半导体材料及其基本能带结构.pptx

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1、5.1 半导体及其基本能带结构 一一.半导体材料半导体材料 二二.半导体的带隙半导体的带隙 三三.带边有效质量带边有效质量 第1页/共42页半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 一一.半导体材料半导体材料半导体是电阻率介于导体和绝缘体之间，并且具有负的电阻温度系数(NTC)的材料。室温电阻率：导 体：10-4 cm【例如：铜 10-6 cm】；半导体：10-3 cm108 cm【锗 0.2 cm】；绝缘体：108 cm【玻璃1010 1014 cm】。半导体材料的电阻率对其杂质含量、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可控。1.半导体的定义第2页/共42页 整流效

2、应整流效应 光电导光电导 效应效应 负的电阻温度负的电阻温度(NTC)(NTC)效应效应 光生伏特光生伏特效应效应 霍尔效应霍尔效应 2.半导体独特的物理性质 RTI 电流电流V 电压电压0正向正向反向反向半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 一一.半导体材料半导体材料第3页/共42页1.3 半导体材料的分类(1).化学组分和结构的不同，可分为：元素半导体：Si，Ge，Diamond,Carbon nanotube,Graphene 化合物半导体:III-V族化合物（GaAs、GaN等）II-VI族化合物(CdS、ZnO、ZnTe)IV-IV族化合物(SiC)固溶体半导体（SiGe、GaA

3、lAs、GaAsP等）非晶半导体:（非晶硅、玻璃态氧化物半导体等）有机半导体(酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等)3.半导体的分类 半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 一一.半导体材料半导体材料第4页/共42页1.3 半导体材料的分类(2).禁带宽度的不同，可分为：窄带隙半导体(Eg 2eV)：GaN，ZnO，SiC，AlN 零带隙半导体(Eg 0eV)：-Sn，Graphene(石墨烯)(3).使用功能的不同，可分为：电子材料、光电材料、传感材料、热电致冷材料等半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 一一.半导体材料半导体材料3.半导体的分类 第5页/共42页第一代半导体，元素半导体(以Si和

4、Ge为代表):晶圆尺寸越来越大晶圆尺寸越来越大(812inch)(812inch)、特征线宽越来越小、特征线宽越来越小(32nm)(32nm)SOISOI、GeSiGeSi、Strain SiliconStrain Silicon，high Khigh K栅介质栅介质 第二代半导体，化合物半导体(以GaAs，InP等为代表)超高速、低功耗、低噪音器件和电路，光电子器件和光电集成超高速、低功耗、低噪音器件和电路，光电子器件和光电集成 增大晶体直径增大晶体直径(46 inch)(46 inch)、提高材料的电学和光学微区均匀性、提高材料的电学和光学微区均匀性超晶格、量子阱材料超晶格、量子阱材料 第

5、三代半导体，宽禁带半导体(以GaN，SiC，ZnO，金刚石等为代表)高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路高频大功率、耐高温、抗辐照半导体微电子器件和电路新型半导体，以稀磁半导体，低维半导体等为代表材料体系的发展材料体系的发展 半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 一一.半导体材料半导体材料4.半导体材料的发展趋势 第6页/共42页材料维度的发展材料维度的发展 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。三维体材料三维体材料：电子在其中可以自由运动而不受限制的材料。：电子在其中可以自由运动而不受限制的材料。二维超晶格、量子阱材料、二维超晶格、量子阱材

6、料、二维原子晶体二维原子晶体：电子在：电子在X X、Y Y平平面里可以自由运动，在面里可以自由运动，在Z Z方向电子运动受到了限制。方向电子运动受到了限制。一维量子线一维量子线：电子只能在长度的方向上可以自由的运动，：电子只能在长度的方向上可以自由的运动，在另两个方向在另两个方向X X和和Y Y都不能自由运动。它的能量在都不能自由运动。它的能量在X X和和Y Y两个两个方向上都是量子化的。方向上都是量子化的。零维量子点零维量子点：材料三个维度上的尺寸都比电子的平均自由：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，它的运动程相比或更小，这时电子像被困在一个笼子

7、中，它的运动在三个方向都被受限。在三个方向都被受限。半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 一一.半导体材料半导体材料4.半导体材料的发展趋势 第7页/共42页半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 一一.半导体材料半导体材料材料维度的发展材料维度的发展 4.半导体材料的发展趋势 第8页/共42页5.半导体材料的应用 信息处理与存储 通信、雷达 显 示 半导体照明 太阳能电池、热电转换 信息感测 半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 一一.半导体材料半导体材料第9页/共42页半导体的 性质与用途电子运动的多样化半导体基本能带结构半导体基本能带结构半导体的能带结构能带工程能带工程能带裁剪

8、能带裁剪杂质工程杂质工程应变工程应变工程缺陷工程缺陷工程第10页/共42页5.1 半导体及其基本能带结构 一一.半导体材料半导体材料 二二.半导体的带隙半导体的带隙 三三.带边有效质量带边有效质量 半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 二二.半导体的带隙半导体的带隙第11页/共42页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 金刚石结构（硅、锗、金刚石）纤锌矿结构（GaN、AlN、InN）半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 二二.半导体的带隙半导体的带隙闪锌矿结构(GaAs、InSb、G

9、aP)第12页/共42页Ev价带顶价带顶 Ec导带底导带底 Eg导带导带导带导带 价带价带价带价带满带禁带禁带空带空带空带空带满带满带2.半导体能带的形成 T=0时，能量最低的空带导带 能量最高的满带价带导带底与价带顶能量之差带隙（禁带宽度）E半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 二二.半导体的带隙半导体的带隙第13页/共42页+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键内的电子称为束缚电子 价带价带 导带导带 挣脱原子核束缚的电子称为自由电子价带中留下的空位称为空穴禁带禁带E Eg g外电场外电场E E自由电子定向移动形成电子流束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流对硅(sp3)：成键态价带

10、 反键态导带半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 二二.半导体的带隙半导体的带隙2.半导体能带的形成 第14页/共42页空穴l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。l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导电。空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。第15页/共42页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

11、 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 用用空空穴穴移移动动产产生生的的电电流流代代表表束束缚缚电电子子移移动产生的电流动产生的电流电子浓度ni=空穴浓度pi半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 二二.半导体的带隙半导体的带隙第16页/共42页EvEcEg导带导带导带导带 价带价带价带价带禁带禁带h

12、 h 3.半导体的带隙 被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是带隙（禁带宽度）。禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构，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，它直接决定着器件的耐压和最高工作温度。（金刚石、BJT）半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 二二.半导体的带隙半导体的带隙第17页/共42页l 本征光吸收：光照将价带中的电子激发到导带中，形成电子空穴对，这一过程称为本征光吸收。光子的能量满足：h=hc/Eg带隙带隙E Eg g的测量的测量 l 电导率随温度变化半导体

13、的基本能带结构半导体的基本能带结构 二二.半导体的带隙半导体的带隙3.半导体的带隙 第18页/共42页直接带隙与间接带隙直接带隙与间接带隙 直接带隙直接带隙 间接带隙间接带隙 半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 二二.半导体的带隙半导体的带隙3.半导体的带隙 第19页/共42页价带的极大值和导带的极小值都位于k空间的原点上价带的电子跃迁到导带时，只要求能量的改变，而电子的准动量不发生变化直接跃迁直接禁带半导体GaAs，GaN，ZnO价带的极大值或导带的极小值不位于k空间的原点上价带的电子跃迁到导带时，不仅要求电子的能量要改变，电子的准动量也要改变间接跃迁间接禁带半导体 Si，Ge,SiC

14、直接带隙 间接带隙 半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 二二.半导体的带隙半导体的带隙3.半导体的带隙 直接带隙与间接带隙直接带隙与间接带隙 第20页/共42页3.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，因而发生间接跃迁的概率要小得多本征光吸收确定直接带隙与间接带隙半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 二二.半导体的带隙半导体的带隙第21页/共42页半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 二二.半导体的带隙半导体的带隙电子电子-空穴对复合

15、发光空穴对复合发光 3.半导体的带隙 第22页/共42页Tipsl 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第23页/共42页5.1 半导体及其基本能带结构 一一.引言引言半导体半导体 二二.半导体的带隙半导体的带隙 三三.带边有效质量带边有效质量 第24页/共42页导导带带底底附附近近的的电电子子有有效效质质量量和和价价带带顶顶附附近近的的空空穴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

16、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第25页/共42页l晶体中的电子和自由电子的差异晶体中的电子，受到原子核周期性势场的影响。l如何描述晶体中电子的能量？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 mn*（电子在晶体中的有效质量），则以上公式 变为 即可以简单关系式表示晶体中，受到原子核周期性势场影响的电子能量。1.有效质量 半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 三三.带边有效质量带边有效质量 有效质量近似有效质量近似第26页/共42页模拟说明模拟说明两两个个容容器器中中之之球球落落底底时时间间不不同同，这这是是因

17、因为为浮浮力力不不同同。换换个个方方向向思思考考，将将球球落落底底所所受受的的力力只只想想成成重重力力，不不去去计计算算浮浮力力问问题题，可可想想成成两两个个容容器器中中球球的的质质量量不不同同，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同理理，自自由由电电子子与与晶晶体体中中电电子子所所受受的的力力场场不不同同，所所以以能能量量不不同同，但但晶晶体体中中的的力力场场不不易易得得知知，故故换换个个想想法法，将将晶晶体体中中质质量量修修正正为为有有效效质质量量，则则可可不不直直接接处处理理力力场场的的问问题题，因因此此自自由由电电子子的的相相关关公式皆可使用。公式

18、皆可使用。有效质量是将周期性势场对电子的作用考虑了进去，电子在晶体中远动时可以看作是质量为mn*的自由电子。半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 三三.带边有效质量带边有效质量 第27页/共42页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）；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k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，有效质量就越小（

19、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，在能带中部则否（因为在能带中部的有效质量将趋于）。有效质量的性质有效质量的性质带边有效质量第28页/共42页可由能带图（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 曲线越”胖”，曲率越小，有效质量越大。曲线越”瘦”，曲率越大，有效质量越小。半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 三三.带边有效质量带边有效质量 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。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

20、提高载流子迁移率的目的应变工程 第29页/共42页价价电电带带电电子子的的E-k图图曲曲率率为为负负，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由由左左式式分分析析，可可知知价价带带的的电电子子（具具有有负负的的有有效效质质量量）运运动动行行为为可可视视为为带带正正电电的的粒粒子子（具具有有正正的的有有效效质质量量），此此带带正正电电的的粒粒子子即即为为空空穴穴，其其有有效效质质量量以以mp*表示。表示。-mn*=mp*2.带边有效质量 空穴空穴有效质量有效质量半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 三三.带边有效质量带边有效质量 第30页/共42

21、页 等能面为球面等能面为球面(m*m*为各向同性为各向同性)时情况时情况 在恒定外磁场中，晶体中的电子(或空穴)将作螺旋运动，回转频率：0=qB/mn*。若在垂直于磁场方向加上频率为 的交变电场，当=0时，交变电场的能量将被电子共振吸收，这个现象称为回旋共振。半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 三三.带边有效质量带边有效质量 3.有效质量的测量回旋共振 l 推测或验证材料的能带结构，确定能谷在布里渊区的哪些对称轴上。l 测定电子和空穴和有效质量(各向同性，各向异性)回旋共振法用途回旋共振法用途第31页/共42页半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 三三.带边有效质量带边有效质量 3.

22、有效质量的测量回旋共振 等能面为椭球面等能面为椭球面(m*m*为各向异性为各向异性)时情况时情况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：Ge导带底等能面为旋转椭球，沿椭球旋轴方向（）的纵有效质量为ml*，垂直于 方向的平面内各方向有效质量相同，为横有效质量mt*。第32页/共42页Si和Ge的导带电子的情况比较复杂，因为它们的导带底不在Brillouin区中心，数目分别是6个和8个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量ml*和横向有效质量mt*）4.常用半导体的有效质量(1)Si(1)Si和和GeGe的导带底

23、附近有效质量的导带底附近有效质量半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 三三.带边有效质量带边有效质量 对Si导带底电子：ml*=0.98mo,mt*=0.19mo 对Ge导带底电子：ml*=1.64mo，mt*=0.082mo第33页/共42页三.带边有效质量 (2)Si(2)Si和和GeGe的价带及轻空穴、重空穴的价带及轻空穴、重空穴半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 三三.带边有效质量带边有效质量 Si、Ge的价带顶都位于 点，等能面是扭曲的球面,通常我们仍可将它们近似为一个球形。价带顶是三度简并，一般只考虑价带顶附近两只简并带。第34页/共42页三.带边有效质量 (2)Si(2

24、)Si和和GeGe的价带及轻空穴、重空穴的价带及轻空穴、重空穴由于能带简并，Si和Ge分别具有有效质量不同的两种空穴，有效质量较大的(mph)称为重空穴，有效质量较小的(mpl)称为轻空穴。半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 三三.带边有效质量带边有效质量 室温下，对Si价带顶附近的空穴：mpl=0.16mo，mph=0.49mo；对Ge价带顶附近的空穴：mpl=0.04mo，mph=0.28mo另外由于自旋-轨道耦合作用，还给出了第三种空穴有效质量(mp3)，这个能带偏离了价带顶，空穴不常出现。对Si和Ge性质起作用的主要是重空穴和轻空穴。第35页/共42页GaAs的导带底位于点，其导

25、带底附近的等能面是球形的.mn*=0.067m0其价带在点简并，具有一个重空穴带和一个轻空穴带。mpl=0.076mo，mph=0.50mo三.带边有效质量 (3).GaAs(3).GaAs的能带结构的能带结构半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 三三.带边有效质量带边有效质量 第36页/共42页三.带边有效质量 (4).GaN(4).GaN的能带结构的能带结构半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 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第37页/共42页三.带边有效质量 半导体的基本能带结构半导体的基本能带结构 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

26、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。l载流子有效质量概念都是源自于准经典近似的结果，这里所讨论的有效质量直接关系着能带结构。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在数值上将有所不同。例如在电导问题中，则需要采用所谓电电导导率率有有效效质质量量；而在分析载流子浓度的分布问题中，则需要采用所谓状态密度有效质量状态密度有效质量。Tips第38页/共42页小 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第39页/共42页理想的半导体材料 没有缺陷或没有杂质 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载流子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 第40页/共42页谢谢!第41页/共42页感谢您的观看。第42页/共42页