第一章半導體物理基礎(一)

半導體器件物理

semiconductordevicephysics第1部分半導體物理2第

1

章半導物理基礎1.1半導體的晶體結構和缺陷1.2半導體中的能帶與雜質能級1.3半導體中的平衡與非平衡載流子1.4半導體中載流子的輸運現象1.5半導體的表面3半導體材料的晶格結構電子和空穴的概念半導體的電性能和導電機理載流子的漂移運動和擴散運動非平衡載流子的產生和復合

●

——本章重點4物質按照導電能力分為：導體絕緣體半導體

1.導體：電阻率

<10-3

·

cm的物質。如銅、銀、鋁等金屬材料。

2.絕緣體：電阻率

>109·

cm物質。如橡膠、塑料等。

3.半導體：導電性能介于導體和絕緣體之間的物質。電阻率10-3<

<109

·

cm。大多數半導體器件所用的主要材料是硅(Si)和鍺(Ge)。半導體的重要特性？？？5半導體的電性能溫度與半導體金屬電阻率的溫度系數是正的（即電阻率隨溫度升高而增加，且增加得很慢）；半導體的電導率隨溫度升高而迅速增加。半導體材料電阻率的溫度系數都是負的（即溫度升高電阻率減小，電導率增加，且增加得很快）。對溫度敏感，體積又小，熱慣性也小，壽命又長，因此在無線電技術、遠距離控制與測量、自動化等許多方面都有廣泛的應用價值。熱敏電阻6雜質與半導體雜質對半導體材料導電能力的影響非常大。例如，純凈硅在室溫下的電阻率為2.14×107Ω·m，若摻入百分之一的雜質（如磷原子），其電阻就會降至20Ω·m。雖然此時硅的純度仍舊很高，但電阻率卻降至原來的一百萬分之一左右，絕大多數半導體器件都利用了半導體的這一特性。7光照與半導體光照對半導體材料的導電能力也有很大的影響。例如，硫化鎘（CdS）薄膜的暗電阻為幾十兆歐，然而受光照后，電阻降為幾十千歐，阻值在受光照以后改變了幾百倍。成為自動化控制中的一個重要元件。光敏電阻8其他因素與半導體除溫度、雜質、光照外，電場、磁場及其他外界因素（如外應力）的作用也會影響半導體材料的導電能力。9半導體的重要特性溫度升高使半導體導電能力增強，電導率下降雜質可以顯著增強半導體的導電能力適當波長的光照可以增強半導體的導電能力10晶體自然界中存在的固體材料，按其結構形式不同，可以分為晶體（如石英、金剛石、硫酸銅等）和非晶體（玻璃、松香、瀝青等）。晶體又分為單晶和多晶1.1半導體的結構和缺陷

1.1.1半導體的晶格結構1112單晶體：由原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性地重復排列構成的固體物質。多晶體：小區(qū)域內原子周期性排列，整體不規(guī)則非晶體：原子排列無序13五種常見的晶格結構

●簡單立方結構

●體心立方結構

●面心立方結構

●金剛石結構

●閃鋅礦結構釙(Po)晶格常數14晶體的原子按一定規(guī)律在空間周期性排列，形成格點，成為晶格。體心立方結構鈉（Na）鉬（Mo）鎢（W）15面心立方結構鋁（Al）銅（Cu）金（Au）銀（Ag）16金剛石結構硅（Si）鍺（Ge）

由兩個面心立方結構沿空間對角線錯開四分之一的空間對角線長度相互嵌套而成。17大量的硅（Si）、鍺（Ge）原子靠共價鍵結合組合成晶體，每個原子周圍都有四個最鄰近的原子，組成正四面體結構，。這四個原子分別處在正四面體的四個頂角上，任一頂角上的原子各貢獻一個價電子和中心原子的四個價電子分別組成電子對，作為兩個原子所共有的價電子對。

18閃鋅礦結構砷化鎵（GaAs）磷化鎵(GaP)硫化鋅(ZnS)硫化鎘(CdS)

191.1.2晶體的晶向與晶面晶格：晶體中周期性的重復單元格點：組成晶體的原子的重心位置晶軸：以某一格點為原點，取三個相互垂直的坐標軸20晶列：通過任意兩格點所作的直線（晶列上有一系列格點）

特征：同一格點可引出無限晶列；平行晶列構成族。晶向：在坐標系中晶列的方向（確定晶向的方法待定）；用晶列指數表示，如[110]。晶面：通過晶體中三個不在同一晶軸上的三個質點所作的平面。晶面用晶面指數（密勒指數）表示，如（111），（100）……特征：平行晶面格點分布相同，稱同一族晶面1.1.2晶體的晶向與晶面21a、晶列的表征-晶列指數

三個軸上互質整數表示。一列用[abc]表示，如：[100]

[110]

[111]

一族用<abc>表示，如：<100>

<110>

<111>

b、晶面的表征-晶面指數（密勒指數）

三個軸上截距倒數的互質整數表示。某晶面用(abc)表示，如：(100)

(110)

(111)

一族用{abc}表示，如：{100}{110}{111}

晶列與晶面表征22晶向指數是這樣得到的：（1）確定某平面在直角坐標系三個軸上的截點，并以晶格常數為單位測得相應的截距；（2）將三個截距其化簡成最簡單的整數比；（3）將此結果以“[hkl]”表示，即為此平面的密勒指數。23一個簡單的晶體結構242526密勒指數是這樣得到的：（1）確定某平面在直角坐標系三個軸上的截點，并以晶格常數為單位測得相應的截距；（2）取截距的倒數，然后約簡為三個沒有公約數的整數，即將其化簡成最簡單的整數比；（3）將此結果以“（hkl）”表示，即為此平面的密勒指數。27如圖，晶面ACC’A’在坐標軸上的截距為1，1，∞，其倒數為1，1，0，此平面用密勒指數表示為（110），相同指數的晶面和晶列互相垂直。28例29單個原子的電子電子1.能級

電子繞原子核是按層分布的，每層電子的能量是固定的。我們把電子所具有的能量用線條表示出來，標志電子能量高低的線條就叫能級。

電子受到原子核和其他電子的共同作用。-E1E2E3原子核能級1.2半導體中的能帶和雜質能級30+

原子的能級（電子殼層）++2.能級特點越是外層，電子的能量越高31晶體中的電子當原子間距很小時，原子間的電子軌道將相遇而交疊，晶體中每個原子的電子同時受到多個原子核和電子（包括這個原子的電子和其他原子的電子）作用。電子不僅可以圍繞自身原子核旋轉，而且可以轉到另一個原子周圍，即同一個電子可以被多個原子共有，電子不再完全局限在某一個原子上，可以由一個原子轉到相鄰原子，將可以在整個晶體中運動。32+++++++原子結合成晶體時晶體中電子的共有化運動++++33由于晶體中原子的周期性排列而使電子不再為單個原子所有的現象，稱為電子共有化。在晶體中，不但外層價電子的軌道有交疊，內層電子的軌道也可能有交疊，它們都會形成共有化運動；

內層電子的軌道交疊較少，共有化程度弱些，外層電子軌道交疊較多，共有化程度強些。1.2.1半導體中電子共有化運動與能帶34共有化的電子不像單個原子那樣具有一個固定的能量，即有一個固定的能級，而是具有若干分布在一定范圍內的能級，這些能級相互靠的很近，基本聯成一片。這些連成一片的能級，就叫能帶。35當原子之間距離逐步接近時，原子周圍電子的能級逐步轉變?yōu)槟軒?，下圖是能級向能帶演變的示意圖。能級能帶氫原子能級36●

禁帶●

滿帶●

空帶禁止電子存在的一系列能量狀態(tài)被電子填充滿的一系列準連續(xù)的能量狀態(tài)滿帶不導電沒有電子填充的一系列準連續(xù)的能量狀態(tài)空帶也不導電

能級數目n很大,近似看成是連續(xù)的●允帶

允許電子存在的一系列準連續(xù)的能量狀態(tài)37圖

一定溫度下半導體的能帶示意圖

●導帶底EC

●價帶頂EV●禁帶寬度Eg●本征激發(fā)

導帶電子的最低能量

價帶電子的最高能量

Eg=Ec-Ev

價帶電子激發(fā)成為導帶電子的過程。導帶和價帶之間的能級寬度，單位是能量單位：eV（電子伏特）38●導帶

●價帶

有電子能夠參與導電的能帶，但半導體材料價電子形成的高能級能帶通常稱為導帶。由價電子形成的能帶，但半導體材料價電子形成的低能級能帶通常稱為價帶。39導體、絕緣體、半導體的能帶示意圖

能帶被電子部分占滿，在電場作用下這些電子可以導電禁帶很寬，價帶電子常溫下不能被激發(fā)到空的導帶禁帶比較窄，常溫下，部分價帶電子被激發(fā)到空的導帶，形成有少數電子填充的導帶和留有少數空穴的價帶，都能帶電3~6eV硅1.12eV鍺0.67eV砷化鎵1.42eV40導帶和價帶重疊,中間無禁帶。價帶被電子部分填滿,電子可以在晶體中自由運動.因此即使在低溫下,也有大量電子參與導電,電阻率低,導電能力強.從能級圖上來看，是因為電子很易從低能級躍遷到高能級上去。導體導體參與導電的有幾種載流子?41導帶價帶間有一個禁帶(禁帶寬度窄),價帶填滿電子(所以絕對零度不導電).室溫下,有部分電子從價帶跳到導帶參與導電.導體參與導電的有幾種載流子?電流=導帶電子電流+價帶空穴電流之和半導體T↑,更多電子被激發(fā)到導帶,導電能力↑禁帶寬度的存在,被激發(fā)的電子少于導體中的自由電子,導電能力比導體差.導帶價帶間,禁帶寬度比較大,價帶被電子填滿,一般情況下,價帶電子從熱激發(fā)中得到的能量不足以使它跳到導帶上去,因此導帶電子極少,絕緣體不導電.絕緣體42●空穴

滿帶中因失去了電子而留下的空位稱為空穴。在半導體中，導帶的電子和價帶的空穴均參與導電，這與金屬導體導電有很大的區(qū)別。

43晶體中的電子除了受到外力作用外，還受到晶格原子和其他電子的作用，為了把這些作用等效為晶體中的電子質量，所以引入有效質量的概念。（當電子在外力作用下運動時，它一方面受到外電場力的作用，同時還和半導體內部原子、電子相互作用著，電子的加速度應該是半導體內部勢場和外電場作用的綜合效果。但是要找出內部勢場的具體形式并且求出加速度遇到一定的困難，引進有效質量后可使問題變得簡單，直接把外力和電子的加速度聯系起來，而內部勢場的作用則由有效質量加以概括。特別是有效質量可以直接由試驗測定，因而可以很方便地解決電子的運動規(guī)律。）1.2.2有效質量44本征激發(fā)：電子從價帶躍遷到導帶，形成導帶電子和價帶空穴本征激發(fā)的特征：

成對的產生導帶電子和價帶空穴

1.2.3本征半導體載流子參與導電的電子和空穴統稱為半導體的載流子。

本征半導體純凈的，不含任何雜質和缺陷的半導體451.2.4雜質半導體理想的半導體晶體

實際應用中的半導體材料

十分純凈不含任何雜質晶格中的原子嚴格按周期排列的

原子并不是靜止在具有嚴格周期性的晶格的格點位置上，而是在其平衡位置附近振動并不是純凈的，而是含有若干雜質，即在半導體晶格中存在著與組成半導體的元素不同的其他化學元素的原子晶格結構并不是完整無缺的，而存在著各種形式的缺陷46雜質的填充方式一）雜質原子位于晶格原子間的間隙位置，間隙式雜質；二）雜質原子取代晶格原子而位于晶格格點處，替位式雜質。

間隙式雜質替位式雜質雜質濃度單位體積中的雜質原子數，單位cm-3

47兩種雜質的特點間隙式雜質原子半徑一般比較小。替位式雜質原子的半徑與被取代的晶格原子的半徑大小比較相近，且它們的價電子殼層結構也比較相近。三/五族元素摻入硅和鍺中形成替位式雜質48施主雜質和施主能級硅中摻入磷（P）為例，研究Ⅴ族元素雜質的作用。當一個磷原子占據了硅原子的位置，如圖所示，磷原子有五個價電子，其中四個價電子與周圍的四個硅原子形成共價鍵，還剩余一個價電子。室溫下，很容易脫離磷原子束縛，成為自由電子。磷原子成一個帶有一個正電荷的磷離子（P+），稱為正電中心磷離子。其效果相當于形成了一個正電中心和一個多余的電子。

49Ⅴ族元素雜質在硅、鍺中電離時，能夠施放電子而產生導電電子并形成正電中心。施主釋放電子的過程稱為施主電離。施主雜質在未電離時是中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)，電離后成為正電中心，稱為離化態(tài)。

施主雜質/N型雜質電子型半導體/N型半導體純凈半導體中摻入施主雜質后，施主雜質電離，使導帶中的導電電子增多（電子密度大于空穴密度），增強了半導體的導電能力，成為主要依靠電子導電的半導體材料。50施主能級用離導帶底Ec為ΔED處的短線段表示，施主能級上的小黑點表示被施主雜質束縛的電子。箭頭表示被束縛的電子得到電離能后從施主能級躍遷到導帶成為導電電子的電離過程。導帶中的小黑點表示進入導帶中的電子，⊕表示施主雜質電離后帶正電，成為不可移動的正點中心。

電子得到能量ΔED后，就從施主的束縛態(tài)躍遷到導帶成為導電電子，被施主雜質束縛時的電子的能量比導帶底Ec低ΔED，稱為施主能級，用ED表示。由于ΔED遠小于禁帶寬度Eg，所以施主能級位于離導帶底很近的禁帶中。51受主雜質和受主能級硅中摻入硼（B）為例，研究Ⅲ族元素雜質的作用。當一個硼原子占據了硅原子的位置，如圖所示，硼原子有三個價電子，當它和周圍的四個硅原子形成共價鍵時，還缺少一個電子，必須從別處的硅原子中奪取一個價電子，于是在硅晶體的共價鍵中產生了一個空穴。硼原子成為一個帶有一個負電荷的硼離子（B-），稱為負電中心硼離子。其效果相當于形成了一個負電中心和一個多余的空穴。

52受主雜質/P型雜質空穴掙脫受主雜質束縛的過程稱為受主電離。受主雜質未電離時是中性的，稱為束縛態(tài)或中性態(tài)。

空穴型半導體/P型半導體純凈半導體中摻入受主雜質后，受主雜質電離，使價帶中的導電空穴增多（空穴密度大于電子密度），增強了半導體的導電能力，成為主要依靠空穴導電的半導體材料。53受主能級用離價帶頂EV為ΔEA處的短線段表示，受主能級上的小圓圈表示被施主雜質束縛的空穴。箭頭表示被束縛的空穴得到電離能后從受主能級躍遷到價帶成為導電空穴（即價帶頂的電子躍遷到受主能級上填充空位）的電離過程。價帶中的小圓圈表示進入價帶中的空穴，Θ表示受主雜質電離后帶負電，成為不可移動的負點中心。

空穴得到能量ΔEA后，就從受主的束縛態(tài)躍遷到價帶成為導電空穴，被受主雜質束縛時的空穴的能量比價帶頂EV低ΔEA，稱為受主能級，用EA表示。由于ΔEA遠小于禁帶寬度Eg，所以受主能級位于價帶頂很近的禁帶中。54綜上所述摻入半導體，分別成為受主雜質施主雜質在禁帶中引入了新的能級，分別為施主能級：比導帶底低ΔED受主能級：比價帶頂高ΔEA

常溫下，雜質都處于離化態(tài)施主雜質向導帶提供電子而成為正電中心受主雜質向價帶提供空穴而成為負電中心分別成為N型半導體P型半導體55施主donor受主acceptor56雜質的補償作用

問題假如在半導體材料中，同時存在著施主和受主雜質，該如何判斷半導體究竟是N型還是P型？答應該比較兩者濃度的大小，由濃度大的雜質來決定半導體的導電類型施主和受主雜質之間有相互抵消的作用

57ND

施主雜質濃度NA

受主雜質濃度n

導帶中的電子濃度p

價帶中的空穴濃度假設施主和受主雜質全部電離時，分情況討論雜質的補償作用。

58當ND?NA時，因為受主能級低于施主能級，所以施主雜質的電子首先躍遷到受主能級上，填滿NA個受主能級，還剩（ND-NA）個電子在施主能級上，在雜質全部電離的條件下，它們躍遷到導帶中成為導電電子，這時，n=ND-NA≈ND，半導體是N型的

情況一59情況二當NA?ND時，施主能級上的全部電子躍遷到受主能級上后，受主能級還有(NA-ND)個空穴，它們可以躍遷到價帶成為導電空穴，所以，p=NA-ND≈NA，半導體是P型的

60有效雜質濃度經過補償之后，半導體中的凈雜質濃度

當ND>NA時，則（ND-NA）為有效施主濃度；當NA>ND時，則（NA-ND）為有效受主濃度。

61淺能級很靠近導帶底的施主能級、很靠近價帶頂的受主能級。稱為深能級，相應的雜質稱為深能級雜質；深能級施主能級距離導帶底較遠，產生的受主能級距離價頂也較遠。稱為深能級，相應的雜質稱為深能級雜質；62費米分布函數：

能量為E的一個量子態(tài)被一個電子占據的幾率E電子能量

k0

玻耳茲曼常數

T熱力學溫度EF

費米能級常數，大多數情況下，它的數值在半導體能帶的禁帶范圍內，和溫度、半導體材料的導電類型、雜質的含量以及能量零點的選取有關。只要知道了EF的數值，在一定溫度下，電子在各量子態(tài)上的統計分布就完全確定了。

1.3半導體中的平衡與非平衡載流子1.3.1導帶電子濃度與價帶空穴濃度63玻耳茲曼分布函數當E-EF>>kT64非簡并半導體：服從玻耳茲曼統計分布規(guī)律的半導體簡并半導體：服從費米統計分布規(guī)律的半導體65導帶電子濃度

導帶的有效能級密度

非簡并半導體的載流子濃度式（1-37）式（1-38）66價帶空穴濃度（同理）

價帶的有效能級密度

67在一定溫度下，載流子產生和復合的過程建立起動態(tài)平衡，即單位時間內產生的電子-空穴對數等于復合掉的電子-空穴對數，稱為熱平衡狀態(tài)。這時，半導體中的導電電子濃度和空穴濃度都保持一個穩(wěn)定的數值。處于熱平衡狀態(tài)下的導電電子和空穴稱為熱平衡載流子。

熱平衡狀態(tài)681.3.2本征半導體的載流子濃度

當半導體的溫度大于絕對零度時，就有電子從價帶激發(fā)到導帶去，同時價帶中產生空穴，這就是本征激發(fā)。由于電子和空穴成對出現，導帶中的電子濃度應等于價帶中的空穴濃度

n0=p0

式（1-42）本征半導體的費米能級EF，并用符號Ei表示，稱為本征費米能級式（1-44）69在一定溫度下，任何非簡并半導體（電子或空穴的濃度分別遠低于導帶或價帶的有效能級密度）的熱平衡載流子濃度的乘積n0p0等于該溫度下的本征半導體載流子濃度ni的平方，與所含雜質無關。

式（1-45）不僅適用于本征半導體，而且也適用于非簡并的雜質半導體材料。

n0p0=ni2

式（1-45）70表1-1300K下鍺、硅、砷化鎵的本征載流子濃度71電子占據施主能級ED的幾率：施主能級的電子濃度：電離的施主能級雜質濃度：式（1-46）式（1-47）式（1-48）721.3.3雜質半導體的載流子濃度一般來說，在室溫下所有的雜質都已電離，一個雜質原子可以提供一個載流子；假設摻入半導體中的雜質濃度遠大于本征激發(fā)的載流子濃度。N型半導體

P型半導體

(ND為施主雜質濃度)

(NA為受主雜質濃度)

N型半導體中，電子為多數載流子（簡稱多子），空穴為少數載流子（簡稱少子）；P型半導體中，空穴為多數載流子，電子為少數載流子。73n0p0=ni2

由式（1-45），可以確定少數載流子的濃度N型半導體

P型半導體

由于ND（或NA）遠大于ni，因此在雜質半導體中少數載流子比本征半導體的載流子濃度ni小得多。74當一塊半導體中同時摻入P型雜質和N型雜質時，考慮室溫下，雜質全部電離，以及雜質的補償作用，載流子濃度為|ND-NA|

。多子濃度計算少子濃度計算N型半導體

P型半導體

75例如在一定溫度下，當沒有光照時，一塊半導體中的電子和空穴濃度分別為n0和p0，假設是N型半導體，則n0>p0，當用適當波長的光照射該半導體時，只要光子的能量大于該半導體的禁帶寬度，那么光子就能