1、第 1 章,半導體特性,,1.1 半導體的晶格結(jié)構1.2 半導體的導電性1.3 半導體中的電子狀態(tài)和能帶1.4 半導體中的雜質(zhì)與缺陷1.5 載流子的運動1.6 非平衡載流子1.7 習題,? 半導體材料的晶格結(jié)構? 電子和空穴的概念? 半導體的電性能和導電機理? 載流子的漂移運動和擴散運動? 非平衡載流子的產(chǎn)生和復合,,半導體的晶格結(jié)構,1.1,,電阻率介于導體和絕緣體之間 。導體（電阻率小于10-8Ω·m

2、），絕緣體（電阻率大于106Ω·m）。,半導體,五種常見的晶格結(jié)構,●簡單立方結(jié)構 ●體心立方結(jié)構 ●面心立方結(jié)構 ●金剛石結(jié)構 ●閃鋅礦結(jié)構,,晶體,自然界中存在的固體材料，按其結(jié)構形式不同，可以分為晶體（如石英、金剛石、硫酸銅等）和非晶體（玻璃、松香、瀝青等）。,釙(Po),,,,,晶體的原子按一定規(guī)律在空間周期性排列，稱為晶格。,,體心立方結(jié)構,鈉（Na）鉬（Mo）鎢（W）,面心立方結(jié)構,鋁（Al）銅

3、（Cu）金（Au）銀（Ag）,金剛石結(jié)構,硅（Si）鍺（Ge）,由兩個面心立方結(jié)構沿空間對角線錯開四分之一的空間對角線長度相互嵌套而成。,,大量的硅（Si）、鍺（Ge）原子靠共價鍵結(jié)合組合成晶體，每個原子周圍都有四個最鄰近的原子，組成正四面體結(jié)構， 。這四個原子分別處在正四面體的四個頂角上，任一頂角上的原子各貢獻一個價電子和中心原子的四個價電子分別組成電子對，作為兩個原子所共有的價電子對。,,閃鋅礦結(jié)構,砷化鎵（GaAs）磷化鎵

4、(GaP) 硫化鋅(ZnS) 硫化鎘(CdS),元素半導體,化合物半導體,硅（Si）鍺（Ge）,Ⅲ族元素[如鋁(Al)、鎵(Ga)、銦(In)]和Ⅴ族元素[如磷(P)、砷(As)、銻(Sb)]合成的Ⅲ-Ⅴ族化合物都是半導體材料,假使體心結(jié)構的原子是剛性的小球，且中心原子與立方體八個角落的原子緊密接觸，試算出這些原子占此體心立方單胞的空間比率。,例1-1,,,,,,解,練習,假使面心結(jié)構的原子是剛性的小球，且面中心原子與面頂點四個角

5、落的原子緊密接觸，試算出這些原子占此面心立方單胞的空間比率。,,解,例1-2,硅（Si）在300K時的晶格常數(shù)為5.43Å。請計算出每立方厘米體積中硅原子數(shù)及常溫下的硅原子密度。（硅的摩爾質(zhì)量為28.09g/mol）,解,晶體的各向異性,沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不盡相同，由此導致晶體在不同方向的物理特性也不同 。 晶體的各向異性具體表現(xiàn)在晶體不同方向上的彈性膜量、硬度、熱膨脹系數(shù)、導熱性、電

6、阻率、電位移矢量、電極化強度、磁化率和折射率等都是不同的。,,,在ACC’A’平面內(nèi)有六個原子，在ADD’A’平面內(nèi)有五個原子，且這兩個平面內(nèi)原子的間距不同。,,晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）,常用密勒指數(shù)來標志晶向的不同取向。密勒指數(shù)是這樣得到的：（1）確定某平面在直角坐標系三個軸上的截點，并以晶格常數(shù)為單位測得相應的截距；（2）取截距的倒數(shù)，然后約簡為三個沒有公約數(shù)的整數(shù)，即將其化簡成最簡單的整數(shù)比；（3）將此結(jié)果以“（hkl）”表示

7、，即為此平面的密勒指數(shù)。,,如圖，晶面ACC’A’在坐標軸上的截距為1，1，∞，其倒數(shù)為1，1，0，此平面用密勒指數(shù)表示為（110），此晶面的晶向（晶列指數(shù)）即為[110]；晶面ABB’A’用密勒指數(shù)表示為（ ）；晶面D’AC用密勒指數(shù)表示為（ ）。,,100,111,練習,試求ADD’A’的密勒指數(shù)。,晶列指數(shù)——晶向指數(shù),任何兩個原子之間的連線在空間有許多與它相同的平行線。一族平行線所指的方

8、向用晶列指數(shù)表示晶列指數(shù)是按晶列矢量在坐標軸上的投影的比例取互質(zhì)數(shù)[111]、[100]、[110],,晶面指數(shù)（密勒指數(shù)）,任何三個原子組成的晶面在空間有許多和它相同的平行晶面一族平行晶面用晶面指數(shù)來表示它是按晶面在坐標軸上的截距的倒數(shù)的比例取互質(zhì)數(shù)(111)、(100)、(110)相同指數(shù)的晶面和晶列互相垂直。,,1.2,半導體的電性能,,溫度與半導體,半導體的電導率隨溫度升高而迅速增加。 金屬電阻率的溫

9、度系數(shù)是正的（即電阻率隨溫度升高而增加，且增加得很慢）； 半導體材料電阻率的溫度系數(shù)都是負的（即溫度升高電阻率減小，電導率增加，且增加得很快）。 對溫度敏感，體積又小，熱慣性也小，壽命又長，因此在無線電技術、遠距離控制與測量、自動化等許多方面都有廣泛的應用價值。,熱敏電阻,雜質(zhì)與半導體,雜質(zhì)對半導體材料導電能力的影響非常大。 例如，純凈硅在室溫下的電阻率為2.14×

10、;107Ω·m，若摻入百分之一的雜質(zhì)（如磷原子），其電阻就會降至20Ω·m。 雖然此時硅的純度仍舊很高，但電阻率卻降至原來的一百萬分之一左右，絕大多數(shù)半導體器件都利用了半導體的這一特性。,,光照與半導體,光照對半導體材料的導電能力也有很大的影響。 例如，硫化鎘（CdS）薄膜的暗電阻為幾十兆歐，然而受光照后，電阻降為幾十千歐，阻值在受光照以后改變了幾百倍。

11、 成為自動化控制中的一個重要元件。,光敏電阻,其他因素與半導體,除溫度、雜質(zhì)、光照外，電場、磁場及其他外界因素（如外應力）的作用也會影響半導體材料的導電能力。,,硅（Si）,在20世紀50年代初期，鍺曾經(jīng)是最主要的半導體材料，但自60年代初期以來，硅已取而代之成為半導體制造的主要材料。 現(xiàn)今我們使用硅的主要原因，是因為硅器件工藝的突破，硅平面工藝中，二氧化硅的運用在其中起著決定性的作用，經(jīng)濟上的考慮也

12、是原因之一，可用于制造器件等級的硅材料，遠比其他半導體材料價格低廉，在二氧化硅及硅酸鹽中硅的含量占地球的25%，僅次于氧。 到目前為止，硅可以說是元素周期表中被研究最多且技術最成熟的半導體元素。,,1.3,半導體中的電子狀態(tài)和能帶,,單個原子的電子,電子,靜電引力（庫侖力），使電子只能在圍繞原子核的軌道上運動。量子力學 雖然在空間的所有范圍內(nèi)都有電子出現(xiàn)的幾率，但對單個原子中的電子而言，其幾率的最大值則局限在離原子核中心

13、很小的范圍內(nèi)（玻爾半徑數(shù)量級）。軌道 電子云在空間分布幾率最大值，即軌道上，電子出現(xiàn)的幾率最大。,,,電子受到原子核和其他電子的共同作用。,,-,,,,,,,,,,,E1,E2,E3,原子核,能級,晶體中的電子,當原子間距很小時，原子間的電子軌道將相遇而交疊，晶體中每個原子的電子同時受到多個原子核和電子（包括這個原子的電子和其他原子的電子）作用。電子不僅可以圍繞自身原子核旋轉(zhuǎn)，而且可以轉(zhuǎn)到另一個原子周圍，即同一個電子可以被多個

14、原子共有，電子不再完全局限在某一個原子上，可以由一個原子轉(zhuǎn)到相鄰原子，將可以在整個晶體中運動。,制造半導體器件所用的材料大多是單晶體。單晶體是由原子按一定周期重復排列而成，且排列相當緊密，相鄰原子間距只有零點幾個納米的數(shù)量級。,,,,,,共有化運動,由于晶體中原子的周期性排列而使電子不再為單個原子所有的現(xiàn)象，稱為電子共有化。,在晶體中，不但外層價電子的軌道有交疊，內(nèi)層電子的軌道也可能有交疊，它們都會形成共有化運動；但內(nèi)層電子的軌道交

15、疊較少，共有化程度弱些，外層電子軌道交疊較多，共有化程度強些。,,,,,,,半導體中的電子是在周期性排列且固定不動的大量原子核的勢場和其他大量電子的平均勢場中運動。這個平均勢場也是周期性變化的，且周期與晶格周期相同。,,當原子之間距離逐步接近時，原子周圍電子的能級逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槟軒В聢D是金剛石結(jié)構能級向能帶演變的示意圖。,能級,能帶,,,●允帶,● 禁帶,● 滿帶,● 空帶,允許電子存在的一系列準連續(xù)的能量狀態(tài),禁止電子存在的一系

16、列能量狀態(tài),被電子填充滿的一系列準連續(xù)的能量狀態(tài) 滿帶不導電,沒有電子填充的一系列準連續(xù)的能量狀態(tài) 空帶也不導電,圖1-5 金剛石結(jié)構價電子能帶圖（絕對零度）,,●導帶,●價帶,有電子能夠參與導電的能帶，但半導體材料價電子形成的高能級能帶通常稱為導帶。,由價電子形成的能帶，但半導體材料價電子形成的低能級能帶通常稱為價帶。,●禁帶寬度/Eg,導帶和價帶之間的能級寬度，單位是能量單位：

17、eV（電子伏特）,,,圖1-6 導體、絕緣體、半導體的能帶示意圖,,能帶被電子部分占滿，在電場作用下這些電子可以導電,禁帶很寬，價帶電子常溫下不能被激發(fā)到空的導帶,禁帶比較窄，常溫下，部分價帶電子被激發(fā)到空的導帶，形成有少數(shù)電子填充的導帶和留有少數(shù)空穴的價帶，都能帶電,3~6eV,硅1.12eV鍺0.67 eV砷化鎵1.42 eV,●空穴,價帶中由于少了一些電子，在價帶頂部附近出現(xiàn)了一些空的量子狀態(tài)，價帶即成了部分占滿的能

18、帶（相當于半滿帶），在外電場作用下，仍留在價帶中的電子也能起導電作用。價帶電子的這種導電作用相當于把這些空的量子狀態(tài)看作帶正電荷的“準粒子”的導電作用，常把這些滿帶中因失去了電子而留下的空位稱為空穴。所以，在半導體中，導帶的電子和價帶的空穴均參與導電，這與金屬導體導電有很大的區(qū)別。,,圖中“● ”表示價帶內(nèi)的電子 ;圖中“○ ”表示價帶內(nèi)的空穴。,思考,既然半導體電子和空穴都能導電，而導體只有電子導電，為什么半導體的導電能力比導體差

19、？,圖1-7 一定溫度下半導體的能帶示意圖,,●導帶底EC,●價帶頂EV,●禁帶寬度 Eg,●本征激發(fā),導帶電子的最低能量,價帶電子的最高能量,Eg=Ec-Ev,由于溫度，價鍵上的電子激發(fā)成為準自由電子，亦即價帶電子激發(fā)成為導帶電子的過程 。,注意三個“準”,準連續(xù)準粒子準自由,練習,整理空帶、滿帶、半滿帶、價帶、導帶、禁帶、導帶底、價帶頂、禁帶寬度的概念。簡述空穴的概念。,1.4,半導體中的雜質(zhì)和缺陷,,理想的半導體晶體,實際

20、應用中的半導體材料,十分純凈不含任何雜質(zhì)晶格中的原子嚴格按周期排列的,,原子并不是靜止在具有嚴格周期性的晶格的格點位置上，而是在其平衡位置附近振動并不是純凈的，而是含有若干雜質(zhì)，即在半導體晶格中存在著與組成半導體的元素不同的其他化學元素的原子晶格結(jié)構并不是完整無缺的，而存在著各種形式的缺陷,,,極其微量的雜質(zhì)和缺陷，能夠?qū)Π雽w材料的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響,在硅晶體中，若以105個硅原子中摻入一個雜質(zhì)原

21、子的比例摻入硼（B）原子，則硅晶體的導電率在室溫下將增加103倍。 用于生產(chǎn)一般硅平面器件的硅單晶，位錯密度要求控制在103cm-2以下，若位錯密度過高，則不可能生產(chǎn)出性能良好的器件。 （缺陷的一種）,例1,例2,理論分析認為,由于雜質(zhì)和缺陷的存在，會使嚴格按周期排列的原子所產(chǎn)生的周期性勢場受到破壞，有可能在禁帶中引入允許電子存在的能量狀態(tài)（即能級），從而對半導體的性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響。,,雜質(zhì)來源,一）制備半導體的

22、原材料純度不夠高；二）半導體單晶制備過程中及器件制造過程中的沾污；三）為了半導體的性質(zhì)而人為地摻入某種化學元素的原子。,,金剛石結(jié)構的特點,原子只占晶胞體積的34%，還有66%是空隙，這些空隙通常稱為間隙位置。,雜質(zhì)的填充方式,一）雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，間隙式雜質(zhì)/填充；二）雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格格點處，替位式雜質(zhì)/填充。,,,間隙式雜質(zhì),替位式雜質(zhì),兩種雜質(zhì)的特點,間隙式雜質(zhì)原子半徑一般比較小，

23、如鋰離子（Li+）的半徑為0.68 Å，所以鋰離子進入硅、鍺、砷化鎵后以間隙式雜質(zhì)的形式存在。替位式雜質(zhì)原子的半徑與被取代的晶格原子的半徑大小比較相近，且它們的價電子殼層結(jié)構也比較相近。如硅、鍺是Ⅳ族元素，與Ⅲ、Ⅴ族元素的情況比較相近，所以Ⅲ、Ⅴ族元素在硅、鍺晶體中都是替位式雜質(zhì)。,,雜質(zhì)濃度,單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)，單位cm-3,,施主雜質(zhì)和施主能級,硅中摻入磷（P）為例，研究Ⅴ族元素雜質(zhì)的作用。當一個磷原子占據(jù)了硅原子

24、的位置，如圖所示，磷原子有五個價電子，其中四個價電子與周圍的四個硅原子形成共價鍵，還剩余一個價電子。磷原子成為一個帶有一個正電荷的磷離子（P+），稱為正電中心磷離子。其效果相當于形成了一個正電中心和一個多余的電子。,,,多余的電子束縛在正電中心周圍，但這種束縛作用比共價鍵的束縛作用弱得多，只要很小的能量就可以使多余電子掙脫束縛，成為自由電子在晶格中運動，起到導電的作用。這時磷原子就成了一個少了一個價電子的磷離子，它是一個不能移動的正電中

25、心。多余電子脫離雜質(zhì)原子成為導電電子的過程稱為雜質(zhì)電離。使這個多余電子掙脫束縛成為導電電子所需要的能量稱為雜質(zhì)電離能，用ΔED表示。實驗測得，Ⅴ族元素原子在硅、鍺中的電離能很?。炊嘤嚯娮雍苋菀讙昝撛拥氖`成為導電電子），在硅中電離能約為0.04~0.05eV，在鍺中電離能約為0.01 eV，比硅、鍺的禁帶寬度小得多。,,Ⅴ族元素雜質(zhì)在硅、鍺中電離時，能夠施放電子而產(chǎn)生導電電子并形成正電中心。施放電子的過程稱為施主電離。施

26、主雜質(zhì)在未電離時是中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)，電離后成為正電中心，稱為離化態(tài)。,施主雜質(zhì)/N型雜質(zhì),,,電子型半導體/N型半導體,純凈半導體中摻入施主雜質(zhì)后，施主雜質(zhì)電離，使導帶中的導電電子增多（電子密度大于空穴密度），增強了半導體的導電能力，成為主要依靠電子導電的半導體材料。,,,施主能級用離導帶底Ec為ΔED處的短線段表示，施主能級上的小黑點表示被施主雜質(zhì)束縛的電子。箭頭表示被束縛的電子得到電離能后從施主能級躍遷到導帶成為導電電子

27、的電離過程。導帶中的小黑點表示進入導帶中的電子，⊕表示施主雜質(zhì)電離后帶正電，成為不可移動的正點中心。,電子得到能量ΔED后，就從施主的束縛態(tài)躍遷到導帶成為導電電子，被施主雜質(zhì)束縛時的電子的能量比導帶底Ec低ΔED，稱為施主能級，用ED表示。由于ΔED遠小于禁帶寬度Eg，所以施主能級位于離導帶底很近的禁帶中。由于施主雜質(zhì)相對較少，雜質(zhì)原子間的相互作用可以忽略，所以施主能級可以看作是一些具有相同能量的孤立能級，,,受主雜質(zhì)和受主能級,硅中

28、摻入硼（B）為例，研究Ⅲ族元素雜質(zhì)的作用。當一個硼原子占據(jù)了硅原子的位置，如圖所示，硼原子有三個價電子，當它和周圍的四個硅原子形成共價鍵時，還缺少一個電子，必須從別處的硅原子中奪取一個價電子，于是在硅晶體的共價鍵中產(chǎn)生了一個空穴。硼原子成為一個帶有一個負電荷的硼離子（B-），稱為負電中心硼離子。其效果相當于形成了一個負電中心和一個多余的空穴。,,,,多余的空穴束縛在負電中心周圍，但這種束縛作用比共價鍵的束縛作用弱得多，只要很小的能量就可

29、以使多余空穴掙脫束縛，成為自由空穴在晶格中運動，起到導電的作用。這時硼原子就成了一個多了一個價電子的硼離子，它是一個不能移動的負電中心。多余空穴脫離雜質(zhì)原子成為導電空穴的過程稱為雜質(zhì)電離。使這個多余空穴掙脫束縛成為導電空穴所需要的能量稱為雜質(zhì)電離能，用ΔEA表示。實驗測得，Ⅲ族元素原子在硅、鍺中的電離能很?。炊嘤嗫昭ê苋菀讙昝撛拥氖`成為導電空穴），在硅中約為0.045~0.065eV，在鍺中約為0.01 eV。,,Ⅲ族元素雜質(zhì)

30、在硅、鍺中能接受電子而產(chǎn)生導電空穴，并形成負電中心。,受主雜質(zhì)/P型雜質(zhì),,,空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛的過程稱為受主電離。受主雜質(zhì)未電離時是中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)。,空穴型半導體/P型半導體,純凈半導體中摻入受主雜質(zhì)后，受主雜質(zhì)電離，使價帶中的導電空穴增多（空穴密度大于電子密度），增強了半導體的導電能力，成為主要依靠空穴導電的半導體材料。,,,受主能級用離價帶頂EV為ΔEA處的短線段表示，受主能級上的小圓圈表示被施主雜質(zhì)束縛的空穴。箭

31、頭表示被束縛的空穴得到電離能后從受主能級躍遷到價帶成為導電空穴（即價帶頂?shù)碾娮榆S遷到受主能級上填充空位）的電離過程。價帶中的小圓圈表示進入價帶中的空穴，Θ表示受主雜質(zhì)電離后帶負電，成為不可移動的負點中心。,空穴得到能量ΔEA后，就從受主的束縛態(tài)躍遷到價帶成為導電空穴，被受主雜質(zhì)束縛時的空穴的能量比價帶頂EV低ΔEA，稱為受主能級，用EA表示。由于ΔEA遠小于禁帶寬度Eg，所以受主能級位于價帶頂很近的禁帶中。由于受主雜質(zhì)相對較少，雜質(zhì)原子

32、間的相互作用可以忽略，所以受主能級可以看作是一些具有相同能量的孤立能級，,,,綜上所述,Ⅲ族元素,Ⅴ族元素,,摻入半導體，分別成為,受主雜質(zhì),施主雜質(zhì),,在禁帶中引入了新的能級，分別為,,,施主能級：比導帶底低ΔED,受主能級：比價帶頂高ΔEA,,,常溫下，雜質(zhì)都處于離化態(tài),,,施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮佣蔀檎娭行?受主雜質(zhì)向價帶提供空穴而成為負電中心,,分別成為,,N型半導體,P型半導體,施主 donor受主

33、 acceptor,關于能帶圖,電子能量，從下往上為升高的方向；空穴能量，從上往下為升高的方向；電子和空穴可以看作是兩種所帶電荷性質(zhì)相反，電荷數(shù)量相同，質(zhì)量相當?shù)牧Ｗ?；施放電子的過程可以看作俘獲空穴的過程；施放空穴的過程也可以看作俘獲電子的過程。,,淺能級,很靠近導帶底的施主能級、很靠近價帶頂?shù)氖苤髂芗?,雜質(zhì)的補償作用,問題,,假如在半導體材料中，同時存在著施主和受主雜質(zhì)，該如何判斷半導體究竟是N型還是P型

34、？,答,,應該比較兩者濃度的大小，由濃度大的雜質(zhì)來決定半導體的導電類型,施主和受主雜質(zhì)之間有相互抵消的作用,,ND 施主雜質(zhì)濃度 NA 受主雜質(zhì)濃度n 導帶中的電子濃度 p 價帶中的空穴濃度假設施主和受主雜質(zhì)全部電離時，分情況討論雜質(zhì)的補償作用。,,當ND»NA時，因為受主能級低于施主能級，所以施主雜質(zhì)的電子首先躍遷到受主能級上，填滿NA個受主能級，還剩（ND-NA）

35、個電子在施主能級上，在雜質(zhì)全部電離的條件下，它們躍遷到導帶中成為導電電子，這時，n=ND-NA≈ND，半導體是N型的,情況一,,情況二,當NA»ND時，施主能級上的全部電子躍遷到受主能級上后，受主能級還有(NA-ND)個空穴，它們可以躍遷到價帶成為導電空穴，所以，p=NA-ND≈NA，半導體是P型的,,有效雜質(zhì)濃度,經(jīng)過補償之后，半導體中的凈雜質(zhì)濃度,,當ND > NA時，則（ND-NA）為有效施主濃度；當NA &g

36、t;ND時，則（NA-ND）為有效受主濃度。,,利用雜質(zhì)補償?shù)淖饔?，就可以根?jù)需要用擴散或離子注入等方法來改變半導體中某一區(qū)域的導電類型，以制備各種器件。,,若控制不當，會出現(xiàn)ND≈NA的現(xiàn)象，這時，施主電子剛好填充受主能級，雖然晶體中雜質(zhì)可以很多，但不能向?qū)Ш蛢r帶提供電子和空穴，（雜質(zhì)的高度補償）。這種材料容易被誤認為是高純度的半導體，實際上卻含有很多雜質(zhì)，性能很差。,,深能級雜質(zhì),非Ⅲ、Ⅴ族元素摻入硅、鍺中也會在禁帶中引入能級。

37、非Ⅲ、Ⅴ族元素產(chǎn)生的能級有以下兩個特點：（1）施主能級距離導帶底較遠，產(chǎn)生的受主能級距離價帶頂也較遠。稱為深能級，相應的雜質(zhì)稱為深能級雜質(zhì)；（2）這些深能級雜質(zhì)能產(chǎn)生多次電離，每一次電離相應地有一個能級。因此，這些雜質(zhì)在硅、鍺的禁帶中往往引入若干個能級。而且，有的雜質(zhì)既能引入施主能級，又能引入受主能級。,,半導體中的缺陷和缺陷能級,當半導體中的某些區(qū)域，晶格中的原子周期性排列被破壞時就形成了各種缺陷。 缺陷分為三類：

38、①點缺陷：如空位，間隙原子，替位原子； ②線缺陷：如位錯； ③面缺陷：如層錯等。,,點缺陷,在一定溫度下，晶格原子不僅在平衡位置附近作振動運動（通常稱之為熱振動），而且有一部分原子會獲得足夠的能量，克服周圍原子對它的束縛，擠入晶格原子間的間隙，形成間隙原子，原來的位置就成為空位。,,弗侖克耳缺陷,肖特基缺陷,間隙原子和空位成對出現(xiàn)的缺陷,只在晶格內(nèi)形成空位而無間隙原子的缺陷,均由溫度引起，又稱之為熱缺陷，它們總是同時存在的。,,

39、動態(tài)平衡,間隙原子和空位一方面不斷地產(chǎn)生，另一方面兩者又不斷地復合，達到一個平衡濃度值。,,由于原子須具有較大的能量才能擠入間隙位置，而且遷移時激活能很小，所以晶體中空位比間隙原子多得多，空位成了常見的點缺陷。,,在元素半導體硅、鍺中存在的空位最鄰近有四個原子，每個原子各有一個不成對的價電子，成為不飽和的共價鍵，這些鍵傾向于接受電子，因此空位表現(xiàn)出受主作用。而每一個間隙原子有四個可以失去的未形成共價鍵的價電子，表現(xiàn)出施主作用。,,位錯

40、,位錯也是半導體中的一種缺陷，它對半導體材料和器件的性能也會產(chǎn)生很大的影響。 在硅、鍺晶體中位錯的情況相當復雜。由位錯引入禁帶的能級也十分復雜。 根據(jù)實驗測得，位錯能級都是深受主能級。當位錯密度較高時，由于它和雜質(zhì)的補償作用，能使含有淺施主雜質(zhì)的N型硅、鍺中的載流子濃度降低，而對P型硅、鍺卻沒有這種影響。,,練習,寫出常見缺陷的種類并舉例。試述弗侖克耳缺陷和肖特基缺陷的特點、共同點和關系。位錯對半導體材料和器件有什么影響？

41、,1.5,載流子的運動,載流子,參與導電的電子和空穴統(tǒng)稱為半導體的載流子。,,載流子的產(chǎn)生,本征激發(fā) 電子從價帶躍遷到導帶，形成導帶電子和價帶空穴雜質(zhì)電離 當電子從施主能級躍遷到導帶時產(chǎn)生導帶電子； 當電子從價帶激發(fā)到受主能級時產(chǎn)生價帶空穴,,載流子數(shù)目增加,載流子的復合,在導電電子和空穴產(chǎn)生的同時，還存在與之相反的過程，即電子也可以從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子態(tài)，并向晶格放出一定的能量

42、。,,載流子數(shù)目減少,在一定溫度下，載流子產(chǎn)生和復合的過程建立起動態(tài)平衡，即單位時間內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)等于復合掉的電子-空穴對數(shù)，稱為熱平衡狀態(tài)。 這時，半導體中的 導電電子濃度和空穴濃度都保持一個穩(wěn)定的數(shù)值。處于熱平衡狀態(tài)下的導電電子和空穴稱為熱平衡載流子。,熱平衡狀態(tài),,實踐表明，半導體的導電性與溫度密切相關。實際上，這主要是由于半導體中的載流子濃度隨溫度劇烈變化所造成的。 所以，要深入了解半導體

43、的導電性，必須研究半導體中載流子濃度隨溫度變化的規(guī)律。 因此，解決如何計算一定溫度下，半導體中熱平衡載流子濃度的問題成了本節(jié)的中心問題。,,能量在E→E+dE范圍內(nèi)的電子數(shù)（統(tǒng)計方法）,電子填充能級E的幾率,N(E) 單位體積晶體中在能量E處的電子能級密度,能量為E的狀態(tài)密度,能量無限小量,,,,,能量為E的電子狀態(tài)密度（測不準關系）,EC 導帶底,h 普朗克常數(shù),mn* 電子的有效質(zhì)量,,能量為E

44、的空穴狀態(tài)密度,mp* 空穴的有效質(zhì)量EV 價帶頂,,有效質(zhì)量,晶體中的電子除了受到外力作用外，還受到晶格原子和其他電子的作用，為了把這些作用等效為晶體中的電子質(zhì)量，所以引入有效質(zhì)量的概念。（當電子在外力作用下運動時，它一方面受到外電場力的作用，同時還和半導體內(nèi)部原子、電子相互作用著，電子的加速度應該是半導體內(nèi)部勢場和外電場作用的綜合效果。但是要找出內(nèi)部勢場的具體形式并且求出加速度遇到一定的困難，引進有效質(zhì)量后可使

45、問題變得簡單，直接把外力和電子的加速度聯(lián)系起來，而內(nèi)部勢場的作用則由有效質(zhì)量加以概括。特別是有效質(zhì)量可以直接由試驗測定，因而可以很方便地解決電子的運動規(guī)律。）,,費米-狄拉克分布函數(shù),量為E的一個量子態(tài)被一個電子占據(jù)的幾率,E 電子能量 k0 玻耳茲曼常數(shù) T 熱力學溫度EF 費米能級 常數(shù)，大多數(shù)情況下，它的數(shù)值在半導體能帶的禁帶范圍內(nèi)，和溫度、半導體材料的導電類型、雜質(zhì)的含量以及能量零點的選取有關

46、。只要知道了EF的數(shù)值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計分布就完全確定了。,,費米-狄拉克分布函數(shù)的特性,當T=0K時，若EEF，則f（E）=0,絕對零度時，費米能級EF可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限。,當T>0K時，若E1/2若E= EF，則f（E）=1/2若E> EF，則f（E）<1/2,當系統(tǒng)的溫度高于絕對零度時，如果量子態(tài)的能量比費米能級低，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率大于百分之五十；若量子態(tài)

47、的能量比費米能級高，則該量子態(tài)被電子占據(jù)的幾率小于百分之五十。因此，費米能級是量子態(tài)基本上被電子占據(jù)或基本上是空的一個標志。,,導帶電子濃度,能量在E~E+dE范圍內(nèi)的導帶電子濃度,導帶范圍內(nèi)積分，就可以得到導帶電子濃度n0。積分上限擴展到∞，（導帶電子主要集中在導帶底附近，在導帶頂或能量更高的區(qū)域，電子的分布幾率已減小到接近于零）。,,常溫時k0T=0.026eV，Eg在1 eV 左右，EF在禁帶中，所以E-EF遠大于k0T,導

48、帶電子濃度,導帶的有效能級密度,式（1-6）,價帶空穴濃度（同理）,價帶的有效能級密度,式（1-7）,n0、p0和EF 的關系,,導帶中電子濃度n0和價帶中空穴濃度p0隨著溫度T和費米能級EF的不同而變化。,◆在一定溫度下，由于半導體中所含雜質(zhì)的類型和數(shù)量的不同，電子濃度n0及空穴濃度p0也將隨之變化?！粼跍囟纫欢〞r，NC和NV是常數(shù)，且它們的值很接近，公式中的指數(shù)因子是造成n0和p0差別很大的主要原因。,,n0、p0和EF 的關

49、系,,本征半導體（一塊沒有雜質(zhì)和缺陷的半導體），n0=p0，費米能級大致在禁帶的中央； N型半導體 n0>p0，費米能級比較靠近導帶； P型半導體 p0>n0，費米能級比較靠近價帶； 摻雜濃度越高，費米能級離導帶或價帶越近。,本征半導體的載流子濃度,當半導體的溫度大于絕對零度時，就有電子從價帶激發(fā)到導帶去，同時價帶中產(chǎn)生空穴，這就是本征激發(fā)。由于電子和空穴成對出現(xiàn)，導帶中的電子濃度應等

50、于價帶中的空穴濃度,n0=p0,,式（1-8）,將式（1-6）、（1-7）代入（1-8），可以求得本征半導體的費米能級EF，并用符號Ei表示，稱為本征費米能級,式（1-9）,式（1-9）,等式右邊第二項近似為零，可忽略，所以本征半導體的費米能級Ei基本上在禁帶中線處。,將式（1-9）分別代入式（1-6）、（1-7），可得本征半導體載流子濃度ni,式（1-11）,式（1-11）,一定的半導體材料，其本征載流子濃度ni隨溫度上而迅速增加

51、； 不同的半導體材料在同一溫度下，禁帶寬度越大，本征載流子濃度ni就越小。,,由（1-6）（1-7）得載流子濃度乘積，并與（1-11）比較，可得,n0p0=ni2,,式（1-12）,在一定溫度下，任何非簡并半導體（電子或空穴的濃度分別遠低于導帶或價帶的有效能級密度）的熱平衡載流子濃度的乘積n0p0等于該溫度下的本征半導體載流子濃度ni的平方，與所含雜質(zhì)無關。 式（1-12）不僅適用于本征半導體，而且也

52、適用于非簡并的雜質(zhì)半導體材料。,,n0p0=ni2,式（1-12）,,表1-1 300K下鍺、硅、砷化鎵的本征載流子濃度,雜質(zhì)半導體的載流子濃度,一般來說，在室溫下所有的雜質(zhì)都已電離，一個雜質(zhì)原子可以提供一個載流子；假設摻入半導體中的雜質(zhì)濃度遠大于本征激發(fā)的載流子濃度 。,N型半導體,P型半導體,(ND為施主雜質(zhì)濃度),(NA為受主雜質(zhì)濃度),,,N型半導體中，電子為多數(shù)載流子（簡稱多子），空穴為少數(shù)載流子（簡稱少子）；P型半

53、導體中，空穴為多數(shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。,,,式（1-12）,n0p0=ni2,由式（1-12），可以確定少數(shù)載流子的濃度,N型半導體,P型半導體,,,由于ND（或NA）遠大于ni，因此在雜質(zhì)半導體中少數(shù)載流子比本征半導體的載流子濃度ni小得多。,本征激發(fā)時,式（1-6）,式（1-6）可改寫如下,★式,★式代入式（1-6）可得,★式,當一塊半導體中同時摻入P型雜質(zhì)和N型雜質(zhì)時，考慮室溫下，雜質(zhì)全部電離，以及雜質(zhì)的補償作用，載流子濃度

54、為|ND-NA| 。,多子濃度計算,少子濃度計算,N型半導體,P型半導體,,,對于雜質(zhì)濃度一定的半導體，隨著溫度的升高，載流子則是從以雜質(zhì)電離為主要來源過渡到以本征激發(fā)為主要來源的過程。相應地，費米能級則從位于雜質(zhì)能級附近逐漸移近到禁帶中線處。 當溫度一定時，費米能級的位置由雜質(zhì)濃度所決定，例如N型半導體，隨著施主濃度的增加，費米能級從禁帶中線逐漸移向?qū)У追较颉?對于P型半導體，隨著受主雜質(zhì)濃度的增加，

55、費米能級從禁帶中線逐漸移向價帶頂附近。,,雜質(zhì)濃度與費米能級的關系,,在雜質(zhì)半導體中，費米能級的位置不但反映了半導體的導電類型，而且還反映了半導體的摻雜水平。 對于N型半導體，費米能級位于禁帶中線以上，ND越大，費米能級位置越高。 對于P型半導體，費米能級位于禁帶中線以下，NA越大，費米能級位置越低。如圖1-15所示。,,載流子的漂移運動,半導體中的載流子在電場作用下作漂移運動。在運動過程中，載流子會

56、與晶格原子、雜質(zhì)原子或其他散射中心 碰撞，速度和運動方向?qū)l(fā)生改變，可能從晶格中獲得能量，速度變大，也有可能把能量交給晶格，速度變小。,,平均自由程,大量載流子在兩次碰撞之間路程的平均值,平均自由時間,大量載流子在兩次碰撞之間時間的平均值,λ,τ,歐姆定律,以金屬導體為例，在導體兩端加以電壓V時，導體內(nèi)形成電流，電流強度為,R為導體的電阻，且阻值與導體的長度l成正比，與截面積s成反比，ρ為導體的電阻率。電阻率的倒數(shù)為電導率

57、σ ，即,電流密度,在半導體中，通常電流分布是不均勻的，即流過不同截面的電流強度不一定相同。我們引入電流密度的概念，它定義為通過垂直于電流方向的單位面積的電流，用J表示，即,ΔI：通過垂直于電流方向的面積元Δs的電流強度,歐姆定律的微分形式,一段長為l，截面積為s，電阻率為ρ的均勻?qū)w，若兩端外加電壓V，則導體內(nèi)部各處均建立起電場，電場強度大小,電流密度,歐姆定律的微分形式,電流密度和該處的電導率及電場強度直接聯(lián)系起來,漂移電流

58、密度,導體內(nèi)部的自由電子受到電場力的作用，沿著電場的反方向作定向運動，構成電流。電子在電場力作用下的這種運動稱為漂移運動，定向運動的速度稱為漂移速度。,電子的平均漂移速度,一秒種內(nèi)通過導體某一截面的電子電量就是電流強度,n：電子的濃度,平均漂移速度的大小與電場強度成正比,則,μ：電子的遷移率，習慣取正值,表示單位場強下電子的平均漂移速度,比較上面兩個式子，可得σ和μ之間的關系,一塊均勻半導體，兩端加以電壓，在半導體內(nèi)部就形成電場,電子帶

59、負電，空穴帶正電，所以兩者漂移運動的方向不同，電子反電場方向漂移，空穴沿電場方向漂移。,半導體中的導電作用應該是電子導電和空穴導電的總和。,un：電子遷移率 up：空穴遷移率 Jn：電子電流密度 Jp: 空穴電流密度 n：電子濃度 p：空穴濃度,總電流密度J,兩式相比可以得到半導體的電導率,對于兩種載

60、流子濃度相差很懸殊而遷移率差別不太大的雜質(zhì)半導體來說，它的電導率主要取決于多數(shù)載流子。,N型半導體,P型半導體,電導率與載流子濃度和遷移率之間的關系,本征半導體n0=p0=ni,半導體的電阻率可以用四探針直接測量讀出，比較方便，所以實際工作中常習慣用電阻率來討論問題。,N型半導體,P型半導體,本征半導體n0=p0=ni,在300K時，本征硅的電阻率約為 2.3×105Ω·cm，本征鍺的電阻率約

61、為 47Ω·cm。,,電阻率與雜質(zhì)濃度成簡單反比關系，雜質(zhì)濃度越高，電阻率越小。,P21 圖1-17 Si、Ge和GaAs的電阻率與雜質(zhì)濃度的關系,,例1-4,一塊每立方厘米摻入1016個磷原子的N型硅，求其在室溫下的電導率和電阻率。已知，電子的遷移率為1300cm2/(V·s)。,解 在室溫下，假設所有的施主雜質(zhì)皆被電離，因此,電導率,電阻率,,載流子的擴散運動,分子、原子、電子等微觀粒子

62、，在氣體、液體、固體中都可以產(chǎn)生擴散運動。 只要微觀粒子在各處的濃度不均勻，由于無規(guī)則熱運動，就可以引起粒子由濃度高的地方向濃度低的地方擴散。 擴散運動完全是由粒子濃度不均勻所引起，它是粒子的有規(guī)則運動，但它與粒子的無規(guī)則運動密切相關。 對于一塊均勻摻雜的半導體，例如N型半導體，電離施主帶正電，電子帶負電，由于電中性的要求，各處電荷密度為零，所以載流子分布也是均勻的，即沒有濃度差異，因而均勻材料中不會發(fā)生載流子的

63、擴散運動。,,擴散流密度,t1時刻在晶體內(nèi)的某一平面上引入一些載流子，由于載流子熱運動的結(jié)果，在x=0處原來高密度的載流子要向外擴散，直至載流子均勻分布于整個區(qū)域內(nèi)。,單位時間內(nèi)通過單位面積的載流子數(shù)目。,,,費克第一定律,擴散流服從費克第一定律。,F 擴散流密度 D 擴散系數(shù)N 載流子密度,,擴散電流密度,電子,空穴,穩(wěn)態(tài)擴散方程,電子,空穴,P22，推導略,既有濃度梯度，又有電場作用,若半導

64、體中非平衡載流子濃度不均勻，同時又有外加電場的作用，那么除了非平衡載流子的擴散運動外，載流子還要作漂移運動。這時擴散電流和漂移電流疊加在一起構成半導體的總電流。,電子電流密度,空穴電流密度,愛因斯坦關系,遷移率：反映載流子在電場作用下運動難易程度；擴散系數(shù)：反映存在濃度梯度時載流子運動的難易程度。,,在平衡條件下，不存在宏觀電流，因此電場的方向必須是反抗擴散電流，使平衡時電子的總電流和空穴的總電流分布等于零，即,以電子電流為例,（1-

65、17）,（1-18）,（1-19）,將式（1-18）、（1-19）代入式（1-17）得,同理，對于空穴可得,,愛因斯坦關系,表明了載流子遷移率和擴散系數(shù)之間的關系。 雖然是針對平衡載流子推導出來的，但實驗證明，這個關系可直接應用于非平衡載流子。,,由于載流子的遷移率與半導體的雜質(zhì)濃度有關系，故載流子的擴散系數(shù)也與半導體雜質(zhì)濃度有關。,Si,GaAs,例1-5,假設T=300K，一個N型半導體中，電子濃度在0.1cm的距離中

66、從1×1018cm-3至7×1017cm-3作線性變化，計算擴散電流密度。假設電子擴散系數(shù)Dn=22.5cm2/s。,解,擴散電流密度為,練習,P30 9寫出歐姆定律的一般形式和微分形式。電子和空穴的漂移方向如何判斷？擴散運動又如何？為什么說平衡態(tài)下電場的方向必須是反抗擴散電流？,,1.6 非平衡載流子,半導體的熱平衡狀態(tài)是相對的，有條件的。如果對半導體施加外加作用，破壞了熱平衡狀態(tài)的條件，這就迫使它處

67、于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài)，稱為非平衡狀態(tài)。,,用n0和p0分別表示平衡時的電子濃度和空穴濃度，它們的乘積滿足,處于非平衡狀態(tài)的半導體，其載流子濃度將不再是n0和p0，可以比它們多出一部分。比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子，有時也稱過剩載流子，用Δn 和Δp 分別表示非平衡電子和非平衡空穴。,,例如在一定溫度下，當沒有光照時，一塊半導體中的電子和空穴濃度分別為n0和p0，假設是N型半導體，則n0>p0，當用適當波長

68、的光照射該半導體時，只要光子的能量大于該半導體的禁帶寬度，那么光子就能把價帶電子激發(fā)到導帶上去，產(chǎn)生電子-空穴對，使導帶比平衡時多出一部分電子Δn，價帶比平衡時多出一部分空穴 Δp，且Δn=Δp 。 在一般情況下，注入的非平衡載流子濃度比平衡時的多數(shù)載流子濃度小得多。對于N型半導體，Δn遠小于n0，Δp遠小于n0，滿足這個條件的注入稱為小注入。,,例 1Ω·cm的N型硅中，n0≈5.5×1015