第1章半导体材料.ppt
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1、第一章 半导体材料(一),信息功能材料,第一章 半导体材料,半导体的基本特性、结构与类型半导体的导电机构半导体材料中的杂质和缺陷典型半导体材料的应用和器件,内容:,重点:,半导体的电子结构和能带典型半导体的应用,引 言,一些常见的半导体材料与器件:,半导体材料的分类,元素半导体,具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。硒是最早使用的,而硅和锗是当前最重要的半导体材料,尤其是硅材料由于具有许多优良特性,绝大多数半导体器件都是用硅材料制作的。,二元化合物半导体,它们由两种元素组成,主要是有III-V族化合物半导体、II-VI族化合物半导体、IV-VI族化合物半导体、II-IV族化合物半导体,铅
2、化合物及氧化物半导体等。,三元化合物半导体,以A1GaAs相GaAsP为代表的二元化合物半导体材料,已为人们广泛研究,可制作发光器件;AgSbTe2是良好的温差电材料;CdCr2Se、MgCr2S4是磁性半导体材料;SrTiO3是超导电性半导体材料,在氧欠缺的条件下,它表现出超导电性。,固溶体半导体,元素半导体或化合物半导体相互溶解而成的半导体材料称为固溶体半导体。它的一个重要特性是禁带宽度(Eg)随固溶度的成分变化,因此可以利用固溶体得到有多种性质的半导体材料。例:可以利用GaAs1-xPx随x变化而作出能发不同波长的发光二极管。Sb2Te3-Bi2Se3和Bi2Se3-Bi2Te3是较好的
3、温差电材料。,非晶态半导体,非晶态物质的特征是原子排列没有规律从长程看杂乱无章,有时也叫无定形物质;在非晶态材料中有一些在常态下是绝缘体或高阻体,但是在达到一定值的外界条件(如电场、光、温度等)时,就呈现出半导体电性能,称之为非晶态半导体材料,也叫玻璃态半导体;非晶态半导体材料在开关元件、记忆元件、固体显示、热敏电阻和太阳能电池等的应用方面有着重要应用和良好前景。,1.1 半导体材料的基本特性,能带:用来表示电子各种行为。能带结构:称能带、禁带宽度以及电子填充能带的情况能带和禁带宽度:取决于晶体的原子结构和晶体结构,而电子填充要遵从能量最小原理相泡利不相容原理。画能带时只需画能量最高的价带和能
4、量最低的导带,价带顶和导带底都称为带边,分别用Ev和Ec表示它们的能量。带隙宽度Eg:Eg=Ec-Ev本征半导体的能带结构分两类:直接带隙和间接带隙。,一、半导体的电子结构,1.半导体的能带结构,1.半导体的能带结构,直接带隙:价带顶和导带底直接对应,位于k空间同一点。间接带隙:价带顶和导带底不直接对应,位于k空间不同点。具有这两种能带结构的材料分别称为直接带隙半导体材料(如GaAs)和间接带隙半导体材料(如(Ge、Si)。,1.半导体的能带结构,直接带隙半导体材料和间接带隙半导体材料在光吸收、发光、输运现象和过剩载流子复合等行为上有明显的区别。发生光吸收或复合发光时,过程必须满足准动量守恒:
5、,其中ki为初始状态电子波矢,kf为末尾状态电子波矢,kq为光子波矢。对于间接带隙半导体,发生导带与价带之间光学跃迁时,需要声子参与才能满足上式;对于直接带隙半导体,不需要声子参与就能满足式上式,因此用直接跃迁型半导体制作发光和激光器件大有作为。,1.半导体的能带结构,用晶体中电子的能量E与波矢k的函数关系来描述电子在能带中的填充,对半导体起作用的常常是接近于导带底或价带顶的电子,因此只需列出带边附近E和k的关系。根据固体理论,当半导体材料导带底和价带顶部位于k空间原点(点),而且等能面为球面时,可推出:,导带底附近,价带顶附近,其中me*和mh*分别为导带底附近电子和价带顶附近空穴的有效质量
6、。,例:半导体材料Ge、Si和GaAs导带结构,第一:GaAs的导带底附近等能面形状为球面,因此GaAs的许多性质(如电阻率、磁阻效应等)呈各向同性;Ge、Si的等能面为旋转椭球面。Ge、Si的许多性质呈各向异性。,第二:Ge和Si是典型的多能谷半导体:导带极值不在k空间原点,按对称性的要求,必然存在若干个等价的能谷(称为多能谷半导体);GaAs为单能谷半导体:导带极值在k空间原点处,只有单个极值,称为单能谷半导体。,例:Ge、Si和GaAs导带结构,第三:多能谷半导体可用来制作压阻器件。如:Si的导带底处在方向,距原点约5/6处,因此它有6个对称的等价能谷,且每个等能面为旋转椭球面,电子的纵
7、向有效质量ml大于横向有效质量m2,即mlm2;因而沿椭球主轴方向的纵向迁移率I小于垂直于主轴方向的横向迁移率,当从x轴对N型硅施加压力时,导带结构发生变化,y轴相z轴上能谷的电子转移到x轴上的能谷,使x轴方向电导率减少,因此硅是制作压阻器件的一种材料。,例:Ge、Si和GaAs导带结构,第四:存在多种能量极值的半导体材料,由于不同极值处导带的曲率(E/K)不同,而且其曲率与该处电子的有效质量成反比,则发生转移电子效应。如GaAs的导带在位于方向的极值(可称为子能谷)比位于k空间原点的极值(可称为主能谷)高约0.36ev,而且前者电子的有效质量较大,迁移率较低,因此在强电场作用下,电子从原点极
8、值转移到100方向极值处时,产生负阻现象。利用此待性GaAs可以制作转移电子器件。根据实验表明InP是制作转移器件的更好半导体材料。,2.n型和p型半导体,半导体掺杂改变半导体的性质、载流子类型人工掺杂半导体材料设计器件掺杂工艺扩散、离子注入掺杂种类:施主掺杂(n型)高价元素掺杂,杂质原子提供的价电子数目多于半导体原子,多余的价电子很容易进入导带而成为电子载流子,半导体的电导率增加。受主掺杂(p型)低价元素掺杂,杂质原子提供的价电子数目少于半导体原子,很容易在价带中形成空穴,半导体的电导率同样增加。,Si的施主掺杂V族P掺杂,特点多余价电子与P+的弱库仑引力形成局域化的弱束缚态,很容易电离;电
9、离出来的电子填充在导带底部,成为导电载流子;束缚态能级施主能级Ed位于导带底部,比价带至导带的本征跃迁容易,可显著提高半导体的电导率!中性施主未电离的施主;电离施主电离后的施主;,利用类氢原子模型可以计算出施主能级,并将施主提供的多余电子近似看成是在相对介电常数为r的介质中运动,且基态是稳定的,可得:,Si的施主掺杂V族P掺杂,施主掺杂弱束缚态,使得电子很容易从施主能级Ed跃迁到导带,实现施主电离;主要载流子是导带上的电子多数载流子(多子);价带顶部的空穴少数载流子(少子);n型半导体,Si的受主掺杂III族B掺杂,特点B等可与Si形成固溶体共价网络;在三价B使得在四价Si的某个键上形成电子空
10、位,相当于一个带正电荷的粒子空位;空位如果在Si中是非局域化的,将位于价带顶部,形成空穴;空位与B-的弱库仑引力形成局域化的弱束缚态受主能级Ea,受主的中性束缚态即是空穴占据的能级Ea;电离态空穴从Ea跃迁到价带顶部,即电子从价带顶部跃迁到Ea,易于成为导电载流子,这种电子从价带顶部很容易跃迁到受主能级,因而会有效提高半导体的电导率受主能级Ea:,Si的受主掺杂III族B掺杂,受主掺杂弱束缚态,使得电子很容易从价带顶跃迁到施主能级Ea;主要载流子是价带顶附近的空穴多数载流子(多子);导带底附近的电子少数载流子(少子);p型半导体,3.半导体中的载流子分布,热平衡载流子分布本征半导体的热平衡载流
11、子分布杂质半导体的热平衡载流子分布非平衡载流子,3.半导体中的载流子分布,(1)热平衡载流子分布由Fermi-Dirac分布函数得导带上的电子数最后得到:,EF为Fermi能级kB为Boltzman Con.,Et为导带顶的能量gc(E)为导带上的态密度,n为导带上的电子浓度F(xF)为Fermi积分Nc导带上的等效电子密度,半导体中的载流子分布,各个中间参量计算出来之后,可得导带电子密度注意到空穴的统计分布为1-f(E),同样计算可得价带空穴密度为,(1)热平衡载流子分布,Nv价带上的等效电子密度,Nc导带上的等效电子密度,半导体中的载流子分布,由上两式可得Mass Action Law,(
12、1)热平衡载流子分布,Eg为半导体的禁带宽度:,质量作用定律的意义:对一个给定半导体而言,导带上电子浓度与价带上空穴浓度的乘积为常数,仅取决与半导体的禁带宽度。,半导体中的载流子分布,(2)本征半导体的热平衡载流子分布,对本征半导体而言,导带上的电子全部来源于价带上电子向导带的本征激发,因而,导带上的电子浓度与价带上的空穴浓度必然相等。故:本征半导体的热平衡载流子浓度:,相应可以得到费米能级:,绝对零度下,费米能级位于禁带中央,随温度升高,费米能级逐渐增加。,半导体中的载流子分布,杂质半导体的载流子浓度来源:本征激发+杂质电离;对于n型半导体,对导带上的电子载流子浓度是由本征激发和施主电离两者
13、的贡献。由电中性方程:把n、p代入电中性方程得:,(3)杂质半导体的热平衡载流子分布,n为导带电子浓度,Nd为电离施主浓度,p价带上空穴浓度,Nd为电离施主浓度,从这里,即可求出各种给定温度下的费米能级EF。从而求出导带上的电子载流子浓度。,半导体中的载流子分布,该方程没有解析解,只能给出数值解。关于Si的费米能级与温度和杂质的关系:,(3)杂质半导体的热平衡载流子分布,半导体中的载流子分布,当温度很低时,略去式中最后一项,可得:当T=0K时,Fermi能级位于导带底和施主能级的中央,温度升高时,逐渐升高。,(3)杂质半导体的热平衡载流子分布,半导体中的载流子分布,对于P型半导体,价带上的空穴
14、载流子浓度是由本征跃迁和受主电离两者的贡献。由电中性方程可写为:,(3)杂质半导体的热平衡载流子分布,P为价带上空穴载流子浓度N-d为电离受主浓度n为导带中电子载流子浓度,半导体中的载流子分布,非平衡载流子的概念当半导体受到外界作用时,除了热平衡载流子以外,还将受到光照、电场等的作用,这些外界条件也将激发载流子,称为非平衡载流子。P-n结的工作就是与非平衡载流子的注入和抽取有关。例:光辐照半导体产生的非平衡载流子与复合过程:,(4)非平衡载流子,半导体中的载流子分布,当用光子能量大于禁带宽度的光辐照半导体时,价带电子就可以跃迁到导带,形成非平衡载流子。相应的导带电子和价带空穴浓度为:,(4)非
15、平衡载流子,n0和p0分别为热平衡时电子和空穴的浓度,结论:非平衡载流子使得导电载流子浓度增加,半导体的导电率增加!由光激发所增加的部分电导率称为光电导!光敏元件的原理!,当光停止照射后,出现复合过程!需要一定时间非平衡载流子的寿命!,二.半导体中的电学性质,1、载流子的漂移运动及电导率,在外电场作用下,半导体中的载流子要受到电场力的作用,从而获得一定的漂移速率,在半导体中形成电流。,电子和空穴漂移方向相反;电子和空穴漂移速率一般不同:电子大于空穴;半导体的电导率为电子和空穴电导率之和。,二.半导体中的电学性质,如果载流子的电荷为e,浓度为,则电流密度为:,1、载流子的漂移运动及电导率,对n型
16、:主要以电子电导率为主;对p型:主要以空穴电导率为主;对本征半导体,n=p=ni,则:,二.半导体中的电学性质,(1)载流子的浓度,2、电导率的主要影响因素,载流子的浓度受温度影响热激发:本征半导体:载流子的浓度因本征激发而增加;杂质半导体:由杂质浓度和温度共同决定;,二.半导体中的电学性质,(2)载流子的散射,2、电导率的主要影响因素,受到各种散射作用的弛豫时间:,二.半导体中的电学性质,有效质量一定时,影响迁移率的主要因素是弛豫时间,左式对于电子载流子和空穴载流子都是适用的,(2)载流子的散射,二.半导体中的电学性质,电离杂质对载流子的散射机制类Rutherford 散射:,(2)载流子的
17、散射,晶格振动对载流子的散射机制声子散射,二.半导体中的电学性质,本征半导体 电阻率随温度上升而下降,负温度系数特性;,(2)电阻率与温度的关系,杂质半导体 不同温度段具有不同的温度系数特性。,半导体中的载流子分布,(2)本征半导体的热平衡载流子分布,对本征半导体而言,导带上的电子全部来源于价带上电子向导带的本征激发,因而,导带上的电子浓度与价带上的空穴浓度必然相等。故:本征半导体的热平衡载流子浓度:,相应可以得到费米能级:,绝对零度下,费米能级位于禁带中央,随温度升高,费米能级逐渐增加。,半导体中的载流子分布杂质情况,杂质半导体的载流子浓度来源:本征激发+杂质电离;对于n型半导体,对导带上的
18、电子载流子浓度是由本征激发和施主电离两者的贡献。由电中性方程:把n、p代入电中性方程得:,(3)杂质半导体的热平衡载流子分布,n为导带电子浓度,Nd为电离施主浓度,p价带上空穴浓度,Nd为电离施主浓度,从这里,即可求出各种给定温度下的费米能级EF。从而求出导带上的电子载流子浓度。,半导体中的载流子分布,该方程没有解析解,只能给出数值解。关于Si的费米能级与温度和杂质的关系:,(3)杂质半导体的热平衡载流子分布,半导体中的载流子分布,当温度很低时,略去式中最后一项,可得:当T=0K时,Fermi能级位于导带底和施主能级的中央,温度升高时,逐渐升高。,(3)杂质半导体的热平衡载流子分布,半导体中的
19、载流子分布,对于P型半导体,价带上的空穴载流子浓度是由本征跃迁和受主电离两者的贡献。由电中性方程可写为:,(3)杂质半导体的热平衡载流子分布,P为价带上空穴载流子浓度N-d为电离受主浓度n为导带中电子载流子浓度,半导体中的载流子分布,非平衡载流子的概念当半导体受到外界作用时,除了热平衡载流子以外,还将受到光照、电场等的作用,这些外界条件也将激发载流子,称为非平衡载流子。P-n结的工作就是与非平衡载流子的注入和抽取有关。例:光辐照半导体产生的非平衡载流子与复合过程:,(4)非平衡载流子,半导体中的载流子分布,当用光子能量大于禁带宽度的光辐照半导体时,价带电子就可以跃迁到导带,形成非平衡载流子。相
20、应的导带电子和价带空穴浓度为:,(4)非平衡载流子,n0和p0分别为热平衡时电子和空穴的浓度,结论:非平衡载流子使得导电载流子浓度增加,半导体的导电率增加!由光激发所增加的部分电导率称为光电导!光敏元件的原理!,当光停止照射后,出现复合过程!需要一定时间非平衡载流子的寿命!,二.半导体中的电学性质,1、载流子的漂移运动及电导率,在外电场作用下,半导体中的载流子要受到电场力的作用,从而获得一定的漂移速率,在半导体中形成电流。,电子和空穴漂移方向相反;电子和空穴漂移速率一般不同:电子大于空穴;半导体的电导率为电子和空穴电导率之和。,二.半导体中的电学性质,如果载流子的电荷为e,浓度为,则电流密度为
21、:,1、载流子的漂移运动及电导率,对n型:主要以电子电导率为主;对p型:主要以空穴电导率为主;对本征半导体,n=p=ni,则:,二.半导体中的电学性质,(1)载流子的浓度,2、电导率的主要影响因素,载流子的浓度受温度影响热激发:本征半导体:载流子的浓度因本征激发而增加;杂质半导体:由杂质浓度和温度共同决定;,本征半导体电阻率随温度上升而下降,负温度系数特性;,杂质半导体不同温度段具有不同的温度系数特性。,二.半导体中的电学性质,导带中的电子和价带中的空穴,在相同的电场作用下,产生漂移运动,但两者所获平均漂移速度不同,即电子迁移率e大于空穴迁移率p,而总导电作用为两者之和,即总电流密度:,其中,
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