第3章半导体材料剖析

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1、1,第3章 半导体材料,2,人类对半导体材料的认识，是从18世纪电现象被发现后开始的。 当时根据物质的导电性质，将它们分为良导体（10-6m），绝缘体（ 1012-1022m），以及介于这两者之间的半导体三大类。 半导体材料是半导体科学的分支之一，是半导体科学发展的物质基础。,3,利用半导体具有对热、磁、力、光等物理量的敏感性能，可做成各种物理量的传感器，如热敏电阻、磁敏电阻、力敏电阻、光敏电阻及光电池等。 利用半导体的载流子可受电场和光的影响，可制作晶体二极管、晶体三极管以及集成电路、微薄器件和光电子器件等。,4,第3章 半导体材料,半导体材料简介 半导体材料的物理基础 锗、硅半导体材料 -

2、族化合物半导体,5,伏特 A. Volta (17451827)，意大利物理学家 国际单位制中，电压单位伏为纪念他而命名。 1800年，发明了世界上第一个伏特电池最早直流电源。 从此，人类对电的研究从静电发展到流动电，开拓了电学的研究领域。 利用静电计对不同材料接地放电，区分了金属，绝缘体和导电性能介于之间的“半导体”。,给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用了 “Semiconductor”（半导体）一词。,3.1半导体材料简介-1. 发展简史,6,20世纪40年代，用多晶硅制成检波器。从电子管时代进入半导体时代，认为是半导体材料应用的开始。 20世纪50年代初，硅、锗和化合物半导体材料并行发展

3、。 20世纪60年代，形成了硅平面器件工艺，诞生了硅的集成电路。 短短20年间，先后出现了千百种化合物半导体材料。,3.1半导体材料简介-1. 发展简史,7,禁带宽度的变化趋势 第一代半导体材料，元素半导体材料，以Si和Ge为代表; Si：Eg=1.12 eV 第二代半导体材料，化合物半导体材料，以GaAs，InP等材料为代表; GaAs：Eg=1.46eV 第三代半导体材料，化合物半导体材料，以GaN，SiC，ZnO等材料为代表; GaN: Eg=3.3 eV,3.1半导体材料简介-1. 发展简史,8,按功能及应用： 微电子材料、光电半导体材料、热电半导体材料、微波半导体材料、敏感半导体材料

4、等； 按化学成分： 元素半导体、化合物半导体和有机半导体等； 按是否含有杂质：本征半导体和杂质半导体 按导电类型：N型半导体和P型半导体 按结构：晶态半导体与非晶态半导体等。,3.1半导体材料简介- 2. 分类,9,1928年普朗克在应用量子力学研究金属导电问题中，提出固体能带理论的基本思想能带论。 1931年，威尔逊在能带理论的基础上，提出半导体的物理模型。用能带理论解释导体、绝缘体和半导体的行为特征，其中包括半导体电阻的负温度系数和光电导现象。,3.2 半导体材料的物理基础-1. 能带特征,10,半导体材料大多是单晶，由大量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。 电子受

5、自身原子核和相邻原子核作用。 电子不再完全局限在某一个原子上，而可以从一个原子转移到相邻的原子上去。 电子的共有化运动（即电子可以在整个晶体中运动）。,3.2 半导体材料的物理基础-1. 能带特征,11,在未填满电子的最外壳层中，电子数的多少决定了这一元素的化学性质，这些电子称为价电子。 价电子所处的基态能级叫价（能）级。 价电子经激发后，可跃迁到价级以上的空能级中去，这些空能级叫激发级（相应于激发层轨道）。,3.2 半导体材料的物理基础-1. 能带特征,12,在晶体中，如果认为各个原子是完全孤立的，那么各原子的相应能级的能量应完全相等。换句话说，相应的能级重叠在一起，成为简并能级。 但事实上

6、，当原子结合为晶体时，每一个原子中的价电子受自身原子核和相邻原子核的共同作用。,3.2 半导体材料的物理基础-1. 能带特征,13,量子力学说明：由于价电子的共有化运动，重叠在一起的简并能级将分裂为一系列相互之间相差极微的能级，形成一个能带。价电子处于价级分裂后的那些能级上，这样的能带叫价带，价带的宽度约几个eV。如果价带中所有的能级都按泡利不相容原理填满了电子，就称为满带。,3.2 半导体材料的物理基础-1. 能带特征,14,激发能级也同样分裂成为能带。激发能带中没有电子，所以叫空带，但是价电子有可能经激发后跃迁到空带中而参与导电，所以空带又叫导带或自由带，在满带与导带之间不存在能级，这一能

7、量间隔叫做禁带。,3.2 半导体材料的物理基础-1. 能带特征,15,原子能级分裂为能带,原子能级,能带,禁带,允带,禁带,3.2 半导体材料的物理基础-1. 能带特征,允带,允带,16,原来孤立的原子能级都分裂成一组组相差极微的能级，每组构成一个能带。 半导体中电子填充能带遵守两条原理。 1. Pauli不相容原理 每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子。 2. 最低能量原理 电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上, 使整个原子系统能量最低。,3.2 半导体材料的物理基础-1. 能带特征,17,一般情况下，电子不可能停留在禁带中。根据近代的能带理论，物质的导电性取决于价带是否填满，禁带

8、是否存在，以及禁带宽度等因素。,3.2 半导体材料的物理基础-1. 能带特征,18,半导体的能带结构,3.2 半导体材料的物理基础-1. 能带特征,19,绝缘体的能带结构与半导体的相似，不过绝缘体的禁带远较半导体的宽。在金属导体中，可能有两种情况，一种是导带下面的部分能级与 价带的上面部分能级相互重叠，因而没有禁带；另一种是在单价金属中，价带中只有一部分能级占有电子，即使价带与导带并不重叠，也能导电。,3.2 半导体材料的物理基础-1. 能带特征,20,一般情况下，价带以下的能带都填满电子，在一般的外界作用下，这些能带中的电子状态不可能发生改变，对研究半导体在外界作用下的各种特性不起作用。 讨

9、论半导体问题时，通常只画出半导体的简化能带图。,EC,EV,Eg,EV 价带能级 EC 导带能级 Eg 带隙宽度,3.2 半导体材料的物理基础-1. 能带特征,21,完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。 存在电子和空穴两种载流子。 但电子数目n和空穴数目p一一对应，数量相等，np。,价带,导带,禁带,空穴,传导电子,真实材料通常既有施主又有受主存在。 以电子载流子为主为n型，空穴为主为p型。,3.2 半导体材料的物理基础-2.本征、N型、P型半导体,22,纯净半导体的禁带一般都比较窄，在绝对零度时，满带中填满电子而导带中没有电子，在外电场作用下，如果满带仍是填满电子的，外电场不能改变

10、满带中电子的能量状态，也就是不能增加电子的能量和动量，因而不能产生电子的定向运动，不会产生电流。 如果加强电场，或利用热或光的激发，使满带中的电子获得足够的能量，能越过禁带宽度Eg而跃迁到导带上去。这样，半导体就能够导电。,3.2 半导体材料的物理基础-2.本征、N型、P型半导体,23,这时，半导体中的载流子，不仅有从满带激发到导带的电子，还有在满带中留下的空穴（价带顶部的空能级）。 用n、p分别代表导带电子和满带空穴的浓度，n=p。把满足这一关系的能量激发叫本征激发，而把满足这种关系的半导体称为本征半导体。意思是导电本领并未受到任何外来杂质或晶格缺陷的影响。,3.2 半导体材料的物理基础-2

11、.本征、N型、P型半导体,24,如果对纯净半导体掺入适当的杂质，也能提供载流子。把提供导带电子的杂质称为施主；而将提供价带空穴（即接收价带电子）的杂质称为受主。 如，在硅、锗这类处于周期表第族的元素半导体中，族杂质硼、铝、镓、铟等是受主杂质，而杂质磷、砷、锑等则是施主。 这些杂质都是以替位的形式存在于锗、硅晶体中，由此而形成的半导体称为杂质半导体。,3.2 半导体材料的物理基础-2.本征、N型、P型半导体,25,锗、硅是使用最广、最主要的半导体材料，最外层都有四个价电子，这些价电子轨道通过适当杂化，恰好与最近邻原子形成四面体型的共价键。共价键是一种相当强的化学键，就是说束缚在共价键上电子的能量

12、是相当低的，如就能带而言，这便是处于价带中的电子。,3.2 半导体材料的物理基础-2.本征、N型、P型半导体,26,P是第V族元素，每一个P原子具有5个价电子 P替位式掺入Si中，其中四个价电子和周围的硅原子形成了共价键，还剩余一个价电子 相当于形成了一个正电中心P和一个多余的价电子 这个“多余”的电子不在共价键上，仅受到P+的静电吸引，这种束缚作用时相当微弱的，只要给这个电子不大的能量，就可使之脱离P+的束缚而在晶体内自由运动，即成为导带电子。,+5,额外的电子,3.2 半导体材料的物理基础-2.本征、N型、P型半导体,27,由此可见，束缚在P+的这个“多余”电子的能量状态，在能带图上的位置

13、应处于禁带中而又极接近导带底。就是说，由于掺杂，在禁带中出现了能级，称之为杂质能级。,3.2 半导体材料的物理基础-2.本征、N型、P型半导体,28,由施主元素引进的杂质能级称为施主能级，用ED表示。束缚于P+周围的电子，就是处在施主能级上的电子。施主能级具有向导带提供电子的能力，其名亦源于此。,3.2 半导体材料的物理基础-2.本征、N型、P型半导体,29,多余的价电子束缚在正电中心P的周围，但这种束缚作用比共价键的弱得多，只要很少的能量就可以使它摆脱束缚，形成导电电子。 使价电子摆脱束缚所需要的能量称为杂质电离能： ED施主电离能，导带底能级Ec与施主能级ED差。,EC,EV,ED,Eg,

14、EV 价带能级 EC 导带能级 ED 施主能级 Eg 带隙宽度,3.2 半导体材料的物理基础-2.本征、N型、P型半导体,30,以硅中掺硼为例，来讨论受主杂质的作用。硼原子只有3个价电子，与邻近硅原子组成共价键时尚缺1个电子。 在此情况下，附近硅原子价健上的电子，不需要增加多大的能量就可以相当容易地填补硼原子周围价健的空缺，而在原先的价健上留下空位，这也就是价带中缺少了电子而出现一个空穴。,3.2 半导体材料的物理基础-2.本征、N型、P型半导体,31,B是第III族元素，每一个B原子具有3个价电子 B替位式掺入Si中，当它和周围的原子形成了共价键时，还缺少一个价电子，必须从别处硅原子中夺取一

15、个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴 相当于形成了一个负电中心B和一个多余的空穴,额外的空穴,+3,3.2 半导体材料的物理基础-2.本征、N型、P型半导体,32,硼原子则因接受一个电子而成为负离子，这类杂质由于能接受电子而称为受主。上述过程所需要的能量就是受主电离能，与施主情形类似，受主的存在也在禁带中引进能级，用EA表示。接近于价带顶EV， EA= EA- EV 。,3.2 半导体材料的物理基础-2.本征、N型、P型半导体,33,多余的空穴束缚在负电中心B的周围，但这种束缚作用比共价键的弱得多，只要很少的能量就可使它摆脱束缚，形成导电空穴。 使空穴摆脱束缚所需要的能量称为受主杂质

16、电离能：,EC,EV,ED,Eg,EV 价带能级 EC 导带能级 ED 施主能级 Eg 带隙宽度,3.2 半导体材料的物理基础-2.本征、N型、P型半导体,34,受主能级为电子所占据，相应于受主原子电离成荷负电的离子，而空的受主能级，则相应于中性受主原子。受主电离能与施主电离能并无数量级的差别。 在掺受主的半导体中，由于受主电离，使pn，空穴导电占优势，因而称之为P型半导体。受主杂质亦称P型杂质。,3.2 半导体材料的物理基础-2.本征、N型、P型半导体,35,在P型半导体中，空穴是多子，电子是少子。 当半导体中既有施主杂质，又有受主杂质时，半导体的导电类型就主要取决于掺杂浓度高的杂质。当施主数量超过受主时，半导体就是N型的；反之，受主数量超过施主则为P型的。,3.2 半导体材料的物理基础-2.本征、N