第二章半导体物理基础知识课件

大家好大家好12第二章 半导体物理基础知识3典型半导体的晶体结构典型半导体的晶体结构硅、锗：共价半导体硅、锗：共价半导体硅、锗晶体结构：金刚石结构硅、锗晶体结构：金刚石结构金刚石结构金刚石结构每每个个原原子子周周围围有有四四个个最最邻邻近近的的原原子子，这这四四个个原原子子处处于于正正四四面面体体的的顶顶角角上上，任任一一顶顶角角上上的的原原子子和和中中心心原原子子各各贡贡献献一一个个价价电电子子为为该该两两个个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。原子所共有，并形成稳定的共价键结构。共价键夹角：共价键夹角：109284闪锌矿结构闪锌矿结构AsGa结晶学原胞结构特点：结晶学原胞结构特点：与金刚石结构的区别：与金刚石结构的区别：两两类类原原子子各各自自组组成成面面心心立立方方晶晶格格，沿沿空空间间对对角角线线方方向向彼彼此此位位移移四四分分之之一一空空间间对对角线长度套构而成。角线长度套构而成。共价键具有一定的极性（两类原子的电负性不同），因此晶体不同晶面的性质不同。共价键具有一定的极性（两类原子的电负性不同），因此晶体不同晶面的性质不同。不同双原子复式晶格。不同双原子复式晶格。常见闪锌矿结构半导体材料常见闪锌矿结构半导体材料-族化合物（族化合物（GaN,GaAs,AlN）部分部分-族化合物，除硒化汞，碲化汞为半金属材料。族化合物，除硒化汞，碲化汞为半金属材料。5纤锌矿型结构纤锌矿型结构与闪锌矿型结构相比与闪锌矿型结构相比相同点相同点：以正四面体结构为基础构成以正四面体结构为基础构成区别：区别：具有六方对称性，而非立方对称性具有六方对称性，而非立方对称性共价键的离子性更强共价键的离子性更强硫硫化化锌锌、硒硒化化锌锌、硫硫化化镉镉、硒硒化化镉镉等等材材料料均均可可以以闪闪锌锌矿矿型型和和纤纤锌锌矿矿型型两种结构结晶。两种结构结晶。6能带的形成能带的形成原原子子中中的的电电子子在在原原子子核核周周期期势势场场和和其其他他电电子子作作用用下下，分分列列在在不不同同能能级级，形形成成电电子子壳壳层层（轨道）（轨道）不同支壳层电子用不同支壳层电子用1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 等符号表示，对应确定能量等符号表示，对应确定能量原原子子组组成成晶晶体体后后，由由于于电电子子壳壳层层的的交交叠叠，电电子子并并不不完完全全局局限限于于某某一一个个原原子子中中，在在整整个个晶体中自由运动，形成电子的共有化运动晶体中自由运动，形成电子的共有化运动共有化运动就会形成能级的分裂共有化运动就会形成能级的分裂7能带特点：能带特点：分分裂裂的的每每一一个个能能带带称称为为允允带带，允允带带间间的的能能量量范范围围称称为禁带；为禁带；内内层层原原子子受受到到的的束束缚缚强强，共共有有化化运运动动弱弱，能能级级分分裂裂小，能带窄；小，能带窄；外外层层原原子子受受束束缚缚弱弱，共共有有化化运运动动强强，能能级级分分裂裂明明显显，能带宽。能带宽。8n 当很多原子结合在一起时，所有电子的能级分当很多原子结合在一起时，所有电子的能级分裂的结果，形成一组密集的能级带，简称裂的结果，形成一组密集的能级带，简称能带能带。用。用电子能量来衡量，电子能量来衡量，半导体中半导体中能带能带可分为可分为价带价带、导带导带和和禁带禁带（又称为带隙）。（又称为带隙）。a电子受到周期性势场的作用。电子受到周期性势场的作用。能级被电子占据的概率满足能级被电子占据的概率满足费米分布函数费米分布函数（1 1）半导体中的能带）半导体中的能带9n价带价带：是价电子能级分裂出来的价电子能带。是价电子能级分裂出来的价电子能带。当当晶体处于绝对零度和无外界激发时，价电子完全晶体处于绝对零度和无外界激发时，价电子完全被共价健束缚住，被共价健束缚住，此时价带是满带此时价带是满带且是不导电的。且是不导电的。n导带：导带：半导体内部自由运动的电子半导体内部自由运动的电子(简称自由电子简称自由电子)所填充的能带（是所填充的能带（是电子部分占满的能带，电子部分占满的能带，当有自当有自由电子时，它们在外电场作用下就能参与导电由电子时，它们在外电场作用下就能参与导电 ）称为导带；称为导带；导带是自由电子能带。在没有自由电导带是自由电子能带。在没有自由电子的情况下，这个能带是空带。子的情况下，这个能带是空带。n禁带（带隙）：禁带（带隙）：在价带和导带之间在价带和导带之间不允许电子填不允许电子填充的充的空隙，称为禁带或带隙。空隙，称为禁带或带隙。价带、导带价带、导带和和禁带禁带10EEg禁带绝缘体价带导带导带价带EEg禁带半导体导带价带E导体空带空带半满带半满带111213141516（2 2）费米原理与费米能级）费米原理与费米能级）费米原理与费米能级）费米原理与费米能级n 物物质质中中的的电电子子在在不不断断地地作作无无规规则则的的运运动动，它它们们可可以以从从较较低低的的能能级级跃跃迁迁到到较较高高的的能能级级，也也可可以以从从较较高高的的能能级级跃跃迁迁到到较较低低的的能能级级。就就一一个个电电子子来来看看，所所具具有有的的能能量量时时大大时时小小，不不断断地地变变化化，但但从从大大量量电电子子的的统统计计规规划划来来看看，电电子子按按能能量量大大小小的的分分布布却却有有一一定定规规律律。因因而而我我们们只只能能从从大大量量电电子子的的统统计计规规律律来来衡衡量量每每个个能能级被电子占据的可能性。级被电子占据的可能性。费米费米(意大利意大利 19011954)1938获得诺贝尔物理学奖 发错的诺贝尔奖 17费米分布函数（Fermi-Dirac Distribution Function）半导体中的载流子（电子或空穴）是带电的，能量是量子化的，其运动规半导体中的载流子（电子或空穴）是带电的，能量是量子化的，其运动规律、分布状态服从量子统计理论。律、分布状态服从量子统计理论。量子统计理论认为：同一系统中的电子（或空穴）是全同的，不可分同一系统中的电子（或空穴）是全同的，不可分 辨的，任意两个电子交换，并辨的，任意两个电子交换，并不引起新的微观状态。不引起新的微观状态。电子（或空穴）在量子态中的分布服从能量最小电子（或空穴）在量子态中的分布服从能量最小原理和泡利不相容原理原理和泡利不相容原理18 根据以上理论，在热平衡下根据以上理论，在热平衡下，每个能量为每个能量为E E的量子的量子态被一个电子占据的几率为态被一个电子占据的几率为：每个单量子态最多能容纳一个电子或者是空的即不被电子占据。fn(E)称为电子的费米分布函数称为电子的费米分布函数，kB、T 分别为分别为波耳兹曼常数波耳兹曼常数和和热力学温度热力学温度。EF 称为称为费费米能级米能级，它与物质的特性有关。它与物质的特性有关。19 电子占据不同能级的几率电子占据不同能级的几率：T=0K时，时，前者表示小于前者表示小于 的量子态全被电子占据，的量子态全被电子占据，后者表示大于后者表示大于 的量子态全空着。的量子态全空着。费米分布函数的意义1 4.14.14.14.1半导体中的能带半导体中的能带半导体中的能带半导体中的能带 故在热力学温度为零度时，费米能级故在热力学温度为零度时，费米能级EF可以看成量子态是否被电子占可以看成量子态是否被电子占据的一个界限据的一个界限20T0K时：无关费米分布函数的意义2 4.14.14.14.1半导体中的能带半导体中的能带半导体中的能带半导体中的能带 上述结果说明，当系统温度高于热力学零度时，如果上述结果说明，当系统温度高于热力学零度时，如果量子态的能量低于费米能级量子态的能量低于费米能级，则该量子态，则该量子态被电子占据概率大于被电子占据概率大于50%50%；如果如果量子态的能量高于费米能级量子态的能量高于费米能级，则该量子态被电子占据概率小于，则该量子态被电子占据概率小于50%50%；当当量子态的能量等于费米能级量子态的能量等于费米能级，则该量子态被电子占据概率等于，则该量子态被电子占据概率等于50%50%。21由图看到：时，即T，电子 占据高能态的几率，占据低能态的几率。时，与温度无关。图3-3 电子的费米分布函数22n 在在（2.262.26）式式中中，当当E-EFkBT时时，由由于于(E-EF)/kBT1，费费米米分分布布函函数数就就转转化化为为波波耳耳兹兹曼曼分分布布：n 上上式式说说明明，在在一一定定温温度度下下，电电子子占占据据能能量量为为E的的能能级级的的几几率率fB(E)由由(2.28)(2.28)式中指数因子所决定，即电子能级的分布近似服从波耳兹曼分布规律。式中指数因子所决定，即电子能级的分布近似服从波耳兹曼分布规律。波耳兹曼分布波耳兹曼分布费米分布函数的意义3 23 空穴占据各能级的几率：费米分布函数的意义4 空穴的玻尔兹曼分布：24非简并半导体非简并半导体可用可用BoltzmannBoltzmann分布函数分布函数代替代替FermiFermi函数函数。载流子服从载流子服从BoltzmannBoltzmann分布的半导体称为分布的半导体称为非简非简并半导体并半导体。满足。满足Fermi分布的半导体称简并半导体。简并半导体。在半导体中,常遇的情况是费米能级 位于禁带中，且与导带底或价带顶的距离远大于kBT,满足。图 导带能级一般满足25费密能级费密能级EF EF 是是一一种种用用来来描描述述电电子子的的能能级级填填充充水水平平的的假假想想能能级级，EF 越越大大，表表示示处处于于高高能能级级的的电电子子越越多多；EF 越小，则表示高能级的电子越少。越小，则表示高能级的电子越少。EF 在在能能级级图图中中的的位位置置与与材材料料掺掺杂杂情情况况有有关关，对本征半导体，处于禁带的中央。对本征半导体，处于禁带的中央。本征半导体 N型半导体 P型半导体 26n 轻掺杂半导体轻掺杂半导体n 如如果果是是N型型材材料料由由于于电电子子占占据据导导带带的的几几率率较较大大，则则EF的位置上移离导带不远。的位置上移离导带不远。n 如果如果是是P型材料则型材料则 EF 的位置下移离价带不远。的位置下移离价带不远。EEg禁带N型价带导带EFEEg禁带P型价带导带EF27n重掺杂半导体重掺杂半导体n 对对N 型型材材料料，能能参参与与导导电电的的电电子子比比空空穴穴多多许许多，多，EF 的有可能进入导带；的有可能进入导带；n 对对P 型材料，型材料，EF 可能进入价带。可能进入价带。EFEEg禁带P型价带导带EFEEg禁带N型价带导带28293031323334 晶格散射归因于在任何高于绝对零度下的晶格原子的热振动随温度增加而增加，晶格原子的振动会引起载流子的散射，在高温下晶格散射自然变得显著，迁移率也因此随着温度的增加而减少。理论分析显示晶格散射所造成的迁移率L将随T-3/2方式减少。353637383940 一一般般状状态态下下，本本征征半半导导体体的的电电子子和和空空穴穴是是成成对对出出现现的的，用用EF F 位位于于禁禁带带中中央来表示。央来表示。在本征半导体中掺入施主杂质，称为在本征半导体中掺入施主杂质，称为N型半导体。型半导体。在本征半导体中，掺入受主杂质，称为在本征半导体中，掺入受主杂质，称为P型半导体。型半导体。PN结的特性结的特性pn结41 硅的晶格结构硅的晶格结构硅的晶格结构硅的晶格结构(平面图平面图)本征半导体材料本征半导体材料 Si电子和空穴是成对出现的电子和空穴是成对出现的受热时，受热时，Si电子受到热激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对电子受到热激励跃迁到导带，导致电子和空穴成对出现。此时外加电场，发生电子出现。此时外加电场，发生电子/空穴移动导电。空穴移动导电。本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体：完全纯净、结构完整没有杂质的半导体。完全纯净、结构完整没有杂质的半导体。42导带导带 EC价带价带 EV电子跃迁电子跃迁带隙带隙 Eg=1.1 eV电子态数量电子态数量空穴态数量空穴态数量电子浓度分布电子浓度分布空穴浓度分布空穴浓度分布空穴空穴电子电子本征半导体的能带图本征半导体的能带图电子向导带跃迁相当于空穴向价带反向跃迁电子向导带跃迁相当于空穴向价带反向跃迁Ef43非本征半导体材料：非本征半导体材料：N 型型第第V族元素族元素(如磷如磷P,砷砷As,锑锑Sb)掺入掺入Si晶体后，产生的多余电子晶体后，产生的多余电子受到的束缚很弱，只要很少的能量受到的束缚很弱，只要很少的能量D DED(0.040.05eV)就能让它就能让它挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为挣脱束缚成为自由电子。这个电离过程称为杂质电离杂质电离。As除了用4个价电子和周围的Si建立共价键之外，还剩余一个电子A s+掺杂半导体：掺杂半导体：掺杂半导体：掺杂半导体：在本征半导体中掺入微量杂质可使半导体性质发生显著变化，称为掺杂半在本征半导体中掺入微量杂质可使半导体性质发生显著变化，称为掺杂半导体。导体。N N型半导体型半导体型半导体型半导体：若掺入的杂质提供电子若掺入的杂质提供电子给导带，称为给导带，称为N 型杂质或施主杂质，如型杂质或施主杂质，如掺入锡和碲。掺入掺入锡和碲。掺入N型杂质的材料称为型杂质的材料称为N型半导体型半导体。44导带导带 EC价带价带 EV施主能级施主能级电子能量电子能量电子浓度分布电子浓度分布空穴浓度分布空穴浓度分布施主能级施主能级 施主杂质电离使导带施主杂质电离使导带 电子浓度增加电子浓度增加 N N型材料，施主能级型材料，施主能级第第V族元素称为施主杂质，族元素称为施主杂质，被它束缚住的多余电子所处的能级被它束缚住的多余电子所处的能级称为施主能级。称为施主能级。由于施主能级上的电子吸收少量的能量由于施主能级上的电子吸收少量的能量D DED后后可以跃迁到导带，因此施主能级位于离导带很近的禁带。可以跃迁到导带，因此施主能级位于离导带很近的禁带。Ef45非本征半导体材料：非本征半导体材料：P型型由于B只有3个价电子，因此B和周围4个Si的共价键还少1个电子B容易抢夺周围Si原子的电子成为负离子并产生多余空穴B第III族元素(如铟In,镓Ga,铝Al)掺入Si晶体后，产生多余的空穴，它们只受到微弱的束缚，只需要很少的能量 DEA Eg 就可以让多余孔穴自由导电。P P P P型型型型半半半半导导导导体体体体：若若掺掺入入的的杂杂质质提提供供空空穴穴给给价价带带，称称为为受受主主杂杂质质或或P P 型型杂杂质质，如掺入锗。掺入如掺入锗。掺入P P 型杂质的材料称为型杂质的材料称为P P 型半导体。型半导体。46导带导带 EC价带价带 EV受主能级受主能级电子能量电子能量电子浓度分布电子浓度分布空穴浓度分布空穴浓度分布受主能级受主能级 受主能级电离使导带受主能级电离使导带 空穴浓度增加空穴浓度增加 P P型材料，受主能级型材料，受主能级第第III族元素容易抢夺族元素容易抢夺Si的电子而被称为受主杂质。的电子而被称为受主杂质。被它束缚的被它束缚的空穴所处的能级称为受主能级空穴所处的能级称为受主能级EA。当空穴获得较小的能量当空穴获得较小的能量D DEA之后就能摆脱束缚，反向跃迁到价带成为导电空穴。因此，受之后就能摆脱束缚，反向跃迁到价带成为导电空穴。因此，受主能级位于靠近价带主能级位于靠近价带EV的禁带中。的禁带中。Ef47PNPN结的形成结的形成4849 PN结结n型p型耗尽层载流子扩散构成内建电载流子扩散构成内建电场场50耗 尽区扩散电子pn结内建电场能带倾斜能带倾斜-+1.浓度的差别导致载流子的浓度的差别导致载流子的扩散运动扩散运动pnEF能带倾斜能带倾斜 2.内部电场：内部电场：产生与扩散相反方向的漂移运动产生与扩散相反方向的漂移运动，直到直到P区和区和N区的区的EF相同相同，两种运动处于平衡状态为两种运动处于平衡状态为止止，结果使平衡结果使平衡pn结的费米能级处处相等从而能带发结的费米能级处处相等从而能带发生倾斜，生倾斜，见图见图。能带的相对移动是pn结空间电荷区中存在内建电场得到结果：随着从n区指向p区的内建电场不断增加，n区电势能降低，p区电势能升高，直到费米能级处处相等，能带才停止移动，pn结达到平衡状态。51P-N结施加正向电压 当当PN结两端加上正向偏置电压时结两端加上正向偏置电压时，产生与内部电场相反方向的外加电场，产生与内部电场相反方向的外加电场，耗尽区变窄，势垒降低。耗尽区变窄，势垒降低。n型p型耗尽层耗尽层在在外外电电场场作作用用下下，多多子子将将向向结结移移动动，结结果果使使空空间间电电荷荷区区变变窄窄，内内电电场场被被削削弱弱，有有利利于于多多子子的的扩扩散散而而不不利利于于少少子子的的漂漂移移，扩扩散散运运动动起起主主要要作作用用。结结果果，区区的的多多子子空空穴穴将将源源源源不不断断的的流流向向区区，而而区区的的多多子子自自由由电电子子亦亦不断不断流向区流向区，这两股载流子的流动就形成了，这两股载流子的流动就形成了结的正向电流结的正向电流。52P-N结施加反向偏压 PNPN结结外外加加反反向向电电压压（P P区区接接电电源源的的负负极极，N N区区接接电电源源的的正正极极，或或P P区区的的电电位位低低于于N N区区电电位位），称称为为反反向向偏偏置置，简称，简称反偏反偏。在在外外电电场场作作用用下下，多多子子将将背背离离结结移移动动，结结果果使使空空间间电电荷荷区区变变宽宽，内内电电场场被被增增强强，有有利利于于少少子子的的漂漂移移而而不不利利于于多多子子的的扩扩散散，漂漂移移运运动动起起主主要要作作用用。漂漂移移运运动动产产生生的的漂漂移移电电流流的的方方向向与与正正向向电电流流相相反反，称称为为反反向向电电流流。因因少少子子浓浓度度很低，很低，反向电流远小于正向电流反向电流远小于正向电流。n当当温温度度一一定定时时，少少子子浓浓度度一一定定，反反向向电电流流几几乎乎不不随随外外加加电电压压而而变变化化，故称为故称为 反向饱和电流反向饱和电流 。当当PN结结两两端端加加上上反反向向偏偏置置电电压压时时，产产生生与与内内部部电电场场相相同同方方向向的的外外加加电电场场，耗耗尽尽区区变变宽宽，势垒增大。势垒增大。53理想pn结及其电流电压方程54理想pn结及其电流电压方程55流过理想流过理想pn结的电流密度结的电流密度56流过理想流过理想pn结的电流密度结的电流密度平平 衡衡 pn结结 中中载流子分布载流子分布57流过理想流过理想pn结的电流密度结的电流密度58流过理想流过理想pn结的电流密度结的电流密度59流过理想流过理想pn结的电流密度结的电流密度60流过理想流过理想pn结的电流密度结的电流密度61流过理想流过理想pn结的电流密度结的电流密度626364656667p-n结击穿结击穿686970