材料物理導(dǎo)電物理課件

材料物理2/6/202313.1導(dǎo)電性和能帶理論1單質(zhì)的導(dǎo)電性金屬能三維導(dǎo)電，是電的良導(dǎo)體；許多非金屬單質(zhì)不能導(dǎo)電，是絕緣體；介于導(dǎo)體與絕緣體之間的是半導(dǎo)體，例如Si、Ge等。思考：單質(zhì)中最好的導(dǎo)體是什么？Ag、Cu、Au、Al等是最好的導(dǎo)電材料。金屬的純度以及溫度等因素對金屬的導(dǎo)電性能影響相當(dāng)重要。第三章電導(dǎo)物理2/6/202321單質(zhì)的電導(dǎo)率

表單質(zhì)的電導(dǎo)率(MS·m-1)2/6/20233能量最低原理：電子優(yōu)先占用能量最低的軌道，填滿低能量軌道后，再填其余能量最低的軌道。保里不相容原理：在同一個原子內(nèi)不可能出現(xiàn)四個量子數(shù)完全一樣的電子?；蚓湓捳f，每個軌道最多只能填兩個電子而且自旋方向必須相反。洪特規(guī)則：電子在能量相同的簡并軌道上填充時，盡量分占不同的軌道，且自旋方向相同。此狀態(tài)能量很低，有時甚至舍低能量軌道而就洪特規(guī)則。核外電子排布三原則2/6/202353.2固體能帶理論一.電子共有化晶體具有大量分子、原子或離子有規(guī)則排列的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。電子受到周期性勢場的作用。a按量子力學(xué)須解定態(tài)薛定格方程。2/6/20236原子核電子高能級低能級孤立原子的能級

圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子能量不能任意取值，只能取特定的離散值(離散軌道)，這種現(xiàn)象稱為電子能量的量子化。電子優(yōu)先搶占低能級2/6/20237二.能帶(energyband)

量子力學(xué)計算表明，晶體中若有N個原子，由于各原子間的相互作用，對應(yīng)于原來孤立原子的每一個能級，在晶體中變成了N條靠得很近的能級，稱為能帶。2/6/20239能帶的寬度記作E，數(shù)量級為E～eV。

若N~1023,則能帶中兩能級的間距約10-23eV。一般規(guī)律：1.越是外層電子，能帶越寬，E越大。2.點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，E越大。3.兩個能帶有可能重疊。2/6/202310離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖2/6/202311軌道角度分布圖2/6/202313

電子排布時，應(yīng)從最低的能級排起。

有關(guān)能帶被占據(jù)情況的幾個名詞：

1．滿帶（排滿電子）

2．價帶（能帶中一部分能級排滿電子）

亦稱導(dǎo)帶

3．空帶（未排電子）亦稱導(dǎo)帶

4．禁帶（不能排電子）2ｐ、3ｐ能帶，最多容納6N個電子。例如，1ｓ、2ｓ能帶，最多容納2N個電子。2N(2l+1)2/6/202314如，Na的3s1形成3s能帶：(σ*3s)(σ3s)能量較低的σ3s能帶充滿電子，稱滿帶；σ*3s能帶沒有電子，為空帶，又稱導(dǎo)帶,在滿帶和導(dǎo)帶之間有禁帶。2/6/202315在半導(dǎo)體中，滿帶中一個電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，則導(dǎo)帶中有一個負(fù)電荷（電子），滿帶中有一個正電荷（空穴）。在電場中：

電子→正極；空穴→負(fù)極這就是半導(dǎo)體導(dǎo)電。2/6/202317離子間距a2P2S1SE0能帶重疊示意圖2/6/202318它們的導(dǎo)電性能不同，是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為導(dǎo)體半導(dǎo)體絕緣體2/6/202319滿帶：各個能級都被電子填滿的能帶禁帶：兩個能帶之間的區(qū)域——其寬度直接決定導(dǎo)電性能帶的分類空帶：所有能級都沒有電子填充的能帶價帶：由最外層價電子能級分裂后形成的能帶(一般被占滿)未被電子占滿的價帶稱為導(dǎo)帶禁帶的寬度稱為帶隙2/6/202321導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體導(dǎo)體：(導(dǎo))價帶電子絕緣體：無價帶電子禁帶太寬半導(dǎo)體：價帶充滿電子禁帶較窄外界能量激勵滿帶電子激勵成為導(dǎo)帶電子2/6/202322在外電場的作用下，大量共有化電子很易獲得能量，集體定向流動形成電流。從能級圖上來看，是因?yàn)槠涔灿谢娮雍苋菀讖牡湍芗壾S遷到高能級上去。E導(dǎo)體：在外電場的作用下，共有化電子很難接受外電場的能量，所以形不成電流。絕緣體:2/6/202323能帶理論的應(yīng)用金屬晶體中存在這種未滿的能帶是金屬能導(dǎo)電的根本原因。絕緣體的特征是價電子所處的能帶都是滿帶，且滿帶與相鄰的空帶之間存在一個較寬的禁帶。半導(dǎo)體的能帶與絕緣體的相似，但半導(dǎo)體的禁帶要狹窄得多。2/6/202325空能級電子占用能級a導(dǎo)體

空帶禁帶滿帶b半導(dǎo)體空帶禁帶滿帶c絕緣體圖導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶模型示意圖滿帶空帶2/6/202326電子或空隙的濃度為:其中為材料的特征常數(shù)kB

為玻耳茲曼常數(shù)me電子的有效質(zhì)量mh空穴的有效質(zhì)量本征載流子濃度例：在300K時，GaAs的電子靜止質(zhì)量為m=9.11×10-31kg，

me=0.068m=6.19×10-32kg

mh=0.56m=5.1×10-31kg

Eg=1.42eV可根據(jù)上式得到本征載流子濃度為2.62×1012m-32/6/202329非本征半導(dǎo)體材料：n型第V族元素(如磷P,砷As,銻Sb)摻入Si晶體后，產(chǎn)生的多余電子受到的束縛很弱，只要很少的能量DED(0.04~0.05eV)就能讓它掙脫束縛成為自由電子。這個電離過程稱為雜質(zhì)電離。AsAs+施主雜質(zhì)2/6/202330施主能級電子能量電子濃度分布空穴濃度分布施主雜質(zhì)電離使導(dǎo)帶電子濃度增加施主能級被施主雜質(zhì)束縛住的多余電子所處的能級稱為施主能級。由于施主能級上的電子吸收少量的能量DED后可以躍遷到導(dǎo)帶，因此施主能級位于離導(dǎo)帶很近的禁帶。2/6/202331非本征半導(dǎo)體材料：p型第III族元素(如銦In,鎵Ga,鋁Al)摻入Si晶體后，產(chǎn)生多余的空穴，它們只受到微弱的束縛，只需要很少的能量DEA<Eg

就可以讓多余孔穴自由導(dǎo)電。BBˉ受主雜質(zhì)2/6/202332電子濃度分布空穴濃度分布受主能級電離使導(dǎo)帶空穴濃度增加受主能級被受主雜質(zhì)束縛的空穴所處的能級稱為受主能級EA。當(dāng)空穴獲得較小的能量DEA之后就能擺脫束縛，反向躍遷到價帶成為導(dǎo)電空穴。因此，受主能級位于靠近價帶EV的禁帶中。電子能量2/6/202333在熱平衡的條件下，對于(非)本征半導(dǎo)體，兩種載流子的乘積總等于一個常數(shù)：濃度作用定律本征材料：電子和空穴總是成對出現(xiàn)非本征材料：一種載流子的增加伴隨著另一種載流子的減少多數(shù)載流子：n型半導(dǎo)體中的電子或者p型半導(dǎo)體中的空穴少數(shù)載流子：n型半導(dǎo)體中的空穴或者p型半導(dǎo)體中的電子2/6/202334pn結(jié)U電勢2.內(nèi)建電場的驅(qū)動導(dǎo)致載流子做反向漂移運(yùn)動n型p型n型p型耗盡層1.濃度的差別導(dǎo)致載流子的擴(kuò)散運(yùn)動pn2/6/202335反向偏壓使耗盡區(qū)加寬擴(kuò)散運(yùn)動被抑制，只存在少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動Un型p型耗盡層耗盡層pn2/6/202336正向偏壓使耗盡區(qū)變窄擴(kuò)散>漂移Un型p型耗盡層耗盡層pn2/6/202337少子飄移補(bǔ)充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴(kuò)散又失去多子，耗盡層寬，E內(nèi)電場E多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層動態(tài)平衡：擴(kuò)散電流＝漂移電流總電流＝0勢壘UO硅0.5V鍺0.1V2/6/2023382.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。

外電場削弱內(nèi)電場→耗盡層變窄→擴(kuò)散運(yùn)動＞漂移運(yùn)動→多子擴(kuò)散形成正向電流IF正向電流

2/6/202339(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。

外電場加強(qiáng)內(nèi)電場→耗盡層變寬→漂移運(yùn)動＞擴(kuò)散運(yùn)動→少子漂移形成反向電流IRPN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。

2/6/202340PN結(jié)加正向電壓時，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；

PN結(jié)加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/6/2023413.PN結(jié)的伏安特性曲線及表達(dá)式

根據(jù)理論推導(dǎo)，PN結(jié)的伏安特性曲線如圖正偏I(xiàn)F（多子擴(kuò)散）IR（少子漂移）反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿熱擊穿——燒壞PN結(jié)電擊穿——可逆2/6/2023423.p-n結(jié)能帶圖及載流子的分布（1）p-n結(jié)能帶圖EC

EfnEVEC

EfpEV------EF－－－－－－－－－－qVDqVDx空間電荷區(qū)2/6/202343空間電荷區(qū)內(nèi)電勢由np區(qū)不斷下降，空間電荷區(qū)內(nèi)電勢能由np區(qū)不斷升高，p區(qū)能帶相對向上移，n區(qū)能帶向下移，至費(fèi)米能級相等，n-p結(jié)達(dá)平衡狀態(tài)，沒有凈電流通過。勢壘高度：qVD=EFn—EFpxV(x)VD-xpxnx－－－－－－－－－－qVDqVDxqV(x)0xn-xp2/6/202344多數(shù)載流子：n型半導(dǎo)體中的電子和p型半導(dǎo)體中的空穴.少數(shù)載流子：p型半導(dǎo)體中的電子和n型半導(dǎo)體中的空穴.空間電荷區(qū)：電離施主和電離受主所帶電荷存在的區(qū)域。表面空間電荷層：表面與內(nèi)層產(chǎn)生電子授受關(guān)系，在表面附近形成表面空間電荷層。電子耗盡層：空間電荷層中多數(shù)載流子濃度比內(nèi)部少。電子積累層：空間電荷層少數(shù)載流子濃度比內(nèi)部少。反型層：空間電荷層中少數(shù)載流子成為多數(shù)載流子。2/6/2023454半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管，也叫晶體三極管。由于工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運(yùn)行，因此，還被稱為雙極型晶體管（BipolarJunctionTransistor,簡稱BJT）。BJT是由兩個PN結(jié)組成的。2/6/2023BJT的結(jié)構(gòu)NPN型PNP型符號:三極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):（1）發(fā)射區(qū)的摻雜濃度＞＞集電區(qū)摻雜濃度。（2）基區(qū)要制造得很薄且濃度很低。--NNP發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極--PPN發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)集電結(jié)ecb發(fā)射極集電極基極2/6/2023472.氧化物中缺陷能級雜質(zhì)缺陷不同于被取代離子價態(tài)的雜質(zhì)組分缺陷引起非計量配比的化合物：還原氣氛引起氧空位；陽離子空位；間隙離子。2/6/202348（1）價控半導(dǎo)體陶瓷雜質(zhì)能級的形成例如：BaTiO3的半導(dǎo)化通過添加微量的稀土元素，在其禁帶間形成雜質(zhì)能級，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化。添加La的BaTiO3原料在空氣中燒成,用不同于晶格離子價態(tài)的雜質(zhì)取代晶格離子，形成局部能級，使絕緣體實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)化而成為導(dǎo)電陶瓷。雜質(zhì)離子應(yīng)具有和被取代離子幾乎相同的尺寸；雜質(zhì)離子本身有固定的價態(tài)。1）價控半導(dǎo)體陶瓷：2）雜質(zhì)離子需滿足的條件2/6/202349反應(yīng)式如下:Ba2+Ti4+O2-3+xLa3+=Ba2+1-xLa3+x(Ti4+1-xTi3+x)O2-3+xBa2+缺陷反應(yīng)：La2O3=LaBa·

+2e′+2Oo×+O21/2(g)添加Nb實(shí)現(xiàn)BaTiO3的半導(dǎo)化，反應(yīng)式如下：Ba2+Ti4+O2-3+yNb5+=Ba2+[Nb5+y(Ti4+1-2yTi3+y)]O2-3+yBa2+缺陷反應(yīng)：Nb2O5=2LaTi·

+2e′+4Oo×+O21/2(g)氧化鎳中加入氧化鋰，空氣中燒結(jié)，反應(yīng)式如下：X/2Li2O+(1-x)NiO+x/4O2=(Li+xNi2+1-2xNi2+x)O2-

缺陷反應(yīng)：Li2O+O21/2(g)=2LiNi′

+2h

·

+2Oo×2/6/202350————————---EgEcEvEAEA-價電子2LiNi′2h

·3）雜質(zhì)能帶————————+++EgEcEvEDED+LaBa·弱束縛電子和自由電子2/6/202351化學(xué)計量配比的化合物分子式：MO有陽離子空位的氧化物分子式：M1-xO形成非化學(xué)計量配比的化合物的原因：由溫度和氣氛引起。平衡狀態(tài)，缺陷反應(yīng)如下：O21/2(g)=VM×+2Oo×

VM×

=VM′

+

h

·

VM′

=VM′′

+

h

·出現(xiàn)此類缺陷的陽離子往往具有正二價和正三價。（2）組分缺陷1）陽離子空位及缺陷能級2/6/202352陽離子空位形成的缺陷能級受主能級———VM×

———VM′VM′′

2/6/202353化學(xué)計量配比的化合物分子式：MO2有氧空位的氧化物的分子式：MO2-x形成非化學(xué)計量配比的化合物的原因：由溫度和氣氛引起。平衡狀態(tài)，反應(yīng)如下：Ti4+

O2=x/2O2(g)+Ti4+1-2xTi3+2xO2-2-x?x缺陷反應(yīng)：2Oo=

Vo··

+2e′+O1/2(g)出現(xiàn)此類缺陷的陽離子往往具有較高的化學(xué)價。2）陰離子空位及缺陷能級2/6/202354氧離子空位形成的缺陷能級———Vo·———Vo×

______Vo··施主能級2/6/202355化學(xué)計量配比的化合物分子式：MO有間隙離子的分子式：M1+xO形成非化學(xué)計量配比的化合物的原因：由氣氛引起。平衡狀態(tài)，缺陷反應(yīng)：ZnO=Zni×+/2O2(g)Zni×=Zni·+e′Zni·

=Zni··+e′出現(xiàn)此類缺陷的陽離子往往具有較低的化學(xué)價。3）間隙離子缺陷2/6/202356———Mi×

———Mi·形成氧離子空位的缺陷能級施主能級______Mi··2/6/2023575.金屬與半導(dǎo)體的接觸（1）金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)Eo(EF)mWm金屬中的電子勢井Eo表示真空中靜止電子能量。金屬功函數(shù)定義：Wm=Eo-(EF)m該式表示一個起始能量等于費(fèi)米能級的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小能量。其大小表示電子在金屬中束縛的強(qiáng)弱，并與表面狀態(tài)有關(guān)。銫的功函數(shù)最低，1.93eV，鉑的最高5.36eV.2/6/202358半導(dǎo)體的功函數(shù)：為電子的親和能，它表示要使半導(dǎo)體導(dǎo)帶底部的電子逸出體外所需要的最小能量。半導(dǎo)體的功函數(shù)：Ws=Eo-(EF)s=s+En式中En=Ec-(EF)s

表示導(dǎo)帶底部和費(fèi)米能級的能量差。(EF)sEvEcsWsEnEo2/6/202359（2）整流接觸SWmWSEFEFnmEo

Wm>

Ws2/6/202360n半導(dǎo)體EF－－－－金屬耗盡層Wm-SWm-WS=eVDEn=形成正的空間電荷區(qū)，，其電場的方向由體內(nèi)指向表面，形成表面勢壘，其內(nèi)的電子濃度比體內(nèi)小的多，稱為高阻層。2/6/202361Wm<WsS-WmWS-WmEfnEn=反阻擋層或積累層2/6/202362(3)歐姆接觸也稱為非整流接觸。定義：它不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的改變。從電學(xué)上講，理想歐姆接觸的接觸電阻與半導(dǎo)體樣品或器件相比應(yīng)當(dāng)很小，當(dāng)有電流通過時，歐姆接觸上的電壓降應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)小于樣品或器件本身的壓降，這種接觸不影響器件的電流-電壓特性。重要性：在超高頻和大功率器件中，歐姆接觸時設(shè)計和制造中的關(guān)鍵問題之一。實(shí)現(xiàn)的辦法：對于Si、Ge、GaAs等重要的半導(dǎo)體材料，一般表面態(tài)密度很高。勢壘的形成與金屬的功函數(shù)關(guān)系不大，不能通用選擇金屬材料的辦法來獲得歐姆接觸。目前，在實(shí)際生產(chǎn)中，主要利用隧道效應(yīng)的原理來實(shí)現(xiàn)。2/6/202363重?fù)诫s的p-n結(jié)可以產(chǎn)生顯著的隧道電流。金屬與半導(dǎo)體接觸時，如果半導(dǎo)體摻雜濃度很高，則勢壘區(qū)寬度變薄。隧道電流甚至超過了熱電子發(fā)射電流。使接觸電阻很小。2/6/2023645.5.3半導(dǎo)體陶瓷的物理效應(yīng)1.晶界效應(yīng)2.表面效應(yīng)3.西貝克效應(yīng)表面能級2/6/202365表面能級及表面能帶結(jié)構(gòu)表面能級：由于晶格的不完整性使勢場周期性破壞，在禁帶中產(chǎn)生附加能級，同理：晶體自由表面的存在使其周期場在表面處發(fā)生中斷，在表面引起附加能級，因其在表面產(chǎn)生，稱為表面能級。引起表面能級的因素：斷鍵吸附其他分子或原子晶格缺陷(如添加的雜質(zhì)以固溶的形式出現(xiàn)在距晶界面約20埃的地方，即偏析）。例如Bi固溶在ZnO的顆粒表面。2/6/202366Mn+On-pn陶瓷材料晶粒由表面斷鍵形成的表面能帶結(jié)構(gòu)

(b)p型半導(dǎo)體陶瓷的表面勢

(c)n型半導(dǎo)體陶瓷的表面勢表面空間電荷層及表面電勢2/6/202367表面空間電荷層：在金屬中，自由電子密度很高，表面電荷基本上分布在一個原子層厚度范圍內(nèi)，與金屬相比，由于半導(dǎo)體載流子密度要低的多，電荷必須分布在一定厚度的表面層內(nèi)，這個帶電的表面層為表面空間電荷層。表面電勢：表面空間電荷層兩端的電勢差。表面電勢的正負(fù)規(guī)定：表面電勢比內(nèi)部高時，其值取正，反之取負(fù)。2/6/202368表面勢為負(fù)值時，表面處能帶向上彎曲，在熱平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體內(nèi)費(fèi)米能級為一定值，隨著向表面接近，價帶頂將逐漸移近甚至超過費(fèi)米能級，同時，價帶中的空穴濃度也隨之增加，結(jié)果表面層內(nèi)出現(xiàn)空穴的堆積而帶正電。表面空間電荷層的三種狀態(tài)（主要討論p型半導(dǎo)體）1）多數(shù)載流子堆積狀態(tài)－－－－－－－EFp2/6/202369當(dāng)表面勢為正值時，表面處能帶向下彎曲，越接近表面，費(fèi)米能級離價帶頂越遠(yuǎn)，價帶頂空穴濃度隨之降低，在靠近表面的一定區(qū)域內(nèi)，價帶頂比費(fèi)米能級低的多，根據(jù)波爾茲曼分布，表面處空穴濃度將比體內(nèi)濃度低的多。2）多數(shù)載流子耗盡狀態(tài)－－－－－－－p2/6/202370在2）的基礎(chǔ)上，表面處能帶進(jìn)一步向下彎曲，越接近表面，表面處費(fèi)米能級可能高于禁帶中央能量，即，費(fèi)米能級離導(dǎo)帶底比離價帶頂更近一些，表面電子濃度超過空穴濃度，形成了與原來半導(dǎo)體導(dǎo)電類型相反的一層。3）少數(shù)載流子反型狀態(tài)－－－－－－－-----2/6/202371壓敏效應(yīng)：對電壓變化敏感的非線性電阻效應(yīng)。即在某一臨界電壓以下，電阻值非常高，可以認(rèn)