7、半、半导体的能体的能带结构构a.半导体的能带：对半导体来说，电子填满了一些能量较低的能带，称为满带，最上面的满带称为价带；价带上面有一系列空带，最下面的空带称为导带。价带和导带有带隙，带隙宽度用Eg 表示它代表价带顶和导带底的能量间隙。对于本征半导体在绝对零度没有激发的情况下，价带被电子填满，导带没有电子。在一般温度，由于热激发，有少量电子从价带跃迁到导带，使导带有少量电子，而在价带留下少量空穴,这种激发我们称之为本征激发。半导体的导电就是依靠导带底的少量电子和价带顶的少量空穴。b.半导体的光吸收光照可以激发价带的电子到导带，形成电子空穴对，这个过程称为本征光吸收，本征光吸收光子的能量 应满足1编辑编辑ppt或或其中为光波的波长，上式表明，存在有长波限称为本征吸收边,在本征吸收边附近的光跃迁有两种类型：（a):第一种类型对应于导带底和价带顶在k 空间相同点的情况，如图(a)所示。电子吸收光子自价带k 状态跃迁到导带k状态时除了满足能量守恒以外，还必须符合准动量守恒的选择定则，即具有具有这种种带隙隙结构的半构的半导体称体称为直接直接带隙半隙半导体体2编辑编辑ppt3编辑编辑ppt在讨论本征吸收时，光子的动量可以略去，因为本征吸收光子的波矢为10cm-1，而在能带论中布里渊区的尺度为2/晶格常数，数量级是10cm-1，因此本征光吸收中，因此光吸收的跃迁选择定则可以近似写成这就是说，在跃迁过程中，波矢可以看做是不变的，在能带的E(k)图上，初态和末态几乎在同一条竖直线上，这样的跃迁常称为竖直跃迁。(b)：第二种类型对应于导带底和价带顶在k 空间不同点的情况，如图(b)所示：这时在本征吸收边附近的光吸收过程是所谓非竖直跃迁，在这种情况下，单纯吸收光子不能使电子由价带顶跃迁到导带底，必须在吸收光子的同时伴随有吸收或发射一个声子。能量守恒关系为：电子能量差光子能量声子能量具有具有这种种带隙隙结构的半构的半导体称体称为间接接带隙半隙半导体体4编辑编辑ppt但是声子能量是较小的，数量级为百分之几电子伏以下，因此近似的有电子能量差光子能量而准动量守恒的跃迁选择定则为其中q 为声子的准动量，它与能带中电子的准动量相仿，略去光子动量，有结论：（）在非竖直跃迁中，光子主要提供跃迁所需要的能量，而声子则主要提供跃迁所需要的准动量（）与竖直跃迁相比，非竖直跃迁是一个二级过程，发生的几率要小得多5编辑编辑ppt（）由于与光吸收情况相同的原因，在直接带隙半导体中这种发光的几率远大于间接带隙半导体c电子空穴复合子空穴复合发光：光：考虑一个与半导体的光吸收相反的过程，导带中的电子可以跃迁到价带空能级而发射光子，这称为电子空穴复合发光。复合复合发光的特点：光的特点：（）一般情况下电子集中在导带底，空穴集中在价带顶，发射光子的能量基本上等于带隙宽度制作复合发光的发光器件（一般要用直接带隙半导体。发光的颜色取决于半导体的带隙宽度）应用：用：6编辑编辑ppt在实际的半导体材料中,总是不可避免地存在有杂质和各种类型的缺陷.特别是在半导体的研究和应用中,常常有意识的加入适当的杂质.这些杂质和缺陷产生的附加势场,有可能使电子和空穴束缚在杂质和缺陷的周围,产生局域化的电子态,在禁带中引入相应的杂质和缺陷能级.三、三、杂质和缺陷能和缺陷能级7编辑编辑ppt（2）替位式替位式杂质原子取代半导体的元素或离子的格点位置。间隙式隙式杂质：杂质原子进入半导体以后，位于晶格间隙位置或取代晶格原子，称为间隙式杂质 替位式替位式杂质：杂质原子进入半导体以后，取代晶格原子，这种杂质称为替位式杂质，要求杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近并且价电子壳层结构比较相近。 1、杂质的存在方式的存在方式8编辑编辑ppt9编辑编辑ppt10编辑编辑pptB A11编辑编辑ppt3.杂质半半导体体n型半型半导体体四价的本征半四价的本征半导体体 Si、等，、等，掺入少量入少量五价的五价的杂质（impurity）元素（如元素（如P、As等）形成等）形成电子型半子型半导体体,称称 n 型半型半导体。体。量子力学表明，量子力学表明，这种种掺杂后多余的后多余的电子的子的能能级在禁在禁带中中紧靠空靠空带处, ED10-2eV，极易形成极易形成电子子导电。该能能级称称为施主施主（donor）能能级。12编辑编辑pptn 型半型半导体体 在在n型半型半导体中体中 电子子多数多数载流子流子空空 带满 带施主能施主能级DEDDEgSiSiSiSiSiSiSiP空穴空穴少数少数载流子流子13编辑编辑ppt型半型半导体体四价的本征半四价的本征半导体体Si、e等，等，掺入少量入少量三价的三价的杂质元素（如、元素（如、Ga、n等）等）形成空穴型半形成空穴型半导体，称体，称 p 型半型半导体。体。量子力学表明，量子力学表明，这种种掺杂后多余的空穴的后多余的空穴的能能级在禁在禁带中中紧靠靠满带处， ED10-2eV，极易极易产生空穴生空穴导电。14编辑编辑ppt空空 带DEa满 带受主能受主能级 P型半型半导体体SiSiSiSiSiSiSi+BDEg在在p型半型半导体中体中 空穴空穴多数多数载流子流子电子子少数少数载流子流子15编辑编辑ppt 假设在能带中能量E与E+dE之间的能量间隔dE内有量子态dZ个，则定义状态密度g（E）为：1.3 半半导体中体中载流子的流子的统计分布分布1、状态密度16编辑编辑ppt费米分布函数 电子遵循费米-狄拉克（Fermi-Dirac）统计分布规律。能量为E的一个独立的电子态被一个电子占据的几率为 2 2、费米能米能级和和载流子流子统计分布分布17编辑编辑ppt费米能级EF的意义EF 18编辑编辑ppt波尔兹曼（Boltzmann）分布函数当E-EFk0T时,19编辑编辑ppt 服从Boltzmann分布的电子系统 非非简并系并系统 相应的半导体 非非简并半并半导体体 服从Fermi分布的电子系统 简并系并系统 相应的半导体 简并半并半导体体20编辑编辑ppt本征载流子的产生生：导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度 21编辑编辑ppt单位体积的电子数n0和空穴数p0：则22编辑编辑ppt23编辑编辑ppt说明明:1.(3)(4)式是非简并半导体导带电子浓度和价带空穴浓度的最基本的表示式,成立的条件是:4.半导体中载流子的浓度变化强烈地倚赖温度T,半导体中载流子的浓度随温度的灵敏变化是半导体的重要特性之一.2.对于非简并半导体,导带电子浓度取决于费米能级EF距离EC远近,费米能级EF距离EC愈远,电子的浓度愈小.3.对于非简并半导体,价带空穴的浓度取决于费米能级EF距离EV远近,费米能级EF距离EV愈远,空穴的浓度愈小.E-EFk0T24编辑编辑ppt3.本征半导体的载流子浓度本征半本征半导体体: :对于于纯净的半的半导体体, ,半半导体中体中费米能米能级的位的位置和置和载流子的流子的浓度只是材料自身的本征性度只是材料自身的本征性质所决定的所决定的, ,我我们称称为本征半本征半导体体. .顺便便谈一下一下,在有外界在有外界杂质存在的情况下存在的情况下,费米能米能级的位的位置和置和载流子的流子的浓度以及它度以及它们随温度的随温度的变化情况将与外化情况将与外界界杂质有关有关.本征激本征激发:在本征半在本征半导体中体中,载流子的流子的产生只是通生只是通过价价带的的电子激子激发到到导带而而产生的生的,这种激种激发的的过程叫本程叫本征激征激发.25编辑编辑ppt在热平衡态下，半导体是电中性的： n0=p0 （1） 本征半本征半导体的体的载流子流子浓度度:26编辑编辑ppt我我们可将可将EF解出解出:上式第一上式第一项系禁系禁带中中间的能量的能量,记为:Ei,第二第二项比第一比第一项要小的多要小的多,可以可以认为是本征是本征费米能米能级相相对与禁与禁带中中央央产生的小的偏离生的小的偏离.由上式所表示的由上式所表示的费米能米能级我我们称之称之为本征本征费米能米能级.*0ln432npvcmmTkEEEF+=EF还可写成下式可写成下式27编辑编辑ppt*0ln432npvcmmTkEEEF+=从上式可以看出:(1)如果导带底的有效质量和价带顶的有效质量相等,那么本征费米能级恰好位于禁带中央.(2)对于大多数的半导体材料,上式中的对数值要小于1,本征费米能级通常偏离禁带中央3K0T/4,这相对与禁带宽度是非常小的.为此,我们通常认为本征费米能级位于禁带中央的位置.(3)对于少数半导体,本征费米能级偏离禁带中央较明显,如锑化铟,mdp/mdn=32,而Eg=0.18ev,室温下,本征费米能级移至导带.28编辑编辑ppt一般温度下，一般温度下，Si、Ge、GaAs等本征半等本征半导体的体的EF近似在禁近似在禁带中央中央Ei，只有温度，只有温度较高高时，EF才会偏离才会偏离Ei。29编辑编辑ppt将本征将本征费米能米能级的公式代入的公式代入(2)(3)式即得到式即得到：1.本征载流子的浓度只与半导体本身的能带结构和所处的温度有关.结论:A、温度一定时，Eg大的材料，ni小；B、对同种材料，本征载流子的浓度ni随温度T按指数关系上升。 30编辑编辑ppt2.一定温度下，非简并半导体的热平衡载流子浓度乘积等于本征载流子浓度的平方,与所含杂质无关即:( )6npn2i00=几点说明:1.绝对纯净的物的物质是没有的是没有的,只要是半只要是半导体的体的载流子主流子主要来自于本征激要来自于本征激发,我我们便可便可认为其是本征半其是本征半导体体.通通常用几个常用几个9来表示半来表示半导体的体的纯度度.31编辑编辑ppt2.用本征材料制作的器件极不用本征材料制作的器件极不稳定，常用定，常用杂质半半导体。体。当在当在杂质饱和和电离的离的载流子的流子的浓度度远大于本征激大于本征激发的的载流子的流子的浓度的温度下度的温度下,半半导体器件可以正常工作体器件可以正常工作。3.由于本征由于本征载流子的流子的浓度随温度度随温度T的升高而迅速增加的升高而迅速增加,当本征当本征载流子的流子的浓度接近度接近杂质饱和和电离的离的载流子的流子的浓度度时,半半导体器件便不能工作体器件便不能工作,因此每一种半因此每一种半导体材料体材料器件有一定的极限工作温度器件有一定的极限工作温度,其随其随Eg增大而增加增大而增加.4.半半导体材料器件有一定的极限工作温度体材料器件有一定的极限工作温度还与与搀杂杂质的的浓度有关度有关,浓度越大极限温度越高度越大极限温度越高.32编辑编辑ppt4.载流子的漂移运流子的漂移运动和迁移率和迁移率漂移运漂移运动和漂移速度和漂移速度有有外外加加电压时，导体体内内部部的的自自由由电子子受受到到电场力力的的作作用用，沿沿着着电场的的反反方方向向作定向运作定向运动形成形成电流。流。电子子在在电场力力作作用用下下的的定定向向运运动称称为漂漂移移运运动，定向运，定向运动的速度称的速度称为漂移速度。漂移速度。33编辑编辑ppt欧姆定律欧姆定律金属：金属： 电子半半导体：体： 电子、空穴子、空穴 在严格周期性势场（理想）中运动的载流子在电场力的作用下将获得加速度，其漂移速漂移速度度应越来越大越来越大。结论:sE=J34编辑编辑ppt迁移率迁移率假设讨论的是n型半型半导体体，电子浓度为n0，在外电场下通过半导体的电流密度 35编辑编辑ppt同理，对p型半导体迁移率的意迁移率的意义：表征了在表征了在单位位电场下下载流子的平均漂移速度。流子的平均漂移速度。 它是表示半它是表示半导体体电迁移能力的重要参数。迁移能力的重要参数。在在实际半半导体中，体中，=nq+pq.n型半型半导体，体， np, =nq;p型半型半导体，体， pn, = pq;本征型半本征型半导体，体， n=p=n,= nq(+)36编辑编辑ppt5. 载流子的散射流子的散射我我们上面提到上面提到:在在严格周期性格周期性势场（理想）中运（理想）中运动的的 载流子在流子在电场力的作用下将力的作用下将获得加速得加速 度，其漂移速度度，其漂移速度应越来越大越来越大。实际中，中，存在很多破坏周期性存在很多破坏周期性势场的作用因素：的作用因素：如： * 杂质 * 缺陷 * 晶格热振动散射散射:晶体中的晶体中的杂质、缺陷以及晶格、缺陷以及晶格热振振动的影响，通常使的影响，通常使实际的晶格的晶格势场偏离理想的周期偏离理想的周期势场，这相当于相当于严格格的周期的周期势场上叠加了附加上叠加了附加势场，这个附加个附加势场作用于作用于载流子，将改流子，将改变载流子的运流子的运动状状态，这种情景我种情景我们称称之之为载流子的散射。流子的散射。37编辑编辑ppt1)散射情形下，散射情形下，载流子的运流子的运动分析：分析：自由程自由程l：相邻两次散射之间自由运动的路程。平均自由程：平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程。散射几率散射几率P：单位时间内一个载流子被散射的次数。38编辑编辑ppt电离离杂质散射：散射：即即库仑散射散射2)、半、半导体的主要散射机构体的主要散射机构VV电离离杂质散射示意散射示意图vv电离离 施主施主 散射散射电离离 受主受主 散射散射39编辑编辑ppt40编辑编辑ppt晶格振晶格振动散射散射有N个原胞的晶体 有N个格波波矢q 一个q=3支光学波(高频)+3支声学波(低频) 振振动方式方式: : 3 3个光学波个光学波=1=1个个纵波波+2+2个横波个横波 3 3个声学波个声学波=1=1个个纵波波+2+2个横波个横波格波的能量效应以ha为单元 -声子声子特点：各向同性。特点：各向同性。 a、声学波散射：PsT3/2b、光学波散射：Poexp（hv/k0T）-141编辑编辑ppt格波散射几率格波散射几率Pc 当当长声学波和声学波和长光学波散射作用同光学波散射作用同时存在存在时,晶格振晶格振动对载流子的流子的总散射概率散射概率应为以上两种散射之和以上两种散射之和.说明明:在共价在共价结合的元素半合的元素半导体中体中,长声学波散射作用是主要声学波散射作用是主要的的,在极性半在极性半导体中体中长光学波散射是主要的光学波散射是主要的.声学波的散射几率声学波的散射几率Ps纵光学波的散射几率光学波的散射几率Po: 42编辑编辑ppt二、半二、半导体材料的体材料的电阻率与温度和阻率与温度和杂质浓度的关系度的关系 电阻率的一般公式：阻率的一般公式： 43编辑编辑ppt(1) 本征半本征半导体体 2.电阻率随温度的阻率随温度的变化化T载流子来源于本征激流子来源于本征激发,温度越高温度越高,本征激本征激发越越厉害害,载流子越多流子越多,导电性就越性就越强.44编辑编辑ppt杂质离化区 过渡区 高温本征激发区 (2)杂质半导体45编辑编辑ppt 杂质离化区离化区 non+D；T，nD+，no TTT载流子由流子由杂质电离提供离提供,温度越高温度越高,载流子越多流子越多.散射主要是散射主要是电离离杂质散射散射,迁移率随温度的升高而迁移率随温度的升高而升高升高.46编辑编辑ppt 饱和区和区 noND， T， no TNDTT杂质基本全部基本全部电离离,本征激本征激发可以忽略可以忽略,载流子流子浓度基本不度基本不发生生变化化晶格振晶格振动散射散射为主要散射机构主要散射机构47编辑编辑ppt 本征区本征区T，ni，本征激本征激发为主要矛盾主要矛盾,温度升高温度升高,载流子流子浓度迅速增加度迅速增加,导电能力增能力增强.总结:1.对于本征半于本征半导体或体或搀杂浓度度较低的半低的半导体体,A.随着温度的升高随着温度的升高,载流子的流子的浓度迅度迅速增加速增加B.晶格振晶格振动散射散射为主要散射机构主要散射机构,随着温度的升随着温度的升高高,晶格振晶格振动加加剧,迁移率降低迁移率降低.比比较而言而言,载流子的流子的浓度增加度增加为主要矛盾主要矛盾,所以所以对于本于本征半征半导体或体或搀杂浓度度较低的半低的半导体而言体而言,温度越高温度越高导电能力越能力越强.48编辑编辑ppt2.对于于搀杂浓度度较高的半高的半导体体,低温低温电离区离区载流子主要由流子主要由杂质电离提供离提供,随温度的升高随温度的升高载流子增多流子增多,导电能力增能力增强.杂质电离散射离散射为主要散射机构主要散射机构,随温度升高迁移率增大随温度升高迁移率增大,导电能力增能力增强.总之之,处于低温于低温电离区的高离区的高搀杂半半导体随温度升高体随温度升高导电能力增能力增强.载流子流子浓度基本不度基本不发生生变化化晶格振晶格振动散射散射为主要散射机构主要散射机构,随温度升高迁移率减小随温度升高迁移率减小,导电能力减弱能力减弱.饱饱和区和区和区和区总之之,处于于饱和区的高和区的高搀杂半半导体随温度升高体随温度升高导电能力减弱能力减弱.本征区本征区本征区本征区情况与本征半情况与本征半导体体类似似.49编辑编辑ppt1、扩散定律由于浓度不均匀而导致载流子（电子或空穴）从高浓度处向低浓度处逐渐运动的过程 扩扩散散散散 5.6 5.6 载流子的流子的扩散运散运动 非非平平衡衡载流流子子的的扩散散光光照照xA B0xx+x非子从一端沿整个表面均匀非子从一端沿整个表面均匀产生，生， 且只在且只在x方向形成方向形成浓度梯度度梯度 ，非子是沿，非子是沿x方向运方向运动。 50编辑编辑ppt1非子的非子的扩散运散运动和一和一维稳态时的的扩散方程散方程 扩散流密度散流密度 Sp(x)：单位位时间通通过扩散流散流过垂直的垂直的单位位 面面积的的载流子流子 Dp为扩散系数，量散系数，量纲为cm2/s51编辑编辑ppt52编辑编辑ppt在在稳态时：情况情况1：样品足品足够厚厚时53编辑编辑ppt54编辑编辑ppt情况情况2.2.样品厚度品厚度为W W。 55编辑编辑ppt3 3、电子的子的扩散定律与散定律与稳态扩散方程散方程4、扩散散电流密度与漂移流密度与漂移电流密度流密度 相相应的的稳态扩散方程散方程56编辑编辑ppt稳态时，体内为电中性： Jn=0 即 5、非简并半导体的爱因斯坦关系：由于电子浓度分布不均匀，扩散的电子与电离施主在体内形成内建电场E内建，该电场又进一步阻挡电子的扩散。证明：考虑一块n型半导体,施主浓度随x的增加而下降,57编辑编辑ppt对于非简并半导体：58编辑编辑ppt59编辑编辑pptn1、阻、阻挡层与反阻与反阻挡层的形成的形成 n2、肖特基、肖特基势垒的定量特性的定量特性 n3、欧姆接触的特性、欧姆接触的特性 半半导体界面及接触体界面及接触现象象 半半接触PN结金半接触60编辑编辑ppt6.1 -结一一.-结的形成的形成在一在一块 n 型半型半导体基片的一体基片的一侧掺入入较高高浓度的受主度的受主杂质，由于，由于杂质的的补偿作用，作用，该区就成区就成为型半型半导体。体。由于区的由于区的电子向区子向区扩散，区的散，区的空穴向区空穴向区扩散，散，在型半在型半导体和体和型半型半导体的交界面附近体的交界面附近产生了一个生了一个电场,称称为内内建建场。61编辑编辑pptP型半型半导体体N型半型半导体体+扩散运散运动内内电场E漂移运漂移运动扩散的散的结果是使空果是使空间电荷区逐荷区逐渐加加宽，空，空间电荷区越荷区越宽。内内电场越越强，就使漂移，就使漂移运运动越越强，而漂移使空，而漂移使空间电荷区荷区变薄。薄。空空间电荷区，荷区，也称耗尽也称耗尽层。62编辑编辑ppt漂移运漂移运动P型半型半导体体N型半型半导体体+扩散运散运动内内电场E所以所以扩散和漂移散和漂移这一一对相反的运相反的运动最最终达到平衡，达到平衡，相当于两个区之相当于两个区之间没有没有电荷运荷运动，空，空间电荷区的厚荷区的厚度固定不度固定不变。63编辑编辑ppt+空空间电荷荷区区N型区型区P型区型区电位位VV064编辑编辑ppt考考虑到到P-结的存在，半的存在，半导体中体中电子的能量子的能量应考考虑进这内建内建场带来的来的电子附加子附加势能。能。 电子的能子的能带出出现弯曲弯曲现象。象。P型半型半导体能体能带n型半型半导体能体能带65编辑编辑ppt导带导带P-N结价价带价价带66编辑编辑ppt二二 . -结的的单向向导电性性. 正向偏正向偏压在在-结的的p型区接型区接电源正极，源正极，叫正向偏叫正向偏压。阻阻挡层势垒被削弱、被削弱、变窄，窄，有利于空穴有利于空穴向向N区运区运动，电子向子向P区运区运动， 形成正向形成正向电流（流（m级）。）。p型型n型型I67编辑编辑ppt外加正向外加正向电压越大，越大，正向正向电流也越大，流也越大，而且是呈非而且是呈非线性的性的伏安特性伏安特性(图为锗管管)。V（伏）（伏）（毫安）（毫安）正向正向00.21.0I68编辑编辑ppt. 反向偏反向偏压在在-结的型区接的型区接电源源负极极,叫反向偏叫反向偏压。阻阻挡层势垒增增大、大、变宽，不不利于空穴向利于空穴向区运区运动，也不，也不利于利于电子向子向P区运区运动,没有正没有正向向电流。流。p型型n型型I69编辑编辑ppt但是，由于少数但是，由于少数载流子的存在，流子的存在，会形成很弱的反会形成很弱的反向向电流，流，当外当外电场很很强,反向反向电压超超过某一数某一数值后，后，反向反向电流会急流会急剧增大增大-反向反向击穿。穿。称称为漏漏电流流（ 级）。）。击穿穿电压V(伏伏)I-（微安）（微安）反向反向-20-30利用利用P-N结 可以作成具有整流、开关可以作成具有整流、开关等作用的晶体二极管等作用的晶体二极管（diode）。）。70编辑编辑ppt半半导体的功函数体的功函数Ws E0与与费米能米能级之差称之差称为半半导体体的功函数。的功函数。表示从表示从Ec到到E0的能量的能量间隔：隔：称称为电子的子的亲和能，它表示要使半和能，它表示要使半导体体导带底底的的电子逸出体外所需要的最小能量。子逸出体外所需要的最小能量。6.2金属和半金属和半导体的功函数体的功函数影响影响功函数的因素是功函数的因素是掺杂浓度、度、温度和半温度和半导体的体的电子子亲和和势.71编辑编辑ppt金属和半金属和半导体接触体接触72编辑编辑ppt接触势垒 Wm-Ws=qVD接触前接触前接触后接触后73编辑编辑ppt金属一金属一边的的势垒 半半导体体一一边的的势垒 74编辑编辑ppt