半导体物理学期末总复习.ppt

1、1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构9半导体的光学性质和光电与发光现象半导体的光学性质和光电与发光现象半导体物理学晶体结构晶体结构半导体的晶格结构和结合性质半导体中的电子状态和能带半导体中的电子运动和有效质量本征半导体的导电机构空穴回旋共振硅和锗的能带结构IIIV族化合物半导体的能带结构IIVI族化合物半导体的能带结构金刚石晶体结构金刚石晶体结

2、构金刚石结构金刚石结构原子结合形式：共价键原子结合形式：共价键形成的晶体结构：形成的晶体结构：构成一个正四构成一个正四面体，具有面体，具有 金金 刚刚 石石 晶晶 体体 结结 构构半半 导导 体体 有有:化化 合合 物物 半半 导导 体体 如如GaAs、InP、ZnS闪锌矿晶体结构闪锌矿晶体结构金刚石型 闪锌矿型原子的能级原子的能级电子壳层电子壳层不同支壳层电子1s；2s，2p；3s，2p，3d；共有化运动共有化运动+14电子的能级是量子化的n=3n=3四个电子四个电子n=2n=28 8个电子个电子n=1n=12 2个电子个电子SiHSi原子的能级原子的能级原子的能级的分裂原子的能级的分裂孤立

3、原子的能级孤立原子的能级 4个原子能级的分裂个原子能级的分裂 原子的能级的分裂原子的能级的分裂原子能级分裂为能带原子能级分裂为能带 价带：价带：0K0K条件下被电子填充的能量的能带条件下被电子填充的能量的能带导带：导带：0K0K条件下未被电子填充的能量的能带条件下未被电子填充的能量的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构导导导导 带带带带价价价价 带带带带E Eg g自由电子的运动自由电子的运动微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性 半导体中电子的运动半导体中电子的运动薛定谔方程及其解的形式薛定谔方程及其解的形式 布洛赫波函数

4、布洛赫波函数半导体的能带半导体的能带本征激发本征激发 半导体中半导体中E（K）与）与K的关系的关系在导带底部，波数在导带底部，波数 ，附近，附近 值很小，值很小，将将 在在 附近泰勒展开附近泰勒展开 半导体中半导体中E（K）与）与K的关系的关系令令 代入上式得代入上式得自由电子的能量自由电子的能量微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性 半导体中电子的平均速度半导体中电子的平均速度在周期性势场内，电子的平均速度在周期性势场内，电子的平均速度u可表示可表示为波包的群速度为波包的群速度 自由电子的速度自由电子的速度微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性 半导体中电子的加速度半导体中电子的

5、加速度半导体中电子在一强度为半导体中电子在一强度为 E的外加电场作用的外加电场作用下，外力对电子做功为电子能量的变化下，外力对电子做功为电子能量的变化半导体中电子的加速度半导体中电子的加速度令令 即即有效质量的意义有效质量的意义自由电子只受外力作用；半导体中的电子自由电子只受外力作用；半导体中的电子不仅受到外力的作用，同时还受半导体内不仅受到外力的作用，同时还受半导体内部势场的作用部势场的作用意义：有效质量概括了半导体内部势场的意义：有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得研究半导体中电子的运动规律作用，使得研究半导体中电子的运动规律时更为简便（有效质量可由试验测定）时更为简便（有效质量可由试

6、验测定）空穴空穴只有非满带电子才可导电只有非满带电子才可导电导带电子和价带空穴具有导电特性；电子导带电子和价带空穴具有导电特性；电子带负电带负电-q（导带底），空穴带正电（导带底），空穴带正电+q（价（价带顶）带顶）K空间等能面空间等能面在在k=0处为能带极值处为能带极值导带底附近导带底附近价带顶附近价带顶附近K空间等能面空间等能面以以 、为坐标轴构成为坐标轴构成 空间，空间，空间空间任一矢量代表波矢任一矢量代表波矢导带底附近导带底附近K空间等能面空间等能面对应于某一对应于某一 值，有许多组不同的值，有许多组不同的 ，这些组构成一个封闭面，这些组构成一个封闭面，在着个面上能量值为一恒值，这个面

7、称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。为等能量面，简称等能面。等能面为一球面（理想）等能面为一球面（理想）1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学与理想情况的偏离与理想情况的偏离晶格原子是振动的晶格原子是振动的材料含杂质材料含杂质晶格中存在缺陷晶格中存在缺陷点缺陷（空位、间隙原子）点缺陷（空位、间隙原子）线缺陷（位

8、错）线缺陷（位错）面缺陷（层错）面缺陷（层错）与理想情况的偏离的影响与理想情况的偏离的影响极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影的物理性质和化学性质产生决定性的影响，同时也严重影响半导体器件的质量。响，同时也严重影响半导体器件的质量。1个个B原子原子/个个Si原子原子 在室温下电导率提高在室温下电导率提高 倍倍Si单晶位错密度要求低于单晶位错密度要求低于与理想情况的偏离的原因与理想情况的偏离的原因理论分析认为，杂质和缺陷的存在使得理论分析认为，杂质和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所产生的周期性原本周期性排列的原子所产生的周期性

9、势场受到破坏，并在禁带中引入了能级，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，从而使半导体允许电子在禁带中存在，从而使半导体的性质发生改变。的性质发生改变。间隙式杂质、替位式杂质间隙式杂质、替位式杂质杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂质称为该杂质称为间隙式杂质间隙式杂质。间隙式杂质原子一般比较小，如间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂（材料中的离子锂（0.068nm）。）。杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质称为该杂质称为替位式杂质替位式杂质。替位式杂质原子的大小和价电子壳

10、层结构替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构要求与被取代的晶格原子相近。如要求与被取代的晶格原子相近。如、族元素在族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。晶体中都为替位式杂质。间隙式杂质、替位式杂质间隙式杂质、替位式杂质单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度施主施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如并成为带正电的离子。如SiSi中的中的P P 和和As As N型半导体型半导体As半导体的掺杂半导体的掺杂施主能级施主能级受主受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半

11、导体中提供导电的空穴，：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如并成为带负电的离子。如SiSi中的中的B BP型半导体型半导体B半导体的掺杂半导体的掺杂受主能级受主能级半导体的掺杂半导体的掺杂、族杂质在族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，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，施主能级比导带底低 ，均为浅能级，这两种杂，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。质称为浅能级杂质。杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态杂质处于两种状态：中性态和离化态

12、。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。质向价带提供空穴成为负电中心。半导体中同时存在施主和受主杂质，且半导体中同时存在施主和受主杂质，且 。N型半导体型半导体N型半导体型半导体半导体中同时存在施主和受主杂质，且半导体中同时存在施主和受主杂质，且 。P型半导体型半导体P型半导体型半导体杂质的补偿作用杂质的补偿作用半导体中同时存在施主和受主杂质时，半半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是导体是N型还是型还是P型型由杂质的浓度差决定由杂质的浓度差决定半导体中净杂质浓度称为有效杂质浓度半导体中净杂质浓

13、度称为有效杂质浓度（有效施主浓度；有效受主浓度）（有效施主浓度；有效受主浓度）杂质的高度补偿（杂质的高度补偿（）点缺陷点缺陷弗仓克耳缺陷弗仓克耳缺陷间隙原子和空位成对出现间隙原子和空位成对出现肖特基缺陷肖特基缺陷只存在空位而无间隙原子只存在空位而无间隙原子间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大，间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大，为为热缺陷热缺陷，它们不断产生和复合，直至达到，它们不断产生和复合，直至达到动态平衡，总是动态平衡，总是同时存在同时存在的。的。空位空位表现为表现为受主作用受主作用；间隙原子间隙原子表现为表现为施主作施主作用用点缺陷点缺陷替位原子（化合物半导体）替位原子（化合

14、物半导体）位错位错位错是半导体中的一种缺陷，它严重影位错是半导体中的一种缺陷，它严重影响材料和器件的性能。响材料和器件的性能。位错位错施主情况施主情况 受主情况受主情况1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学热平衡状态热平衡状态在一定温度下，在一定温度下，载流子的产生载流子的产生和和载流子的复载流子的复合合建立起一动态平衡，这时的载流子

15、称为建立起一动态平衡，这时的载流子称为热热平衡载流子平衡载流子。半导体的热平衡状态受半导体的热平衡状态受温度温度影响，某一特定影响，某一特定温度对应某一特定的热平衡状态。温度对应某一特定的热平衡状态。半导体的半导体的导电性导电性受受温度温度影响剧烈。影响剧烈。态密度的概念态密度的概念能带中能量能带中能量 附近每单位能量间隔内的量子态附近每单位能量间隔内的量子态数。数。能带中能量为能带中能量为 无限小的能量间隔内无限小的能量间隔内有有 个量子态，则状态密度个量子态，则状态密度 为为态密度的计算态密度的计算状态密度的计算状态密度的计算单位单位 空间的量子态数空间的量子态数能量能量 在在 空间中所对

16、应空间中所对应的体积的体积前两者相乘得状态数前两者相乘得状态数根据定义公式求得态密度根据定义公式求得态密度空间中的量子态空间中的量子态在在 空间中，电子的允许能量状态密度为空间中，电子的允许能量状态密度为 ，考虑电子的自旋情况，电子的允许量子态密度为考虑电子的自旋情况，电子的允许量子态密度为 ，每个量子态最多只能容纳，每个量子态最多只能容纳一个电子一个电子。态密度态密度导带底附近状态密度（理想情况）导带底附近状态密度（理想情况）态密度态密度（导带底）（导带底）（价带顶）（价带顶）费米能级费米能级根据量子统计理论，服从泡利不相容原理的电根据量子统计理论，服从泡利不相容原理的电子遵循费米统计律子遵循费米统计律对于能量为对于能量为E E的一个量子态被一个电子占据的概的一个量子态被一个电子占据的概率率 为为 称为电子的费米分布函数称为电子的费米分布函数空穴的费米分布函数？空穴的费米分布函数？费米分布函数费米分布函数 称为费米能级或费米能量称为费米能级或费米能量温度温度导电类型导电类型杂质含量杂质含量能量零点的选取能量零点的选取处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级处于热平衡状态的电子系统有统