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1、半导体物理基础（半导体物理基础（4）聂萌东南大学电子科学与工程学院本课程主要参考书本课程主要参考书电子工程物理基础电子工程物理基础第第2版版 唐洁影唐洁影 宋竞宋竞 电子工业电子工业出版社出版社 4-5章章 半导体物理学半导体物理学 第第6版版 刘恩科刘恩科 电子工业出版社电子工业出版社1-6章，章，7章部分章部分聂萌办公室：四牌楼校区南高院MEMS实验室204邮箱：m_电话：83794642-8818考试：闭卷卷面成绩90%平时成绩10%（作业、点名）微电子学物理基础 半导体物理半导体集成电路 电子器件 二极管，三极管，MOS晶体管，激光器，光电探测器，场效应管.CPU，存储器，运算放大器，
2、模数转换器，音视频处理.能带，费米能级，迁移率，扩散系数，少子寿命，PN结，金半接触.晶体结构，薛定谔方程，能带理论.与其他课程的关系与其他课程的关系Conductor 109 cmSemiconductor 10-3 109 cm（1）电阻率介于导体与绝缘体之间电阻率介于导体与绝缘体之间半导体一般特性半导体一般特性（2）对温度、光照、电场、磁场、湿度等敏感）对温度、光照、电场、磁场、湿度等敏感（3）性质与掺杂密切相关）性质与掺杂密切相关温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降 如室温附近的纯硅如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加，温度每增加8，电阻率相
3、应地降低，电阻率相应地降低50%左右左右适当波长的光照可以改变半导体的导电能力适当波长的光照可以改变半导体的导电能力 如在绝缘衬底上制备的硫化镉如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为薄膜，无光照时的暗电阻为几十几十M，当受光照后电阻值可以下降为几十，当受光照后电阻值可以下降为几十K微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力 以纯硅中每以纯硅中每100万个硅原子掺进一个万个硅原子掺进一个族杂质（比如磷）为例，族杂质（比如磷）为例，这时这时 硅的纯度仍高达硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约，但电阻率在室温下却由大约2
4、14,000cm降至降至0.2cm以下以下半导体材料半导体材料4铍铍 Be5硼硼 B6碳碳 C7氮氮 N8氧氧 O12镁镁 Mg13铝铝 Al14硅硅 Si15磷磷 P16硫硫 S30锌锌 Zn31镓镓 Ga32锗锗 Ge33砷砷 As34硒硒 Se48镉镉 Cd49铟铟 In50锡锡 Sn51锑锑 Sb52碲碲 Te80汞汞 Hg81铊铊 Tl82铅铅 Pb83铋铋 Bi84钋钋 Po常见的半导体材料常见的半导体材料元素半导体元素半导体III-V 化合物化合物半导体半导体AIIIBVII-VI 化合物化合物半导体半导体AIIBVIIV 化合物化合物半导体半导体三元混合晶体三元混合晶体半导体半
5、导体xAIIICV+(1-x)BIIICVxAIICVI+(1-x)BIICVISiGe主要用于主要用于VLSIVLSI，大多数半导体器大多数半导体器件件AlPAlAsAlSbGaPGaAsGaSbInPInAsInSb主要用于高速器件、主要用于高速器件、高速集成电路、发高速集成电路、发光、激光、红外探光、激光、红外探测等测等ZnSZnSeZnTeCdSCdSeCdTe主要用于高速器主要用于高速器件、高速集成电件、高速集成电路、发光、激光、路、发光、激光、红外探测等红外探测等SiCSiGe新兴的半导体新兴的半导体材料，用于高材料，用于高温半导体器件、温半导体器件、异质结器件异质结器件GaAs-
6、PInAb-PGa-InSbGa-InAsGa-InPCd-HgTe主要用于异质结、超主要用于异质结、超晶格和红外探测器晶格和红外探测器 Elemental （元素）（元素）Compounds （化合物）（化合物）Alloys （合金）（合金）指半导体材料与一种或多种金属混合，形成某指半导体材料与一种或多种金属混合，形成某种化合物种化合物半导体材料分类半导体材料分类晶体结构主要是金刚石结构（晶体结构主要是金刚石结构（Si和和Ge）元素半导体元素半导体Si 硅：硅：当前当前80以上的半导体器件和集成电路以硅作为原材以上的半导体器件和集成电路以硅作为原材料，原因为料，原因为硅的丰裕度：主要来源是石
7、英砂（氧化硅或二氧化硅）和其他硅酸硅的丰裕度：主要来源是石英砂（氧化硅或二氧化硅）和其他硅酸盐盐更高的熔化温度（更高的熔化温度（1420）允许更宽的工艺容限）允许更宽的工艺容限氧化硅的自然生成氧化硅的自然生成l Ge 锗锗：1947年锗晶体管的诞生引起了电子工业的革命，打破了电子管一统年锗晶体管的诞生引起了电子工业的革命，打破了电子管一统天下的局面天下的局面化合物半导体化合物半导体l 晶体结构主要是纤锌矿和闪锌矿结构晶体结构主要是纤锌矿和闪锌矿结构-族化合物族化合物 部分部分-族化合物，如硒化族化合物，如硒化 汞，碲化汞等汞，碲化汞等 部分部分-族化合物，离子性族化合物，离子性 结合占优时倾向
8、于纤锌矿结构结合占优时倾向于纤锌矿结构l-族族SiC:SiC:以其本身特有的大禁带宽度、高临界击穿场强、高电子迁移以其本身特有的大禁带宽度、高临界击穿场强、高电子迁移率、高热导率等特性，成为制作高温、高频、大功率、抗辐射、率、高热导率等特性，成为制作高温、高频、大功率、抗辐射、短波长发光及光电集成的理想材料短波长发光及光电集成的理想材料l-族族 GaAs:GaAs:电子迁移率比电子迁移率比SiSi大五倍多，比硅更适合高频工作。电阻率大，大五倍多，比硅更适合高频工作。电阻率大，器件间容易隔离，还有比硅更好的抗辐射性能。其缺点是缺乏天器件间容易隔离，还有比硅更好的抗辐射性能。其缺点是缺乏天然氧化物
9、，材料脆性大，不易制造大直径无缺陷单晶，成本高然氧化物，材料脆性大，不易制造大直径无缺陷单晶，成本高InPInP与与GaAsGaAs相比，击穿电场、热导率、电子平均速度更高，在相比，击穿电场、热导率、电子平均速度更高，在HBTHBT中采用。中采用。GaNGaN禁带宽度大，宜做蓝光器件的材料禁带宽度大，宜做蓝光器件的材料合金半导体合金半导体Si1-xGex 锗硅合金锗硅合金 AlxGa1-xAs 铝镓砷合金铝镓砷合金 AlxIn1-xAs 铝铟砷合金铝铟砷合金 AlxGa1-xAsySb1-y 铝镓砷锑合金铝镓砷锑合金半导体半导体技术技术的发展的发展半导体技术的重大发现半导体技术的重大发现194
10、7年，肖克莱、巴丁、布拉顿发明了点接触晶体管 （1956年获诺贝尔物理学奖），开创了信息时代信息时代50年代中，HKroemer提出了适于高频、高速工作的异质结晶体管结构 JKilby制作出了第一块集成电路（是由Si晶体管、Si电阻 和Si-pn接电容所组成的相移振荡器）1958年，美国德州仪器和仙童公司发明了Si平面工艺技术（Fairchild），研制了半导体集成电路（IC）70年代，ZhIAlferov发明了能室温工作的双异质结激光器，推动了 光纤通信的发展 KFKlitzing发现量子Hall效应。1985年获诺贝尔物理学奖80年代，崔琦发现分数量子Hall效应（1998年获诺贝尔物理学
11、奖）陈星弼提出了功率MOSFET的优化理论和导通电阻与耐压的极 限关系，提出了新型耐压层的功率器件结构，实现了VLSI（所 含晶体管的数目已达10万100万）90年代，实现了ULSI（所含晶体管的数目已超过1亿个）20世纪以微电子技术为基础的电子信息时代21世纪的微电子与光电子技术相结合的光电子信息时代2001年：IBM制造出了碳纳米管的晶体管 Bell制造出了分子晶体管 日本用碳纳米管制成了纳米线圈 美国制出了最小的激光器（纳米激光器）和最细的激光束主要的半导体器件主要的半导体器件1874 金半接触：Braun,黄铜矿与金属之间的接触电阻与电压的大小和极性有关1907 LED：Round发现
12、了电致发光现象，SiC供10V正向电压时产生淡黄光1947 BJT：锗点接触式晶体管。模拟高速电流驱动能力1949 PN结：Shockley发表论文1952 晶闸管：Ebers，是一种相当通用的开关器件1954 太阳能电池：Chapin利用PN结研发1957 异质结BJT：Kroemer 提高晶体管性能，快速器件1958 隧道二极管：Esaki在重掺杂PN结中观察到负阻特性1960 MOSFET：Kahng和Atalla提出第一个MOS器件，栅长20微米,栅氧化层厚度100nm，铝栅电极，ALSiO2Si1962 LASER：Hall用半导体产生激光，在DVD/光纤通信/激光打印/大气污染监测
13、等1963 转移电子二极管TED：Gunn，毫米波领域，侦探系统/远程控制/微波测试仪等1965 IMPATT雪崩二极管：能以毫米波频率产生最高的连续波功率，用于雷达和预警系统1966 MESFET：Mead，是单片微波集成电路（MMIC）元件1967 非易失性半导体存储器NVSM：在判断电源下仍能保存信息，与传统的MOSFET相比，多了个暂存电荷的浮栅，具有非易失性/高密度/低功耗/电可擦写等特性成主流存储器1970 电荷耦合器件CCD：视频摄像机和光学传感器1980 MODFET：调制掺杂型场效应晶体管，会是最快的场效应晶体管1994 室温单电子记忆单元（SEMC）：只需要一个电子来存储信
14、息，可容纳1万亿位以上2001 15nmMOSFET：最先进的集成电路芯片的基本单元，可容纳1万亿以上的管子第第4 4章章 半导体中电子的状态半导体中电子的状态4.1 4.1 电子的分布电子的分布4.2 4.2 载流子的调节4.3 4.3 载流子的复合4.4 4.4 载流子的散射4.5 4.5 载流子的漂移4.6 4.6 载流子的扩散4.7 4.7 载流子的完整运动电子壳层电子壳层不同支壳层电子不同支壳层电子 Si Si的核外电子排布：的核外电子排布：1s1s2 22s2s2 22p2p6 63s3s2 23p3p2 2共有化运动共有化运动 原子互相接近形成晶体，不原子互相接近形成晶体，不 同
15、原子的各电子壳层之间有同原子的各电子壳层之间有 了一定程度的交叠了一定程度的交叠 相似壳层电子可以由一个原相似壳层电子可以由一个原 子转移到相邻原子，形成子转移到相邻原子，形成共共 有化运动有化运动 4.1 4.1 电子的分布电子的分布能级分裂能级分裂 电子共有化运动使电子共有化运动使能级分裂为能带能级分裂为能带 原子之间相距很远时，孤立原子能级如图原子之间相距很远时，孤立原子能级如图 N N个原子相互靠近时，受相互势场的作用，能级分裂成彼此相个原子相互靠近时，受相互势场的作用，能级分裂成彼此相 距很近的距很近的N N个能级，分裂的能级如图个能级，分裂的能级如图 N N个分裂的能级组成一个能带
16、，此时电子不属于某一个原子而个分裂的能级组成一个能带，此时电子不属于某一个原子而 在整个晶体中作共有化运动，分裂的每一个能带称为在整个晶体中作共有化运动，分裂的每一个能带称为允带允带，允带之间没有能级称为允带之间没有能级称为禁带禁带 硅、锗晶体能带硅、锗晶体能带 N N个原子结合成晶体，共有个原子结合成晶体，共有4N4N个价电子个价电子 由于轨道杂化的结果，价电子形成的能带如图由于轨道杂化的结果，价电子形成的能带如图 根据电子先填充低能这一原理，下面一个能带填满了电子，根据电子先填充低能这一原理，下面一个能带填满了电子，称为称为价带价带，上面一个能带是空的，称为，上面一个能带是空的，称为导带导
17、带，中间隔以，中间隔以禁带禁带 电子在周期场中的运动能带论电子在周期场中的运动能带论 单电子近似单电子近似：晶体中某一个电子是在周期性排列且固定不动：晶体中某一个电子是在周期性排列且固定不动 的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运动，这个的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运动，这个 势场也是周期性变化的，且与晶格周期相同势场也是周期性变化的，且与晶格周期相同 电子在周期场中的运动能带论电子在周期场中的运动能带论 一维晶格中电子遵守的薛定谔方程（电子运动方程）一维晶格中电子遵守的薛定谔方程（电子运动方程）方程具有如下形式（布洛赫波函数）方程具有如下形式（布洛赫波函数）是一个与晶格同
18、周期的周期性函数是一个与晶格同周期的周期性函数 E E（k k）与）与k k的关系的关系 半导体的能带半导体的能带 晶晶体体导导 体体绝缘体绝缘体半导体半导体能带中一定有能带中一定有不满带不满带T=0 K，能带中只有，能带中只有满带满带和和空带空带T0 K，能带中有，能带中有不满带不满带禁带宽度较小禁带宽度较小，一般小于，一般小于2eV能带中只有能带中只有满带满带和和空带空带,禁带禁带宽度较大宽度较大，一般大于，一般大于2eV电电子子对对能能带带填填充充情情况况不不同同（a a）满带的情况）满带的情况 (b)(b)不满带的情况不满带的情况无外场时晶体电子能量无外场时晶体电子能量E-kE-k图图
19、 (a)(a)满带满带 (b)(b)不满带不满带 有电场时晶体电子的有电场时晶体电子的E-kE-k图图A不导电不导电不导电不导电导电导电电子的运动电子的运动有效质量的意义有效质量的意义 半导体中电子受力半导体中电子受力f f并不是并不是 受力的总和，只是外力受力的总和，只是外力 有效质量概括了有效质量概括了半导体内半导体内 部势场的作用部势场的作用，使得我们，使得我们 在解决电子的运动规律时在解决电子的运动规律时 不涉及内部势场作用有不涉及内部势场作用有 效质量可以直接由实验测效质量可以直接由实验测 定定电子的运动电子的运动 E E（k k）与）与k k的定量关系的定量关系 半导体中起作用的是
20、位于半导体中起作用的是位于导带导带 底底或或价带顶价带顶附近的电子附近的电子 令令 得到导带底附近得到导带底附近 同理，价带顶附近同理，价带顶附近 称为电子的有效质量称为电子的有效质量 在在能带极值能带极值附近电子的速度附近电子的速度v v（k k）电子的平均速度和加速度电子的平均速度和加速度 在在能带极值能带极值附近电子的加速度附近电子的加速度a a有效质量的意义有效质量的意义 有效质量与能量函数对有效质量与能量函数对k k的的 二次微商成反比二次微商成反比，能带越，能带越 窄，二次微商越小，有效窄，二次微商越小，有效 质量越大（内层电子能带质量越大（内层电子能带 窄，外层电子能带宽）窄，外
21、层电子能带宽）有效质量在价带顶为有效质量在价带顶为负负 值值，导带底为，导带底为正值正值近满带与空穴近满带与空穴 *假想在空的假想在空的k k态中放入一个电子，这个电子的电态中放入一个电子，这个电子的电流等于流等于-ev-ev（k k）*设近满带电流为设近满带电流为j j（k k），那么），那么(1)j（k）+-ev（k）=0 （满带电流为零）（满带电流为零）即即 j j（k k）=ev=ev（k k）空状态空状态如同一个带正电荷如同一个带正电荷e e的粒子。的粒子。结论结论：当满带附近有空状态：当满带附近有空状态k k时，整个能带中的电流，以及时，整个能带中的电流，以及电流在外场作用下的变化
22、，完全如同存在一个带正电荷电流在外场作用下的变化，完全如同存在一个带正电荷e e和具和具有正有效质量有正有效质量|m|mn n*|*|、速度为、速度为v v（k k）的粒子的情况一样，的粒子的情况一样，这样假想的粒子称为这样假想的粒子称为空穴空穴。半导体是两种载半导体是两种载流子参于导电流子参于导电统称统称载流子载流子电子电子空穴空穴荷载电流的粒子荷载电流的粒子 能带图：能带图：E-kE-k图与图与E-xE-x图图E-KE-x电子主要存在于导带底电子主要存在于导带底空穴主要存在于价带顶空穴主要存在于价带顶ECEV能带的两种图示法能带的两种图示法载流子的统计分布载流子的统计分布 能带图能带图-价
23、键图价键图自由电子晶体中电子各向异性（各向同性）（导带底附近）（价带顶附近）典型半导体的能带结构典型半导体的能带结构载流子浓度（载流子浓度（Carrier concentration)Carrier concentration)导带底附近的等能面是椭球面导带底附近的等能面是椭球面Si:Eg=1.17eVGe：Eg=0.74eVGaAs :Eg=1.52 eVT=0 KT=300 KSi:Eg=1.12eVGe：Eg=0.67eVGaAs :Eg=1.43eV硅的导带结构硅的导带结构硅的能带硅的能带 导带最小值（导带底）不在导带最小值（导带底）不在k k空间原点，而在空间原点，而在100100方
24、向上方向上根据根据硅晶体立方对称性硅晶体立方对称性的要求，也必然有同的要求，也必然有同样的能量（导带极小值）在样的能量（导带极小值）在 方向上方向上硅导带共有六个旋转椭球等能面硅导带共有六个旋转椭球等能面硅的价带结构硅的价带结构重空穴带重空穴带轻空穴带轻空穴带存在极大值相重合的两个价带外能带曲率小，对应的有效质量大，称该能带中的空穴为重空穴内能带曲率大，对应的有效质量小，称该能带中的空穴为轻空穴锗的导带结构锗的导带结构锗的能带锗的能带 导带最小值（导带底）不在导带最小值（导带底）不在k k空间原点，而在空间原点，而在111111方向布里渊区边界方向布里渊区边界根据根据锗晶体立方对称性锗晶体立方
25、对称性的要求，也必然有同的要求，也必然有同样的能量（导带极小值）在以样的能量（导带极小值）在以方向为旋方向为旋转轴的转轴的8 8个个椭球等能面椭球等能面锗的价带结构锗的价带结构重空穴带重空穴带轻空穴带轻空穴带存在极大值相重合的两个价带外能带曲率小，对应的有效质量大，称该能带中的空穴为重空穴内能带曲率大，对应的有效质量小，称该能带中的空穴为轻空穴锗、硅的导带在锗、硅的导带在简约布里渊区简约布里渊区分别存在四个（分别存在四个（8 8个半个的椭球个半个的椭球等能面）和六个能量最小值，导带电子主要分布在这些极值附等能面）和六个能量最小值，导带电子主要分布在这些极值附件，称为锗、硅的导带具有件，称为锗、
26、硅的导带具有多能谷结构多能谷结构硅和锗的硅和锗的导带底导带底和和价带顶价带顶在在k k空间处于不同的空间处于不同的k k值，称为值，称为间接带间接带隙半导体隙半导体砷化镓的能带砷化镓的能带 导带最小值（导带底）位于布里渊区中心导带最小值（导带底）位于布里渊区中心k k0 0处，等能面为球面处，等能面为球面在在111111和和100100方向布里渊区边界方向布里渊区边界L L和和X X处各处各有一个极小值，能量极小值比布里渊区中心有一个极小值，能量极小值比布里渊区中心处高处高0.29eV0.29eV和和0.30eV0.30eV砷化镓的砷化镓的导带底导带底和和价带顶价带顶位于位于k k空间的同一空
27、间的同一k k值，称为值，称为直接带隙半导体直接带隙半导体能态密度（能态密度（Density of statesDensity of states）在一定温度下，要计算在一定温度下，要计算半导体能带中的载流子浓半导体能带中的载流子浓 度度，即，即单位体积中的导带电子浓度和价带空穴浓单位体积中的导带电子浓度和价带空穴浓 度度，需要两个参数，需要两个参数能带中能容纳载流子的状态数目能带中能容纳载流子的状态数目能态密度能态密度载流子占据这些能态的概率载流子占据这些能态的概率分布函数分布函数载流子浓度载流子浓度=(=(能态密度能态密度g(E)g(E)分布函数分布函数f(E)dE)/Vf(E)dE)/V
28、金属自由电子金属自由电子g(E)半导体导带电子半导体导带电子gc(E)和价带空穴和价带空穴gv(E)能态密度公式能态密度公式 注意注意:在导带底和价带顶的能态密度都为零！在导带底和价带顶的能态密度都为零！对于对于Si,GeSi,Ge其中其中:s:对称方向总数，对称方向总数，Si:s=6，Ge:s=(1/2)*8=4导带底电子能态密导带底电子能态密度有效质量度有效质量其中其中:价带顶空穴能态密价带顶空穴能态密度有效质量度有效质量费米分布函数费米分布函数 半导体中含有大量的电子，电子一方面作半导体中含有大量的电子，电子一方面作共有化运动共有化运动，一，一 方面作方面作无规则的热运动无规则的热运动
29、电子可以从电子可以从低能带跃迁至高能带（吸收能量）低能带跃迁至高能带（吸收能量），也可以从，也可以从 高能带跃迁至低能带（释放能量）高能带跃迁至低能带（释放能量）对于对于一个电子一个电子，它所具有的能量时大时小，经常变化，但，它所具有的能量时大时小，经常变化，但 从从大量电子的整体大量电子的整体来看，在热平衡状态下，来看，在热平衡状态下，电子在不同能电子在不同能 量量子态上统计分布概率是一定的量量子态上统计分布概率是一定的 对于能量为对于能量为E E的一个量子态被一个电子占据的几率的一个量子态被一个电子占据的几率f f（E E）为）为f f（E E）为电子的费米分布函数，表示能量为）为电子的费
30、米分布函数，表示能量为E E的一个量子态的一个量子态被一个电子占据的概率被一个电子占据的概率E EF F为为费米能级费米能级，它表示当系统处于热平衡状态，也不对外界，它表示当系统处于热平衡状态，也不对外界作功的情况下，系统中增加一个电子所引起系统自由能的变作功的情况下，系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化，即化，即费米能级和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及费米能级和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选择有关能量零点的选择有关费米能级费米能级 T0KT0K时：时：n 当当 时时 若若 ，则，则 若若 ，则，则 l 在热力学温度为在热力学温度为0 0度时，费米能级度
31、时，费米能级 可看成量子态可看成量子态 是否被电子占据的一个界限是否被电子占据的一个界限 n 当当 时时 若若 ，则，则 若若 ，则，则 若若 ，则，则l 费米能级是量子态基本上被费米能级是量子态基本上被 电子占据或基本上是空的一电子占据或基本上是空的一 个标志个标志玻耳兹曼分布函数玻耳兹曼分布函数 对于费米分布函数对于费米分布函数则费米分布函数转化为则费米分布函数转化为玻耳兹曼分布函数玻耳兹曼分布函数n电子=p空穴n电子p空穴n电子0K时时,电子从电子从价带价带激发到激发到导带导带,同时价同时价 带中产生空穴带中产生空穴.4.2 4.2 载流子的调节载流子的调节n0=p0=ni ni-本征载
32、流子浓度本征载流子浓度 n0 p0=ni 2 n0=p0=ni 结论结论:本征半导体的费米能级本征半导体的费米能级E Ei i基本位于基本位于禁带中央禁带中央本征半导体的费米能级本征半导体的费米能级E EF F一般用一般用E Ei i表示表示Intrinsic carrier concentration ni(本征载流子浓度本征载流子浓度)结论结论:在一定温度下，任何非简并半导体的热平衡在一定温度下，任何非简并半导体的热平衡载流子浓度载流子浓度n n0 0和和p p0 0的乘积等于该温度下本征载流子的乘积等于该温度下本征载流子浓度浓度n ni i的平方，与所含杂质无关，它不仅适用于本的平方，与
33、所含杂质无关，它不仅适用于本征半导体，也适用于非简并的杂质半导体征半导体，也适用于非简并的杂质半导体 一定的半导体材料，其本征载流子一定的半导体材料，其本征载流子浓度随温度浓度随温度T T的的升高升高而迅速而迅速增加增加 不同的半导体材料，不同的半导体材料，禁带宽度越大禁带宽度越大，本征载流子本征载流子浓度越小浓度越小 一般半导体器件中，载流子主要来一般半导体器件中，载流子主要来源于源于杂质电离杂质电离，本征激发忽略不计，本征激发忽略不计，而当温度足够高，本征激发占而当温度足够高，本征激发占主要地主要地位位，器件就不能正常工作（，器件就不能正常工作（极限工作极限工作温度温度）p原子严格地周期性
34、排列，晶体具有完整的晶格结构p晶体中无杂质，无缺陷p电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。由本征激发提供载流子本征半导体晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷 理想晶体掺杂半导体掺杂半导体原理原理实际晶体与理想晶体的区别实际晶体与理想晶体的区别原子并非在格点上固定不动，在平衡位置附近振动并不纯净，杂质的存在由于纯度有限，半导体原材料所含有的杂质半导体单晶制备和器件制作过程中的污染为改变半导体的性质，在器件制作过程中有目的掺入的某些特定的化学元素原子缺陷点缺陷（空位，间隙原子）线缺陷（位错）面缺陷（层错，晶粒间界）替位式杂质:取代晶格
35、原子杂质原子的大小与晶体原子相似价电子壳层结构比较相近，如：III、V族元素在硅、锗中均为替位式杂质间隙式杂质:位于晶格原子间隙位置杂质原子小于晶体原子杂质浓度：单位体积内的杂质原子数杂质原子进入半导体硅以两种方式存在 杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，常称为间隙式杂质 杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，常称为替位式杂质本征半导体结构示意图本征半导体：纯净的、不含其它杂质的半导体本征半导体：纯净的、不含其它杂质的半导体 N型半导体 以硅中掺磷P为例：n 磷原子占据硅原子的位置。磷原子有五个价电子。其中四个价电子与周围的四个硅原于形成共价键，还剩余一个价电子n 这个多余的价电子就束缚在正电中心
36、P的周围。价电子只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动n 这时磷原子就成为少了一个价电子的磷离子P，它是一个不能移动的正电中心V族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。施主杂质向导带释放电子的过程为施主电离施主杂质未电离之前是电中性的称为中性态或束缚态；电离后成为正电中心称为离化态或电离态使多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的最小能量称为施主电离能，施主电离能为ED被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级，记为ED施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体P型半
37、导体 以硅中掺硼B为例：n B原子占据硅原子的位置。硼原子有三个价电子。与周围的四个硅原子形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子，这就在Si形成了一个空穴n 这时B原子就成为多了一个价电子的硼离子B，它是一个不能移动的负电中心n 空穴束缚在负电中心B的周围。空穴只要很少能量就可挣脱束缚，成为导电空穴在晶格中自由运动III族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质或p型杂质受主杂质释放空穴的过程为受主电离被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级，记为EA使多余的空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的最小能量称为受主电离能，受主电离能为EA受主杂质电离后
38、成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体杂质半导体的简化表示法 浅能级杂质电离能小的杂质称为浅能级杂质所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几乎可以全部电离五价元素磷（P）、锑在硅、锗中是浅施主杂质三价元素硼（B）、铝、镓、铟在硅、锗中为浅受主杂质浅能级杂质电离能比禁带宽度小得多，杂质种类对半导体的导电性影响很大在N型半导体中，电子浓度大于空穴浓度，电子称为多数载流子，空穴称为少数载流子在P型半导体中，空穴浓度大于电子浓度，空穴称为多数载流子，电子称为少数载流子杂质的补偿作用杂质补偿：半导体中
39、存在施主杂质和受主杂质时，它们的共同作用会使载流子减少，这种作用称为杂质补偿。在制造半导体器件的过程中，通过采用杂质补偿的方法来改变半导体某个区域的导电类型或电阻率当NDNA时,受主能级低于施主能级，剩余杂质 n=ND-NA ND，半导体是n型的当NDNA时 ND-NA 为有效施主浓度当ND2k0T 非简并非简并 简并化条件简并化条件0EC-EF 2k0T 弱简并弱简并EC-EF 产生产生 n n、p p 复合复合 复合复合=产生产生（恢复热平衡）（恢复热平衡）在在小注入小注入时，时，与与P无关无关，则，则设设t=0时，时，P(t)=P(0)=(P)0,那么那么C=(P)0，于是，于是t=0t
40、=0时，光照停止，非子浓度的减少率为时，光照停止，非子浓度的减少率为非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命主要与复合有关。主要与复合有关。光照撤除后，非子衰减为原来的光照撤除后，非子衰减为原来的1/e时，即认为非子全部消失时，即认为非子全部消失 热平衡状态下，半导体中有统一的费米能级热平衡状态下，半导体中有统一的费米能级 当半导体的热平衡状态被打破时，新的热平衡状态可当半导体的热平衡状态被打破时，新的热平衡状态可 通过通过热跃迁热跃迁实现，但导带和价带间的热跃迁较稀少实现，但导带和价带间的热跃迁较稀少 导带和价带各自处于平衡态，因此存在导带费米能级导带和价带各自处于平衡态，因此存在导带费米能级
41、和价带费米能级，称其为和价带费米能级，称其为准费米能级准费米能级准费米能级准费米能级 非平衡状态下的载流子浓度表示为非平衡状态下的载流子浓度表示为n 有非平衡载流子存在时，由于有非平衡载流子存在时，由于nnnn0 0和和pppp0 0,因此无论因此无论是是E EFnFn还是还是E EFpFp都偏离都偏离E EF F,E EFnFn偏向导带底偏向导带底，E EFpFp偏向价带顶偏向价带顶，但偏离程度有所不同但偏离程度有所不同 电子和空穴浓度乘积为电子和空穴浓度乘积为二二.非平衡载流子的复合机制非平衡载流子的复合机制复合复合直接复合直接复合(direct recombinationdirect r
42、ecombination):):导带电子与价带空导带电子与价带空穴直接复合穴直接复合.间接复合间接复合(indirect recombinationdirect recombination):通过位于禁带中的杂通过位于禁带中的杂质或缺陷能级的中间过渡。质或缺陷能级的中间过渡。表面复合表面复合(surface recombinationrecombination)：在半导体表面发生的：在半导体表面发生的 复合过程。复合过程。将能量给予其它载流子将能量给予其它载流子,增加它们的动能量。增加它们的动能量。从释放能量的方法分从释放能量的方法分:Radiative recombination(辐射复合辐
43、射复合)Non-radiative recombination(非辐射复合非辐射复合)Auger recombination(俄歇复合俄歇复合)direct/band-to-band recombinationdirect/band-to-band recombination 非平衡载流子的直接净复合非平衡载流子的直接净复合净复合率净复合率=复合率复合率-产生率产生率U=R-GGR三三.直接复合直接复合r-复合系数复合系数外界条件撤除后，产生率外界条件撤除后，产生率=热产生率热产生率非平衡载流子寿命：非平衡载流子寿命：小注入小注入n型型材料材料大注入大注入教材教材p.162.第第16题题ind
44、irect recombinationindirect recombination半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级，它们有促进半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级，它们有促进复合的作用。这些杂质和缺陷称为复合中心。复合的作用。这些杂质和缺陷称为复合中心。nt：复合中心能级上的电子浓度复合中心能级上的电子浓度Nt：复合中心浓度复合中心浓度pt：复合中心能级上的空穴浓度复合中心能级上的空穴浓度四四.间接复合间接复合*俘获电子俘获电子 Electron capture*发射电子发射电子 Electron emission*俘获空穴俘获空穴 Hole capture*发射空穴发射空穴
45、Hole emission四个过程四个过程电子俘获率：电子俘获率：空穴俘获率：空穴俘获率：电子产生率：电子产生率：空穴产生率：空穴产生率：Nt：复合中心浓度复合中心浓度nt：复合中心能级上复合中心能级上的电子浓度的电子浓度pt：复合中心能级复合中心能级上的空穴浓度上的空穴浓度电子的净俘获率：电子的净俘获率：U Un n=俘获电子俘获电子-发射电子发射电子=空穴的净俘获率：空穴的净俘获率：U Up p=俘获空穴俘获空穴-发射空穴发射空穴=-热平衡时：热平衡时：Un=0，Up=0复合中心达到稳定复合中心达到稳定时：时：Un=Up净复合率：净复合率：其中其中 EF与与Et重合时导带或价带中的平衡载流
46、子浓度。重合时导带或价带中的平衡载流子浓度。通过复合通过复合中心复合中心复合的普遍公的普遍公式式 EF与与Et重合时导重合时导带的平衡电子浓度。带的平衡电子浓度。=推导过程推导过程热平衡时：热平衡时：Un=0，Up=0同理，得同理，得空穴俘获率空穴俘获率=空穴产生率空穴产生率其中其中表示表示EF与与Et重合时价带的平衡空穴浓度。重合时价带的平衡空穴浓度。=热平衡时：热平衡时：Un=0，Up=0俘获电子俘获电子-发射电子发射电子=俘获空穴俘获空穴-发射空穴发射空穴-=-和又复合中心达到稳定时：复合中心达到稳定时：Un=Up净复合率：净复合率：U=U=俘获电子俘获电子-发射电子发射电子=通过复合中
47、心复合的普遍公式通过复合中心复合的普遍公式-注意到：注意到：非平衡载流子的寿命为非平衡载流子的寿命为小注入条件下小注入条件下设设 CnCp化简化简(设设 EtEi)小注入情况的进一步分析小注入情况的进一步分析:(1)强强n型区型区CnCp(2)弱弱n型型区区与多数载流子与多数载流子浓度，即与电浓度，即与电导率成反比导率成反比CnCp(3)弱弱p型型区区CnCp(4)强强p型型区区小小 注入注入若若E Et t靠近靠近E EC C：俘获电子的能力增强：俘获电子的能力增强不利于复合不利于复合E Et t处禁带中央，复合率最大。处禁带中央，复合率最大。Et=Ei 最有效的复合中心最有效的复合中心俘获
48、空穴的能力减弱俘获空穴的能力减弱 大注入大注入（1）表面复合）表面复合 表面氧化层、水汽、杂质的污染、表面缺陷或损伤。表面氧化层、水汽、杂质的污染、表面缺陷或损伤。四四.其他复合其他复合表面处的非子浓度单位时间内通过单位表面单位时间内通过单位表面积复合掉的电子积复合掉的电子-空穴数空穴数(1/cm(1/cm2.2.s)s)表面复合速度（cm/s)半导体表面状态对非平衡载流子也有很大影响，表面处的杂质半导体表面状态对非平衡载流子也有很大影响，表面处的杂质和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中心。和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中心。（2）俄歇复合俄歇复合多余能量以声子形式释放（3）陷阱效应陷阱效应
49、一些杂质缺陷能级能够俘获载流子并长时间的把载流子束一些杂质缺陷能级能够俘获载流子并长时间的把载流子束缚在这些能级上。缚在这些能级上。俘获电子和俘获空穴的能力相差太大俘获电子和俘获空穴的能力相差太大产生原因：产生原因：电子陷阱电子陷阱空穴陷阱空穴陷阱杂质能级上杂质能级上的电子积累的电子积累第第4 4章章 半导体中电子的状态半导体中电子的状态4.1 电子的分布4.2 载流子的调节4.3 载流子的复合4.4 4.4 载流子的散射载流子的散射4.5 4.5 载流子的漂移4.6 4.6 载流子的扩散4.7 4.7 载流子的完整运动散射是指运动粒子受到力场（或势场）的作用时运动散射是指运动粒子受到力场（或
50、势场）的作用时运动状态发生变化的一种现象状态发生变化的一种现象处理晶体中的电子时，通常将周期势场的影响概括在有效质量中，这使得晶体中的电子可以被看作为有效质量为m*的自由电子。因此，不存在散射，但是原周期势场一旦遭到破坏，就会发生散射了4.4 4.4 载流子的散射载流子的散射 载流子散射的概念载流子散射的概念n 半导体中的载流子在半导体中的载流子在无外电场作用无外电场作用时，无规则热运时，无规则热运 动会使载流子与动会使载流子与格点原子格点原子、杂质原子（离子）杂质原子（离子）和和 其它载流子其它载流子发生碰撞，用波的概念就是发生碰撞，用波的概念就是电子波在电子波在 传播过程中遭到散射传播过程