1、第五章 半導(dǎo)體半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體摻雜機(jī)制半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)載流子漂移P-N結(jié)半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)制半導(dǎo)體光伏電池5.1 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的分類 I（按功能分類）電子材料檢波/放大/整流/存儲(chǔ)光電材料發(fā)光/探測(cè)/光伏/成像熱電材料 測(cè)溫、發(fā)電傳感材料氣敏/濕敏/熱敏/光敏/磁敏光子材料激光/光傳輸/光放大/光計(jì)算/光存儲(chǔ)微波材料5.1 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的分類 II（按成分分類）元素半導(dǎo)體由單一元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，如鍺、硅、硒等 化合物半導(dǎo)體由兩種或兩種以上元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，如InP, GaAs，Ga1-xAlxAs, GaN，ZnO，SiC等 有機(jī)半導(dǎo)體由有機(jī)高分子材料構(gòu)成的半導(dǎo)體，如電荷轉(zhuǎn)移

2、絡(luò)合物，芳香族化合物 復(fù)合半導(dǎo)體：兩種或兩種以上半導(dǎo)體材料的復(fù)合，如無(wú)機(jī)/無(wú)機(jī)，有機(jī)/無(wú)機(jī)，有機(jī)/有機(jī)復(fù)合5.1 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料的分類 III（按結(jié)構(gòu)分類）單晶半導(dǎo)體：整塊半導(dǎo)體材料中的原子周期性地有序排列。多晶半導(dǎo)體：半導(dǎo)體材料中分成許多區(qū)域，各區(qū)域內(nèi)的原 子周期性地有序排列。非晶態(tài)半導(dǎo)體：半導(dǎo)體材料中的原子排列長(zhǎng)程沒(méi)有周期性， 但短程有序。異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體：指外延層與襯底材料不同的半導(dǎo)體多層 膜結(jié)構(gòu)。超晶格半導(dǎo)體：利用外延技術(shù)制備的人工晶體結(jié)構(gòu)。納米半導(dǎo)體：結(jié)構(gòu)尺度為納米的半導(dǎo)體材料，如納米顆粒 或納米薄膜。復(fù)合半導(dǎo)體：兩種或兩種以上半導(dǎo)體材料的復(fù)合，如無(wú)機(jī)/ 無(wú)機(jī)，有機(jī)/無(wú)機(jī)，有機(jī)/

3、有機(jī)復(fù)合。5.1 半導(dǎo)體材料常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu) 金剛石結(jié)構(gòu) 軌道雜化導(dǎo)致四個(gè)價(jià)電子等價(jià)。(1s)2(2s)2(2p)2 - (1s)2(2s)1(2p)3 面心立方兩個(gè)面心立方點(diǎn)陣沿對(duì)角線相對(duì)移動(dòng)1/4距離Si, Ge5.1 半導(dǎo)體材料常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu) 閃鋅礦結(jié)構(gòu)：與金剛石結(jié)構(gòu)相似，閃鋅礦結(jié)構(gòu)也是一種由面心立方構(gòu)成的復(fù)式格子，但兩套格子各自的原子不同。在這種結(jié)構(gòu)中，既有軌道雜化，又有原子間的電荷轉(zhuǎn)移，原子間的鍵為離子鍵與共價(jià)鍵組成的混合鍵。所以電子云的分布呈非對(duì)稱分布而偏向某一原子 GaAs，ZnS5.1 半導(dǎo)體材料熱力學(xué)穩(wěn)定相為釬鋅礦結(jié)構(gòu)，寬帶隙，缺乏中心對(duì)稱性，具有強(qiáng)的壓電特性，對(duì)可

4、見(jiàn)光透明等（ ZnO）+ +- -P常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)5.2 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制 本征半導(dǎo)體（semiconductor）# 本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(dǎo)體。# 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能在導(dǎo)體與絕緣體之間。* 本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)：所以加熱、光照、加電場(chǎng)都能把電子從滿帶激到發(fā)空帶中去，同時(shí)在滿帶中形成 “空穴”（hole）半導(dǎo)體的滿帶與空帶之間也是禁帶，但是禁帶寬度Eg 很窄 (0.1 2eV)E空帶(導(dǎo)帶) 滿帶Eg=0.12eV禁帶本征（純凈）半導(dǎo)體 T=0K時(shí)（絕緣體）以半導(dǎo)體 CdS為例滿 帶空 帶hEg=2.42eV 滿帶上的一個(gè)電子躍遷到空帶后，滿帶中出現(xiàn)一個(gè)帶正電的空位，稱為 “空穴”

5、電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的。 電子和空穴叫本征載流子，它們形成半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電性5.2 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制 當(dāng)光照 h Eg 時(shí)，可發(fā)生本征吸收，形成本征光電導(dǎo)。解 例 要使半導(dǎo)體 Cd S產(chǎn)生本征光電導(dǎo)，求激發(fā)電子的光波的波長(zhǎng)最大多長(zhǎng)？5.2 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制空帶滿帶在外電場(chǎng)作用下，電子可以躍遷到空穴上來(lái)，這相當(dāng)于 空穴反向躍遷空穴躍遷也形成電流，這稱為空穴導(dǎo)電Eg兩種導(dǎo)電機(jī)制：電子導(dǎo)電：半導(dǎo)體的載流子是電子空穴導(dǎo)電：半導(dǎo)體的載流子是空穴5.2 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制 當(dāng)外電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，共有化電子還是能越過(guò)禁帶躍遷到上面的空帶中，使半導(dǎo)體擊穿 為什么導(dǎo)體的電阻隨溫度升高而升高，而半導(dǎo)體的電阻卻隨溫度升

6、高而降低？半導(dǎo)體導(dǎo)體5.2 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制 雜質(zhì)（impurity）半導(dǎo)體1. n型半導(dǎo)體 量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的電子的能級(jí)在禁帶中緊靠空帶處， ED10-2eV，極易形成電子導(dǎo)電該能級(jí)稱為施主（donor）能級(jí)。本征半導(dǎo)體 Si、Ge等的四個(gè)價(jià)電子，與另四個(gè)原子形成共價(jià)結(jié)合，當(dāng)摻入少量五價(jià)的雜質(zhì)元素（如P、As等）時(shí)，就形成了電子型半導(dǎo)體，又稱 n 型半導(dǎo)體。5.2 半導(dǎo)體摻雜 n 型半導(dǎo)體 空 帶滿 帶施主能級(jí)EDEgSiSiSiSiSiSiSiP5.2 半導(dǎo)體摻雜Si 原子濃度1022 cm3則P 原子濃度1018 cm3np=1.51010 cm 3 室溫下：本征激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)

7、導(dǎo)帶中電子濃度nn=1.51010 10181018 cm3滿帶中空穴濃度設(shè) Si中P的含量為104在n型半導(dǎo)體中：電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。電子濃度nn 施主雜質(zhì)濃度nd5.2 半導(dǎo)體摻雜2. p型半導(dǎo)體 四價(jià)的本征半導(dǎo)體Si、e等摻入少量三價(jià)的雜質(zhì)元素（如、Ga、In等）時(shí)，就形成空穴型半導(dǎo)體，又稱 p 型半導(dǎo)體。 量子力學(xué)表明，這種摻雜后多余的空穴能級(jí)在禁帶中緊靠滿帶處， EA 10 -1eV，極易產(chǎn)生空穴導(dǎo)電。該能級(jí)稱受主（acceptor）能級(jí)。5.2 半導(dǎo)體摻雜空 帶EA滿 帶受主能級(jí) P型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSi+BEg5.2 半導(dǎo)體摻雜Si原子濃度1022

8、cm 3則B 原子濃度1018 cm 3np=1.5101010181018 cm3 室溫下：本征激發(fā)雜質(zhì)激發(fā)導(dǎo)帶中電子濃度nn=1.51010cm 3滿帶中空穴濃度設(shè) Si中B的含量為104 在p型半導(dǎo)體中：空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。空穴濃度np 受主雜質(zhì)濃度na5.2 半導(dǎo)體摻雜3. n型化合物半導(dǎo)體 例如，化合物GaAs中摻Te，六價(jià)的Te替代五價(jià)的As可形成施主能級(jí)，成為n型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。4. p型化合物半導(dǎo)體 例如，化合物 GaAs中摻Zn，二價(jià)的Zn替代三價(jià)的Ga可形成受主能級(jí)，成為p型GaAs雜質(zhì)半導(dǎo)體。5.2 半導(dǎo)體摻雜Si可以替代Ga，施主Si可以替代As，受

9、主施主/受主5/1化合物GaAs中摻Si 雜質(zhì)補(bǔ)償作用 實(shí)際的半導(dǎo)體中既有施主雜質(zhì)（濃度nd），又有受主雜質(zhì)（濃度na），兩種雜質(zhì)有補(bǔ)償作用： 若nd na為n型（施主）若nd na為p型（受主）利用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，可以制成 p-n 結(jié)5.2 半導(dǎo)體摻雜 以上形成的施主或受主，稱為類氫雜質(zhì)能級(jí) 特點(diǎn)：束縛能很小，對(duì)于產(chǎn)生電子和空穴特別有效，施主或受主的能級(jí)非常接近導(dǎo)帶或價(jià)帶，稱淺能級(jí)雜質(zhì) 深能級(jí)雜質(zhì)一些摻雜半導(dǎo)體中的雜質(zhì)或缺陷在帶隙中引入的能級(jí)較深，稱 深能級(jí)雜質(zhì) 摻Au的Si半導(dǎo)體 受主能級(jí)：導(dǎo)帶下0.54 eV 施主能級(jí)：價(jià)帶上0.35 eV5.2 半導(dǎo)體摻雜一般情況下深能級(jí)雜質(zhì)大多為多重

10、能級(jí) 在Si中摻雜的Au原子為兩重能級(jí) 多重能級(jí)反映了雜質(zhì)帶電的情況兩個(gè)能級(jí)均無(wú)電子填充時(shí)，Au雜質(zhì)帶正電受主能級(jí)填充一個(gè)電子，施主能級(jí)無(wú)電子填充時(shí)，Au為中性帶電狀態(tài)；受主能級(jí)和施主能級(jí)都有電子填充時(shí)，Au雜質(zhì)帶負(fù)電5.2 半導(dǎo)體摻雜 深能級(jí)雜質(zhì)和缺陷的作用可以成為有效復(fù)合中心，大大降低載流子的壽命；可以成為非輻射復(fù)合中心，影響半導(dǎo)體的發(fā)光效率；可以作為補(bǔ)償雜質(zhì)，大大提高半導(dǎo)體材料的電阻率5.2 半導(dǎo)體摻雜摻雜的要求高濃度 降低能量、可行性高效率 能級(jí)小高質(zhì)量 遷移率大穩(wěn)定性 化學(xué)鍵能大高性價(jià)比 最便宜環(huán)保性 無(wú)毒、污染小5.2 半導(dǎo)體摻雜1. 半導(dǎo)體載流子半導(dǎo)體中的電子服從費(fèi)米 狄拉克統(tǒng)計(jì)

11、 在金屬中，電子填充空帶的部分形成導(dǎo)帶，相應(yīng)的費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶中 對(duì)于摻雜不太多的半導(dǎo)體，熱平衡下，施主電子激發(fā)到導(dǎo)帶中，同時(shí)價(jià)帶中還有少量的空穴 半導(dǎo)體中電子的費(fèi)米能級(jí)位于帶隙之中5.3 半導(dǎo)體中電子的費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布電子在導(dǎo)帶各能級(jí)分布的幾率半導(dǎo)體中費(fèi)米能級(jí)位于帶隙之中且有 導(dǎo)帶中的電子接近經(jīng)典 玻耳茲曼分布 導(dǎo)帶中每個(gè)能級(jí)上電子的平均占據(jù)數(shù)很小5.3 半導(dǎo)體中電子的費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布滿帶中空穴占據(jù)的幾率 能級(jí)不被電子占據(jù)的幾率應(yīng)用 空穴占據(jù)狀態(tài)的E越低(電子的能量)，空穴的能量越高，空穴平均占據(jù)數(shù)越小(電子占據(jù)數(shù)越大) 5.3 半導(dǎo)體中電子的費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布 半導(dǎo)體中的導(dǎo)帶能級(jí)和滿帶能級(jí)遠(yuǎn)離費(fèi)密能量

12、導(dǎo)帶接近于空的，滿帶接近于充滿 5.3 半導(dǎo)體中電子的費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布導(dǎo)帶底附近的能量滿帶頂附近的能量應(yīng)用自由電子能態(tài)密度 5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度 導(dǎo)帶中電子的濃度5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度 令 有效能級(jí)密度5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度 導(dǎo)帶電子濃度單位體積中導(dǎo)電電子數(shù)就是如同導(dǎo)帶底 處的 個(gè)能級(jí)所應(yīng)含有的電子數(shù)空穴濃度 溫度不變，導(dǎo)帶中電子越多，空穴越少，反之亦然5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度 雜質(zhì)激發(fā) 如果N型半導(dǎo)體主要含有一種施主，施主的能級(jí): ED 施主的濃度: ND足夠低的溫度下，載流子主要是從施主能級(jí)激發(fā)到導(dǎo) 帶的電子導(dǎo)帶中電子的數(shù)目是空的施主能級(jí)數(shù)目 兩式消去 EF因?yàn)?.3

13、費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度 導(dǎo)帶底與施主能級(jí)差施主的電離能導(dǎo)帶中電子的數(shù)目5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度 溫度很低時(shí) 很少的施主被電離溫度足夠高時(shí) 施主幾乎全被電離，導(dǎo)帶中的電子數(shù)接近于施主數(shù) 5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度 P型半導(dǎo)體 受主的能級(jí)位置: EA 受主濃度: NA足夠低的溫度下，載流子主要是從受主能級(jí)激發(fā)到滿帶的空穴滿帶中空穴的濃度 受主的電離能在足夠低的溫度下 只有很少的受主被電離5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度 本征激發(fā) 足夠高的溫度下，本征激發(fā)占主導(dǎo)地位 特點(diǎn)為每產(chǎn)生一個(gè)電子同時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)空穴 帶隙寬度因?yàn)?本征激發(fā)隨溫度變化更為陡峭 測(cè)量分析載流子隨溫度的變化，可以確定帶隙寬度滿帶到導(dǎo)

14、帶的電子激發(fā)5.3 費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度 假定與能級(jí)E對(duì)應(yīng)的有G(E)個(gè)量子態(tài)，則 由于N和G（E）與半導(dǎo)體材料本身的能帶結(jié)構(gòu)及摻雜情況有關(guān)，因此只要知道了N 、G(E) 和溫度T，就可以求出Ef。反過(guò)來(lái)，如果知道了Ef，由此可以確定各能級(jí)上的電子數(shù)及總粒子數(shù)N 可以證明費(fèi)米函數(shù)等于化學(xué)勢(shì)，處于熱平衡狀態(tài)系統(tǒng)有相同的化學(xué)勢(shì)，所以對(duì)一個(gè)處于熱平衡的系統(tǒng)，各處費(fèi)米能級(jí)相同 5.4 費(fèi)米能級(jí)與能態(tài)密度 對(duì)于費(fèi)米子，一個(gè)量子態(tài)要么被電子占據(jù)，要么空著，能量為E的能級(jí)被占據(jù)的幾率為f(E)，因此空著的幾率為 不難看出，f(E)與1-f(E)相對(duì)E=Ef是對(duì)稱的，在該點(diǎn)占據(jù)及空著的幾率均為1/2。能量比費(fèi)

15、米能級(jí)高的能級(jí)空著的幾率大，反之，能量比費(fèi)米能級(jí)低的能級(jí)充滿的幾率較大。當(dāng)能量很大時(shí)，即 時(shí)，費(fèi)米分布與玻色分布趨向同一函數(shù)，5.4 費(fèi)米函數(shù)性質(zhì)5.4費(fèi)米函數(shù)與波耳茲曼函數(shù) 大多數(shù)情況下費(fèi)米能級(jí)與導(dǎo)帶底的距離比kT大得多，所以費(fèi)米函數(shù)可以用玻爾茲曼函數(shù)代替 f(E)隨E按指數(shù)下降，導(dǎo)帶寬度為eV量級(jí)，因此將上限擴(kuò)展至無(wú)窮大處也不會(huì)引起較大的誤差導(dǎo)帶中所有能級(jí)上電子的總密度等價(jià)于能量為Ec，態(tài)密度為Nc的一個(gè)能級(jí)。即把一個(gè)涉及許多能級(jí)的復(fù)雜的能帶問(wèn)題簡(jiǎn)化成了只有一個(gè)能級(jí)問(wèn)題，即可以將導(dǎo)帶理解為一個(gè)電子都集中于導(dǎo)帶底Ec，密度為Nc的能級(jí)。因此Nc稱為導(dǎo)帶的有效狀態(tài)密度。同理Nv稱為價(jià)帶的有效狀

16、態(tài)密度。5.4 狀態(tài)有效密度用兩個(gè)能級(jí)代替導(dǎo)帶和價(jià)帶，大大簡(jiǎn)化各種分析有效狀態(tài)密度反映了導(dǎo)帶或價(jià)帶容納電子或空穴的能力有效狀態(tài)密度是溫度的3/2次方函數(shù)，溫度愈高，N愈大對(duì)T=300K，兩者對(duì)硅分別為2.81019cm-3和1.041018cm-3 ，大大小于價(jià)電子密度 5.4 狀態(tài)有效密度 如果將n與p相乘，則可以發(fā)現(xiàn)乘積pn與Ef無(wú)關(guān)，即對(duì)特定的半導(dǎo)體材料，Ef與摻雜種類及摻雜濃度有關(guān)，因此由np與Ef無(wú)關(guān)可以推論此乘積pn與摻雜種類及摻雜濃度無(wú)關(guān)，即只與半導(dǎo)體材料本身能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)如果由于某種原因使得電子增加，則其中的空穴數(shù)目必然減少。當(dāng)摻雜濃度很大時(shí)，費(fèi)米能級(jí)可能進(jìn)入導(dǎo)帶或價(jià)帶，玻爾茲曼

17、近似不再成立，因此電子空穴數(shù)目乘積不再與Ef無(wú)關(guān)。5.4 質(zhì)量作用定律 由p=n，我們得到因?yàn)镹vNc,所以對(duì)本征半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中間稍偏下面的部位，但十分接近中間位置。不過(guò)如果某種半導(dǎo)體的Nc與Nv及mdn與mdp相差太大，則本征半導(dǎo)體的Ef偏離中心位置的距離可能較遠(yuǎn)。例如銻化銦的費(fèi)米能級(jí)偏離禁帶中心達(dá)0.2eV 5.4 本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí) 將上面的Ef 代入n與p的表達(dá)式，我們可以得到 同樣可得 本征載流子濃度隨溫度指數(shù)增加，而且pi=ni5.4 本征載流子濃度 室溫下硅的本征載流子濃度為 而有效狀態(tài)密度分別為Nc=2.811019 cm-3和Nv=1.041018 cm-3

18、，即導(dǎo)帶及價(jià)帶只有約10億分之一的能級(jí)被電子或空穴填充。因此室溫下本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力一般是很差的。 5.4 實(shí)例硅的能帶結(jié)構(gòu):導(dǎo)帶 導(dǎo)帶在與X間有一極小值，偏離中心點(diǎn)4/5，共有6個(gè)對(duì)稱的極小點(diǎn)，稱為能谷。因?yàn)?度對(duì)稱軸，所以y,z方向等價(jià)，因此l表示縱向、t表示橫向質(zhì)量。等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面，中心軸為軸5.5 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)硅的能帶結(jié)構(gòu): 價(jià)帶 有3個(gè)子能帶，都在k=0處有極大值1 、2兩個(gè)能帶簡(jiǎn)并，但曲率不同，因此它們對(duì)應(yīng)的空穴有效質(zhì)量不同，重的一個(gè)稱為重空穴，輕的為輕空穴第三個(gè)能帶與1、2兩個(gè)有距離特點(diǎn):間接能帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂不重合 5.5 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)鍺的能帶結(jié)構(gòu):導(dǎo)帶在與L之間的

19、布里淵邊界上有一極小值，截角8面體共有8個(gè)極小值，但因?yàn)闃O小值剛好位于布里淵區(qū)邊界，相對(duì)兩個(gè)極小之間相差一個(gè)倒格矢，所以實(shí)際上只有4個(gè)極小值，即只有4個(gè)能谷，同樣，等能面也是旋轉(zhuǎn)橢球面，但中心軸為軸5.5 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)GaAs的能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂都在k=0處，即為直接能帶；等能面為球形；導(dǎo)帶在(100)方向接近布里淵邊界區(qū)還有另外一個(gè)極小值；它的價(jià)帶情況與硅、鍺的類似，也有三個(gè)子能帶，也有輕重空穴之分直接帶隙5.5 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體N型本征半導(dǎo)體P型本征半導(dǎo)體EcEiEvEfEcEvEfEdEcEvEfEa室溫下、正常摻雜濃度5.5半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)施主能級(jí)摻入價(jià)數(shù)較高的雜質(zhì)原子；

20、晶格缺陷；雜質(zhì)-缺陷復(fù)合體。受主能級(jí)摻入價(jià)數(shù)較的雜質(zhì)原子；晶格缺陷；雜質(zhì)-缺陷復(fù)合體。激子能級(jí)：束縛的電子-空穴對(duì)極化子能級(jí)：電子-晶格相互作用5.5 半導(dǎo)體禁帶中的能級(jí)表面態(tài):表面原子狀態(tài)與體內(nèi)的不同等電子雜質(zhì):雜質(zhì)價(jià)電子數(shù)與母體的相同固有原子缺陷 (A格子空位VA,B格子空位,A元素間隙原子, B元素間隙原子)錯(cuò)位原子:化合物半導(dǎo)體中兩種原子換位間隙雜質(zhì) 5.5 半導(dǎo)體禁帶中的能級(jí)硅的介電常數(shù)為14，有效質(zhì)量分別1.0m0，代入可得硅中施主電子能級(jí)離開(kāi)導(dǎo)帶的距離p） 而對(duì)p型半導(dǎo)體而言，可簡(jiǎn)化為（因?yàn)閜n） 5.5 載流子的漂移常見(jiàn)半導(dǎo)體材料的遷移率（厘米2/伏秒）材料電子遷移率空穴遷移率

21、硅1350480鍺3900500砷化鎵8000100-3000 對(duì)硅而言，由于電子的有效質(zhì)量小于空穴的有效質(zhì)量，因而電子的遷移率比空穴的大，因此對(duì)于同樣尺寸的器件，相對(duì)來(lái)說(shuō)，N型材料制作的器件工作頻率較高 5.5 載流子的漂移當(dāng)半導(dǎo)體中通以電流時(shí)，電子與空穴除熱運(yùn)動(dòng)外還在電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)要受到磁場(chǎng)引起的洛倫茲力5.5 霍爾效應(yīng)原理當(dāng)霍耳電場(chǎng)引起的力與磁場(chǎng)引起的力最后達(dá)到平衡時(shí)，有由此我們得到一個(gè)十分重要的公式即霍耳電勢(shì)與流過(guò)的電流大小及磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比比例系數(shù)稱為霍耳系數(shù)對(duì)電子R=為-1/ne，對(duì)空穴為R=1/pe5.5 霍爾效應(yīng)原理霍耳遷移率 由于磁場(chǎng)的存在，電子

22、的漂移運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，因此以上所指的遷移率嚴(yán)格來(lái)說(shuō)應(yīng)是磁場(chǎng)下的遷移率引入霍耳遷移率后，霍耳系數(shù)要進(jìn)行修改，對(duì)簡(jiǎn)單能帶半導(dǎo)體，Rn與Rp沒(méi)有差別由半導(dǎo)體的具體能帶結(jié)構(gòu)可以算出霍耳遷移率 與一般遷移率的比值，它們?yōu)橥ㄟ^(guò)霍爾系數(shù)測(cè)量，可以確定材料的導(dǎo)電類型，載流子濃度，電導(dǎo)率等十分重要的參數(shù)5.5 霍爾效應(yīng)原理5.6 pn 結(jié) p - n 結(jié)的形成 在n型半導(dǎo)體基片的一側(cè)摻入較高濃度的受主雜質(zhì)，該區(qū)就成為p型半導(dǎo)體（補(bǔ)償作用）電子和空穴的擴(kuò)散，在p型和n型半導(dǎo)體交界面附近產(chǎn)生了一個(gè)內(nèi)建(電)場(chǎng)n型p型 阻止電子和空穴 進(jìn)一步擴(kuò)散 內(nèi)建場(chǎng)大到一定程度，不再有凈電荷的流動(dòng)，達(dá)到了新的平衡在p型 n型交

23、界面附近形成的這種特殊結(jié)構(gòu)稱為p-n結(jié)（阻擋層，耗盡層），約0.1m厚 p-n結(jié)p型n型5.6 pn 結(jié) p-n結(jié)處存在電勢(shì)差U0形成的勢(shì)壘區(qū) 。# 它阻止 p區(qū)帶正電的空穴進(jìn)一步向n區(qū)擴(kuò)散；也阻止n區(qū)帶負(fù)電的電子進(jìn)一步向p區(qū)擴(kuò)散U0電子能級(jí)電勢(shì)曲線電子電勢(shì)能曲線p-n結(jié)np對(duì)Ge: U0=0.20.3 V對(duì) Si: U0=0.60.7 V5.6 pn 結(jié) 由于p-n結(jié)的存在，電子的能量應(yīng)考慮進(jìn)勢(shì)壘帶來(lái)的附加勢(shì)能。 電子的能帶出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象空帶空帶p-n結(jié)施主能級(jí)受主能級(jí)滿帶滿帶5.6 pn 結(jié) 擴(kuò)散和漂移形成平衡電荷分布，滿足玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)規(guī)律 N區(qū)和P區(qū)空穴濃度之比熱平衡下N區(qū)和P區(qū)電子濃度

24、P區(qū)和N區(qū)電子濃度之比5.6 pn 結(jié) p-n結(jié)的單向?qū)щ娦?. 正向偏壓p-n結(jié)的p型區(qū)接電源正極，叫正向偏壓形成正向電流（m級(jí)） 阻擋層勢(shì)壘降 低、變窄 有利于空穴向 n區(qū)運(yùn)動(dòng) 也有利電子 向p區(qū)運(yùn)動(dòng)和反向，p型n型I5.6 pn 結(jié) 外加正向電壓越大，形成的正向電流也越大且呈非線性的伏安特性U（伏）302010（毫安）正向00.21.0I鍺管的伏安特性曲線5.6 pn 結(jié)2. 反向偏壓p-n結(jié)的p型區(qū)接電源負(fù)極，叫反向偏壓。p型n型I 阻擋層勢(shì)壘升 高、變寬，不利于空穴向 n區(qū)運(yùn)動(dòng)，也不利于電子 向p區(qū)運(yùn)動(dòng)沒(méi)有正向電流！和同向，但是由于少數(shù)載流子的存在，會(huì)形成很弱的反向電流，稱漏電流（級(jí)

25、）5.6 pn 結(jié)當(dāng)外電場(chǎng)很強(qiáng)，反向電壓超過(guò)某一數(shù)值后，反向電流會(huì)急劇增大反向擊穿V(伏)I-10-20-30（微安）反向-20-30用其單向?qū)щ娦裕芍瞥啥O管(diode):整流、開(kāi)關(guān)用其電致發(fā)光效應(yīng)，可制成發(fā)光二極管（LED）用其光生伏特效應(yīng)，可制成太陽(yáng)能電池?fù)舸╇妷簆n結(jié)的應(yīng)用：加反向偏壓時(shí)，p n結(jié)的伏安特性曲線5.6 pn 結(jié)雙極晶體管由兩個(gè)相距很近的PN結(jié)組成：分為：NPN和PNP兩種形式基區(qū)寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度發(fā)射區(qū)收集區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)收集結(jié)發(fā)射極收集極基極5.7 半導(dǎo)體器件金屬絕緣體半導(dǎo)體和MOS反型層 MIS體系：金屬絕緣體半導(dǎo)體(MetalInsulatorSemicon

26、ductor)MOS體系：金屬氧化物半導(dǎo)體 MIS結(jié)構(gòu)的一種特殊形式(MetalOxideSemiconductor)MOS有著許多主要的應(yīng)用1) 絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管：存儲(chǔ)信息2) 集成電路：計(jì)算機(jī)RAM3) 電荷耦合器件：CCD 存儲(chǔ)信號(hào)，轉(zhuǎn)換信號(hào)5.7 半導(dǎo)體器件 P型半導(dǎo)體 MIS體系的機(jī)理 金屬層 柵極 氧化物(SiO2 100nm) 半導(dǎo)體接地在柵極施加電壓為負(fù)時(shí)，半導(dǎo)體中的空穴被吸收到IS表面，并在表面處形成帶 正電荷的空穴積累層在柵極施加電壓為正時(shí)，半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子空穴被排斥離開(kāi)IS表面少數(shù)載流子 電離的受主電子被吸收表面處5.7 半導(dǎo)體器件 正電壓較小 空穴被排斥，在表面處形成

27、負(fù)電荷的耗盡層為屏蔽柵極正電壓, 耗盡層具有一定的厚度d 微米量級(jí)空間電荷區(qū)5.7 半導(dǎo)體器件 空間電荷區(qū)存在電場(chǎng)，使能帶發(fā)生彎曲 對(duì)空穴來(lái)說(shuō)形成一個(gè)勢(shì)壘5.7 半導(dǎo)體器件表面 x0相對(duì)于體內(nèi)xd的電勢(shì)差 表面勢(shì)：Vs 柵極正電壓增大時(shí)，表面勢(shì)進(jìn)一步增大 表面勢(shì)足夠大時(shí)，有可能表面處的費(fèi)密能級(jí)進(jìn)入帶隙的上半部 空間電荷區(qū)電子的濃度將要超過(guò)空穴的濃度形成電子導(dǎo)電層5.7 半導(dǎo)體器件空間電荷區(qū)的載流子主要為電子，半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子為空穴，空間電荷層 反型層5.7 半導(dǎo)體器件形成反型層時(shí)的能帶Ei是半導(dǎo)體的本征費(fèi)密能級(jí)，EF是表面處的費(fèi)密能級(jí) 當(dāng)EF在Ei之上時(shí)，電子的濃度大于空穴的濃度 兩者相等時(shí)

28、，電子和空穴的濃度相等 當(dāng)EF在Ei之下時(shí)，電子的濃度小于空穴的濃度5.7 半導(dǎo)體器件形成反型層的條件 費(fèi)密能級(jí)EF從體內(nèi)Ei之 下變成表面時(shí)Ei之上， 兩者之差qVF滿足一般形成反型層的條件 表面處電子濃度增加到等于或超過(guò)體內(nèi)空穴的濃度5.7 半導(dǎo)體器件反型層中的電子，一邊是絕緣層 導(dǎo)帶比半導(dǎo)體高出許多，另一邊 是耗盡層空間電荷區(qū)電場(chǎng)形成的勢(shì)壘 電子被限制在表面附近能量最低的一個(gè)狹窄的區(qū)域 有時(shí)稱反型層稱為溝道 P型半導(dǎo)體的表面反型層是電子構(gòu)成的 N溝道5.7 半導(dǎo)體器件N溝道晶體管 在P型襯底的MOS體系中增加兩個(gè)N型擴(kuò)散區(qū) 源區(qū)S和漏區(qū)D，構(gòu)成N溝道晶體管1) 一般情況下：柵極電壓很小，

29、源區(qū)S和漏區(qū)D被P型區(qū)隔開(kāi)，即使在SD之間施加一定的電壓，由于SP和DP區(qū)構(gòu)成兩個(gè)反向PN結(jié)# 只有微弱的PN反向結(jié)電流5.7 半導(dǎo)體器件2) 柵極電壓達(dá)到或超過(guò)一定的閾值，Insulator_P-Si表面處形成反型層 電子的濃度大于體內(nèi)空穴的濃度3) 通過(guò)控制柵極電壓的極性和數(shù)值，使MOS晶體管處于導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)，源區(qū)S和漏區(qū)D之間的電流受到柵極電壓的調(diào)制 集成電路應(yīng)用 反型層將源區(qū)S和漏區(qū)D連接起來(lái)，此時(shí)在SD施加一個(gè)電壓，則會(huì)有明顯的電流產(chǎn)生 5.7 半導(dǎo)體器件MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管5.7 半導(dǎo)體器件 p-n結(jié)的適當(dāng)組合可以作成具有放大作用的晶體三極管（trasistor）和其他一些半導(dǎo)體器

30、件。集成電路 大規(guī)模集成電路 超大規(guī)模集成電路晶體管（1947）（1962 ）（80年代）103105甚大規(guī)模集成電路巨大規(guī)模集成電路107109（70年代）（90年代）（現(xiàn)在）5.7 半導(dǎo)體器件 1947年12月23日，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的半導(dǎo)體小組做出世界上第一只具有放大作用的點(diǎn)接觸型晶體三極管。 1956年小組的三位成員獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。巴丁J.Bardeen布拉頓W.H.Brattain肖克利W.Shockley5.7 晶體管的發(fā)明2000諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)杰克基爾比 信息技術(shù)方面的基礎(chǔ)性工作：集成電路5.7 集成電路每一個(gè)集成塊（圖中一個(gè)長(zhǎng)方形部分）約為手指甲大小，它有300多萬(wàn)個(gè)三極管。 I

31、NMOS T900微處理器四個(gè)尺寸參量：載流子平均自由程 磁場(chǎng)中電子回旋半徑 rc薄膜厚度 dDe Broglie 波長(zhǎng) 分幾種情況來(lái)討論體材料： r l l 忽略載流子與樣品邊界的作用，體內(nèi)散射為主。d l 界面散射需考慮 r 磁場(chǎng)量子化 l 電導(dǎo)能帶理論不符合，低遷移率量子理論，介觀物理 d 載流子運(yùn)動(dòng)量子尺寸效應(yīng)經(jīng)典量子5.7 尺寸效應(yīng)異質(zhì)外延晶格常數(shù)差晶格失配度臨界厚度晶格失配時(shí)厚度SiGe/Si結(jié)構(gòu)中熱應(yīng)力對(duì)臨界厚度的影響 JY Huang et alJ. Appl. Phys. 1998異質(zhì)結(jié)：兩種不同的材料“連接”在一起形成異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體、金屬、絕緣體等大量材料都可以用來(lái)制備優(yōu)質(zhì)的

32、異質(zhì)結(jié)例：SiO2/Si異質(zhì)結(jié)，界面缺陷非常少I(mǎi)II-V化合物異質(zhì)結(jié)GaAs/AlGaAs, GaInAs/InP, GaInAs/AlInAs,GaSb/AlSb, GaN/AlN, InN/GaNII-VI化合物異質(zhì)結(jié)CdZnO/ZnO, ZnMgO/ZnO光電子、微電子廣泛采用異質(zhì)結(jié)調(diào)制能帶結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能帶剪裁量子結(jié)構(gòu)中的電子態(tài)例：幾種半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)能帶圖GaSbInAsAlGaAsGaAsAlGaAsGaAs(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(b): 單結(jié)異質(zhì)結(jié)構(gòu)(c) (e): 雙結(jié)異質(zhì)結(jié)構(gòu)(f): 四結(jié)異質(zhì)結(jié)構(gòu)(d) (g) (h) (i): 多結(jié)異質(zhì)結(jié)構(gòu)(a)(

33、b):單異質(zhì)結(jié)(c):單量子阱(d):多量子阱(e):單勢(shì)壘結(jié)構(gòu)(f): 雙勢(shì)壘結(jié)構(gòu)(g):多勢(shì)壘結(jié)構(gòu)(h): I 類超晶格(i): II類超晶格根據(jù)能帶的不連續(xù)性，可以分為I型II型AlGaAsGaAsAlGaAsGaAs電子和空穴在同一種材料中GaSbInAs電子和空穴在不同的材料中一般約有幾百個(gè)毫電子伏，比載流子的能量(kT)要大許多，載流子被限制在勢(shì)阱中。勢(shì)阱寬度 勢(shì)阱寬度 阱中載流子的de Broglie 波長(zhǎng)經(jīng)典勢(shì)阱量子勢(shì)阱量子阱結(jié)構(gòu)有如下假設(shè)：1）電子有效質(zhì)量m*為各向同性有效質(zhì)量 2）對(duì)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的勢(shì)能，假設(shè)為理想的臺(tái)階形狀 方勢(shì)阱近似對(duì)應(yīng)于薄膜厚度非常薄的多層膜情況量子阱中的電

34、子態(tài)和態(tài)密度在禁帶較窄的薄膜兩側(cè)，生長(zhǎng)另一種禁帶較寬的材料，就構(gòu)成了量子阱。AABZ三層薄膜結(jié)構(gòu)，構(gòu)成量子阱阱寬量子勢(shì)阱考慮電子情況，勢(shì)能：AAB0zVb量子阱勢(shì)能勢(shì)阱高度勢(shì)阱寬度電子氣（空穴氣）江崎嶺于奈 發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體中的隧道效應(yīng)1973諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) LED特點(diǎn)低電壓 3-4V高效節(jié)能 35%長(zhǎng)壽命10萬(wàn)小時(shí)（電燈3000-8000小時(shí)）體積小環(huán)保（廢棄物少）應(yīng)用廣泛（全彩色顯示、汽車電子、手機(jī)顯示，儀器儀表顯示、未來(lái)白光照明）海島、高山無(wú)電網(wǎng)處易實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能照明（軍事）5.7 半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器2000諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)信息技術(shù)方面的基礎(chǔ)性工作:異質(zhì)結(jié)發(fā)光澤羅斯阿爾費(fèi)羅夫赫伯特克勒默5.7

35、 半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器Active Layer5-period In0.3Ga0.7N/GaN SLs (2.5nm/4.0nm)Transparent electrodeP electrodeN electrodeBlue InGaN/GaN multi-quantum well LED structureN-type GaN: Si 3-4mSubstrate Sapphire or SiP-type Al0.1Ga0.9N:Mg 100nmP-type GaN:Mg 0.5mGaN buffer layer: 30nm2.5nm InGaN4.0nm GaN5.7 半導(dǎo)體發(fā)光二極管、

36、激光器 pn阻擋層E內(nèi)-+-+-+-+-pn滿 帶空 帶eU0pn滿 帶空 帶e(U0-V)外E內(nèi)pn阻擋層+-+電子、空穴復(fù)合發(fā)光5.7 半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶pInpIn-+E內(nèi)U0導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶三塊半導(dǎo)體緊密接觸，形成 p-I-n 結(jié)Inp（本征）+ -pInE內(nèi)E外5.7 半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器Ec1Ec2Ev1Ev2EcEv量子阱LED能帶結(jié)構(gòu)圖5.7 半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器超晶格LED能帶結(jié)構(gòu)圖同質(zhì)結(jié)激光器實(shí)質(zhì)上是由同一種材料制成的一個(gè) p-n結(jié)（重?fù)诫s）異質(zhì)結(jié)激光器實(shí)質(zhì)上是由兩種不同材料制成的一 個(gè) p-I-n結(jié)（ I為本征半導(dǎo)體）半導(dǎo)體激光器分兩類: 半導(dǎo)體激光

37、器是光纖通訊中的重要光源，在創(chuàng)建信息高速公路的工程中起著極重要的作用。5.7 半導(dǎo)體激光器pn滿 帶空 帶重?fù)诫spn滿 帶空 帶普通摻雜 同質(zhì)結(jié)激光器5.7 半導(dǎo)體激光器 pn阻擋層E內(nèi)-+-+-+-+-加正向偏壓V 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)外E內(nèi)pn阻擋層+-+pn滿 帶空 帶eU0pn滿 帶空 帶e(U0-V)電子空穴復(fù)合發(fā)光5.7 半導(dǎo)體激光器適當(dāng)鍍膜達(dá)到所要求的反射系數(shù)，可形成光振蕩并利于選頻。激勵(lì)能源就是外接電源（電泵）它提供正向電流，使電子空穴的復(fù)合不斷進(jìn)行，維持激光的輸出由自發(fā)輻射引起受激輻射p-n結(jié)本身就形成一個(gè)光學(xué)諧振腔，它的兩個(gè)端面就相當(dāng)于兩個(gè)反射鏡，5.7 半導(dǎo)體激光器解理面p-n結(jié)核

38、心部分：p型GaAsn型GaAs典型尺寸（m） ：長(zhǎng) L= 250 500寬 W = 5 10厚 d = 0.1- 0.2GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器同質(zhì)結(jié)的缺點(diǎn)是需要重?fù)诫s，且光損耗大5.7 半導(dǎo)體激光器導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶pInpIn-+E內(nèi)U0導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶三塊半導(dǎo)體緊密接觸，形成 p-I-n 結(jié)Inp加正向偏壓實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（本征）需要電壓較高+ -pInE內(nèi)E外5.7 半導(dǎo)體激光器-同質(zhì)p-I-n結(jié)Ga1-x Alx As GaAs Ga1-x Alx As 導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶pIn導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶加正向偏壓后， 很容易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)GaAs和GaAlAs,晶格常數(shù)基本相同，禁帶寬度不同，折射系數(shù)不同U0InppIn-+E內(nèi)緊密接觸, 形成 p-I-n 結(jié)+ -pInE內(nèi)E外5.7 半導(dǎo)體激光器-異質(zhì)p-I-n結(jié)異質(zhì)結(jié)激光器的優(yōu)點(diǎn)： 無(wú)須重?fù)诫s GaAs的折射率比兩側(cè)