半导体第一章精选PPT.ppt

《半导体第一章精选PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体第一章精选PPT.ppt（54页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、半导体第一章1第1页，此课件共54页哦Si、Ge、GaAs的晶体结构的晶体结构导体、半导体、绝缘体的能带导体、半导体、绝缘体的能带有效质量有效质量本征半导体导电机构、空穴本征半导体导电机构、空穴Si、Ge、GaAs的能带结构的能带结构本章重点：本章重点：2第2页，此课件共54页哦1.1 1.1 半导体的晶体结构和结合性质半导体的晶体结构和结合性质1.1.11.1.1 金刚石型结构和共价键金刚石型结构和共价键(Si、Ge)化学键化学键：构成晶体的结合力 共价键共价键：由同种晶体构成的元素半导体，其原子间无负电 性差，它们通过共用两个自旋相反而配对的价电 子结合在一起。3第3页，此课件共54页哦金

2、刚石型结构特点：金刚石型结构特点：每 个 原 子 周 围 都 有 四 个 最 近 邻 的 原 子，组 成 一 个 正 四 面体 结 构。这 四 个 原 子 分 别 处 在 正 四 面 体 的 顶 角 上，任 一 顶 角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，组成四个共价键，它们之间具有相同的夹角（键 角）10928。4第4页，此课件共54页哦金刚石型结构的结晶学原胞金刚石型结构的结晶学原胞 是 立 方 对 称 的 晶 胞，可 以 看 成 是 两 个 面 心 立 方 晶 胞 沿 立方 体 的 空 间 对 角 线 互 相 位 移 了14的 空 间 对 角 线 长 度 套 构 而成的。

3、原子在晶胞中排排 列列的情况是：八个原子位于立方体的八个角顶上，六个原子位于六个面中心上，晶胞内部有四四 个个原子原子。立方体顶角和面心上的原子与这四个原子周围情况不同，所以它是由相同原子构成的复式晶格。晶格常数晶格常数 Si：a=5.65754 Ge：a=5.43089 5第5页，此课件共54页哦1.1.21.1.2 闪锌矿型结构和混合键闪锌矿型结构和混合键(GaAs)化学键化学键：共价键+离子键闪锌矿型结构特点：闪锌矿型结构特点：与金刚石型结构类似，不同的是该结构由两类不同的原子组成。6第6页，此课件共54页哦闪锌矿型结构的结晶学原胞闪锌矿型结构的结晶学原胞 由两类原子各自组成的面心立方晶

4、格，沿空间对角线彼此位移四分之一四分之一空间对角线长度套构而成。每个原子被四个四个异族原子异族原子所包围。例如，如果角顶上和面心上的原子是族原子，则晶胞内部四个原子就是族原子，反之亦然。角顶上八个原子和面心上六个原子可以认为共有四个原子属于某个晶胞，因而每一晶胞中有四个族原子和四个族原子，共有八个原子。它们也是依靠共价键结合，但有一定的离子键成分。7第7页，此课件共54页哦1.1.31.1.3 纤锌矿型结构纤锌矿型结构化学键化学键：共价键+离子键纤锌矿型结构特点：纤锌矿型结构特点：与闪锌矿型结构相接近，也是以正四面体结构为基础构成的，但是它具有六方六方对称性，而不是立方对称性，如 下图所示。材

5、料：材料：-族化合物半族化合物半导导体。体。如：如：CdS、ZnSe、ZnS8第8页，此课件共54页哦 它是由两类原子各自组成的六六方方排排列列的双原子层堆积而成，但 它 只 有 两 种 类 型 的 六 方 原 子 层，它 的(001)面规则地按ABABAB顺序堆积。9第9页，此课件共54页哦 ZnS、CdS、ZnSe等都能以闪锌矿型和纤锌矿型两种方式结晶，该共价键化和物晶体中，其结合的性质也具有 离子键，但这两种元素的电负性差别较大，如果离离 子子 性性 结结 合占优势合占优势的话，就倾向于构成纤锌矿型纤锌矿型结构。10第10页，此课件共54页哦1.2 1.2 半导体中的电子状态和能带半导体

6、中的电子状态和能带1.2.11.2.1 原子的能级和晶体的能带原子的能级和晶体的能带一、孤立原子的能级一、孤立原子的能级11第11页，此课件共54页哦二、电子共有化运动二、电子共有化运动当孤立原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子壳层之间就有一定程度的交叠，相邻原子最外壳层交叠较多(共有化运动也显著)，内壳层交叠较少；原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而电子将可以在整个晶体中运动，即电子的共有化运动共有化运动；注意注意：因为各原子中 相似壳层上的电子才 有相同的能量，电子 只能在相似壳层间转 移。因此，共有化运动的产

7、生是由于不同原子的相似壳层间的交叠(如3s能级引起3s的共有化运动)12第12页，此课件共54页哦三、晶体的能带三、晶体的能带 彼此孤立的原子互相靠近时，每个原子中的电子除受到本身原子的势场作用外，还要受到其它原子势场的作用，导致能级分裂能级分裂，原子靠得越近，分裂得越厉害。不考虑原子本身的简并不考虑原子本身的简并1.四个原子的能级的分裂四个原子的能级的分裂13第13页，此课件共54页哦2.N个原子的能级的分裂个原子的能级的分裂实际晶体中N值很大，能级又靠得很近，故每一个能带中的能级基本上是连续的，即“准连续能级”14第14页，此课件共54页哦“准连续能级”组成能带，称为允许带(允带)。允带之

8、间因没有能级称为禁带s能级、内壳层能级共有化运动很弱，能级分裂小、晚，形成的能带窄；p、d、f能级、外壳层能级共有化运动很显著，能级分裂很厉害、早，形成的能带宽。原原子子能能级级分分裂裂为为能能带带的的示示意意图图15第15页，此课件共54页哦对 于 由N个原子组成的晶体，共有4N个价电子：2N个s 电 子 和2N个p电子，由于轨道杂化，形成上下两个能带，中 间隔以禁带。两个能带并不分别与s和p能级相对应，而是 上下两个能带中都分别包含2 N个状态，据泡利不相容原 理，各可容纳4N个电子；3.金刚石型结构价电子的能带金刚石型结构价电子的能带 许多实际晶体中，一个能带不一定同孤立原子的某个能许多

9、实际晶体中，一个能带不一定同孤立原子的某个能级对应，即不一定能区分级对应，即不一定能区分s能级或能级或p能级所过渡的能带。如金能级所过渡的能带。如金刚石型结构的价电子：刚石型结构的价电子：16第16页，此课件共54页哦根据电子先填充低能级原理，下面能带填满了电子，它们 相应于共价键中的电子，这个带称为满带或价带；上面能 带是空的，没有电子，称为导带；中间隔以禁带。17第17页，此课件共54页哦1.2.21.2.2 半导体中电子的状态和能带半导体中电子的状态和能带h：普朗克常数；m0：电子质量；r：晶格中的空间位置；V(r)：位置r处的电势；(r)：波函数；E：电子能量波函数波函数(r)：描述微

10、观粒子的状态：描述微观粒子的状态薛定谔方程薛定谔方程：决定粒子变化的方程：决定粒子变化的方程18第18页，此课件共54页哦一、自由电子一、自由电子电子在空间是电子在空间是等几率分布等几率分布的，即自由电子在空间作自由的，即自由电子在空间作自由 运动。运动。波矢波矢k描述自由电子的运动状态。描述自由电子的运动状态。19第19页，此课件共54页哦二、晶体中的电子二、晶体中的电子其中，其中，u函数是与晶格同周期的周期函数。函数是与晶格同周期的周期函数。即波函数是按晶格周期函数调幅的平面波即波函数是按晶格周期函数调幅的平面波 晶格常数20第20页，此课件共54页哦三、布里渊区与能带三、布里渊区与能带能

11、带简图能带简图简约布里渊区简约布里渊区由薛定谔方程可得E(k)和k的关系自由电子周期性势场电子21第21页，此课件共54页哦1.布里渊区布里渊区允带出现在布里渊区：允带出现在布里渊区：第一布里渊区：对应内壳层分裂的能级能量第二布里渊区：对应较高壳层分裂的能级能量第三布里渊区：禁带出现在禁带出现在k=n/2a(n=0,1,2,)1,2,)处，即布里渊区边界上。处，即布里渊区边界上。E(k)是是k的的周周期期函函数数，周周期期为为1/a。每每隔隔1/a的的k表表示示的的是是同同 一一 个个 电电 子子 态态，故故 考考 虑虑 能能 带带 结结 构构 时时，只只 需需 考考 虑虑 第第 一一 布布

12、里里 渊渊 区，如上图区，如上图(c)所示。所示。22第22页，此课件共54页哦波矢波矢k只能取一系列分立的值，而不能取任意值：有些能量是禁止只能取一系列分立的值，而不能取任意值：有些能量是禁止的的(禁带禁带)，而只是在某一范围内才可以，而只是在某一范围内才可以(允带允带)。23第23页，此课件共54页哦2.E(k)k的对应关系的对应关系24第24页，此课件共54页哦3.面心立方晶格、金刚石型结构和闪锌矿型结构的第一布里面心立方晶格、金刚石型结构和闪锌矿型结构的第一布里 渊区渊区8个六边形6个正方形的14面体25第25页，此课件共54页哦1.2.31.2.3 导体、半导体、绝缘体的能带导体、半

13、导体、绝缘体的能带一、满带与半满带一、满带与半满带满带满带：电子数=状态数，其中的电子不导电。I(A)=-I(-A)即+k态和-k态电子电流互相抵消，对电流无贡献。半半满满带带对电流有贡献，产生宏观电流。26第26页，此课件共54页哦二、导体、半导体和绝缘体的能带模型二、导体、半导体和绝缘体的能带模型1.导体的能带导体的能带27第27页，此课件共54页哦2.绝缘体和半导体的能带绝缘体和半导体的能带能带图可简化为：能带图可简化为：28第28页，此课件共54页哦3.绝缘体、半导体和导体的能带模型绝缘体、半导体和导体的能带模型绝 缘 体 和 半 导 体 的 能 带 类 似，下 面 是 被 价 电 子

14、 占 满 的 满 带，称为价带，中间是禁带，上面是空带，称为导带；绝缘体带隙很大(67eV)，半导体的较小(13eV)。通常温度下，前 者 能 激 发 到 导 带 去 的 电 子 很 少，故 导 电 性 很 差；后者可有不少电子被激发到导带中去，故具有一定的 导电能力；半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电，而金属导体只有电子参与导电。绝缘体绝缘体半导体半导体导体导体29第29页，此课件共54页哦1.3 1.3 半导体中电子的运动半导体中电子的运动有效质量有效质量1.3.11.3.1 自由空间的电子自由空间的电子30第30页，此课件共54页哦31第31页，此课件共54页哦1.3.21.3.

15、2 半导体中半导体中E(k)与与k的关系的关系电子有效质量32第32页，此课件共54页哦33第33页，此课件共54页哦1.3.31.3.3 半导体中半导体中电子电子的平均速度的平均速度电子的平均速度或波包中心的速度34第34页，此课件共54页哦1.3.41.3.4 半导体中半导体中电子电子的加速度的加速度35第35页，此课件共54页哦1.3.51.3.5 有效质量的意义有效质量的意义一、意义一、意义当电子在外力作用下运动时，它一方面受到外电场力f的作用，同时还和半导体内部原子、电子相互作用着，电子的加速度应该是半导体内部势场和外电场作用的综合效果。但是，要找出内部势场的具体形式并且求得加速度遇

16、到一定的困难；引进有效质量后可使问题变得简单，直接把外力f和电子的加速度联系起来，而内部势场的作用则由有效质量加以概括；因此，引进有效质量的意义在于：它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用；特别是有效质量可以直接由实验测定，因而可以很方便地解决电子的运动规律。36第36页，此课件共54页哦二、性质二、性质电子的有效质量概况了半导体内部的势场作用；在能带底部附近，电子的有效质量是正值；在能带顶部附 近，电子的有效质量是负值；对于带顶和带底的电子，有 效质量恒定；有 效 质 量 与 能 量 函 数 对 于k的 二 次 微 商

17、成 反 比，能 带 越 窄，二次微商越小，有效质量越大。内层电子的能带窄，有效质量大；外层电子的能带宽，有效质量小。因此，外 层电子在外力作用下可以获得较大的加速度。三、特点三、特点决定于材料；与电子的运动方向有关；与能带的宽窄有关。37第37页，此课件共54页哦在能带底部附近：d2E/dk20 电子的有效质量是正值；在能带顶部附近：d2E/dk2 0 电子的有效质量是负值；原因是电子的有效质量概括了半导体内部的势场作用 右图显示了能量、速度和有效质量随k的变化曲线：38第38页，此课件共54页哦1.4 1.4 本征半导体的导电机构本征半导体的导电机构空穴空穴一、本征激发一、本征激发 当温度一

18、定时，价带电子受到激发而成为导带电子的过程称为本征激发。39第39页，此课件共54页哦二、空穴二、空穴 空穴是几乎充满的能带中未被电子占据的空量子态空量子态。价带电子被激发到导带后，价带中存在空着的状态空着的状态。这种空着的状态将价带电子的导电作用等效为带正电荷的准粒子带正电荷的准粒子的导电作用。空穴的主要特征：带正电：+q；空穴浓度表示为p；Ep=-En；mp*=-mn*.40第40页，此课件共54页哦三、半导体的导电机构三、半导体的导电机构半导体存在两种载流子：电子和空穴，如右图所示。本征半导体中，n=p，如左图所示。41第41页，此课件共54页哦半导体的导电机构半导体的导电机构：半导体中

19、除了导带上电子导电作用外。价带中还有空穴的导电作用。对本征半导体，导带中出现多少电子，价带中相应地就出现多少空穴。导带上电子参与导电，价带上空穴也参与导电，这就是本征半导体的导电机构。42第42页，此课件共54页哦1.5 1.5 回旋共振回旋共振 半导体回旋共振实验的目的目的是测量载流子的有效质量，并据此推出、了解半导体的能带结构。根据：能量极值出现在布里渊区的位置；极值附近等能面形状；能量椭球主轴的方向；极值对称出现的个数.说明硅、锗和砷化镓的导带和价带结构。43第43页，此课件共54页哦1.6 1.6 硅和锗的能带结构硅和锗的能带结构1.6.11.6.1 E(k)-k关系和等能面关系和等能

20、面44第44页，此课件共54页哦 该式代表的是一个椭球等能面椭球等能面。等能面上的波矢k与电子能量E之间有着一一对应的关系，即：k空间中的一个点空间中的一个点=一个电子态一个电子态45第45页，此课件共54页哦1.6.21.6.2 硅和锗的导带结构硅和锗的导带结构等能面等能面46第46页，此课件共54页哦一、一、Si导带结构导带结构硅 的 导 带 极 小 值 位 于k空 间 100方 向 的 布 里 渊 区 中 心 到 布里渊区边界的0.85处；导带极小值附近的等能面是 长 轴 沿100方 向 的 旋 转 椭 球 面；在 简 约 布 里 渊 区 共 有6个 这 样 的椭球。47第47页，此课件

21、共54页哦二、二、Ge导带结构导带结构锗的导带极小值位于k空间的 111方 向 的 简 约 布 里 渊 区 边 界；导带极小值附近的等能面是 长 轴 沿111方向旋转的8个 椭 球面；每 个 椭 球 面 有 半 个 在 简 约 布 里渊区内，因此，在简约布 里渊区内共有4个椭球。48第48页，此课件共54页哦1.6.31.6.3 硅和锗的价带结构硅和锗的价带结构一、一、Si价带结构价带结构重空穴：有效质量较大的空穴；轻空穴：有效质量较小的空穴。价带具有一个重空穴带，一个轻空穴带和由于自旋-轨道耦合分裂出来的第三个能带；价带极大值位于布里渊区的中心；重空穴有效质量为0.53m0，轻空穴有效质量为

22、0.16m0；第三个能带的裂距为0.04eV。49第49页，此课件共54页哦二、二、Ge价带结构价带结构价带具有一个重空穴带，一个轻空穴带和由于自旋-轨道耦合分裂出来的第三个能带；价带极大值位于布里渊区的中心；重空穴有效质量为0.36m0，轻空穴有效质量为0.044m0；第三个能带的裂距为0.29eV。50第50页，此课件共54页哦导带底和价带顶在k空间处于不同的k值1.6.41.6.4 硅、锗能带结构的主要特征硅、锗能带结构的主要特征51第51页，此课件共54页哦1.7.1 1.7.1 砷化镓的导带结构砷化镓的导带结构1.7 1.7 砷化镓的能带结构砷化镓的能带结构砷化镓导带极小值位于布里渊

23、区中心k=0的点；极小值附近的等能面是球形 等能面；在111和100方向布里渊区边界L和X处 还 各 有 一 个 极 小 值；L极小值的能量比布里渊区中 心极小值的高0.29eV。52第52页，此课件共54页哦1.7.2 1.7.2 砷化镓的价带结构砷化镓的价带结构价带具有一个重空穴带，一个轻空穴带和由于自旋-轨道耦合分裂出来的第三个能带；重空穴带极大值稍微偏离布里渊区中心；重空穴有效质量为0.45m0，轻空穴有效质量为0.082m0；第三个能带的裂距为0.34eV。53第53页，此课件共54页哦1.7.3 1.7.3 砷化镓能带结构的主要特征砷化镓能带结构的主要特征禁带宽度随温度增加而减小；T=0时的带隙为1.159eV；直接能隙结构。导带底和价带顶位于k空间的同一点54第54页，此课件共54页哦