半导体价带中已有不少电子被激发到导带中，因而具备一定的导电能力。图 (c)是最常用的简化能带图。 半导体的能带 371.2.2固体中电的传导 E-K关系图n无外电场时的情况381.2.2固体中电的传导 E-K关系图 由上述激发过程不难看出： 受电子跃迁过程和能量最低原理制约，半导体中真正对导电有贡献的是那些导带底部附近的电子和价带顶部附近电子跃迁后留下的空态(等效为空穴)。 换言之，半导体中真正起作用的是那些能量状态位于能带极值附近的电子和空穴。391.2.2固体中电的传导金属 绝缘体 半导体40

12、1.2.2固体中电的传导电子的有效质量n粒子所受作用力int (3.36)totalextFFFma粒子所受外力内力粒子静止质量加速度* (3.36)extFm a粒子有效质量，包括了粒子的质量以及内力作用的效果。加速度41Ec 导带底Ev 价带顶(a)简约k空间导带及其抛物线近似；(b)简约k空间价带及其抛物线近似 21 cEECk2122221 Cd Edk22211d Edkm*10m 22 vEECk2222221 Cd Edk*10m* /npm vaF m导带底电子有效质量价带顶电子有效质量1.2.2固体中电的传导 导带底、价带顶 电子有效质量421.2.2固体中电的传导电子的有效

13、质量有效质量的意义有效质量的意义n上述半导体中电子的运动规律公式都出现了有效质量mn*，原因在于F=mn*a中的F并不是电子所受外力的总和。n即使没有外力作用，半导体中电子也要受到格点原子和其它电子的作用。当存在外力时，电子所受合力等于外力再加上原子核势场和其它电子势场力。n由于找出原子势场和其他电子势场力的具体形式非常困难，这部分势场的作用就由有效质量mn*加以概括，mn*有正有负正是反映了晶体内部势场的作用。n既然mn*概括了半导体内部势场作用，外力F与晶体中电子的加速度就通过mn*联系了起来而不必再涉及内部势场。431.2.3 状态密度函数n能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数。

14、导带中有效状态密度： 3 2*342- (3.72)nccmgEE Eh 价带中有效状态密度： 3 2*342- (3.75)pvvmgEEEh441.2.4 统计力学n在一定温度下，半导体中的大量电子不停地作无规则热运动，从一个电子来看，它所具有的能量时大时小，经常变化。但是，从大量电子的整体来看，在热平衡状态下，电子按能量大小具有一定的统计分布规律性，即电子在不同能量的量子态上统计分布几率是一定的。451.2.4 统计力学 粒子在有效能态中的分布：三种分布法则n麦克斯韦-玻尔兹曼分布函数。认为分布中的粒子可以被一一区分，且对每个能态所容纳的粒子数没有限制。n玻色-爱因斯坦分布函数认为分布中

15、的粒子不可区分，但每个能态所容纳的粒子数没有限制。n费米-狄拉克分布函数认为分布中的粒子不可区分，且每个量子态只允许一个粒子存在。461.2.4 统计力学费米分布函数 热平衡条件下半导体中电子按能量大小服从一定的统计分布规律。能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率为 据上式，能量比EF高5kT的量子态被电子占据的几率仅为0.7%；而能量比EF低5kT的量子态被电子占据的几率高达99.3%。 1()1expFFfEEEkT11( )11 expFFfEEEkT fF(E)表示能量为E的量子态被电子占据的几率，那么1-fF(E)就是能量为E的量子态不被电子占据的几率，也就是被空穴占据的几率。47

16、费米概率函数n理想情况，能量小于EF的能级被电子占据的概率为能量EEf E049费米能级n费米能级标志了电子填充能级的水平。n半导体中常见的是费米能级EF位于禁带之中，并且满足 Ec-EFkT或EF-EvkT的条件。n因此对导带或价带中所有量子态来说，电子或空穴都可以用玻耳兹曼统计分布描述。n由于分布几率随能量呈指数衰减，因此导带绝大部分电子分布在导带底附近，价带绝大部分空穴分布在价带顶附近，即起作用的载流子都在能带极值附近。50玻尔兹曼分布函数费米分布函数中，若E-EFkT，则分母中的1可以忽略，此时上式就是电子的玻耳兹曼分布函数。同理，当EF-EkT时，上式转化为下面的空穴玻耳兹曼分布(

17、)expexpexpexpFFBEEEEEfEAkTkTkTkTFF11 f (E)EE1 expkTFFEEEEE1 f(E)expexpexpBexpkTkTkTkT1( )1expFFfEEEkT511.3平衡半导体52基本概念n平衡状态： 没有外界影响(如电压、电场、磁场或温度梯度)作用在半导体上的状态。n本征半导体： 没有杂质原子和缺陷的纯净晶体。n载流子： 能够参与导电，荷载电流的粒子:电子、空穴。53本征半导体中究竟有多少电子和空穴？n0表示导带中平衡电子浓度p0表示价带中平衡空穴浓度本征半导体中有：n0=p0=nini为本征载流子浓度ni的大小与什么因素有关？T、Eg541.3

18、.1半导体中载流子 电子空穴的平衡分布电子空穴的平衡分布 导带电子浓度与价导带电子浓度与价带空穴浓度带空穴浓度n要计算半导体中的导带电子浓度，必须先要知道导带中能量间隔内有多少个量子态。n又因为这些量子态上并不是全部被电子占据，因此还要知道能量为E的量子态被电子占据的几率是多少。n将两者相乘后除以体积就得到区间的电子浓度，然后再由导带底至导带顶积分就得到了导带的电子浓度。n导带电子的分布n价带空穴的分布 cFn EgE fE 1vFp EgEfE551.3.1半导体中载流子 n0 p0的方程n热平衡时的电子浓度n0 0 (4.3)cFngE fE dE这里假设费米能级始终位于禁带中。积分下限：

19、Ec；积分上限：这里设为无穷大。 3 2*342- (3.72)nccmgEE Eh1( )1expFFfEEEkT由于EEC; EC-EFkT所以有 E-EFkT( )expFFEEfEkT561.3.1半导体中载流子 n0 p0的方程c3 2*03E42-exp (4.5)nFcmEEnE EdEhkT1 2*3 2ccFnc3E-EE -E(2m )4(E-E ) exp()dEhkTEc引入中间变量 ，得到cEExkT*3 21 2n030(2m kT)4exp() xdxhxcFEEnekT1 20 xxedx为伽马函数，其值为12571.3.1半导体中载流子 n0 p0的方程3 2

20、CFCFn0C3EEE -E(2 m kT)n2exp()N exp()hkTkT*3 2n32(2 m kT)Nch其中 称为导带有效状态密度，因此CF0CE -EnN exp() (4.11)kTEv0Vv-p1f(E)g (E)dEN exp() (4.19)vFEEkT*3 2p32(2 m kT)Nhv同理可以得到价带空穴浓度其中 称为价带有效状态密度581.3.1半导体中载流子 本征载流子浓度本征半导体：本征激发：不含有任何杂质和缺陷。导带电子唯一来源于成对地产生电子空穴对因此导带电子浓度就等于价带空穴浓度。本征半导体的电中性条件是qp0-qn0=0 即 n0=p0=ni本征载流子

21、浓度本征半导体的费米能级称为本征费米能级，EF=EFi。CFi0CE -EnN exp() (4.20)kTin0pexp() (4.21)vFiiivEEpnNkT591.3.1半导体中载流子 本征载流子浓度上两式相乘有：2CFicE -EN exp()exp()kTvFiivEEnNkTcNexp()cvvEENkTcNexp() (4.23)gvENkTn任何平衡态半导体载流子浓度积n0p0 等于本征载流子浓度ni2。n对确定的半导体材料，受式中Nc和Nv、尤其是指数项exp(-Eg/kT)的影响，本征载流子浓度ni随温度的升高显著上升。n平衡态半导体n0p0积与EF无关； n对确定半导

22、体，mn*、mp*和Eg确定，n0p0积只与温度有关，与是否掺杂及杂质多少无关；n一定温度下，材料不同则 mn*、mp*和Eg各不相同，其n0p0积也不相同。601.3.1半导体中载流子 本征载流子浓度 公认值会与上式计算得到的ni值有一定误差：n有效质量为低温下进行的回旋共振实验测定值，此参数可能与温度有关；n状态密度函数由理论推导得到，有可能与实验结果不十分吻合。611.3.2掺杂原子与能级 施主杂质n由于以磷为代表的族元素在Si中能够施放导电电子，称V族元素为施主杂质或n型杂质，用Nd表示。n电子脱离施主杂质的束缚成为导电电子的过程称为施主电离，所需要的能量ED称为施主杂质电离能。ED的

23、大小与半导体材料和杂质种类有关，但远小于Si和Ge的禁带宽度。n施主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后称为施主离化态。nSi中掺入施主杂质后，通过杂质电离增加了导电电子数量从而增强了半导体的导电能力。n把主要依靠电子导电的半导体称为n型半导体。n型半导体中电子称为多数载流子，简称多子；而空穴称为少数载流子，简称少子。621.3.2掺杂原子与能级 受主杂质n由于以硼原子为代表的族元素在Si、Ge中能够接受电子而产生导电空穴，称族元素为受主杂质或p型杂质，用Na表示。 n空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离，而所需要的能量EA称为受主杂质电离能。n不同半导体和不同受主杂质其EA也不

24、相同，但EA通常远小于Si和Ge禁带宽度。n受主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为负电中心，称为受主离化态。nSi中掺入受主杂质后，受主电离增加了导电空穴，增强了半导体导电能力，把主要依靠空穴导电的半导体称作p型半导体。p型半导体中空穴是多子，电子是少子。 631.3.2掺杂原子与能级电离能n常见杂质的电离能641.3.2掺杂原子与能级III-V族半导体nGaAs的杂质电离能n双性杂质的概念硅替代镓做施主，替代砷做受主651.3.2掺杂原子与能级 施主能级受主能级n掺入施主杂质的半导体，施主能级Ed上的电子获得能量Ed后由束缚态跃迁到导带成为导电电子，因此施主能级Ed位于比导

25、带底Ec低Ed的禁带中，且EdEg。n对于掺入族元素的半导体，被受主杂质束缚的空穴能量状态(称为受主能级Ea)位于比价带顶Ev低Ea的禁带中,Eap0。 光照后的非平衡态半导体中电子浓度n=n0+n ，空穴浓度p=p0+p ，并且n=p 。 比平衡态多出来的这部分载流子n和p就称为过剩载流子。n型半导体中称n为过剩电子，p为过剩空穴1.5.1载流子的产生与复合 过剩载流子2、非平衡载流子的产生：82一般来说：n型半导体中：n n0，p n0。 p型半导体中：n p0，p p0。1.5.1载流子的产生与复合 过剩载流子n小注入：过剩载流子浓度远小于平衡态时的多子浓度 要说明的是即使满足小注入条件，非平衡少子浓度仍然可以比平衡少子浓度大得多! 因此相对来说非平衡多子的影响轻微，而非平衡少子的影响起重要作用。通常说的非平衡载流子都是指非平衡少子。n大注入：过剩