半导体材料及其基本能带结构ppt课件

,单击此处编辑母版标题样式,固体理论,朱俊,微电子与固体电子学院,第,五,章,半导体电子论,Electron theory of semiconductor,5.1,半导体及其基本能带结构,一,.,半导体材料,二,.,半导体的带隙,三,.,带边有效质量,半导体的基本能带结构 一,.,半导体材料,半导体,是电阻率,介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻温度系数,(NTC),的材料。,室温电阻率：,导 体：,10,-4,cm 【,例如：,铜,10,-6,cm】,；,半导体：,10,-3,cm,10,8,cm 【,锗,0.2,cm】,；,绝缘体：,10,8,cm【,玻璃,10,10, 10,14,cm,】,。,半导体材料的,电阻率,对其杂质含量、环境温度、以及光照、电场、磁场、压力等外界条件有非常高的灵敏性,可控。,1.,半导体的定义,整流效应,光电导,效应,负的电阻温度,(NTC),效应,光生伏特,效应,霍尔效应,2.,半导体独特的物理性质,R,T,I,电流,V,电压,0,正向,反向,半导体的基本能带结构 一,.,半导体材料,1.3,半导体材料的分类,(1).,化学组分和结构的不同，可分为：,元素半导体,：,Si,，,Ge,，,Diamond, Carbon nanotube,Graphene,化合物半导体,:,III-V,族化合物（,GaAs,、,GaN,等）,II-VI,族化合物,(CdS,、,ZnO,、,ZnTe),IV-IV,族化合物,(SiC),固溶体半导体（,SiGe,、,GaAlAs,、,GaAsP,等）,非晶半导体,:,（非晶硅、玻璃态氧化物半导体等）,有机半导体,(,酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等,),3.,半导体的分类,半导体的基本能带结构 一,.,半导体材料,1.3,半导体材料的分类,(2).,禁带宽度的不同，可分为：,窄带隙半导体,(Eg 2eV),：,GaN,，,ZnO,，,SiC,，,AlN,零带隙半导体,(Eg 0eV),：,-Sn,，,Graphene(,石墨烯,),(3).,使用功能的不同，可分为：,电子材料,、,光电材料,、,传感材料,、,热电致冷材料,等,半导体的基本能带结构 一,.,半导体材料,3.,半导体的分类,第一代半导体,，元素半导体,(,以,Si,和,Ge,为代表,):,晶圆尺寸越来越大,(812inch),、特征线宽越来越小,(32nm),SOI,、,GeSi,、,Strain Silicon,，,high K,栅介质,第二代半导体,，化合物半导体,(,以,GaAs,，,InP,等为代表,),超高速、低功耗、低噪音器件和电路，光电子器件和光电集成,增大晶体直径,(46 inch),、提高材料的电学和光学微区均匀性,超晶格、量子阱材料,第三代半导体,，宽禁带半导体,(,以,GaN,，,SiC,，,ZnO,，金刚石等为代表,),高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路,新型半导体,，以稀磁半导体，低维半导体等为代表,材料体系的发展,半导体的基本能带结构 一,.,半导体材料,4.,半导体,材料,的发展趋势,材料维度的发展,由三维体材料向薄膜、两维超晶格量子阱、一维量子线和零维量子点材料方向发展。,三维体材料,：电子在其中可以自由运动而不受限制的材料。,二维超晶格、量子阱材料、,二维原子晶体,：电子在,X,、,Y,平面里可以自由运动，在,Z,方向电子运动受到了限制。,一维量子线,：电子只能在长度的方向上可以自由的运动，在另两个方向,X,和,Y,都不能自由运动。它的能量在,X,和,Y,两个方向上都是量子化的。,零维量子点,：材料三个维度上的尺寸都比电子的平均自由程相比或更小，这时电子像被困在一个笼子中，它的运动在三个方向都被受限。,半导体的基本能带结构 一,.,半导体材料,4.,半导体,材料,的发展趋势,半导体的基本能带结构 一,.,半导体材料,材料维度的发展,4.,半导体,材料,的发展趋势,5.,半导体材料的应用,信息处理与存储,通信、雷达,显 示,半导体照明,太阳能电池、热电转换,信息感测,半导体的基本能带结构 一,.,半导体材料,半导体的 性质与用途,电子运动的多样化,半导体基本能带结构,半导体的能带结构,能带工程,能带裁剪,杂质工程,应变工程,缺陷工程,5.1,半导体及其基本能带结构,一,.,半导体材料,二,.,半导体的带隙,三,.,带边有效质量,半导体的基本能带结构 二,.,半导体的带隙,硅和锗的原子结构,简化模型及晶体结构,价电子是我们要研究的对象,1.,半导体的共价键结构,金刚石结构（硅、锗、金刚石）,纤锌矿结构（,GaN,、,AlN,、,InN,）,半导体的基本能带结构 二,.,半导体的带隙,闪锌矿结构,(GaAs,、,InSb,、,GaP),E,v,价带顶,E,c,导带底,E,g,导带,价带,满带,禁带,空带,空带,满带,2,.,半导体,能带的形成,T=0,时，能量最低的空带,导带,能量最高的满带,价带,导带底与价带顶能量之差,带隙（禁带宽度）,E,半导体的基本能带结构 二,.,半导体的带隙,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,共价键内的电子,称为束缚电子,价带,导带,挣脱原子核束缚的电子,称为自由电子,价带中留下的空位,称为空穴,禁带,E,g,外电场,E,自由电子定向移动,形成电子流,束缚电子填补空穴的,定向移动形成空穴流,对硅,(sp,3,),：成键态,价带,反键态,导带,半导体的基本能带结构 二,.,半导体的带隙,2,.,半导体,能带的形成,空穴,价带上的电子由于本征激发跃迁到导带上，留下一个空着的状态。这个在几乎充满的能带中未被电子占据的空量子态称为空穴。,由电中性条件，空穴可以看成是一个带正电的粒子，因此，空穴为一准粒子，其物理特性可以由价带电子的性质来描述。,引进空穴的概念后，价带上大量电子的集体效应可以用少量的空穴来描述，空穴导电实质就是价带中大量电子的导电。,空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。,本征半导体中有两种载流子,自由电子和空穴,在外电场的作用下，产生电流,电子流和空穴流,电子流,自由电子作定向运动形成的,与外电场方向相反,自由电子始终在导带内运动,空穴流,价电子递补空穴形成的,与外电场方向相同,始终在价带内运动,用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流,电子浓度,n,i,=,空穴浓度,p,i,半导体的基本能带结构 二,.,半导体的带隙,E,v,E,c,E,g,导带,价带,禁带,h,3.,半导体的带隙,被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是,带隙（禁带宽度）,。,禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要,决定于,半导体的,能带结构,，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。,禁带宽度对于半导体器件性能的影响是不言而喻的，它直接,决定着,器件的,耐压,和,最高工作温度,。 （金刚石、,BJT,）,半导体的基本能带结构 二,.,半导体的带隙,本征光吸收,：光照将价带中的电子激发到导带中，形成电子,空穴对，这一过程称为本征光吸收。光子的能量满足：,h, =hc/,E,g,带隙,E,g,的测量,电导率随温度变化,半导体的基本能带结构 二,.,半导体的带隙,3.,半导体的带隙,直接带隙与间接带隙,直接带隙 间接带隙,半导体的基本能带结构 二,.,半导体的带隙,3.,半导体的带隙,价带的极大值和导带的极小值都位于,k,空间的原点上,价带的电子跃迁到导带时，只要求能量的改变，而电子的准动量不发生变化,直接跃迁,直接禁带半导体,GaAs,，,GaN,，,ZnO,价带的极大值或导带的极小值不位于,k,空间的原点上,价带的电子跃迁到导带时，不仅要求电子的能量要改变，电子的准动量也要改变,间接跃迁,间接禁带半导体, Si,，,Ge, SiC,直接带隙 间接带隙,半导体的基本能带结构 二,.,半导体的带隙,3.,半导体的带隙,直接带隙与间接带隙,3.,半导体的带隙,GaAs,的能带结构,直接带隙,Si,的能带结构,间接带隙,直接跃迁，效率高,适合做发光器件和其他光电子器件,间接跃迁为了能量守恒，必须有声子参加，因而发生,间接跃迁的概率要小得多,本征光吸收确定直接带隙与间接带隙,半导体的基本能带结构 二,.,半导体的带隙,半导体的基本能带结构 二,.,半导体的带隙,电子,-,空穴对复合发光,3.,半导体的带隙,Tips,带隙是半导体重要的物理参数,导电性,器件耐压,工作温度,发光,光吸收,带隙的确定、直接带隙与间接带隙,5.1,半导体及其基本能带结构,一,.,引言,半导体,二,.,半导体的带隙,三,.,带边有效质量,导带底附近的电子有效质量和价带顶附近的空穴有效质量也是半导体能带的,基本参数,。,反映半导体能带结构,费米能级的位置,载流子浓度,半导体迁移率和导电性,晶体中的电子和自由电子的差异,晶体中的电子，受到原子核周期性,势场,的影响。,如何描述晶体中电子的能量？,借用自由电子的能量公式：,将其中的自由电子质量修正成,m,n,*,（电子在晶体中的有效质量），则以上公式 变为,即可以简单关系式表示晶体中，受到原子核周期性,势场,影响的电子能量。,1.,有效质量,半导体的基本能带结构 三,.,带边有效质量,有效质量近似,模拟说明,两个容器中之球落底时间不同，这是因为浮力不同。换个方向思考，将球落底所受的力只想成重力，不去计算,浮力,问题，可想成两个容器中球的质量不同，才造成落地时间不同。,水,油,一模一样的球,同理，自由电子与晶体中电子所受的力场不同，所以能量不同，但晶体中的力场不易得知，故换个想法，将晶体中质量修正为有效质量，则可不直接处理力场的问题，因此自由电子的相关公式皆可使用。,有效质量,是将周期性势场对电子的作用考虑了进去，电子在晶体中远动时可以看作是质量为,m,n,*,的自由电子。,半导体的基本能带结构 三,.,带边有效质量,a,）有效质量反映了晶体周期性势场的作用，则它不同于一般的惯性质量，有效质量可大于或小于其惯性质量，可以取正值（在能带底部）、也可以取负值（在能带顶部）；,b,）有效质量是具有数个分量的张量，则载流子运动的加速度可以与外力的方向不一致，只有当外力沿着等能面主轴方向时才具有相同的方向；,c,）有效质量与电子或空穴所处的状态,k,有关；,d,）有效质量与能带结构有关，能带越宽，能带曲线的曲率半径也越小，有效质量就越小,（石墨烯）,；,e,）有效质量概念只有在能带极值（能带底或能带顶）附近才有意义，在能带中部则否（因为在能带中部的有效质量将趋于）。,有效质量的性质,带边有效质量,可由能带图（,E-P,图或,E-k,图）的曲率倒数求得。,2.,带边有效质量,曲线越”,胖,”，曲率越小，有效质量越,大,。,曲线越”,瘦,”，曲率越大，有效质量越,小,。,半导体的基本能带结构 三,.,带边有效质量,一般半导体中的载流子，往往就是处在能带底（电子）或能带顶（空穴）附近，故都可以采用有效质量概念。,通过在晶体中引入应变来改变能带结构，可降低有效质量和减小散射几率，以达到提高载流子迁移率的目的,应变工程,价电带电子的,E-,k,图曲率为,负,，所以此区,电子的有效质量为负,。,考虑牛顿运动定律,由左式分析，可知价带的电子（具有负的有效质量）运动行为可视为带正电的粒子（具有正的有效质量），此带正电的粒子即为,空穴,，其有效质量以,m,p,*,表示。,-m,n,*,=m,p,*,2.,带边有效质量,空穴,有效质量,半导体的基本能带结构 三,.,带边有效质量,等能面为球面,(,m*,为各向同性,),时情况,在恒定外磁场中，晶体中的电子,(,或空穴,),将作螺旋运动，回转频率：,0,=,qB,/,m,n,*,。,若在垂直于磁场方向加上频率为,的交变电场，当,=,0,时，交变电场的能量将被电子共振吸收，这个现象称为回旋共振。,半导体的基本能带结构 三,.,带边有效质量,3.,有效质量的测量,回旋共振,推测或验证材料的能带结构，确定能谷在布里渊区的哪些对称轴上 。,测定电子和空穴和有效质量,(,各向同性，各向异性,),回旋共振法用途,半导体的基本能带结构 三,.,带边有效质量,3.,有效质量的测量,回旋共振,等能面为椭球面,(,m*,为各向异性,),时情况,测量磁场在某个面内不同方向上的回旋共振有效质量的值。,例如：,Ge,导带底等能面为旋转椭球，沿椭球旋轴,方向（,）的纵有效质量为,m,l,*,，垂直于,方向的平面内各方向有效质量相同，为横有效质量,m,t,*,。,Si,和,Ge,的,导带电子,的,情况比较复杂，因为它们,的,导带底不在,Brillouin,区中心，数目,分别是,6,个和,8,个,并且导带底附近的等能面形状是椭球面，则其电子有效质量在椭球等能面的不同方向上有所不同（可区分为纵向有效质量,m,l,*,和横向有效质量,m,t,*,）,4.,常用半导体的有效质量,(1) Si,和,Ge,的导带底附近有效质量,半导体的基本能带结构 三,.,带边有效质量,对,Si,导带底电子：,m,l,*,=0.98,m,o,m,t,*,=0.19,m,o,对,Ge,导带底电子：,m,l,*,=1.64,m,o,，,m,t,*,=0.082,m,o,三,.,带边有效质量,(2) Si,和,Ge,的价带及轻空穴、重空穴,半导体的基本能带结构 三,.,带边有效质量,Si,、,Ge,的价带顶都位于,点，等能面是扭曲的球面,通常我们仍可将它们近似为一个球形。,价带顶是三度简并，一般只考虑价带顶附近两只简并带。,三,.,带边有效质量,(2) Si,和,Ge,的价带及轻空穴、重空穴,由于能带简并，,Si,和,Ge,分别具有有效质量不同的两种空穴，,有效质量较大的,(,m,ph,),称为重空穴，有效质量较小的,(,m,pl,),称为轻空穴。,半导体的基本能带结构 三,.,带边有效质量,室温下，对,Si,价带顶附近的空穴：,m,pl,= 0.16,m,o,，,m,ph,= 0.49,m,o,；,对,Ge,价带顶附近的空穴：,m,pl,= 0.04,m,o,，,m,ph,=0.28,m,o,另外由于自旋,-,轨道耦合作用，还给出了第三种空穴有效质量,(,m,p,3,),，这个能带偏离了价带顶，空穴不常出现。,对,Si,和,Ge,性质起作用的主要是重空穴和轻空穴。,GaAs,的导带底位于,点，其导带底附近的等能面是球形的,.,m,n,*,=0.067,m,0,其价带在,点简并，具有一个重空穴带和一个轻空穴带。,m,pl,=0.076,m,o,，,m,ph,= 0.50,m,o,三,.,带边有效质量,(3). GaAs,的能带结构,半导体的基本能带结构 三,.,带边有效质量,三,.,带边有效质量,(4). GaN,的能带结构,半导体的基本能带结构 三,.,带边有效质量,六方纤锌矿,GaN,三,.,带边有效质量,半导体的基本能带结构 三,.,带边有效质量,有效质量概括了半导体内部势场的作用，应用有效质量使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时不仅可以像讨论自由电子一样讨论晶体中电子的运动，而且由于与能带结构有关，有助于对能带的研究。,载流子有效质量概念都是源自于准经典近似的结果，这里所讨论的有效质量直接关系着,能带结构,。,但是在其他的应用场合中，载流子所表现出来的有效质量在数值上将有所不同。,例如在电导问题中，则需要采用所谓,电导率有效质量,；而在分析载流子浓度的分布问题中，则需要采用所谓,状态密度有效质量,。,Tips,小 结,了解：,半导体的特性、分类及其发展趋势,重点掌握：,半导体的,导带、价带、空穴,带隙、带隙的确定,有效质量,的意义,理想的半导体材料,没有,缺陷,或没有,杂质,对纯的半导体材料掺入适当的杂质，可以提供载流子,实际的半导体,除了与能带对应的电子共有化状态以外，还有一些电子被杂质或者缺陷原子所束缚,载流子,激发到导带中的电子和价带中的空穴,下一节：,5.2,半导体中的杂质,谢谢,!,