半导体器件物理之半导体材料省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理半导体器件物理第1页参参 考考 书书S.M.Sze,Physics of Semiconductor Devices,Second Edition,Jahn Wiley&Sons,Inc.1981.施敏施敏 著著,黄振岗译黄振岗译,半导体器件物理，电半导体器件物理，电子工业出版社子工业出版社,1987.王家骅等编著，半导体器件物理，科学出王家骅等编著，半导体器件物理，科学出版社，北京，版社，北京，1983。施敏施敏(S.M.Sze)主编，当代半导体器件物理主编，当代半导体器件物理，科学出版社，北京，。，科学出版社，北京，。第2页主主 要要 内内 容容l第一章第一章 半导体物理基础半导体物理基础晶体结构，能带论，晶格振动，半导体统计，晶体结构，能带论，晶格振动，半导体统计，非平衡载流子输运非平衡载流子输运,器件工作基本方程器件工作基本方程l第二章第二章 半导体接触半导体接触P-N结结异质结异质结金属金属-半导体接触半导体接触半导体绝缘体半导体绝缘体 M I S第3页l第三章第三章 经典半导体器件经典半导体器件3.1 3.1 双极结型晶体管双极结型晶体管基本工作原理，输出特征，等效电路，异质结双极晶体管基本工作原理，输出特征，等效电路，异质结双极晶体管(HBT)(HBT)3.2 3.2 场效应晶体管场效应晶体管结型场效应晶体管结型场效应晶体管,MOSFET,MOSFET基本工作原理和电荷控制模型基本工作原理和电荷控制模型,C-,C-MOSMOS器件基本工作原理器件基本工作原理,异质结场效应晶体管异质结场效应晶体管,非晶薄膜晶体管非晶薄膜晶体管3.3 3.3 光电子器件光电子器件LEDLED和半导体激光器和半导体激光器,光探测器光探测器,太阳能电池太阳能电池,集成光电子学集成光电子学3.4 3.4 专用微波器件专用微波器件隧道二级管隧道二级管,IMPATT,IMPATT器件器件,体效应器件体效应器件l第四章第四章 新型半导体器件新型半导体器件超晶格器件，共振隧道器件，其它新型半导体超晶格器件，共振隧道器件，其它新型半导体主主 要要 内内 容容第4页第一章第一章 半导体物理基础半导体物理基础1.1 半导体材料半导体材料1.2 晶体结构晶体结构1.3 能带能带1.4 热平衡时载流子浓度热平衡时载流子浓度1.5 载流子输运载流子输运1.6 半导体声子谱以及光学、热学和高场性质半导体声子谱以及光学、热学和高场性质1.7 半导体器件工作基本方程半导体器件工作基本方程Ch1Ch1Ch1Ch1第5页1.11.11.11.11.1 1.1 1.1 1.1 半导体材料半导体材料半导体材料半导体材料固体材料依据导电性能可分为：绝缘体、半导体和导体固体材料依据导电性能可分为：绝缘体、半导体和导体绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体：熔凝石英、玻璃：熔凝石英、玻璃 ：1010-18-18-10-10-8-8 S/cm S/cm半导体：半导体：半导体：半导体：硅、砷等，硅、砷等，介介于于绝绝缘缘体体与与导导体体之之间间，且且对对温温度度、光光照照、磁磁场场及及杂杂质质原原子子等等敏敏感感电电子子应应用用领领域中最主要材料之一。域中最主要材料之一。导体：导体：导体：导体：铝、银等，铝、银等，：104-106 S/cm第6页绝缘体、半导体和导体电导率经典范围。绝缘体、半导体和导体电导率经典范围。第7页周期表中与半导体相关部分周期表中与半导体相关部分周期周期周期周期IIII族族族族IIIIII族族族族IVIV族族族族V V族族族族VIVI族族族族2 2B B硼硼硼硼C C碳碳碳碳N N氮氮氮氮3 3MgMg镁镁镁镁AlAl铝铝铝铝SiSi硅硅硅硅P P磷磷磷磷S S硫硫硫硫4 4ZnZn锌锌锌锌GaGa镓镓镓镓GeGe锗锗锗锗AsAs砷砷砷砷SeSe硒硒硒硒5 5CdCd镉镉镉镉InIn铟铟铟铟SnSn锡锡锡锡SbSb锑锑锑锑TeTe碲碲碲碲6 6HgHg汞汞汞汞PbPb铅铅铅铅第8页1.11.1元素与化合物半导体元素与化合物半导体元素元素元素元素IV-IVIV-IV族族族族化合物化合物化合物化合物III-VIII-V族族族族化合物化合物化合物化合物II-VIII-VI族族族族化合物化合物化合物化合物IV-VIIV-VI族族族族化合物化合物化合物化合物Si60年代初年代初Ge50年代初年代初SiCAlAs AlSbBN GaAsGaP GaSbInAs InPInSbCdS CdSeCdTe ZnS ZnSeZnTePbSPbTel绝大绝大多数多数半导半导体器体器件都件都是用是用硅材硅材料制料制作作微波、光电微波、光电器件器件主要用来制作主要用来制作微光电器件，微光电器件，红外器件和光红外器件和光电池。电池。第9页1.11.11.11.1半导体材料半导体材料形态形态非晶非晶多晶多晶晶体晶体非晶态半导体：非晶态半导体：原子排列长程无序，有一些非晶材料常态下是绝缘体或高阻原子排列长程无序，有一些非晶材料常态下是绝缘体或高阻体，但在到达一定值外界条件体，但在到达一定值外界条件(如电场、光、温度等如电场、光、温度等)时，展现出时，展现出半导体电性能，称之为非晶态半导体材料。开关元件、记忆元件、半导体电性能，称之为非晶态半导体材料。开关元件、记忆元件、固体显示、热敏电阻和太阳能电池等。固体显示、热敏电阻和太阳能电池等。晶体：晶体：原子有规律排列，含有确定晶体结构，各向异性。原子有规律排列，含有确定晶体结构，各向异性。多晶：多晶：由大晶粒和晶界组成，也可能包含部分非晶由大晶粒和晶界组成，也可能包含部分非晶,保留了单晶基保留了单晶基本性质，总体性质上表现出各向同性。本性质，总体性质上表现出各向同性。第10页半导体材料半导体材料制备制备从熔体中制备从熔体中制备Growth from melt：Czochralski（提拉法）（提拉法）:利用子晶生长利用子晶生长Slice boule into wafers:Zone refining:外延生长外延生长Epitaxial growth:CVD、PVD方法方法(非晶薄膜非晶薄膜）：）：晶体晶体晶体晶体Vapor phase Epitaxy MBE Liquid-phase epitaxy 1.11.1第11页1.2 1.2 晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构-单晶半导体材料单晶半导体材料单晶半导体材料单晶半导体材料1.21.2晶体中原子周期性排列称为晶格，整个晶格能够用晶体中原子周期性排列称为晶格，整个晶格能够用单胞单胞来描述，来描述，重复重复单胞单胞能够形成整个晶格。能够形成整个晶格。三种立方晶体三种立方晶体单胞单胞简单立方简单立方 Cubic(P Mn)体心立方体心立方 bccBody center(Na,W,etc)面心立方面心立方 fcc(Al,Au,etc)xzyaxzyaxzya第12页1.21.2金刚石结构金刚石结构，属立方晶系，属立方晶系，由两个面心立方子晶格相互由两个面心立方子晶格相互嵌套而成。嵌套而成。硅，锗，硅，锗，每个原子有四个最每个原子有四个最近邻。近邻。闪锌矿结构闪锌矿结构，两种元素，两种元素，GaAs,GaP等等第13页纤锌矿结构纤锌矿结构，CdS,ZnS 化合物半导体两种单胞化合物半导体两种单胞岩盐结构岩盐结构，PbS,PbTe 选择单胞规则：选择单胞规则：选择单胞规则：选择单胞规则：1 1）对称性与整个晶体对称性一致，）对称性与整个晶体对称性一致，）对称性与整个晶体对称性一致，）对称性与整个晶体对称性一致，2 2）直角最多，）直角最多，）直角最多，）直角最多，3 3）体积最小）体积最小）体积最小）体积最小晶体学单胞或惯用单胞晶体学单胞或惯用单胞晶体学单胞或惯用单胞晶体学单胞或惯用单胞第14页晶向晶向：从坐标原点到点：从坐标原点到点（u,w）直线直线1。特定方向用方括号表示：。特定方向用方括号表示：u w 2。晶向指数。晶向指数 u，w 是一组最小指数，是一组最小指数，1/2 1/2 11123。负指数。负指数 w 4。由对称性决定等效晶向。由对称性决定等效晶向 1.21.2基失基失:基本平移矢量，平移矢量（连接任意两个阵点矢量）不过任何基本平移矢量，平移矢量（连接任意两个阵点矢量）不过任何 阵点阵点。取一原点。取一原点O，选，选 三个基本平移矢量。任何一平移三个基本平移矢量。任何一平移矢矢 量量 ，都可用，都可用 表示表示:晶面晶面：在坐标轴上截距为：在坐标轴上截距为1/h,1/k,1/lh,1/k,1/l 平面平面1/2 1/2 1112 1 1。晶面取向用圆括号表示。晶面取向用圆括号表示。晶面取向用圆括号表示。晶面取向用圆括号表示(h k l)(h k l)2 2。h k l h k l 称为米勒指数称为米勒指数称为米勒指数称为米勒指数 3 3。负指数。负指数。负指数。负指数(k l(k l )4 4。由对称性决定等效晶面。由对称性决定等效晶面。由对称性决定等效晶面。由对称性决定等效晶面 h k l h k l 第15页1.21.2一些半导体材料晶体结构和晶格常数一些半导体材料晶体结构和晶格常数元素元素/化合化合物物名称名称晶体结构晶体结构晶格常数（晶格常数（300K)元素半导元素半导体体CGeSiSnCarbon(Diamond)GermaniumSiliconGrey TinDiamondDiamondDiamondDiamond3.566795.657485.430866.4892IV-IVSiCSilicon carbideZincblende4.358III-VAlSbBNBPGaNGaSbGaAsGaPInSbInAsInPAluminum antimonideBoron nitrideBoron phosphideGallium nitrideGallium antimonideGallium arsenideGallium phosphideIndium antimonideIndium arsenideIndium phosphideZincblendeZincblendeZincblendeWurtziteZincblendeZincblendeZincblendeZincblendeZincblendeZincblende6.13553.6154.538a=3.186,c=5.1766.09555.65345.45056.47886.05855.8688第16页元素元素/化合物化合物名称名称晶体结构晶体结构晶格常数晶格常数（300K)II-VICdSCdSCdSeZnOZnSZnSCadmium sulfideCadmium sulfideCadmium selenideZinc oxideZinc sulfideZinc sulfideZincblendeWurtziteZincblendeCubicZincblendeWurtzite5.832a=4.16,c=6.7566.054.585.42a=3.82,c=6.26IV-VIPbSPbTeLead sulfideLead tellurideCubicCubic5.9356.460一些半导体材料晶体结构和晶格常数一些半导体材料晶体结构和晶格常数第17页倒倒倒倒格格格格基基基基矢矢矢矢：当当当当给给给给定定定定一一一一组组组组正正正正基基基基矢矢矢矢（a,b,c)a,b,c)时时时时，可可可可定定定定义义义义一一一一组组组组倒倒倒倒格格格格基基基基矢矢矢矢(a*,b*,c*)(a*,b*,c*)倒格矢：倒格矢：倒格矢：倒格矢：每个倒格矢垂直于正格子一组晶面，每个倒格矢垂直于正格子一组晶面，每个倒格矢垂直于正格子一组晶面，每个倒格矢垂直于正格子一组晶面，倒格子原胞与正格子原胞体积成反比：倒格子原胞与正格子原胞体积成反比：倒格子原胞与正格子原胞体积成反比：倒格子原胞与正格子原胞体积成反比：第18页维维维维格格格格纳纳纳纳-赛赛赛赛茨茨茨茨原原原原胞胞胞胞：从从从从倒倒倒倒格格格格子子子子中中中中选选选选定定定定中中中中心心心心点点点点到到到到紧紧紧紧邻邻邻邻等等等等效效效效倒倒倒倒格格格格点点点点作作作作垂垂垂垂直直直直平平平平分分分分面面面面，如如如如此此此此得得得得到到到到一一一一组组组组垂垂垂垂直直直直平平平平分分分分面面面面即即即即可可可可围围围围成成成成一一一一个个个个维维维维格格格格纳纳纳纳-赛赛赛赛茨茨茨茨原原原原胞。胞。胞。胞。第19页1.31.3 1.3 1.3 能带能带能带能带 1。能带形成。能带形成 近自由电子近似近自由电子近似 紧束缚近似紧束缚近似 k空间和态密度空间和态密度 金属、半导体、绝缘体能带金属、半导体、绝缘体能带 直接和间接禁带直接和间接禁带 带隙温度依赖带隙温度依赖2。电子和空穴有效质量。电子和空穴有效质量第20页1.3.11.3.11.3.1 能带形成能带形成 近自由电子近似近自由电子近似紧束缚近似紧束缚近似k空间和态密度空间和态密度金属、半导体、绝缘体能带金属、半导体、绝缘体能带直接和间接禁带直接和间接禁带带隙温度依赖带隙温度依赖第21页自由电子气模型自由电子气模型自由电子气模型自由电子气模型近自由电子近似近自由电子近似 一维电子气色散曲线一维电子气色散曲线一维电子气色散曲线一维电子气色散曲线k k k kE E0 0 0 0 /a a2 2 2 2 /a a3 3 3 3 /a a-3-3-3-3 /a a-2 2 2 2 /a a /a ak k k kE E0 0 0 0 /a a /a a扩展区方案扩展区方案扩展区方案扩展区方案简约区方案简约区方案简约区方案简约区方案色散关系采取最简单形式色散关系采取最简单形式色散关系采取最简单形式色散关系采取最简单形式第22页一维近自由电子模型能带和带隙一维近自由电子模型能带和带隙当晶体周期势比较弱时当晶体周期势比较弱时,能够将其作为微扰来处能够将其作为微扰来处理理,即用近自由电子模型来代替自由电子模型。即用近自由电子模型来代替自由电子模型。适合于简单金属适合于简单金属(Na,K,Al)和窄带隙半导体。和窄带隙半导体。因为周期微扰势存在，在因为周期微扰势存在，在Brillouin区边界产生带隙，即能谱中出现区边界产生带隙，即能谱中出现禁带。禁带。kE0/a2/a3/a-3/a-2/a/akE0/a/a近自由电子近似近自由电子近似 扩展区方案扩展区方案扩展区方案扩展区方案简约区方案简约区方案简约区方案简约区方案第23页1.31.3LCAOLCAO-Linear combination of atomic orbitals紧束缚近似紧束缚近似 紧束缚近似表明：假如晶格间距紧束缚近似表明：假如晶格间距紧束缚近似表明：假如晶格间距紧束缚近似表明：假如晶格间距a a比较大原子，相互之间离得比较比较大原子，相互之间离得比较比较大原子，相互之间离得比较比较大原子，相互之间离得比较远，则每个原子能级含有远，则每个原子能级含有远，则每个原子能级含有远，则每个原子能级含有N N重简并，而当重简并，而当重简并，而当重简并，而当a a减小时，波函数重合造成减小时，波函数重合造成减小时，波函数重合造成减小时，波函数重合造成能带。能带。能带。能带。能够用强定域化原子波函数线性组合来构建能够用强定域化原子波函数线性组合来构建能够用强定域化原子波函数线性组合来构建能够用强定域化原子波函数线性组合来构建BlochBloch函数。函数。函数。函数。E E原子原子原子原子固体固体固体固体第24页1.31.31.31.3晶体中电子共有化运动晶体中电子共有化运动晶体中电子共有化运动晶体中电子共有化运动孤立原子孤立原子电子能级分立电子能级分立晶体晶体 由大量原子结合而成由大量原子结合而成 各原子电子轨道有不一样程度交叠各原子电子轨道有不一样程度交叠 电子运动出现共有化电子运动出现共有化 单一能级分裂成单一能级分裂成N N个新能级个新能级 N N个新能级之间差异较小，个新能级之间差异较小，N N很大，所以成为含有一定宽度能带很大，所以成为含有一定宽度能带原子原子晶体晶体导带导带价带价带L L晶格间距晶格间距使孤立硅原子彼此靠近组成金刚石结构晶体使孤立硅原子彼此靠近组成金刚石结构晶体时形成能带时形成能带第25页1.31.31.31.3金属、半导体和绝缘体能带金属、半导体和绝缘体能带金属、半导体和绝缘体能带金属、半导体和绝缘体能带 价带全满价带全满导带全空导带全空(a)(a)(a)(a)绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体价电子与近邻原子形成强价电子与近邻原子形成强键，极难打破，没有电子键，极难打破，没有电子参加导电。参加导电。能带图上表现为大禁带宽能带图上表现为大禁带宽度，价带内能级被填满，度，价带内能级被填满，导带空着，热能或外场不导带空着，热能或外场不能把价带顶电子激发到导能把价带顶电子激发到导带。带。近邻原子形成键结合强度适近邻原子形成键结合强度适中，热振动会使一些键破裂，中，热振动会使一些键破裂，产生电子和空穴。产生电子和空穴。能带图上表现为禁带宽度较能带图上表现为禁带宽度较小，价带内能级被填满，一小，价带内能级被填满，一部分电子能够从价带跃迁到部分电子能够从价带跃迁到导带，在价带中留下空穴。导带，在价带中留下空穴。外加电场，导带电子和价带外加电场，导带电子和价带空穴都将取得动能，参加导空穴都将取得动能，参加导电。电。导带或者被部分填充，或者导带或者被部分填充，或者与价带重合。与价带重合。很轻易产生电流很轻易产生电流.导带导带（c)c)c)c)金属金属金属金属半满带半满带价带价带(b)(b)(b)(b)半导体半导体半导体半导体价带价带导带导带第26页1.31.31.31.3直接和间接禁带直接和间接禁带直接和间接禁带直接和间接禁带 Ge,SiGe,Si和和和和GaAsGaAs能带结构。能带结构。能带结构。能带结构。第27页1.31.31.31.3带隙温度依赖带隙温度依赖带隙温度依赖带隙温度依赖 大多数半导体能隙随温度升大多数半导体能隙随温度升高而降低。高而降低。Ge,SiGe,Si和和和和GaAsGaAs能隙随温度能隙随温度能隙随温度能隙随温度改变关系。改变关系。改变关系。改变关系。Ge Si GaAs Ge Si GaAs0K0K：0.743,1.17,1.519 eV0.743,1.17,1.519 eV室温室温室温室温:0.66,1.12,1.42 eV:0.66,1.12,1.42 eV Eg(T)=Eg(0)-Eg(T)=Eg(0)-T T2 2/(T+/(T+)第28页1.31.31.31.3K K K K空间和态密度空间和态密度空间和态密度空间和态密度 晶体中电子因为受到有限体积限制，晶体中电子因为受到有限体积限制，晶体中电子因为受到有限体积限制，晶体中电子因为受到有限体积限制，k k值只能取分立值值只能取分立值值只能取分立值值只能取分立值n,l,mn,l,m为任意整数为任意整数为任意整数为任意整数L L3 3为晶体体积为晶体体积为晶体体积为晶体体积惯用几何方法标志晶体中电子共有化运动状态：惯用几何方法标志晶体中电子共有化运动状态：惯用几何方法标志晶体中电子共有化运动状态：惯用几何方法标志晶体中电子共有化运动状态：k ky yk kx xk kz z每一组每一组每一组每一组(n,l,m)(n,l,m)对应对应对应对应“k“k空间空间空间空间”中一个点，代表一中一个点，代表一中一个点，代表一中一个点，代表一个确定电子共有化运动状态。个确定电子共有化运动状态。个确定电子共有化运动状态。个确定电子共有化运动状态。k k空间中点密度，代表电子状态密度。空间中点密度，代表电子状态密度。空间中点密度，代表电子状态密度。空间中点密度，代表电子状态密度。依据依据依据依据k k空间中状态密度，和能量表示式，空间中状态密度，和能量表示式，空间中状态密度，和能量表示式，空间中状态密度，和能量表示式，能够求能态密度。能够求能态密度。能够求能态密度。能够求能态密度。第29页1.3.2 有效质量有效质量 为描述电子和空穴运动而引入为描述电子和空穴运动而引入为描述电子和空穴运动而引入为描述电子和空穴运动而引入对半导体导带底和价带顶附近，电子在对半导体导带底和价带顶附近，电子在对半导体导带底和价带顶附近，电子在对半导体导带底和价带顶附近，电子在x,y,zx,y,z方向有效质量：方向有效质量：方向有效质量：方向有效质量：在导带底和价带顶附近，晶体在导带底和价带顶附近，晶体在导带底和价带顶附近，晶体在导带底和价带顶附近，晶体中电子与自由电子相同，只不中电子与自由电子相同，只不中电子与自由电子相同，只不中电子与自由电子相同，只不过含有有效质量。过含有有效质量。过含有有效质量。过含有有效质量。带底，有效质量为正，带顶，有效质量为负。带底，有效质量为正，带顶，有效质量为负。带底，有效质量为正，带顶，有效质量为负。带底，有效质量为正，带顶，有效质量为负。有效质量各向异性。有效质量各向异性。有效质量各向异性。有效质量各向异性。复杂能带可能有多个峰和谷，有可能有多组有效质量。复杂能带可能有多个峰和谷，有可能有多组有效质量。复杂能带可能有多个峰和谷，有可能有多组有效质量。复杂能带可能有多个峰和谷，有可能有多组有效质量。第30页 K K空间等能面空间等能面空间等能面空间等能面-标志晶体中载流子标志晶体中载流子标志晶体中载流子标志晶体中载流子E(k)E(k)关系关系关系关系简单立方晶体等能面是以简单立方晶体等能面是以简单立方晶体等能面是以简单立方晶体等能面是以k k0 0为中心球面。为中心球面。为中心球面。为中心球面。m m m mx x x x*=m*=m*=m*=my y y y*=m m m mz z z z*锗、硅锗、硅锗、硅锗、硅-旋转椭球。横向有效质量：旋转椭球。横向有效质量：旋转椭球。横向有效质量：旋转椭球。横向有效质量：m m m mt t t t*；纵向有效质量：；纵向有效质量：；纵向有效质量：；纵向有效质量：m m m ml l l l*结合详细问题有效质量：态密度和电导有效质量。结合详细问题有效质量：态密度和电导有效质量。结合详细问题有效质量：态密度和电导有效质量。结合详细问题有效质量：态密度和电导有效质量。电子电导有效质量：电子电导有效质量：电子电导有效质量：电子电导有效质量：电子态密度有效质量：电子态密度有效质量：电子态密度有效质量：电子态密度有效质量：第31页1.4 1.4 1.4 1.4 热平衡时载流子浓度热平衡时载流子浓度热平衡时载流子浓度热平衡时载流子浓度 本征硅本征硅本征硅本征硅n n型型型型(磷，施主磷，施主磷，施主磷，施主)掺杂掺杂掺杂掺杂 p p型型型型(硼，受主硼，受主硼，受主硼，受主)掺杂掺杂掺杂掺杂 SiSi三种基本键图形三种基本键图形三种基本键图形三种基本键图形第32页1.4.1 1.4.1 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体 导带内被占据能级数导带内被占据能级数导带内被占据能级数导带内被占据能级数导带底附近，非简并半导体，电子密度：导带底附近，非简并半导体，电子密度：导带底附近，非简并半导体，电子密度：导带底附近，非简并半导体，电子密度：同理，价带顶附近，非简同理，价带顶附近，非简同理，价带顶附近，非简同理，价带顶附近，非简并半导体，并半导体，并半导体，并半导体，空穴密度：空穴密度：空穴密度：空穴密度：本征半导体：本征半导体：本征半导体：本征半导体：本征载流子浓度本征载流子浓度本征载流子浓度本征载流子浓度（1 1）（2 2）(1)=(2)(1)=(2)本征半导体费米能级本征半导体费米能级本征半导体费米能级本征半导体费米能级非常靠近带隙中央非常靠近带隙中央非常靠近带隙中央非常靠近带隙中央第33页可得到本征载流子浓度：可得到本征载流子浓度：可得到本征载流子浓度：可得到本征载流子浓度：GeGe，Si Si 和和和和GaAsGaAs本征载流子浓本征载流子浓本征载流子浓本征载流子浓度与温度关系。度与温度关系。度与温度关系。度与温度关系。质量作用定律质量作用定律质量作用定律质量作用定律.第34页本征温度本征温度本征温度本征温度T Ti i：载流子浓度载流子浓度载流子浓度载流子浓度=本底浓度本底浓度本底浓度本底浓度 本征温度与本底浓度关系本征温度与本底浓度关系本征温度与本底浓度关系本征温度与本底浓度关系第35页1.4.2 1.4.2 施主和受主施主和受主施主和受主施主和受主 施主能级：该能级上填充一个电子后呈中性，而撤空后带正电。施主能级：该能级上填充一个电子后呈中性，而撤空后带正电。施主能级：该能级上填充一个电子后呈中性，而撤空后带正电。施主能级：该能级上填充一个电子后呈中性，而撤空后带正电。受主能级：该能级若为空则呈中性，若填充一个电子则带负电。受主能级：该能级若为空则呈中性，若填充一个电子则带负电。受主能级：该能级若为空则呈中性，若填充一个电子则带负电。受主能级：该能级若为空则呈中性，若填充一个电子则带负电。GeGe，SiSi和和和和GaAsGaAs中各种杂质实测电离能。中各种杂质实测电离能。中各种杂质实测电离能。中各种杂质实测电离能。第36页GeGe，SiSi和和和和GaAsGaAs中各种杂质实测电离能。中各种杂质实测电离能。中各种杂质实测电离能。中各种杂质实测电离能。浅能级；对电导有主要影响。浅能级；对电导有主要影响。浅能级；对电导有主要影响。浅能级；对电导有主要影响。深能级：对复合和俘获有作用。深能级：对复合和俘获有作用。深能级：对复合和俘获有作用。深能级：对复合和俘获有作用。多重能级多重能级多重能级多重能级 第37页1.4.3 1.4.3 费米能级费米能级费米能级费米能级 本征半导体费米能级靠近在带隙中央，本征半导体费米能级靠近在带隙中央，本征半导体费米能级靠近在带隙中央，本征半导体费米能级靠近在带隙中央，热平衡时本征半导体能带、态密度、费米分布和载流子浓度。热平衡时本征半导体能带、态密度、费米分布和载流子浓度。热平衡时本征半导体能带、态密度、费米分布和载流子浓度。热平衡时本征半导体能带、态密度、费米分布和载流子浓度。第38页掺杂半导体呢？依据载流子浓度和类型能够确定费米能级位置。掺杂半导体呢？依据载流子浓度和类型能够确定费米能级位置。掺杂半导体呢？依据载流子浓度和类型能够确定费米能级位置。掺杂半导体呢？依据载流子浓度和类型能够确定费米能级位置。n n型和型和型和型和p p型半导体能带、态密度、费米分布和载流子浓度。型半导体能带、态密度、费米分布和载流子浓度。型半导体能带、态密度、费米分布和载流子浓度。型半导体能带、态密度、费米分布和载流子浓度。第39页考虑考虑考虑考虑n n型半导体：型半导体：型半导体：型半导体：施主杂质浓度：施主杂质浓度：施主杂质浓度：施主杂质浓度：N ND D 电中性条件：电中性条件：电中性条件：电中性条件：总负电荷（电子）总负电荷（电子）总负电荷（电子）总负电荷（电子）=总正电荷（空穴总正电荷（空穴总正电荷（空穴总正电荷（空穴+电离施主）电离施主）电离施主）电离施主）施主杂质能级基施主杂质能级基施主杂质能级基施主杂质能级基态简并度态简并度态简并度态简并度杂质能级未被占据杂质能级未被占据杂质能级未被占据杂质能级未被占据几率，即电离几率几率，即电离几率几率，即电离几率几率，即电离几率第40页对于给定对于给定对于给定对于给定N NC C,N,ND D,N,NA A,N,NV V,E,EC C,E,ED D,E,EA A,E,EV V,T,T，费米能级能够唯一确定。，费米能级能够唯一确定。，费米能级能够唯一确定。，费米能级能够唯一确定。考虑考虑考虑考虑p p型半导体：型半导体：型半导体：型半导体：受主杂质浓度：受主杂质浓度：受主杂质浓度：受主杂质浓度：N NA A 第41页施主杂质浓度为施主杂质浓度为施主杂质浓度为施主杂质浓度为10101515 cm cm-3-3 Si Si样品，电子密度与温度关系。样品，电子密度与温度关系。样品，电子密度与温度关系。样品，电子密度与温度关系。100K500K500K，本征激发载流子，本征激发载流子，本征激发载流子，本征激发载流子浓度大于掺杂浓度，载流浓度大于掺杂浓度，载流浓度大于掺杂浓度，载流浓度大于掺杂浓度，载流子主要由本征激发决定。子主要由本征激发决定。子主要由本征激发决定。子主要由本征激发决定。本征区。本征区。本征区。本征区。禁带宽度和杂质电离能悬殊差异，载流子浓度在低温主要是杂质电禁带宽度和杂质电离能悬殊差异，载流子浓度在低温主要是杂质电禁带宽度和杂质电离能悬殊差异，载流子浓度在低温主要是杂质电禁带宽度和杂质电离能悬殊差异，载流子浓度在低温主要是杂质电离提供，高温是本征激发。离提供，高温是本征激发。离提供，高温是本征激发。离提供，高温是本征激发。第42页对于凝固区斜率，视赔偿条件而定：对于凝固区斜率，视赔偿条件而定：对于凝固区斜率，视赔偿条件而定：对于凝固区斜率，视赔偿条件而定：对于部分赔偿半导体对于部分赔偿半导体对于部分赔偿半导体对于部分赔偿半导体,当当当当 近似无赔偿情况近似无赔偿情况近似无赔偿情况近似无赔偿情况在不一样温度下在不一样温度下在不一样温度下在不一样温度下,可能会有不一样斜率可能会有不一样斜率可能会有不一样斜率可能会有不一样斜率,有拐折出现有拐折出现有拐折出现有拐折出现 第43页对于饱和区对于饱和区对于饱和区对于饱和区:在宽温度范围在宽温度范围在宽温度范围在宽温度范围(比如上图比如上图比如上图比如上图100500K)100500K)载流子密度保持载流子密度保持载流子密度保持载流子密度保持恒定恒定恒定恒定.仍有质量作用定律仍有质量作用定律仍有质量作用定律仍有质量作用定律:电中性条件电中性条件电中性条件电中性条件:对对对对n n型半导体型半导体型半导体型半导体:有有有有:第44页对对对对p p型半导体型半导体型半导体型半导体:有有有有:第45页依据以上两个方程依据以上两个方程依据以上两个方程依据以上两个方程,得到费米能级位置改变：得到费米能级位置改变：得到费米能级位置改变：得到费米能级位置改变：硅费米能级与掺杂浓度和温度关系。带隙与温度关系。硅费米能级与掺杂浓度和温度关系。带隙与温度关系。硅费米能级与掺杂浓度和温度关系。带隙与温度关系。硅费米能级与掺杂浓度和温度关系。带隙与温度关系。第46页1.5 1.5 1.5 1.5 载流子输运载流子输运载流子输运载流子输运 迁移率迁移率电阻率电阻率霍尔效应霍尔效应 复合过程复合过程 第47页1.5.1 1.5.1 迁移率迁移率迁移率迁移率 声学声子迁移率声学声子迁移率声学声子迁移率声学声子迁移率,随随随随温度温度温度温度T T和和和和有效质量有效质量有效质量有效质量增加而降低增加而降低增加而降低增加而降低.GaAsGaAs之类极性半导体，光学声子散射机构非常主要，要考虑。之类极性半导体，光学声子散射机构非常主要，要考虑。之类极性半导体，光学声子散射机构非常主要，要考虑。之类极性半导体，光学声子散射机构非常主要，要考虑。声学声子声学声子声学声子声学声子迁移率迁移率迁移率迁移率电离杂质电离杂质电离杂质电离杂质迁移率迁移率迁移率迁移率Ge,SiGe,Si等非极性半导体，声学声子、杂质离子等散射，影响迁移率等非极性半导体，声学声子、杂质离子等散射，影响迁移率等非极性半导体，声学声子、杂质离子等散射，影响迁移率等非极性半导体，声学声子、杂质离子等散射，影响迁移率其它散射机制：谷内散射，其它散射机制：谷内散射，其它散射机制：谷内散射，其它散射机制：谷内散射，谷间散射谷间散射谷间散射谷间散射电离杂质散射电离杂质散射电离杂质散射电离杂质散射,迁移率伴随迁移率伴随迁移率伴随迁移率伴随有效质量有效质量有效质量有效质量而降低，随而降低，随而降低，随而降低，随温度温度温度温度而增加，而增加，而增加，而增加，包含上述两种机制组合迁移率为：包含上述两种机制组合迁移率为：包含上述两种机制组合迁移率为：包含上述两种机制组合迁移率为：第48页伴随伴随伴随伴随浓度浓度浓度浓度增加增加增加增加 迁移率降低迁移率降低迁移率降低迁移率降低伴随伴随伴随伴随m*m*增加增加增加增加迁移率也降低迁移率也降低迁移率也降低迁移率也降低电子电子电子电子迁移率大于空迁移率大于空迁移率大于空迁移率大于空穴迁移率穴迁移率穴迁移率穴迁移率室温下室温下室温下室温下GeGe，SiSi和和和和GaAsGaAs迁移率与杂质浓度关系迁移率与杂质浓度关系迁移率与杂质浓度关系迁移率与杂质浓度关系GeGeSiSiGaAsGaAs第49页载流子扩散系数载流子扩散系数与迁移率相关主要参数与迁移率相关主要参数对于非简并半导体，即对于非简并半导体，即np np（n n型半导体）型半导体）1.5.2 1.5.2 电阻率电阻率电阻率电阻率 电导率电导率：或或或或对有电子和空穴两种载流子半导体：对有电子和空穴两种载流子半导体：电阻率测量：电阻率测量：电阻率测量：电阻率测量：四探针法四探针法四探针法四探针法第51页300K300K下硅实测电阻率与杂质浓度关系下硅实测电阻率与杂质浓度关系下硅实测电阻率与杂质浓度关系下硅实测电阻率与杂质浓度关系并非载流子并非载流子并非载流子并非载流子浓度浓度浓度浓度第52页300K300K下下下下Ge,GaAsGe,GaAs和和和和GaPGaP实测电阻率与杂质浓度关系实测电阻率与杂质浓度关系实测电阻率与杂质浓度关系实测电阻率与杂质浓度关系第53页1.5.3 1.5.3 霍尔效应霍尔效应 为了直接测量载流子浓度，最惯用方法为了直接测量载流子浓度，最惯用方法是霍尔效应法。是霍尔效应法。霍尔测量载流子密度装置示意图霍尔测量载流子密度装置示意图霍尔测量载流子密度装置示意图霍尔测量载流子密度装置示意图霍尔系数霍尔系数npnpp np n可判断导电类型可判断导电类型可判断导电类型可判断导电类型可确定载流子浓度可确定载流子浓度可确定载流子浓度可确定载流子浓度霍尔迁移率：霍尔迁移率：第54页1.5.4 1.5.4 复合过程复合过程 每当物理系统热平衡状态受到扰动，即每当物理系统热平衡状态受到扰动，即pn ni2系统要恢复平衡系统要恢复平衡，复合过程复合过程 带间复合带间复合带间复合带间复合 辐射过程辐射过程俄歇过程俄歇过程对于含有直接带隙大多数对于含有直接带隙大多数III-V族化合物是最主要族化合物是最主要第55页单能级复合单能级复合单能级复合单能级复合 电子俘获、电子发射、电子俘获、电子发射、空穴俘获、空穴发射。空穴俘获、空穴发射。l l 最有效复合中心最有效复合中心最有效复合中心最有效复合中心是带隙中央附近能是带隙中央附近能是带隙中央附近能是带隙中央附近能级。级。级。级。l l小注入条件下，复合率：小注入条件下，复合率：小注入条件下，复合率：小注入条件下，复合率：l l n n型半导体型半导体型半导体型半导体 l l n n型半导体内少数载流型半导体内少数载流型半导体内少数载流型半导体内少数载流子（空穴）寿命）子（空穴）寿命）子（空穴）寿命）子（空穴）寿命）第56页多能级陷阱多能级陷阱多能级陷阱多能级陷阱 定性地类似于单能级情形定性地类似于单能级情形定性地类似于单能级情形定性地类似于单能级情形 l l寿命是与全部带正电、负电和中性陷阱能级相联络寿寿命是与全部带正电、负电和中性陷阱能级相联络寿寿命是与全部带正电、负电和中性陷阱能级相联络寿寿命是与全部带正电、负电和中性陷阱能级相联络寿命平均值。命平均值。命平均值。命平均值。第57页1.6 1.6 1.6 1.6 半导体声子谱及光学、热学和高场性质半导体声子谱及光学、热学和高场性质半导体声子谱及光学、热学和高场性质半导体声子谱及光学、热学和高场性质 声子谱声子谱声子谱声子谱 GeGe、SiSi和和和和GaAsGaAs实测声子谱，当实测声子谱，当实测声子谱，当实测声子谱，当q q小时，纵声学支和横声学支小时，纵声学支和横声学支小时，纵声学支和横声学支小时，纵声学支和横声学支能量正比于能量正比于能量正比于能量正比于q.q.GeGeSiSiGaAsGaAs第58页