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1、浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云固体物理基础第五章：半导体Semiconductor浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云5.1半导体材料元素半导体元素半导体Ge，Si化合物半导体材料化合物半导体材料GaAs，InP，GaP,GaAlAs宽禁带半导体材料宽禁带半导体材料SiC/GaN/ZnO有机半导体材料有机半导体材料浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云半导体材料的分类I（按功能分类）电子材料电子材料检波/放大/整流/存储光电材料光电材料发光/探测/光伏/成像热电材料热电材料 测温、发电传感材料传感材料气敏/湿敏/热敏/光敏/磁敏光子材料光子材料激光/光传输/光放
2、大/光计算/光存储微波材料微波材料浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云半导体材料的分类II（按成分分类）元素半导体元素半导体由单一元素构成的半导体材料，如锗、硅、硒等化合物半导体化合物半导体由两种或两种以上元素构成的半导体材料，如InP,GaAs，Ga1-xAlxAs,GaN，ZnO，SiC等有机半导体有机半导体由有机高分子材料构成的半导体，如电荷转移络合物，芳香族化合物复合半导体复合半导体：两种或两种以上半导体材料的复合，如无机/无机，有机/无机，有机/有机复合浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云半导体材料的分类III（按结构分类）单晶半导体单晶半导体：整块半导体材料中的原子周期性地有序排列。多
3、多晶晶半半导导体体：半导体材料中分成许多区域，各区域内的原子周期性地有序排列。非非晶晶态态半半导导体体：半导体材料中的原子排列长程没有周期性，但短程有序。异异质质结结构构半半导导体体：指外延层与衬底材料不同的半导体多层膜结构。超晶格半导体超晶格半导体：利用外延技术制备的人工晶体结构。纳纳米米半半导导体体：结构尺度为纳米的半导体材料，如纳米颗粒或纳米薄膜。复复合合半半导导体体：两种或两种以上半导体材料的复合，如无机/无机，有机/无机，有机/有机复合。浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云常见半导体材料的结构金刚石结构轨道杂化导致四个价电子等价。(1s)2(2s)2(2p)2-(1s)2(2s)1(2
4、p)3面心立方两个面心立方点阵沿对角线相对移动1/4距离浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云常见半导体材料的结构 闪锌矿结构：闪锌矿结构：与金刚石结构相似，闪锌矿结构也是一种由面心立方构成的复式格子，但两套格子各自的原子不同。在这种结构中，既有轨道杂化，又有原子间的电荷转移，原子间的键为离子键与共价键组成的混合键。所以电子云的分布呈非对称分布而偏向某一原子浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云热力学稳定相为热力学稳定相为钎锌矿结构钎锌矿结构，宽带隙，缺乏中心对称，宽带隙，缺乏中心对称性，具有强的压电特性，对可见光透明等（性，具有强的压电特性，对可见光透明等（ZnOZnO）+-P常见半导体材料的结构浙
5、江大学硅材料国家重点实验室黄靖云5.2 半导体的导电机构半导体的导电机构一一.本征半导体本征半导体（semiconductor）本征半导体是指本征半导体是指纯净的纯净的半导体。半导体。本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。1.本征本征半导体半导体的能带结构：的能带结构：所以加热、光照、加电场都能把电所以加热、光照、加电场都能把电子从满带激到发空带中去，同时在子从满带激到发空带中去，同时在满带中形成满带中形成“空穴空穴”（hole）半导体半导体的满带与空带之间也是禁的满带与空带之间也是禁带，但是带，但是禁带宽度禁带宽度Eg 很很窄窄(0.1 2eV)E空
6、带（导带）空带（导带）满带满带 Eg=0.1 2eV禁带禁带本征（纯净）半导体本征（纯净）半导体 T=0K时（绝缘体）时（绝缘体）浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云例如半导体例如半导体 Cd S满满 带带空空 带带h Eg=2.42eV 满带上的一个电子满带上的一个电子跃迁到空带后，满带跃迁到空带后，满带中出现一个中出现一个带正电的带正电的空位，称为空位，称为“空穴空穴”电子和空穴总是电子和空穴总是成对出现的。成对出现的。电电子子和和空空穴穴叫叫本本征征载载流流子子，它它们们形形成成半半导导体体的的本本征导电性征导电性浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云2.两种导电机构：两种导电机构：（1）电子
7、导电电子导电半导体的载流子是电子半导体的载流子是电子 当光照当光照 h Eg 时，时，可发生可发生本征吸收，本征吸收，形成形成本征光电导。本征光电导。解解 例例 要使半导体要使半导体 Cd S产生产生本征光电导本征光电导，求求激发电激发电子的光波的波长最大多长？子的光波的波长最大多长？浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云空带空带满带满带 在外电场作用下，在外电场作用下，电子可以跃迁到空电子可以跃迁到空穴上来，这相当于穴上来，这相当于 空穴反向跃迁空穴反向跃迁 空穴跃迁也形成空穴跃迁也形成电流，电流，这称为这称为空穴空穴导电导电 Eg（2）空穴导电空穴导电半导体的载流子是空穴半导体的载流子是空穴浙
8、江大学硅材料国家重点实验室黄靖云 当当外电场足够强时，外电场足够强时，共有化电子还是能越共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中，使过禁带跃迁到上面的空带中，使半导体击穿半导体击穿 为什么导体的电阻随温度升为什么导体的电阻随温度升高而升高，高而升高，而半导体的电阻却而半导体的电阻却随温度升高而降低？随温度升高而降低？半导体半导体导体导体浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云二二.杂质杂质（impurity）半导体半导体1.n型半导体型半导体又称又称 n 型半导体。型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处，带中紧靠空带处，ED
9、10-2eV，极易形成电子导电，极易形成电子导电该能级称为该能级称为施主施主（donor）能级。能级。本征半导体本征半导体 Si、Ge等的四个价电子，与另四等的四个价电子，与另四个原子形成共价结合，个原子形成共价结合，当掺入少量五价的当掺入少量五价的杂质杂质元素（如元素（如P、As等）时，等）时，就形成了就形成了电子型半导体，电子型半导体，浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云 n 型半导体型半导体 空空 带带满满 带带施主能级施主能级DEDDEgSiSiSiSiSiSiSiP浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云 Si 原子浓度原子浓度1022 cm 3 则则P 原子浓度原子浓度1018 cm 3n
10、p=1.51010 cm 3 10181018 cm 3 室温下：室温下：本征激发本征激发杂质激发杂质激发导带中电子浓度导带中电子浓度nn=1.51010满带中空穴浓度满带中空穴浓度设设 Si中中P的含量为的含量为10 4电子是多数载流子，电子是多数载流子，空穴是少数载流子。空穴是少数载流子。在在n型半导体中：型半导体中：电子浓度电子浓度nn 施主杂质浓度施主杂质浓度nd浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云2.p型半导体型半导体 四价的本征半导体四价的本征半导体Si、e等掺入少量三等掺入少量三价的价的杂质杂质元素（如、元素（如、Ga、In等）时，就等）时，就形成形成空穴型半导体，空穴型半导体，又
11、称又称 p 型半导体。型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴能级量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴能级在禁带中紧靠满带处，在禁带中紧靠满带处，EA 10-1eV，极易产，极易产生空穴导电。生空穴导电。该能级称该能级称受主受主（acceptor）能级。能级。浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云空空 带带DEA满满 带带受主能级受主能级 P型半导体型半导体SiSiSiSiSiSiSi+BDEg浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云 Si 原子浓度原子浓度1022 cm 3 则则B 原子浓度原子浓度1018 cm 3np=1.51010 室温下：室温下：本征激发本征激发杂质激发杂质激发导带中电子浓度
12、导带中电子浓度nn=1.51010cm 3满带中空穴浓度满带中空穴浓度设设 Si中中B的含量为的含量为104 10181018 cm 3空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，电子是少数载流子。电子是少数载流子。空穴浓度空穴浓度np 受主杂质浓度受主杂质浓度na在在p型半导体中：型半导体中：浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云3.n型化合物半导体型化合物半导体 例如，化合物例如，化合物GaAs中掺中掺Te，六价的，六价的Te替代替代五价的五价的As可形成施主能级，可形成施主能级，成为成为n型型GaAs杂质杂质半导体。半导体。4.p型化合物半导体型化合物半导体 例如，化合物例如，化合物 GaAs中掺中
13、掺Zn，二价的，二价的Zn替替代三价的代三价的Ga可形成受主能级，可形成受主能级，成为成为p型型GaAs杂质半导体。杂质半导体。浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云化合物化合物GaAs中掺中掺SiSi可以替代Ga，施主Si可以替代As，受主施主/受主5/1浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云三三.杂质补偿作用杂质补偿作用 实际的半导体中既有施主杂质（浓度实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），），又有受主杂质（浓度又有受主杂质（浓度na），两种杂质有补偿），两种杂质有补偿作用：作用：若若nd na为为n型（施主）型（施主）若若nd na为为p型（受主）型（受主）利用杂质的补偿作用，利用杂质的补偿作
14、用，可以制成可以制成 p-n 结。结。浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云掺杂的要求高浓度高浓度降低能量、可行性高效率高效率能级小高质量高质量迁移率大稳定性稳定性化学键能大高性价比高性价比最便宜环保性环保性无毒、污染小浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云载流子浓度计算载流子浓度计算统计分布函数统计分布函数玻色子，自旋为0或整数，例如光子、声子等的粒，能级上可以容纳无数的粒子费米子，自旋为半整数，例如电子，每一能级上最多只能容纳一个粒子两者服从不同的统计分布，但可以用一统一的公式表达其中正号对应费米子，负号对应玻色子。浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云假定与能级E对应的有G(E)个量子态，则由于N和
15、G（E）与半导体材料本身的能带结构及掺杂情况有关，因此只要知道了N、G(E)和温度T，就可以求出Ef。反过来，如果知道了Ef，由此可以确定各能级上的电子数及总粒子数N可以证明费米函数等于化学势，处于热平衡状态系统有相同的化学势，所以对一个处于热平衡的系统，各处费米能级相同浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云费米函数的性质对于费米子，一个量子态要么被电子占据，要么空着，能量为E的能级被占据的几率为f(E)，因此空着的几率为不难看出，f(E)与1-f(E)相对E=Ef是对称的，在该点占据及空着的几率均为1/2。能量比费米能级高的能级空着的几率大，反之，能量比费米能级低的能级充满的几率较大。当能量很大
16、时，即时，费米分布与玻色分布趋向同一函数，浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云费米函数与波耳兹曼函数浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云能带中的电子和空穴浓度导带电子密度单位体积中能量在E-E+dE中的导带电子数为将上式对整个导带积分即得到单位体积中导带的电子数目，即浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云公式简化1、大多数情况下费米能级与导带底的距离比kT大得多，所以费米函数可以用玻尔兹曼函数代替2、f(E)随E按指数下降，导带宽度为eV量级，因此将上限扩展至无穷大处也不会引起较大的误差浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云导带电子密度浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云导
17、带状态有效密度Nc的物理意义上式表明，导带中所有能级上电子的总密度等价于能量为Ec，态密度为Nc的一个能级。即把一个涉及许多能级的复杂的能带问题简化成了只有一个能级问题，即可以将导带理解为一个电子都集中于导带底Ec，密度为Nc的能级。因此Nc称为导带的有效状态密度浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云价带状态有效密度Nv按照完全相似的讨论手法，我们可以得到价带的状态有效密度为上述公式中参数的意义与讨论导带时相同。浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云最后简化结果浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云有关有效状态密度用两个能级代替导带和价带，大大简化各种分析有效状态密度反映
18、了导带或价带容纳电子或空穴的能力有效状态密度是温度的3/2次方函数，温度愈高，N愈大对T=300K，两者对硅分别为2.81019cm-3和1.041018cm-3，大大小于价电子密度浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云质量作用定律如果将n与p相乘，则可以发现乘积pn与Ef无关，即对特定的半导体材料，Ef与掺杂种类及掺杂浓度有关，因此由np与Ef无关可以推论此乘积pn与掺杂种类及掺杂浓度无关，即只与半导体材料本身能带结构有关如果由于某种原因使得电子增加，则其中的空穴数目必然减少。当掺杂浓度很大时，费米能级可能进入导带或价带，玻尔兹漫近似不再成立，因此电子空穴数目乘积不再与Ef无关。浙江大学硅材料国
19、家重点实验室黄靖云本征半导体的费米能级由p=n，我们得到因为NvNc,所以对本征半导体来说，费米能级位于禁带中间稍偏下面的部位，但十分接近中间位置。不过如果某种半导体的Nc与Nv及mdn与mdp相差太大，则本征半导体的Ef偏离中心位置的距离可能较远。例如锑化铟的费米能级偏离禁带中心达0.2eV浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云本征载流子浓度将上面的Ef代入n与p的表达式，我们可以得到同样可得本征载流子浓度随温度指数增加，而且pi=ni浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云实例室温下硅的本征载流子浓度为而有效状态密度分别为Nc=2.811019cm-3和Nv=1.041018cm-3，即导带及价带只
20、有约10亿分之一的能级被电子或空穴填充。因此室温下本征半导体的导电能力一般是很差的。浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云杂质能级上的电子分布有关杂质能级上计算电子浓度的费米分布函数有两种形式。浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云杂质能级上的占据情况对于施主能级，它被电子占据的几率为对受主能级它被空穴占据的几率为浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云施主能级施主浓度乘施主能级被电子占据的几率即为施主能级上的电子数：同样，空着的施主能级为浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云受主能级同样，受主浓度乘受主能级被电子占据的几率即为受主能级上的电子数未被电子占据的受主能级为浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云硅的能带
21、结构:导带导带在与X间有一极小值，偏离中心点4/5，共有6个对称的极小点，称为能谷。因为4度对称轴，所以y,z方向等价，因此5.3 半导体能带结构半导体能带结构l表示纵向、t表示横向质量。等能面为旋转椭球面，中心轴为轴浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云硅的能带结构:价带有3个子能带，都在k=0处有极大值;1、2两个能带简并，但曲率不同，因此它们对应的空穴有效质量不同，重的一个称为重空穴，轻的为轻空穴。第三个能带与1、2两个有距离。特点:间接能带：导带底与价带顶不重合。浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云锗的能带结构:导带在与L之间的布里渊边界上有一极小值，截角8面体共有8个极小值，但因为极小值刚
22、好位于布里渊区边界，相对两个极小之间相差一个倒格矢，所以实际上只有4个极小值，即只有4个能谷，同样，等能面也是旋转椭球面，但中心轴为轴浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云GaAs的能带结构导带底与价带顶都在k=0处，即为直接能带；等能面为球形；导带在(100)方向接近布里渊边界区还有另外一个极小值；它的价带情况与硅、锗的类似，也有三个子能带，也有轻重空穴之分直接带隙浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云半导体的费米能级本征半导体N型本征半导体P型本征半导体EcEiEvEfEcEvEfEdEcEvEfEa室温下、正常掺杂浓度浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云半导体禁带中的能级施主能级掺入价数较高的杂质
23、原子；晶格缺陷；杂质-缺陷复合体。受主能级掺入价数较的杂质原子；晶格缺陷；杂质-缺陷复合体。激子能级：束缚的电子-空穴对极化子能级：电子-晶格相互作用浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云禁带中其他能级表面态:表面原子状态与体内的不同等电子杂质:杂质价电子数与母体的相同固有原子缺陷(A格子空位VA,B格子空位,A元素间隙原子,B元素间隙原子)错位原子:化合物半导体中两种原子换位间隙杂质浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云实例硅 的 介 电 常 数 为 14，有 效 质 量 分 别1.0m0，代入可得硅中施主电子能级离开导带的距离p）而对p型半导体而言，可简化为（因为pn）载流子漂移载流子漂移浙江大学
24、硅材料国家重点实验室黄靖云常见半导体材料的迁移率（厘米2/伏秒）材料电子迁移率空穴迁移率硅1350480锗3900500砷化镓8000100-3000对硅而言，由于电子的有效质量小于空穴的有效质量，因而电子的迁移率比空穴的大，因此对于同样尺寸的器件，相对来说，N型材料制作的器件工作频率较高。浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云当半导体中通以电流时，电子与空穴除热运动外还在电场的作用下作漂移运动，大小为E带电粒子在磁场中运动时要受到磁场引起的洛伦兹力霍尔效应原理霍尔效应原理浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云当霍耳电场引起的力与磁场引起的力最后达到平衡时，有由此我们得到一个十分重要的公式即霍耳电势与
25、流过的电流大小及磁场强度成正比比例系数称为霍耳系数，对电子R=为-1/ne，对空穴为R=1/pe。浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云霍耳迁移率由于磁场的存在，电子的漂移运动方向发生变化，因此以上所指的迁移率严格来说应是磁场下的迁移率引入霍耳迁移率后，霍耳系数要进行修改，对简单能带半导体，Rn与Rp没有差别由半导体的具体能带结构可以算出霍耳迁移率与一般迁移率的比值，它们为通过霍尔系数测量，可以确定材料的导电类型，载流子浓度，电导率等十分重要的参数因此霍耳系数是半导体材料的一个很重要参数浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云5.5 p-n 结结一一.p-n 结的形成结的形成 在在 n 型型半导体基片的
26、一侧半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质掺入较高浓度的受主杂质，该区就成为该区就成为p型半导体型半导体（补偿作用）。（补偿作用）。在在p型和型和n型半导体型半导体交交界面附近界面附近产生了一个产生了一个内建内建(电电)场场n型型p型型 阻止电子和空穴进阻止电子和空穴进一步扩散。一步扩散。电子和空穴的扩散，电子和空穴的扩散，浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云平衡的平衡的PN结结：没有外加偏压没有外加偏压能带结构能带结构能带结构能带结构载流子漂移载流子漂移(电流电流)和扩散和扩散(电流电流)过程保持平衡过程保持平衡(相等相等)，形成自建场和自建势，形成自建场和自建势自建场和自建势自建场和自建势自
27、建场和自建势自建场和自建势浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云 内建场大到一定内建场大到一定程度，不再有净电程度，不再有净电荷的流动，达到了荷的流动，达到了新的平衡。新的平衡。在在p型型 n型交界面附近形成的这种特殊结构型交界面附近形成的这种特殊结构称为称为p-n结（阻挡层，耗尽层），约结（阻挡层，耗尽层），约0.1 m厚。厚。p-n结结p型型n型型浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云 p-n结处存在结处存在电势电势差差U0形成的形成的势垒区势垒区。也阻止也阻止n区带负电的电子进区带负电的电子进一步向一步向p区区扩散。扩散。它阻止它阻止 p区带正电的区带正电的空穴进一步向空穴进一步向n区区扩散；扩
28、散；U0电子能级电子能级电势曲线电势曲线电子电势能曲线电子电势能曲线p-n结结np对对 Si:U0=0.60.7 V对对Ge:U0=0.20.3 V浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云 由于由于p-n结的存在，结的存在，电子电子的能量应考虑进势垒带的能量应考虑进势垒带来的来的附加势能附加势能。电子的能带出现弯曲现象：电子的能带出现弯曲现象：空带空带空带空带p-n结结施主能级施主能级受主能级受主能级满带满带满带满带浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云二二.P-n结的单向导电性结的单向导电性1.正向偏压正向偏压p-n结的结的p型区接电源正极，叫型区接电源正极，叫正向偏压。正向偏压。形成正向电流（形成正
29、向电流（m级）。级）。阻挡层势垒阻挡层势垒降降低低、变窄，、变窄，有利于有利于空穴向空穴向n区运动，区运动，也有利也有利电子向电子向p区运动，区运动，和和反向，反向，p型型n型型I浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云 外加正向电压越大，外加正向电压越大，形成的正向电流也越大，形成的正向电流也越大，且呈且呈非线性的伏安特性。非线性的伏安特性。U（伏）（伏）302010（毫安）（毫安）正向正向00.21.0I锗管的伏安特性曲线锗管的伏安特性曲线浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云2.反向偏压反向偏压p-n结的结的p型区接电源负极，叫型区接电源负极，叫反向偏压。反向偏压。也不利于电子向也不利于电子向p区
30、运动。区运动。p型型n型型I 阻挡层势垒升阻挡层势垒升高、变宽，高、变宽，没有正向电流没有正向电流不利于空穴不利于空穴向向n区运动，区运动，和和同向，同向，但是由于少数载流子的存在，会形成很弱但是由于少数载流子的存在，会形成很弱的反向电流，的反向电流，称漏电流（称漏电流（级）。级）。浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云 当外电场很强，反向电压超过某一数值后，当外电场很强，反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大反向电流会急剧增大反向击穿。反向击穿。V(伏伏)I-10-20-30（微安）（微安）反向反向-20-30 用其用其单向导电性，单向导电性，可制成可制成晶体二极管晶体二极管(diode)，
31、击穿电压击穿电压用其用其光生伏特效应，光生伏特效应，可制成光可制成光电池。电池。pn结的应用：结的应用：作作整流、开关整流、开关用。用。加反向偏压加反向偏压时，时，p n结的结的伏安特性曲线伏安特性曲线浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云双极晶体管双极晶体管双极晶体管的结构双极晶体管的结构双极晶体管的结构双极晶体管的结构由两个相距由两个相距由两个相距由两个相距很近很近很近很近的的的的PNPN结组成：结组成：结组成：结组成：分为：分为：分为：分为：NPNNPN和和和和PNPPNP两种形式两种形式两种形式两种形式基区宽度远远小于少子扩散长度基区宽度远远小于少子扩散长度基区宽度远远小于少子扩散长度基区
32、宽度远远小于少子扩散长度发射区发射区收集区收集区基区基区发发射射结结收收集集结结发发射射极极收收集集极极基极基极浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云MOS场效应晶体管场效应晶体管浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云半导体器件半导体器件 p-n结的适当组合可以作成具有放大作用的晶结的适当组合可以作成具有放大作用的晶体三极管体三极管（trasistor）和其他一些半导体器件。和其他一些半导体器件。集成电路集成电路 大规模集成电路大规模集成电路 超大规模集成电路超大规模集成电路晶体管晶体管（1947）（1962）（80年代年代）103105甚大规模集成电路甚大规模集成电路巨大规模集成电路巨大规模集成电路
33、107109（70年代年代）（90年代年代）（现在）（现在）浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云晶体管的发明晶体管的发明 1947年年12月月23日，美国贝尔日，美国贝尔实验室的半导体小组做出世界上实验室的半导体小组做出世界上第一只具有放大作用的第一只具有放大作用的点接触型点接触型晶体三极管晶体三极管。1956年小组的三位成员获诺贝年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。尔物理奖。巴丁巴丁J.Bardeen布拉顿布拉顿W.H.Brattain肖克利肖克利W.Shockley浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云 每一个集成块（图中一个长方形部分）约为手指甲每一个集成块（图中一个长方形部分）约为手指甲大小，它
34、有大小，它有300多万个三极管。多万个三极管。INMOS T900 微处理器微处理器浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云尺寸效应uu四个尺寸参量：四个尺寸参量：四个尺寸参量：四个尺寸参量：n n载流子平均自由程载流子平均自由程载流子平均自由程载流子平均自由程 n n磁场中电子回旋半径磁场中电子回旋半径磁场中电子回旋半径磁场中电子回旋半径 r rc cn n薄膜厚度薄膜厚度薄膜厚度薄膜厚度 d dn nDe Broglie De Broglie 波长波长波长波长 分几种情况来讨论分几种情况来讨论分几种情况来讨论分几种情况来讨论体材料：体材料：r l l 忽略载流子与样品边界的忽略载流子与样品边界的
35、作用，体内散射为主。作用，体内散射为主。d l 界面散射需考虑界面散射需考虑 r 磁场量子化磁场量子化 l 电导能带理论不符合，电导能带理论不符合，低迁移率量子理论，介观物理低迁移率量子理论，介观物理 d 载流子运动量子尺寸效载流子运动量子尺寸效应应经典经典经典经典量子量子量子量子浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云异质外延晶格常数差浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云晶格失配度临界厚度晶格失配时厚度浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云SiGe/Si结构中热应力对临界厚度的影响 JY Huang et alJ.Appl.Phys.1998浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云异质结：两种不同的材料异质结
36、：两种不同的材料“连接连接”在一起形成异质结在一起形成异质结半导体、金属、绝缘体等大量材料都可以用来制备优质的异质结半导体、金属、绝缘体等大量材料都可以用来制备优质的异质结例：例：SiO2/Si异质结，界面缺陷非常少异质结，界面缺陷非常少III-V化合物异质结化合物异质结 GaAs/AlGaAs,GaInAs/InP,GaInAs/AlInAs,GaSb/AlSb,GaN/AlN,InN/GaNII-VI化合物异质结化合物异质结 CdZnO/ZnO,ZnMgO/ZnO光电子、微电子广泛采用异质结光电子、微电子广泛采用异质结调制能带结构，实现能带剪裁调制能带结构，实现能带剪裁量子结构中的电子态浙
37、江大学硅材料国家重点实验室黄靖云例：几种半导体异质结构能带图例：几种半导体异质结构能带图GaSbInAsAlGaAsGaAsAlGaAsGaAs(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(a)(a)(b):(b):单结异质结构单结异质结构单结异质结构单结异质结构(c)(e):(c)(e):双结异质结构双结异质结构双结异质结构双结异质结构(f):(f):四结异质结构四结异质结构四结异质结构四结异质结构(d)(g)(h)(i):(d)(g)(h)(i):多结异质结构多结异质结构多结异质结构多结异质结构(a)(b):单异质结单异质结(c):单量子阱单量子阱(d):多量子阱多量子阱(e):
38、单势垒结构单势垒结构(f):双势垒结构双势垒结构(g):多势垒结构多势垒结构(h):I 类超晶格类超晶格(i):II类超晶格类超晶格浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云根据能带的不连续性，可以分为根据能带的不连续性，可以分为I型型II型型AlGaAsGaAsAlGaAsGaAs电子和空穴在同一种材料中电子和空穴在同一种材料中GaSbInAs电子和空穴在不同的材料中电子和空穴在不同的材料中浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云一般约有几百个毫电子伏，比载流子的能量一般约有几百个毫电子伏，比载流子的能量(kT)要大许多，载流子被限制在势阱中。要大许多，载流子被限制在势阱中。势阱宽度势阱宽度 势阱宽度势阱
39、宽度 阱中载流子的阱中载流子的de Broglie 波长波长经典势阱经典势阱量子势阱量子势阱量子阱结构量子阱结构有如下假设：有如下假设：1）电子有效质量）电子有效质量m*为各向同性有效质量为各向同性有效质量 2）对异质结构的势能，假设为理想的台阶形状）对异质结构的势能，假设为理想的台阶形状 方势阱近似方势阱近似对应于薄膜厚度非对应于薄膜厚度非常薄的多层膜情况常薄的多层膜情况浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云量子阱中的电子态和态密度量子阱中的电子态和态密度量子阱中的电子态和态密度量子阱中的电子态和态密度在禁带较窄的薄膜两侧，生长另一在禁带较窄的薄膜两侧，生长另一种禁带较宽的材料，就构成了量子种禁
40、带较宽的材料，就构成了量子阱。阱。AABZ三层薄膜结构，构成量子阱三层薄膜结构，构成量子阱阱宽阱宽量子势阱量子势阱考虑电子情况，势能：考虑电子情况，势能：AAB0zVb量子阱势能量子阱势能势阱势阱高度高度势阱势阱宽度宽度电子气（空穴气）浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云江崎岭于奈江崎岭于奈 发现半导体中的隧道效应发现半导体中的隧道效应1973诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云霍尔效应1879年由JohnsHopkins大学的研究生EdwinHall发现1978年KlausvonKlitzing和Th.Englert发现霍尔平台1980年,注意到霍尔平台的量子化单位,
41、1985年,KlausvonKlitzing获诺贝尔物理奖1982年,崔琦,H.L.Stomer等发现具有分数量子数的霍尔平台磁性性质磁性性质-霍尔效应的历史霍尔效应的历史体材料薄膜VH=BI/(nqd)RH=VH/I=B/nqd=霍尔系数浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云K.V.克利青克利青 量子霍耳效应量子霍耳效应1985诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖霍尔常数（强磁场中，纵向电压和横向电流的比值）量子化 RHV/Ih/e2 1，2，3，该效应称为整数量子霍尔效应AT&T的D.Tsui、H.Stormer和A.Gossard发现随着磁场增强，在v1/3,1/5,1/7等处，霍尔常数出现了新的台
42、阶这种现象称为分数量子霍尔效应浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云崔琦崔琦1998诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖分数量子霍尔效应分数量子霍尔效应劳克林劳克林斯特默斯特默浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云分数效应崔琦,Stomer等发现,当Landau能级的占据数这里p,m为整数,m为奇数时,有霍尔平台.浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云LED特点n n低电压低电压 3-4V3-4Vn n高效节能高效节能 35%35%n n长寿命长寿命1010万小时（电灯万小时（电灯3000-80003000-8000小时）小时）n n体积小体积小n n环保（废弃物少）环保（废弃物少）n n应用广泛（全彩色显示、汽
43、车电子、手机显示，应用广泛（全彩色显示、汽车电子、手机显示，仪器仪表显示、未来白光照明）仪器仪表显示、未来白光照明）n n海岛、高山无电网处易实现太阳能照明（军事）海岛、高山无电网处易实现太阳能照明（军事）5.6半导体发光二极管、激光器半导体发光二极管、激光器浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云Active Layer5-period In0.3Ga0.7N/GaN SLs (2.5nm/4.0nm)Transparent electrodeP electrodeN electrodeBlue InGaN/GaN multi-q
44、uantum well LED structureN-type GaN:Si 3-4mSubstrate Sapphire or SiP-type Al0.1Ga0.9N:Mg 100nmP-type GaN:Mg 0.5mGaN buffer layer:30nm2.5nm InGaN4.0nm GaN浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云 pn阻挡层阻挡层E内内-+-+-+-+-pn满满 带带空空 带带eU0pn满满 带带空空 带带e(U0-V)外外E内内pn阻挡层阻挡层+-+电子、空穴复合发光浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云导带导带禁带禁带价带价带pInpIn-+E内内U0导带导带禁带禁带
45、价带价带三块半导体三块半导体紧密接触，形成紧密接触，形成 p-I-n 结结Inp（本征）（本征）+-pInE内内E外外浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云Ec1Ec2Ev1Ev2EcEv量子阱LED能带结构图浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云超晶格LED能带结构图浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云 同质结激光器同质结激光器实质上是由同一种材料制实质上是由同一种材料制成的一个成的一个p-n结（重掺杂）结（重掺杂）1.同质结激光器同质结激光器半导体激光器分两类半导体激光器分两类:异质结激光器异质结激光器实质上是由两种不同材料制实质上是由两种不同材料制成的一个成的一个 p-I-n结（结（I为本征半导体
46、）为本征半导体）半导体激光器半导体激光器 半导体激光器是光纤通讯中的重要光源，在半导体激光器是光纤通讯中的重要光源，在创建信息高速公路的工程中起着极重要的作用。创建信息高速公路的工程中起着极重要的作用。浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云pn满满 带带空空 带带重掺杂重掺杂pn满满 带带空空 带带普通掺杂普通掺杂浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云 pn阻挡层阻挡层E内内-+-+-+-+-加正向偏压加正向偏压V 粒子数反转粒子数反转外外E内内pn阻挡层阻挡层+-+pn满满 带带空空 带带eU0pn满满 带带空空 带带e(U0-V)电子空穴复合发光电子空穴复合发光浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云解
47、理面解理面p-n结结p-n结结它的两个端面就相它的两个端面就相当于两个反射镜，当于两个反射镜，光振荡光振荡并利于并利于选频。选频。的反射系数，的反射系数，激励能源就激励能源就是外接是外接电源（电泵）。电源（电泵）。维持激光的输出。维持激光的输出。由自发辐射引起由自发辐射引起受激辐射。受激辐射。.p-n结本身就形成结本身就形成一个一个光学谐振腔，光学谐振腔，它提供正向电流，使电子空穴的复合不断进行，它提供正向电流，使电子空穴的复合不断进行，适当镀膜达到所要求适当镀膜达到所要求可形成可形成浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云解理面解理面p-n结结核心部分：核心部分：p型型GaAsn型型GaAs典型尺
48、寸（典型尺寸（m）：长长 L=250-500宽宽 W=5-10厚厚 d=0.1-0.2GaAs同质结半导体激光器同质结半导体激光器2.异异质结激光器质结激光器作为概念上的过渡，先介绍作为概念上的过渡，先介绍 同质同质p-I-n结。结。同质结的缺点是需要重掺同质结的缺点是需要重掺杂，且光损耗大。杂，且光损耗大。浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云导带导带禁带禁带价带价带pInpIn-+E内内U0导带导带禁带禁带价带价带三块半导体三块半导体紧密接触，形成紧密接触，形成 p-I-n 结结Inp加正向偏压实现粒子数反转。加正向偏压实现粒子数反转。（本征）（本征）需要电压较高。需要电压较高。+-pInE内
49、内E外外浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云 异质异质p-I-n结激光器：结激光器：Ga1-x Alx As GaAs Ga1-x Alx As 导带导带禁带禁带价带价带pIn导带导带禁带禁带价带价带加正向偏压后加正向偏压后，很容易实现粒子数反转很容易实现粒子数反转GaAs和和GaAlAs,晶格常数基本相同，晶格常数基本相同，禁带宽度不同，折射系数不同禁带宽度不同，折射系数不同U0InppIn-+E内内紧密接触紧密接触,形成形成 p-I-n 结结+-pInE内内E外外浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云2）GaAs的折射率比两侧高的折射率比两侧高5%，可形成全，可形成全 反射，把激光束限制在激活区
50、内；反射，把激光束限制在激活区内；实际使用的都是实际使用的都是异质结激光器。异质结激光器。异质结激光器的优点：异质结激光器的优点：1）无须重掺杂；）无须重掺杂；3）阈值电流密度低，可在室温下连续工作。）阈值电流密度低，可在室温下连续工作。浙江大学硅材料国家重点实验室黄靖云半导体激光器的特点：半导体激光器的特点：功率可达功率可达 102 mW效率高效率高制造方便制造方便成本低成本低所需电压低（对所需电压低（对GaAs只需只需1.5V）体积小体积小极易与光纤接合极易与光纤接合电能直接变成光能电能直接变成光能寿命长寿命长可达百万小时可达百万小时 用于激光通讯、信息储存、处理和显示器件、用于激光通讯、