半导体物理学期末总复习.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,*,半导体中电子状态,半导体中杂质和缺点能级,半导体中载流子统计分布,半导体导电性,非平衡载流子,pn,结,金属和半导体接触,半导体表面与,MIS,结构,半导体光学性质和光电与发光现象,半导体物理学,第1页,晶体结构,半导体晶格结构和结合性质,半导体中电子状态和能带,半导体中电子运动和有效质量,本征半导体导电机构,空穴,盘旋共振,硅和锗能带结构,III,V,族化合物半导体能带结构,II,VI,族化合物半导体能带结构,第2页,金刚石晶体结构,金刚石结构,原子结合形式：共价键,形成晶体结构：组成一个正四面体，含有,金 刚 石 晶 体 结 构,第3页,半 导 体 有,:,化 合 物 半 导 体 如,GaAs,、,InP,、,ZnS,闪锌矿晶体结构,金刚石型 闪锌矿型,第4页,原子能级,电子壳层,不一样支壳层电子,1s,；,2s,，,2p,；,3s,，,2p,，,3d,；,共有化运动,第5页,+14,电子能级是量子化,n=3,四个电子,n=2,8,个电子,n=1,2,个电子,Si,H,Si,原子能级,第6页,原子能级分裂,孤立原子能级,4,个原子能级分裂,第7页,原子能级分裂,原子能级分裂为能带,第8页,价带：,0K,条件下被电子填充能量能带,导带：,0K,条件下未被电子填充能量能带,带隙：导带底与价带顶之间能量差,半导体能带结构,导 带,价 带,E,g,第9页,自由电子运动,微观粒子含有波粒二象性,第10页,半导体中电子运动,薛定谔方程及其解形式,布洛赫波函数,第11页,半导体能带,本征激发,第12页,半导体中,E,（,K,）与,K,关系,在导带底部，波数 ，附近 值很小，将 在 附近泰勒展开,第13页,半导体中,E,（,K,）与,K,关系,令 代入上式得,第14页,自由电子能量,微观粒子含有波粒二象性,第15页,半导体中电子平均速度,在周期性势场内，电子平均速度,u,可表示为波包群速度,第16页,自由电子速度,微观粒子含有波粒二象性,第17页,半导体中电子加速度,半导体中电子在一强度为,E,外加电场作用下，外力对电子做功为电子能量改变,第18页,半导体中电子加速度,令 即,第19页,有效质量意义,自由电子只受外力作用；半导体中电子不但受到外力作用，同时还受半导体内部势场作用,意义：有效质量概括了半导体内部势场作用，使得研究半导体中电子运动规律时更为简便（有效质量可由试验测定）,第20页,空穴,只有非满带电子才可导电,导带电子和价带空穴含有导电特征；电子带负电,-q,（导带底），空穴带正电,+q,（价带顶）,第21页,K,空间等能面,在,k=0,处为能带极值,导带底附近,价带顶附近,第22页,K,空间等能面,以 、为坐标轴组成 空间，空间任一矢量代表波矢,导带底附近,第23页,K,空间等能面,对应于某一 值，有许多组不一样,，这些组组成一个封闭面，在着个面上能量值为一恒值，这个面称为等能量面，简称等能面。,等能面为一球面（理想）,第24页,半导体中电子状态,半导体中杂质和缺点能级,半导体中载流子统计分布,半导体导电性,非平衡载流子,pn,结,金属和半导体接触,半导体表面与,MIS,结构,半导体物理学,第25页,与理想情况偏离,晶格原子是振动,材料含杂质,晶格中存在缺点,点缺点（空位、间隙原子）,线缺点（位错）,面缺点（层错）,第26页,与理想情况偏离影响,极微量杂质和缺点，会对半导体材料物理性质和化学性质产生决定性影响，同时也严重影响半导体器件质量。,1,个,B,原子,/,个,Si,原子,在室温下电导率提升 倍,Si,单晶位错密度要求低于,第27页,与理想情况偏离原因,理论分析认为，杂质和缺点存在使得原本周期性排列原子所产生周期性势场受到破坏，并在禁带中引入了能级，允许电子在禁带中存在，从而使半导体性质发生改变。,第28页,间隙式杂质、替位式杂质,杂质原子位于晶格原子间间隙位置，该杂质称为,间隙式杂质,。,间隙式杂质原子普通比较小，如,Si,、,Ge,、,GaAs,材料中离子锂（,0.068nm,）。,杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质称为,替位式杂质,。,替位式杂质原子大小和价电子壳层结构要求与被取代晶格原子相近。如,、,族元素在,Si,、,Ge,晶体中都为替位式杂质。,第29页,间隙式杂质、替位式杂质,单位体积中杂质原子数称为杂质浓度,第30页,施主,：掺入在半导体中杂质原子，能够向半导体中提供导电电子，,并成为带正电离子。如,Si,中,P,和,As,N,型半导体,As,半导体掺杂,施主能级,第31页,受主,：掺入在半导体中杂质原子，能够向半导体中提供导电空穴，,并成为带负电离子。如,Si,中,B,P,型半导体,B,半导体掺杂,受主能级,第32页,半导体掺杂,、,族杂质在,Si,、,Ge,晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高 ，施主能级比导带底低 ，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。,杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。,第33页,半导体中同时存在施主和受主杂质，且 。,N,型半导体,N,型半导体,第34页,半导体中同时存在施主和受主杂质，且 。,P,型半导体,P,型半导体,第35页,杂质赔偿作用,半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是,N,型还是,P,型,由杂质浓度差决定,半导体中净杂质浓度称为有效杂质浓度（有效施主浓度；有效受主浓度）,杂质高度赔偿（）,第36页,点缺点,弗仓克耳缺点,间隙原子和空位成对出现,肖特基缺点,只存在空位而无间隙原子,间隙原子和空位这两种点缺点受温度影响较大，为,热缺点,，它们不停产生和复合，直至到达动态平衡，总是,同时存在,。,空位,表现为,受主作用,；,间隙原子,表现为,施主作用,第37页,点缺点,替位原子（化合物半导体）,第38页,位错,位错是半导体中一个缺点，它严重影响材料和器件性能。,第39页,位错,施主情况 受主情况,第40页,半导体中电子状态,半导体中杂质和缺点能级,半导体中载流子统计分布,半导体导电性,非平衡载流子,pn,结,金属和半导体接触,半导体表面与,MIS,结构,半导体物理学,第41页,热平衡状态,在一定温度下，,载流子产生,和,载流子复合,建立起一动态平衡，这时载流子称为,热平衡载流子,。,半导体热平衡状态受,温度,影响，某一特定温度对应某一特定热平衡状态。,半导体,导电性,受,温度,影响猛烈。,第42页,态密度概念,能带中能量 附近每单位能量间隔内量子态数。,能带中能量为 无限小能量间隔内有 个量子态，则状态密度 为,第43页,态密度计算,状态密度计算,单位 空间量子态数,能量 在 空间中所对应体积,前二者相乘得状态数,依据定义公式求得态密度,第44页,空间中量子态,在 空间中，电子允许能量状态密度为 ，考虑电子自旋情况，电子允许量子态密度为 ，每个量子态最多只能容纳,一个电子,。,第45页,态密度,导带底附近状态密度（理想情况）,第46页,态密度,（导带底）,（价带顶）,第47页,费米能级,依据量子统计理论，服从泡利不相容原理电子遵照费米统计律,对于能量为,E,一个量子态被一个电子占据概率 为,称为电子费米分布函数,空穴费米分布函数？,第48页,费米分布函数,称为费米能级或费米能量,温度,导电类型,杂质含量,能量零点选取,处于热平衡状态电子系统有统一费米能级,第49页,费米分布函数,当 时,若 ，则,若 ，则,在热力学温度为,0,度时，费米能级 可看成量子态是否被电子占据一个界限,当 时,若 ，则,若 ，则,若 ，则,费米能级是量子态基本上被,电子占据或基本上是空一,个标志,第50页,玻尔兹曼分布函数,当 时,，因为 ，所以,费米分布函数转化为,称为电子玻尔兹曼分布函数,第51页,玻尔兹曼分布函数,空穴玻尔兹曼分布函数,第52页,玻尔兹曼分布函数,导带中电子分布可用电子玻尔兹曼分布函数描写（,绝大多数电子分布在导带底,）；价带中空穴分布可用空穴玻尔兹曼分布函数描写（,绝大多数空穴分布在价带顶,）,服从,费米统计律,电子系统称为,简并性系统,；服从,玻尔兹曼统计律,电子系统称为,非简并性系统,费米统计律与玻尔兹曼统计律主要差异：,前者受泡利不相容原理限制,第53页,导带中电子浓度,在导带上 间有 个电子,从导带底到导带顶对 进行积分，得到能带中电子总数，除以半导体体积，就得到了导带中电子浓度,第54页,导带中电子浓度,第55页,导带中电子浓度,导带宽度经典值普通 ，所以 ，所以，积分上限改为 并不影响结果。由此可得导带中电子浓度为,第56页,价带中空穴浓度,同理得价带中空穴浓度,第57页,载流子浓度乘积,同理得价带中空穴浓度,热平衡状态下非简并半导体中，在一定温度下，乘积 是一定，假如电子浓度增大，空穴浓度就会减小；反之亦然,第58页,本征半导体载流子浓度,本征半导体,无任何杂质和缺点半导体,第59页,本征费米能级,第60页,本征载流子浓度,（既适合用于本征半导体，也适合用于非简并杂志半导体）,第61页,杂质半导体载流子浓度,一个能级能容纳自旋方向相反两个电子,杂质能级只能是下面两种情况之一,被一个有任一自旋方向电子占据,不接收电子,第62页,杂质半导体载流子浓度,施主能级上电子浓度（没电离施主浓度）,受主能级上电子浓度（没电离受主浓度）,第63页,杂质半导体载流子浓度,电离施主浓度,电离受主浓度,第64页,n,和,p,其它变换公式,本征半导体时，,第65页,费米能级,对掺杂半导体，,第66页,半导体中电子状态,半导体中杂质和缺点能级,半导体中载流子统计分布,半导体导电性,非平衡载流子,pn,结,金属和半导体接触,半导体表面与,MIS,结构,半导体物理学,第67页,载流子输运,半导体中载流子输运有三种形式：,漂移,扩散,产生和复合,第68页,欧姆定律,金属导体外加电压 ，电流强度为,电流密度为,第69页,欧姆定律,均匀导体外加电压 ，电场强度为,电流密度为,欧姆定律微分形式,第70页,漂移电流,漂移运动,当外加电压时，导体内部自由电子受到电场力作用而沿电场反方向作定向运动（定向运动速度称为漂移速度）,电流密度,第71页,漂移速度,漂移速度,第72页,半导体电导率和迁移率,半导体中导电作用为电子导电和空穴导电总和,当电场强度不大时，满足 ，故可得半导体中电导率为,第73页,半导体电导率和迁移率,N,型半导体,P,型半导体,本征半导体,第74页,Question,导体在外加电场作用下，导体内载流子漂移电流有两种表示形式,恒定,不停增大,第75页,热运动,在无电场作用下，载流子永无停息地做着无规则、杂乱无章运动，称为热运动,晶体中碰撞和散射引发,净速度为零，而且净电流为零,平均自由时间为,第76页,热运动,当有外电场作用时，载流子既受电场力作用，同时不停发生散射,载流子在外电场作用下为,热运动,和,漂移运动,叠加，所以电流密度是恒定,第77页,散射原因,载流子在半导体内发生撒射,根本原因,是,周期性势场遭到破坏,附加势场,使得能带中电子在不一样 状态间跃迁，并使得载流子运动速度及方向均发生改变，发生散射行为。,第78页,电离杂质散射,杂质电离带电离子破坏了杂质附近周期性势场，它就是使载流子散射附加势场,散射概率 代表单位时间内一个载流子受到散射次数,电离施主散射,电离受主散射,第79页,晶格振动散射,格波,形成原子振动基本波动,格波波矢,对应于某一,q,值格波数目不定，一个晶体中,格波总数取决于原胞中所含原子数,Si,、,Ge,半导体原胞含有两个原子，对应于每一个,q,就有六个不一样格波，频率,低,三,个格波称为声,学波,，频率,高,三,个为,光学波,长声学波（声波）振动,在散射前后电子能量基本不变，称为,弹性散射,；,光学波振动,在散射前后电子能量有较大改变，称为,非弹性散射,第80页,晶格振动散射,声学波散射,在能带含有单一极值半导体中起主要散射作用是长波,在长声学波中，只有纵波在散射中起主要作用，它会引发能带波形改变,声学波散射概率,光学波散射,在低温时不起作用，伴随温度升高，光学波散射概率快速增大,第81页,与 关系,N,个电子以速度 沿某方向运动，在 时刻未遭到散射电子数为 ，则在 时间内被散射电子数为,所以,第82页,与 关系,上式解为,则 被散射电子数为,第83页,与 关系,在 时间内被散射全部电子自由时间为 ，这些电子自由时间总和为,，则 个电子平均自由时间可表示为,第84页,、与 关系,平均漂移速度为,第85页,、与 关系,N,型半导体,P,型半导体,本征半导体,第86页,与 及 关系,电离杂质散射,声学波散射,光学波散射,第87页,与 及 关系,电离杂质散射,声学波散射,光学波散射,第88页,影响迁移率原因,与散射相关,晶格散射,电离杂质散射,第89页,N,型半导体,P,型半导体,本征半导体,电阻率,第90页,电阻率与掺杂关系,N,型半导体,P,型半导体,第91页,电阻率与温度关系,本征半导体,本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降,杂质半导体,（区分于金属）,第92页,速度饱和,在低电场作用下，载流子在半导体中平均漂移速度,v,与外加电场强度,E,呈线性关系；伴随外加电场不停增大，二者呈非线性关系，并最终平均漂移速度到达一饱和值，不随,E,改变。,n-Ge:,第93页,半导体中电子状态,半导体中杂质和缺点能级,半导体中载流子统计分布,半导体导电性,非平衡载流子,pn,结,金属和半导体接触,半导体表面与,MIS,结构,半导体物理学,第94页,平衡载流子,在某以热平衡状态下载流子称为平衡载流子,非简并半导体处于热平衡状态判据式,（只受温度,T,影响）,第95页,因为受外界原因如光、电作用，半导体中载流子分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布载流子为过剩载流子，也称为非平衡载流子,过剩载流子,非平衡载流子光注入,第96页,平衡载流子满足费米狄拉克统计分布,过剩载流子不满足费米狄拉克统计分布,且公式,不成立,载流子产生和复合：电子和空穴增加和消失过程,过剩载流子,第97页,过剩载流子和电中性,平衡时 过剩载流子,电中性：,第98页,小注入条件,小注入条件,：注入非平衡载流子浓度比平衡时多数载流子浓度小多,N,型材料,P,型材料,第99页,非平衡载流子寿命,假定光照产生 和 ，假如光突然关闭，和 将随时间逐步衰减直至,0,，衰减时间常数称为寿命,，,也常称为少数载流子寿命,单位时间内非平衡载流子复合概率,非平衡载流子复合率,第100页,复合,n,型材料中空穴,当 时，故寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值,1/e,所经历时间；寿命越短，衰减越快,第101页,费米能级,热平衡状态下非简并半导体中有统一费米能级,统一费米能级是热平衡状态标志,第102页,准费米能级,当半导体热平衡状态被打破时，新热平衡状态可经过,热跃迁,实现，但导带和价带间热跃迁较稀少,导带和价带各自处于平衡态，所以存在导带费米能级和价带费米能级，称其为“,准费米能级,”,第103页,准费米能级,注：非平衡载流子越多，准费米能级偏离 就越远。,在非平衡态时，普通情况下，少数载流子准费米能级偏离费米能级较大,第104页,准费米能级,注：两种载流子准费米能级偏离情况反应了半导体偏离热平衡状态程度,第105页,产生和复合,产生,电子和空穴（载流子）被创建过程,产生率（,G,）,：单位时间单位体积内所产生电子,空穴对数,复合,电子和空穴（载流子）消失过程,复合率（,R,）,：单位时间单位体积内复合掉电子,空穴对数,产生和复合会改变载流子浓度，从而间接地影响电流,第106页,复合,直接复合 间接复合,Auger,复合,（禁带宽度小半导体材料）,（窄禁带半导体及高温情况下）,（含有深能级杂质半导体材料）,第107页,产生,直接产生,R-G,中心产生 载流子产生,与碰撞电离,第108页,陷阱效应,当半导体处于非平衡态时，杂质能级含有积累非平衡载流子作用，即含有一定,陷阱效应,全部杂质能级都含有陷阱效应,含有显著陷阱效应杂质能级称为,陷阱,；对应杂质和缺点称为,陷阱中心,杂质能级与平衡时费米能级重合时，最有利于陷阱作用,第109页,扩散,粒子从高浓度向低浓度区域运动,第110页,扩散电流,第111页,半导体内总电流,扩散,+,漂移,第112页,扩散系数和迁移率关系,考虑非均匀半导体,第113页,爱因斯坦关系,在平衡态时，净电流为,0,第114页,连续性方程,第115页,半导体中电子状态,半导体中杂质和缺点能级,半导体中载流子统计分布,半导体导电性,非平衡载流子,pn,结,金属和半导体接触,半导体表面与,MIS,结构,半导体物理学,第116页,PN,结杂质分布,PN,结是同一块半导体晶体内,P,型区和,N,型区之间边界,PN,结是各种半导体器件基础，了解它工作原理有利于更加好地了解器件,经典制造过程,合金法,扩散法,第117页,PN,结杂质分布,下面两种分布在实际器件中最常见也最轻易进行物理分析,突变结,:,线性缓变结,:,浅结、重掺杂（,3um,）,或外延,PN,结,第118页,PN,结形成,第119页,PN,结中能带,PN,第120页,内建电势,第121页,内建电势,PN,结内建电势决定于掺杂浓度,N,D,、,N,A,、材料禁带宽度以及工作温度,第122页,能带,内建电势,电场,第123页,V,A,0,条件下突变结,外加电压全部降落在耗尽区，,V,A,大于,0,时，使耗尽区势垒下降，反之上升。即耗尽区两侧电压为,V,bi,-V,A,第124页,反偏,PN,结,反偏电压能改变耗尽区宽度吗？,第125页,准费米能级,第126页,理想二极管方程,PN,结正偏时,第127页,理想二极管方程,PN,结反偏时,第128页,耗尽层边界,P,型一侧,P,N,第129页,耗尽层边界,(,续,),N,型一侧,耗尽层边界处非平衡载流子浓度与,外加电压相关,第130页,PN,结电流,第131页,PN,结电流与温度关系,第132页,空间电荷区产生与复合,正向有复合电流,反向有产生电流,第133页,空间电荷区产生与复合,-1,反向偏置时,正向偏置时,计算比较复杂,V,A,愈低，,I,R-G,愈是起支配作用,第134页,V,A,V,bi,时大电流现象,串联电阻效应,q/kT,Log(I),V,A,第135页,V,A,V,bi,时大电流现象,-1,大注入效应,大注入是指正偏工作时注入载流子密度等于或高于平衡态多子密度工作状态。,p,n,n,no,第136页,V,A,V,bi,时大电流现象,-2,第137页,V,A,V,bi,时大电流现象,-3,V,A,越大,电流上升变缓,第138页,反向击穿,电流急剧增加,可逆,雪崩倍增,齐纳过程,不可逆,热击穿,第139页,雪崩倍增,第140页,齐纳过程,产生了隧穿效应,E,隧道穿透几率,P,：,隧道长度,:,隧道击穿,:,V,B,6E,g,/q,第141页,PN,结二极管等效电路,小信号加到,PN,结上,+-,v,a,V,A,+-,P,N,Rs,G,C,第142页,反向偏置结电容,也称势垒电容或过渡区电容,第143页,反向偏置结电容,-1,第144页,反向偏置结电容,-2,耗尽近似下线性缓变结空间电荷区电荷总量,第145页,参数提取和杂质分布,CV,测量系统,V,A,1/C,2,V,bi,第146页,扩散电容,第147页,扩散电容,-1,表现为电容形式,第148页,扩散电容,-2,扩散电容与正向电流成正比,第149页,半导体中电子状态,半导体中杂质和缺点能级,半导体中载流子统计分布,半导体导电性,非平衡载流子,pn,结,金属和半导体接触,半导体表面与,MIS,结构,半导体物理学,第150页,金属和半导体接触,金属和半导体功函数,第151页,金属和半导体接触,金属和半导体接触,第152页,整流理论,金属和,N,型半导体接触,第153页,扩散理论,对于,N,型阻挡层，当势垒宽度比电子平均自由程大地多时，电子经过势垒区要发生屡次碰撞，这么阻挡层称为厚阻挡层。,扩散理论适合用于厚阻挡,第154页,肖特基势垒二极管与二极管比较,相同点,单向导电性,不一样点,正向导通时，,pn,结正向电流由少数载流子扩散运动形成，而肖特基势垒二极管正向电流由半导体多数载流子发生漂移运动直接进入金属形成，因今后者比前者含有更加好高频特征,肖特基势垒二极管势垒区只存在于半导体一侧,肖特基势垒二极管含有较低导通电压，普通为,0.3V,，,pn,结普通为,0.7V,第155页,欧姆接触,欧姆接触,不产生显著附加阻抗，而且不会使半导体内部平衡载流子浓度发生显著改变，为非整流接触,若 ，金属和,n,型半导体接触可形成反阻挡层；时，金属和,p,型半导体接触也能形成反阻挡层，反阻挡层没有整流作用，可实现欧姆接触,实际生产中利用,隧道效应,原理，把半导体一侧重掺杂形成,金属,n+n,或,金属,p+p,结构，从而得到理想欧姆接触,第156页,半导体中电子状态,半导体中杂质和缺点能级,半导体中载流子统计分布,半导体导电性,非平衡载流子,pn,结,金属和半导体接触,半导体表面与,MIS,结构,半导体物理学,第157页,MIS,结构,第158页,能带图,第159页,能带图,-1,无偏压时,MOS,结构中因为功函数差引发表面能带弯曲,第160页,第161页,MIS,结构,理想情况,金属与半导体间功函数差为零,绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电,绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态,第162页,积累,第163页,耗尽,第164页,耗尽,-1,（边界条件）,第165页,反型,第166页,反型,-1,耗尽层电荷,:,第167页,外加偏置,第168页,Q,s,s,s,=0,Qs=0,=0,flat band,s,0,accumulation,s,0,Qs0,Qs2,F,Strong inversion,第169页,MIS,结构基本公式,第170页,MOS,结构基本公式,-1,总电势差,:,第171页,平带,第172页,Flat Band Voltage,第173页,MIS,电容,第174页,MIS,电容,电容定义,:,第175页,MIS,电容,-2,积累态,:,耗尽态,:,第176页,MIS,电容,-3,反型,第177页,试验结果,第178页,深耗尽,从耗尽扫描到反型时,需要少子,第179页,