半导体材料与器件工作原理课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,半导体材料与器件,半导体材料与器件,1,教材与参考书,黄昆 固体物理,刘恩科 半导体物理学,施敏半导体器件物理与工艺,教材与参考书黄昆 固体物理,2,半导体材料的基本特性与分类,基本特性,：,电阻率介于10e-310e6.cm，可变化区间大，介于金属（10e-6.cm）和绝缘体（10e12.cm）之间,纯净半导体负温度系数，掺杂半导体在一定温度区域出现正温度系数,不同掺杂类型的半导体做成pn结后，或是金属与半导体接触后，电流与电压呈非线性关系，可以有整流效应,具有光敏性，用适当波长的光照射后，材料的电阻率会变化，即产生所谓光电导,半导体中存在着电子与空穴两种载流子,半导体材料的基本特性与分类基本特性：,3,分类：,元素半导体与化合物半导体,分类：元素半导体与化合物半导体,4,能带理论,固体类型：,单晶,：,长程有序（整体有序，宏观尺度，通常包含整块晶体材料，一般在毫米量级以上）；,多晶,：,长程无序，短程有序（团体有序，成百上千个原子的尺度，每个晶粒的尺寸通常是在微米的量级）；,非晶（无定形）,：,基本无序（局部、个体有序，仅限于微观尺度，通常包含几个原子或分子的尺度，即纳米量级，一般只有十几埃至几十埃的范围）,能带理论固体类型：,5,7大晶系、14种布拉菲格子,7大晶系、14种布拉菲格子,6,简单立方格子的重要晶面,简单立方格子的重要晶面,7,Si、 Ge,GaAs、 InAs,Si、 GeGaAs、 InAs,8,Si的sp3杂化,Si的sp3杂化,9,Si与GaAs的能带结构,Si与GaAs的能带结构,10,E(k)图中对称点的含义,FCC晶格的简约布里渊区形状及特殊K点坐标,E(k)图中对称点的含义FCC晶格的简约布里渊区形状及特殊K,11,E(k)图的理论计算与实验确定：薛定谔方程,绝热近似,考虑到原子核或离子实的质量比电子大得多，电子运动的速度比离子实快得多，在讨论传导电子运动时，可以认为离子是固定在瞬时位置上。这样多种粒子的,多体问题就简化为多电子,的问题。,单电子近似,通常利用哈特里福克自洽场方法，每个电子是在固定的离子势场和其它电子的平均势场中运动，,多电子问题就简化为单电子,问题。单电子近似也称为哈特里福克近似或自洽场近似。更精确的单电子理论是,密度泛函理论,。,周期场近似,所有离子势场和其它电子的平均势场被简化为,周期性势场,，不考虑晶格振动和晶体缺陷对周期场的破坏。,薛定谔方程,在绝热近似、单电子近似和周期场近似下，固体中电子运动就简化为单电子在周期性势场中的运动。在没有外加磁场和电场时，电子运动的薛定谔方程为：,E(k)图的理论计算与实验确定：薛定谔方程 绝热近似 考虑,12,一维周期势近自由电子近似的能带结构,一维周期势,一维周期势近自由电子近似的能带结构一维周期势,13,能带结构的经典物理图像,能带的形成：原子靠近电子云发生重叠电子之间存在相互作用分立的能级发生分裂。,s能级(l=0,m,l,=0,m,s,=1/2)，2度,简并,，交叠后分裂为2N个能级；p 能级（l=1, m,l,=0, 1，m,s,=1/2 ）6度简并，交叠后分裂为6N个能级，d 能级（l=2, m,l,=0, 1, 2, m,s,=1/2 ），交叠后分裂为10N个能级,允带,能带,原子能级,禁带,禁带,原子轨道,原子能级分裂为能带的示意图,d,p,s,能量E,能带结构的经典物理图像能带的形成：原子靠近电子云发生重叠,14,硅原子形成硅晶体的电子能级分裂示意图,硅原子形成硅晶体的电子能级分裂示意图,15,-/a,E（k）,0,/a,k,允带,允带,允带,自由电子,简约布里渊区,由于E (k) 具有对称性、周期性，因而可以把其它布里渊区中的Ek曲线通过平移整数个2,/a而放到第一布里渊区内，从而构成简约布里渊区，,相应，其中的波矢,k,称为简约波矢。,这样一来，我们要标志一个状态需要标明：,（,1,）属于哪一个带；,（,2,）它的简约波矢,k,等于什么,E(k)图的一些特点,-/aE（k）0/ak允带允带允带自由电子简约布里,16,原子在相互靠近时，原子的波函数交叠导致能级分裂。分裂的能级数目和原胞数目、原胞内的原子数、以及原始能级的简并度有关。具体为N（原胞数）原胞内原子数能级简并度。,近似计算的结果表明：晶体中电子的波函数为一个类似于自由电子的平面波被一个和晶格势场同周期的函数所调幅的布洛赫波函数。,由于周期性的边界条件。布洛赫波函数的波矢,k,只能取分立的值。,k,是描述半导体晶体电子共有化的波矢。它的物理意义是表示电子波函数位相的不同。,每一个,k,对应着一个本征值（能量E）。而在特定的,k,值附近由于周期性晶格势场的简并微扰，使能带发生分裂，形成一系列的允带和禁带。,由于E,n,(,k,)具有周期性，因而可在同一个周期内表示出,Ek,曲线。这就是以能带分裂时的,k,值为边界的布里渊区。每个布里渊区内有N个,k,值，对应于一个准连续的能带。将所有的E,k,通过平移操作置于最简单的布里渊区内，该布里渊区称为简约布里渊区，相应的波矢,k,称作简约波矢。,能带理论的一些重要结论,原子在相互靠近时，原子的波函数交叠导致能级分裂。分裂的能级数,17,用能带理论解释导体、半导体、绝缘体的导电性,金属,金属中，由于组成金属的原子中的价电子占据的能带是部分占满的，所以金属是良好的导电体,用能带理论解释导体、半导体、绝缘体的导电性金属金属中，由于组,18,用能带理论解释导体、半导体、绝缘体的导电性,半导体,半导体和绝缘体的能带类似，即下面是已被价电子占满的满带（其下面还有为内层电子占满的若干满带），亦称价带，中间为禁带，上面是空带。因此，在外电场作用下并不导电，但是这只是绝对温度为零时的情况。,用能带理论解释导体、半导体、绝缘体的导电性半导体半导体和绝缘,19,用能带理论解释导体、半导体、绝缘体的导电性,绝缘体,绝缘体的禁带宽度很大，激发电子需要很大的能量，在通常温度下，能激发到导带中的电子很少，所以导电性很差。半导体禁带宽度比较小，在通常温度下已有不少电子被激发到导带中去，所以具有一定的导电能力，这是绝缘体和半导体的主要区别。,用能带理论解释导体、半导体、绝缘体的导电性绝缘体绝缘体的禁带,20,半导体中导带的电子和价带的空穴参与导电，这是与金属导体的最大差别。,室温下，金刚石的禁带宽度为67eV，它是绝缘体；硅为1.12eV，锗为0.67eV，砷化镓为1.43eV，所以它们都是半导体。,半导体中导带的电子和价带的空穴参与导电，这是与金属导体的最大,21,半导体中的电子特征,半导体中的载流子,电子和空穴,E,g,跃迁,传导电子,空穴,空穴的有效质量是价带顶电子有效质量的负值，即为正,半导体中的电子特征半导体中的载流子电子和空穴Eg跃迁传导电,22,半导体的导电特征,导带底电子沿外加电场反方向漂移,价带顶电子沿外加电场方向的漂移,E,e,j,e,v,e,h,v,h,j,h,半导体中的电子特征,半导体的导电特征导带底电子沿外加电场反方向漂移Eejeveh,23,费米狄拉克分布函数与费米能级,上式中，N(E)为单位体积的晶体材料中，单位能量间隔区间内存在的微观粒子数量，g(E)为单位体积的晶体材料中，单位能量间隔区间内所具有的量子态数量。f,F(E),就称作费米狄拉克统计分布函数，它反映的是能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率。而E,F,则称为费米能级。,费米狄拉克分布函数与费米能级 上式中，N(E)为单位体积,24,本征半导体,不含杂质的半导体,价带,E,F,(T= 0K),导带,半导体中的电子特征,本征半导体不含杂质的半导体价带EF(T= 0K)导带半导体,25,施主掺杂及n型半导体,P,E,D,半导体中的电子特征,施主掺杂及n型半导体PED半导体中的电子特征,26,施主能级和施主电离,类氢原子模型：,半导体中的电子特征,施主能级和施主电离类氢原子模型：半导体中的电子特征,27,受主掺杂及p型半导体,E,A,半导体中的电子特征,受主掺杂及p型半导体EA半导体中的电子特征,28,类氢原子模型：,受主能级和受主电离,半导体中的电子特征,类氢原子模型：受主能级和受主电离半导体中的电子特征,29,不同导电类型的半导体的E,f,E,F,E,A,（,a）,（,b）,（,c）,（,d）,（,e）,E,F,E,F,E,F,E,F,强,p,型,p,型,本征,n,型,强,n,型,E,i,不同导电类型的半导体的EfEFEA（a）（b）（c）（d）（,30,导带电子和价带空穴的浓度,n,0,和,p,0,方程,电子浓度,根据状态密度和分布函数的定义，我们知道某一能量值的电子浓度为：,则整个导带范围内的电子浓度为：,对应于该能量的状态密度,对应于该能量的占据几率,导带电子和价带空穴的浓度n0和p0方程电子浓度对应于该能量的,31,杂质能级上的电子和空穴分布,应用Fermi-Dirac分布可以得到：,施主能级被电子占据的概率,受主能级被空穴占据的概率,电离施主浓度,电离受主浓度,半导体中的电子特征,杂质能级上的电子和空穴分布应用Fermi-Dirac分布可以,32,n型半导体的平衡载流子浓度,n,0,= n,D,+,+P,0,电中性条件：,半导体中的电子特征,n型半导体的平衡载流子浓度n0 = nD+P0 电中性条件,33,p型半导体的平衡载流子浓度,电中性条件：,p,0,= n,A,+,+n,0,半导体中的电子特征,p型半导体的平衡载流子浓度电中性条件：p0 = nA+n0,34,非平衡载流子,非平衡载流子的产生：,（1）光辐照,（2）电注入,半导体中的电子特征,非平衡载流子非平衡载流子的产生：半导体中的电子特征,35,非平衡载流子-,非平衡载流子的寿命和复合,半导体中的电子特征,非平衡载流子-非平衡载流子的寿命和复合半导体中的电子特征,36,漂移速度和迁移率,vt,微分欧姆定律：,平均漂移速度和迁移率,n型半导体，且np,p型半导体，且pn,本征半导体,半导体中的电子特征,漂移速度和迁移率vt微分欧姆定律：平均漂移速度和迁移率n型半,37,电导率的影响因素,载流子的散射,电离杂质散射,声子散射,声学声子散射,光学声子散射,半导体中的电子特征,电导率的影响因素载流子的散射电离杂质散射声子散射声学声子散,38,迁移率的计算,总散射概率：,平均弛豫时间：,平均迁移率,半导体中的电子特征,迁移率的计算总散射概率：平均弛豫时间：平均迁移率半导体中的电,39,不同掺杂浓度的Si的迁移率与温度的关系,如图所示为不同,掺杂浓度,下，硅单晶材料中电子的迁移率随温度的变化关系示意图。从图中可见，在比较低的掺杂浓度下，电子的迁移率随温度的改变发生了十分明显的变化，这表明在低掺杂浓度的条件下，电子的迁移率主要受,晶格振动散射,的影响。,不同掺杂浓度的Si的迁移率与温度的关系如图所示为不同掺杂浓度,40,直接吸收,间接吸收,半导体的光吸收及光电导,半导体中的电子特征,直接吸收间接吸收半导体的光吸收及光电导半导体中的电子特征,41,半导体的光生伏特效应,光,负载,半导体中的电子特征,半导体的光生伏特效应光负载半导体中的电子特征,42,半导体中的电子特征,霍尔效应,带电粒子在磁场中运动时会受到,洛伦兹力,的作用，利用这一特点，我们可以区别出N型半导体材料和P型半导体材料，同时还可以测量出半导体材料中,多数载流子的浓度及其迁移率,。,半导体中的电子特征霍尔效应带电粒子在磁场中运动时会受到洛伦兹,43,载流子（空穴）在横向电场中受电场力作用，最终与洛仑兹力相平衡：,霍尔电压：,载粒子（空穴）的漂移速度：,故有：,测得霍尔电压后，可计算出浓度：,载流子（空穴）在横向电场中受电场力作用，最终与洛仑兹力相平,44,同样，对于N型半导体材料，其霍尔电压为负值：,一旦确定了半导体材料的掺杂类型和多数载流子的浓度之后，我们还可以计算出多数载流子在低电场下的迁移率，对于P型半导体材料，有：,同样，对于N型半导体材料，其霍尔电压为负值：一旦确定了半,45,固体物理,量子力学,统计物理,能带理论,平衡半导体,载流子输运,非平衡半导体,pn结,MS结,异质结,双极晶体管,pn结二极管,肖特基二极管,欧姆接触,JFET、,MESFET、,MOSFET、,HEMT,从物理到器件,半导体器件,固体物理量子力学统计物理能带理论平衡半导体载流子输运非平衡半,46,pn结,pn结是大多数半导体器件都会涉及到的结构。因而半导体器件的特性与工作过程同pn结的特性和原理密切相关。因而pn结对于半导体器件的学习是特殊重要的。在pn结基本结构和原理的学习过程中，我们会遇到一些非常基本和重要的概念，是以后的学习过程中会不断提到的，因而一定要理解这些概念的物理涵义和基本性质。,重点概念：,空间电荷区、耗尽区、势垒区、内建电场、内建电势差、反偏、势垒电容,等等,分析pn结模型的基础：,载流子浓度、费米能级、电中性条件、载流子的漂移与扩散、双极输运方程,pn结pn结是大多数半导体器件都会涉及到的结构。因而半导体器,47,pn结的基本结构,若在同一半导体内部，一边是P 型，一边是N 型，则会在P 型区和N 型区的,交界面附近,形成pn 结，它的行为并不简单等价于一块P型半导体和N 型半导体的,串联,。这种结构具有特殊的性质：,单向导电,性,。PN 结是许多重要半导体器件的核心。,pn结的基本结构 若在同一半导体内部，一边是P 型，一边,48,合金法,扩散法,P-n结的制备工艺,合金法扩散法P-n结的制备工艺,49,p-n结平衡能带结构,费米能级的位置,电子和空穴浓度随费米能级位置变化而变化,电子和空穴浓度随掺杂浓度变化而变化,费米能级随掺杂浓度和温度的变化规律,p-n结平衡能带结构费米能级的位置,50,E,F,随掺杂浓度的变化,EF随掺杂浓度的变化,51,p-n结平衡电势,p-n结平衡电势,52,理想p-n结的I-V特性,理想p-n结的I-V特性,53,Si单晶的制备方法：柴可夫斯基法,Si单晶的制备方法：柴可夫斯基法,54,Si器件的一般工艺,切片,定向、机械抛光、化学抛光,热氧化,Si,SiO2,光刻,Si,扩散,Si,电极,Si,腐蚀,Si器件的一般工艺切片定向、机械抛光、化学抛光热氧化SiSi,55,其它器件,其它器件,56,