哈工大自用固體物理課件第六章半導(dǎo)體

第六章半導(dǎo)體

Semiconductor6.0引言半導(dǎo)體載流子的有效質(zhì)量雜質(zhì)半導(dǎo)體熱平衡載流子分布半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體界面特性主要內(nèi)容學(xué)習(xí)提示以下問(wèn)題是難點(diǎn)，須認(rèn)真學(xué)習(xí)和體會(huì)有效質(zhì)量的物理意義半導(dǎo)體的化學(xué)勢(shì)－費(fèi)米能級(jí)雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)及導(dǎo)電性的影響半導(dǎo)體接觸－如，p-n結(jié)6.1典型的半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)金剛石立方，如：Si，Ge閃鋅礦，如：GaAs一、典型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)6.1典型的半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)Si的能帶結(jié)構(gòu)K

LXijk面心立方晶體第一布里淵區(qū)面心立方晶體第一布里淵區(qū)和能帶的簡(jiǎn)約圖示

直接帶隙半導(dǎo)體6.1典型的半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)二、理想半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)EkEC導(dǎo)帶底EV價(jià)帶頂Eg簡(jiǎn)單圖示EgECEV間接帶隙半導(dǎo)體E0kEg為了定性分析問(wèn)題的簡(jiǎn)單性，常常將價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底用拋物線近似6.2電子在外場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)經(jīng)典近似－有效質(zhì)量一、基本假定Bloch電子可以視為動(dòng)量為的準(zhǔn)粒子，其電量為e，費(fèi)米子2.Bloch電子在外場(chǎng)的作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用牛頓定律描述：二、一維情況下的有效質(zhì)量電子的有效質(zhì)量是能帶形狀的函數(shù)晶體中電子是不能任意被加速的6.2電子的有效質(zhì)量電子有效質(zhì)量是能帶形狀的函數(shù)：電子是外場(chǎng)和晶體場(chǎng)共同作用的結(jié)果三、三維情況下的有效質(zhì)量6.2電子在外場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)經(jīng)典近似－有效質(zhì)量由牛頓定律得到電子的有效質(zhì)量為—這是一個(gè)二階張量三、三維情況下的有效質(zhì)量6.2電子在外場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)經(jīng)典近似－有效質(zhì)量以一維情況為例：價(jià)帶頂附近的有效質(zhì)量量為負(fù)導(dǎo)帶底附近的有效質(zhì)量為正6.2電子的有效質(zhì)量為了克服價(jià)帶頂電子有效質(zhì)量負(fù)值的困難，引入價(jià)帶頂空穴的概念與移動(dòng)的價(jià)帶頂附近電子相對(duì)應(yīng)的空穴具有：與之符號(hào)相反的有效質(zhì)量與之符號(hào)相反的電荷－有效質(zhì)量四、空穴概念的引入6.2電子的有效質(zhì)量－有效質(zhì)量四、空穴概念的引入半導(dǎo)體中兩類載流子在外電場(chǎng)作用下形成電流的示意圖電場(chǎng)方向，eeJevehJhvh導(dǎo)帶底附近的電子價(jià)帶頂附近的空穴6.3半導(dǎo)體的摻雜對(duì)Si進(jìn)行P摻雜：五價(jià)P提供的多余電子狀態(tài)束縛在P+周圍形成弱的束縛態(tài)參與價(jià)電子公有化，成為非局域化電子如何處理這個(gè)束縛態(tài)束縛態(tài)能級(jí)與能帶之間的關(guān)系一、施主摻雜Si中摻P后的形成的束縛態(tài)Si中摻P后的形成的離域態(tài)公有化一定填充在導(dǎo)帶底附近束縛態(tài)能級(jí)Si中摻P后的形成的束縛態(tài)6.3半導(dǎo)體的摻雜一、施主摻雜計(jì)算施主能級(jí)的類氫原子模型P+類氫軌道示意圖

=

0

r為了表達(dá)屏蔽作用，對(duì)勢(shì)函數(shù)進(jìn)行修正：6.3半導(dǎo)體的摻雜一、施主摻雜束縛態(tài)能級(jí)的類氫原子處理n=1,2,3,…氫原子的位能函數(shù)為能級(jí)為氫原子引入屏蔽作用，類氫原子的Hamiltonian：束縛態(tài)能級(jí)：電子從施主能級(jí)躍遷至導(dǎo)帶底部留下的電離施主施主能級(jí)和施主電離示意圖6.3半導(dǎo)體的摻雜一、施主摻雜Si中摻B后的共價(jià)鍵網(wǎng)絡(luò)示意圖6.3半導(dǎo)體的摻雜一、受主摻雜利用類氫原子模型可以得到空穴從受主能級(jí)躍遷至價(jià)帶留下的電離受主受主能級(jí)及受主電離示意圖6.3半導(dǎo)體的摻雜二、受主摻雜導(dǎo)帶上的電子數(shù)N(T)為一、導(dǎo)帶上的電子濃度

6.4熱平衡載流子分布若導(dǎo)帶底可以近似為拋物線半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)實(shí)際上電子的化學(xué)勢(shì)－這是習(xí)慣用法6.4熱平衡載流子分布一、導(dǎo)帶上的電子濃度

導(dǎo)帶上的電子濃度為單位體積內(nèi)導(dǎo)帶上的價(jià)電子數(shù)6.4熱平衡載流子分布二、價(jià)帶上的空穴濃度

當(dāng)kBT<<Eg單位體積內(nèi)價(jià)帶上的空穴濃度6.4熱平衡載流子分布三、質(zhì)量作用定律

導(dǎo)帶上的電子濃度和價(jià)帶上空穴濃度之積僅僅與禁帶寬度有關(guān)－這一規(guī)律與半導(dǎo)體的種類沒(méi)有關(guān)系，適用于本證、施主和受主半導(dǎo)體導(dǎo)帶上的電子濃度與價(jià)帶上的空穴濃度必然相等對(duì)上面兩任意一個(gè)方程求解,均可得到本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)與溫度的關(guān)系為：6.4熱平衡載流子分布四、本證半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)T=0K時(shí)，費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中央EFT0溫度對(duì)本征半導(dǎo)體載流子密度在能帶中的分布的影響6.4熱平衡載流子分布四、本證半導(dǎo)體載流子分布受態(tài)密度和費(fèi)米分布函數(shù)共同制約

D(

)由于導(dǎo)帶上的電子載流子的濃度是本征激發(fā)和施主電離二者共同貢獻(xiàn)的，所以可得電中性方程：6.4熱平衡載流子分布五、施主半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)數(shù)值求解上述方程可以得到施主半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)6.4熱平衡載流子分布五、施主半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)T=0K時(shí)，當(dāng)溫度較低時(shí)，若EF-ED>>kBT,則可以得到費(fèi)米能級(jí)的近似解：費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶底與施主能級(jí)中央EFT0ECED6.4熱平衡載流子分布六、受主半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)

由于價(jià)帶上的空穴子載流子的濃度是本征激發(fā)和受主電離二者共同貢獻(xiàn)的，所以可得電中性方程：數(shù)值求解上述方程可以得到受主半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)6.4熱平衡載流子分布六、受主半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)T=0K時(shí)，當(dāng)溫度較低時(shí)，若EF-ED>>kBT,則可以得到費(fèi)米能級(jí)的近似解：費(fèi)米能級(jí)位于價(jià)帶頂與受主能級(jí)中央EFT0ECEA七、電阻率與溫度的關(guān)系

6.4熱平衡載流子分布半導(dǎo)體電阻率隨溫度變化關(guān)系示意圖ABCn或pT本征吸收的條件是入射光子的能量不小于半導(dǎo)體的禁帶寬度，即在直接躍遷過(guò)程中必然滿足以下條件：

光子動(dòng)量很小，動(dòng)量守恒簡(jiǎn)化為：6.5半導(dǎo)體光吸收能量守恒：動(dòng)量守恒：一、直接帶隙半導(dǎo)體的本征吸收

在5K溫度下InSb的吸收系數(shù)與光子能量的關(guān)系曲線6.5半導(dǎo)體光吸收一、直接帶隙半導(dǎo)體的本征吸收

對(duì)應(yīng)帶隙間接躍遷的能量和動(dòng)量守恒條件可以表示為：EgkE間接躍遷引起光的本征吸收示意圖6.6半導(dǎo)體光吸收二、直接帶隙半導(dǎo)體的本征吸收

電子－聲子相互作用參與電子躍遷過(guò)程6.5半導(dǎo)體光吸收三、半導(dǎo)體其它光吸收機(jī)制

EgEA雜質(zhì)吸收激子吸收帶間吸收自由電子吸收價(jià)帶導(dǎo)帶間接躍遷引起光的本征吸收示意圖半導(dǎo)體吸收光譜示意圖6.6半導(dǎo)體光吸收四、半導(dǎo)體吸收光譜

一種光電器件的基本電路原理6.6半導(dǎo)體光吸收五、半導(dǎo)體的光電導(dǎo)

6.7半導(dǎo)體界面特性一、p-n結(jié)pnregions“touch”&freecarriersmoveelectronsEVEFECEFp-typen-typep-n結(jié)接觸前的能帶結(jié)構(gòu)示意圖DepletionZonepnregionsinequilibriumEVEFEC++++++++++++––––––––––––6.7半導(dǎo)體界面特性一、p-n結(jié)p-n結(jié)接觸后的平衡能帶結(jié)構(gòu)示意圖p-n結(jié)n型p型p-n結(jié)平衡后，實(shí)際上在結(jié)區(qū)兩端建立起了一個(gè)勢(shì)壘，eVD，勢(shì)壘的大小為：結(jié)合上式得：6.8半導(dǎo)體界面特性一、p-n結(jié)6.7半導(dǎo)體界面特性一、p-n結(jié)p－n結(jié)正向偏壓時(shí)的能帶和結(jié)區(qū)的變化p-typep-type6.7半導(dǎo)體界面特性一、p-n結(jié)p－n結(jié)反向偏壓時(shí)的能帶和結(jié)區(qū)的變化p-typep-typep-n結(jié)的電流密度可以表示為：p-n結(jié)的直流I-V特性曲線6.7半導(dǎo)體界面特性一、p-n結(jié)p-n結(jié)的光生伏特示意圖6.7半導(dǎo)體界面特性一、p-n結(jié)真空能級(jí)EF金屬半導(dǎo)體EFEF(a)接觸前(b)剛接觸(c)建立平衡后熱平衡后，界面處半導(dǎo)體的電位高于金屬，且有勢(shì)壘的高度為：6.7半導(dǎo)體界面特性二、半導(dǎo)體－金屬接觸：肖脫基勢(shì)壘W(wǎng)s－WmEFECEV半導(dǎo)體體歐姆接觸后的能帶結(jié)構(gòu)6.7半導(dǎo)體界面特性二、半導(dǎo)體－金屬接觸：Ohm接觸金屬測(cè)量值范圍平均值金屬測(cè)量值范圍平均值Mg2.74~3.793.46Cd3.68~4.494.08Al2.98~4.364.20Sn3.12~4.644.11Cu3.85~6.614.47Mo4.08~4.484.28Zn3.08~4.653.86Au4.0~6.24.58Ni3.67~6.244.84W4.25~6.014.63Ag3.09~4.814.23Pt4.09~6.356.48幾種常見(jiàn)金屬的功函數(shù)（單位：eV）6.8半導(dǎo)體界面特性二、半導(dǎo)體－金屬接觸能帶結(jié)構(gòu)示意圖金剛石結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體(111)面異質(zhì)結(jié)的晶格模型6.7半導(dǎo)體界面特性二、半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)MIS結(jié)構(gòu)示意圖6.7半導(dǎo)體界面特性二、MIS結(jié)構(gòu)，Metal-Isolator–Semiconductor(MIS)VG<0EFEVECVG>0EFEVECVG>>0EFEVEC

由p型半導(dǎo)體構(gòu)成