半导体物理基础省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

Chap1 半导体物理基础1第1页1.2 能带一、能带形成能级：电子所处能量状态。当原子结合成晶体时，原子最外层价电子实际上是被晶体中全部原子所共有，称为共有化。共有化造成电子能量状态发生改变，产生了密集能级组成准连续能带-能级分裂。2第2页1.2 能带右图为硅晶体原子间相互作用示意图sisisisisisisisisi3第3页1.2 能带二、能带结构与原子间距关系伴随原子间距缩小，能带结构发生改变依次为各能级分立、出现能级分裂、合并为一个能带、再次出现能级分裂等过程。在“实际硅晶体原子间距”位置，共分裂为两个能带，较低能带被价电子填满，较高能带是空。4第4页1.2 能带出现能级分裂合并为一个能带实际硅晶体原子间距价带导带5第5页1.2 能带三、简化能带结构图1-3导带：接收被激发电子（对于半导体）价带：通常被价电子填满（对于半导体）EC：导带底能量EV：价带顶能量EG：禁带宽度，是打破共价键所需最小能量，是材料特有主要特征。6第6页1.3 有效质量有效质量m*：考虑了晶格对于电子运动影响并对电子静止质量进行修正后得到值。7第7页1.4导带电子和价带孔穴1、金属、半导体和绝缘体区分空带、满带和不满带能带理论提出：一个晶体是否含有导电性，关键在于它是否有不满能带存在。在常温下，半导体价电子填满价带，只有少许电子离开价带形成不满带，才能实现导电8第8页1.4导带电子和价带孔穴按照能带被电子填充情况来分析金属、半导体和绝缘体：金属：被电子填充最高能带是不满，而且能带中电子密度很高，所以金属有良好导电性。绝缘体和半导体：在绝对零度时，被电子占据最高能带是满，没有不满能带存在。所以不能导电。9第9页1.4导带电子和价带孔穴绝缘体禁带很宽，即使温度升高，电子也极难从满带激发到空带，所以极难导电。半导体禁带较窄，在一定温度下，电子轻易从满带激发到空点，形成不满带，从而导电。10第10页1.4导带电子和价带孔穴价带：绝对0度条件下，半导体最上面满带被价电子填充，称为价带。导带：绝对0度条件下，价带上面空带能够接收从满带激发来电子，从而能够导电，所以也称为导带。禁带宽度：电子从价带激发到导带所需要最小能量。11第11页1.4导带电子和价带孔穴禁带宽度区分了绝缘体和半导体；而禁带有没有是导体和半导体、绝缘体之间区分；绝缘体是相正确，不存在绝正确绝缘体。导体含有任何温度下电子部分填满导带。图1-5：不一样导电性物质电子填充能带情况。12第12页1.4导带电子和价带孔穴半导体导电过程：电子受到外界条件激发（如温度），取得能量，抵达导带，从而形成不满带。半导体电导率受温度影响很大。13第13页1.4导带电子和价带孔穴2、空穴价带顶附近一些电子被激发到导带后，留下一些空状态，称为空穴。半导体中参加导电有：导带中电子和价带中空穴，二者统称为载流子。价带顶附近存在少许空穴问题，和导带底附近存在少许电子问题，十分相同。14第14页1.5 硅、锗、砷化镓能带结构P18，图1.6和图1.7在300K禁带宽度：硅：1.12eV 锗：0.67eV 砷化镓：1.43eV1.6杂质能级为了改进半导体导电性，通常会加入适当杂质，在禁带中引入对应杂质能级。15第15页1.6杂质能级在实际半导体材料中，总是不可防止存在各种类型缺点。为了改进半导体导电性，通常会加入适当杂质。在禁带中引入对应杂质能级和缺点能级。16第16页1.6杂质能级硅四面体结构，每个小棒代表了一个共价键。杂质以替位方式掺入硅晶体中。17第17页1.6杂质能级1、施主杂质和施主能级（N型半导体）族杂质元素中最通用是磷。磷原子在取代原晶体结构中原子并组成共价键时，多出第五个价电子很轻易摆脱磷原子核束缚而成为自由电子。这个电子能够进入导带，称为导带电子。如图1.8所表示18第18页1.6杂质能级施主Donor，掺入半导体杂质原子向半导体中提供导电电子。当电子被束缚在施主杂质周围时，施主杂质称为中性施主；失去电子之后施主杂质称为电离施主。掺入施主杂质半导体为N（Negative）型半导体。施主杂质浓度记为ND。19第19页1.6杂质能级电离施主提供了一个局域化电子态，对应能级称为施主能级Ed。因为电子从施主能级激发到导带所需要能量杂质电离能很小，所以失主能级位于导带底之下，并距离很近。20第20页1.6杂质能级施主电离能：导带底和施主能及之间能量间隔，称为施主电离能EI。在只有施主杂质半导体中，在温度较低时，价带中能够激发到导带电子极少，起导电作用主要是从施主能级激发到导带电子。21第21页1.6杂质能级2、受主杂质和受主能级（P型半导体）族杂质元素中最通用是硼。硼原子在取代原晶体结构中原子并组成共价键时，将因缺乏一个价电子而形成一个空穴，于是半导体中空穴数目大量增加。22第22页1.6杂质能级Acceptor，掺入半导体杂质原子向半导体中提供导电空穴，并成为带负电离子。掺入受主杂质半导体为P（Positive）型半导体。施主杂质浓度记为NA。23第23页1.6杂质能级受主接收电子称为受主杂志，提供了一个局域化电子态，对应能级称为受主能级Ea。受主杂质很轻易从价带接收一个电子受主电离能很小，所以受主能级位于价带之上，并距离很近。24第24页1.6杂质能级受主杂质电离另外一个表述：把中性受主杂质看成带负电硼离子在它周围束缚一个带正点空穴，把受主杂质从价带接收一个电子电离过程，看做被硼离子束缚空穴被激发导带过程。这种说法与施主杂质把束缚电子激发到导带电离过程完全类似。25第25页1.6杂质能级半导体中同时掺有受主和施主杂质，因为受主能级比施主能级低得多，施主能级上电子首先要去填充受主能级，使施主向导带提供电子能力和受主向价带提供空穴能力相互抵消而减弱，称为杂质赔偿。此时半导体类型由浓度较大杂质决定。26第26页1.7载流子统计分布研究载流子分布两个问题：状态密度和载流子占据这些状态概率。1.7.1 状态密度：单位体积中每单位能量间隔有效电子状态平均数目。能带是无数个能级“压缩”而成，而且能带是量子化，所以在这个能量范围必定有一定数量能级（轨道）存在。27第27页1.7载流子统计分布假设单位体积导带电子状态数为NC，且都集中在导带底，则导带电子密度恰好为上述表示式，所以称NC为导带有效状态密度。导带状态密度：1-7-4价带状态密度：1-7-7状态密度随能量改变：28第28页1.7载流子统计分布1.7.2 费米分布函数与费米能级热平衡状态下，一个能量为E电子态被电子占据概率为称为费米分布函数。说明每个电子态被电子占据概率随能量E改变29第29页1.7载流子统计分布K为波尔兹曼常数，T为绝对温度。室温下（300K）为0.0258ev。EF为费米能级：被电子占据概率为1/2是反应电子在各个能级中分布情况参数；费米能级高，说明电子占据高能级概率大；费米能及是电子填充能级水平高低标志30第30页1.7 载流子统计分布费米能级随温度以及杂质种类和多少改变而改变；热平衡系统费米能及恒定对应，能量为E量子态未被电子占据，既被空穴占据概率为31第31页1.7载流子统计分布对于E-EFKT能级，对于E-EFKT能级，称为经典玻尔兹曼分布。32第32页1.7.3 能带中电子和空穴浓度1、导带电子浓度其中称为导带有效状态密度33第33页1.7.3能带中电子和空穴浓度2、价带空穴浓度其中称为价带有效状态密度34第34页1.7.3能带中电子和空穴浓度导带电子浓度和价带空穴浓度之积式中Eg为禁带宽度。与温度相关，能够把它写成经验关系式其中 为禁带宽度温度系数，Eg0为0K时Eg值。35第35页1.7.3能带中电子和空穴浓度化简后得到其中K1为常数结论：在温度已知半导体中，热平衡情况下，np之积只与状态密度和禁带宽度相关，而与杂质浓度和费米能级位置无关。36第36页1.7.4本征半导体本征半导体：没有杂质和缺点半导体。未激发时，价电子全部位于价带。本征激发：温度升高时，价电子冲破共价键束缚抵达导带。电子-空穴对：n=p，称为电中性条件。得到本征费米能级，近似为禁带中央能量，称为Ei。37第37页1.7.4本征半导体本征载流子浓度ni和pi：称为质量作用定律。在非本征半导体情况下一样适用。在热平衡情况下，已知ni和一个载流子浓度，能够求得另外一个载流子浓度38第38页1.7.4本征半导体也能够把电子和空穴浓度写成下面形式：1-7-14和1-7-17比1-7-28和1-7-29更惯用。39第39页1.7.5只有一个杂质半导体1、N型半导体载流子起源包含两个过程：本征激发和杂质电离在低温条件下：杂质电离为主在高温条件下：本征激发为主杂质饱和电离：杂质基本上全部电离，而本征激发能够忽略。40第40页1.7.5只有一个杂质半导体在杂质饱和电离温度范围内，导带电子浓度等于施主浓度价带空穴浓度为载流子浓度关系：电子浓度与施主浓度近似，远大于本征载流子浓度，空穴浓度远小于本征载流子浓度。41第41页1.7.5只有一个杂质半导体N型半导体：导带电子为多子，价带空穴为少子。两种载流子浓度相差非常悬殊N型半导体在饱和电离下费米能级结论：N型半导体费米能级位于导带底之下，本征费米能级之上，且施主浓度越高，越靠近导带底；温度升高，费米能级远离导带底。42第42页1.7.5只有一个杂质半导体2、P型半导体在杂质饱和电离温度范围内有：导带电子浓度为：费米能级为43第43页1.7.5只有一个杂质半导体结论：对于P型半导体，在杂质饱和电离温度范围之内，费米能级位于价带顶之上，本征费米能级之下。伴随掺杂浓度提升，费米能级靠近价带顶；伴随温度升高，费米能级远离价带顶。温度对费米能级影响：伴随温度升高，载流子分布越来越靠近于本征激发情况，使得费米能级越来越靠近本征费米能级。44第44页1.7.6杂质赔偿半导体前提条件：杂质全部电离。在 半导体中，导带电子浓度为：价带空穴浓度为：45第45页1.7.6杂质赔偿半导体费米能级为46第46页1.7.6杂质赔偿半导体在 半导体中，价带空穴浓度为：导带电子浓度为费米能级为47第47页1.7.6杂质赔偿半导体若 ，则全部赔偿，能带中载流子只能由本征激发产生，称为完全赔偿半导体。若温度远高于饱和电离温度后，本征激发为主，则满足n=p，称为杂质半导体进入本征激发。此时全部本征情况下公式都适用。48第48页1.7.7简并半导体非简并半导体：费米能级位于禁带之中，费米分布函数能够用波尔兹曼分布函数来近似简并半导体：费米能级靠近或进入能带，不能使用波尔兹曼分布函数，而必须使用费米分布函数来分析能带中载流子统计分布问题49第49页1.8载流子散射散射：载流子在其热运动过程中，不停与晶格、杂质、缺点等发生碰撞，无规则改变其运动方向。这种碰撞现象通常称为散射。漂移：因为电场作用，产生载流子沿电场方向运动，称为漂移。漂移是规则，是引发电荷运动原因。50第50页1.8.2 载流子散射过程平均自由时间：两次散射之间载流子存活（未被散射）平均时间平均自由时间为散射几率倒数。载流子迁移率大小与平均自由时间相关，即载流子在运动过程中遭受散射情况起着很大作用。51第51页1.8.2 载流子散射过程散射使载流子做无规则运动，造成热平衡状态确实立。因为各个方向运动载流子都存在，它们对电流贡献彼此抵消，所以在半导体中并没有电流流动。52第52页1.9 电荷输运现象在有外电场存在时，载流子将做漂移运动。假如存在浓度梯度，还将做扩散运动漂移和扩散运动将引发电荷输运53第53页1.9.1 漂移运动 迁移率和电导率载流子运动规律：散射（无规则运动）沿电场方向加速散射平均弛豫时间：为平均自由运动时间。54第54页1.9.1 漂移运动 迁移率和电导率电子和空穴迁移率分别写为：所以迁移率与电子自由运动时间和有效质量相关。迁移率物理意义：在单位电场强度电场作用下，载流子所取得漂移速度绝对值。描述载流子在电池中做漂移运动难易程度55第55页1.9.1 漂移运动 迁移率和电导率对于硅，温度升高，迁移率下降给定温度：迁移率随杂质浓度增加而下降。弛豫时间：反应了散射对载流子作用散射概率：为弛豫时间倒数对掺杂样品：电子迁移率随温度上升而增加56第56页1.9.1 漂移运动 迁移率和电导率电导率：衡量载流子导电性N型和P型半导体电导率分别为：当半导体中电子和空穴同时起作用情况下。电导率为二者之和57第57页1.9.2 扩散运动和扩散电流扩散：载流子因浓度不均匀而发生从浓度高点向浓度低点运动。扩散流密度：由扩散运动引发单位时间垂直经过单位面积载流子数。扩散流密度为：负号表示载流子向浓度低地方流动58第58页1.9.2 扩散运动和扩散电流Dp和Dn称为扩散系数，和 称为浓度梯度。载流子扩散运动与浓度无关，仅与浓度梯度相关。空穴扩散电流密度为电子扩散电流密度为59第59页1.9.3流密度、电流密度和电流方程载流子运动是扩散和漂移运动总和。电流密度分别为（称为载流子运输方程）60第60页1.10非均匀半导体中自建场1、半导体中静电场和势电场与静电势关系：电势与电子势能关系：61第61页1.10非均匀半导体中自建场费米势：当电子占据费米能级时所含有电势于是有（以静电势表示载流子浓度）VT称为半导体热电势62第62页1.10非均匀半导体中自建场在热平衡状态下，费米势为常数，通常作为零电势基准，则有以静电势表示载流子浓度63第63页1.10非均匀半导体中自建场2、爱因斯坦关系依据热平衡时半导体中总电流为0，得到爱因斯坦关系式反应了扩散系数和迁移率关系。在非热平衡状态下也成立。64第64页1.11非平衡载流子热平衡：在一定温度下没有外力和激发作用稳定态。载流子运输现象中，外加电场作用只是改变了载流子在一个能带中能级之间分布，并没有引发电子在能带之间跃迁。非平衡：在外力作用下，产生了载流子在能带间跃迁。65第65页1.11非平衡载流子过剩载流子（非平衡载流子）：半导体偏离平衡状态后，因为产生了载流子在能带之间跃迁，载流子浓度比平衡态显著增多，多出那部分载流子称为非平衡载流子，也称为过剩载流子。电注入；光注入66第66页1.11非平衡载流子在非平衡状态，不再成立。产生非平衡载流子浓度分别表示为而且非平衡多子或过量多子；非平衡少子或过量少子67第67页1.11非平衡载流子小注入：假如所产生过剩载流子浓度与热平衡多数载流子浓度相比是很小（）则多子浓度基本不变，而少子浓度等于注入过剩载流子浓度，称为小注入。对N型半导体：68第68页1.11非平衡载流子大注入大注入：假如所产生过剩载流子浓度与热平衡多数载流子浓度相比拟，称为大注入。载流子复合复合：当外界作用撤出后，因为半导体内部作用，非平衡载流子将逐步消失，称为非平衡载流子复合。非平衡载流子复合是非平衡态向平衡态一个弛豫过程弛豫过程。69第69页1.11非平衡载流子即使在平衡半导体中，复合和产生同时存在，一定条件下到达平衡。载流子产生率产生率：单位时间单位体积内产生电子空穴对数。有外力作用时占主导。载流子复合率复合率：单位时间单位体积内复合电子空穴对数。撤消外力作用时占主导。70第70页1.11非平衡载流子在单位时间内，因为多子与少子复合而引发非平衡载流子浓度降低与非平衡载流子浓度成百分比，引入百分比系数 。单位时间内每个非平衡载流子被复合掉概率。净复合率：单位时间单位体积内被复合掉非平衡载流子数（非平衡载流子复合率）71第71页1.11非平衡载流子非平衡载流子浓度随时间按指数规律衰减。是反应衰减快慢时间常数，标志着非平衡载流子在复合前平均存在时间，通常称为非平衡载流子寿命。72第72页1.11非平衡载流子 越大，非平衡载流子衰减越慢。寿命是半导体材料质量主要参数之一。硅和锗非平衡载流子寿命长，而砷化镓寿命短。73第73页1.12准费米能级在非热平衡状态，费米能级不再有意义，电子和空穴浓度需要用电子和空穴准费米能级表示，分别为 和 。74第74页1.12准费米能级 和 分别为对应准费米势。电子和空穴浓度之积为:由1-12-1看出，伴随注入增加，越靠近导带底 ，有1-12-2看出，伴随注入增加 移向价带顶 。75第75页1.12准费米能级修正后欧姆定律其中 和 称为电子和空穴等效电导率。包含了漂移和扩散综合效应。76第76页1.12准费米能级从修正欧姆定律能够看出，费米能级恒定（即 ）是电流为零条件。处于热平衡半导体，费米能级恒定。或者说，热平衡系统含有统一费米能级。77第77页1.13复合机制带间复合：失去能量导电电子直接“跳入”价带空穴，造成一对载流子消失，称为带间复合，也称为直接复合。复合中心：晶体中一些杂质和缺点，它们在禁带中引入离导带底和价带顶都比较远局域化能级，即复合中心能级。间接复合：经过复合中心复合。电子跃迁到复合中心能级，然后再跃迁到价带空穴，造成一对载流子消失。78第78页1.13复合机制复合率（产生率）：单位时间，单位体积半导体中复合掉（产生）电子空穴对数，复合率能够表示为其中r称为概率系数或复合系数，只与温度相关。产生率与n和p无关，等于热平衡时产生率。79第79页1.13复合机制对于本征半导体和N型P型半导体有上述公式条件：小注入、杂质饱和电离80第80页1.13复合机制结论：在掺杂半导体中，非平衡少子寿命比在本征半导体中短；和多子浓度成反比，即与杂质浓度成反比；样品电导率越高，非平衡少子寿命越短。81第81页1.15半导体中基本控制方程1、连续性方程（1-15-5和1-15-6）82第82页1.15半导体中基本控制方程前面已经分别考虑了载流子运动，如漂移、扩散和产生复合。当这些运动同时发生时，采取连续性方程来描述载流子运动。得到电子和空穴恒定电场连续性运输方程分别为（其中各项分别代表扩散、漂移和产生、复合）83第83页1.15半导体中基本控制方程2、泊松方程（电势与电荷密度、载流子浓度关系。1-15-5，1-15-6、1-9-26、1-9-27、1-15-12组成半导体中基本控制方程。当给定边界条件时，这些方程将给出确定电荷分布、电流分布和电场分布。84第84页本章小结一、能带理论能带形成、结构：导带、价带、禁带导体、半导体、绝缘体能带结构特点导电前提：不满带存在二、掺杂半导体两种掺杂半导体能级结构。85第85页本章小结三、载流子统计分布费米函数、费米能级公式1-7-11和1-7-12质量作用定律，只用于本征半导体（1-7-27）用费米能级表示载流子浓度：公式1-7-28和1-7-29杂质饱和电离杂质半导体费米能级位置：公式1-7-32和1-7-33。意义。86第86页本章小结四、载流子运输载流子运动模式：散射漂移散射迁移率，物理意义。电导率，是迁移率函数。载流子运输方程：1-9-241-9-27费米势87第87页本章小结以静电势表示载流子浓度1-10-6、1-10-7或1-10-9、1-0-10五、非平衡载流子概念：平衡与非平衡；过剩载流子大注入和小注入产生率、复合率、净复合率非平衡载流子寿命88第88页本章小结准费米能级1-12-1、1-12-2修正后空穴和电子电流方程1-12-5、1-12-6电子和空穴等效电导率直接复合、间接复合非平衡少子寿命与本征半导体关系基本控制方程：1-15-5，1-15-6、1-9-26、1-9-27、1-15-1289第89页