第2章半导体物理概论精选PPT.ppt

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1、第2章半导体物理概论第1页，此课件共76页哦第二章 半导体物理概论v2.1 半导体中电子的能量状态v2.2 半导体的导电性v2.3 半导体中的额外载流子第2页，此课件共76页哦2.1 半导体中电子的能量状态v2.1.1 能带理论v2.1.2 半导体的能带结构v2.1.3 半导体中的载流子v2.1.4 载流子的有效质量第3页，此课件共76页哦2.1.1 能带理论v1.能带论概念能带论概念 假设每个电子是在假设每个电子是在周期性周期性排列且排列且固定不动固定不动的的原子核原子核势场势场及及其他电子的平均势场其他电子的平均势场中运动。用中运动。用单电子近似单电子近似法法研究晶体中研究晶体中电子状态电

2、子状态的理论称为的理论称为能带论能带论。v2.能带和禁带的定义能带和禁带的定义 电子状态按能量的电子状态按能量的聚集聚集具有具有带状带状特征，称为特征，称为能带能带。能量能量禁区禁区叫叫禁带禁带，或称，或称能隙能隙第4页，此课件共76页哦原子的能级和晶体的能带电子在电子在原子核势场原子核势场和和其他电子其他电子作用下分列作用下分列在不同能级在不同能级相邻原子壳相邻原子壳层形成交叠层形成交叠原子相互接近原子相互接近 形成晶体形成晶体共有化运动v共有化运动共有化运动：由于电子壳层的交叠，：由于电子壳层的交叠，电子电子不再完全局限不再完全局限在在某一个原子某一个原子上，上，可以可以由一个原子转移到相

3、邻的原子上由一个原子转移到相邻的原子上去去，因而，电子将可以在，因而，电子将可以在整个晶体整个晶体中运动中运动v原来孤立的能级便分裂成彼此原来孤立的能级便分裂成彼此相距相距很近很近的的N个能级个能级，准连续的，可看，准连续的，可看作作一个能带一个能带第5页，此课件共76页哦多电子原子能级 晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小，原来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠：v1.电子不再完全局限于某一个原子，形成“共有化”电子。v2.原来孤立的能级便分裂成彼此相距很近的N个能级，准连续的，可看作一个能带第6页，此课件共76页哦第7页，此课件共76页哦自由电子的电子状态v粒子：质量为m0，速度

4、为vv波：波数为k，频率为f波粒二象性：波粒二象性：第8页，此课件共76页哦自由电子的电子状态第9页，此课件共76页哦自由电子E与k的关系v自由电子的能量E与波失k的关系呈抛物线形状。v波失k可以描述自由电子的运动状态v不同的k值标志自由电子的不同状态v波失k的连续变化，自由电子的能量是连续能谱，从零到无限大的所有能量值都是允许的。Ek第10页，此课件共76页哦半导体中的电子状态v晶体中电子的能量E和波失k的关系曲线基本和自由电子的关系曲线一样，但在 时，能量出现不连续，形成了一系列的允带和禁带。v每一个布里渊区对应于一个允带v禁带出现在 处，即出现在布里渊区边界上第11页，此课件共76页哦第

5、12页，此课件共76页哦电子分布原则v1.最低能量原理最低能量原理 电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上,使整个原子系统能使整个原子系统能量最低。量最低。v2.Pauli不相容原理不相容原理 每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子。每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子。v3.Hund 规则规则 在能级简并的轨道上，电子尽可能自旋平行地分占不同的轨在能级简并的轨道上，电子尽可能自旋平行地分占不同的轨道；道；全充满、半充满、全空的状态比较稳定全充满、半充满、全空的状态比较稳定第13页，此课件共76页哦半导体、导体和绝缘体的能带特征Eg 6 eV

6、Eg绝缘体绝缘体半导体半导体价带导带导体导体第14页，此课件共76页哦三者的主要区别：v禁带宽度和导带填充程度金属导带半满半导体禁带宽度一般在1eV-3eV之间绝缘体禁带宽一般在6eV-7ev以上，且导带空常温下：Si：Eg=1.12ev Ge:Eg=0.67ev GaAs:Eg=1.43ev第15页，此课件共76页哦直接禁带 间接禁带禁带宽度：导带底与价带顶之间的间隙。2.1.2 半导体的能带结构第16页，此课件共76页哦直接带隙半导体 间接带隙半导体v价带的极大值和导带的极小值都位于k空间的同一点上v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，称为直接跃迁v直接跃迁

7、对应的半导体材料称为直接禁带半导体v例子：GaAs，GaN，ZnOv价带的极大值和导带的极小值位于k空间的不同点上v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，称为间接跃迁v间接跃迁对应的半导体材料称为间接禁带半导体v例子：Si，Ge第17页，此课件共76页哦直接跃迁和间接跃迁v考虑到光子的动量较小，可以忽略v因而电子吸收或放出一个光子，发生跃迁时电子的动量基本不变v单纯的光跃迁过程是直接跃迁，效率高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第18页，此课件共76页哦2.1.3 半导体的载流子v满带不导电概念：满带里面的量子态全部被电子占

8、据，没有自由移动的电子。第19页，此课件共76页哦满带：电子数满带：电子数=状态数状态数不满带：不满带：价带：电子数价带：电子数空态数空态数导带：电子数导带：电子数 p。v电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。第48页，此课件共76页哦杂质补偿效应v有些半导体中，既有n型杂质又有p型杂质vN型杂质和P型杂质先相互补偿，称为杂质补偿效应ECEVEgED第49页，此课件共76页哦（4）载流子热平衡条件ni为本征载流子浓度温度一定时，两种载流子浓度乘积等于本征浓度的平方。本征半导体n型半导体p型半导体第50页，此课件共76页哦电中性条件 整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。

9、第51页，此课件共76页哦一、散射与漂移运动一、散射与漂移运动加上外电场加上外电场E的理想的理想:载流子定向运动，即漂移运动漂移运动。载流子的漂移运动载流子的漂移运动 迁移率迁移率结论：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，其漂移速度应越来越大漂移速度应越来越大。2.2.3 散射与载流子的迁移率第52页，此课件共76页哦存在破坏周期性势场的作用因素：如：*杂质 *缺陷 *晶格热振动 散射散射 实际中，第53页，此课件共76页哦 载流子散射载流子散射 载流子的热运动载流子的热运动自由程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

10、的平均路程。第54页，此课件共76页哦v单位电场下的平均漂移速度，即迁移率为v结论：散射影响载流子的迁移率v散射几率:第55页，此课件共76页哦2）电离杂质散射电离杂质散射 半导体的主要散射机构半导体的主要散射机构1）晶格振动散射晶格振动散射第56页，此课件共76页哦1）晶格振动散射晶格振动散射 即格波散射即格波散射第57页，此课件共76页哦v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)振动方式:3个光学波=1个纵波+2个横波 3个声学波=1个纵波+2个横波 格波具有量子化特征，其能量子 声子格波与声子第58页，此课件共76页哦2）电离杂质散射电离杂质散射

11、即库仑散射即库仑散射+VV电离杂质散射示意图电离杂质散射示意图vv电离电离施主施主散射散射电离电离受主受主散射散射第59页，此课件共76页哦第60页，此课件共76页哦电场对迁移率的影响v只有在 的弱电场情况下载流子迁移率可视为常数 第61页，此课件共76页哦2.2.4 半导体电阻率的温度特性v半导体电阻率：总趋势是随温度的升高而下降TABCDAB段：杂质电离为主BC段：杂质已完全电离CD段：本征激发显著第62页，此课件共76页哦第63页，此课件共76页哦2.3 半导体的额外载流子v2.3.1 额外载流子的产生与复合v2.5.2 额外载流子的运动第64页，此课件共76页哦施加外界作用偏离热平衡态

12、产生非平衡载流子破坏热平衡条件比平衡态多出来一部分载流子2.3.1 额外载流子的产生与复合1）非平衡载流子的产生第65页，此课件共76页哦v热平衡状态：v用光注入或电注入方式使半导体中的载流子密度相对于其热平衡状态下的 和 有所富裕，半导体进入非热平衡状态。这些富裕电子和空穴称为额外载流子。其密度用 和 来表示。G为载流子产生率，为少数载流子寿命第66页，此课件共76页哦非平衡载流子n=n n0p=p p0n：非平衡态下的电子浓度p：非平衡态下的空穴浓度n0：平衡态下的电子浓度p0：平衡态下的电子浓度非平衡载流子的复合非平衡载流子的复合：当半导体由非平衡态恢复为平衡态，过剩载流子消失的过程。光

13、照npnopo第67页，此课件共76页哦v少子寿命：是在均匀半导体中,少数载流子产生与复合之间的平均时间间隔,也就是非平衡少数载流子平均存在的时间。是半导体从非热平衡状态恢复到热平衡状态的驰豫过程时间量度第68页，此课件共76页哦复合类型复合类型 按复合机构分直接复合：EcEv间接复合：EcEvEt2）非平衡载流子的复合v直接复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁v间接复合：非平衡载流子通过复合中心的复合第69页，此课件共76页哦按复合发生的位置分 表面复合 体内复合 按放出能量的形式分 发射光子 俄歇复合 发射声子 辐射复合 无辐射复合 第70页，此课件共76页哦3）非平衡载流子的运动）非平衡

14、载流子的运动 对非平衡载流子有两种定向运动：对非平衡载流子有两种定向运动：电场作用下的漂移运动；电场作用下的漂移运动；浓度差引起的扩散运动。浓度差引起的扩散运动。光光照照xAB0 xx+x第71页，此课件共76页哦vv扩散：扩散：微观粒子在分布不均匀的情况下，因热运动而导致载流子（电子或空穴）从高浓度处向低浓度处逐渐运动的过程载流子的扩散运动空穴扩散系数非平衡少数载流子的寿命非平衡少数载流子浓度额外载流子的扩散方程第72页，此课件共76页哦v自发辐射v受激吸收v受激辐射第73页，此课件共76页哦自发辐射v原子自发地从高能级返回到低能级并放出光子的过程，称为自发辐射v特点：1.原子的跃迁是自发的、独立的，与外界作用无关；hn nE2E1第74页，此课件共76页哦受激吸收v原子吸收能量为hv=E2E1的光子，从低能级E1跃迁到高能级E2的过程称为光的吸收，又称为受激吸收。v特点：1.不是自发产生的，必须有外来光子的“刺激”才会产生 2.外来光子必须符合hv=E2E1的条件。hn nE2E1第75页，此课件共76页哦受激辐射v能量为hv的光子照射进来，电子被这一光子激发而从E2能级跳到E1能级，并发射一个光子，称为受激辐射。v特点：1.受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同hn nE2E1hn n全同光子第76页，此课件共76页哦