第五章 半导体new.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 半导体,Semiconductor,5.0,引言,半导体载流子的有效质量,杂质半导体,热平衡载流子分布,半导体的光吸收,半导体界面特性,典型半导体材料的能带结构,主要内容,学习提示,以下问题是难点，须认真学习和体会,有效质量的物理意义,杂质对半导体费米能级及导电性的影响,半导体界面特性,金钢石结构和面心立方晶体的第一布里渊区示意图,5.1,典型的半导体能带结构,Si,的能带结构,直接带隙半导体,(a),和间接带隙半导体,(b),能带示意图,（,a,）（,b,）,5.1,典型的半导体能带结构,理想半导体的能带结构,一维情况：,价带顶附近的有效质量量为负,导带底附近的有效质量为正,5.2,电子的有效质量,为了克服价带顶电子有效质量负值的困难，引入价带顶空穴的概念,三维情况：,5.2,电子的有效质量,Si,中掺,P,后的共价网络示意图,5.3,半导体的掺杂,五价,P,提供的多余电子状态,束缚在,P,+,周围形成弱的束缚态,参与价电子公有化，成为非局域化电子,如何处理这个束缚态,束缚态能级与能带之间的关系,一、施主掺杂,n,=1,2,3,氢原子的位能函数为,能级为,5.3,半导体的掺杂,一、施主掺杂,束缚态能级的类氢原子处理,氢原子,为了表达屏蔽作用，对势函数进行修正：,束缚态能级：,电子从施主能级跃迁至导带底部留下的电离施主,施主能级和施主电离示意图,5.3,半导体的掺杂,一、施主掺杂,Si,中掺,B,后的共价键网络示意图,5.3,半导体的掺杂,一、受主掺杂,利用类氢原子模型可以得到,空穴从受主能级跃迁至价带留下的电离受主,受主能级及受主电离示意图,5.3,半导体的掺杂,二、受主掺杂,导带上的电子数,N,(,T,),为,一、导带上的电子浓度,5.4,热平衡载流子分布,若导带底可以近似为抛物线,5.4,热平衡载流子分布,二、导带上的电子浓度,导带上的电子浓度为,5.4,热平衡载流子分布,二、价带上的空穴浓度,5.4,热平衡载流子分布,三、质量作用定律,导带上的电子浓度和价带上空穴浓度之积仅仅与禁带宽度有关,这一规律与半导体的种类没有关系，适用于本证、施主和杂质半导体,导带上的电子浓度与价带上的空穴浓度必然相等,本征半导体费米能级与温度的关系为,5.4,热平衡载流子分布,四、本证半导体,T=0K,时，费米能级,E,F,为,5.4,热平衡载流子分布,四、本证半导体,由于导带上的电子载流子的浓度是本征激发和施主电离二者共同贡献的，所以可得电中性方程：,5.4,热平衡载流子分布,五、施主半导体,5.4,热平衡载流子分布,五、施主半导体,施主半导体费米能级,数值求解上述方程可以得到施主半导体的费米能级,5.4,热平衡载流子分布,五、受主半导体,由于价带上的空穴子载流子的浓度是本征激发和受主电离二者共同贡献的，所以可得电中性方程：,数值求解上述方程可以得到受主半导体的费米能级,Si,中费米能级与温度和杂质浓度之间的关系,5.4,热平衡载流子分布,六、半导体的费米能级,在上述过程中，光照在导带上产生的电子必然同价带上所留下的空穴相等，所以有：,5.5,非热平衡载流子分布,非平衡载流子的产生：,（,1,）光辐照,（,2,）电注入,半导体中电子和空穴的定向漂移运动和电流示意图,一、半导体的导电机制,5.5,半导体的导电性质,电场方向,，,e,e,J,e,v,e,h,J,h,v,h,当温度一定时，在一定的电场强度,下，载流子的定向漂移运动的平,均速度为一常数，且有,电流密度,J,为二、载流子的迁移率,5.5,半导体的导电性质,电子迁移率,空穴迁移率,半导体的电流密度为,半导体的电导率为,二、载流子的迁移率,5.5,半导体的导电性质,载流子受到两次散射的平均时间间隔为,（,称为弛豫时间），,那么，从半经典力学的观点可以得出：,载流子的迁移率可以表示为：,二、载流子的迁移率,5.5,半导体的导电性质,本征吸收的条件是入射光子的能量不小于半导体的禁带宽度，即,在直接跃迁过程中必然满足以下条件：,光子动量很小，动量守恒简化为：,5.6,半导体光吸收,能量守恒：,动量守恒：,一、直接带隙半导体的本征吸收,在,5K,温度下,InSb,的吸收系数与光子能量的关系曲线,5.6,半导体光吸收,一、直接带隙半导体的本征吸收,对应带隙,间接跃迁的能量和动量守恒条件可以表示为：,E,g,k,E,间接跃迁引起光的本征吸收示意图,5.6,半导体光吸收,二、直接带隙半导体的本征吸收,电子声子相互作用参与电子跃迁过程,E,g,E,A,杂质,吸收,激子吸收,带间吸收,自由电子吸收,价带,导带,间接跃迁引起光的本征吸收示意图,5.6,半导体光吸收,三、半导体其它光吸收机制,半导体吸收光谱示意图,5.6,半导体光吸收,四、半导体其它光吸收机制,光电器件的光电流为,：,一种光电器件的基本电路原理,5.6,半导体光吸收,五、半导体的光电导,两种载流子的霍尔效应示意图,B,z,y,x,q,J,e,vx,e|vB,|,B,z,y,x,q,J,e,v,x,e|vB,|,空穴,电子,5.7,半导体的磁学性质,一、半导体霍尔（,Hall,）效应,在洛伦兹力的作用下，在垂直于的样品端面上就会形成电荷累积，形成霍尔电场；,电子或空穴受到两个力的作用，一是磁场中的洛伦兹力；一是霍尔电场中的电场力；,达到平衡时，必然是洛伦兹力同电场力相等，所以有：,5.7,半导体的磁学性质,一、半导体霍尔（,Hall,）效应,霍尔系数,霍尔角的正切为：,电子载流子的霍尔角为，,5.7,半导体的磁学性质,一、半导体霍尔（,Hall,）效应,空穴载流子的霍尔系数和霍尔角分别为：,5.7,半导体的磁学性质,一、半导体霍尔（Hall,）效应,B,z,t,w,V,H,I,霍尔电压测量原理示意图,5.7,半导体的磁学性质,一、半导体霍尔（,Hall,）效应,霍尔电压，记为,V,H,：,总的霍尔系数可以表示为：,5.7,半导体的磁学性质,一、半导体霍尔（,Hall,）效应,载流子所受的洛伦兹力和霍尔,电场力相平衡时载流子的运动,5.7,半导体的磁学性质,二、半导体的磁阻效应,磁阻效应,：在垂直于电流方向上施加磁场，沿外加电场方向的电流密度有所降低，即表观电阻增大，称此效应为磁阻效应,5.7,半导体的磁学性质,二、半导体的磁阻效应,具有与霍尔电场相平衡速度的载流子的运动,速度较大载流子的运动,速度较小载流子运动,(a)长方形样品,l/d,1,，,(b),长方形样品,l/d,1,，,(c),科比诺圆盘,半导体几何磁阻,5.7,半导体的磁学性质,二、半导体的磁阻效应,5.8,半导体界面特性,一、,p-n,结,pn regions“touch”&free carriers move,electrons,E,V,E,F,E,C,E,F,p-type,n-type,p-n,结接触前的能带结构示意图,Depletion Zone,pn regions in,equilibrium,E,V,E,F,E,C,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,5.8,半导体界面特性,一、,p-n,结,p-n,结接触后的平衡能带结构示意图,p-n,结,n,型,p型,p-n,结平衡后，实际上在结区两端建立起了一个势垒，,eV,D,，势垒的大小为：,结合上式得：,5.8,半导体界面特性,一、,p-n,结,5.8,半导体界面特性,一、,p-n,结,p,n,结正向偏压时的能带和结区的变化,5.8,半导体界面特性,一、,p-n,结,p,n,结反向偏压时的能带和结区的变化,p-n,结的电流密度可以表示为：,p-n,结的直流,I-V,特性曲线,5.8,半导体界面特性,一、,p-n,结,p-n,结的光生伏特示意图,5.8,半导体界面特性,一、,p-n,结,真空能级,E,F,金属,半导体,E,F,E,F,(a),接触前,(b),刚接触,(c),建立平衡后,热平衡后，界面处半导体的电位高于金属，且有势垒的高度为：,5.8,半导体界面特性,二、半导体金属接触：肖脱基势垒,W,s,W,m,E,F,E,C,E,V,半导体体欧姆接触后的能带结构,5.8,半导体界面特性,二、半导体金属接触：,Ohm,接触,金属,测量值范围,平均值,金属,测量值范围,平均值,Mg,2.743.79,3.46,Cd,3.684.49,4.08,Al,2.984.36,4.20,Sn,3.124.64,4.11,Cu,3.855.61,4.47,Mo,4.084.48,4.28,Zn,3.084.65,3.86,Au,4.05.2,4.58,Ni,3.675.24,4.84,W,4.255.01,4.63,Ag,3.094.81,4.23,Pt,4.096.35,5.48,几种常见金属的功函数（单位：,eV,）,5.8,半导体界面特性,二、半导体金属接触,能带结构示意图,金刚石结构半导体,(111),面异质结的晶格模型,5.8,半导体界面特性,二、半导体异质结,MIS,结构示意图,5.8,半导体界面特性,二、,MIS,结构，,Metal-Isolator Semiconductor(MIS),V,G,0,E,F,E,V,E,C,V,G,0,E,F,E,V,E,C,由,p,型半导体构成的,MIS,结构在各种电压,VG,下的空间电荷分布,(a),空穴堆积，,(b),空穴耗尽，,(c),反型层,5.8,半导体界面特性,二、,MIS,结构，,Metal-Isolator Semiconductor(MIS),5.8,半导体界面特性,二、,MIS,结构，,Metal-Isolator Semiconductor(MIS),P,Isolator,Metal,N,N,反型层,源,漏,栅,栅电场方向,锗、硅半导体材料,物理性质,Ge,Si,密度,(g/cm,3,),5.327,2.333,晶体结构,金刚石,(Fd3m),金刚石,(Fd3m),点阵参数,(nm),0.56575,0.54310,熔点,(),936,1410,热膨胀系数,(10,-6/),61(0,300),4.2(10,25),热导率,(,w/mK,),58.62(298K),8374(298K),弹性系数,(,GPa,),C,11,:129,C,12,:58.8,C,44,:67.3,C,11,:167,C,12,:65.2,C,44,:79.6,德拜温度,(K),360,650,室温电阻率,(,m,),50,2.310,5,锗和硅的一般物理性质,5.10,半导体材料简介,b),a),(a),锗，,(b),硅,锗和硅的能带结构,锗、硅半导体材料,5.10,半导体材料简介,III-V,化合物半导体材料,(a),闪锌矿,(b),纤锌矿,III-V,族化合物半导体晶体结构5.10,半导体材料简介,GaAs,的能带结构和性质,重空穴,轻空穴,分裂带,E,E,V,(,eV,),(a),(a),(b),(b),GaAS,能带结构,(a),和不同杂质能级,(b),示意图,III-V,化合物半导体材料,5.10,半导体材料简介,非晶态半导体,(a)(b),晶态（,a,）和非晶态（,b,）固体原子排列的二维示意图,5.10,半导体材料简介,非晶半导体的能带结构,(a)(b),非晶半导体的能带模型,（,a,）理想非晶态，,(b),含悬挂键的非晶态,5.10,半导体材料简介,非晶态半导体的导电机制,扩展态电子对电导率的贡献为,式中，,EC,是迁移率边的能量，,E,F,是费米能。,s,min,是扩展态开始导电时的电导率，,s,min,与具体的无序结构有关,5.10,半导体材料简介,定域态电子跃迁导电机理,s,1,s,2,s,3,s,4,1/,T,ln,s,非晶半导体电到率与温度倒数的关系,非晶态半导体的导电机制,5.10,半导体材料简介,a-,Si:H,非晶,Si,半导体,典型非晶态半导体的光吸收曲线示意图,通常情况下是在某种衬底上制备,a,Si:H,薄膜，,主要利用辉光放电分解硅烷（,SiH,4,）方法制备,a,Si:H,薄膜。,SiH,4,a-,Si:H,+H,2,5.10,半导体材料简介,a-,Si:H,的光电性能,非晶硅的光吸收曲线,5.10,半导体材料简介,