微学1晶体结构和电子状态.ppt

第一部分半导体物理,第一、二章半导体的电子状态和杂质缺陷能级第三章载流子的平衡统计分布第四章弱场下的载流子输运第五章过剩载流子和载流子的复合第六章同质PN结第七章表面电场效应与MOS物理第八章金属半导体接触和异质结,第一、二章半导体的晶体结构和电子状态1-1半导体的晶体结构1-2原子中电子的能级1-3晶体中电子的能带1-4半导体中杂质和缺陷的能级,1-1半导体的晶体结构,物质：气态的、液态的或固态固体材料：按照结构形式分：晶体和非晶体按照导电能力分：导体、绝缘体和半导体半导体举例：锗、硅、砷化镓一、晶体的结构；二、半导体的特点,一、晶体的结构,晶体：在晶体中原子是按一定规律整齐地排列起来的。各向异性：根据晶体中原子排列的不同型式，晶体结晶的形状也有对称性不同的几种形式，并在不同方向上表现出不同的特性，称为各向异性。多晶：一般的晶体时常包含有许多小晶粒，每个小晶粒中的原子都按同一序列排列，但晶粒与晶粒之间的排列取向则是没有规则的，这样的晶体称为多晶铜、铁等金属。单晶：如果晶体本身只有一个晶粒，也就是说它体内的所有原子都是按同一序列排列起来的，这样的晶体称为单晶,硅单晶,用来制造晶体管的硅、锗材料大多是单晶。,6,三种常见的立方晶格结构,晶格：晶体中的原子按一定的规律，周期地排列在空间，形成一个个格点，称为晶格不同的晶体有不同的晶格结构立方晶体就是由这些基本结构重复排列而成。,金刚石晶格结构,半导体硅、锗具有金刚石晶格结构金刚石晶格：由两个面心立方晶格，沿空间对角线错开，1/4长度，互相套合而成其每个原子有四个最邻近的原子。,晶向和晶面,各向异性：沿晶格的不同方向，原子排列的周期和疏密情况是不相同的因此沿晶体的不同方向，晶体的机械、物理特性也是不相同的这种情况称为晶体的各向异性，晶向：等符号来表征晶体的一定方向，这里括号中的三个数为晶向矢量在x、y、z三个坐标轴上的投影长度。晶面：与晶向垂直的面称为(100)晶面；例如：对金刚石结构来说，(100)晶面原子密度最小，(111)晶面原子密度最大，因此沿与方向，晶体有不同的特性,闪锌矿结构和氯化钠型结构,III-V族化合物,晶向和晶面-续1,二、半导体的特性,半导体的电阻率：10-3-109欧姆厘米导体的电阻率小于10-3欧姆厘米绝缘体的电阻率大于109欧姆厘米导电能力：随温度升高而迅速增加随所含的微量杂质而发生十分显著的变化。随光照而发生显著变化随电场、磁场等的作用而改变,常见的半导体材料,常见的半导体材料：元素半导体硅(Si)、锗(Ge)等，III-V族化合物半导体砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等，金属硫化物半导体硫化铅(PbS)、硫化镉(CdS)等，以及金属氧化物半导体氧化亚铜(Cu2O)等应用：晶体管和集成电路其他：热敏器件、光敏器件、场效应器件、霍耳器件以及各种二极管、三极管、体效应管等，都是利用了半导体电性能容易受热、光、电、磁等外界作用而改变的特点,1-1的小结,1半导体常常是一些晶体晶体中的原子按一定的周期有规则地排列在空间，构成一定形式的晶格制造晶体管所用的硅、锗单晶具有金刚石结构沿晶体的不同方向，其机械、物理特性常常不同，称为晶体的各向异性2半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间，特点是其电阻率容易随热、光、电、磁和杂质等外界作用而改变许多半导体器件就是利用它的这些特性而制成的3半导体导电机构的特点，可以在能带理论的基础上得到解释,1-2原子中电子的能级,硅的原子序数是14，其原子核有14个正电荷，而核外有14个电子；锗的原子序数是32，其原子核带有32个正电荷，而核外也有32个电子电子绕核运动一、量子化原理,一、量子化原理,原子中的电子绕核运动时，它的能量只能取一系列不连续的特定值氢原子中电子：,m是电子的质量(m9.1110-28克)，h称为普朗克常数(h6.63X10-27尔格秒)，q是电子电荷的数值(q4.810-10静库)，n称为主量子数，可取1、2、3、等正整数，1电子伏特为一个电子电荷、电位变化1伏特时所增加的能量1电子伏特1.610-12尔格。,氢原子的电子能级图,能级：氢原子中电子可取的一个能量特定值，称为能级量子化：原子中电子的能量只能取一系列不连续的特定数值，通常把这一规律称为电子能量的量子化氢原子的电子能级图,二、分布几率与“测不准”关系,“测不准关系”,三、不相容原理,不相容原理：“在同一个能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。”在一个具有多个电子的复杂原子中，这些电子不能同时都处在同一个能级中对于原子的基态来说，它的电子必然首先填充能量最低的能级，而当能量低的能级已经填满时，就按能量由小到大的次序，分别填满其余的能级,1-3晶体中电子的能带,一、晶体中价电子的共有化运动1立方厘米的硅单晶中大约有61022个原子，因此排在1厘米长度上的硅原子数大约有(51022)1/34107个，也就是相邻两硅原子中心的距离差不多只有3埃。,晶体中价电子的共有化运动,内层电子的交迭程度较少，并且愈是内层，轨道的交迭就愈少，电子的共有化程度就愈差因此，我们在考虑晶体中电子的共有化运动时，主要考虑价电子的共有化运动,二、能带的形成,能带：为了容纳原来属于N个单个原子的所有价电子，原来分属于N个单个原子的相同的价电子能级必须分裂成属于整个晶体的N个能量稍有差别的能级，这些能级互相靠得很近，分布在一定的能量区域，通常就把这N个互相靠得很近的能级所占据的能量区域称为能带，,二、能带的形成（续）,对于确定晶体的指定能带，其宽窄是一定的，它由晶体性质确定，与晶体大小(即晶体包含的原子数N)没有关系，N增大，能带中能级数增加只能增加能带中能级的密集程度，不改变能带宽度。内层电子共有化程度低，对应的能带窄；外层电子共有化程度高，对应的能带宽；能带之间可能发生交叠。,允带和禁带,电子填充能带遵守两条原理：1，泡利不相容原理，即不可能有两个电子处于完全相同的量子态。2，能量最小原理，即正常状态的电子将处于能量最小的状态。,导体，半导体，绝缘体概念：满带和空带；导带和价带,导带底EC和价带顶EV,价带：价电子填充的能带。导带：价带以上的能带基本上是空的，其中最低的一个空带为导带。Ec：导带底的能量Ev：价带顶的能量Eg：禁带宽度，即价带顶和导带底之间的能量间隔。Eg=Ec-Ev*常温下，硅的Eg1.120eV；锗的Eg0.67eV,三、几种能带实例,四，晶体中电子的能带,1、导带电子能够导电,2、满带电子不能导电,要在电子原来热运动的基础上再附加定向运动的话，电子的运动状态必然要有改变这个电子应该要过渡到与新的运动状态相应的新能级中去要完成这一过渡除了需要有提供能量的外加作用之外，还要有空的能级由于没有空的能级，电子增加能量的跃迁无法完成，也就无法形成电子的定向运动,3、本征半导体的导电机构,把完全纯净的、结构完整的半导体称为本征半导体电子从晶格热运动吸收能量，从满带激发到导带的过程称为本征激发,电子和空穴,结论：当温度大于0K时，由于热激发，本征半导体满带中的一部分电子被激发到了导带，同时，在满带中也出现了一些空穴.本征半导体的导带电子和满带空穴都能在外加电场的作用下产生定向运动，形成电流，因此半导体中的导带电子和价带空穴是半导体的两种载流子,空穴的运动,1-3小结：导带和价带等,允带和禁带满带和空带导带和价带导带底和价带顶禁带简化的能带图,1-4半导体中杂质和缺陷的能级,本征半导体：纯净的，完美晶体结构的晶体硅、锗晶体中的杂质能级缺陷和位错能级,1，半导体中的杂质和缺陷,杂质原子进入晶体后，若位于格点间的间隙位置，则称之为填隙式杂质；若杂质原子取代了晶格原子位于格点处，则称为替位式杂质。,半导体中的缺陷,点缺陷线缺陷，位错面缺陷,层错,2，半导体中的杂质能级和缺陷能级,杂质和缺陷，会引入能级，可能在禁带中引入。由点缺陷或位错等缺陷引起，在禁带中引入的能级称为缺陷能级。由杂质原子引起，在禁带中引入的能级称为杂质能级。,3，施主杂质和施主能级,杂质原子的电离过程施主杂质：一个V族原子掺入硅中，可以向硅提供一个自由电子，而本身成为带正电的离子，通常称这种杂质为施主杂质。施主能级(ED)主要依靠导带电子导电的半导体叫n型半导体。,4，受主杂质和受主能级,空穴的电离过程受主杂质：III族杂质原子在硅中能够接受电子产生导电空穴，并成为负电中心，这类杂质原子称为受主杂质。主要依靠价带中空穴导电的半导体称为p型半导体。,5，杂质的补偿,半导体内同时含有施主杂质ND和受主杂质NA时，施主和受主在导电性能上有相互抵消的作用，通常称它为杂质的补偿作用。经过补偿后，半导体中的净杂质浓度称为有效杂质浓度(ND-NA)。,6，浅能级和深能级杂质,浅能级深能级浅能级杂质深能级杂质同一种杂质可以在禁代中引入多个能级,7，电子的有效质量,晶体中的电子在综合场中运动，电子的加速度应是半导体内部势场和外力作用的综合结果。经典力学描述自由电子：F=ma晶体中的电子：F=(mn)a；(mn)代表了内部势场的作用。Mn：电子有效质量；Mp：空穴有效质量内层电子有效质量大；外层电子有效质量小，外力造成的加速度大。有效质量可以为负值。,第一二章小结,半导体的晶体结构原子中电子的能级晶体中电子的能带半导体中杂质和缺陷的能级,Mn，电子的有效质量,F=F外场+F晶格F=MaF外场+F晶格=MaF外场=（M-F晶格/a）aF外场=mna,