半导体物理基础省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、Chap1 半导体物理基础1第1页1.2 能带一、能带形成能级:电子所处能量状态。当原子结合成晶体时,原子最外层价电子实际上是被晶体中全部原子所共有,称为共有化。共有化造成电子能量状态发生改变,产生了密集能级组成准连续能带-能级分裂。2第2页1.2 能带右图为硅晶体原子间相互作用示意图sisisisisisisisisi3第3页1.2 能带二、能带结构与原子间距关系伴随原子间距缩小,能带结构发生改变依次为各能级分立、出现能级分裂、合并为一个能带、再次出现能级分裂等过程。在“实际硅晶体原子间距”位置,共分裂为两个能带,较低能带被价电子填满,较高能带是空。4第4页1.2 能带出现能级分裂合并为一个
2、能带实际硅晶体原子间距价带导带5第5页1.2 能带三、简化能带结构图1-3导带:接收被激发电子(对于半导体)价带:通常被价电子填满(对于半导体)EC:导带底能量EV:价带顶能量EG:禁带宽度,是打破共价键所需最小能量,是材料特有主要特征。6第6页1.3 有效质量有效质量m*:考虑了晶格对于电子运动影响并对电子静止质量进行修正后得到值。7第7页1.4导带电子和价带孔穴1、金属、半导体和绝缘体区分空带、满带和不满带能带理论提出:一个晶体是否含有导电性,关键在于它是否有不满能带存在。在常温下,半导体价电子填满价带,只有少许电子离开价带形成不满带,才能实现导电8第8页1.4导带电子和价带孔穴按照能带被
3、电子填充情况来分析金属、半导体和绝缘体:金属:被电子填充最高能带是不满,而且能带中电子密度很高,所以金属有良好导电性。绝缘体和半导体:在绝对零度时,被电子占据最高能带是满,没有不满能带存在。所以不能导电。9第9页1.4导带电子和价带孔穴绝缘体禁带很宽,即使温度升高,电子也极难从满带激发到空带,所以极难导电。半导体禁带较窄,在一定温度下,电子轻易从满带激发到空点,形成不满带,从而导电。10第10页1.4导带电子和价带孔穴价带:绝对0度条件下,半导体最上面满带被价电子填充,称为价带。导带:绝对0度条件下,价带上面空带能够接收从满带激发来电子,从而能够导电,所以也称为导带。禁带宽度:电子从价带激发到
4、导带所需要最小能量。11第11页1.4导带电子和价带孔穴禁带宽度区分了绝缘体和半导体;而禁带有没有是导体和半导体、绝缘体之间区分;绝缘体是相正确,不存在绝正确绝缘体。导体含有任何温度下电子部分填满导带。图1-5:不一样导电性物质电子填充能带情况。12第12页1.4导带电子和价带孔穴半导体导电过程:电子受到外界条件激发(如温度),取得能量,抵达导带,从而形成不满带。半导体电导率受温度影响很大。13第13页1.4导带电子和价带孔穴2、空穴价带顶附近一些电子被激发到导带后,留下一些空状态,称为空穴。半导体中参加导电有:导带中电子和价带中空穴,二者统称为载流子。价带顶附近存在少许空穴问题,和导带底附近
5、存在少许电子问题,十分相同。14第14页1.5 硅、锗、砷化镓能带结构P18,图1.6和图1.7在300K禁带宽度:硅:1.12eV 锗:0.67eV 砷化镓:1.43eV1.6杂质能级为了改进半导体导电性,通常会加入适当杂质,在禁带中引入对应杂质能级。15第15页1.6杂质能级在实际半导体材料中,总是不可防止存在各种类型缺点。为了改进半导体导电性,通常会加入适当杂质。在禁带中引入对应杂质能级和缺点能级。16第16页1.6杂质能级硅四面体结构,每个小棒代表了一个共价键。杂质以替位方式掺入硅晶体中。17第17页1.6杂质能级1、施主杂质和施主能级(N型半导体)族杂质元素中最通用是磷。磷原子在取代
6、原晶体结构中原子并组成共价键时,多出第五个价电子很轻易摆脱磷原子核束缚而成为自由电子。这个电子能够进入导带,称为导带电子。如图1.8所表示18第18页1.6杂质能级施主Donor,掺入半导体杂质原子向半导体中提供导电电子。当电子被束缚在施主杂质周围时,施主杂质称为中性施主;失去电子之后施主杂质称为电离施主。掺入施主杂质半导体为N(Negative)型半导体。施主杂质浓度记为ND。19第19页1.6杂质能级电离施主提供了一个局域化电子态,对应能级称为施主能级Ed。因为电子从施主能级激发到导带所需要能量杂质电离能很小,所以失主能级位于导带底之下,并距离很近。20第20页1.6杂质能级施主电离能:导
7、带底和施主能及之间能量间隔,称为施主电离能EI。在只有施主杂质半导体中,在温度较低时,价带中能够激发到导带电子极少,起导电作用主要是从施主能级激发到导带电子。21第21页1.6杂质能级2、受主杂质和受主能级(P型半导体)族杂质元素中最通用是硼。硼原子在取代原晶体结构中原子并组成共价键时,将因缺乏一个价电子而形成一个空穴,于是半导体中空穴数目大量增加。22第22页1.6杂质能级Acceptor,掺入半导体杂质原子向半导体中提供导电空穴,并成为带负电离子。掺入受主杂质半导体为P(Positive)型半导体。施主杂质浓度记为NA。23第23页1.6杂质能级受主接收电子称为受主杂志,提供了一个局域化电
8、子态,对应能级称为受主能级Ea。受主杂质很轻易从价带接收一个电子受主电离能很小,所以受主能级位于价带之上,并距离很近。24第24页1.6杂质能级受主杂质电离另外一个表述:把中性受主杂质看成带负电硼离子在它周围束缚一个带正点空穴,把受主杂质从价带接收一个电子电离过程,看做被硼离子束缚空穴被激发导带过程。这种说法与施主杂质把束缚电子激发到导带电离过程完全类似。25第25页1.6杂质能级半导体中同时掺有受主和施主杂质,因为受主能级比施主能级低得多,施主能级上电子首先要去填充受主能级,使施主向导带提供电子能力和受主向价带提供空穴能力相互抵消而减弱,称为杂质赔偿。此时半导体类型由浓度较大杂质决定。26第
9、26页1.7载流子统计分布研究载流子分布两个问题:状态密度和载流子占据这些状态概率。1.7.1 状态密度:单位体积中每单位能量间隔有效电子状态平均数目。能带是无数个能级“压缩”而成,而且能带是量子化,所以在这个能量范围必定有一定数量能级(轨道)存在。27第27页1.7载流子统计分布假设单位体积导带电子状态数为NC,且都集中在导带底,则导带电子密度恰好为上述表示式,所以称NC为导带有效状态密度。导带状态密度:1-7-4价带状态密度:1-7-7状态密度随能量改变:28第28页1.7载流子统计分布1.7.2 费米分布函数与费米能级热平衡状态下,一个能量为E电子态被电子占据概率为称为费米分布函数。说明
10、每个电子态被电子占据概率随能量E改变29第29页1.7载流子统计分布K为波尔兹曼常数,T为绝对温度。室温下(300K)为0.0258ev。EF为费米能级:被电子占据概率为1/2是反应电子在各个能级中分布情况参数;费米能级高,说明电子占据高能级概率大;费米能及是电子填充能级水平高低标志30第30页1.7 载流子统计分布费米能级随温度以及杂质种类和多少改变而改变;热平衡系统费米能及恒定对应,能量为E量子态未被电子占据,既被空穴占据概率为31第31页1.7载流子统计分布对于E-EFKT能级,对于E-EFKT能级,称为经典玻尔兹曼分布。32第32页1.7.3 能带中电子和空穴浓度1、导带电子浓度其中称
11、为导带有效状态密度33第33页1.7.3能带中电子和空穴浓度2、价带空穴浓度其中称为价带有效状态密度34第34页1.7.3能带中电子和空穴浓度导带电子浓度和价带空穴浓度之积式中Eg为禁带宽度。与温度相关,能够把它写成经验关系式其中 为禁带宽度温度系数,Eg0为0K时Eg值。35第35页1.7.3能带中电子和空穴浓度化简后得到其中K1为常数结论:在温度已知半导体中,热平衡情况下,np之积只与状态密度和禁带宽度相关,而与杂质浓度和费米能级位置无关。36第36页1.7.4本征半导体本征半导体:没有杂质和缺点半导体。未激发时,价电子全部位于价带。本征激发:温度升高时,价电子冲破共价键束缚抵达导带。电子
12、-空穴对:n=p,称为电中性条件。得到本征费米能级,近似为禁带中央能量,称为Ei。37第37页1.7.4本征半导体本征载流子浓度ni和pi:称为质量作用定律。在非本征半导体情况下一样适用。在热平衡情况下,已知ni和一个载流子浓度,能够求得另外一个载流子浓度38第38页1.7.4本征半导体也能够把电子和空穴浓度写成下面形式:1-7-14和1-7-17比1-7-28和1-7-29更惯用。39第39页1.7.5只有一个杂质半导体1、N型半导体载流子起源包含两个过程:本征激发和杂质电离在低温条件下:杂质电离为主在高温条件下:本征激发为主杂质饱和电离:杂质基本上全部电离,而本征激发能够忽略。40第40页
13、1.7.5只有一个杂质半导体在杂质饱和电离温度范围内,导带电子浓度等于施主浓度价带空穴浓度为载流子浓度关系:电子浓度与施主浓度近似,远大于本征载流子浓度,空穴浓度远小于本征载流子浓度。41第41页1.7.5只有一个杂质半导体N型半导体:导带电子为多子,价带空穴为少子。两种载流子浓度相差非常悬殊N型半导体在饱和电离下费米能级结论:N型半导体费米能级位于导带底之下,本征费米能级之上,且施主浓度越高,越靠近导带底;温度升高,费米能级远离导带底。42第42页1.7.5只有一个杂质半导体2、P型半导体在杂质饱和电离温度范围内有:导带电子浓度为:费米能级为43第43页1.7.5只有一个杂质半导体结论:对于
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