1、第二章半导体物理基础,主要内容,一、半导体材料及其结构 二、半导体的电子状态和能带 三、半导体中的载流子 四、半导体中的掺杂 五、半导体中的载流子及其输运 六、半导体中的光电特性,一、半导体材料及其结构,1、什么是半导体？固体材料从导电特性上分成：超导体、导体、半导体、绝缘体从导电特性和机制来分：不同的禁带宽度及其温度特性，不同的输运机制,能带结构,Semiconductor,导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，叫做半导体。电阻率在10-4-1010 cm.,半导体的基本特性,元素半导体和化合物半导体 晶态半导体、非晶及多晶半导体 无机半导体和有机半导体 本征半导体和杂质半导体,半导体的种类,
2、温度效应-负温度系数 掺杂效应-杂质敏感性 光电效应-光电导 电场、磁场效应,常见的半导体材料,按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以将固体分为：,单晶 有周期性,非晶 无周期性,多晶 每个小区域有周期性,3、晶体的结构 1）晶体和晶格：由于构成晶体的粒子的不同性质，使得其空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空间点阵成为晶格。 2）晶体结构与原子结合的形式有关晶体结合的基本形式：共价结合、离子结合、金属结合、范德瓦耳斯结合半导体的晶体结构：主要有金刚石结构（ Ge、Si）闪锌矿结构（GaAs等III-V族和CdTe等II-VI族化合物） 纤锌
3、矿结构（部分III-V族和II-VI族化合物),金刚石结构,闪锌矿结构,纤锌矿结构,晶格 在点阵中把所有格点连接起来所构成网络,空间点阵 晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的结点在空间有规则地作周期性的无限分布，结点的空间集合称为点阵。,结点(格点) 构成晶体空间结构的质点的重心,NaCl的晶体结构,结点示意图,晶体结构 = 点阵 + 结构基元,4、晶体结构的拓扑描述,晶列指数和晶面指数,晶列：在一个晶格结构中通过任意两个结点的连线。 晶列族：平行于某一晶列的所有晶列的组合。,晶面：在一个晶格结构中通过任意不在同一晶轴上的 三个结点构成的平面 晶面族：平行于某一晶面的所有晶面的组合,晶体的晶
4、面用晶面指数（密勒指数）表示：该晶面与坐标轴截距的倒数可以化为互质整数。,二、半导体中的电子状态和能带,1. 原子的能级和晶体的能带,硅 Si,IV 族元素 原子序数14,硅原子以共价键结合形成硅晶体出现sp3杂化,一个3s轨道和3个p轨道混 合，形成4个杂化轨道sp3,硅原子有： 2个3s电子 2个3p电子,本征半导体的共价键结构,硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。,这种结构的立体和平面示意图见图2-1。,邻近的 杂化轨 道交叠,反成键态,成键态,形
5、成导带CB Conduction band,与SiSi 键相对应,形成价带VB Valence band,当原子组成晶体时，根据量子力学原理，单个原子中的每个能级都要分裂，形成能带。严格地讲，能带也是由一系列能级组成，但能带中的能级是如此之多，以至于同一个能带内部各个能级之间的间隔非常小，因此完全可将能带看成是连续的。,电子的共有化运动,(a) E(k)和k的关系; (b) 能带; (c) 简约布里渊区,根据能带理论，由量子力学中薛定谔方程求解的能带。,Si、Ge和GaAs的能带结构,间接带隙半导体,带隙半导体,半导体的能带结构价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被
6、电子填充的能量最低的能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差,Ec为导带底,EV为价带顶,能带结构图，它表明了晶体中的电子的运动状态和能量的关系；在一块处于热平衡的晶体中，空间每一点的物理状态以及电子的运动状态都是一样的，处于导带底状态的电子的能量都是 Ec ，处于价带顶状态的电子的能量都是 Ev.,能带结构与导电特性,导带全空，没有能 够参与导电的电子,价带全满，电子无 法在外场下运动， 产生净电流,半导体和绝缘体 没有什么差别,导带有少量电子，能够参与导电,价带有部分空位， 也能够在外场下运 动，产生净电流。,半导体的导电特性由 材料的禁带宽度决定,满带不导电！,由于热振动 可能会使电 子获
7、得足够 的能量，脱 离价键的束 缚，由价带 激发到导电,0K时：,一定温度下时：,不满带导电机理,2、金属、半导体与绝缘体,能带结构的不同造成导电性能的不同。,金属没有带隙Eg=0 半导体的带隙较小(13 eV) 绝缘体的带隙很大,三、半导体中的载流子,电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子。 空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位。,半导体中的载流子：能够导电的自由粒子,(1)电子空穴对,当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱
8、原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。,这一现象称为本征激发，也称热激发。,可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示。,本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。,本征激发和复合的过程,(2) 空穴的移动,自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们的方向相反。只不过空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,价带中
9、空穴的运动,电子和空穴的有效质量m*半导体中的载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，是考虑了晶格作用后的等效粒子。,有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用如果把在晶体的周期势场作用下运动的电子，等效看成一个自由运动的准粒子，则该准粒子的等效质量称为有效质量，一般由E-k关系给出，可正、可负，电子正，空穴负。,有效质量概括了晶体势场对电子运动的影响,有效质量：,四、半导体中的掺杂,1 半导体的杂质和缺陷 杂质：在半导体晶体中引入的新的原子或离子 缺陷：晶体按周期性排列的结构受到破坏,杂质和缺陷的存在会使严格按周期性排列的晶体原子所产生的周期势场受到破坏，其结果是在半导体中引入
10、新的电子能级态，这将对半导体的特性产生决定性的影响。,Si能够得到广泛应用的重要原因是：可对其杂质实现可控操作，从而实现对半导体性能的精确控制。,掺杂： 为控制半导体的性质，人为掺入杂质的工艺过程 掺杂杂质一般为替位式杂质 扩散和注入是典型的掺杂工艺 杂质浓度是掺杂的重要因子：单位体积中杂质原子数,替位式杂质：取代本体原子位置，处于晶格点上；这类杂质原子价电子壳层结构接近本体原子，如、族在Si、Ge(族)中的情况；、族在化合物中。,A：间隙杂质,2 本征半导体,本征半导体：没有掺入杂质的纯净半导体 本征半导体的能带结构：禁带中无载流子可占据的能级状态 本征载流子浓度：电子和空穴浓度相同n=p,
11、3 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。,(1) N型半导体(2) P型半导体,(1）N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,N型半导体结构示意图,在N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由 杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。,提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为 正离子，因此五价杂质
12、原子也称为施主杂质。,(2) P型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,P型半导体的结构示意图,p型半导体的结构图,P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，由热激发形成。,空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三 价杂质因而也称为受主杂质。,施主：掺入到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Si中掺入五价的P 和As.As：V族，其中的四个价电子与Si形成共价键，但多出一个电子只需要很低的能量便能该
13、电子电离进入导带，形成导电电子和带正电的电离施主。 受主：掺入到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Si中掺入三价的B.B：III族，只有三个价电子，与Si形成共价键，并出现一个空位，只需要很低的能量便能使价带中的电子填补空位，并形成价带空穴和带负电的电离受主。,施主和施主能级 由于施主杂质的掺入而在半导体带隙中新引入的电子能级,As多余的电子由于受正离子的吸引，能量较导带电子能量要低，同时，吸引作用比共价键结合要弱，因此能量较价带电子要高，施主能级位于带隙中，离导带很近：0.03eV。,电离：施主向导带释放电子的过程。未电离前，施主能级是被电子占据的,电离
14、后导带有电子，施主本身带正电。,施主的电离和电离能,电离所需要的最小能量称为电离能，通常为导带底与施主能级之差。,受主和受主能级 由于受主杂质掺入而在半导体带隙中新引入的电子能级，该能级未占据电子，是空的，容易从价带获得电子。,B原子多出的电子空位很容易接受价带电子，形成共价键，因此较导带更接近价带：0.05eV。,受主电离和电离能,受主能级从价带接受电子的过程称为受主的电离，未电离前，未被电子占据。,电离所需要的最小能量即为受主电离能，为价带顶与受主能级之差。,施主杂质与受主杂质比较,1）杂质的带电性未电离：均为电中性电离后：施主失去电子带正电，受主得到电子带负电 2）对载流子数的影响掺入施
15、主后：电子数大于空穴数掺入受主后：电子数小于空穴数,杂质的补偿原理-pn结实现原理,（a）NDNA,当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，这种两种不同类型的杂质有相互抵偿的作用，称为杂质补偿作用。补偿后半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度，只有有效的杂质浓度才能有效地提供载流子浓度。,（b）ND NA,杂质对半导体导电性的影响,掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,4 半导体中的载流子浓度,（1）费米分布函数概括电子热平衡状态的重要函数物理意义：电子达到热平衡时，能量为E的能级被电子占据的几率。费米能级EF：反映电子
16、的填充水平，是电子统计规律的一个基本概念。 Ei表示本征情况下的费米EF能级，基本上相当于禁带的中线（略微偏离中线）。,A:0k, B:300k, C:1000k, D:1500k,费米分布函数与温度的关系,T0k， 若E= EF ， 则f(E) =1/2 ；若E1/2 ；若E EF ， 则f(E) 1/2 ；,温度升高，能量比EF高的量子态被电子占据的概率上升。,费米能级能够画在能级图上，表明它和量子态的能级一样，描述的是一个能量的高低。但是，它和量子能级不同，它并不代表电子的量子态，而只是反映电子填充能带情况的一个参数。从图看到，从重掺杂p型到重掺杂N型，费米能级越来越高，填进能带的电子越
17、来越多。 不管费米能级的具体位置如何，对于任一给定的半导体材料，在给定温度下的电子、空穴浓度的乘积总是恒定的。,单位体积下，导带中的电子浓度n和价带中的空穴浓度p分别为：,Nc、Nv是常数。,由于,根据电中性条件np，得,（2）导带和价带中的载流子浓度,本征情况,电子、空穴浓度分别为：,定义式:,掺杂情况 对于掺杂浓度为ND的N型半导体（完全电离时）： 电中性条件（npND）可简化为nND，可得,即,同理，对于掺杂浓度为NA的P型半导体：,对于p型半导体，随着温度升高，曲线从左到右向上倾斜，EF逐渐从价带方向趋向禁带的中间，在高温时达到本征（EFEi）。,EFEi,n型半导体,p型半导体,（3
18、）过剩载流子（非平衡载流子） 由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子。 准费米能级当半导体的平衡被破坏，经常出现平衡有不平衡的局面，即分别就导带和价带电子来说，它们各自基本上处于平衡状态，当导带和价带之间又是不平衡的，表现在它们各自的费米能级互不重合。在这种准平衡情况下，称各个局部的费米能级为“准费米能级”。 非平衡电子、空穴浓度分别为,过剩载流子与准费米能级示意图,产生与复合是过剩载流子运动的主要形式 在简单的情况下，过剩载流子随时间按指数规律衰减：,非平衡载流子的寿命,寿命 -,非平衡载流子的平均生存时间,寿命取决于载流子
19、复合模式,直接复合,间接复合,直接复合,间接复合,小注入：,大注入：,如：小注入下强n型半导体,Nt:复合中心浓度,rp:空穴复合几率,半导体中杂质、缺陷的主要作用：,(1)、 起施主或受主作用-,(2)、 复合中心作用-,(3)、陷阱效应作用-引起半导体特性弛豫,浅杂质能级,深杂质能级、晶格缺陷,决定半导体导电类型和电阻率,决定非平衡载流子寿命,陷阱中心,五 半导体中载流子运动,热运动:导带中的电子和价带中的空穴始终在进行着无规热运动,热平衡时热运动是随机的统计平均的结果净电流为0。 漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向一致。 扩散运动：由于载流子
20、浓度的差异，而形成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运动。,1、载流子的运动,载流子的漂移运动 载流子在电场作用下的输运过程漂移运动实际是载流子在电场作用下经历加速、碰撞过程的平均结果。,外场下，导带电子和价 带空穴同时进行漂移运 动，对电导有贡献。,半导体中载流子在电场作用下，将做定向漂移运动，设其定向漂移运动的平均速度（称为漂移速度）为v。,其中n为载流子的浓度，q为载流子的电量。,实验显示，在弱电场下，载流子的漂移速度v与电场成正比E。,与欧姆定律比较得到半导体的电导率表达式,迁移率：为单位电场作用下载流子获得平均速度，反映了载流子在电场作用下输运能力，是反映半导体及其器件导电能力
21、的重要参数。单位：cm2/Vs。,强场下漂移速度趋于饱和,求得平均漂移速度,获得迁移率的表达式,其中平均自由时间。,由,影响迁移率的因素,不同的半导体材 料的迁移率不同,不同类型的载流子迁移率不同,电子迁移率空穴迁移率,GaAs Ge Si,-平均自由时间，即相邻两次碰撞之间的平均时间。,其影响因素与散射模式相关,电离杂质散射,晶格散射,半导体中有电子和空穴两种载流子，电场作用下的电流密度,得到电导率与迁移率的关系式,一般情形，半导体电子和空穴的迁移率在同一数量级，因此，其电导率主要由多数载流子决定。,当半导体中存在载流子浓度梯度时，将发生载流子的扩散运动，满足扩散方程，并形成扩散电流。 在一
22、维分布情形下，载流子的扩散密度为：扩散流密度负号反映扩散流总是从高浓度向低浓度流动。 电子扩散电流：空穴扩散电流：,载流子的扩散运动,爱因斯坦关系,在平衡条件下，利用电流方程，可导出爱因斯坦关系这是半导体中重要的基本关系式之一，反映了漂移和扩散运动的内在联系,当同时存在电场和载流子浓度梯度时，载流子边漂移边扩散。 如果在半导体一面稳定地注入非平衡载流子，它们将一边扩散一边复合，形成一个有高浓度到低浓度的分布N（x）：非平衡载流子的扩散长度L：非平衡载流子在被复合前扩散的平均距离。,复杂体系半导体中载流子遵守的连续性方程,连续性方程： (非平衡载流子在未达到稳定状态前，载流子随时间的变化率必须等
23、于其产生率加上积累率再减去复合率),（产生、复合、漂移、扩散）共同存在,对空穴,对电子,辐射跃迁和光吸收,在固体中，光子和电子之间的相互作用有三种基本过程：吸收、自发发射和受激发射。,两个能级之间的三种基本跃迁过程 (a) 吸收 (b) 自发发射 (c) 受激发射,六、半导体中的光电特性,电光效应和 光电效应,pn结注入式场致发光原理,半导体发光包括激发过程和复合过程。这两个过程衔接，是发光必不可少的两个环节。 在pn结上施加正偏压，产生注入效应，使结区及其左右两边各一个少子扩散长度范围内的少子浓度超过其热平衡少子浓度。超过部分就是由电能激发产生的处于不稳定高能态的非平衡载流子，它们必须通过第
24、二过程：复合，达到恒定正向注入下新稳态。,电光效应,复合分为辐射复合和非辐射复合。辐射复合过程中，自由电子和空穴具有的能量将变成光而自然放出。非辐射复合过程中，释放的能量将转变为其它形式的能，如热能。因此，为提高发光效率应尽量避免非辐射复合。 辐射复合的几条途径是：带-带复合、浅施主-价带或导带-浅受主间复合、施-受主之间复合、通过深能级复合等。,发光器件 发光二极管：靠注入载流子自发复合而引起的自发辐射；非相干光。 半导体激光器则是在外界诱发的作用下促使注入载流子复合而引起的受激辐射；相干光，具有单色性好、方向性强、亮度高等特点。,光电效应,当光照射到半导体上时，光能量作用于物体而释放出电子
25、的现象称为光电效应。光电效应分为内、外光电效应两大类。,1 外光电效应光电发射效应在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。基于这类效应的器件有光电管、光电倍增管。能否产生光电效应由爱因斯坦光电效应方程判别：,从上式可知：当光子能量大于逸出功时，才产生光电效应；当光子能量恰好等于逸出功时的0称为红限频率(对应于长波限)。小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电效应。反之，入射频率高于红限频率，即使光线微弱也会有光电效应。,（每个光子具有的能量 = 电子动能+逸出功）,式中：m电子质量； v电子逸出速度,2 内光电效应受光照物体电导率发生变化或产生光电动势的现象称为
26、内光电效应。,(1) 光电导效应在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态而引起材料电阻率的变化，此现象称为光电导效应。 光电导可分为：本征光电导和杂质光电导。,光电导材料的电导率 无光照时：0 = n0qn+p0qp (暗电导) 有光照时： = 0+pn其中：pn= nqn+pqp (光电导),利用光电导效应可以制造出各种波长范围的光敏电阻，光敏二极管，光敏晶体管和CCD图象传感器。,（2）光生伏特效应,半导体受光照射产生电势的现象称为光生伏特效应。,光照引起pn结两端产生电动势的现象称为pn结光生伏特效应。当光照射到结区时，产生电子与空穴对，其中电子被内建电场扫向n区、空穴被内建电场扫向p区，电子在n区积累而空穴在p区积累，使pn结两端出现由光照而产生的电动势。,思考题,什么是半导体？ 什么是半导体中的载流子？ 什么是本征半导体、n型、p型半导体？ 什么因素影响半导体的导电特性？ 载流子在半导体中是怎样运动的？,
