半导体器件物理(课堂).ppt

1、第1章，半导体的特性，1.1半导体的晶格结构，1.2半导体的导电性，1.3半导体中的电子态和能带，1.4半导体中的杂质和缺陷，1.5载流子的运动，1.6电子和空穴的概念，半导体的电学性质和导电机理，载流子的漂移运动和扩散运动，不平衡载流子的产生和复合，半导体晶格结构，1.1，导体和绝缘体之间的电阻率。导体(电阻率小于10-8m)，绝缘体(电阻率大于106m)。半导体，五种常见的晶格结构，简单立方结构，体心立方结构，面心立方结构，金刚石结构，闪锌矿结构，晶体，自然界中存在的固体物质可分为晶体(如应时、金刚石、硫酸铜等)。)和无定形的(玻璃、松香、沥青等。)根据它们不同的结构形式。晶体的原子按照一

2、定的规则周期性地排列在空间中，这就是所谓的晶格。体心立方结构，钠(钼)钨，面心立方结构，铝(铜)金(银)，金刚石结构，硅(锗)，它是由两个面心立方结构沿空间对角线嵌套四分之一的空间对角线长度形成的。大量的硅(Si)和锗(ge)原子通过共价键结合成晶体，每个原子周围有四个最近的原子，形成正四面体结构。这四个原子位于正四面体的四个顶角，任意顶角上的原子各贡献一个价电子，中心原子的四个价电子分别形成一个电子对，即两个原子共享的价电子对。闪锌矿结构，砷化镓(GaAs)，磷化镓(GaP)，硫化锌(ZnS)，硫化镉(CdS)，元素半导体，化合物半导体，硅(si)，锗(ge)，族元素如铝(al)，镓(ga)

3、，铟(in)和族元素如磷(p)，砷(As)，实施例1-1，解决方案，实践中，如果面心型结构中的原子是刚性球体，并且面心型结构中的原子与面顶点的四个角中的原子紧密接触，尝试计算这些原子的空间比例在实施例1-2中，硅(硅)在300K的晶格常数是5.43。请计算每立方厘米体积的硅原子数量和常温下硅原子的密度。(硅的摩尔质量为28.09克/摩尔)，晶体的各向异性、原子排列的周期性和密度沿晶格的不同方向不同，导致晶体在不同方向的物理特性不同。晶体的各向异性体现在不同方向的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、热导率、电阻率、电位移矢量、极化强度、磁化率和折射率的差异。ACCA平面上有六个原子，ADDA平面上有五个

4、原子，这两个平面上原子之间的距离是不同的。晶面指数(miller index)，miller index通常用于标记晶体取向的不同取向。米勒指数的计算方法如下：(1)确定一个平面在直角坐标系三个轴上的截距点，并以晶格常数为单位测量相应的截距；(2)取截距的倒数，然后将其简化为三个没有公约数的整数，即简化为最简单的整数比；(3)结果表示为“(hkl)”，即该平面的米勒指数。如图所示，晶面ACCA在坐标轴上的截距为1，1，其倒数为1，1，0。该平面用米勒指数表示为(110)，该晶面的晶体取向(向列指数)为110；晶面ABBA用米勒指数表示为()。晶面数模转换器用米勒指数表示为()。100，111，

5、练习，试着问ADDA的米勒指数。晶体学指数，任何两个原子之间的连线在空间中都有许多平行线。平行线族所指的方向由晶体学指数表示，根据晶体学矢量在坐标轴上的投影比例，晶体学指数取质数111、100、110和晶面指数(米勒指数)。由任意三个原子组成的晶面在空间上有许多平行晶面，平行晶面族用晶面指数表示，根据晶面在坐标轴上的倒数截距的比例取质数(111)、(100)和(100)，1.2，半导体的电学性质、温度和电导率随温度的升高而迅速增加。金属电阻率的温度系数为正(即电阻率随温度的升高而增加，并缓慢增加)；半导体材料电阻率的温度系数是负的(即，电阻率随着温度的升高而降低，电导率增加，并迅速增加)。它对

6、温度敏感，体积小，热惯性小，寿命长，因此在无线电技术、远程控制与测量、自动化等方面有着广泛的应用价值。热敏电阻、杂质和半导体，杂质对半导体材料的导电性有很大影响。例如，纯硅在室温下的电阻率为2.14107米，如果加入百分之一的杂质(如磷原子)，其电阻将降至20米。虽然此时硅的纯度仍然很高，但电阻率已降至原来的百万分之一左右，大多数半导体器件利用了半导体的这一特性。光照对半导体材料的导电性有很大的影响。例如，硫化镉(CdS)薄膜的暗电阻是几十兆欧姆，但是在被照射之后，电阻下降到几十千欧姆，并且在被照射之后电阻改变几百倍。它成为自动控制的重要组成部分。光敏电阻、其他因素和半导体一样，除了温度、杂质

7、、光、电场、磁场等外部因素(如外部应力)也会影响半导体材料的导电性。锗在20世纪50年代早期是最重要的半导体材料，但自60年代早期以来，硅已经取代它成为半导体制造的主要材料。我们现在使用硅的主要原因是硅器件技术的突破，其中二氧化硅的应用起着决定性的作用，经济上的考虑也是原因之一。它可以用来制造器件级硅材料，比其他半导体材料便宜得多。二氧化硅和硅酸盐中的硅含量占地球的25%，仅次于氧。到目前为止，硅可以说是元素周期表中研究最多的半导体元素和最成熟的技术。半导体中的电子态和能带，单个原子的电子、电子和静电引力(库伦力)使电子只能在围绕原子核的轨道上运动。虽然量子力学有电子出现在所有空间范围的概率，

8、但是对于单个原子中的电子，概率的最大值被限制在离原子核中心非常小的范围内(玻尔半径数量级)。轨道电子云在空间分布的概率最高，即电子出现在轨道上的概率最高。电子与原子核和其他电子相互作用。E _ 1，E _ 2，E _ 3，原子核，能级，晶体中的电子，当原子间的距离很小时，原子间的电子轨道会相遇并重叠，晶体中每个原子的电子同时受到多个原子核和电子(包括这个原子的电子和其他原子的电子)的作用。电子不仅可以围绕自己的原子核旋转，还可以围绕另一个原子旋转，也就是说，同一个电子可以被多个原子共享，电子不再完全局限于一个原子，而是可以从一个原子转到相邻的一个原子，并可以在整个晶体中移动。大多数用于制造半导

9、体器件的材料是单晶。单晶是由原子按一定周期重复排列而成的，排列非常紧密，相邻原子之间的距离只有几纳米左右。由于晶体中原子的周期性排列，电子不再由单个原子拥有的现象称为电子共享。在晶体中，不仅外层的价电子轨道重叠，内层的电子轨道也可能重叠，它们都形成一个共同的运动；然而，内部电子的轨道重叠较少，共享程度较弱，而外部电子的轨道重叠较多，共享程度较强。半导体中的电子在大量周期性排列和固定的原子核的势场中以及其他大量电子的平均势场中运动。这个平均势场也是周期性变化的，周期与晶格周期相同。当原子间的距离逐渐接近时，原子周围电子的能级逐渐变成能带。能级、能带、允许带、全带、空带、允许电子存在的一系列准连续

10、能态、充满电子的一系列准连续能态都是非导电性的，而未充满电子的一系列准连续能态也是非导电性的。图1-5金刚石结构的价电子带图(绝对零度)，导带，由价电子形成的能带，但半导体材料的价电子形成的低能带通常称为价带。带隙宽度/Eg，导带和价带之间的能级宽度，单位为能量单位：ev(电子伏特)，图1-6，导体、绝缘体和半导体的能带图，能带部分被电子占据，这些电子在电场作用下可以导电，带隙较宽，价带电子在常温下不能被激发空导带，带隙较窄，在常温下，其中一些可以被电子填充。充满少量电子的导带和留下少量空穴的价带可以被充电，36eV、Si 1.12eV、Ge 0.67 eV、1.42 eV、空穴和价带由于缺少

11、一些电子而在价带顶部附近具有一些空量子态，并且价带变成部分占据的能带(相当于半满带)。在外电场的作用下，仍留在价带中的电子也能起到导电作用。价带电子的传导相当于这些空量子态作为带正电的“准粒子”的传导，而在这些全带中失去电子留下的空位通常被称为空穴。因此，在半导体中，导带中的电子和价带中的空穴参与传导，这与金属导体有很大的不同。在图中，“”代表价带中的电子；图中的“”表示价带中的空穴。想一想，既然半导体的电子和空穴都能导电，但只有电子能在导体中导电，为什么半导体的导电性比导体差？图1-7显示了半导体在一定温度下的能带图，导带底部为电子能谱，价带顶部为电子能谱，间隙宽度为电子能谱，本征激发，导带

12、电子最低能量，价带电子最高能量，电子能谱=电子能谱。由于温度，价键上的电子被激发成为准自由电子，即价带电子被激发成为导带电子。注意三个“准”，准连续准粒子准自由，实践和整理空带、全带、半全带、价带、导带、禁带、导带底部、价带顶部和禁带宽度的概念。简要描述空腔的概念。1.4、半导体中的杂质和缺陷，理想的半导体晶体，实际应用中的半导体材料，都是非常纯的。晶格中的原子严格周期性排列，没有任何杂质。原子不会以严格的周期性停在晶格位置，而是在它们的平衡位置附近振动，这些平衡位置不纯，但含有一些杂质。也就是说，与半导体晶格中构成半导体的元素不同的其他化学元素的原子晶格结构并不完整，但是存在各种形式的缺陷，

13、这些缺陷会对半导体材料的物理和化学性质产生决定性的影响。如果硼原子以105个硅原子中的一个杂质原子的比例掺杂，硅晶体的电导率在室温下将增加103倍。一般硅计划生产硅单晶时，位错密度应控制在103厘米-2以下(一种缺陷)，实施例1，实施例2，理论分析表明杂质和缺陷的存在将破坏由严格按照周期排列的原子产生的周期性势场，并且有可能引入允许电子存在于禁带中的能态(即能级)，从而对半导体的性质具有决定性的影响。杂质来源：1)制备半导体的原料纯度不够高；(2)在制备半导体单晶的过程中和在制造器件的过程中的污染；3)为了半导体特性而人工掺杂某些化学元素的原子。根据金刚石结构的特点，原子仅占晶胞体积的34%，

14、66%是空隙，通常称为间隙位置。杂质的填充方式，1)杂质原子位于晶格原子之间的间隙位置，间隙杂质/填充；(2)杂质原子取代晶格原子并位于晶格点，取代位置杂质/填充物。间隙杂质和替代杂质具有间隙杂质的原子半径一般较小的特点，例如锂离子(Li)的半径为0.68，因此锂离子在进入硅、锗和砷化镓后以间隙杂质的形式存在。取代杂质原子的半径与取代晶格原子的半径相似，它们的价层结构也相似。例如，硅和锗是类似于族元素的族元素。因此，族元素是硅和锗晶体中的替代杂质。以杂质浓度、单位体积杂质原子数、单位厘米-3、施主杂质和施主能级以及掺入硅中的磷为例，研究了族元素杂质的影响。如图所示，当磷原子占据硅原子的位置时，

15、磷原子有五个价电子，其中四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，剩下一个价电子。磷原子变成带正电的磷离子，称为带正电的中心磷离子。这种效应相当于形成一个正中心和一个额外的电子。多余的电子被束缚在带正电的中心周围，但这种束缚作用比共价键弱得多，所以只有少量的能量能使多余的电子挣脱出来，成为自由电子在晶格中运动，起到导电的作用。这时，磷原子变成没有价电子的磷离子，它是一个不动的正中心。多余的电子从杂质原子中脱离并变成导电电子的过程称为杂质电离。使这个额外的电子脱离并变成导电电子所需的能量称为杂质电离能，用ed表示。实验结果表明，硅和锗中的族元素原子的电离能很小(即多余的电子很容易脱离原子而变成导电

16、电子)。硅中的电离能约为0.040.05电子伏，锗中的电离能约为0.01电子伏，这比硅和锗的带隙宽度小得多。当硅和锗中的族元素杂质被电离时，它们可以发射电子产生导电电子并形成正电子中心。释放电子的过程称为施主电离。施主杂质在未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电荷中心，称为电离态。施主杂质/N型杂质，电子半导体/N型半导体，在将施主杂质掺杂到纯半导体中之后，施主杂质被电离，这增加了导带中的导电电子(电子密度大于空穴密度)，增强了半导体的导电性，并且成为主要依赖于电子传导的半导体材料。施主能级由Ec远离导带底部的点处的短线段表示，施主能级上的小黑点表示由施主杂质束缚的电子。箭头表示电离过程，其中束缚电子获得电离能，然后从施主能级跃迁到导带，成为导电电子。导带中的小黑点表示电子进入导带，表示离子注入后施主杂质带正电由于施主杂质相对较少，杂质原子之间的相互作用可以忽略，施主能级可以看作是孤立的能级，与受主杂质和受主能级具有相同的能级，以掺入硅中的硼(B)为例研究了族元素杂质的影响。当硼原子占据硅原子的位置时，如图所示，硼原子有三个价电子，