半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識77359課件

第二節(jié)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)

半導(dǎo)體的特性熱平衡載流子非平衡載流子載流子的運動半導(dǎo)體對光的吸收PN結(jié)與金屬-半導(dǎo)體接觸導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體自然存在的各種物質(zhì)，分為氣體、液體、固體。固體按原子排列可分為：晶體和非晶體固體按導(dǎo)電能力可分為：導(dǎo)體、絕緣體和介于兩者之間的半導(dǎo)體。電阻率10-6~10-3歐姆?厘米范圍內(nèi)——導(dǎo)體電阻率1012歐姆?厘米以上——絕緣體電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間——半導(dǎo)體石英晶體結(jié)構(gòu)和石英玻璃結(jié)構(gòu)Silicon一、半導(dǎo)體的特性負溫度系數(shù)，對溫度變化非常敏感-----根據(jù)這一特性，熱電探測器件。導(dǎo)電特性受摻雜影響顯著導(dǎo)電能力受熱、光、電、磁影響顯著TR半導(dǎo)體金屬絕緣體●電阻溫度系數(shù)二、能帶理論

1、原子能級與晶體能帶原子能級（EnegyLevel）：在孤立原子中，原子核外的電子按照一定的殼層排列，每一殼層容納一定數(shù)量的電子。每個殼層上的電子具有分立的能量值，也就是電子按能級分布。孤立原子中的電子狀態(tài)主量子數(shù)n:1,2,3,…，決定能量的主要因素角量子數(shù)l：0，1，2，…（n－1），決定角動量，對能量有一定影響磁量子數(shù)ml：0，±1，±2，…±l，決定

L的空間取向，引起磁場中的能級分裂自旋量子數(shù)ms：±1/2，產(chǎn)生能級精細結(jié)構(gòu)能級--能帶晶體中大量的原子集合在一起，原子之間距離很近，以硅為例，每立方厘米的體積內(nèi)有5×1022個原子，原子之間的最短距離為0.235nm。因此電子云層中離原子核較遠的殼層發(fā)生交疊，殼層交疊使電子不再局限于某個原子上，有可能轉(zhuǎn)移到相鄰原子的相似殼層上去，也可能從相鄰原子運動到更遠的原子殼層上去。電子的共有化使本來處于同一能量狀態(tài)的電子產(chǎn)生微小的能量差異，與此相對應(yīng)的能級擴展為能帶。

禁帶：允許被電子占據(jù)的能帶稱為允許帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，此范圍稱為禁帶。價帶：原子中最外層的電子稱為價電子，與價電子能級相對應(yīng)的能帶稱為價帶。導(dǎo)帶：價帶以上能量最低的允許帶稱為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶的底能級表示為Ec，價帶的頂能級表示為Ev，Ec與Ev之間的能量間隔稱為禁帶Eg2、能帶特點允帶{能帶原子級能{禁帶{禁帶原子軌道dps能量E絕緣材料SiO2的Eg約為5.2eV，導(dǎo)帶中電子極少，所以導(dǎo)電性不好，電阻率大于1012Ω·cm。半導(dǎo)體Si的Eg約為1.1eV，導(dǎo)帶中有一定數(shù)目的電子，從而有一定的導(dǎo)電性，電阻率為10-3～1012Ω·cm。金屬的導(dǎo)帶與價帶有一定程度的重合，Eg=0，價電子可以在金屬中自由運動，所以導(dǎo)電性好，電阻率為10-6～10-3Ω·cm。導(dǎo)帶導(dǎo)帶半滿帶禁帶價帶禁帶價帶滿帶絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體常溫下：Si：Eg=1.12eV

Ge:Eg=0.67eV

GaAs:Eg=1.43eV4、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機構(gòu)導(dǎo)電的條件：自由載流子半導(dǎo)體中的自由載流子：電子、空穴產(chǎn)生自由載流子的方式：電子熱運動、外場激發(fā)（電場）(2)雜質(zhì)半導(dǎo)體

半導(dǎo)體中人為地摻入少量雜質(zhì)形成雜質(zhì)半導(dǎo)體，雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能影響很大。在技術(shù)上通常用控制雜質(zhì)含量（即摻雜）來控制半導(dǎo)體導(dǎo)電特性。A、N型半導(dǎo)體

在四價原子硅（Si）晶體中摻入五價原子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半導(dǎo)體。在晶格中某個硅原子被磷原子所替代，五價原子用四個價電子與周圍的四價原子形成共價鍵，而多余一個電子，此多余電子受原子束縛力要比共價鍵上電子所受束縛力小得多，容易被五價原子釋放，游離躍遷到導(dǎo)帶上形成自由電子。易釋放電子的原子稱為施主，施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為施主能級ED。ED位于禁帶中，較靠近材料的導(dǎo)帶底。ED與Ec間的能量差稱為施主電離能。N型半導(dǎo)體由施主控制材料導(dǎo)電性。電導(dǎo)率的高低與摻入施主雜質(zhì)的濃度成正比。雜質(zhì)硅的原子圖像和能帶圖

容易獲取電子的原子稱為受主。受主獲取電子的能量狀態(tài)稱為受主能級EAEA與Ev間能量差稱為受主電離能。P型半導(dǎo)體由受主控制材料導(dǎo)電性。雜質(zhì)硅的原子圖像和能帶圖

C、N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體的比較

半導(dǎo)體所摻雜質(zhì)多數(shù)載流子（多子）少數(shù)載流子（少子）特性N型施主雜質(zhì)電子空穴電子濃度n≥空穴濃度pP型受主雜質(zhì)空穴電子電子濃度n≤空穴濃度p(3)摻雜對半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響

半導(dǎo)體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級，價帶中的電子若先躍遷到這些能級上然后再躍遷到導(dǎo)帶中去，要比電子直接從價帶躍遷到導(dǎo)帶容易得多。因此雖然只有少量雜質(zhì)，卻會明顯地改變導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴數(shù)目，從而顯著地影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。

三、熱平衡狀態(tài)和熱平衡載流子EcEv產(chǎn)生復(fù)合ED○●○●在一定溫度T

下，載流子的產(chǎn)生過程與復(fù)合過程之間處于動態(tài)的平衡，這種狀態(tài)就叫熱平衡狀態(tài)。2、熱平衡載流子濃度

在一定溫度下，若沒有其他的外界作用，半導(dǎo)體中的自由電子和空穴是由熱激發(fā)產(chǎn)生的。電子從不斷熱振動的晶體中獲得一定的能量，從價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成自由電子，同時在價帶中出現(xiàn)自由空穴。在熱激發(fā)同時，電子也從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子狀態(tài)，向晶格放出能量，這就是載流子的復(fù)合。在一定溫度下，若沒有其他外界作用，激發(fā)和復(fù)合兩種過程形成平衡，稱為熱平衡狀態(tài)，此時載流子稱熱平衡載流子。其濃度即為某一穩(wěn)定值。熱平衡載流子—費米分布函數(shù)—空穴的費米分布函數(shù)T=0K1/2T2>T1ET1T21例：量子態(tài)的能量E比EF高或低5kT

（0.13eV)當(dāng)E－EF

5kT時：f(E)0.007當(dāng)E－EF

－5kT時：f(E)0.993溫度不很高時:

能量大于EF的量子態(tài)基本沒有被電子占據(jù)

能量小于EF的量子態(tài)基本為電子所占據(jù)

電子占據(jù)EF的概率在各種溫度下總是1/2費米能級由溫度和雜質(zhì)濃度決定EF的意義:

EF的位置比較直觀地反映了電子占據(jù)電子態(tài)的情況。即標(biāo)志了電子填充能級的水平。

EF越高，說明有較多的能量較高的電子態(tài)上有電子占據(jù)。雜質(zhì)半導(dǎo)體中，EF的位置既反映其導(dǎo)電類型，又反映其摻雜水平EF的位置本征半導(dǎo)體：

EF位于禁帶中心位置N型半導(dǎo)體：極低溫度下，EF位于施主能級和導(dǎo)帶低的正中間，隨著溫度升高，向本征費米能級靠近。P型半導(dǎo)體:極低溫度下，EF位于受主能級和價帶頂?shù)恼虚g，隨著溫度升高，向本征費米能級靠近。四、非平衡載流子

半導(dǎo)體在外界條件有變化（如受光照、外電場作用、溫度變化）時，載流子濃度要隨之發(fā)生變化，此時系統(tǒng)的狀態(tài)稱為非平衡態(tài)。相對于熱平衡狀態(tài)時，增加的載流子稱為非平衡載流子。

注入方式：

電注入：通過半導(dǎo)體界面把載流子注入半導(dǎo)體，使熱平衡受到破壞。

光注入：價帶中的電子吸收了光子能量從價帶躍遷到導(dǎo)帶，同時在價帶中留下等量的空穴。

產(chǎn)生與復(fù)合使非平衡載流子濃度增加的過程稱為載流子的產(chǎn)生，單位時間、單位體積內(nèi)增加的電子空穴對數(shù)目稱為產(chǎn)生率G。使非平衡載流子濃度減少的過程稱為載流子的復(fù)合，是指電子與空穴相遇時，成對消失，以熱或發(fā)光方式釋放出多余的能量。單位時間、單位體積內(nèi)減少的電子空穴對數(shù)目稱為復(fù)合率R。在光照過程中，產(chǎn)生與復(fù)合同時存在，在恒定持續(xù)光照下產(chǎn)生率保持在高水平，同時復(fù)合率也隨非平衡載流子的增加而增加，直至二者相等，系統(tǒng)達到新的平衡。當(dāng)光照停止，光致產(chǎn)生率為零，系統(tǒng)穩(wěn)定態(tài)遭到破壞，復(fù)合率大于產(chǎn)生率，使非平衡載流子濃度逐漸減少，復(fù)合率隨之下降，直至復(fù)合率等于熱致的產(chǎn)生率時，非平衡載流子濃度將為零，系統(tǒng)恢復(fù)熱平衡狀態(tài)。

三種復(fù)合機制：直接復(fù)合：導(dǎo)帶中電子直接跳回到價帶，與價帶中的空穴復(fù)合。復(fù)合中心復(fù)合：復(fù)合中心指禁帶中雜質(zhì)及缺陷。過程包括兩步：電子由導(dǎo)帶落入復(fù)合中心；再有復(fù)合中心落入價帶中的空穴。表面復(fù)合：材料表面在研磨、拋光時會出現(xiàn)許多缺陷與損傷，從而產(chǎn)生大量復(fù)合中心。發(fā)生于半導(dǎo)體表面的復(fù)合過程稱為表面復(fù)合。

產(chǎn)生與復(fù)合

在非平衡狀態(tài)下載流子濃度為：n＝n0+Δnp＝p0+ΔpΔn≈Δpn：半導(dǎo)體中電子的濃度p：半導(dǎo)體中空穴的濃度n0：光照前一定溫度下熱平衡時電子的濃度p0：光照前一定溫度下熱平衡時空穴的濃度Δn：非平衡載流子電子的濃度Δp：非平衡載流子空穴的濃度對于N型半導(dǎo)體n0?p0滿足

np

?n0p0＝ni2

n0<Δn＝Δp條件的注入稱為強光注入；滿足

np

>n0p0＝ni2

n0>Δn＝Δp條件的注入稱為弱光注入。

對于弱光注入

n=n0+Δn≈n0

p=p0+Δp≈Δp此時受影響最大的是少子濃度，可認為一切半導(dǎo)體光電器件對光的響應(yīng)都是少子行為。例如：一N型硅片，室溫下，n0=5.5×1015cm-3；p0=3.5×104cm-3弱光注入下，Δn=Δp=1010cm-3，此時

n=n0+Δn=1015+1010≈1015cm-3

p=p0+Δp=104+1010≈1010cm-3非平衡載流子壽命τ

非平衡載流子壽命τ：非平衡載流子從產(chǎn)生到復(fù)合之前的平均存在時間。它表征復(fù)合的強弱，τ小表示復(fù)合快，τ大表示復(fù)合慢。τ決定了光電器件的時間特性，采用光激發(fā)方式的光生載流子壽命與光電轉(zhuǎn)換的效果有直接關(guān)系。τ的大小與材料的微觀復(fù)合結(jié)構(gòu)、摻雜、缺陷有關(guān)。陷阱效應(yīng)

半導(dǎo)體中的雜質(zhì)除了決定材料的導(dǎo)電性質(zhì)和影響非平衡載流子的復(fù)合作用外，還有一種重要的作用，即陷阱效應(yīng)。

陷阱效應(yīng)：雜質(zhì)能級積累非平衡載流子的作用。所有雜質(zhì)能級都有一定的陷阱作用。陷阱：有顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級。陷阱中心：相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心。對于的雜質(zhì)，電子的俘獲能力遠大于俘獲空穴的能力，稱為電子陷阱?！瘛駥τ?/p>

的雜質(zhì)，

俘獲空穴的能力遠大于俘獲電子的能力，稱為空穴陷阱。陷阱效應(yīng)的類型陷阱效應(yīng)的大小陷阱能級和費米能級重合時，陷阱效應(yīng)最顯著。費米能級之上的陷阱，電子的陷阱能級越深越有效陷阱的作用：增長載流子的存在時間，延長非平衡載流子的壽命。五、載流子的運動

電子在晶體中的運動與氣體分子的熱運動類似。當(dāng)沒有外加電場時，電子作無規(guī)則運動，其平均定向速度為零。一定溫度下半導(dǎo)體中電子和空穴的熱運動不能引起載流子的凈位移，從而也就沒有電流。但漂移和擴散可使載流子產(chǎn)生凈位移，從而形成電流。

1、漂移載流子在外電場作用下，電子向正電極方向運動，空穴向負電極方向運動稱為漂移。在強電場作用下，由于飽和或雪崩擊穿半導(dǎo)體會偏離歐姆定律。在弱電場作用下，半導(dǎo)體中載流子漂移運動服從歐姆定律。漂移引起的電流密度為：j=nqυ，（n為載流子密度；υ為載流子的平均漂移速度。）從歐姆定律的微分形式：j=σE，（σ為電導(dǎo)率；E為電場強度。）故nqυ=σEυ=(σ/nq)E=μE表明電子漂移的平均速度與場強成正比。式中μ稱作遷移率，它表示載流子在單位電場下的漂移速度，其單位是厘米2/秒·伏（cm2/s·V)

載流子熱運動示意圖載流子散射：載流子在半導(dǎo)體中運動時，不斷地與熱振動著的晶格原子或電離了的雜質(zhì)離子發(fā)生碰撞。用波的概念，，即電子波在半導(dǎo)體中傳播時遭到了散射。載流子的運動E在電場中電子所獲得的加速度：a=qE/m*m*：電子有效質(zhì)量，考慮了晶格對電子運動的影響并對電子靜止質(zhì)量進行修正后得到的值。υ=a·τf=(qE/m*·τf)=(qτf/m*)·E有μ=qτf/m*，表明μ與τf、m*有關(guān)。在同一種半導(dǎo)體中，電子的有效質(zhì)量比空穴的有效質(zhì)量小，所以電子的遷移率比空穴的遷移率大。同一種載流子在導(dǎo)電類型不同的半導(dǎo)體中，因濃度不同，平均自由程不同，τf

也不同，故μ也不同。半導(dǎo)體中雜質(zhì)濃度增加時，載流子碰撞機會增多，τf

減小，μ將隨之減小。2、擴散載流子因濃度不均勻而發(fā)生的從濃度高的點向濃度低的點運動。

受光部分產(chǎn)生非平衡載流子，其濃度隨離開表面距離x的增大而減小，因此就要沿x方向從表面向體內(nèi)擴散，在晶體中重新達到均勻分布。光注入，非平衡載流子擴散示意圖

擴散流面密度j與濃度梯度dN(x)/dx成正比：即j=-D·dN(x)/dxD為擴散系數(shù)，表征非平衡載流子擴散能力。式中負號表示擴散流方向與濃度梯度方向相反擴散+漂移在擴散與漂移同時存在的情況下，擴散系數(shù)D（D表示擴散的難易）與遷移率μ（μ表示遷移的快慢）之間有愛因斯坦關(guān)系式：D=(kT/q)μD與μ成正比。

kT/q為比例系數(shù)，室溫下為0.026V。

結(jié)論：1、電子與空穴沿x軸擴散，但Dn≠Dp，故它們引起的擴散流不能抵消。2、在電場中多子、少子均作漂移運動，因多子數(shù)目遠比少子多，所以漂移流主要是多子的貢獻；3、擴散情況下（光照產(chǎn)生非平衡載流子），非平衡少子的濃度梯度大，所以對擴散流的貢獻主要是少子。

當(dāng)光輻射作用在半導(dǎo)體上時，半導(dǎo)體吸收光輻射能量，價帶的電子獲得輻射能后將躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生新的電子空穴對，形成非平衡載流子，從而提高材料的電導(dǎo)率。半導(dǎo)體對光輻射的吸收分為本征吸收、雜質(zhì)吸收、載流子吸收、激子和晶格吸收五種光吸收效應(yīng)。六、半導(dǎo)體對光的吸收半導(dǎo)體材料吸收光子能量轉(zhuǎn)換成電能是光電器件的工作基礎(chǔ)。光垂直入射到半導(dǎo)體表面時，進入到半導(dǎo)體內(nèi)的光強遵照吸收定律：

Ix=I0(1-r)e-αx光垂直入射于半導(dǎo)體表面時發(fā)生反射與吸收Ix：距離表面x遠處的光強I0：入射光強r：材料表面的反射率α：材料吸收系數(shù)，與材料、入射光波長等因素有關(guān)

1、本征吸收半導(dǎo)體吸收光子的能量使價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，在價帶中留下空穴，產(chǎn)生等量的電子與空穴，這種吸收過程叫本征吸收。產(chǎn)生本征吸收的條件：入射光子的能量（hν）至少要等于材料的禁帶寬度Eg。即hν≥Eg從而有ν0＝Eg/h

ν≥ν0則

λ≤λ0其中：ν0：材料的頻率閾值

λ0：材料的波長閾值（本征吸收的長波限）幾種重要半導(dǎo)體材料的波長閾值材料溫度/KEg/eVλ/μm材料溫度/KEg/eVλ/μmSe3001.80.69InSb3000.186.9Ge3000.811.5GaAs3001.350.92Si2901.091.1GaP3002.240.55PbS2950.432.9

2、非本征吸收非本征吸收包括雜質(zhì)吸收、自由載流子吸收、激子吸收和晶格吸收等。

雜質(zhì)吸收：雜質(zhì)能級上的電子（或空穴）吸收光子能量從雜質(zhì)能級躍遷到導(dǎo)帶（空穴躍遷到價帶），這種吸收稱為雜質(zhì)吸收。雜質(zhì)吸收的波長閾值多在紅外區(qū)或遠紅外區(qū)。自由載流子吸收：導(dǎo)帶內(nèi)的電子或價帶內(nèi)的空穴也能吸收光子能量，使它在本能帶內(nèi)由低能級遷移到高能級，這種吸收稱為自由載流子吸收，表現(xiàn)為紅外吸收。激子吸收：價帶中的電子吸收小于禁帶寬度的光子能量也能離開價帶，但因能量不夠還不能躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子。這時，電子實際還與空穴保持著庫侖力的相互作用，形成一個電中性系統(tǒng)，稱為激子。能產(chǎn)生激子的光吸收稱為激子吸收。這種吸收的光譜多密集與本征吸收波長閾值的紅外一側(cè)。晶格吸收：半導(dǎo)體原子能吸收能量較低的光子，并將其能量直接變?yōu)榫Ц竦恼駝幽?，從而在遠紅外區(qū)形成一個連續(xù)的吸收帶，這種吸收稱為晶格吸收。

在它的低能量端，吸收系數(shù)陡然下降，稱為吸收邊緣。

本征吸收后，價帶中的空穴和導(dǎo)帶中的電子是自由的，可以在電場的作用下進行漂移，產(chǎn)生光電導(dǎo)，吸收系數(shù)可達105～106cm－1。

本征吸收區(qū)：對應(yīng)于價帶電子吸收光子后躍遷至導(dǎo)帶的強吸收區(qū)，它處于紫外可見光與近紅外區(qū)。當(dāng)光波長稍長于吸收邊緣界限，這時的光吸收只能把電子激發(fā)到禁帶中的某些能級上。

在低溫時，這些能態(tài)是比較穩(wěn)定的（衰減時間約10—5～10－6s），這時的光吸收不產(chǎn)生光電導(dǎo)，受激電子