半导体物理_(刘恩科_教材版本).ppt

《半导体物理_(刘恩科_教材版本).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体物理_(刘恩科_教材版本).ppt（46页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、半 导 体 物 理 学,国防工业出版社,参考书目：,1. 半导体物理学作者: 李名復 页数:376 科学出版社，出版日期:1991年2月第1版 (凝聚态物理学丛书). 2.半导体物理学作者:果玉忱 页数:271 国防工业出版社，出版日期:1988年12月第1版 3.半导体物理学（上册）作者:叶良修 页数:511 高等教育出版社，出版日期:1987年11月第2版 4.高等学校教学参考书 半导体物理学作者:刘文明 页数:627 吉林科学技术出版社,出版日期:1986年第1版 5半导体物理学 孟宪章,康昌鹤编，吉林大学出版社, 1993.12 6.半导体物理学顾祖毅等著，北京 : 电子工业出版社 1

2、995,简 介,普通物理学、统计物理学、量子力学 固体物理学 半导体物理学 、 电介质物理学,电场的作用：,产生电流,产生电荷感应,应用范围,半导体器件、IC器件等电荷运动的机理。 半导体材料、陶瓷(半导化)材料的导电机理。 新型有机材料及其复合材料的机理分析。 各种发光材料的电荷运动机理。,课程概括,单晶材料中的电子状态及运动规律 处于热电平衡时： 晶体材料的结构与能带- 第一章 杂质和缺陷- 第二章 电子运动状态- 第三章* 运动规律- 第四章* 非电学平衡- 第五章* 器件工作机理- 第六章,第一章 半导体中的电子状态,研究方法：假设(近似)、理论、验证 已经了解：单个原子的电子结构 不

3、了解：多个原子排列在一起出现的问题。电子 原子、电子 - 电子的相互作用以及原子- 原子排列形成的势场等多体问题。,简单化：忽略电子 - 电子的相互作用，价电子在平均势场中运动，原子固定不动: “单电子近似” 。 (Hi-i, H e-e)分别消除。 研究一个电子在周期性势场中的状态(单电子近似-平均势场-能带论),1.1 半导体的晶格结构和结合性质,1 金刚石型结构和共价鍵 许多材料的结构与金刚石相同，故称之为金刚石型结构。 这些材料的第IV族的 C(碳)、Si(硅)、Ge(锗)、Sn(锡)，而Si和Ge均是重要的半导体材料。 特点：1.金刚石型结构为两个面心立方的套构。一个基元有两个原子，

4、相距为对角线长度的1/4，n=2。因此，晶格的格波有3n支离子振动格波，3个声学波和3n-3个光学波。 正四面体：顶角、中心有原子 电子云密度大-共价鍵-配位数,结 构 分 析,2.任何一个原子的最近邻均有4个原子。例如，离0点对角线1/4处的原子的最近邻原子为0点原子和三个面心原子，它们形成了一个正四面体。共价鍵。 3.每个原子的最外层价电子为一个s态电子和三个p态电子。在与相邻的四个原子结合时，四个共用电子对完全等价，难以区分出s与p态电子，因而人们提出了“杂化轨道”的概念：一个s和三个p轨道形成了能量相同的sp3杂化轨道。,原 胞,(a):构成了固体物理学原胞，基矢有两个原子。 (b):

5、每个实心的原子有四个相邻的空心原子(反之成立)，每个相邻的连线方向可以形成一个四面体。故一个原子成为了四个四面体的顶角。 (c):结晶学原胞,固体物理学原胞：基于固体物理学中的基矢平衡构成的原胞，体积最小； 结晶学原胞：外观观测、对称性好，易于分析。 图1-1： (a)四面体，(b)金刚石型结构，(c)晶胞,金刚石的原子排列,(d)(111)面的堆积，(e)100面的投影 注：表示 100,010,等六个晶格方向； 110表示(110),(101),等六个密勒指数的晶面方向。 (d):取垂直于(c)中对角线的平面，如一个顶角最近邻的三个顶角，这三个顶角构成了(111)面。该层包含了套构的原子，

6、形成了双原子层的A层。面心立方为ABC层排列。 (e):从上到下分为五层。,需要记忆的参数,晶格常数：硅 0.543nm, 锗 0.566nm 密度： 5.00*1022cm-3, 4.42*1022cm-3 共价半径： 0.117nm, 0.122nm.,2.闪锌矿型结构和混合键,价键：共价鍵，有一定成份的“离子键”，称之为：混合键 即具有“离子性”-“极性半导体”。 (极性物质：正负电荷中心不重合的物质，会形成“电偶极子”) 如砷化镓中，砷具有较强的电负性(得电子能力)。因此，砷(V)相当于负离子，镓(III)相当于正离子。光学支格波存在。 双原子层：电偶极层。 IIIV：111方向，II

7、I族原子层为111面。 结论：共价结合占优势的情况下，此类物质倾向于构成 “闪锌矿结构”。,在金刚石结构中，若由两类原子组成，分别占据两套面心立方-闪锌矿结构。 两类原子：III族(铟,镓)和V族(磷,砷,锑),3。纤锌矿型结构,六角密堆积结构和面心立方结构具有相似的地方：ABABAB;ABCABC。 两套面心的套构形成了闪锌矿结构； 两套六角的套构形成了纤锌矿结构。 每个原子与最近邻的四个原子依然保持 “正四面体”结构。 主要由II和VI族原子构成，它们的大小、电负性差异较大。呈现较强的离子性，如：硫化锌、硫化镉等。,1.2 半导体中的电子状态和能带,1.原子的能级和晶体的能带 原子能级的简

8、并及消失 当N个原子相距很远时，每个原子的电子壳层完全相同，即电子有相同的能级，此时为简并的。 当N个原子相互靠近时，相邻原子的电子壳层开始交叠，电子不再局限在一个原子上，通过交叠的轨道，可以转移到相邻原子的相似壳层上，由此导致电子在整个晶体上的“共有化”运动。 另外，由于2个电子不能有完全相同的能量，交叠的壳层发生分裂，形成相距很近的能级带以容纳原来能量相同的电子。原子相距越近，分裂越厉害，能级差越大。由此导致简并的消失。,内壳层的电子，轨道交叠少，共有化运动弱，可忽略。 外层的价电子，轨道交叠多，共有化运动强，能级分裂大，被视为“准自由电子”。 原来简并的N个原子的s能级，结合成晶体后分裂

9、为N个十分靠近的能级，形成能带(允带)，因N值极大，能带被视为“准连续的”。,提问 1. 能否用实验手段验证上述准连续的能带？,2. 非晶态物质中是否存在能带结构？,N个碱金属原子的s能级分裂后形成了N个准连续的能级，可容纳2N个电子。因此，N个电子填充为半满，导电。 N个碱土金属的s能级被2N个电子填满，因上下能带交叠而导电。,金刚石、硅、锗单个原子的价电子为2个s和2个p电子；形成晶体后为1个s电子和3个p电子；经过轨道杂化后N个原子形成了复杂的2N个低能带和2N个高能带，4N个电子填充在低能带，又称价带；而上面的能带为空带，又称导带。两者之间为禁带。,2.半导体中电子的状态和能带,在晶体

10、中的电子，存在着电子和电子之间的相互作用，也存在电子与离子的相互作用。为了理论计算的方便，必须作简化处理。 单电子近似：忽略电子之间的相互作用，仅考虑离子的周期性势场对电子的影响，同时认为原子核是固定不动的。这种近似也叫做“独立电子近似”。 电子运动满足的规律：,电子的运动方程,单电子近似认为，电子与原子的作用相当于电子在原子的势场中运动。周期性的原子排列产生了周期性的势场。在一维晶格中，x处的势能为：,电子所满足的波函数为布洛赫波函数：,为周期函数，反映电子在每个原子附近的运动情况。,平面波函数，空间各点出现的几率相同，共有化。,布里渊区与能带,什么是电子的运动状态？,运动状态由电子波矢k的

11、大小和方向确定，求解 (k)与k的关系，可以得到电子的能量，如图1-10.,图中虚线为自由电子的关系，实线为周期势场的关系曲线，在布里渊区边界出现了不连续，形成了允带和禁带。允带出现的条件是：第一布里渊区出现在中间，第二、第三分别在两边。将能量值(k)作布里渊区整数倍的平移，总可以将其他布里渊区的值平移到第一布里渊区。因倒空间的周期性，这种平移不改变能量的大小。因此，第一布里渊区有晶体能量的全部信息。常称此区域为简约布里渊区。根据周期性边界条件，三个波矢分量为,1.3 半导体中电子的运动 有效质量,1. 半导体中(k)与k的关系 起主要作用的是处于能带顶部和底部的电子。在能带顶部和底部的电子能

12、量为,能带顶部的底部的波矢均为k=0，同时dE/dk=0，其结果为,能带顶部和底部电子的有效质量分别为负和正。,半导体中电子的平均速度和加速度,电子含时间的波函数为：,电子的平均速度(波包的速度)为：,在能带极值附近的电子速度为：,电子的加速度为：,其中,有效质量的意义,加速度的公式中，外力作用于有效质量而不是惯性质量。其原因是，电子受的总力为外电场力和内部原子的势场力。因此，加速度是内外场作用的综合效果。使用有效质量可以使问题变简单：可以不涉及半导体的内部势场，而又可以从实验测定有效质量。 在k=0附近，内部势场很弱，接近自由电子，有效质量为正。 在布里渊区边界，内部势场对电子的作用很强，大

13、于外场，使有效质量呈现负值。 作业：P32 习题1和2。,1.4本征半导体的导电机构 空穴,机构：指产生机理的物质。 本征半导体中本征的含义：本征方程、本征值， 即本来的特征，100%纯的，无外来杂质的，“理想的” 材料本身所特有的 材料如何导电？如何分析？用能带：导带、价带，占满电子。 只有不满能带的电子才能导电。 碱金属：占半满价带，电子有移动的空间。 碱土金属：占满价带，电子没有移动空间，但三维布里渊区不对称，导带与价带有交叠，使其导电。 三价金属：半满价带，导电。 四价：非金属。电子填满了第二级允带-价满，其导带为第三级允带。 解释：电子从价带跃迁到导带底，在外场作用下，导带电子参与导

14、电；同时，价带不满的状态-空穴也参与了导电,电子从价带到导带：成为可在整个晶体内运动的共有化电子。 在结构上理解为图1-15：产生了一个空穴和一个填隙电子。 对于空穴：产生了一个正电荷的空状态； 对于电子：在外电场E作用下，受外力作用，电子的k状态不断变化：,空状态的电流：,所有电子的k状态均变化相同， 在价带顶，,，空穴带正电，力为qE, m*nNA,则为n型半导体，n= ND-NA ； 反之为P型，p= NA-ND。 其净杂质浓度称之为“有效杂质浓度”。 值得注意的是，当两种杂质的含量均较高且浓度基本相同时，材料容易被误认为是“高纯半导体”，实际上，过多的杂质含量会使半导体的性能变差，不能

15、用于制造器件。,6 深能级杂质,重金属元素掺入半导体中会引入深能级。,“+”或“-”号分别表示该能级是施主或受主能级,一个深能级杂质能产生多个杂质能级。如I族的铜、银、金能产生三个受主能级；II族元素锌、镉、汞在硅、锗中各产生两个受主能级。,其原因是什么呢？,金在锗中的多能级,金 是1价元素，中性的金有一个价电子。在锗中，金的价电子若电离跃入导带，则成为施主。然而，此价电子被多个共价键束缚，电离能很大，故为“深施主”。另一方面，金比锗少三个电子。锗的整体结构要求每个原子为四价，因此，金有可能接受三个电子，形成EA1、 EA2、EA3三个受主能级。当金接受了一个电子后，成为Au-，再接受一个电子

16、将受到负电中心的排斥作用，难度更大。因而受主能级EA2将更大。 EA3最大，能级最深，非常靠近导带。如图2-10。 含量很少。作用是捕获电子，即电子陷阱。由于它能够消除积累的空间电荷，减少电容，故可提高器件速度。,2.2 III V 族化合物中的杂质能级,III-V族化合物是两种元素1:1构成的物质。杂质进入后，可以成为间隙或替位式杂质。 当III族杂质和V族杂质掺入III-V族化合物中时，实验中测不到杂质的影响，因为它们没有在禁带中引入能级。 但有些V族元素的取代会产生能级，此能级为等电子能级，效应称之为“等电子杂质效应”：,杂质电子与基质原子的价电子数量相等。替代格点原子后，仍为电中性。但是，原子序数不同导致了原子的“共价半径”和“电负性”不同，即对电子的束缚能力不同于格点原子，能俘获电荷成为带电中心，形成电子陷阱或正电荷陷阱。,该陷阱俘获载流子后，又能俘获相反符号的电荷，形成“束缚激子”。这种束缚