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1、第一章第一章 半导体材料半导体材料 (一一)信息功能材料信息功能材料第一章第一章 半导体材料半导体材料半导体的基本特性、结构与类型半导体的基本特性、结构与类型半导体的导电机构半导体的导电机构半导体材料中的杂质和缺陷半导体材料中的杂质和缺陷典型半导体材料的应用和器件典型半导体材料的应用和器件内容：内容：重点：重点：半导体的电子结构和能带半导体的电子结构和能带典型半导体的应用典型半导体的应用引引 言言导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体导电性划分导电性划分结晶半导体结晶半导体元素半导体元素半导体非结晶半导体非结晶半导体半导体半导体有机半导体有机半导体无机半导体无机半导体化合物半导体化合物半导体一些常见
2、的半导体材料与器件：一些常见的半导体材料与器件：半导体材料的分类半导体材料的分类分类分类主要半导体材料主要半导体材料 无无机机半半导导体体晶晶体体材材料料化化合合物物半半导导体体及及固固溶溶体体半半导导体体III-V族族Ge、Si、Se、Te、灰、灰SnIIVI族族GaAs、InSb 、GaP 、InP 、AlP等及其固溶体等及其固溶体IV-IV族族SiC 、GeSiIV-VI族族PbS PbSe PbTe SnTePb1-xSrxTe (x=00.3)Pb1-ySrySe (y=00.4)V-VI族族Bi2Te3金属氧化物金属氧化物Cu2O ZnO Al2O3过渡金属氧化物过渡金属氧化物Se
3、O TiO3 V2O5 Cr2O3 Mn2O3 Fe2O3 FeO CoO NiO尖晶石型化合物尖晶石型化合物(磁性半导体磁性半导体)CdCr2S4 CdCr2Se4 HgCr2S4 HgCr2Se4 CuCr2S3C稀土氧、硫、硒、碲化合物稀土氧、硫、硒、碲化合物EuO EEuS EuSe EuTe非晶态非晶态半导体半导体元素元素Ge Si Te Se化合物化合物GeTe As2Te3 Se4Te Se2As3 As2SeTe As2Se2Te有机有机半导体半导体芳香族化合物芳香族化合物多环芳香族化合物多环芳香族化合物电荷移动络合物电荷移动络合物元素半导体元素半导体 具备实用价值的元素半导体
4、材料只有硅、锗和硒。硒是具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。硒是最早使用的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其最早使用的，而硅和锗是当前最重要的半导体材料，尤其是硅材料由于具有许多优良特性，绝大多数半导体器件都是硅材料由于具有许多优良特性，绝大多数半导体器件都是用硅材料制作的。是用硅材料制作的。 二元化合物半导体二元化合物半导体它们由两种元素它们由两种元素组成，主要是有组成，主要是有III-VIII-V族化合物半族化合物半导体、导体、II-VIII-VI族化族化合物半导体、合物半导体、IV-IV-VIVI族化合物半导族化合物半导体、体、II-IVII-IV族化合族化合物半导体，铅化
5、物半导体，铅化合物及氧化物半合物及氧化物半导体等。导体等。三元化合物半导体三元化合物半导体以以A1GaAs相相GaAsP为代表的二元化合物半导为代表的二元化合物半导体材料，已为人们广泛研究，可制作发光器件；体材料，已为人们广泛研究，可制作发光器件；AgSbTe2是良好的温差电材料；是良好的温差电材料；CdCr2Se、MgCr2S4是磁性半导体材料；是磁性半导体材料；SrTiO3是超导电性半导体材料，在氧欠缺的条是超导电性半导体材料，在氧欠缺的条件下，它表现出超导电性。件下，它表现出超导电性。固溶体半导体固溶体半导体元素半导体或化合物半导体相互溶解而成的元素半导体或化合物半导体相互溶解而成的半导
6、体材料称为固溶体半导体。半导体材料称为固溶体半导体。它的一个重要特性是禁带宽度它的一个重要特性是禁带宽度(Eg)随固溶度的随固溶度的成分变化，因此可以利用固溶体得到有多种性成分变化，因此可以利用固溶体得到有多种性质的半导体材料。质的半导体材料。例例: 可以利用可以利用GaAs1-xPx随随x变化而作出能发不变化而作出能发不同波长的发光二极管。同波长的发光二极管。Sb2Te3-Bi2Se3和和Bi2Se3-Bi2Te3是较好的温差电材料。是较好的温差电材料。非晶态半导体非晶态半导体非晶态物质的特征是原子排列没有规律非晶态物质的特征是原子排列没有规律从长程看杂乱无章，有时也叫无定形物质；从长程看杂
7、乱无章，有时也叫无定形物质；在非晶态材料中有一些在常态下是绝缘体在非晶态材料中有一些在常态下是绝缘体或高阻体，但是在达到一定值的外界条件或高阻体，但是在达到一定值的外界条件( (如如电场、光、温度等电场、光、温度等) )时，就呈现出半导体电性时，就呈现出半导体电性能，称之为非晶态半导体材料，也叫玻璃态能，称之为非晶态半导体材料，也叫玻璃态半导体；半导体；非晶态半导体材料在开关元件、记忆元件、非晶态半导体材料在开关元件、记忆元件、固体显示、热敏电阻和太阳能电池等的应用固体显示、热敏电阻和太阳能电池等的应用方面有着重要应用和良好前景。方面有着重要应用和良好前景。1.1 半导体材料的基本特性半导体材
8、料的基本特性能带：用来表示电子各种行为。能带：用来表示电子各种行为。能带结构能带结构: 称能带、禁带宽度以及电子填充能带的情况称能带、禁带宽度以及电子填充能带的情况能带和禁带宽度：取决于晶体的原子结构和晶体结构，而电能带和禁带宽度：取决于晶体的原子结构和晶体结构，而电子填充要遵从能量最小原理相泡利不相容原理。子填充要遵从能量最小原理相泡利不相容原理。画能带时只需画能量最高的价带和能量最低的导带，价带顶画能带时只需画能量最高的价带和能量最低的导带，价带顶和导带底都称为带边，分别用和导带底都称为带边，分别用Ev和和Ec表示它们的能量。表示它们的能量。带隙宽度带隙宽度Eg : Eg=Ec-Ev本征半
9、导体的能带结构分两类：直接带隙和间接带隙。本征半导体的能带结构分两类：直接带隙和间接带隙。一、半导体的电子结构一、半导体的电子结构1.半导体的能带结构半导体的能带结构1.半导体的能带结构半导体的能带结构直接带隙：价带顶和导带底直接对应，位于直接带隙：价带顶和导带底直接对应，位于k k空间同一点。空间同一点。间接带隙：价带顶和导带底不直接对应，位于间接带隙：价带顶和导带底不直接对应，位于k k空间不同点。空间不同点。具有这两种能带结构的材料分别称为直接带隙半导体材料具有这两种能带结构的材料分别称为直接带隙半导体材料( (如如GaAs)GaAs)和间接带隙半导体材料和间接带隙半导体材料( (如如(
10、Ge(Ge、Si)Si)。1.半导体的能带结构半导体的能带结构直接带隙半导体材料和间接直接带隙半导体材料和间接带隙半导体材料在光吸收、带隙半导体材料在光吸收、发光、输运现象和过剩载流子发光、输运现象和过剩载流子复合等行为上有明显的区别。复合等行为上有明显的区别。发生光吸收或复合发光时，过程必须满足准动量守恒：发生光吸收或复合发光时，过程必须满足准动量守恒：其中其中ki为初始状态电子波矢，为初始状态电子波矢， kf为末尾状态电子波矢，为末尾状态电子波矢， kq为为光子波矢。光子波矢。对于间接对于间接带隙带隙半导体，发生导带与价带之间光学跃迁时，半导体，发生导带与价带之间光学跃迁时，需要声子参与才
11、能满足上式；需要声子参与才能满足上式；对于直接对于直接带隙带隙半导体，不需要声子参与就能满足式上式，半导体，不需要声子参与就能满足式上式，因此用直接跃迁型半导体制作发光和激光器件大有作为。因此用直接跃迁型半导体制作发光和激光器件大有作为。1.半导体的能带结构半导体的能带结构用晶体中电子的能量用晶体中电子的能量E E与波矢与波矢k k的函数关系来描述电子在的函数关系来描述电子在能带中的填充，对半导体起作用的常常是接近于导带底能带中的填充，对半导体起作用的常常是接近于导带底或价带顶的电子，因此只需列出带边附近或价带顶的电子，因此只需列出带边附近E E和和k k的关系。的关系。根据固体理论，当半导体
12、材料导带底和价带顶部位于根据固体理论，当半导体材料导带底和价带顶部位于k k空空间原点间原点( ( 点点) )，而且等能面为球面时，可推出：，而且等能面为球面时，可推出：导带底附近导带底附近价带顶附近价带顶附近其中其中me*和和mh*分别为导带底附近电子和价带顶附近空穴的分别为导带底附近电子和价带顶附近空穴的有效质量。有效质量。例：半导体材料例：半导体材料Ge、Si和和GaAs导带结构导带结构第一：第一：GaAs的导带底附近等能面形状为球面，因此的导带底附近等能面形状为球面，因此GaAs的许多性质的许多性质(如如电阻率、磁阻效应等电阻率、磁阻效应等)呈各向同性；呈各向同性；Ge、Si的等能面为
13、旋转椭球面。的等能面为旋转椭球面。Ge、Si的许多性质呈各向异性。的许多性质呈各向异性。第二：第二：Ge和和Si是典型的多能谷半导体：导带极值不在是典型的多能谷半导体：导带极值不在k空间原点，按对称空间原点，按对称性的要求，必然存在若干个等价的能谷性的要求，必然存在若干个等价的能谷(称为多能谷半导体称为多能谷半导体)；GaAs为单能谷半导体：导带极值在为单能谷半导体：导带极值在k空间原点处，只有单个极值，空间原点处，只有单个极值，称为单能谷半导体。称为单能谷半导体。例：例：Ge、Si和和GaAs导带结构导带结构第三：第三：多能谷半导体可用来制作压阻器件。多能谷半导体可用来制作压阻器件。如：如：
14、Si的导带底处在的导带底处在方向，距原点约方向，距原点约5/6处，因处，因此它有此它有6个对称的等价能谷，且每个等能面为旋转椭个对称的等价能谷，且每个等能面为旋转椭球面，电子的纵向有效质量球面，电子的纵向有效质量ml大于横向有效质量大于横向有效质量m2，即，即mlm2；因而沿椭球主轴方向的纵向迁移率；因而沿椭球主轴方向的纵向迁移率 I小于垂直于主轴方向的横向迁移率，当从小于垂直于主轴方向的横向迁移率，当从x轴对轴对N型型硅施加压力时，导带结构发生变化，硅施加压力时，导带结构发生变化，y轴相轴相z轴上能轴上能谷的电子转移到谷的电子转移到x轴上的能谷，使轴上的能谷，使x轴方向电导率减轴方向电导率减
15、少，因此硅是制作压阻器件的一种材料。少，因此硅是制作压阻器件的一种材料。例：例：Ge、Si和和GaAs导带结构导带结构第四：第四：存在多种能量极值的半导体材料，由于不同极值处导存在多种能量极值的半导体材料，由于不同极值处导带的曲率带的曲率( E/ K)不同，而且其曲率与该处电子的有不同，而且其曲率与该处电子的有效质量成反比，则发生转移电子效应。如效质量成反比，则发生转移电子效应。如GaAs的导带的导带在位于在位于方向的极值方向的极值(可称为子能谷可称为子能谷)比位于比位于k空间原空间原点的极值点的极值(可称为主能谷可称为主能谷)高约高约0.36ev，而且前者电子的，而且前者电子的有效质量较大，
16、迁移率较低，因此在强电场作用下，有效质量较大，迁移率较低，因此在强电场作用下，电子从原点极值转移到电子从原点极值转移到100方向极值处时，产生负方向极值处时，产生负阻现象。阻现象。利用此待性利用此待性GaAs可以制作转移电子器件。根据实验表可以制作转移电子器件。根据实验表明明InP是制作转移器件的更好半导体材料。是制作转移器件的更好半导体材料。2. n型和型和p型半导体型半导体半导体掺杂半导体掺杂改变半导体的性质、载流子类型改变半导体的性质、载流子类型人工掺杂人工掺杂半导体材料设计半导体材料设计器件器件掺杂工艺掺杂工艺扩散、离子注入扩散、离子注入掺杂种类：掺杂种类：施主掺杂（施主掺杂（n n型
17、）型）高价元素掺杂，杂质原子提供的价高价元素掺杂，杂质原子提供的价电子数目多于半导体原子，多余的价电子很容易进入导电子数目多于半导体原子，多余的价电子很容易进入导带而成为电子载流子，半导体的电导率增加。带而成为电子载流子，半导体的电导率增加。受主掺杂（受主掺杂（p p型）型）低价元素掺杂，杂质原子提供的价低价元素掺杂，杂质原子提供的价电子数目少于半导体原子，很容易在价带中形成空穴，电子数目少于半导体原子，很容易在价带中形成空穴，半导体的电导率同样增加。半导体的电导率同样增加。Si的的施主掺杂施主掺杂V V族族P P掺杂掺杂特点特点多余价电子与多余价电子与P P+ +的弱库仑引力形成的弱库仑引力
18、形成局域化的弱束缚态，很容易电离局域化的弱束缚态，很容易电离; ;电离出来的电子填充在导带底部，成为导电离出来的电子填充在导带底部，成为导电载流子电载流子; ;束缚态能级束缚态能级施主能级施主能级E Ed d位于导带底部，位于导带底部，比价带至导带的本征跃迁容易，可显著提比价带至导带的本征跃迁容易，可显著提高半导体的电导率！高半导体的电导率！中性施主中性施主未电离的施主；未电离的施主；电离施主电离施主电离后的施主；电离后的施主；利用类氢原子模型可以计算出施主利用类氢原子模型可以计算出施主能级，并将施主提供的多余电子近能级，并将施主提供的多余电子近似看成是在相对介电常数为似看成是在相对介电常数为
19、r的介的介质中运动，且基态是稳定的，可得：质中运动，且基态是稳定的，可得：Si的的施主掺杂施主掺杂V V族族P P掺杂掺杂施主掺杂施主掺杂弱束缚态，使得电子很容易从施主能级弱束缚态，使得电子很容易从施主能级E Ed d跃迁跃迁到导带，实现施主电离；到导带，实现施主电离；主要载流子是导带上的电子主要载流子是导带上的电子多数载流子（多子）；多数载流子（多子）；价带顶部的空穴价带顶部的空穴少数载流子（少子）；少数载流子（少子）；n n型半导体型半导体Si的受的受主掺杂主掺杂IIIIII族族B B掺杂掺杂特点特点B等可与等可与Si形成固溶体共价网络；形成固溶体共价网络；在三价在三价B使得在四价使得在四
20、价Si的某个键上形成的某个键上形成电子空位，相当于一个带正电荷的粒子电子空位，相当于一个带正电荷的粒子空位；空位；空位如果在空位如果在Si中是非局域化的，将位于中是非局域化的，将位于价带顶部，形成空穴；价带顶部，形成空穴；空位与空位与B-的弱库仑引力形成局域化的弱的弱库仑引力形成局域化的弱束缚态束缚态受主能级受主能级Ea,受主的中性束缚受主的中性束缚态即是空穴占据的能级态即是空穴占据的能级Ea；电离态电离态空穴从空穴从Ea跃迁到价带顶部，跃迁到价带顶部，即电子从价带顶部跃迁到即电子从价带顶部跃迁到Ea ，易于成，易于成为导电载流子，这种电子从价带顶部很为导电载流子，这种电子从价带顶部很容易跃迁
21、到受主能级容易跃迁到受主能级,因而会有效提高因而会有效提高半导体的电导率半导体的电导率受主能级受主能级Ea ：Si的受的受主掺杂主掺杂IIIIII族族B B掺杂掺杂受主掺杂受主掺杂弱束缚态，使得电子很容易从价带顶跃迁到施弱束缚态，使得电子很容易从价带顶跃迁到施主能级主能级Ea;主要载流子是价带顶附近的空穴主要载流子是价带顶附近的空穴多数载流子（多子）；多数载流子（多子）；导带底附近的电子导带底附近的电子少数载流子（少子）；少数载流子（少子）；p型半导体型半导体3.3.半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布q热平衡载流子分布热平衡载流子分布q本征半导体的热平衡载流子分布本征半导体的热平衡载流子
22、分布q杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布q非平衡载流子非平衡载流子3.3.半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布(1) 热平衡载流子分布热平衡载流子分布q由由Fermi-Dirac分布函数分布函数q得导带上的电子数得导带上的电子数q最后得到：最后得到：EF为为Fermi能级能级kB为为Boltzman Con.Et为导带顶的能量为导带顶的能量gc(E)为导带上的态密度为导带上的态密度n为导带上的电子浓度为导带上的电子浓度F(xF)为为Fermi积分积分Nc导带上的等效电子密度导带上的等效电子密度半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布q各个中间参量计算出来之后，可得导带
23、电子密度各个中间参量计算出来之后，可得导带电子密度q注意到空穴的统计分布为注意到空穴的统计分布为1-f(E)，同样计算可得价，同样计算可得价带空穴密度为带空穴密度为(1) 热平衡载流子分布热平衡载流子分布Nv价带上的等效电子密度价带上的等效电子密度Nc导带上的等效电子密度导带上的等效电子密度半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布q由上两式可得由上两式可得Mass Action LawMass Action Law(1) 热平衡载流子分布热平衡载流子分布Eg为半导体的禁带宽度：为半导体的禁带宽度：质量作用定律的意义：质量作用定律的意义： 对一个给定半导体而言，导对一个给定半导体而言，导带上电子
24、浓度与价带上空穴带上电子浓度与价带上空穴浓度的乘积为常数，仅取决浓度的乘积为常数，仅取决与半导体的禁带宽度。与半导体的禁带宽度。半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布(2)本征半导体的热平衡载流子分布本征半导体的热平衡载流子分布对本征半导体而言，导带上的电子全部来源于价带上电对本征半导体而言，导带上的电子全部来源于价带上电子向导带的本征激发，因而，导带上的电子浓度与价子向导带的本征激发，因而，导带上的电子浓度与价带上的空穴浓度必然相等。带上的空穴浓度必然相等。故：本征半导体的热平衡载流子浓度：故：本征半导体的热平衡载流子浓度：相应可以得到费米能级：相应可以得到费米能级：绝对零度下，费米能级位
25、绝对零度下，费米能级位于禁带中央，随温度升高，于禁带中央，随温度升高，费米能级逐渐增加。费米能级逐渐增加。半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布v杂质半导体的载流子浓度来源：杂质半导体的载流子浓度来源：本征激发本征激发+杂质电离杂质电离；v对于对于n型半导体，对导带上的电子载流子浓度是由型半导体，对导带上的电子载流子浓度是由本征本征激发和施主电离激发和施主电离两者的贡献。由电中性方程：两者的贡献。由电中性方程：v把把n、p代入电中性方程得：代入电中性方程得：(3)杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布n为导带电子浓度，为导带电子浓度，Nd为电离施主浓度，为电离施主浓度，p价
26、带上空穴浓度价带上空穴浓度Nd为电离施主浓度为电离施主浓度从这里，即可求出各种给定温度下的费米能级从这里，即可求出各种给定温度下的费米能级E EF F。从而求出导带上的电子载流子浓度。从而求出导带上的电子载流子浓度。半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布该方程没有解析解，只该方程没有解析解，只能给出数值解。能给出数值解。关于关于Si的费米能级与温的费米能级与温度和杂质的关系：度和杂质的关系：(3)杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布q当温度很低时，略去式中最后一项，可得：当温度很低时，略去式中最后一项，可得：q当当T=0K时，时，F
27、ermi能级位于导带底和施主能级的中能级位于导带底和施主能级的中央，温度升高时，逐渐升高央，温度升高时，逐渐升高。(3)杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布v对于对于P型半导体，价带上的空穴载流子浓度是由型半导体，价带上的空穴载流子浓度是由本征跃本征跃迁和受主电离迁和受主电离两者的贡献。两者的贡献。v由电中性方程可写为：由电中性方程可写为：(3)杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布P为价带上空穴载流子浓度为价带上空穴载流子浓度N-d为电离受主浓度为电离受主浓度n为导带中电子载流子浓度为导带中电子载流子浓度半导体中的
28、载流子分布半导体中的载流子分布非平衡载流子的概念非平衡载流子的概念当半导体受到外界作用时，当半导体受到外界作用时，除了热平衡载流子以外，还将受到光照、电场等的除了热平衡载流子以外，还将受到光照、电场等的作用，这些外界条件也将激发载流子，称为非平衡作用，这些外界条件也将激发载流子，称为非平衡载流子。载流子。P-n结的工作就是与非平衡载流子的注入和抽取有关。结的工作就是与非平衡载流子的注入和抽取有关。例：光辐照半导体产生的非平衡载流子与复合过程：例：光辐照半导体产生的非平衡载流子与复合过程：(4) 非平衡载流子非平衡载流子半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布当用光子能量大于禁带宽度的光辐照半导
29、体时，价当用光子能量大于禁带宽度的光辐照半导体时，价带电子就可以跃迁到导带，形成非平衡载流子。带电子就可以跃迁到导带，形成非平衡载流子。相应的导带电子和价带空穴浓度为：相应的导带电子和价带空穴浓度为：(4) 非平衡载流子非平衡载流子n0和和p0分别为热平衡时分别为热平衡时电子和空穴的浓度电子和空穴的浓度结论：结论：非平衡载流子使得导电载流子浓度增加，半导体的导电非平衡载流子使得导电载流子浓度增加，半导体的导电率增加！率增加！由光激发所增加的部分电导率称为由光激发所增加的部分电导率称为光电导光电导！光敏元件的原理！光敏元件的原理！当光停止照射后，出现复合过程！当光停止照射后，出现复合过程！需要一
30、定时间需要一定时间非平衡载流子的寿命！非平衡载流子的寿命！二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质1、载流子的漂移运动及电导率、载流子的漂移运动及电导率在外电场作用下，半导体中的载流子要受到电场力的作用，从而在外电场作用下，半导体中的载流子要受到电场力的作用，从而获得一定的漂移速率，在半导体中形成电流。获得一定的漂移速率，在半导体中形成电流。电子和空穴漂移方向相反；电子和空穴漂移方向相反；电子和空穴漂移速率一般不同：电子大于空穴；电子和空穴漂移速率一般不同：电子大于空穴；半导体的电导率为电子和空穴电导率之和。半导体的电导率为电子和空穴电导率之和。二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学
31、性质如果载流子的电荷为如果载流子的电荷为e，浓度为，浓度为，则电流密度为：，则电流密度为：1、载流子的漂移运动及电导率、载流子的漂移运动及电导率对对n型：主要以电子电导率为主；型：主要以电子电导率为主；对对p型：主要以空穴电导率为主；型：主要以空穴电导率为主；对本征半导体，对本征半导体，n=p=ni, 则：则：二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质(1) 载流子的浓度载流子的浓度2、电导率的主要影响因素、电导率的主要影响因素载流子的浓度受温度载流子的浓度受温度影响影响热激发热激发：本征半导体：载流子本征半导体：载流子的浓度因本征激发而的浓度因本征激发而增加；增加；杂质半导体：由杂质杂质
32、半导体：由杂质浓度和温度共同决定；浓度和温度共同决定；杂杂质质电电离离本本征征激激发发二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质(2)载流子的散射载流子的散射2、电导率的主要影响因素、电导率的主要影响因素受到各种散射作用的弛豫时间：受到各种散射作用的弛豫时间：二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质有效质量一定时，影响迁移率的主要因素是弛豫时有效质量一定时，影响迁移率的主要因素是弛豫时间间左式对于电子载流子左式对于电子载流子和空穴载流子都是适和空穴载流子都是适用的用的(2)载流子的散射载流子的散射二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质电离杂质电离杂质对载流子的散射机制对载流子
33、的散射机制类类Rutherford 散射：散射：(2)载流子的散射载流子的散射晶格振动晶格振动对载流子的散射机制对载流子的散射机制声子散射声子散射二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质本征半导体本征半导体 电阻率随温度上升而下降，负温度系数特性；电阻率随温度上升而下降，负温度系数特性；(2)电阻率与温度的关系电阻率与温度的关系杂质半导体杂质半导体 不同温度段具有不同的温度系数特性。不同温度段具有不同的温度系数特性。半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布(2)本征半导体的热平衡载流子分布本征半导体的热平衡载流子分布对本征半导体而言，导带上的电子全部来源于价带上电对本征半导体而言，导带上
34、的电子全部来源于价带上电子向导带的本征激发，因而，导带上的电子浓度与价子向导带的本征激发，因而，导带上的电子浓度与价带上的空穴浓度必然相等。带上的空穴浓度必然相等。故：本征半导体的热平衡载流子浓度：故：本征半导体的热平衡载流子浓度：相应可以得到费米能级：相应可以得到费米能级：绝对零度下，费米能级位绝对零度下，费米能级位于禁带中央，随温度升高，于禁带中央，随温度升高，费米能级逐渐增加。费米能级逐渐增加。半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布杂质情况杂质情况v杂质半导体的载流子浓度来源：杂质半导体的载流子浓度来源：本征激发本征激发+杂质电离杂质电离；v对于对于n型半导体，对导带上的电子载流子浓度
35、是由型半导体，对导带上的电子载流子浓度是由本征本征激发和施主电离激发和施主电离两者的贡献。由电中性方程：两者的贡献。由电中性方程：v把把n、p代入电中性方程得：代入电中性方程得：(3)杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布n为导带电子浓度，为导带电子浓度，Nd为电离施主浓度，为电离施主浓度，p价带上空穴浓度价带上空穴浓度Nd为电离施主浓度为电离施主浓度从这里，即可求出各种给定温度下的费米能级从这里，即可求出各种给定温度下的费米能级E EF F。从而求出导带上的电子载流子浓度。从而求出导带上的电子载流子浓度。半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布该方程没有解析解，只该方程没有
36、解析解，只能给出数值解。能给出数值解。关于关于Si的费米能级与温的费米能级与温度和杂质的关系：度和杂质的关系：(3)杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布q当温度很低时，略去式中最后一项，可得：当温度很低时，略去式中最后一项，可得：q当当T=0K时，时，Fermi能级位于导带底和施主能级的中能级位于导带底和施主能级的中央，温度升高时，逐渐升高央，温度升高时，逐渐升高。(3)杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布v对于对于P型半导体，价带上的空穴载流子浓度是由型半导体，价带上的空穴
37、载流子浓度是由本征跃本征跃迁和受主电离迁和受主电离两者的贡献。两者的贡献。v由电中性方程可写为：由电中性方程可写为：(3)杂质半导体的热平衡载流子分布杂质半导体的热平衡载流子分布P为价带上空穴载流子浓度为价带上空穴载流子浓度N-d为电离受主浓度为电离受主浓度n为导带中电子载流子浓度为导带中电子载流子浓度半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布非平衡载流子的概念非平衡载流子的概念当半导体受到外界作用时，当半导体受到外界作用时，除了热平衡载流子以外，还将受到光照、电场等的除了热平衡载流子以外，还将受到光照、电场等的作用，这些外界条件也将激发载流子，称为非平衡作用，这些外界条件也将激发载流子，称为非
38、平衡载流子。载流子。P-n结的工作就是与非平衡载流子的注入和抽取有关。结的工作就是与非平衡载流子的注入和抽取有关。例：光辐照半导体产生的非平衡载流子与复合过程：例：光辐照半导体产生的非平衡载流子与复合过程：(4) 非平衡载流子非平衡载流子半导体中的载流子分布半导体中的载流子分布当用光子能量大于禁带宽度的光辐照半导体时，价当用光子能量大于禁带宽度的光辐照半导体时，价带电子就可以跃迁到导带，形成非平衡载流子。带电子就可以跃迁到导带，形成非平衡载流子。相应的导带电子和价带空穴浓度为：相应的导带电子和价带空穴浓度为：(4) 非平衡载流子非平衡载流子n0和和p0分别为热平衡时分别为热平衡时电子和空穴的浓
39、度电子和空穴的浓度结论：结论：非平衡载流子使得导电载流子浓度增加，半导体的导电非平衡载流子使得导电载流子浓度增加，半导体的导电率增加！率增加！由光激发所增加的部分电导率称为由光激发所增加的部分电导率称为光电导光电导！光敏元件的原理！光敏元件的原理！当光停止照射后，出现复合过程！当光停止照射后，出现复合过程！需要一定时间需要一定时间非平衡载流子的寿命！非平衡载流子的寿命！二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质1、载流子的漂移运动及电导率、载流子的漂移运动及电导率在外电场作用下，半导体中的载流子要受到电场力的作用，从而在外电场作用下，半导体中的载流子要受到电场力的作用，从而获得一定的漂移速
40、率，在半导体中形成电流。获得一定的漂移速率，在半导体中形成电流。电子和空穴漂移方向相反；电子和空穴漂移方向相反；电子和空穴漂移速率一般不同：电子大于空穴；电子和空穴漂移速率一般不同：电子大于空穴；半导体的电导率为电子和空穴电导率之和。半导体的电导率为电子和空穴电导率之和。二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质如果载流子的电荷为如果载流子的电荷为e，浓度为，浓度为，则电流密度为：，则电流密度为：1、载流子的漂移运动及电导率、载流子的漂移运动及电导率对对n型：主要以电子电导率为主；型：主要以电子电导率为主；对对p型：主要以空穴电导率为主；型：主要以空穴电导率为主；对本征半导体，对本征半导体
41、，n=p=ni, 则：则：二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质(1) 载流子的浓度载流子的浓度2、电导率的主要影响因素、电导率的主要影响因素载流子的浓度受温度影响载流子的浓度受温度影响热激发热激发：本征半导体：载流子的浓度因本征半导体：载流子的浓度因本征激发而增加；本征激发而增加；杂质半导体：由杂质浓度和温杂质半导体：由杂质浓度和温度共同决定；度共同决定；杂杂质质电电离离本本征征激激发发本征半导体本征半导体电阻率随温度上升而下降，负温度系数特性；电阻率随温度上升而下降，负温度系数特性；杂质半导体杂质半导体不同温度段具有不同的温度系数特性。不同温度段具有不同的温度系数特性。二二. .半
42、导体中的电学性质半导体中的电学性质 导带中的电子和价带中的空穴，在相同的电场作导带中的电子和价带中的空穴，在相同的电场作用下，产生漂移运动，但两者所获平均漂移速度不同，用下，产生漂移运动，但两者所获平均漂移速度不同，即电子迁移率即电子迁移率 e e大于空穴迁移率大于空穴迁移率 p p ，而总导电作用，而总导电作用为两者之和，即总电流密度：为两者之和，即总电流密度：其中，其中，J Jn n、J Jp p分别为电子和空穴的电流密度；分别为电子和空穴的电流密度；q q为为电子电荷量；电子电荷量；E E为电场强度。为电场强度。半导体的电导率为：半导体的电导率为：(2)载流子的散射载流子的散射二二. .
43、半导体中的电学性质半导体中的电学性质 宏观量宏观量 敢决于两个因素：载流子浓度和迁移敢决于两个因素：载流子浓度和迁移率。在掺杂情况下，如果一种载流于浓度远大于另率。在掺杂情况下，如果一种载流于浓度远大于另一种载流子浓度，则分别称为多数载流子一种载流子浓度，则分别称为多数载流子( (简称多子简称多子) )和少数载流子和少数载流子( (简称少子简称少子) )。主要是多子参与导电，。主要是多子参与导电，上式可以简化为上式可以简化为迁移率是与电子、空穴所受的散射作用有关的一个量，散射迁移率是与电子、空穴所受的散射作用有关的一个量，散射越强，载流于平均自由运动时间越强，载流于平均自由运动时间 就越短，迁
44、移率就越小；相就越短，迁移率就越小；相反，迁移率就越大。只有在晶体的原子排列的周期场受到破反，迁移率就越大。只有在晶体的原子排列的周期场受到破坏时，运动的电子才会受到散射。坏时，运动的电子才会受到散射。(2)载流子的散射载流子的散射二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质散射主要有两种：散射主要有两种：晶格散射和电离杂质散射晶格散射和电离杂质散射 晶格散射：晶格散射： 由于原子晶格振动引起的载流子散射叫晶格散射。原子由于原子晶格振动引起的载流子散射叫晶格散射。原子间振动按照波叠加原理可以分解为若干不同的基本波动，间振动按照波叠加原理可以分解为若干不同的基本波动，其中纵波才会引起原子的位移
45、，引起体积的压缩和膨胀，其中纵波才会引起原子的位移，引起体积的压缩和膨胀，从而引起能带的起伏，使载流子受到它的势场作用引起散从而引起能带的起伏，使载流子受到它的势场作用引起散射。对于横波在单一极值能带中不起散射作用，但对多极射。对于横波在单一极值能带中不起散射作用，但对多极值的复杂能带结构，横波也会产生散射。当温度升高时，值的复杂能带结构，横波也会产生散射。当温度升高时，品格热振动加强，散射也随之加强。品格热振动加强，散射也随之加强。晶格振动晶格振动对载流子的散射机制对载流子的散射机制声子散射声子散射(2)载流子的散射载流子的散射二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质被电离的杂质作为正
46、电中心或负电中心，可以改变载被电离的杂质作为正电中心或负电中心，可以改变载流子原有运动速度的方向和大小，被称为电离杂质散流子原有运动速度的方向和大小，被称为电离杂质散射。载流子在散射过程中的轨迹是以电离杂质为射。载流子在散射过程中的轨迹是以电离杂质为个个焦点的双曲线。焦点的双曲线。 晶体中掺入杂质越多，载流子与电离杂质相遇而被晶体中掺入杂质越多，载流子与电离杂质相遇而被散射的机会也越多，即随掺杂浓度增加，散射也增加。散射的机会也越多，即随掺杂浓度增加，散射也增加。而且当温度升高时，载流子运动加快，电离杂质散射而且当温度升高时，载流子运动加快，电离杂质散射作用越弱。浅能级的施主或受主杂质在室温几
47、乎可以作用越弱。浅能级的施主或受主杂质在室温几乎可以全部电离。全部电离。(2)(2)载流子的散射载流子的散射-电离杂质散射：电离杂质散射：电离杂质电离杂质对载流子的散射对载流子的散射机制机制类类Rutherford Rutherford 散散射射. .二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质3 3、光电导效应光电导效应 在光的照射下，使半导体材料的电导率发生变化在光的照射下，使半导体材料的电导率发生变化的现象，称为光电导效应。的现象，称为光电导效应。 按其发生机制可以分为本征光电导和杂质光电导。按其发生机制可以分为本征光电导和杂质光电导。本征光电导效应指光照射半导体时，当光的能量达到本征
48、光电导效应指光照射半导体时，当光的能量达到禁带宽度的能量值，价带的电子跃迁到导带，材料内禁带宽度的能量值，价带的电子跃迁到导带，材料内产生电子产生电子- -空穴对，这两种光生载流子都参与导电，空穴对，这两种光生载流子都参与导电，使电导率增加。杂质光电导效应指光照射半导体时，使电导率增加。杂质光电导效应指光照射半导体时，当光的能量达到一定值后，禁带中杂质能级上的电子当光的能量达到一定值后，禁带中杂质能级上的电子接收光子能量后，跃迁到导带而参与导电接收光子能量后，跃迁到导带而参与导电( (或是价带或是价带电子跃迁到受主能级上产生空穴参与导电电子跃迁到受主能级上产生空穴参与导电) )，使电导，使电导
49、率增加。率增加。二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质3 3、光电导效应光电导效应光照射在半导体中产生非平衡载流了，使半导体光照射在半导体中产生非平衡载流了，使半导体中载流子数目增加中载流子数目增加 n ( p)，引起附加的光电导，亦，引起附加的光电导，亦称光电导。对本征光电导附加光电导率为：称光电导。对本征光电导附加光电导率为：其中其中 n 、 p分别为光生电子、空穴数；分别为光生电子、空穴数； n、 p分分别为电子、空穴迁移率。别为电子、空穴迁移率。杂质光电导率为：杂质光电导率为： 正是利用半导体的光电导持性，制成光敏电阻，正是利用半导体的光电导持性，制成光敏电阻，光的探测、度量和
50、其它光电元件。光的探测、度量和其它光电元件。二、半导体中的电学性质二、半导体中的电学性质4 4、载流子的迁移率、载流子的迁移率 迁移率迁移率 是与电子、空穴所受的散射作用有关的是与电子、空穴所受的散射作用有关的一个量；单位电场下载流子漂移的速度称为载流子一个量；单位电场下载流子漂移的速度称为载流子的迁移率。的迁移率。它是反映半导体中载流子的导电能力的重要参数，而且它是反映半导体中载流子的导电能力的重要参数，而且直接决定着载流子运动直接决定着载流子运动( (包括漂移和扩散包括漂移和扩散) )的快慢，它对的快慢，它对半导体器件的工作速度有直接的影响。由上面分析可知，半导体器件的工作速度有直接的影响
51、。由上面分析可知，迁移率是与散射几率有关的。当同时有几种散射作用时，迁移率是与散射几率有关的。当同时有几种散射作用时，总的迁移率总的迁移率 与各种迁移率与各种迁移率 i i的关系为：的关系为：一般只考虑晶格振动散射和电离杂质散射，相应的迁移率用一般只考虑晶格振动散射和电离杂质散射，相应的迁移率用 L L和和 I I表示。表示。二二. .半导体中的电学性质半导体中的电学性质有效质量一定时，影响迁移率的主要因素是弛豫时间有效质量一定时，影响迁移率的主要因素是弛豫时间左式对于电子载流子左式对于电子载流子和空穴载流子都是适和空穴载流子都是适用的用的4 4、载流子的迁移率、载流子的迁移率二、半导体中的电
52、学性质二、半导体中的电学性质4 4、载流子的迁移率、载流子的迁移率对于简单能带，可将晶格振动散射对于简单能带，可将晶格振动散射 L L与温度与温度T T的关系表示为的关系表示为 L L=a=aL LT T-3/2-3/2 其中其中a aL L为与载流子有效质量有关的系数。为与载流子有效质量有关的系数。对于电离杂质对载流子散射，有关系式对于电离杂质对载流子散射，有关系式 I I=a=aI IL L3/2 3/2 a aI I为与载流子的有效质量有关的系数，所以载流子迁移率随温度变为与载流子的有效质量有关的系数，所以载流子迁移率随温度变化。当温度升高时化。当温度升高时, ,电离杂质散射减弱，迁移率
53、电离杂质散射减弱，迁移率 I I升高。但是升高。但是晶晶格散射格散射增强，使迁移率增强，使迁移率 L L下降。对掺杂浓度低的硅材料，其迁移率随温度的下降。对掺杂浓度低的硅材料，其迁移率随温度的升高，大幅度下降，因此影响迁移率的主要因素是晶格散射。升高，大幅度下降，因此影响迁移率的主要因素是晶格散射。 对掺杂浓度高的硅材料，其迁移率随温度变化较平缓，这是电离杂对掺杂浓度高的硅材料，其迁移率随温度变化较平缓，这是电离杂质散射和品格散射共同作用的结果。而且，在同一种材料中，载流子质散射和品格散射共同作用的结果。而且，在同一种材料中，载流子迁移率与掺杂浓度有关。在一定温度下，晶体中杂质较少时，电离杂迁
54、移率与掺杂浓度有关。在一定温度下，晶体中杂质较少时，电离杂质散射影响小，载流子辽移宰数值平稳，而随着掺杂浓度增加，电离质散射影响小，载流子辽移宰数值平稳，而随着掺杂浓度增加，电离杂质散射作用增强，载流子迁移率显著下降。杂质散射作用增强，载流子迁移率显著下降。三、非平衡载流子的产生与复合三、非平衡载流子的产生与复合 对于非简并半导体，在一定温度下载流子浓度是对于非简并半导体，在一定温度下载流子浓度是一定的，这种处于热平衡状态下的载流子浓度称为一定的，这种处于热平衡状态下的载流子浓度称为平衡载流子浓度。平衡载流子浓度。 但在外界作用下，材料中的电子浓度但在外界作用下，材料中的电子浓度n n和空穴浓
55、度和空穴浓度p p都是偏离平衡值的，多出来的这部分载流子叫做都是偏离平衡值的，多出来的这部分载流子叫做非非平衡载流子平衡载流子( (过剩载流子过剩载流子) )。通常用光注入或电注入方法产生非平衡载流子。通常用光注入或电注入方法产生非平衡载流子。非平衡载流子在数量上对多子和少子的影响是显著非平衡载流子在数量上对多子和少子的影响是显著不同的。不同的。三、非平衡载流子的产生与复合三、非平衡载流子的产生与复合 非平衡载流子的重要特点之一是它们会因复合而消非平衡载流子的重要特点之一是它们会因复合而消失。人们把非平衡载梳子平均存在时间称为寿命。非失。人们把非平衡载梳子平均存在时间称为寿命。非平衡载流子寿命
56、也用少数裁流子寿命来描述。以光注平衡载流子寿命也用少数裁流子寿命来描述。以光注入为例，设一半导体样品受稳定、均匀的光照，非平入为例，设一半导体样品受稳定、均匀的光照，非平衡载流子浓度保持恒定值衡载流子浓度保持恒定值( ( n)n)o o和和( ( p)p)o o ，在光照撤去，在光照撤去后，后， n n将按下述规律衰减将按下述规律衰减三、非平衡载流子的产生与复合三、非平衡载流子的产生与复合 非平衡载流子寿命是半导体材料最重要的参非平衡载流子寿命是半导体材料最重要的参数之一，反映了半导体材料的质量；数之一，反映了半导体材料的质量； 不同的材料寿命不相同，如锗的寿命约在不同的材料寿命不相同，如锗的
57、寿命约在10010001001000 s s；硅的寿命约为；硅的寿命约为50500 50500 s s；砷比镓的寿命仅为砷比镓的寿命仅为1010-2-21010-3-3 s s或更低。或更低。 材料中重金属材料中重金属杂质、晶体缺陷的存在、表杂质、晶体缺陷的存在、表面的性质都直接影响寿命的长短面的性质都直接影响寿命的长短。寿命又影响。寿命又影响着器件的性能。着器件的性能。 因此不同的器件对非平衡载流子寿命值也有因此不同的器件对非平衡载流子寿命值也有不同的要求，如对高频器件，要求寿命要小，不同的要求，如对高频器件，要求寿命要小，而对探测器要求寿命要大。而对探测器要求寿命要大。三、非平衡载流子的产
58、生与复合三、非平衡载流子的产生与复合直接复合：直接复合：导带电子直接跃迁到价带的某一空状态，导带电子直接跃迁到价带的某一空状态，实现复合，称为直接复合实现复合，称为直接复合( (带间复合带间复合) )。如砷化镓、锑。如砷化镓、锑化铟中主要为直接复合。化铟中主要为直接复合。 间接复合：间接复合：导带电子在跃迁到价带某一空状态之前导带电子在跃迁到价带某一空状态之前还要经历某一还要经历某一( (或某些）中间状态，称为间接复合。或某些）中间状态，称为间接复合。能促使这种间接复合的局域中心称为复合中心，杂能促使这种间接复合的局域中心称为复合中心，杂质和缺陷就成为复合中心。质和缺陷就成为复合中心。表面复合
59、表面复合三、非平衡载流子的产生与复合三、非平衡载流子的产生与复合表面复合：表面复合： 直接复合间接复合只涉及材料体内的复合过程和直接复合间接复合只涉及材料体内的复合过程和寿命。实际在材料表面也存在复合过程，在材料表寿命。实际在材料表面也存在复合过程，在材料表面常常存在各种复合中心，所以表面复合的本质也面常常存在各种复合中心，所以表面复合的本质也是间接复合。是间接复合。 实验测得表面寿命值低于体内寿命值，由于存在实验测得表面寿命值低于体内寿命值，由于存在表面复合，能使晶体管小注入电流放大系数下降，表面复合，能使晶体管小注入电流放大系数下降，反向漏电增大，对晶体管的稳定性、可靠性、噪声反向漏电增大
60、，对晶体管的稳定性、可靠性、噪声都有严重影响。都有严重影响。三、非平衡载流子的产生与复合三、非平衡载流子的产生与复合其中其中D Dh h为空穴扩散系数，为空穴扩散系数， p p为空穴的寿命。得到方程的解，即为空穴的寿命。得到方程的解，即为非平衡空穴浓度的分布：为非平衡空穴浓度的分布：L Lh h(D(Dn n p p) ) 1/21/2为非平衡空穴扩散长度，标志空穴浓度降至为非平衡空穴扩散长度，标志空穴浓度降至1/e1/e所需的距离。所需的距离。非平衡载流子的的扩散运动：非平衡载流子的的扩散运动： 由于非平衡载流子一般是靠外部条件的作用而产生的，由于非平衡载流子一般是靠外部条件的作用而产生的，
61、因而在半导体中各处的浓度不像平衡载流子那样是均匀的。因而在半导体中各处的浓度不像平衡载流子那样是均匀的。以光注入为例，设以稳定的光均匀照射半导体表面，光只以光注入为例，设以稳定的光均匀照射半导体表面，光只在表面极薄的一层产生非平衡载流子，由于浓度梯度的作在表面极薄的一层产生非平衡载流子，由于浓度梯度的作用，对于用，对于N N型样品，非平衡的空穴将向材料内部扩散，并型样品，非平衡的空穴将向材料内部扩散，并形成稳定的分布，根据一维的连续性方程：形成稳定的分布，根据一维的连续性方程：三、非平衡载流子的产生与复合三、非平衡载流子的产生与复合对非平衡电子的扩散有对非平衡电子的扩散有其中其中 L Ln n
62、(D(Dn n n n) ) 1/21/2为非平衡电子扩散长度为非平衡电子扩散长度,D,Dn n为电为电子扩散系数子扩散系数, , n n为电子寿命。为电子寿命。载流子扩散系数载流子扩散系数D D与迁移率与迁移率 遵从爱因斯坦关系：遵从爱因斯坦关系：而而L Lh h、L Ln n也是半导体的一个重要参数，是有关器也是半导体的一个重要参数，是有关器件设计、提高性能必须考虑的因素。件设计、提高性能必须考虑的因素。非平衡载流子的的扩散运动非平衡载流子的的扩散运动四、半导体的界面特性四、半导体的界面特性如果在同一块半导体材料中，一边是如果在同一块半导体材料中，一边是p p型区，另一边是型区，另一边是n
63、 n型区，在相互接触的界面附近将形成一个结叫型区，在相互接触的界面附近将形成一个结叫p-np-n结。结。p-np-n结是许多半导体电子器件的基本结构单元。结是许多半导体电子器件的基本结构单元。P-nP-n结按其杂质分布状况可以分为两类：突变结和缓变结按其杂质分布状况可以分为两类：突变结和缓变结。突变结结面两边的掺杂浓度是常数，但在界面处导结。突变结结面两边的掺杂浓度是常数，但在界面处导电类型发生突变。缓变结的杂质分布是通过结面缓慢地电类型发生突变。缓变结的杂质分布是通过结面缓慢地变化。合金结和高表面浓度的浅结扩散结一般可认为是变化。合金结和高表面浓度的浅结扩散结一般可认为是突变结；而低表面站度
64、的深扩散结，一般可认为是缓变突变结；而低表面站度的深扩散结，一般可认为是缓变结。结。p-np-n结的结构特点使其具有单向导电性，使得各种功能结的结构特点使其具有单向导电性，使得各种功能半导体器件得以迅速发展。半导体器件得以迅速发展。1 1、P-nP-n结结四、半导体的界面特性四、半导体的界面特性 当当p-np-n结形成时，在交界处有一结区，在结区结形成时，在交界处有一结区，在结区内形成空间电荷，而自由载流子数目少，所以也内形成空间电荷，而自由载流子数目少，所以也常称为耗尽层。而且在结区内，对于电子而言，常称为耗尽层。而且在结区内，对于电子而言，结区是从结区是从n n区向区向p p区逾越的势垒；
65、对于空穴而言，区逾越的势垒；对于空穴而言，结区也是从结区也是从p p区向区向n n区逾越的势垒，因此结区也称区逾越的势垒，因此结区也称为势垒区。为势垒区。1 1、P-nP-n结结: :平衡平衡p-np-n结势垒结势垒四、半导体的界面特性四、半导体的界面特性n n型半导体的费米能级在本征费米能级之上，型半导体的费米能级在本征费米能级之上，P P型半导体的费型半导体的费米能级在本征费米能级之下，当米能级在本征费米能级之下，当n n型和型和P P型半导体形成型半导体形成p-np-n结结时，由于自建场的作用，平衡时，由于自建场的作用，平衡p-np-n结达到统一的费米能级结达到统一的费米能级E EF F
66、，即，即p p型区能带相对型区能带相对n n型区上移，而上移的高度为型区上移，而上移的高度为qVqVD D, ,称为平称为平衡衡p-np-n结的势垒高度。势垒高度的物理意义即为电子从结的势垒高度。势垒高度的物理意义即为电子从n n区到区到p p区区( (或空穴从或空穴从p p区到区到n n区区) )必须克服的能量势垒，其大小为必须克服的能量势垒，其大小为: :1 1、P-nP-n结结: :平衡平衡p-np-n结势垒结势垒eVd=KBTln(NdNa/NcNv)+Eg即：提高禁带宽度或增加即：提高禁带宽度或增加杂质浓度的乘积，都使杂质浓度的乘积，都使p-np-n结势垒高度增加。结势垒高度增加。四
67、、半导体的界面特性四、半导体的界面特性p-np-n结伏安特性指通过结伏安特性指通过p-np-n结的电流与外结的电流与外加电压加电压( (偏压偏压) )的关系：的关系：正向偏压下，电流随偏压指数上升，可正向偏压下，电流随偏压指数上升，可达几十安厘米达几十安厘米2 2 几千安厘米几千安厘米2 2 ，反向，反向偏压下，电流很小，且很快趋向饱和，即偏压下，电流很小，且很快趋向饱和，即反向饱和电流仅几微安厘米反向饱和电流仅几微安厘米2 2 ；当反向；当反向偏压升到某电压值时，反向电流急剧增大，偏压升到某电压值时，反向电流急剧增大，称为击穿，其电压为击穿电压称为击穿，其电压为击穿电压V V击穿击穿。1 1
68、、p-np-n结结伏安特性伏安特性这一伏安特性具有单向导电的整流性质。这一伏安特性具有单向导电的整流性质。单向导电的机理：由于结区中载流子浓度很低，是高阻区，如果加上单向导电的机理：由于结区中载流子浓度很低，是高阻区，如果加上正向偏压正向偏压V V，我们可以认为其全降落在结区，我们可以认为其全降落在结区，V V使使p p区电势升高，则势垒区电势升高，则势垒降低，电子不断从降低，电子不断从n n区向区向p p区扩散，空穴也不断从区扩散，空穴也不断从p p区向区向n n区扩散，由于是区扩散，由于是多子运动，所以随外加电压的增加，扩散电流显著增加；反之施加反向多子运动，所以随外加电压的增加，扩散电流
69、显著增加；反之施加反向偏压偏压V V时，外加电场与自建电场一致，使势垒升高，漂移运动成了主时，外加电场与自建电场一致，使势垒升高，漂移运动成了主要方面，由于是少子运动，所以反向电流很小，且不随反向电场的增大要方面，由于是少子运动，所以反向电流很小，且不随反向电场的增大有很大增加。有很大增加。四、半导体的界面特性四、半导体的界面特性在正向偏压在正向偏压V V下，流过下，流过p-np-n结的电流密度为：结的电流密度为：2 2、p-np-n结的光生伏特效应结的光生伏特效应实际实际p-np-n结的反向电流与材料受到的污染、含有缺陷或外界作用结的反向电流与材料受到的污染、含有缺陷或外界作用有关，常常导致
70、有关，常常导致j js s的实际值大于理论值。的实际值大于理论值。如光照射如光照射p-np-n结，在空间电荷区外一个扩散长度范围内光激发的结，在空间电荷区外一个扩散长度范围内光激发的电子电子- -空穴对，使到达反向空穴对，使到达反向p-np-n结空间电荷区边界少子浓度增高。结空间电荷区边界少子浓度增高。可形成较大的光致反向电流，这正是可形成较大的光致反向电流，这正是p-np-n结结光生伏待效应光生伏待效应的基本的基本原理。原理。同样同样PnPPnP晶体管也应用了增大反向少子电流的原理晶体管也应用了增大反向少子电流的原理. .四、半导体的界面特性四、半导体的界面特性在半导体片上淀积一层金属，形成
71、紧密的接触，称为金在半导体片上淀积一层金属，形成紧密的接触，称为金属属- -半导体接触半导体接触; ;最重要的两种类型接触最重要的两种类型接触; ;一类是半导体掺杂浓度较低的情况，其伏安特性与一类是半导体掺杂浓度较低的情况，其伏安特性与p-np-n结结类似，具有单向导电性，这种金属类似，具有单向导电性，这种金属- -半导体接触称为肖持基半导体接触称为肖持基势垒二极管势垒二极管( (简称简称SBD)SBD)；另一类是半导体掺杂浓度很高的情况伏安特性遵从欧另一类是半导体掺杂浓度很高的情况伏安特性遵从欧姆定律，这种金属姆定律，这种金属- -半导体接触称为欧姆接触。半导体接触称为欧姆接触。3 3、金属
72、、金属- -半导体界面半导体界面四、半导体的界面特性四、半导体的界面特性导电机理导电机理: : 以金属和以金属和N N型半导体的型半导体的SBDSBD为例为例, ,设金属费米能级设金属费米能级位置比位置比N N型半导体费米能级低，两者接触达到平衡时的情况，型半导体费米能级低，两者接触达到平衡时的情况，统一的费米能级金属表面带负电、负电荷集中在表面很薄的统一的费米能级金属表面带负电、负电荷集中在表面很薄的一层半导体表面带正电，正电荷区较宽，在半导体一侧，一层半导体表面带正电，正电荷区较宽，在半导体一侧，类似于单边突变结，自建场由半导体指向金属，半导体中电类似于单边突变结，自建场由半导体指向金属，
73、半导体中电子势垒的高度为子势垒的高度为qVqVD D，而金属的势垒高度，而金属的势垒高度: :与外加偏压无关。与外加偏压无关。3 3、金属、金属- -半导体界面半导体界面四、半导体的界面特性四、半导体的界面特性当加正向偏压时，半导体方面势垒下降为当加正向偏压时，半导体方面势垒下降为q(Vq(VD DV)V)，而金属势垒不变，而金属势垒不变，所以半导体发射到金属的电子数目增加，可导出正向电流密度所以半导体发射到金属的电子数目增加，可导出正向电流密度其中其中A A为常数，公式表明正向电流密度随正向偏压为常数，公式表明正向电流密度随正向偏压V V按指数迅速增长，按指数迅速增长，q q msms越大，
74、电流越小。越大，电流越小。当加反向偏压时，自建场增强而金属势垒当加反向偏压时，自建场增强而金属势垒q q msms不变，形成反向电流，不变，形成反向电流，当反向电压增大到一定值，反向电流趋于饱和值。当反向电压增大到一定值，反向电流趋于饱和值。肖持基二极管是利用多数载流于工作的器件，没有少数载流子的影响，可肖持基二极管是利用多数载流于工作的器件，没有少数载流子的影响，可以做为快速开关二极管、微波混频管和微波变容二极管；还可制作其他种以做为快速开关二极管、微波混频管和微波变容二极管；还可制作其他种类组台器件；肖待基势垒的形成还可应用于化各物半导体材料的物理特性类组台器件；肖待基势垒的形成还可应用于
75、化各物半导体材料的物理特性的测试等。的测试等。2 2、金属、金属- -半导体界面半导体界面- -3 3、金属、金属- -半导体界面半导体界面四、半导体的界面特性四、半导体的界面特性若两种品格结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材若两种品格结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料长在一起形成结，则称为异质结。料长在一起形成结，则称为异质结。若结两侧材料导带类型相同称为同型异质结；若不相同称为异型异若结两侧材料导带类型相同称为同型异质结；若不相同称为异型异质结。由于异质结的实现，为制作集成电路提供了能起良好绝缘作用质结。由于异质结的实现，为制作集成电路提供了能起良好绝缘作用的衬
76、底，对集成电路的发展有重大意义；的衬底，对集成电路的发展有重大意义；可以通过改变异质结的组分，在一定范围内，人为地连续可调异质可以通过改变异质结的组分，在一定范围内，人为地连续可调异质结的晶格常数、带隙宽度等参数，则扩大了材料的应用范围。结的晶格常数、带隙宽度等参数，则扩大了材料的应用范围。而且异质结处能带结构的突变，使其具有不同于单独材料的特性，而且异质结处能带结构的突变，使其具有不同于单独材料的特性，从而发展厂许多重要的半导体光电器件，如激光器、探测器、高电子从而发展厂许多重要的半导体光电器件，如激光器、探测器、高电子迁移率晶体管、双极晶体管等；迁移率晶体管、双极晶体管等；推动了半导体物理
77、的发展，如推动了半导体物理的发展，如19801980年年8 8月量子霍尔效应的发现，开月量子霍尔效应的发现，开拓了半导体物理研究的新领域，展开对异质结中二维电子气在电场作拓了半导体物理研究的新领域，展开对异质结中二维电子气在电场作用下的电荷输运和在电场、磁场以及温度场作用下的能量输运过程的用下的电荷输运和在电场、磁场以及温度场作用下的能量输运过程的研究并使低维系统的机理研究深入到了新的层次。研究并使低维系统的机理研究深入到了新的层次。4 4、半导体异质结、半导体异质结四、半导体的界面特性四、半导体的界面特性构成异质结的两种材料一般应选择：构成异质结的两种材料一般应选择：(1)(1)具有相同的晶
78、格结构，晶格常数尽可能相近，以便获得无具有相同的晶格结构，晶格常数尽可能相近，以便获得无缺陷、无应变的界面，改善结的性能。但是近年来随着超薄缺陷、无应变的界面，改善结的性能。但是近年来随着超薄层生长技术的发展，成功地生长出原子级厚度的外延层，即层生长技术的发展，成功地生长出原子级厚度的外延层，即使材料本身的失配度很大，也可以被薄层材料的均匀弹性形使材料本身的失配度很大，也可以被薄层材料的均匀弹性形变所调制，大大改善异质结材料的质量，而且形变应力引起变所调制，大大改善异质结材料的质量，而且形变应力引起的材料能带结构的变化，导致它具有新的物理特性，发展了的材料能带结构的变化，导致它具有新的物理特性
79、，发展了新型改性人工材料；新型改性人工材料；(2)(2)具有相近的热膨胀系数；具有相近的热膨胀系数；(3)(3)满足一定要求的能隙宽度和电子亲和能。满足一定要求的能隙宽度和电子亲和能。4 4、半导体异质结、半导体异质结四、半导体的界面特性四、半导体的界面特性MISMIS结构结构即金属即金属- -绝缘体绝缘体- -半导体结构；半导体结构；在设计和制造半导体器件时，常常在半导体表面生长一层绝在设计和制造半导体器件时，常常在半导体表面生长一层绝缘层，可以起钝化作用，但是绝缘层中总是存在一些电荷在缘层，可以起钝化作用，但是绝缘层中总是存在一些电荷在绝缘体绝缘体- -半导体界面处存在局域的电子能量状态，
80、即界面态，半导体界面处存在局域的电子能量状态，即界面态，既会影响器件的性能，又会影响器件的稳定性和可靠性，因此既会影响器件的性能，又会影响器件的稳定性和可靠性，因此研究表面层的状态是十分重要的；研究表面层的状态是十分重要的；MISMIS结构不仅是大多数半导体器件中的实际结构而且是结构不仅是大多数半导体器件中的实际结构而且是MOS(MOS(金属金属- -氧化物氧化物- -半导体半导体) )晶体管、晶体管、CCD(CCD(电荷耦合器件电荷耦合器件) )的基的基本组成部分。本组成部分。理想理想MISMIS结构指既忽略绝缘层中电荷和界面态的影响，也不结构指既忽略绝缘层中电荷和界面态的影响，也不考虑考虑
81、MISMIS系统的功函数差。系统的功函数差。5 5、MISMIS结构结构四、半导体的界面特性四、半导体的界面特性设设P P型半导体衬底接地，金属板型半导体衬底接地，金属板( (栅极栅极) )施加电压施加电压V VGG将产生垂直半导体表面的电场，将产生垂直半导体表面的电场，从从4 4种栅压种栅压V VG G下的下的MISMIS能带图，其中能带图，其中E E0 0为真空能级，为真空能级， 0 0和和 3 3分别为绝缘体导带分别为绝缘体导带底和半导体导带底对真空能级的差，称为绝缘体和半导体的电子亲和能。底和半导体导带底对真空能级的差，称为绝缘体和半导体的电子亲和能。 s0s0为为半导体对绝缘体的电子
82、亲和能；半导体对绝缘体的电子亲和能； mm和和 s s分别为金属和半导体的真空功函数；分别为金属和半导体的真空功函数； m0m0和和 s0s0分别为金属和半导体对绝缘体的势垒能量。分别为金属和半导体对绝缘体的势垒能量。5 5、MISMIS结构结构四、半导体的界面特性四、半导体的界面特性5 5、MISMIS结构结构实际实际MISMIS结构与理想情况结结构与理想情况结果不同，人们利用这一差别果不同，人们利用这一差别进行比较，确定绝缘层电荷进行比较，确定绝缘层电荷量、界面态等性质，还可根量、界面态等性质，还可根据瞬态据瞬态C-VC-V特性来确定半导特性来确定半导体表面层中少数载流子寿命。体表面层中少
83、数载流子寿命。利用半导体表面效应制作利用半导体表面效应制作MOSMOS场效应晶体管，在集成场效应晶体管，在集成电路中具有广泛应用。电路中具有广泛应用。五、半导体的磁学性质五、半导体的磁学性质1 1、霍尔效应、霍尔效应半导体样品沿半导体样品沿x x方向通过较小的电流方向通过较小的电流I I，在，在y y方向加一个磁场方向加一个磁场B B，样，样品厚度为品厚度为d d，实验发现在，实验发现在z z方向样品两端产生一个电压方向样品两端产生一个电压V VHH，这个现，这个现象称为霍尔效应。象称为霍尔效应。其中其中R R为霍尔系数。为霍尔系数。载流子浓度和迁移率都是半载流子浓度和迁移率都是半导体材料的重
84、要参数，通过导体材料的重要参数，通过霍尔系数测量霍尔系数测量, ,可以确定载流可以确定载流子浓度和迁移率。子浓度和迁移率。该电压称为霍尔电压，可表该电压称为霍尔电压，可表示为：示为：五、半导体的磁学性质五、半导体的磁学性质对于对于P P型样品，可得样品霍尔系数与空穴浓度的关系型样品，可得样品霍尔系数与空穴浓度的关系对于对于N N型半导体可得霍尔系数表达式型半导体可得霍尔系数表达式一般请况，总霍尔系数一般请况，总霍尔系数R RH H的表达式的表达式: :RH=1/e(p 2h-n 2e)/(p h+n e)1 1、霍尔效应、霍尔效应五、半导体的磁学性质五、半导体的磁学性质在通电的半导体上置于磁场
85、时，半导体的电阻将发生变化这种现象在通电的半导体上置于磁场时，半导体的电阻将发生变化这种现象称为电磁阻效应，也称为磁阻效应。称为电磁阻效应，也称为磁阻效应。机理：机理：加磁场后，半导体内运动的载流子会受到洛伦兹力的作用，而加磁场后，半导体内运动的载流子会受到洛伦兹力的作用，而改变路程的方向，因而延长了电流经过的路程，引起电阻增加。改变路程的方向，因而延长了电流经过的路程，引起电阻增加。磁阻通常用加场前后电阻率的比值表示：磁阻通常用加场前后电阻率的比值表示：其中其中 H H为外加磁场为外加磁场B B时的电阻率时的电阻率, , 0 0为无外加磁场时的电阻率，为无外加磁场时的电阻率， 为迁移率，为迁移率，c c为光速。为光速。利用磁阻效应制作的半导体磁敏电阻，已得到广泛应用。利用磁阻效应制作的半导体磁敏电阻，已得到广泛应用。2、磁阻效应、磁阻效应作业：作业：1.什么是直接半导体？什么是间接半导体？什么是直接半导体？什么是间接半导体？2.简述简述p-n结的形成，分析结的形成，分析p-n结的平衡能带结的平衡能带结构。结构。3.什么是霍尔效应？如何根据霍尔效应测定什么是霍尔效应？如何根据霍尔效应测定半导体的载流子类型？半导体的载流子类型？4.根据根据GaAs的能带结构说明它的导电特性的能带结构说明它的导电特性和典型应用。和典型应用。
