1、第五章 半導(dǎo)體 Semiconductor,5.0 引言,半導(dǎo)體載流子的有效質(zhì)量 雜質(zhì)半導(dǎo)體 熱平衡載流子分布 半導(dǎo)體的光吸收 半導(dǎo)體界面特性 典型半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu),主要內(nèi)容,學(xué)習(xí)提示,以下問(wèn)題是難點(diǎn)，須認(rèn)真學(xué)習(xí)和體會(huì) 有效質(zhì)量的物理意義 雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)及導(dǎo)電性的影響 半導(dǎo)體界面特性,金鋼石結(jié)構(gòu)和面心立方晶體的第一布里淵區(qū)示意圖,5.1 典型的半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu),Si的能帶結(jié)構(gòu),5.1 典型的半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu),理想半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),一維情況：,價(jià)帶頂附近的有效質(zhì)量量為負(fù) 導(dǎo)帶底附近的有效質(zhì)量為正,5.2電子的有效質(zhì)量,為了克服價(jià)帶頂電子有效質(zhì)量負(fù)值的困難，引入價(jià)帶頂空穴的概念,三維情況：,

2、5.2電子的有效質(zhì)量,Si中摻P后的共價(jià)網(wǎng)絡(luò)示意圖,5.3半導(dǎo)體的摻雜,五價(jià)P提供的多余電子狀態(tài),束縛在P+周?chē)纬扇醯氖`態(tài) 參與價(jià)電子公有化，成為非局域化電子,如何處理這個(gè)束縛態(tài) 束縛態(tài)能級(jí)與能帶之間的關(guān)系,一、施主摻雜,5.3半導(dǎo)體的摻雜,一、施主摻雜,束縛態(tài)能級(jí)的類(lèi)氫原子處理,氫原子,為了表達(dá)屏蔽作用，對(duì)勢(shì)函數(shù)進(jìn)行修正：,束縛態(tài)能級(jí)：,施主能級(jí)和施主電離示意圖,5.3半導(dǎo)體的摻雜,一、施主摻雜,Si中摻B后的共價(jià)鍵網(wǎng)絡(luò)示意圖,5.3半導(dǎo)體的摻雜,一、受主摻雜,利用類(lèi)氫原子模型可以得到,5.3半導(dǎo)體的摻雜,二、受主摻雜,導(dǎo)帶上的電子數(shù)N(T)為,一、導(dǎo)帶上的電子濃度,5.4熱平衡載流子分

3、布,若導(dǎo)帶底可以近似為拋物線,5.4熱平衡載流子分布,二、導(dǎo)帶上的電子濃度,導(dǎo)帶上的電子濃度為,5.4熱平衡載流子分布,二、價(jià)帶上的空穴濃度,5.4熱平衡載流子分布,三、質(zhì)量作用定律,導(dǎo)帶上的電子濃度和價(jià)帶上空穴濃度之積僅僅與禁帶寬度有關(guān),這一規(guī)律與半導(dǎo)體的種類(lèi)沒(méi)有關(guān)系，適用于本證、施主和雜質(zhì)半導(dǎo)體,導(dǎo)帶上的電子濃度與價(jià)帶上的空穴濃度必然相等,本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)與溫度的關(guān)系為,5.4熱平衡載流子分布,四、本證半導(dǎo)體,T=0K時(shí)，費(fèi)米能級(jí)EF為,5.4熱平衡載流子分布,四、本證半導(dǎo)體,由于導(dǎo)帶上的電子載流子的濃度是本征激發(fā)和施主電離二者共同貢獻(xiàn)的，所以可得電中性方程：,5.4熱平衡載流子分布,五

4、、施主半導(dǎo)體,5.4熱平衡載流子分布,五、施主半導(dǎo)體,施主半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí),數(shù)值求解上述方程可以得到施主半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí),5.4熱平衡載流子分布,五、受主半導(dǎo)體,由于價(jià)帶上的空穴子載流子的濃度是本征激發(fā)和受主電離二者共同貢獻(xiàn)的，所以可得電中性方程：,數(shù)值求解上述方程可以得到受主半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí),Si中費(fèi)米能級(jí)與溫度和雜質(zhì)濃度之間的關(guān)系,5.4熱平衡載流子分布,六、半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí),在上述過(guò)程中，光照在導(dǎo)帶上產(chǎn)生的電子必然同價(jià)帶上所留下的空穴相等，所以有：,5.5非熱平衡載流子分布,非平衡載流子的產(chǎn)生： （1）光輻照 （2）電注入,半導(dǎo)體中電子和空穴的定向漂移運(yùn)動(dòng)和電流示意圖,一、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制

5、,5.5半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì),當(dāng)溫度一定時(shí)，在一定的電場(chǎng)強(qiáng)度下，載流子的定向漂移運(yùn)動(dòng)的平 均速度為一常數(shù)，且有,電流密度J 為,二、載流子的遷移率,5.5半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì),半導(dǎo)體的電流密度為,半導(dǎo)體的電導(dǎo)率為,二、載流子的遷移率,5.5半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì),載流子受到兩次散射的平均時(shí)間間隔為（稱(chēng)為弛豫時(shí)間）， 那么，從半經(jīng)典力學(xué)的觀點(diǎn)可以得出：,載流子的遷移率可以表示為：,二、載流子的遷移率,5.5半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì),本征吸收的條件是入射光子的能量不小于半導(dǎo)體的禁帶寬度，即,在直接躍遷過(guò)程中必然滿足以下條件：,光子動(dòng)量很小，動(dòng)量守恒簡(jiǎn)化為：,5.6半導(dǎo)體光吸收,一、直接帶隙半導(dǎo)體的本征吸收,在5K溫度下

6、InSb的吸收系數(shù)與光子能量的關(guān)系曲線,5.6半導(dǎo)體光吸收,一、直接帶隙半導(dǎo)體的本征吸收,間接躍遷的能量和動(dòng)量守恒條件可以表示為：,間接躍遷引起光的本征吸收示意圖,5.6半導(dǎo)體光吸收,二、直接帶隙半導(dǎo)體的本征吸收,電子聲子相互作用參與電子躍遷過(guò)程,間接躍遷引起光的本征吸收示意圖,5.6半導(dǎo)體光吸收,三、半導(dǎo)體其它光吸收機(jī)制,半導(dǎo)體吸收光譜示意圖,5.6半導(dǎo)體光吸收,四、半導(dǎo)體其它光吸收機(jī)制,光電器件的光電流為：,一種光電器件的基本電路原理,5.6半導(dǎo)體光吸收,五、半導(dǎo)體的光電導(dǎo),兩種載流子的霍爾效應(yīng)示意圖,空穴,電子,5.7半導(dǎo)體的磁學(xué)性質(zhì),一、半導(dǎo)體霍爾（Hall）效應(yīng),在洛倫茲力的作用下，

7、在垂直于的樣品端面上就會(huì)形成電荷累積，形成霍爾電場(chǎng)； 電子或空穴受到兩個(gè)力的作用，一是磁場(chǎng)中的洛倫茲力；一是霍爾電場(chǎng)中的電場(chǎng)力； 達(dá)到平衡時(shí)，必然是洛倫茲力同電場(chǎng)力相等，所以有：,5.7半導(dǎo)體的磁學(xué)性質(zhì),一、半導(dǎo)體霍爾（Hall）效應(yīng), 霍爾系數(shù),霍爾角的正切為：,電子載流子的霍爾角為，,5.7半導(dǎo)體的磁學(xué)性質(zhì),一、半導(dǎo)體霍爾（Hall）效應(yīng),空穴載流子的霍爾系數(shù)和霍爾角分別為：,5.7半導(dǎo)體的磁學(xué)性質(zhì),一、半導(dǎo)體霍爾（Hall）效應(yīng),5.7半導(dǎo)體的磁學(xué)性質(zhì),一、半導(dǎo)體霍爾（Hall）效應(yīng),霍爾電壓，記為VH：,總的霍爾系數(shù)可以表示為：,5.7半導(dǎo)體的磁學(xué)性質(zhì),一、半導(dǎo)體霍爾（Hall）效應(yīng),

8、載流子所受的洛倫茲力和霍爾 電場(chǎng)力相平衡時(shí)載流子的運(yùn)動(dòng),5.7半導(dǎo)體的磁學(xué)性質(zhì),二、半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng),磁阻效應(yīng)：在垂直于電流方向上施加磁場(chǎng)，沿外加電場(chǎng)方向的電流密度有所降低，即表觀電阻增大，稱(chēng)此效應(yīng)為磁阻效應(yīng),5.7半導(dǎo)體的磁學(xué)性質(zhì),二、半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng),具有與霍爾電場(chǎng)相平衡速度的載流子的運(yùn)動(dòng) 速度較大載流子的運(yùn)動(dòng) 速度較小載流子運(yùn)動(dòng),(a) 長(zhǎng)方形樣品l/d 1，(b) 長(zhǎng)方形樣品l/d 1，(c) 科比諾圓盤(pán),半導(dǎo)體幾何磁阻,5.7半導(dǎo)體的磁學(xué)性質(zhì),二、半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng),5.8半導(dǎo)體界面特性,一、p-n結(jié),p-n結(jié)接觸前的能帶結(jié)構(gòu)示意圖,5.8半導(dǎo)體界面特性,一、p-n結(jié),p-n結(jié)接觸后的

9、平衡能帶結(jié)構(gòu)示意圖,p-n結(jié)平衡后，實(shí)際上在結(jié)區(qū)兩端建立起了一個(gè)勢(shì)壘，eVD，勢(shì)壘的大小為：,結(jié)合上式得：,5.8半導(dǎo)體界面特性,一、p-n結(jié),5.8半導(dǎo)體界面特性,一、p-n結(jié),pn結(jié)正向偏壓時(shí)的能帶和結(jié)區(qū)的變化,5.8半導(dǎo)體界面特性,一、p-n結(jié),pn結(jié)反向偏壓時(shí)的能帶和結(jié)區(qū)的變化,p-n結(jié)的電流密度可以表示為：,p-n結(jié)的直流I-V 特性曲線,5.8半導(dǎo)體界面特性,一、p-n結(jié),p-n結(jié)的光生伏特示意圖,5.8半導(dǎo)體界面特性,一、p-n結(jié),熱平衡后，界面處半導(dǎo)體的電位高于金屬，且有勢(shì)壘的高度為：,5.8半導(dǎo)體界面特性,二、半導(dǎo)體金屬接觸：肖脫基勢(shì)壘,半導(dǎo)體體歐姆接觸后的能帶結(jié)構(gòu),5.8半

10、導(dǎo)體界面特性,二、半導(dǎo)體金屬接觸：Ohm接觸,幾種常見(jiàn)金屬的功函數(shù)（單位：eV）,5.8半導(dǎo)體界面特性,二、半導(dǎo)體金屬接觸,能帶結(jié)構(gòu)示意圖,金剛石結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體(111) 面異質(zhì)結(jié)的晶格模型,5.8半導(dǎo)體界面特性,二、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié),MIS結(jié)構(gòu)示意圖,5.8半導(dǎo)體界面特性,二、MIS結(jié)構(gòu)，Metal-Isolator Semiconductor (MIS),由p型半導(dǎo)體構(gòu)成的MIS結(jié)構(gòu)在各種電壓VG下的空間電荷分布,(a) 空穴堆積，(b) 空穴耗盡，(c) 反型層,5.8半導(dǎo)體界面特性,二、MIS結(jié)構(gòu)，Metal-Isolator Semiconductor (MIS),5.8半導(dǎo)體界面特性,二、

11、MIS結(jié)構(gòu)，Metal-Isolator Semiconductor (MIS),鍺、硅半導(dǎo)體材料,鍺和硅的一般物理性質(zhì),5.10半導(dǎo)體材料簡(jiǎn)介,(a)鍺， (b)硅,鍺和硅的能帶結(jié)構(gòu),鍺、硅半導(dǎo)體材料,5.10半導(dǎo)體材料簡(jiǎn)介,III-V化合物半導(dǎo)體材料,(a) 閃鋅礦,(b)纖鋅礦,III-V族化合物半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu),5.10半導(dǎo)體材料簡(jiǎn)介,GaAs的能帶結(jié)構(gòu)和性質(zhì),GaAS能帶結(jié)構(gòu)(a)和不同雜質(zhì)能級(jí)(b)示意圖,III-V化合物半導(dǎo)體材料,5.10半導(dǎo)體材料簡(jiǎn)介,非晶態(tài)半導(dǎo)體,(a) (b) 晶態(tài)（a）和非晶態(tài)（b）固體原子排列的二維示意圖,5.10半導(dǎo)體材料簡(jiǎn)介,非晶半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),(a) (b) 非晶半導(dǎo)體的能帶模型 （a）理想非晶態(tài)，(b) 含懸掛鍵的非晶態(tài),5.10半導(dǎo)體材料簡(jiǎn)介,非晶態(tài)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制,擴(kuò)展態(tài)電子對(duì)電導(dǎo)率的貢獻(xiàn)為,式中，EC是遷移率邊的能量，EF是費(fèi)米能。smin是擴(kuò)展態(tài)開(kāi)始導(dǎo)電時(shí)的電導(dǎo)率， smin與具體的無(wú)序結(jié)構(gòu)有關(guān),5.10半導(dǎo)體材料簡(jiǎn)介,定域態(tài)電子躍遷導(dǎo)電機(jī)理,非晶半導(dǎo)體電到率與溫