半导体物理基础公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件

Chap1 半导体物理基础1第1页第1页1.2 能带一、能带形成能级：电子所处能量状态。当原子结合成晶体时，原子最外层价电子事实上是被晶体中所有原子所共有，称为共有化。共有化造成电子能量状态发生改变，产生了密集能级构成准连续能带-能级分裂。2第2页第2页1.2 能带右图为硅晶体原子间互相作用示意图sisisisisisisisisi3第3页第3页1.2 能带二、能带结构与原子间距关系伴随原子间距缩小，能带结构发生改变依次为各能级分立、出现能级分裂、合并为一个能带、再次出现能级分裂等过程。在“实际硅晶体原子间距”位置，共分裂为两个能带，较低能带被价电子填满，较高能带是空。4第4页第4页1.2 能带出现能级分裂合并为一个能带实际硅晶体原子间距价带导带5第5页第5页1.2 能带三、简化能带结构图1-3导带：接受被激发电子（对于半导体）价带：通常被价电子填满（对于半导体）EC：导带底能量EV：价带顶能量EG：禁带宽度，是打破共价键所需最小能量，是材料特有主要特性。6第6页第6页1.3 有效质量有效质量m*：考虑了晶格对于电子运动影响并对电子静止质量进行修正后得到值。7第7页第7页1.4导带电子和价带孔穴1、金属、半导体和绝缘体区别空带、满带和不满带能带理论提出：一个晶体是否含有导电性，关键在于它是否有不满能带存在。在常温下，半导体价电子填满价带，只有少许电子离开价带形成不满带，才干实现导电8第8页第8页1.4导带电子和价带孔穴按照能带被电子填充情况来分析金属、半导体和绝缘体：金属：被电子填充最高能带是不满，并且能带中电子密度很高，因此金属有良好导电性。绝缘体和半导体：在绝对零度时，被电子占据最高能带是满，没有不满能带存在。因此不能导电。9第9页第9页1.4导带电子和价带孔穴绝缘体禁带很宽，即使温度升高，电子也很难从满带激发到空带，因此很难导电。半导体禁带较窄，在一定温度下，电子容易从满带激发到空点，形成不满带，从而导电。10第10页第10页1.4导带电子和价带孔穴价带：绝对0度条件下，半导体最上面满带被价电子填充，称为价带。导带：绝对0度条件下，价带上面空带能够接受从满带激发来电子，从而能够导电，因此也称为导带。禁带宽度：电子从价带激发到导带所需要最小能量。11第11页第11页1.4导带电子和价带孔穴禁带宽度区分了绝缘体和半导体；而禁带有没有是导体和半导体、绝缘体之间区分；绝缘体是相正确，不存在绝正确绝缘体。导体含有任何温度下电子部分填满导带。图1-5：不同导电性物质电子填充能带情况。12第12页第12页1.4导带电子和价带孔穴半导体导电过程：电子受到外界条件激发（如温度），取得能量，到达导带，从而形成不满带。半导体电导率受温度影响很大。13第13页第13页1.4导带电子和价带孔穴2、空穴价带顶附近一些电子被激发到导带后，留下一些空状态，称为空穴。半导体中参与导电有：导带中电子和价带中空穴，两者统称为载流子。价带顶附近存在少许空穴问题，和导带底附近存在少许电子问题，十分相同。14第14页第14页1.5 硅、锗、砷化镓能带结构P18，图1.6和图1.7在300K禁带宽度：硅：1.12eV 锗：0.67eV 砷化镓：1.43eV1.6杂质能级为了改进半导体导电性，通常会加入适当杂质，在禁带中引入相应杂质能级。15第15页第15页1.6杂质能级在实际半导体材料中，总是不可避免存在各种类型缺点。为了改进半导体导电性，通常会加入适当杂质。在禁带中引入相应杂质能级和缺点能级。16第16页第16页1.6杂质能级硅四周体结构，每个小棒代表了一个共价键。杂质以替位方式掺入硅晶体中。17第17页第17页1.6杂质能级1、施主杂质和施主能级（N型半导体）族杂质元素中最通用是磷。磷原子在取代原晶体结构中原子并构成共价键时，多出第五个价电子很容易挣脱磷原子核束缚而成为自由电子。这个电子能够进入导带，称为导带电子。如图1.8所表示18第18页第18页1.6杂质能级施主Donor，掺入半导体杂质原子向半导体中提供导电电子。当电子被束缚在施主杂质周围时，施主杂质称为中性施主；失去电子之后施主杂质称为电离施主。掺入施主杂质半导体为N（Negative）型半导体。施主杂质浓度记为ND。19第19页第19页1.6杂质能级电离施主提供了一个局域化电子态，相应能级称为施主能级Ed。由于电子从施主能级激发到导带所需要能量杂质电离能很小，因此失主能级位于导带底之下，并距离很近。20第20页第20页1.6杂质能级施主电离能：导带底和施主能及之间能量间隔，称为施主电离能EI。在只有施主杂质半导体中，在温度较低时，价带中能够激发到导带电子很少，起导电作用主要是从施主能级激发到导带电子。21第21页第21页1.6杂质能级2、受主杂质和受主能级（P型半导体）族杂质元素中最通用是硼。硼原子在取代原晶体结构中原子并构成共价键时，将因缺乏一个价电子而形成一个空穴，于是半导体中空穴数目大量增长。22第22页第22页1.6杂质能级Acceptor，掺入半导体杂质原子向半导体中提供导电空穴，并成为带负电离子。掺入受主杂质半导体为P（Positive）型半导体。施主杂质浓度记为NA。23第23页第23页1.6杂质能级受主接受电子称为受主杂志，提供了一个局域化电子态，相应能级称为受主能级Ea。受主杂质很容易从价带接受一个电子受主电离能很小，因此受主能级位于价带之上，并距离很近。24第24页第24页1.6杂质能级受主杂质电离另外一个表述：把中性受主杂质当作带负电硼离子在它周围束缚一个带正点空穴，把受主杂质从价带接受一个电子电离过程，看做被硼离子束缚空穴被激发导带过程。这种说法与施主杂质把束缚电子激发到导带电离过程完全类似。25第25页第25页1.6杂质能级半导体中同时掺有受主和施主杂质，由于受主能级比施主能级低得多，施主能级上电子首先要去填充受主能级，使施主向导带提供电子能力和受主向价带提供空穴能力互相抵消而削弱，称为杂质补偿。此时半导体类型由浓度较大杂质决定。26第26页第26页1.7载流子统计分布研究载流子分布两个问题：状态密度和载流子占据这些状态概率。1.7.1 状态密度：单位体积中每单位能量间隔有效电子状态平均数目。能带是无数个能级“压缩”而成，并且能带是量子化，因此在这个能量范围必定有一定数量能级（轨道）存在。27第27页第27页1.7载流子统计分布假设单位体积导带电子状态数为NC，且都集中在导带底，则导带电子密度正好为上述表示式，因此称NC为导带有效状态密度。导带状态密度：1-7-4价带状态密度：1-7-7状态密度随能量改变：28第28页第28页1.7载流子统计分布1.7.2 费米分布函数与费米能级热平衡状态下，一个能量为E电子态被电子占据概率为称为费米分布函数。阐明每个电子态被电子占据概率随能量E改变29第29页第29页1.7载流子统计分布K为波尔兹曼常数，T为绝对温度。室温下（300K）为0.0258ev。EF为费米能级：被电子占据概率为1/2是反应电子在各个能级中分布情况参数；费米能级高，阐明电子占据高能级概率大；费米能及是电子填充能级水平高下标志30第30页第30页1.7 载流子统计分布费米能级随温度以及杂质种类和多少改变而改变；热平衡系统费米能及恒定相应，能量为E量子态未被电子占据，既被空穴占据概率为31第31页第31页1.7载流子统计分布对于E-EFKT能级，对于E-EFKT能级，称为典型玻尔兹曼分布。32第32页第32页1.7.3 能带中电子和空穴浓度1、导带电子浓度其中称为导带有效状态密度33第33页第33页1.7.3能带中电子和空穴浓度2、价带空穴浓度其中称为价带有效状态密度34第34页第34页1.7.3能带中电子和空穴浓度导带电子浓度和价带空穴浓度之积式中Eg为禁带宽度。与温度相关，能够把它写成经验关系式其中 为禁带宽度温度系数，Eg0为0K时Eg值。35第35页第35页1.7.3能带中电子和空穴浓度化简后得到其中K1为常数结论：在温度已知半导体中，热平衡情况下，np之积只与状态密度和禁带宽度相关，而与杂质浓度和费米能级位置无关。36第36页第36页1.7.4本征半导体本征半导体：没有杂质和缺点半导体。未激发时，价电子所有位于价带。本征激发：温度升高时，价电子冲破共价键束缚到达导带。电子-空穴对：n=p，称为电中性条件。得到本征费米能级，近似为禁带中央能量，称为Ei。37第37页第37页1.7.4本征半导体本征载流子浓度ni和pi：称为质量作用定律。在非本征半导体情况下同样合用。在热平衡情况下，已知ni和一个载流子浓度，能够求得另外一个载流子浓度38第38页第38页1.7.4本征半导体也能够把电子和空穴浓度写成下面形式：1-7-14和1-7-17比1-7-28和1-7-29更惯用。39第39页第39页1.7.5只有一个杂质半导体1、N型半导体载流子起源包括两个过程：本征激发和杂质电离在低温条件下：杂质电离为主在高温条件下：本征激发为主杂质饱和电离：杂质基本上所有电离，而本征激发能够忽略。40第40页第40页1.7.5只有一个杂质半导体在杂质饱和电离温度范围内，导带电子浓度等于施主浓度价带空穴浓度为载流子浓度关系：电子浓度与施主浓度近似，远不小于本征载流子浓度，空穴浓度远小于本征载流子浓度。41第41页第41页1.7.5只有一个杂质半导体N型半导体：导带电子为多子，价带空穴为少子。两种载流子浓度相差非常悬殊N型半导体在饱和电离下费米能级结论：N型半导体费米能级位于导带底之下，本征费米能级之上，且施主浓度越高，越靠近导带底；温度升高，费米能级远离导带底。42第42页第42页1.7.5只有一个杂质半导体2、P型半导体在杂质饱和电离温度范围内有：导带电子浓度为：费米能级为43第43页第43页1.7.5只有一个杂质半导体结论：对于P型半导体，在杂质饱和电离温度范围之内，费米能级位于价带顶之上，本征费米能级之下。伴随掺杂浓度提升，费米能级靠近价带顶；伴随温度升高，费米能级远离价带顶。温度对费米能级影响：伴随温度升高，载流子分布越来越靠近于本征激发情况，使得费米能级越来越靠近本征费米能级。44第44页第44页1.7.6杂质补偿半导体前提条件：杂质所有电离。在 半导体中，导带电子浓度为：价带空穴浓度为：45第45页第45页1.7.6杂质补偿半导体费米能级为46第46页第46页1.7.6杂质补偿半导体在 半导体中，价带空穴浓度为：导带电子浓度为费米能级为47第47页第47页1.7.6杂质补偿半导体若 ，则所有补偿，能带中载流子只能由本征激发产生，称为完全补偿半导体。若温度远高于饱和电离温度后，本征激发为主，则满足n=p，称为杂质半导体进入本征激发。此时所有本征情况下公式都合用。48第48页第48页1.7.7简并半导体非简并半导体：费米能级位于禁带之中，费米分布函数能够用波尔兹曼分布函数来近似简并半导体：费米能级靠近或进入能带，不能使用波尔兹曼分布函数，而必须使用费米分布函数来分析能带中载流子统计分布问题49第49页第49页1.8载流子散射散射：载流子在其热运动过程中，不断与晶格、杂质、缺点等发生碰撞，无规则改变其运动方向。这种碰撞现象通常称为散射。漂移：由于电场作用，产生载流子沿电场方向运动，称为漂移。漂移是规则，是引起电荷运动原因。50第50页第50页1.8.2 载流子散射过程平均自由时间：两次散射之间载流子存活（未被散射）平均时间平均自由时间为散射几率倒数。载流子迁移率大小与平均自由时间相关，即载流子在运动过程中遭受散射情况起着很大作用。51第51页第51页1.8.2 载流子散射过程散射使载流子做无规则运动，造成热平衡状态确实立。由于各个方向运动载流子都存在，它们对电流奉献彼此抵消，因此在半导体中并没有电流流动。52第52页第52页1.9 电荷输运现象在有外电场存在时，载流子将做漂移运动。假如存在浓度梯度，还将做扩散运动漂移和扩散运动将引起电荷输运53第53页第53页1.9.1 漂移运动 迁移率和电导率载流子运动规律：散射（无规则运动）沿电场方向加速散射平均弛豫时间：为平