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文檔簡介
1、在第一章中,半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)晶格結(jié)構(gòu)的共有化運(yùn)動(dòng)、有效質(zhì)量導(dǎo)電機(jī)構(gòu)、空穴回旋加速器共振那樣的半導(dǎo)體帶、半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體的物理性質(zhì)與電子狀態(tài)密切相關(guān),半導(dǎo)體中的電子與自由電子或單原子電子狀態(tài)不同, 晶體中周圍的原子和受電子影響的單電子相似:單個(gè)電子在周期性排列固定的原子核勢場和其他電子的平均勢場中運(yùn)動(dòng),金剛石結(jié)構(gòu)Si, Ge閃鋅礦結(jié)構(gòu)SiGe GaAs 11半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)crystalstructureandbondsinsemiconductors、共價(jià)結(jié)合、混合結(jié)合、纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnS CdSe, 12半導(dǎo)體中的電子態(tài)和能帶electronstatesandrelatin
2、gbondsinsemiconductors、重點(diǎn):電子的共有化運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)帶、價(jià)帶和禁帶、原子構(gòu)成晶體后,由于電子殼層的重疊, 電子被稱為不限于某個(gè)原子的電子的共有化運(yùn)動(dòng),結(jié)晶的能帶電子共有化運(yùn)動(dòng),能級的分裂和能帶的形成,n個(gè)原子分裂成n個(gè)能級,金剛石結(jié)晶的能帶, 傳導(dǎo)帶:從SP3-SP3反耦合狀態(tài)產(chǎn)生價(jià)帶(Valence band):、s、p、SP3混合物,(1)自由電子的能帶結(jié)構(gòu),(2)晶體中的電子的波函數(shù),1.5回旋加速器共振電子由于外力同時(shí)與半導(dǎo)體內(nèi)部原子、電子相互作用,電子的加速度應(yīng)該是半導(dǎo)體內(nèi)勢場和外電場作用的綜合效應(yīng)。 有效質(zhì)量引入的意義:概述了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用。 有效的質(zhì)量可
3、以通過直接實(shí)驗(yàn)來決定。 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率、遷移率等都與有效質(zhì)量相關(guān),如果Ek關(guān)系決定,則m*也決定,全頻帶電子不通電,在結(jié)晶能帶理論中,在En(k)=En(-k )的同一能帶中,k和-k的狀態(tài)具有相同大小、相反的速度v 從a點(diǎn)移動(dòng)的電子實(shí)際上同時(shí)從a移動(dòng),能帶整體保持均勻充滿的狀態(tài),不產(chǎn)生電流。 全帶電子不通電,=0,a,a,16,電子不能通電,沒有外部電場時(shí),有外部電場時(shí),e,沒有外部電場時(shí),電子對稱地占據(jù)能量低的狀態(tài),總電流為0,有外部電場時(shí),電子向逆電場方向移動(dòng),部分傳導(dǎo)帶上出現(xiàn)少量電子,價(jià)格帶上出現(xiàn)少量空狀態(tài),17,空孔。 價(jià)格帶缺少一個(gè)電子時(shí),假設(shè)滿帶只有一個(gè)狀態(tài)k,就沒有電子。 J(
4、k )表示此時(shí)的傳動(dòng)帶整體的總電流。 當(dāng)價(jià)帶狀態(tài)k為空時(shí),價(jià)帶電子的總電流就像帶正電荷的粒子以k狀態(tài)電子速度v(k )移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流空穴一樣,=0,18,空穴的有效質(zhì)量,價(jià)帶中的空的狀態(tài)一般出現(xiàn)在價(jià)帶的頂部附近,如果導(dǎo)入價(jià)格變高的mp*,則表示空穴的有效質(zhì)量、me*、電子和空穴共同參與導(dǎo)電是半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電性質(zhì)的最大差異,圓運(yùn)動(dòng)半徑、圓運(yùn)動(dòng)向心加速度、圓運(yùn)動(dòng)向心力、圓運(yùn)動(dòng)角頻率、1.5旋轉(zhuǎn)共振、有效質(zhì)量測量、旋轉(zhuǎn)共振頻率、1.6常見半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu), 第2章作為半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷的理想的半導(dǎo)體材料原子,在具有嚴(yán)格的周期晶格的晶格點(diǎn)位置靜止的結(jié)晶是純粹的,即,不含雜質(zhì)(沒有與構(gòu)成結(jié)晶材料的元素
5、不同的其他化學(xué)元素)的晶格結(jié)構(gòu)完整,即具有嚴(yán)格的周期, 分類(1) :實(shí)際的半導(dǎo)體材料原子在平衡位置附近振動(dòng)的含有雜質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)不完整,存在缺陷點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、雜質(zhì)與構(gòu)成晶體材料的元素不同的其他化學(xué)元素,形成原因原材料純度不足的制造過程中人為混入污垢雜質(zhì)原子位于晶格中的分間隙式雜質(zhì)置換式雜質(zhì),雜質(zhì)原子位于晶格原子的間隙位置是雜質(zhì)原子比較小的雜質(zhì)原子代替晶格原子位于晶格點(diǎn)的要求雜質(zhì)原子的大小,價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)等接近晶格原子,可以同時(shí)存在兩種雜質(zhì), 在此主要介紹交替型雜質(zhì),分類(2) :根據(jù)雜質(zhì)供給載流子的類型,形成施主雜質(zhì)受主雜質(zhì),第v族雜質(zhì)原子代替第IV族結(jié)晶材料原子能夠放出的正的電中心
6、的雜質(zhì)(n型雜質(zhì)) n型半導(dǎo)體,代替IV族結(jié)晶材料原子接受電子產(chǎn)生導(dǎo)電空穴,形成負(fù)電中心雜質(zhì)(p型雜質(zhì)) p型半導(dǎo)體、施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)、本征半導(dǎo)體、施主雜質(zhì)(這有摻雜施主的意義,提供受主雜質(zhì)(IV-III )、載流子:價(jià)帶這有摻雜受主意義,(3) :如果施加由雜質(zhì)原子引起的能級淺的雜質(zhì)的深能級例如III族材料或v族雜質(zhì)能級分離帶、價(jià)帶接近的晶格中的原子的熱振動(dòng)的能量,則會(huì)使淺能級雜質(zhì)離子化而影響半導(dǎo)體載流子濃度對于在III族材料中添加非III族、v族雜質(zhì)能級分離帶,或者在價(jià)帶遠(yuǎn)的通常條件下難以離子化等能夠改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電型的載流子的復(fù)合作用非常重要,在良好的復(fù)合中心,雜質(zhì)淺能級簡單的修正系氫
7、原子模型的氫原子基態(tài)電子的電離能: 施主雜質(zhì)電子的電離能:施主雜質(zhì)電子的孔徑:氫原子基態(tài)電子的孔徑,室溫kBT 26 meV,數(shù)十個(gè)meV,數(shù)十個(gè)meV硅的介電常數(shù)為16、12,施主雜質(zhì)電子的孔徑,修正,(A)NDNA時(shí): n型半導(dǎo)體=ND-NA、雜質(zhì)的補(bǔ)償作用,(B)NAND時(shí)III-V族化合物半導(dǎo)體中的淺能級雜質(zhì)為III-V族化合物中不同種類的雜質(zhì):將II族元素GaAs:鈹(Be )、鎂(Mg )、鋅(zn )、鎘(cd)ea=ev0 硒(Se) ED=Ec-0.006 eV IV族元素GaAs:硅(Si) Ev 0.03eV,Ec-0.006 eV (雜質(zhì)的雙重性行為)鍺(Ge) Ev
8、0.03eV。 等電子雜質(zhì)具有與基質(zhì)晶體原子相同價(jià)數(shù)的電子的雜質(zhì)原子被稱為等電子雜質(zhì)(同系原子雜質(zhì)),被稱為等電子陷阱,即使條件等電子雜質(zhì)代替晶格點(diǎn)上的同系原子形成后,也幾乎為電中性。 但是,導(dǎo)入原子和基體晶體原子在電負(fù)性、共有半徑等方面存在較大差異,等電子雜質(zhì)的電負(fù)性大于基體晶體原子的電負(fù)性時(shí),取而代之的是捕獲電子成為負(fù)中心,該帶電中心成為等電子陷阱。雜質(zhì)的二重性行為硅在砷化鎵中代替鎵表示施主雜質(zhì),代替砷表示受主雜質(zhì),第34、3章的半導(dǎo)體中的載流子統(tǒng)一分布、半導(dǎo)體的電子狀態(tài)、具有半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級半導(dǎo)體的電子分布、35、狀態(tài)密度g(E )、定義: ede范圍內(nèi)3.1狀態(tài)密度(dos ),k空間
9、中的量化狀態(tài)密度=,k空間中,電子的允許能量狀態(tài)密度為V/83,如果糾正自旋,則電子的允許能量子狀態(tài)密度為2V/83。 每個(gè)量子態(tài)最多只能容納一個(gè)電子。 由此可知,狀態(tài)密度與能量呈拋物線關(guān)系,能量越大,狀態(tài)密度越大。 有效質(zhì)量也與各向同性有關(guān),37,3.2費(fèi)米能級和載流子的統(tǒng)一分布,費(fèi)米分布函數(shù)玻耳茲曼分布函數(shù)導(dǎo)體中的電子濃度和價(jià)帶中的空穴濃度,38,1ot=0k, 2o T 0 K,實(shí)際上在E-EF 5kBT時(shí),f0.993室溫kbt、費(fèi)米(Fermi )分布函數(shù)、39、玻爾茲曼(Boltzmann )分布函數(shù)、E-EF k0T (實(shí)際上是幾k0T )、f 0玻爾茲曼分布函數(shù)、一般半導(dǎo)體材料
10、的禁帶寬度是k0T 在E-Efk0T的條件下,量子態(tài)在電子中所占的概率很小,泡利原理不起作用,Bolzman統(tǒng)一校正律和費(fèi)米統(tǒng)一校正律相同。 半導(dǎo)體中,EF位于禁帶內(nèi),而且傳導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂?shù)木嚯x遠(yuǎn)大于k0T,因此,傳導(dǎo)帶中的電子分布可以用電子的boltzmann統(tǒng)一規(guī)則描繪。 簡并(統(tǒng)訂簡并):將遵循費(fèi)米統(tǒng)訂率的電子系統(tǒng)稱為簡并性系統(tǒng)。 EF,Ec,Ev,41,載流子濃度,電子濃度:每單位體積的傳導(dǎo)帶中的電子數(shù)(單位:1/cm3),電子:空穴:電子濃度,其中,本(2)空穴占受主能級的概率,gD,gA為施主/受主能級的基態(tài)合并狀態(tài),簡并因子gA=4,費(fèi)米分布,3.4雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度, 假定只有一種施主雜質(zhì),則施主能級上的電子濃度nD即受主能級上的空穴濃度(未電離的受主濃度)、電離的
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