半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì).ppt
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半導(dǎo)體物理與器件,肖朝亮xiaochaoliang7@,第1章半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì),1.1半導(dǎo)體與基本晶體結(jié)構(gòu)1.1.1半導(dǎo)體,導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體于絕緣體之間的一些單晶體，就叫半導(dǎo)體。,1.雜質(zhì)敏感性2.負(fù)溫度系數(shù)3.光敏性4.電場(chǎng)、磁場(chǎng)效應(yīng),1.1.2半導(dǎo)體材料的基本特性,晶體結(jié)構(gòu)是指原子在三維空間中周期性排列著的單晶體。晶胞：?jiǎn)尉w結(jié)構(gòu)可以用任意一個(gè)最基本的單元所代表，稱(chēng)這個(gè)最基本的單元叫晶胞。晶格：?jiǎn)尉w是由晶胞在三維空間周期性重復(fù)排列而成，整個(gè)晶體就像網(wǎng)格一樣，稱(chēng)為晶格。格點(diǎn)與點(diǎn)陣，組成晶體的原子重心所在的位置稱(chēng)為格點(diǎn)，格點(diǎn)的總體稱(chēng)點(diǎn)陣。,1.1.3半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu),3種常見(jiàn)的立方晶體的晶胞a）簡(jiǎn)單立方b）體心立方c）面心立方,金剛石結(jié)構(gòu)的晶胞與平面示意圖a）金剛石型結(jié)構(gòu)的晶胞b）硅晶體的平面結(jié)構(gòu)示意圖,金剛石型結(jié)構(gòu)a）正四面體b）結(jié)構(gòu),1.1.4晶面及其表示方法,密勒指數(shù)：密勒指數(shù)是界定晶體中不同平面的簡(jiǎn)單辦法，它可以由以下步驟確定：1.找出晶面在3個(gè)直角坐標(biāo)軸的截距值（以晶格常數(shù)為計(jì)量單位）；2.取這3個(gè)截距值的倒數(shù)，將其換算成最小的整數(shù)比；3.把結(jié)果用圓括號(hào)括起來(lái)（hkl），即為該晶面的密勒指數(shù)。,1.1.5半導(dǎo)體材料簡(jiǎn)介,材料永遠(yuǎn)起著決定一代社會(huì)科技水平的關(guān)鍵作用鍺是最早實(shí)現(xiàn)提純和完美晶體生長(zhǎng)的半導(dǎo)體材料硅是最典型、用量最廣泛而數(shù)量最多的半導(dǎo)體材料近年來(lái)一些化合物半導(dǎo)體材料已被應(yīng)用于各種器件的制作中半導(dǎo)體已經(jīng)發(fā)展成為種類(lèi)繁多的大科門(mén)類(lèi)材料,1.2半導(dǎo)體的能帶1.2.1孤立原子中電子能級(jí),孤立氫原子中電子能量公式：,m0是自由電子的慣性質(zhì)量；q為電子電荷；ε0為真空介電常數(shù)；h為普朗克常數(shù)；n為量子數(shù)取正整數(shù)。根據(jù)上式可得氫原子能級(jí)圖。,1.2.2晶體中電子的能帶,本節(jié)重點(diǎn)討論有原子結(jié)合成晶體時(shí)電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律1.晶體中電子的共有化運(yùn)動(dòng),價(jià)電子軌道重疊運(yùn)動(dòng)區(qū)域連成一片示意圖,2.晶體中電子能帶的形成,N個(gè)原子結(jié)合成晶體前后的能級(jí)狀態(tài),單個(gè)原子的能級(jí)與晶體能帶的對(duì)應(yīng)圖,1.2.3硅晶體能帶的形成過(guò)程,1.2.4能帶圖的意義及簡(jiǎn)化表示,晶體實(shí)際的能帶圖比較復(fù)雜，可以把復(fù)雜的能帶圖進(jìn)行簡(jiǎn)化,絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體的簡(jiǎn)化能帶圖a）絕緣體b）半導(dǎo)體c）導(dǎo)體,半導(dǎo)體能帶簡(jiǎn)化表示a）能帶簡(jiǎn)化表示b）能帶最簡(jiǎn)化表示,一般用“Ec”表示導(dǎo)帶底的能量，用Ev表示價(jià)帶底的能量，Eg表示禁帶寬度。,1.3本征半導(dǎo)體與本征載流子濃度1.3.1本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體填充能帶的情況a）T=0Kb）T>0K,本征半導(dǎo)體是指完全純凈的結(jié)構(gòu)完整的不含任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體.,本征半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴均能在外加電場(chǎng)作用下,產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)形成電流,把上述兩種荷載電流的粒子稱(chēng)為半導(dǎo)體的兩種載流子.導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度永遠(yuǎn)相等,這是本征半導(dǎo)體導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn).,1.3.2熱平衡狀態(tài)與熱平衡載流子濃度,在本征半導(dǎo)體中,載流子是由價(jià)帶電子受晶格熱運(yùn)動(dòng)的影響激發(fā)到導(dǎo)電帶中而產(chǎn)生的,熱激發(fā)有使載流子增加的傾向.導(dǎo)帶電子以某種形式放出原來(lái)吸收的能量與空穴復(fù)合,復(fù)合作用又使電子和空穴的數(shù)目減少.我們把載流子的熱激發(fā)產(chǎn)生率與復(fù)合率達(dá)到平衡的狀態(tài),稱(chēng)為半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài).熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度值稱(chēng)為熱平衡載流子濃度.,1.3.3本征載流子濃度,要分析載流子在外界作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,必須要知道它們的濃度及濃度分布情況.在半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶中,有很多能級(jí)存在,相鄰間隔很小,約為數(shù)量級(jí),可近似認(rèn)為能級(jí)是連續(xù)的,故可把能帶分為一個(gè)一個(gè)能量很小的間隔來(lái)處理.設(shè)電子濃度為n,首先計(jì)算能量增量dE范圍內(nèi)的電子濃度.定義n(E)是單位體積內(nèi)允許的能態(tài)密度N(E)與電子占據(jù)該能量的機(jī)率函數(shù)f(E)的乘積.對(duì)N(E)f(E)dE從導(dǎo)帶底Ec到導(dǎo)帶頂Etop進(jìn)行積分,可得電子濃度n.,式中N(E)稱(chēng)為能態(tài)密度,在單位體積晶體中,允許的能態(tài)密度表達(dá)式為,對(duì)于價(jià)帶空穴,單位體積中允許的能態(tài)密度表達(dá)式為,式中mn代表電子的有效質(zhì)量;mp代表空穴的有效質(zhì)量.電子占據(jù)能量為E的機(jī)率函數(shù)稱(chēng)為費(fèi)米分布函數(shù),其表達(dá)式為k為玻爾茲曼常數(shù);T為熱力學(xué)溫度;EF是費(fèi)米能級(jí).可以用曲線把費(fèi)米分布函數(shù)式表示出來(lái).,不同溫度下費(fèi)米分布函數(shù)隨(E-EF)的變化關(guān)系,a)T=0Kb)T>0K(T2>T1),下圖從左到右形象描繪出了能級(jí)分布,費(fèi)米分布及本征半導(dǎo)體與空穴在能帶中的分布情況.,a)能級(jí)分布圖b)費(fèi)米分布曲線c)電子與空穴的分布d)載流子濃度,1.費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)在能帶中所處的位置,直接決定半導(dǎo)體電子和空穴濃度.費(fèi)米能級(jí)的位置,1.3.4費(fèi)米能級(jí)與載流子濃度的關(guān)系,2.兩種載流子濃度的乘積由上式可以看出,隨溫度的升高.半導(dǎo)體np乘積的數(shù)值是要增大的.利用本征半導(dǎo)體電子和空穴濃度的關(guān)系可以得到因此半導(dǎo)體兩種載流子濃度的乘積等于它的本征載流子濃度的平方.,3.本征載流子濃度與本征費(fèi)米能級(jí)右圖為Si和GaAs中本征載流子濃度與溫度倒數(shù)間的關(guān)系,1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體與雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度1.4.1N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體:在純凈的本征半導(dǎo)體材料中摻入施主雜質(zhì)后，施主雜質(zhì)電離放出大量能導(dǎo)電的電子，使這種半導(dǎo)體的電子濃度n大于空穴濃度p，把這種主要依靠電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱(chēng)為N型半導(dǎo)體，如圖a所示。P型半導(dǎo)體：在純凈的本征半導(dǎo)體材料中摻入受主雜質(zhì)后，受主雜質(zhì)電離放出大量能導(dǎo)電的空穴，使這種半導(dǎo)體的空穴濃度p大于電子濃度n，把這種主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱(chēng)為P型半導(dǎo)體，如圖b所示。,硅中的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)a）硅中摻入磷原子b）硅中摻入硼原子,1.4.2施主與受主雜質(zhì)能級(jí),半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級(jí)和雜質(zhì)的電離過(guò)程能帶圖,1.4.3雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度,在室溫下對(duì)雜質(zhì)半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，要同時(shí)考慮雜質(zhì)激發(fā)和本征激發(fā)兩種結(jié)構(gòu)，雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的產(chǎn)生情況如圖,雜質(zhì)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)激發(fā)和本征激發(fā)a）N型半導(dǎo)體b）P型半導(dǎo)體,對(duì)于N型半導(dǎo)體，其少數(shù)載流子的濃度p為,對(duì)于P型半導(dǎo)體，其少數(shù)載流子的濃度n為,1.4.4雜質(zhì)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)及其與雜質(zhì)濃度的關(guān)系,雜質(zhì)半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)位置a）本征半導(dǎo)體b）N型半導(dǎo)體c）P型半導(dǎo)體,1.4.5雜質(zhì)半導(dǎo)體隨溫度的變化,不論半導(dǎo)體中的雜質(zhì)激發(fā)還是本征激發(fā)，都是依靠吸收晶格熱振動(dòng)能量而發(fā)生的。由于晶格的熱振動(dòng)能量是隨溫度變化的，因而載流子的激發(fā)也要隨溫度而變化。,載流子激發(fā)隨溫度的變化a）溫度很低b）室溫臨近c(diǎn)）溫度較高d）溫度很高,伴隨著溫度的升高，半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)也相應(yīng)地發(fā)生變化,雜質(zhì)半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)隨溫度的變化a）N型半導(dǎo)體b）P型半導(dǎo)體,Si、GaAs的費(fèi)米能級(jí)隨溫度變化曲線a）Sib）GaAs,1.5非平衡載流子,處于熱平衡狀態(tài)的載流子濃度稱(chēng)為熱平衡載流子濃度，用n0和p0分別表示熱平衡電子濃度和熱平衡空穴濃度，他們的乘積滿(mǎn)足下式：,1.5.1非平衡載流子的產(chǎn)生,如果對(duì)半導(dǎo)體施加外界作用，破壞了熱平衡的條件，迫使它處于熱平衡的相偏離的狀態(tài)，稱(chēng)非平衡狀態(tài)。,光照產(chǎn)生非平衡載流子示意圖,1.5.2非平衡載流子的壽命,產(chǎn)生非平衡載流子的外部條件撤出后，由于半導(dǎo)體的內(nèi)部作用，使它由非平衡狀態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)，過(guò)剩載流子逐漸消失，這一過(guò)程稱(chēng)為非平衡載流子的復(fù)合。非平衡載流子的指數(shù)衰減式為,非平衡載流子濃度隨時(shí)間的變化率,1.5.3非平衡載流子的復(fù)合類(lèi)型,直接復(fù)合：指導(dǎo)帶電子與空穴電子放出能量，直接跳回價(jià)帶與空穴復(fù)合所引起的電子-空穴對(duì)的消失過(guò)程；間接復(fù)合：指電子與空穴通過(guò)所謂復(fù)合中心進(jìn)行的復(fù)合。,1.5.4準(zhǔn)費(fèi)米等級(jí),引入準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)后，非平衡狀態(tài)下的載流子濃度也可以用與平衡載流子濃度類(lèi)似的公式來(lái)表達(dá),非平衡狀態(tài)下電子濃度和空穴濃度乘積為,N型半導(dǎo)體小注入前后準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離費(fèi)米能級(jí)的程度a）小注入前b）小注入后,1.6載流子的漂移運(yùn)動(dòng),半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴是可以參加導(dǎo)電的，它們的導(dǎo)電性表現(xiàn)在當(dāng)有外加電場(chǎng)作用在半導(dǎo)體上的時(shí)候，導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴將在電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，傳導(dǎo)電流，我們把該運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。,1.6.1載流子的熱運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng),沒(méi)有外電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)。在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，載流子的隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致其凈位移為零,a)隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)b)隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)和外加電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)合成,隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是沒(méi)有電荷遷移，不能形成電流。引入兩個(gè)概念：大量載流子碰撞間存在一個(gè)路程的平均值，稱(chēng)為平均自由程，用λ表示，其典型值為10-5cm；兩次碰撞間的平均時(shí)間稱(chēng)為平均自由時(shí)間，用τ表示,約為1ps；建立了上述隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)的圖像后，就可以比較實(shí)際地去分析載流子在外加電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)了。,外加電場(chǎng)E施加于半導(dǎo)體上時(shí)，每一個(gè)電子在電場(chǎng)力F=-qE的作用下，沿著電場(chǎng)的反方向在相繼兩次碰撞之間做加速運(yùn)動(dòng)，其加速度可表示為對(duì)于價(jià)帶空穴同樣有式中，mn，mp為電子空穴的有效質(zhì)量。,需要說(shuō)明的是這個(gè)加速度不能累積，每次碰撞之后，這個(gè)定向漂移運(yùn)動(dòng)的初始速度下降為零。也就是說(shuō)，載流子在電場(chǎng)作用下的加速度只有在兩次散射間存在。隨機(jī)熱運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的合成使載流子產(chǎn)生了凈位移。對(duì)于等加速度運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)平均自由時(shí)間τ之后的平均漂移速度應(yīng)為對(duì)電子對(duì)于空穴,1.6.2遷移率μ,遷移率定義為在單位電場(chǎng)作用下的載流子的漂移速度。電子的遷移率μn（單位為cm2/Vs）為則式中，μn是一個(gè)比例常數(shù)，描述了外加電場(chǎng)對(duì)載流子運(yùn)動(dòng)影響的程度。遷移率與平均自由時(shí)間及有效質(zhì)量有關(guān)。顯然，由于電子和空穴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，它們的有效質(zhì)量和平均碰撞時(shí)間都是不同的，因此半導(dǎo)體中的電子和空穴都有不同的遷移率。,左圖是硅中電子，空穴遷移率隨雜質(zhì)濃度的變化N型硅中電子和空穴的遷移率P型硅中電子和空穴的遷移率,載流子的遷移率還要隨溫度而變化。,a)μnb)μp,硅中載流子遷移率隨溫度變化的曲線,1.6.3半導(dǎo)體樣品中的漂移電流密度,設(shè)一個(gè)晶體樣品如圖所示，以單位面積為底，以平均漂移速度v為長(zhǎng)度的矩形體積。先求出電子電流密度，設(shè)電場(chǎng)E為x方向，在電場(chǎng)的作用下，電子應(yīng)沿著-x方向運(yùn)動(dòng)。,可求得電子的電流密度是,同樣可求得空穴的漂移電流密度為所以總的漂移電流密度是對(duì)于N型半導(dǎo)體，特別是強(qiáng)N型半導(dǎo)體，由于n>>p，式可簡(jiǎn)化為對(duì)于P型半導(dǎo)體，特別是強(qiáng)P型半導(dǎo)體，由于p>>n.可簡(jiǎn)化為,1.6.4半導(dǎo)體的電阻率ρ,電阻率是半導(dǎo)體材料的一個(gè)重要參數(shù)，其值為電導(dǎo)率的倒數(shù)。對(duì)于強(qiáng)P型和強(qiáng)N型半導(dǎo)體業(yè)有相應(yīng)的簡(jiǎn)化。從上面的公式可以看出，半導(dǎo)體電阻率的大小決定于n,p,μn,μp的具體數(shù)值，而這些參數(shù)又與溫度有關(guān)，所以電阻率靈敏的依賴(lài)于溫度，這是半導(dǎo)體的重要特點(diǎn)之一。,測(cè)試電阻率最常用的方法為四探針?lè)?。下圖即為利用四探針?lè)y(cè)量電阻率,溫度在300K時(shí)Si和GaAs電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系曲線,1.7載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),載流子在濃度不均勻的情況下，即存在濃度梯度時(shí)，從高濃度向低濃度的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，就叫載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。決定擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的是包括平衡與非平衡兩部分載流子的總濃度梯度，但對(duì)于雜質(zhì)分布均勻的樣品，其載流子濃度分布是均勻的，就不會(huì)有平衡載流子的擴(kuò)散。所以當(dāng)在雜質(zhì)分布均勻的樣品的一個(gè)面上注入非平衡載流子時(shí)，就可以只考慮非平衡載流子的擴(kuò)散，在小注入情況下，只考慮非平衡少數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。,1.7.1擴(kuò)散方程的建立,非平衡載流子的擴(kuò)散,左圖中示出的非平衡載流子空穴由表面向體內(nèi)的擴(kuò)散，可以近似認(rèn)為載流子只沿著垂直樣品表面的x方向。只考慮一維的情況下，非平衡載流子濃度隨x的變化可寫(xiě)成△p(x),因?yàn)閿U(kuò)散運(yùn)動(dòng)是由濃度梯度引起的，如果定義空穴擴(kuò)散流密度jp為單位時(shí)間垂直通過(guò)單位面積的空穴數(shù)，則擴(kuò)散流密度應(yīng)與濃度梯度成正比，則有上式描寫(xiě)了非平衡少數(shù)載流子空穴的擴(kuò)散規(guī)律，稱(chēng)菲克第一擴(kuò)散定律。,如果注入的是非平衡電子，則電子的擴(kuò)散流密度為由表面注入的空穴，由于濃度梯度的存在，要向N型Si體內(nèi)即右端方向擴(kuò)散，擴(kuò)散過(guò)程中不斷與電子相遇要產(chǎn)生復(fù)合而消失。若光照恒定，則表面非平衡載流子濃度恒定。此時(shí)的擴(kuò)散稱(chēng)為穩(wěn)定擴(kuò)散。,在穩(wěn)定分布之后，在擴(kuò)散區(qū)的任意處，非平衡少子的凈復(fù)合率等于少子擴(kuò)散流的改變率，即同理得到上兩式是一維穩(wěn)定擴(kuò)散情況下非平衡少數(shù)載流子所遵守的擴(kuò)散方程，稱(chēng)穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程。,它的一般解為,式中，Lp是空穴的擴(kuò)散長(zhǎng)度；系數(shù)A，B要根據(jù)邊界條件來(lái)確定。,1.7.2根據(jù)相應(yīng)的邊界條件確定△p(x)的特解,1.樣品足夠厚邊界條件為常數(shù)A與B：特解為：擴(kuò)散流密度式為,,,,,,,,,,,,,2.樣品足夠薄邊界條件為常數(shù)A與B：特解為：,,當(dāng)W<下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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