半导体材料及其基本能带结构ppt课件.ppt

朱俊朱俊微电子与固体电子学院微电子与固体电子学院5.1 半导体及其基本能带结构半导体及其基本能带结构 半导体半导体是电阻率是电阻率 介于导体和绝缘体之间，并且具有介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻温度系数负的电阻温度系数(NTC)(NTC)的材料。的材料。室温电阻率：室温电阻率： 导导 体：体： 10-4 cm 【例如：例如： 铜铜 10-6 cm】； 半导体：半导体：10-3 cm 108 cm 【锗锗 0.2 cm】；绝缘体：绝缘体： 108 cm【玻璃玻璃1010 1014 cm 】。半导体材料的半导体材料的电阻率电阻率对其杂质含量、环境温度、以及光照、对其杂质含量、环境温度、以及光照、电场、磁场、压力等外界条件有非常高的灵敏性电场、磁场、压力等外界条件有非常高的灵敏性可控。可控。 1. 半导体的定义半导体的定义2. 半导体独特的物理性质半导体独特的物理性质 RTI 电流电流V 电压电压0正向正向反向反向1.3 半导体材料的分类半导体材料的分类(1). 化学组分和结构的不同，可分为：化学组分和结构的不同，可分为： 元素半导体元素半导体： Si，Ge，Diamond, Carbon nanotube, Graphene 化合物半导体化合物半导体: III-V族化合物（族化合物（ GaAs、GaN等）等） II-VI族化合物族化合物(CdS、ZnO、ZnTe) IV-IV族化合物族化合物(SiC) 固溶体半导体（固溶体半导体（ SiGe 、GaAlAs 、 GaAsP等）等） 非晶半导体非晶半导体: （非晶硅、玻璃态氧化物半导体等）（非晶硅、玻璃态氧化物半导体等） 有机半导体有机半导体(酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等 ) 3. 半导体的分类半导体的分类 1.3 半导体材料的分类半导体材料的分类(2). 禁带宽度的不同，可分为：禁带宽度的不同，可分为： 窄带隙半导体窄带隙半导体(Eg 2eV) ：GaN，ZnO，SiC，AlN 零带隙半导体零带隙半导体(Eg 0eV)： -Sn， Graphene(石墨烯石墨烯)(3). 使用功能的不同，可分为：使用功能的不同，可分为： 电子材料电子材料、光电材料光电材料、传感材料传感材料、热电致冷材料热电致冷材料等等3. 半导体的分类半导体的分类 v第一代半导体第一代半导体，元素半导体，元素半导体(以以Si和和Ge为代表为代表):n晶圆尺寸越来越大(812inch) 、特征线宽越来越小(32nm)nSOI、GeSi、Strain Silicon，high K栅介质nv第二代半导体第二代半导体，化合物半导体，化合物半导体(以以GaAs，InP等为代表等为代表)n超高速、低功耗、低噪音器件和电路，光电子器件和光电集成 n增大晶体直径(46 inch) 、提高材料的电学和光学微区均匀性n超晶格、量子阱材料 v第三代半导体第三代半导体，宽禁带半导体，宽禁带半导体(以以GaN，SiC，ZnO，金，金刚石等为代表刚石等为代表)n高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路v新型半导体新型半导体，以稀磁半导体，低维半导体等为代表，以稀磁半导体，低维半导体等为代表4. 半导体半导体材料材料的发展趋势的发展趋势 v由三维体材料向薄膜、两维超晶格量子阱、一维量由三维体材料向薄膜、两维超晶格量子阱、一维量子线和零维量子点材料方向发展。子线和零维量子点材料方向发展。n 三维体材料：电子在其中可以自由运动而不受限制的材料。n 二维超晶格、量子阱材料、二维原子晶体：电子在X、Y平面里可以自由运动，在Z方向电子运动受到了限制。n 一维量子线：电子只能在长度的方向上可以自由的运动，在另两个方向X和Y都不能自由运动。它的能量在X和Y两个方向上都是量子化的。n 零维量子点：材料三个维度上的尺寸都比电子的平均自由程相比或更小，这时电子像被困在一个笼子中，它的运动在三个方向都被受限。4. 半导体半导体材料材料的发展趋势的发展趋势 4. 半导体半导体材料材料的发展趋势的发展趋势 5. 半导体材料的应用半导体材料的应用 信息处理与存储信息处理与存储 通信、雷达通信、雷达 显显 示示 半导体照明半导体照明 太阳能电池、热电转换太阳能电池、热电转换 信息感测信息感测 半导体的半导体的 性质与用途性质与用途电子运动电子运动的多样化的多样化半导体的半导体的能带结构能带结构5.1 半导体及其基本能带结构半导体及其基本能带结构 硅和锗的原子结构硅和锗的原子结构 简化模型及晶体结构简化模型及晶体结构价电子是我们要研究的对象价电子是我们要研究的对象1. 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 金刚石结构（硅、金刚石结构（硅、锗、金刚石）锗、金刚石）纤锌矿结构（纤锌矿结构（GaN、AlN、InN）闪锌矿结构闪锌矿结构(GaAs、InSb、GaP)Ev价带顶价带顶 Ec导带底导带底 Eg满带满带禁带禁带空带空带空带空带满带满带2. 半导体半导体能带的形成能带的形成 T=0时，能量最低的空带时，能量最低的空带导带导带 能量最高的满带能量最高的满带价带价带导带底与价带顶能量之差导带底与价带顶能量之差带隙（禁带宽度）带隙（禁带宽度）E+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子共价键内的电子称为束缚电子称为束缚电子 价带价带 导带导带 挣脱原子核束缚的电子挣脱原子核束缚的电子称为自由电子称为自由电子价带中留下的空位价带中留下的空位称为空穴称为空穴禁带禁带E Eg g外电场外电场E E自由电子定向移动自由电子定向移动形成电子流形成电子流束缚电子填补空穴的束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流定向移动形成空穴流对硅对硅(sp3)：成键态：成键态价带价带 反键态反键态导带导带2. 半导体半导体能带的形成能带的形成 l价带上的电子由于本征激发跃迁到导带上，留下一个空价带上的电子由于本征激发跃迁到导带上，留下一个空着的状态。这个在几乎充满的能带中未被电子占据的空量着的状态。这个在几乎充满的能带中未被电子占据的空量子态称为空穴。子态称为空穴。l由电中性条件，空穴可以看成是一个带正电的粒子，因由电中性条件，空穴可以看成是一个带正电的粒子，因此，空穴为一准粒子，其物理特性可以由价带电子的性质此，空穴为一准粒子，其物理特性可以由价带电子的性质来描述。来描述。l引进空穴的概念后，价带上大量电子的集体效应可以用引进空穴的概念后，价带上大量电子的集体效应可以用少量的空穴来描述，空穴导电实质就是价带中大量电子的少量的空穴来描述，空穴导电实质就是价带中大量电子的导电。导电。 空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。n 本征半导体中有两种载流子本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴自由电子和空穴 n 在外电场的作用下，产生电流在外电场的作用下，产生电流 电子流和空穴流电子流和空穴流 电子流电子流自由电子作定向运动形成的自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动自由电子始终在导带内运动空穴流空穴流价电子递补空穴形成的价电子递补空穴形成的与外电场方向相同与外电场方向相同始终在价带内运动始终在价带内运动 用空穴移动产生的用空穴移动产生的电流代表束缚电子移电流代表束缚电子移动产生的电流动产生的电流电子浓度电子浓度ni = 空穴浓度空穴浓度piEvEcEg禁带禁带h h 3. 半导体的带隙半导体的带隙 被束缚的电子要成为自被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就，这个能量的最小值就是是带隙（禁带宽度）带隙（禁带宽度）。 禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于决定于半半导体的导体的能带结构能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。禁带宽度对于半导体器件性能的影响是不言而喻的，它直接禁带宽度对于半导体器件性能的影响是不言而喻的，它直接决决定着定着器件的器件的耐压耐压和和最高工作温度最高工作温度。 （金刚石、（金刚石、BJTBJT）l 本征光吸收本征光吸收：光照将价带中的电子激发到导带中，形成电：光照将价带中的电子激发到导带中，形成电子子空穴对，这一过程称为本征光吸收。光子的能量满足：空穴对，这一过程称为本征光吸收。光子的能量满足：h =hc/ Egl 电导率随温度变化电导率随温度变化3. 半导体的带隙半导体的带隙 3. 半导体的带隙半导体的带隙 v 价带的极大值和导带的极价带的极大值和导带的极小值都位于小值都位于k空间的原点上空间的原点上v 价 带 的 电 子 跃 迁 到 导 带价 带 的 电 子 跃 迁 到 导 带时，只要求能量的改变，时，只要求能量的改变，而电子的准动量不发生变而电子的准动量不发生变化化直接跃迁直接跃迁v 直 接 禁 带 半 导 体直 接 禁 带 半 导 体 GaAs，GaN，ZnOv 价带的极大值或导带的极价带的极大值或导带的极小值不位于小值不位于k空间的原点上空间的原点上v 价 带 的 电 子 跃 迁 到 导 带价 带 的 电 子 跃 迁 到 导 带时，不仅要求电子的能量时，不仅要求电子的能量要改变，电子的准动量也要改变，电子的准动量也要改变要改变间接跃迁间接跃迁v 间 接 禁 带 半 导 体间 接 禁 带 半 导 体 Si，Ge, SiC直接带隙直接带隙 间接带隙间接带隙 3. 半导体的带隙半导体的带隙 3. 半导体的带隙半导体的带隙 GaAs的能带结构的能带结构直接带隙直接带隙Si的能带结构的能带结构间接带隙间接带隙v 直接跃迁，效率高直接跃迁，效率高适合做发光器件和其他光电子器件适合做发光器件和其他光电子器件v 间接跃迁为了能量守恒，必须有声子参加，因而发生间接跃迁为了能量守恒，必须有声子参加，因而发生间接跃间接跃迁的概率要小得多迁的概率要小得多本征光吸收确定本征光吸收确定直接带隙与间接直接带隙与间接带隙带隙3. 半导体的带隙半导体的带隙 l 带隙是半导体重要的物理参数带隙是半导体重要的物理参数 导电性导电性器件耐压器件耐压工作温度工作温度发光发光光吸收光吸收l 带隙的确定、直接带隙与间接带隙带隙的确定、直接带隙与间接带隙5.1 半导体及其基本能带结构半导体及其基本能带结构 导带底附近的电子有效质量和价带顶附近的空穴导带底附近的电子有效质量和价带顶附近的空穴有效质量也是半导体能带的有效质量也是半导体能带的基本参数基本参数。l 反映半导体能带结构反映半导体能带结构l 费米能级的位置费米能级的位置 l 载流子浓度载流子浓度l 半导体迁移率和导电性半导体迁移率和导电性l 晶体中的电子和自由电子的差异晶体中的电子和自由电子的差异晶体中的电子，受到晶体中的电子，受到原子核周期性原子核周期性势场势场的影响。的影响。l 如何描述晶体中电子的能量？如何描述晶体中电子的能量？ 借用自由电子的能量公式：借用自由电子的能量公式：l 将其中的自由电子质量修正成将其中的自由电子质量修正成 mn*（电子在晶体中的有效（电子在晶体中的有效质量），则以上公式质量），则以上公式 变为变为 即可以简单关系式表示晶体中，受到原子核周期性即可以简单关系式表示晶体中，受到原子核周期性势场势场影影响的电子能量。响的电子能量。*22*222nnmkmPE0220222mkmPE1. 有效质量有效质量 模拟说明模拟说明两个容器中之球落底时间不同，这是因两个容器中之球落底时间不同，这是因为浮力不同。换个方向思考，将球落底为浮力不同。换个方向思考，将球落底所受的力只想成重力，不去计算所受的力只想成重力，不去计算浮力浮力问问题，可想成两个容器中球的质量不同，题，可想成两个容器中球的质量不同，才造成落地时间不同。才造成落地时间不同。水水油油一模一样一模一样的球的球同理，自由电子与晶体中电子所受的力场不同，所以能量不同理，自由电子与晶体中电子所受的力场不同，所以能量不同，但晶体中的力场不易得知，故换个想法，将晶体中质量同，但晶体中的力场不易得知，故换个想法，将晶体中质量修正为有效质量，则可不直接处理力场的问题，因此自由电修正为有效质量，则可不直接处理力场的问题，因此自由电子的相关公式皆可使用。子的相关公式皆可使用。有效质量有效质量是将周期性势场对电子的作用考虑了进去，电子在是将周期性势场对电子的作用考虑了进去，电子在晶体中远动时可以看作是质量为晶体中远动时可以看作是质量为mn*的自由电子。的自由电子。a）有效质量反映了晶体周期性势场的作用，则它不同于一般的惯性质量，）有效质量反映了晶体周期性势场的作用，则它不同于一般的惯性质量，有效质量可大于或小于其惯性质量，可以取正值（在能带底部）、也可有效质量可大于或小于其惯性质量，可以取正值（在能带底部）、也可以取负值（在能带顶部）；以取负值（在能带顶部）；b）有效质量是具有数个分量的张量，则载流子运动的加速度可以与外力）有效质量是具有数个分量的张量，则载流子运动的加速度可以与外力的方向不一致，只有当外力沿着等能面主轴方向时才具有相同的方向；的方向不一致，只有当外力沿着等能面主轴方向时才具有相同的方向；c）有效质量与电子或空穴所处的状态）有效质量与电子或空穴所处的状态k有关；有关；d）有效质量与能带结构有关，能带越宽，能带曲线的曲率半径也越小，）有效质量与能带结构有关，能带越宽，能带曲线的曲率半径也越小，有效质量就越小有效质量就越小（石墨烯）（石墨烯）；e）有效质量概念只有在能带极值（能带底或能带顶）附近才有意义，在）有效质量概念只有在能带极值（能带底或能带顶）附近才有意义，在能带中部则否（因为在能带中部的有效质量将趋于能带中部则否（因为在能带中部的有效质量将趋于）。）。带边有效质量带边有效质量*22*222nnmkmPE122221222*)1()(kEpEmn可由能带图（可由能带图（E-P图或图或E-k图）的曲率倒数求得。图）的曲率倒数求得。2. 带边有效质量带边有效质量 曲线越曲线越”胖胖”，曲率越小，有效质量越，曲率越小，有效质量越大大。 曲线越曲线越”瘦瘦”，曲率越大，有效质量越，曲率越大，有效质量越小小。一般半导体中的载流子，往往就是处在能带底（电子）或一般半导体中的载流子，往往就是处在能带底（电子）或能带顶（空穴）附近，故都可以采用有效质量概念。能带顶（空穴）附近，故都可以采用有效质量概念。 通过在晶体中引入应变来改变能带结构，通过在晶体中引入应变来改变能带结构，可降低有效质量和减小散射几率，以达到提高载可降低有效质量和减小散射几率，以达到提高载流子迁移率的目的流子迁移率的目的应变工程应变工程 价电带电子的价电带电子的E-k图曲率为图曲率为负负，所，所以此区以此区电子的有效质量为负电子的有效质量为负。考虑牛顿运动定律考虑牛顿运动定律*pnnnmeEmeEmeEaeEamF由左式分析，可知价带的电子由左式分析，可知价带的电子（具有负的有效质量）运动行（具有负的有效质量）运动行为可视为带正电的粒子（具有为可视为带正电的粒子（具有正的有效质量），此带正电的正的有效质量），此带正电的粒子即为粒子即为空穴空穴，其有效质量以，其有效质量以mp*表示。表示。-mn*=mp*2. 带边有效质量带边有效质量 122221222*)1()(kEpEmn 在恒定外磁场中，晶体中的电子在恒定外磁场中，晶体中的电子( (或空穴或空穴) )将作螺旋运动将作螺旋运动，回转频率：，回转频率： 0 = qB/mn*。 若在垂直于磁场方向加上频率为若在垂直于磁场方向加上频率为 的交变电场，当的交变电场，当=0时，交变电场的能量将被电子共振吸收，这个现象称为回旋时，交变电场的能量将被电子共振吸收，这个现象称为回旋共振。共振。3. 有效质量的测量有效质量的测量回旋共振回旋共振 l 推测或验证材料的能带结构，确定能谷在布里渊区的哪推测或验证材料的能带结构，确定能谷在布里渊区的哪些对称轴上些对称轴上 。l 测定电子和空穴和有效质量测定电子和空穴和有效质量(各向同性，各向异性各向同性，各向异性)3. 有效质量的测量有效质量的测量回旋共振回旋共振 测量磁场在某个面内不同方向上的回旋共振有效质量的值。测量磁场在某个面内不同方向上的回旋共振有效质量的值。例如：例如：Ge导带底等能面为旋转椭球，沿椭球旋轴导带底等能面为旋转椭球，沿椭球旋轴方向方向（）的纵有效质量为）的纵有效质量为ml*，垂直于，垂直于 方向的平面内各方方向的平面内各方向有效质量相同，为横有效质量向有效质量相同，为横有效质量mt* 。v Si和和Ge的的导带电子导带电子的的情况比较复杂，因为它们情况比较复杂，因为它们的的导带底不在导带底不在Brillouin区中心，数目区中心，数目分别是分别是6个和个和8个个v 并且导带底附近的等能面形状是椭球面，则其电子有效质量并且导带底附近的等能面形状是椭球面，则其电子有效质量在椭球等能面的不同方向上有所不同（可区分为纵向有效质在椭球等能面的不同方向上有所不同（可区分为纵向有效质量量ml*和横向有效质量和横向有效质量mt*）4. 常用半导体的有效质量常用半导体的有效质量对对Si导带底电子：导带底电子：ml*=0.98mo, mt*=0.19mo 对对Ge导带底电子：导带底电子：ml*=1.64mo，mt*=0.082mo三三. 带边有效质量带边有效质量 v Si、Ge的价带顶都位于的价带顶都位于 点，等能面是扭曲的球面点，等能面是扭曲的球面, 通常通常我们仍可将它们近似为一个球形。我们仍可将它们近似为一个球形。v 价带顶是三度简并，一般只考虑价带顶附近两只简并带。价带顶是三度简并，一般只考虑价带顶附近两只简并带。三三. 带边有效质量带边有效质量 由于能带简并，由于能带简并，Si和和Ge分别具有有效质量不同的两种空穴，分别具有有效质量不同的两种空穴，有效质量较大的有效质量较大的(mph)称为重空穴，有效质量较小的称为重空穴，有效质量较小的(mpl)称为称为轻空穴。轻空穴。室温下，对室温下，对Si价带顶附近的空穴：价带顶附近的空穴：mpl = 0.16mo，mph = 0.49mo ；对对Ge价带顶附近的空穴：价带顶附近的空穴：mpl = 0.04mo，mph =0.28mo另外由于自旋另外由于自旋-轨道耦合作用，还给出了轨道耦合作用，还给出了第三种空穴有效质量第三种空穴有效质量(mp3)，这个能带偏，这个能带偏离了价带顶，空穴不常出现。离了价带顶，空穴不常出现。对对Si和和Ge性质起作用的主要是重性质起作用的主要是重空穴和轻空穴。空穴和轻空穴。GaAs的导带底位于的导带底位于点，其导点，其导带底附近的等能面是球形的带底附近的等能面是球形的. mn*=0.067m0其价带在其价带在点简并，具有一个重点简并，具有一个重空穴带和一个轻空穴带。空穴带和一个轻空穴带。mpl=0.076mo，mph= 0.50mo三三. 带边有效质量带边有效质量 三三. 带边有效质量带边有效质量 六方纤锌矿六方纤锌矿GaN三三. 带边有效质量带边有效质量 l 有效质量概括了半导体内部势场的作用，应用有效质量使有效质量概括了半导体内部势场的作用，应用有效质量使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时不仅可得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时不仅可以像讨论自由电子一样讨论晶体中电子的运动，而且由于以像讨论自由电子一样讨论晶体中电子的运动，而且由于与能带结构有关，有助于对能带的研究。与能带结构有关，有助于对能带的研究。l 载流子有效质量概念都是源自于准经典近似的结果，这里载流子有效质量概念都是源自于准经典近似的结果，这里所讨论的有效质量直接关系着所讨论的有效质量直接关系着能带结构能带结构。l 但是在其他的应用场合中，载流子所表现出来的有效质量但是在其他的应用场合中，载流子所表现出来的有效质量在数值上将有所不同。在数值上将有所不同。 例如在电导问题中，则需要采用所谓例如在电导问题中，则需要采用所谓；而在分析载流子浓度的分布问题中，则需要采用所谓而在分析载流子浓度的分布问题中，则需要采用所谓。小小 结结了解：了解：半导体的特性、分类及其发展趋势半导体的特性、分类及其发展趋势重点掌握：重点掌握：l 半导体的半导体的导带、价带、空穴导带、价带、空穴l 带隙、带隙的确定带隙、带隙的确定l 有效质量有效质量的意义的意义理想的半导体材料理想的半导体材料 没有没有缺陷缺陷或没有或没有杂质杂质 对纯的半导体材料掺入适当的杂质，可以提供载流子对纯的半导体材料掺入适当的杂质，可以提供载流子实际的半导体实际的半导体除了与能带对应的电子共有化状态以外，还有一些电子被杂质除了与能带对应的电子共有化状态以外，还有一些电子被杂质或者缺陷原子所束缚或者缺陷原子所束缚载流子载流子激发到导带中的电子和价带中的空穴激发到导带中的电子和价带中的空穴下一节：下一节：5.2 5.2 半导体中的杂质半导体中的杂质 谢谢谢谢! !