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1、第2章半导体物理概论现在学习的是第1页，共76页第二章 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现在学习的是第2页，共76页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 载流子的有效质量现在学习的是第3页，共76页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
2、中电子状态电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，或称能隙能隙现在学习的是第4页，共76页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
3、一个原子转移到相邻的原子上去由一个原子转移到相邻的原子上去，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中运动动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现在学习的是第5页，共76页多电子原子能级 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，可看作一个能带现在学习的是第6页，共76页现在学习的是第7页，共76页自由电子的电子状
4、态v粒子：质量为m0，速度为vv波：波数为k，频率为f波粒二象性：波粒二象性：现在学习的是第8页，共76页自由电子的电子状态现在学习的是第9页，共76页自由电子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现在学习的是第10页，共76页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
5、渊区边界上现在学习的是第11页，共76页现在学习的是第12页，共76页电子分布原则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,使整个原子系使整个原子系统能量最低。统能量最低。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道；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；全充全充满、半充满、全空的状态比较稳定满、半充满、全空的状态比较稳定现在学习的是第13页，共
6、76页半导体、导体和绝缘体的能带特征Eg 6 eVEg绝缘体绝缘体半导体半导体价带导带导体导体现在学习的是第14页，共76页三者的主要区别：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现在学习的是第15页，共76页直接禁带 间接禁带禁带宽度：导带底与价带顶之间的间隙。2.1.2 半导体的能带结构现在学习的是第16页，共76页直接带隙半导体 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
7、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现在学习的是第17页，共76页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现在学习的是第18页，共76页2
8、.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据，没有自由移动的电子。现在学习的是第19页，共76页满带：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)。现在学习的是第48页，共76页杂质补偿效应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现在学习的是第49页，共76页（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
9、型半导体现在学习的是第50页，共76页电中性条件 整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。现在学习的是第51页，共76页一、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现在学习的是第52页，共76页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，现在学习的是第53页，共76页 载流子散射载流子散射 载流子的热运动载流
10、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的平均路程。现在学习的是第54页，共76页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:现在学习的是第55页，共76页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现在学习的是第56页，共76页1）晶格振动散射晶格振动散射 即格波散射即格波散射现在学习的是第57页，共76页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
11、纵波+2个横波 格波具有量子化特征，其能量子 声子格波与声子现在学习的是第58页，共76页2）电离杂质散射电离杂质散射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现在学习的是第59页，共76页现在学习的是第60页，共76页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 现在学习的是第61页，共76页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：本征激发显著现在学习的是第62页，共76页现在学习的是第63页，共76页2.
12、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 额外载流子的运动现在学习的是第64页，共76页施加外界作用偏离热平衡态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现在学习的是第65页，共76页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，为少数载流子寿命现在学习的是第66页，共76页非平衡载流子n=n n0p=p p0n：非平衡态下的电子浓度p：非平衡态下的
13、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。光照npnopo现在学习的是第67页，共76页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现在学习的是第68页，共76页复合类型复合类型 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现在学习的是第69页，共76页按复合
14、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 现在学习的是第70页，共76页3）非平衡载流子的运动）非平衡载流子的运动 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现在学习的是第71页，共76页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现在学习的是
15、第72页，共76页v自发辐射v受激吸收v受激辐射现在学习的是第73页，共76页自发辐射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现在学习的是第74页，共76页受激吸收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现在学习的是第75页，共76页受激辐射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全同光子现在学习的是第76页，共76页