热平衡时的能带和载流子浓度课件

现代半导体器件物理与工艺PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices热平衡时的能带和载流子浓度2019,7,30桂林电子科技大现代半导体器件物理与工艺热平衡时的能带和载流子浓度1本章内容口半导体材料、基本晶体结构与共价键口能级与能带口本征载流子浓度口施主和受主桂林电子科技大现代半导体器件物理与工艺热平衡时的能带和载流子浓度2半导体材料导电性:固态材料可分为三类,即绝缘体、半导体及导体。电阻率p/(·cm)1018101610410210-2104106108玻璃锗(Ge)硅(si)金刚石(纯)砷化镓(GaAs)硫磷化镓(GaP)熔融石英硫化镉(CdS硫化铋10-1810-1610141021001010210410°10°电导率a/(S·cm)●绝缘体:电导率很低,约介于20-18sS/cm~10-8S/cm,如熔融石英及玻璃;●导体:电导率较高,介于104s/cm~106/cm,如铝、银等金属。●半导体:电导率则介于绝缘体及导体之间桂林电子科技大半导体器件物理热平衡时的能带和载流子浓度3半导体材料口半导体的特点:易受温度、照光、磁场及微量杂质原子的影响。正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成为各种电子应用中最重要的材料之口半导体材料的类型元素半导体:硅(Si)、锗(Ge)化合物半导体:砷化镓(GaAs)、磷化铟(InAs)等桂林电子科技大现代半导体器件物理与工艺热平衡时的能带和载流子浓度4元素(elements)半导体硅、锗都是由单一原子所组成的元素半导周期Ⅱ体,均为周期表第IV2BC族元素。SiN氮P磷20世纪50年代初期锗曾是最主要的半4gaGese导体材料>60年代初期以后,CdIn硇T碲硅已取代锗成为半导体制造的主要材料。Hg硅的优势:硅器件在室温下有较佳的特性;高品质的硅氧化层可由热生长的方式产生,成本低;硅含量占地表的25%,仅次于氧,储量丰富。桂林电子科技大现代半导体器件物理与工艺热平衡时的能带和载流子浓度5化合物(compound)半导体材料类别元化合物半导体:由两种元素组成元化合物半导体:由三种元素组成●多元化合物半导体:由三种及以上元素组成二元化合物半导体●IV-IV族元素化合物半导体:炭化硅(SiC)●III-V族元素化合物半导体:砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷化铟(InAs)等;●IIⅥ族元素化合物半导体:氧化锌(Zn0)、硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)等;●IV-ⅥI族元素化合物半导体:硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)桂林电子科技大半导体器件物理热平衡时的能带和载流子浓度化合物(compound)半导体材料三元化合物与多元化合物半导体≯由II族元素铝(A1)、镓(Ga)及V族元素砷(As)所组成的合金半导体AlGa14s即是一种三元化合物半导体,具有AB1CD1y形式的四元化合物半导体锗可由许多二元及三元化合物半导体组成。例如,合金半导体Ga、Tm1-As,D1是由磷化镓(GaP)、磷化铟(InAs)及砷化镓(GaAs)所组成。化合物半导体的优势与不足:≯许多化合物半导体具有与硅不同的电和光电特性。这些半导体,特别是砷化镓(GaAs),主要用于高速光电器件。≥与元素半导体相比,制作单晶体形式的化合物半导体通常需要较复杂的程序。≥化合物半导体的技术不如硅半导体技术成熟。桂林电子科技大现代半导体器件物理与工艺热平衡时的能带和载流子浓度7化合物(compound)半导体材料半导体I-vI-氧化锌总体分类符合名称硫化锌锡化锌素半导体啼化锌偷化镉二元化合物半导体锡化镉炭化硅啼化锅磷化铝硫化汞砷化铝I-Ⅵ磧化铅硒化铅GaN氢化镓碲化铅AlGaaS化镓铝砷化镓砷化铟铝Gasb梯化稼三元化合物半导体磷化砷镓化铜瞵化铟镓砷化铟锑化四元化合物半号体41Gil-xAs,Sb2锑化砷镓铝磷化砷铟镓桂林电子科技大现代半导体器件物理与工艺热平衡时的能带和载流子浓度8晶体结构半导体的晶格结构●半导体的结构特点:半导体材料是单晶体,它在三维空间是周期性地排列着的。即使当原子热振动时,仍以其中心位置作微量振动●晶格(lattice):晶体中原子的周期性排列称为晶格。●单胞(unitce11):周期性排列的最小单元,用来代表整个晶格,将此单胞向晶体的四面八方连续延伸,即可产生整个晶格桂林电子科技大现代半导体器件物理与工艺热平衡时的能带和载流子浓度晶体结构单胞及其表示:●右图是一个简单的三维空间单胞●晶格常数:单胞与晶格的关系可用三个向量a、b及c来表示,响b它们彼此