第02章 半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)-2015.03.18(1)

第02章半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)主講：郝亞非第二章半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)2.1半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)2.2半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)2.3半導(dǎo)體的雜質(zhì)和缺陷2.4半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)2.5半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)教學(xué)基本要求1、掌握半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)和晶體類型2、掌握半導(dǎo)體材料的電子狀態(tài)、能帶結(jié)構(gòu)、載流子3、理解半導(dǎo)體的雜質(zhì)和缺陷4、掌握本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的概念5、理解半導(dǎo)體的電學(xué)性質(zhì)與半導(dǎo)體中雜質(zhì)、載流子的關(guān)系6、理解半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)與半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系2.1半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)2.1.1晶體2.1.2晶體結(jié)構(gòu)2.1.3晶體類型2.1.1晶體晶體是由原子或分子在空間按一定規(guī)律周期性地重復(fù)排列構(gòu)成的固體物質(zhì)，具有規(guī)則幾何外形。晶體之所以具有規(guī)則的幾何外形，是因其內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)作規(guī)則的排列，實(shí)際上是晶體中最基本的結(jié)構(gòu)單元重復(fù)出現(xiàn)的結(jié)果。晶胞參數(shù)我們把晶體中重復(fù)出現(xiàn)的最基本的結(jié)構(gòu)單元叫晶胞。構(gòu)成晶胞的六面體的三個邊長a、b、c及三個夾角α、β、γ稱為晶胞參數(shù)。它們決定了晶胞的大小和形狀。七大晶系晶系晶軸夾角立方a=b=cα=β=γ=900四方a=b≠cα=β=γ=900正交a≠b≠cα=β=γ=900三方a=b=cα=β=γ≠900六方a=b≠cα=β=900，γ=1200單斜a≠b≠cα=γ=900，β≠900三斜a≠b≠cα≠β≠γ≠9002.1.3晶體結(jié)構(gòu)一般表達(dá)一個晶體結(jié)構(gòu)，需要給出：

1.晶系；

2.晶胞參數(shù)；

3.晶胞中所包含的原子或分子數(shù)Z；

4.特征原子的坐標(biāo)。（1）晶胞中質(zhì)點(diǎn)的占有率體心面心棱邊頂角立方晶胞體心：1面心：1/2棱邊：1/4頂點(diǎn)：1/8（2）密排堆積方式密堆積方式因充分利用了空間，而使體系的勢能盡可能降低，而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。常見的密排堆積方式的種類有：簡單立方堆積體心立方堆積面心立方堆積密排六方堆積金剛石型堆積簡單立方堆積體心立方堆積面心立方堆積密排六方堆積金剛石型堆積109o28′半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)類型半導(dǎo)體材料金剛石型Si，金剛石，Ge閃鋅礦型GaAs，ZnO，GaN，SiC纖鋅礦型InN，GaN，ZnO，SiCNaCl型PbS，CdO1、金剛石型結(jié)構(gòu)和共價(jià)鍵化學(xué)鍵:

構(gòu)成晶體的結(jié)合力.共價(jià)鍵:

由同種晶體組成的元素半導(dǎo)體,其原子間無電負(fù)性差,它們通過共用一對自旋相反而配對的價(jià)電子結(jié)合在一起.材料：金剛石、硅、鍺共價(jià)鍵的特點(diǎn)飽和性方向性正四面體結(jié)構(gòu)金剛石型結(jié)構(gòu)的晶胞頂角1/4對角線面心晶格常數(shù)a(埃)SiGeGaAs5.430895.657545.6419硅的原子密度5.00x1022cm-3鍺的原子密度4.42x1022cm-3兩原子間最短距離硅：0.235nm鍺：0.245nm金剛石型結(jié)構(gòu)的晶胞2、閃鋅礦結(jié)構(gòu)和混合鍵材料:Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半導(dǎo)體

例:ZnS、ZnSe、GaAs、GaP閃鋅礦結(jié)構(gòu)的結(jié)晶學(xué)原胞化學(xué)鍵:

共價(jià)鍵+離子鍵

(共價(jià)鍵占優(yōu)勢）閃鋅礦結(jié)構(gòu)的結(jié)晶學(xué)原胞極性半導(dǎo)體共價(jià)結(jié)合占優(yōu)勢，化合物傾向于構(gòu)成閃鋅礦結(jié)構(gòu)離子性結(jié)合占優(yōu)勢，化合物傾向于構(gòu)成纖鋅礦結(jié)構(gòu)3、纖鋅礦型結(jié)構(gòu)材料:Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半導(dǎo)體

例:ZnS、ZnSe、CdS、CdSe第02章半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)化學(xué)鍵:

共價(jià)鍵+離子鍵(離子鍵占優(yōu)勢）4、氯化鈉型結(jié)構(gòu)不以四面體結(jié)構(gòu)結(jié)晶材料:IV-Ⅵ族二元化合物半導(dǎo)體

例:硫化鉛、硒化鉛、碲化鉛等Na離子面心立方晶格與Cl離子面心立方晶格相互位移二分之一晶格常數(shù)套構(gòu)而成。2.1.3晶體類型金屬晶體通過金屬鍵而形成的晶體離子晶體通過離子鍵而形成的晶體分子晶體通過分子間作用力而形成的晶體原子晶體（共價(jià)晶體）通過共價(jià)鍵形成的晶體混合晶體同時(shí)存在幾中化合鍵2.2半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)2.2.1原子結(jié)構(gòu)和原子能級2.2.2半導(dǎo)體的電子狀態(tài)2.2.3半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)2.2.4半導(dǎo)體的載流子2.2.1單原子結(jié)構(gòu)波爾理論①核外電子只能在有確定半徑和能量的軌道上運(yùn)動,且不輻射能量②基態(tài)：能量最低；能級：軌道的不同能量狀態(tài)；激發(fā)態(tài)：電子被激發(fā)到高能量軌道上③激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，躍遷到低能級，以光的形式釋放能量。電子原子核原子能級結(jié)構(gòu)圖基態(tài)激發(fā)態(tài)E1＝－13.6eVE2＝－3.4eVE3＝－1.51eVE4＝－0.85eV多電子原子能級晶體是由大量的原子組成，由于原子間距離很小，原來孤立原子的各個能級將發(fā)生不同程度的交疊：1.電子也不再完全局限于某一個原子，形成“共有化”電子。2.原來孤立的能級便分裂成彼此相距很近的N個能級，準(zhǔn)連續(xù)的，可看作一個能帶原子能級分裂為能帶原子能級能帶允帶禁帶允帶允帶禁帶晶體中的某一個電子是在周期性排列且固定不動的原子核勢場以及其它大量電子的平均勢場中運(yùn)動大量電子的平均勢場也是周期性變化的，而且它的周期與晶格的周期相同。因而可以先分析自由電子的狀態(tài)，接著再考慮加上一個平均場后的電子狀態(tài)2.2.2半導(dǎo)體的電子狀態(tài)（1）自由電子的薛定諤方程自由電子與時(shí)間因素?zé)o關(guān)，因而波函數(shù)可以表示為：自由電子所遵守的薛定諤方程為：（1）自由電子的電子狀態(tài)粒子：質(zhì)量為m0，速度為v波：波矢為k，

頻率為f波粒二象性自由電子E與k的關(guān)系自由電子的能量E與波矢量k的關(guān)系呈拋物線形狀。波失k可以描述自由電子的運(yùn)動狀態(tài)不同的k值標(biāo)志自由電子的不同狀態(tài)波失k的連續(xù)變化，自由電子的能量是連續(xù)能譜，從零到無限大的所有能量值都是允許的。Ek（2）晶體中的電子狀態(tài)在自由電子的薛定諤方程上再考慮一個周期性勢場晶體中電子所遵守的薛定諤方程為：晶體中電子的E(k)與K的關(guān)系EkEgp/a2p/a-p/a-2p/a0布里淵區(qū)晶體中電子的能量E和波失k的關(guān)系曲線基本和自由電子的關(guān)系曲線一樣，但在時(shí)，能量出現(xiàn)不連續(xù)，形成了一系列的允帶和禁帶。每一個布里淵區(qū)對應(yīng)于一個允帶禁帶出現(xiàn)在處，即出現(xiàn)在布里淵區(qū)邊界上2.2.3半導(dǎo)體中的電子分布能帶允帶禁帶允帶允帶禁帶電子分布原則1.最低能量原理電子在核外排列應(yīng)盡先分布在低能級軌道上,使整個原子系統(tǒng)能量最低。2.Pauli不相容原理每個原子軌道中最多容納兩個自旋方式相反的電子。3.Hund規(guī)則

在能級簡并的軌道上，電子盡可能自旋平行地分占不同的軌道；全充滿、半充滿、全空的狀態(tài)比較穩(wěn)定2.2.4半導(dǎo)體的載流子電子空穴（1）電子價(jià)帶頂部的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，形成了傳導(dǎo)電子傳導(dǎo)電子參與導(dǎo)電電子帶有負(fù)電荷－q傳導(dǎo)電子價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶（2）空穴價(jià)帶頂部的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶后，價(jià)帶中就留下了一些空狀態(tài)激發(fā)一個電子到導(dǎo)帶，價(jià)帶中就出現(xiàn)一個空狀態(tài)把價(jià)帶中空著的狀態(tài)看成是帶正電的粒子，稱為空穴空穴不僅有正電荷＋q，還具有正的有效質(zhì)量。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶空穴半導(dǎo)體的導(dǎo)電特征導(dǎo)帶上的電子參與導(dǎo)電價(jià)帶上的空穴也參與導(dǎo)電半導(dǎo)體具有電子和空穴兩種載流子金屬只有電子一種載流子2.2.5半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)Eg<6eVEg絕緣體半導(dǎo)體價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)體直接帶隙和間接帶隙直接帶隙半導(dǎo)體和間接帶隙半導(dǎo)體價(jià)帶的極大值和導(dǎo)帶的極小值都位于k空間的原點(diǎn)上價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，只要求能量的改變，而電子的準(zhǔn)動量不發(fā)生變化，稱為直接躍遷直接躍遷對應(yīng)的半導(dǎo)體材料稱為直接禁帶半導(dǎo)體例子：GaAs，GaN，ZnO價(jià)帶的極大值和導(dǎo)帶的極小值不位于k空間的原點(diǎn)上價(jià)帶的電子躍遷到導(dǎo)帶時(shí)，不僅要求電子的能量要改變，電子的準(zhǔn)動量也要改變，稱為間接躍遷間接躍遷對應(yīng)的半導(dǎo)體材料稱為間接禁帶半導(dǎo)體例子：Si，Ge2.3半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷2.3.1本征半導(dǎo)體2.3.2n型半導(dǎo)體2.3.3p型半導(dǎo)體2.3.1本征半導(dǎo)體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體也存在電子和空穴兩種載流子但電子數(shù)目n和空穴數(shù)目p一一對應(yīng)，數(shù)量相等，n＝p。價(jià)帶導(dǎo)帶禁帶空穴傳導(dǎo)電子實(shí)際晶體不是理想情況1.原子并不是靜止在具有嚴(yán)格周期性的晶格格點(diǎn)位置上，而是在平衡位置附近振動；2.半導(dǎo)體材料并不是純凈的，而是含有若干雜質(zhì)；

3.實(shí)際的半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)并不是完整無缺的，而是存在著各種缺陷：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷2.3.2雜質(zhì)半導(dǎo)體為了控制半導(dǎo)體的性質(zhì)而人為的摻入雜質(zhì)，這些半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體，可以分為：N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體后面以硅摻雜為例子進(jìn)行說明硅是化學(xué)周期表中的第IV族元素，每一個硅原子具有四個價(jià)電子，硅原子間以共價(jià)鍵的方式結(jié)合成晶體。2.3.3N型半導(dǎo)體P是第V族元素，每一個P原子具有5個價(jià)電子P替位式摻入Si中，其中四個價(jià)電子和周圍的硅原子形成了共價(jià)鍵，還剩余一個價(jià)電子相當(dāng)于形成了一個正電中心P＋和一個多余的價(jià)電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5額外的電子N型半導(dǎo)體的概念在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)元素，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體(或稱電子型半導(dǎo)體)。常用的5價(jià)雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。V族雜質(zhì)在硅中電離時(shí)，能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱為施主雜質(zhì)。施主電離能和施主能級多余的價(jià)電子束縛在正電中心P＋的周圍，但這種束縛作用比共價(jià)鍵的弱得多，只要很少的能量就可以使它擺脫束縛，形成導(dǎo)電電子。使價(jià)電子擺脫束縛所需要的能量稱為雜質(zhì)電離能ECEVEDEgEV－－價(jià)帶能級EC－－導(dǎo)帶能級ED－－施主能級Eg－－帶隙寬度多子和少子N型半導(dǎo)體中，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，即n<<p。電子稱為多數(shù)載流子(簡稱多子)，空穴稱為少數(shù)載流子(簡稱少子)。2.3.4P型半導(dǎo)體B是第III族元素，每一個B原子具有3個價(jià)電子B替位式摻入Si中，當(dāng)它和周圍的原子形成了共價(jià)鍵時(shí)，還缺少一個價(jià)電子，必須從別處硅原子中奪取一個價(jià)電子，于是在硅晶體的共價(jià)鍵中產(chǎn)生了一個空穴相當(dāng)于形成了一個負(fù)電中心B－和一個多余的空穴額外的空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半導(dǎo)體的概念在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價(jià)雜質(zhì)元素，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體(或稱空穴型半導(dǎo)體)。常用的3價(jià)雜質(zhì)元素有硼、鎵、銦等III族雜質(zhì)在硅中電離時(shí)，能夠釋放空穴而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成負(fù)電中心，稱為受主雜質(zhì)。受主電離能和受主能級多余的空穴束縛在負(fù)電中心B－的周圍，但這種束縛作用比共價(jià)鍵的弱得多，只要很少的能量就可以使它擺脫束縛，形成導(dǎo)電空穴。使空穴擺脫束縛所需要的能量稱為受主雜質(zhì)電離能ECEVEDEgEV－－價(jià)帶能級EC－－導(dǎo)帶能級ED－－施主能級Eg－－帶隙寬度自補(bǔ)償效應(yīng)有些半導(dǎo)體中，既有n型雜質(zhì)又有p型雜質(zhì)N型雜質(zhì)和P型雜質(zhì)先相互補(bǔ)償，稱為自補(bǔ)償效應(yīng)。ECEVEgEDEcED電離施主電離受主Ev3.雜質(zhì)的補(bǔ)償作用(1)ND＞NA半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，施主和受主之間有互相抵消的作用此時(shí)為n型半導(dǎo)體n=ND-NAEAEcEDEAEv電離施主電離受主(2)ND<NA此時(shí)為p型半導(dǎo)體

p=NA-ND(3)ND≈NA雜質(zhì)的高度補(bǔ)償EcEvEAED不能向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴熱平衡條件ni為本征載流子濃度溫度一定時(shí)，兩種載流子濃度乘積等于本征濃度的平方。本征半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體電中性條件

整塊半導(dǎo)體的正電荷量與負(fù)電荷量恒等。2.4半導(dǎo)體的導(dǎo)電性2.4.1歐姆定律2.4.2電導(dǎo)率2.4.3霍爾效應(yīng)2.4.1歐姆定律歐姆定律

R是比例系數(shù)，稱為導(dǎo)體的電阻，單位為歐姆（Ω）電阻的大小不僅與導(dǎo)體的電性能有關(guān)，還與導(dǎo)體的面積S、長度L有關(guān)。

ρ稱為電阻率，單位為（Ω·cm）電流密度電流密度是指通過垂直于電流方向的單位面積的電流均勻?qū)w，電流密度電場強(qiáng)度歐姆定律的微分形式LVE遷移率假設(shè)電子平均速度為vd，電子濃度為n，電流密度為平均速度和電場強(qiáng)度成正比電流密度電導(dǎo)率稱為電子遷移率，表示單位場強(qiáng)下電子的平均漂移速度2.4.2電導(dǎo)率電子的電導(dǎo)率

n是電子濃度，是電子的遷移率空穴的電導(dǎo)率

p是電子濃度，是電子的遷移率本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率本征半導(dǎo)體，n＝pN型半導(dǎo)體，n<<pP型半導(dǎo)體，n<<p2.4.3霍爾效應(yīng)1879年，24歲的美國人霍爾在研究載流導(dǎo)體在磁場中所受力的性質(zhì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)“電流通過金屬，在磁場作用下產(chǎn)生橫向電動勢”，這個效應(yīng)后來被稱為霍爾效應(yīng)。霍爾效應(yīng)是測量半導(dǎo)體材料導(dǎo)電類型、載流子濃度和遷移率等基本性能和霍爾效應(yīng)器件應(yīng)用的基礎(chǔ)。第02章半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)BzdbVHIlBAzyx○+_fεxfLfEy1.P型半導(dǎo)體霍耳效應(yīng)的形成過程

一、P型半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)

電場力：fε=qEx

磁場力：fL=qVxBz

y方向的電場強(qiáng)度為：Ey（霍耳電場）

平衡后：

fExfLqEy

令：

（RH）P為P

型材料的霍爾系數(shù)。

2.求霍爾系數(shù)(RH)P和載流子濃度p設(shè)樣品長度為l，寬度為b，厚度為d：VH為霍爾電壓

3.求霍爾角θ及空穴遷移率μ和電導(dǎo)率σ

ExEyqEyfLEθP型材料：

J第02章半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)1．霍爾效應(yīng)的形成過程ExEyEJ

兩種載流子同時(shí)存在霍爾效應(yīng)？自學(xué)1．霍爾效應(yīng)的形成過程及霍爾系數(shù)RH－y方向洛倫茲力引起的空穴電流密度+y方向(2)y方向上的電子電流密度(Jn)yy方向總的空穴電流密度為1/TRH(－)本征半導(dǎo)體RH

與T

的關(guān)系(2)p型半導(dǎo)體

●

飽和區(qū)

●過渡區(qū)

T↑,p-nb2↓但p-nb2<0，RH<0，且RH

當(dāng)nb2=p時(shí)，RH＝0

T↑↑，

nb2<p，RH<0但nb2↑，|RH|↑

當(dāng)時(shí)，RH達(dá)到負(fù)的最大值1/TRH(+)(+)(－)(－)●本征區(qū)飽和區(qū)P型半導(dǎo)體RH

與T

的關(guān)系(3)N型半導(dǎo)體

●飽和區(qū)●溫度再升高，少子濃度升高

無論溫度多高，RH始終小于0，并且隨T升高，始終下降。1/TRH(－)(－)飽和區(qū)N型半導(dǎo)體RH

與T

的關(guān)系●ND或NA升高，RH下降，RH～T變化規(guī)律一樣霍爾效應(yīng)測量中的副效應(yīng)在霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的同時(shí)，會伴隨其他效應(yīng)，這些效應(yīng)是霍爾效應(yīng)測量中系統(tǒng)誤差的主要來源，對測量的準(zhǔn)確度影響很大，系統(tǒng)誤差的處理是霍爾效應(yīng)測量中的一個重要問題。影響霍爾效應(yīng)測量準(zhǔn)確度的幾種效應(yīng)：（1）不等位電勢（2）愛廷豪森效應(yīng)（3）能斯托效應(yīng)（4）里紀(jì)—勒杜克效應(yīng)（1）不等位電勢由于測量霍爾電壓的電極A和A‘位置難以做到在一個理想的等勢面上,因此當(dāng)有電流IS通過時(shí),即使不加磁場也會產(chǎn)生附加的電壓V0=ISr,其中r為A、A’所在的兩個等勢面之間的電阻。不等位電壓產(chǎn)生的原因主要有工藝誤差如電極定位誤差、雜質(zhì)擴(kuò)散不均勻引起的誤差、外界機(jī)械壓力通過壓阻效應(yīng)造成的偏差等。第02章半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)（2）愛廷豪森效應(yīng)從微觀來看,當(dāng)霍耳電壓達(dá)到一個穩(wěn)定值VH

時(shí),速度為v的載流子的運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡。但載流子速度服從統(tǒng)計(jì)分布,有快有慢,達(dá)到動態(tài)平衡時(shí),在洛侖茲力和霍耳電場的共同作用下,速度大的載流子所受的洛侖茲力大于電場力,而速度小的載流子所受的洛侖茲力小于電場力,因而速度大的載流子會聚集在半導(dǎo)體材料的一側(cè),而速度小的載流子聚集在另一側(cè),又因速度大的載流子的能量大,所以速度大的粒子聚集的一側(cè)溫度高于另一側(cè)。由于測量電極和半導(dǎo)體兩者材料不同,電極和半導(dǎo)體之間形成溫差電偶,這一溫差產(chǎn)生溫差電動勢VE,這種由于溫差而產(chǎn)生電勢差的現(xiàn)象稱為愛廷豪森效應(yīng)。VE

的大小和正負(fù)號與IS、B的大小和方向有關(guān),跟VH與IS

、B的關(guān)系相同,所以不能在測量中消除。第02章半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)（3）能斯托效應(yīng)在半導(dǎo)體試樣上引出測量電極時(shí),不可能做到接觸電阻完全相同。當(dāng)工作電流IS通過不同接觸電阻時(shí)會產(chǎn)生不同的焦耳熱,并因溫差產(chǎn)生一個溫差電動勢,此電動勢又產(chǎn)生溫差電流Q(稱為熱電流),沿X方向的熱流Q，在Z方向的磁場B作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在Y方向直接產(chǎn)生一附加的電場E，產(chǎn)生附加電勢差VN,這就是能斯托效應(yīng)。它與電流IS無關(guān),與磁場B有關(guān)。（4）里紀(jì)—勒杜克效應(yīng)由能斯脫效應(yīng)產(chǎn)生的熱電流也有愛廷豪森效應(yīng)。樣品沿X方向有溫度梯度，引起載流子沿梯度方向擴(kuò)散而有熱流Q通過樣品，在此過程中，載流子受Z方向的磁場作用下，在Y方向引起類似于愛廷豪森效應(yīng)的溫度差VR,稱為里紀(jì)-勒杜克效應(yīng)。

VR

與IS無關(guān),只與磁場B有關(guān)。這四種效應(yīng)所產(chǎn)生的電勢差總和，有時(shí)甚至遠(yuǎn)大于霍爾電勢差，從而形成系統(tǒng)誤差副效應(yīng)的消除方法（1）不等位電勢的減小措施

V0只與電流IS的方向有關(guān),與磁場B的方向無關(guān),因此V0

可以通過改變IS的方向予以消除。這種方法,沒有給電路帶入任何新的附加,卻基本上能滿足測試要求。所以,一般對半導(dǎo)體材料進(jìn)行參數(shù)測試采用這種方法就可以。（2）能斯托效應(yīng)和里紀(jì)-勒杜克效應(yīng)的減小措施能斯托效應(yīng)和里紀(jì)-勒杜克效應(yīng)均和霍爾工作電流IS無關(guān),而只與磁感應(yīng)強(qiáng)度B有關(guān)。所以,采用電流和磁場換向的對稱測量法減小這兩個效應(yīng)的影響。

測量時(shí)首先任取某一方向的IS

和B為正,用+B、+IS表示,當(dāng)改變它們的方向時(shí)為負(fù),用-B、-IS

表示,保持IS、B的數(shù)值不變,在(+B、+IS)、

(-B、+IS)、(-B、-IS)、(+B、-IS)四種條件進(jìn)行測量,則測量結(jié)果分別為:當(dāng)+B、+IS時(shí)V1=VH+V0+VE+VN+VR

當(dāng)-B、+IS

時(shí)V2=-VH+V0-VE-VN-VR當(dāng)-B、-IS

時(shí)V3=VH-V0+VE-VN-VR當(dāng)+B、-IS

時(shí)V4=-VH-V0-VE+VN+VR從上述結(jié)果中消去V0

、VN

和VR,得到VH=（1/4）(V1-V2+V3-V4)-VE

經(jīng)過處理后,不等位電壓V0、能斯托效應(yīng)疊加的電勢VN

和里紀(jì)-勒杜克效應(yīng)疊加的電勢VR

都已經(jīng)基本消除。VH=（1/4）(V1-V2+V3-V4)–VE由于VE符號與和兩者方向的關(guān)系和VH是相同的，故無法消除，但在非大電流，非強(qiáng)磁場下，VH<<VE

，因此可略而不計(jì)，所以霍爾電壓為四、霍爾效應(yīng)的應(yīng)用1．判別極性，測半導(dǎo)體材料的參數(shù)（n,p,)2．霍爾器件

3．探測器

2.5半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)2.5.1光的基本性質(zhì)2.5.2光與原子的相互作用2.5.3半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)2.5.1光的基本性質(zhì)光色波長(nm)

頻率(Hz)中心波長(nm)

紅760~622660

橙622~597610

黃597~577570

綠577~492540

青492~470480

蘭470~455460

紫455~4004302.5.2光與原子的相互作用受激吸收自發(fā)輻射受激輻射受激吸收原子吸收能量為hv=E2－E1的光子，從低能級E1躍遷到高能級E2的過程稱為光的吸收，又稱為受激吸收。特點(diǎn)：

1.不是自發(fā)產(chǎn)生的，必須有外來光子的“刺激”才會產(chǎn)生

2.外來光子必須符合hv=E2－E1的條件。hnE2E1自發(fā)輻射原子自發(fā)地從高能級返回到低能級并放出光子的過程，稱為自發(fā)輻射特點(diǎn)：

1.原子的躍遷是自發(fā)的、獨(dú)立的，與外界作用無關(guān)；

2.光的振動方向、相位都不一定相同，不是相干光。hnE2E1受激輻射1905年，愛因斯坦提出光量子的假設(shè)，成功解釋了光電效應(yīng)1917年，愛因斯坦又從純粹的熱力學(xué)出發(fā)，用具有分立能級的原子模型推到普朗克輻射公公式，預(yù)言了受激輻射的存在四十年后，第一臺激光器誕生，愛因斯坦的這一預(yù)言得到了有力的證實(shí)。hnE2E1hn全同光子受激輻射能量為hv的光子照射進(jìn)來，電子被這一光子激發(fā)而從E2能級跳到E1能級，并發(fā)射一個光子，稱為受激輻射。特點(diǎn)：

1.受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同

2.具有光的放大作用。hnE2E1hn全同光子半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)

半導(dǎo)體的光吸收半導(dǎo)體的光電導(dǎo)半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體發(fā)光及半導(dǎo)體激光

第02章半導(dǎo)體材料的基本性質(zhì)半導(dǎo)體的光吸收

吸收系數(shù)，反射系數(shù)和透射系數(shù)1半導(dǎo)體的光吸收系數(shù)用透射法測定光在媒質(zhì)（半導(dǎo)體）中的衰減時(shí)發(fā)現(xiàn)，光的衰減與光強(qiáng)成正比，若引入正比例系數(shù)α（光吸收系數(shù)）光強(qiáng)在半導(dǎo)體媒質(zhì)中的衰減規(guī)律I0表示在表面（x=0）處入射光的強(qiáng)度α的物理意義：光入射到半導(dǎo)體內(nèi)被吸收，使光強(qiáng)減小到原值的1/e時(shí)，光波在半導(dǎo)體中所傳播的距離即是吸收系數(shù)的倒數(shù)。由電磁場理論，光波在媒質(zhì)（半導(dǎo)體）中傳播，光強(qiáng)I隨傳播距離x的變化式中，ω為光波角頻率；c為光速；k為消光系數(shù)

吸收系數(shù)表示式

λ為入射光在自由空間的波長,k為媒質(zhì)的消光系數(shù)。對于吸收系數(shù)很大的情況（例如），光的吸收實(shí)際上集中在晶體很薄的表面層里。2反射系數(shù)和透射系數(shù)當(dāng)光波（電磁波）照射到導(dǎo)電媒質(zhì)界面時(shí)，必然發(fā)生反射和折射。考慮光從空氣垂直入射于折射率N=n-ik的媒質(zhì)界面時(shí)：

反射系數(shù)：指界面反射能流密度和入射能流密度之比，用R表示（n為媒質(zhì)折射率）

透射系數(shù)：指透射能流密度和入射能流密度之比值，用T表示（d是半導(dǎo)體樣品厚度）光吸收:光在電介質(zhì)中傳播時(shí)強(qiáng)度衰減的現(xiàn)象，即產(chǎn)生光的吸收。電子吸收光子能量后將發(fā)生不同的躍遷1.本征吸收：電子由價(jià)帶向?qū)У能S遷所引起的光吸收，它是最重要的吸收，又叫基本吸收。本征吸收的特點(diǎn)是產(chǎn)生電子-空穴對，從而引起光電導(dǎo)。半導(dǎo)體的光吸收

本征吸收⑴不同能帶的狀態(tài)之間；⑵同一能帶的不同狀態(tài)之間；⑶禁帶中能級與能帶之間2.本征吸收長波限3.吸收譜μm本征吸收直接躍遷直接躍遷（豎直躍遷）

概念：在本征吸收過程中，價(jià)帶中的一個電子僅僅只吸收一個光子，而不涉及與晶格振動交換能量，便被激發(fā)到導(dǎo)帶中去的躍遷過程。躍遷前后能量改變?yōu)檐S遷前后動量沒有改變

——電子躍遷前后波矢k沒有發(fā)生改變直接帶隙材料：導(dǎo)帶極小值和價(jià)帶極大值都處于同一波矢k的半導(dǎo)體材料（GaAs,GaSb等）直接躍遷的吸收光譜是連續(xù)的吸收帶，對于直接帶隙半導(dǎo)體可以從光吸收的測量來求得禁帶寬度的數(shù)值。間接躍遷間接躍遷（非豎直躍遷）概念：在半導(dǎo)體本征吸收過程中電子激發(fā)，不但吸收光子的能量而且還與晶格熱振動交換能量的躍遷過程。躍遷前后能量改變?yōu)檐S遷前后動量沒改變

比本征吸收限波長還長的光子也能被吸收，因?yàn)檫€存在其他吸收過程，如：激子吸收、自由載流子吸收、雜質(zhì)吸收及晶格振動吸收。1.激子吸收

如果光子能量hν小于Eg，價(jià)帶電子受激發(fā)后雖然躍出了價(jià)帶，但還不足以進(jìn)入導(dǎo)帶成為自由電子，仍然受到價(jià)帶空穴的庫侖作用。受激電子和空穴互相束縛而結(jié)合在一起成為一個新的系統(tǒng)，稱為激子。這樣的光吸收稱為激子吸收。實(shí)驗(yàn)證明，在低溫下某些晶體在本征連續(xù)吸收光譜出現(xiàn)之前，即hν0<Eg時(shí)，已出現(xiàn)一系列光譜線，便是激子吸收譜線，對應(yīng)于激子吸收并不產(chǎn)生光電導(dǎo)現(xiàn)象。半導(dǎo)體的光吸收---其他吸收過程2.自由載流子吸收

對重?fù)诫s的n型半導(dǎo)體或重?fù)诫s的p型半導(dǎo)體，n型半導(dǎo)體中的電子或p型半導(dǎo)體中的空穴都出現(xiàn)載流子的簡并化。

這樣n型半導(dǎo)體的電子可以吸收光子的能量之后發(fā)生在導(dǎo)帶中不同能級之間的躍遷，而將能量轉(zhuǎn)給晶格；同樣p型半導(dǎo)體的空穴也可以吸收光子的能量之后發(fā)生在價(jià)帶中不同能級之間的躍遷，而將能量轉(zhuǎn)給晶格，這樣的光吸收過程都是自由載流子在同一能帶內(nèi)的躍遷引起的，稱為自由載流子吸收。自由載流子吸收是在同一能帶中發(fā)生不同狀態(tài)（能級）之間的躍遷，因此吸收的光子能量不需要很大，所以吸收光譜一般在紅外范圍，并且隨著波長增大而加強(qiáng)。3.雜質(zhì)吸收

當(dāng)溫度較低時(shí)，半導(dǎo)體施主能級上束縛的電子（或受主能級上束縛的空穴）沒有電離，被束縛的電子（或被束縛的空穴）吸收光子的能量之后，可激發(fā)到導(dǎo)帶（或價(jià)帶）中去，這樣的光吸收過程稱為雜質(zhì)吸收。雜質(zhì)吸收也具有長波限hν0=Ei（雜質(zhì)電離能），吸收光譜主要集中在吸收限Ei附近。4.晶格吸收

半導(dǎo)體晶格熱振動也可引起對光的吸收，光子能量直接轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц駸嵴駝拥哪芰浚拱雽?dǎo)體的溫度升高，這樣的光吸收過程稱為晶格吸收。晶格吸收光譜在遠(yuǎn)紅外范圍，對于離子晶體或離子性較強(qiáng)的化合物具有較明顯的晶格吸收作用。

光吸收可能使半導(dǎo)體中形成非平衡載流子，而載流子濃度的增大必使其電導(dǎo)率發(fā)生改變。因此，光照射半導(dǎo)體，使其電導(dǎo)率增加的現(xiàn)象為光電導(dǎo)效應(yīng)。光電導(dǎo)主要的產(chǎn)生原因：（1）本征光電導(dǎo)：本征吸收引起載流子數(shù)目變化。（2）雜質(zhì)光電導(dǎo)：雜質(zhì)吸收引起載流子數(shù)目變化。（3）帶內(nèi)光電導(dǎo)：載流子吸收引起載流子遷移率變化。半導(dǎo)體的光電導(dǎo)10.3半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)

用適當(dāng)波長的光照射非均勻半導(dǎo)體，例如P-N結(jié)和金屬-半導(dǎo)體接觸等，由于勢壘區(qū)中內(nèi)建電場（也稱為自建電場）的作用，半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電動勢（光生電壓）；如將pn結(jié)短路，則會出現(xiàn)電流（光生電流）。這種由內(nèi)建電場引起的光電效應(yīng)，稱為光生伏特效應(yīng)