最新半导体基础知识77359PPT课件.ppt

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1、SiliconTR半导体金属绝缘体电阻温度系数电阻温度系数无机半导体无机半导体晶体材料晶体材料元素半导体：元素半导体：化合物半导体：化合物半导体：固溶体半导体：固溶体半导体：有机分子晶体有机分子晶体有机半导体有机半导体高分子聚合物高分子聚合物有机分子络合物有机分子络合物半导体的分类半导体的分类玻璃半导体、稀土半导体玻璃半导体、稀土半导体能级能级（Enegy Level）：在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。孤立原子中的电子状态孤立原子中的电子状态 主量子数主量子数 n:1,2,3,

2、n:1,2,3,，决定能量的主要因素决定能量的主要因素 角量子数角量子数 l：0，1，2，（n1），决），决 定角动量，对能量有一定影响定角动量，对能量有一定影响 磁量子数磁量子数 ml：0，1，2，l，决定决定 L的空间取向，引起磁场中的能级分裂的空间取向，引起磁场中的能级分裂 自旋量子数自旋量子数 ms：1/2，产生能级精细结构产生能级精细结构电子的共有化运动电子的共有化运动:在晶体中，在晶体中，电子由一个原子转移到相邻电子由一个原子转移到相邻的原子去，因而，电子将可以在整个晶的原子去，因而，电子将可以在整个晶体中运动体中运动。2p2p2p2p3s3s3s3s禁带：价带：导带：2、能带特点

3、能带特点允带能带原子级能禁带禁带原子轨道dps能量Es 能级：共有化运动弱，能级分裂晚，形成能带窄； p、 d 能 级 ： 共 有 化 运 动 强 ， 能 级分 裂 早 ， 形 成 的 能 带 宽 。 3、绝缘体、半导体、导体能带情况、绝缘体、半导体、导体能带情况导带导带半满带禁带价带禁带价带满带绝缘体半导体导体常温下： Si：Eg=1.12 eV Ge: Eg=0.67 eV GaAs: Eg =1.43 eV4、导电的条件：自由载流子半导体中的自由载流子：电子、空穴产生自由载流子的方式：电子热运动、 外场激发（电场） 单晶硅方棒(2) 半导体中人为地掺入少量杂质形成半导体中人为地掺入少量杂

4、质形成杂质半导体杂质半导体，杂质对半导体导电性能影，杂质对半导体导电性能影响很大。在技术上通常用控制杂质含量响很大。在技术上通常用控制杂质含量（即掺杂）来控制半导体导电特性。（即掺杂）来控制半导体导电特性。A、N型半导体 在四价原子硅（Si）晶体中掺入五价原子，例如磷（P）或砷（As），形成N型半导体。在晶格中某个硅原子被磷原子所替代，五价原子用四个价电子与周围的四价原子形成共价键，而多余一个电子，此多余电子受原子束缚力要比共价键上电子所受束缚力小得多，容易被五价原子释放，游离跃迁到导带上形成自由电子。 v易释放电子的原子称为施主，施主束缚电子的能量状态称为施主能级ED。ED位于禁带中，较靠近

5、材料的导带底。vED与Ec间的能量差称为施主电离能。vN型半导体由施主控制材料导电性。 电导率的高低与掺入施主杂质的浓度成正比。杂质硅的原子图像和能带图杂质硅的原子图像和能带图 B、P型半导体型半导体 在四价原子硅（Si）晶体中掺入三价原子，例如硼（B），形成P型半导体。晶体中某个硅原子被硼原子所替代，硼原子的三个价电子和周围的硅原子中四个价电子要组成共价键，形成八个电子的稳定结构，缺一个电子。于是很容易从硅晶体中获取一个电子形成稳定结构，使硼原子外层多了一个电子变成负离子，而在硅晶体中出现空穴。 v容易获取电子的原子称为受主受主。受主获取电子的能量状态称为受主能级受主能级EAvEA与Ev间能

6、量差称为受主电离能。P型半导体由受主控制材料导电性。 杂质硅的原子图像和能带图杂质硅的原子图像和能带图 C、 N型半导体与型半导体与P型半导体的比较型半导体的比较 半导体所掺杂质多数载流子（多子）少数载流子（少子）特性N型施主杂质电子空穴电子浓度n空穴浓度pP型受主杂质空穴电子电子浓度n空穴浓度p在在 一一 定定 的的 温温 度度 下下 ， N N 型型 半半 导导 体体 中中存存 在在 ： 三、热平衡状态和热平衡载流子三、热平衡状态和热平衡载流子EcEv产生产生复合复合ED在一定温度一定温度 T 下，载流子的产生过程与复合过程之间处于动态 的平衡，这种状态状态就叫热平衡状态热平衡状态。2、热

7、平衡载流子浓度、热平衡载流子浓度 在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导在一定温度下，若没有其他的外界作用，半导体中的自由电子和空穴是由热激发产生的。电子从体中的自由电子和空穴是由热激发产生的。电子从不断热振动的晶体中获得一定的能量，从价带跃迁不断热振动的晶体中获得一定的能量，从价带跃迁到导带，形成自由电子，同时在价带中出现自由空到导带，形成自由电子，同时在价带中出现自由空穴。在热激发同时，电子也从高能量的量子态跃迁穴。在热激发同时，电子也从高能量的量子态跃迁到低能量的量子状态，向晶格放出能量，这就是到低能量的量子状态，向晶格放出能量，这就是载载流子的复合流子的复合。 在一定温度下，若没有其

8、他外界作用，激发和复在一定温度下，若没有其他外界作用，激发和复合两种过程形成平衡，称为热平衡状态，此时载流合两种过程形成平衡，称为热平衡状态，此时载流子称子称热平衡载流子。热平衡载流子。其其浓度即为某一稳定值。浓度即为某一稳定值。 热平衡载流子热平衡载流子11)(kTEEFeEf11)(1kTEEFeEf费米分布函数空穴的费米分布函数11)(kTEEFeEf11)(kTEEFeEfT=0K1/2T2T1ET1T2FE)(Ef1例：例：量子态的能量量子态的能量 E 比比 EF 高或低高或低 5kT （0.13eV)当当 EEF 5 kT 时：时： f (E) 0.007当当 EEF 5 kT 时

9、：时： f (E) 0.993温度不很高时温度不很高时: 能量大于能量大于 EF 的量子态基本没有被电子占据的量子态基本没有被电子占据 能量小于能量小于 EF 的量子态基本为电子所占据的量子态基本为电子所占据 电子占据电子占据 EF 的概率在各种温度下总是的概率在各种温度下总是 1/2费米能级由温度和杂质浓度决定费米能级由温度和杂质浓度决定杂质半导体中，杂质半导体中，EF的位置既反映的位置既反映其导电类型，又反映其掺杂水平其导电类型，又反映其掺杂水平四、非平衡载流子四、非平衡载流子 半导体在外界条件有变化（如受光照、外电场作用、温度变化）时，载流子浓度要随之发生变化，此时系统的状态称为非平衡态

10、。相对于热平衡状态时，增加的载流子称为非平衡载流子。 注入方式：注入方式： 电注入：电注入： 光注入：光注入： 产生与复合产生与复合v使非平衡载流子浓度增加的过程称为载流子的产生，单位时间、单位体积内增加的电子空穴对数目称为产生率G。v使非平衡载流子浓度减少的过程称为载流子的复合，是指电子与空穴相遇时，成对消失，以热或发光方式释放出多余的能量。单位时间、单位体积内减少的电子空穴对数目称为复合率R。非平衡载流子寿命非平衡载流子寿命 v非平衡载流子寿命：非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间。它表征复合的强弱，小表示复合快，大表示复合慢。v决定了光电器件的时间特性，采用光激发方式的光生载流子寿

11、命与光电转换的效果有直接关系。 v的大小与材料的微观复合结构、掺杂、缺陷有关。陷阱效应 半导体中的杂质除了决定材料的导电性质和影响非平衡载流子的复合作用外，还有一种重要的作用，即陷阱效应。陷阱效应陷阱效应：杂质能级积累非平衡载流子的作用。：杂质能级积累非平衡载流子的作用。所有杂质能级都有一定的陷阱作用。所有杂质能级都有一定的陷阱作用。陷阱陷阱：有显著陷阱效应的杂质能级。：有显著陷阱效应的杂质能级。陷阱中心陷阱中心：相应的杂质和缺陷称为陷阱中心。：相应的杂质和缺陷称为陷阱中心。对于 pnrr 的杂质， 电子的俘获能力远大于俘获空穴的能力， 称为电子陷阱电子陷阱。 对于 nprr 的杂质， 俘获空

12、穴的能力远大于俘获电子的能力， 称为空穴陷阱空穴陷阱。 陷阱的作用：增长载流子的存在时陷阱的作用：增长载流子的存在时间，延长非平衡载流子的寿命。间，延长非平衡载流子的寿命。五、载流子的运动1、漂移、漂移v载流子载流子在外电场作用下在外电场作用下，电子向正电，电子向正电极方向运动，空穴向负电极方向运动称极方向运动，空穴向负电极方向运动称为漂移。为漂移。v在强电场作用下，由于饱和或雪崩击在强电场作用下，由于饱和或雪崩击穿半导体会偏离欧姆定律。在弱电场作穿半导体会偏离欧姆定律。在弱电场作用下，用下，半导体中载流子漂移运动服从欧半导体中载流子漂移运动服从欧姆定律姆定律。漂移引起的电流密度为漂移引起的电

13、流密度为 ： j=nq，（n为载流子密度；为载流子密度；为载流子的平均漂移速度。）为载流子的平均漂移速度。）从欧姆定律的微分形式：从欧姆定律的微分形式： j=E，（为电导率；为电导率；E为电场强度。）为电场强度。） 故故 nq=E=(/nq)E=E表明电子漂移的平均速度与场强成正比。表明电子漂移的平均速度与场强成正比。式中式中称作迁移率，它表示载流子在单位电场下的漂称作迁移率，它表示载流子在单位电场下的漂移速度，其单位是厘米移速度，其单位是厘米2/秒秒伏伏（cm2/s V)载流子热运动示意图载流子热运动示意图载流子散射：载流子散射：载流子在半导体中载流子在半导体中运动时，不断地与运动时，不断地

14、与热振动着的晶格原热振动着的晶格原子或电离了的杂质子或电离了的杂质离子发生碰撞。离子发生碰撞。用用波的概念，即电波的概念，即电子波在半导体中传子波在半导体中传播时遭到了散射。播时遭到了散射。载流子的运动载流子的运动2 2. .有有电电场场 平均自由程： 连续两次散射之间的自由运动的平均路程。 平均自由时间：连续两次散射之间的自由运动的平均时间。E平均自由时间为:NN321在电场中电子所获得的加速度：a=qE/m*m*：电子有效质量，考虑了晶格对电子运动的影响并对电子静止质量进行修正后得到的值。 =a f =(qE/m* f)=(qf /m*)E有=q f /m*，表明与f 、m*有关。 在同一

15、种半导体中，电子的有效质量 比空穴的有效质量小，所以电子的迁移率比空穴的迁移率大。 同一种载流子在导电类型不同的半导体中，因浓度不同，平均自由程不同，f 也不同，故也不同。半导体中杂质浓度增加时，载流子碰撞机会增多， f 减小，将随之减小。2、扩散、扩散v载流子因浓度不均匀而发生的从浓度高的点向浓度低的点运动。 v受光部分产生非平衡载流子，其浓度随离开表面距离x的增大而减小，因此就要沿x方向从表面向体内扩散，在晶体中重新达到均匀分布。光注入，非平衡载流子扩光注入，非平衡载流子扩散示意图散示意图 六、半导体对光的吸收v半导体材料吸收光子能量半导体材料吸收光子能量转换成电能是光电器件的工转换成电能

16、是光电器件的工作基础。作基础。v光垂直入射到半导体表面光垂直入射到半导体表面时，进入到半导体内的光强时，进入到半导体内的光强遵照吸收定律：遵照吸收定律：Ix=I0(1-r)e-x光垂直入射于半导体表光垂直入射于半导体表面时发生反射与吸收面时发生反射与吸收x0 1、本征吸收本征吸收 半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带，在价带中留下空穴，产生等量的电子与空穴，这种吸收过程叫本征吸收。 v产生本征吸收的条件：入射光子的能量（h）至少要等于材料的禁带宽度Eg。即hEg从而有 0Eg/h 0则 0其中： 0：材料的频率阈值 0：材料的波长阈值（本征吸收的长波限）)(24. 10mEEchgg几

17、种重要半导体材料的波长阈值 材料温度/KEg /eV /m材料温度/KEg /eV /mSe3001.80.69InSb3000.186.9Ge3000.811.5GaAs3001.350.92Si2901.091.1GaP3002.240.55PbS2950.432.92、非本征吸收非本征吸收非本征吸收包括非本征吸收包括杂质吸收杂质吸收、自由载流子吸收自由载流子吸收、激子吸收激子吸收和和晶格吸收晶格吸收等。等。 v杂质吸收杂质吸收：杂质能级上的电子（或空穴）吸：杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带），这种吸收称为杂

18、质吸收。杂质吸收到价带），这种吸收称为杂质吸收。杂质吸收的波长阈值多在的波长阈值多在红外区红外区或或远红外区远红外区。v自由载流子吸收：自由载流子吸收：导带内的电子或价带内的导带内的电子或价带内的空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由低空穴也能吸收光子能量，使它在本能带内由低能级迁移到高能级，这种吸收称为自由载流子能级迁移到高能级，这种吸收称为自由载流子吸收，表现为吸收，表现为红外红外吸收吸收。v激子吸收激子吸收：价带中的电子吸收小于禁带宽度：价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但因能量不够还不的光子能量也能离开价带，但因能量不够还不能跃迁到导带成为自由电子。这时，电子实际能跃

19、迁到导带成为自由电子。这时，电子实际还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个还与空穴保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为电中性系统，称为激子激子。能产生激子的光吸收。能产生激子的光吸收称为称为激子吸收激子吸收。这种吸收的光谱多密集与本征。这种吸收的光谱多密集与本征吸收波长阈值的吸收波长阈值的红外红外一侧。一侧。v晶格吸收晶格吸收：半导体原子能吸收能量较低的光：半导体原子能吸收能量较低的光子，并将其能量直接变为晶格的振动能，从而子，并将其能量直接变为晶格的振动能，从而在远红外区形成一个连续的吸收带，这种吸收在远红外区形成一个连续的吸收带，这种吸收称为称为晶格吸收晶格吸收。 在它的低能

20、量端，在它的低能量端，吸收系数陡然下降，称吸收系数陡然下降，称为为吸收边缘。吸收边缘。 本征吸收后，价带中本征吸收后，价带中的空穴和导带中的电子的空穴和导带中的电子是自由的，可以在电场是自由的，可以在电场的作用下进行漂移，产的作用下进行漂移，产生光电导，吸收系数可生光电导，吸收系数可达达105106cm1。 在低温时，这些能态是比较稳定的（衰减时间在低温时，这些能态是比较稳定的（衰减时间约约105106 s），这时的光吸收不产生光电导，），这时的光吸收不产生光电导，受激电子与空穴是在同一原子（离子）上，这种受激电子与空穴是在同一原子（离子）上，这种电子空穴构成一个系统，称为激子。由于激子吸电子空穴构成一个系统，称为激子。由于激子吸收，在这个区域常观察到光谱的精细结构。收，在这个区域常观察到光谱的精细结构。弗伦克尔激子弗伦克尔激子: :不能自不能自由移动的激子叫做束由移动的激子叫做束缚激子缚激子 在自由载流子吸收区中，当光波长处于在自由载流子吸收区中，当光波长处于202050m50m时，存在有入射光子和晶格振动时，存在有入射光子和晶格振动之间的相互作用所引起的一组新的吸收峰。之间的相互作用所引起的一组新的吸收峰。称为称为晶格吸收晶格吸收。3、总结、总结75 结束语结束语