半导体器件物理期末复习课件第二章、第三章

理想的半导体晶体 十分纯净 不含任何杂质 晶格中的原子严格 按周期排列的
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杂质的填充方式
一）杂质原子位于晶格 原子间的间隙位置， 间隙式杂质； 二）杂质原子取代晶格 原子而位于晶格格点处， 替位式杂质。 杂质浓度
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●空穴
满带中因失去了电子而留下的空位称为空穴。 在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电，这与 金属导体导电有很大的区别。
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1.2.2 有效质量
晶体中的电子除了受到外力作用外，还受到晶格原子和 其他电子的作用，为了把这些作用等效为晶体中的电子质 量，所以引入有效质量的概念。（当电子在外力作用下运 动时，它一方面受到外电场力的作用，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 具体形式并且求出加速度遇到一定的困难，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。特别是有 效质量可以直接由试验测定，因而可以很方便地解决电子 的运动规律。）
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点缺陷
弗仑克耳缺陷 间隙原子和空位成对出现的缺陷
肖特基缺陷
只在晶格内形成空位而无间隙原子 的缺陷
均由温度引起，又称之为热缺陷，它们总是同时存在的。
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1、热缺陷：当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热 运动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成 的缺陷。 （1） Frankel缺陷 特点 —— 空位和间隙成对产生 ；晶体密度不变。
+
+
+
原子的能级（电子壳层）
2.能级特点 越是外层，电子的能量越高
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晶体中的电子
当原子间距很小时，原子间的电子轨道将相遇而交叠，晶体中每个原子 的电子同时受到多个原子核和电子（包括这个原子的电子和其他原子的 电子）作用。 电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
Eg=Ec-Ev
导带和价带之间的能级宽度， 单位是能量单位：eV（电子伏特）
●本征激发 图 一定温度下半导体的能带示意图
价带电子激发成为导带电 子的过程 。
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●导带
有电子能够参与导电的能带， 但半导体材料价电子形成的高 能级能带通常称为导带。
●价带
由价电子形成的能带，但半导体 材料价电子形成的低能级能带通 常称为价带。
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半导体的重要特性
• 温度升高使半导体导电能力增强，电导率下降 • 杂质可以显著增强半导体的导电能力 • 适当波长的光照可以增强半导体的导电能力
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1.1 半导体的结构和缺陷
1.1.1半导体的晶格结构
晶体
自然界中存在的固体材料，按其结构形 式不同，可以分为晶体（如石英、金刚石、硫酸铜 等）和非晶体（玻璃、松香、沥青等）。
晶体又分为单晶和多晶
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单晶体：由原子或分子在空间按一定规律周期性 地重复排列构成的固体物质。
多晶体：小区域内原子周期性排列，整体不规则 非晶体：原子排列无序
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五种常见的晶格结构
●简单立方结构 ●体心立方结构
●面心立方结构 ●金刚石结构 ●闪锌矿结构 钋 (Po) 晶格常数
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晶体的原子按一 定规律在空间周 期性排列，形成 格点，成为晶格。
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物质按照导电能力分为：导体 绝缘体 半导体
1. 导体：电阻率 < 10-3 · cm 的物质。如铜、 银、铝等金属材料。 2. 绝缘体：电阻率 > 109 · cm 物质。如橡胶、 塑料等。 3. 半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物 质。电阻率 10-3 < < 109 ·cm。大多数半导体器件 所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。
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+
+
+
++
++
++
++
原子结合成晶体时晶体中电子的共有化运动
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1.2.1 半导体中电子共有化运动与能带
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
在晶体中，不但外层价电子的轨的轨道交叠较少， 共有化程度弱些，外层电子轨道 交叠较多，共有化程度强些。
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如图，晶面ACC’A’在 坐标轴上的 截距为1，1，∞， 其倒数为1，1，0， 此平面用密勒指数表示 为（110），
相同指数的晶面和晶列互相垂直 。 27
例
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1.1.3 半导体中的缺陷
当半导体中的某些区域，晶格中的原子周期性 排列被破坏时就形成了各种缺陷。 缺陷分为三类： ①点缺陷：如空位，间隙原子，替位原子； ②线缺陷：如位错； ③面缺陷：如层错等。
半导体器件物理
semiconductor device physics
第1部分 半导体物理
第 章 半导物理基础
1.1 半导体的晶体结构和缺陷
1.2 半导体中的能带与杂质能级 1.3 半导体中的平衡与非平衡载流子
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1.4 半导体中载流子的输运现象
1.5 半导体的表面
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● —— 本章重点
半导体材料的晶格结构 电子和空穴的概念 半导体的电性能和导电机理 载流子的漂移运动和扩散运 动 非平衡载流子的产生和复合
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• 共有化的电子不像单个原子那样具有一个 固定的能量，即有一个固定的能级，而是 具有若干分布在一定范围内的能级，这些 能级相互靠的很近，基本联成一片。这些 连成一片的能级，就叫能带。
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能级
能带
当原子之间距离逐步接近时，原子周围电子的能 级逐步转变为能带，下图是能级向能带演变的示 意图。
氢原子能级
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闪锌矿结构
砷化镓（GaAs）
磷化镓(GaP) 硫化锌(ZnS)
硫化镉(CdS)
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1.1.2 晶体的晶向与晶面
晶格：晶体中周期性的重复单元
格点：组成晶体的原子的重心位置
晶轴：以某一格点为原点，取三个相互垂 直的坐标轴
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1.1.2 晶体的晶向与晶面
• 晶列：通过任意两格点所作的直线（晶列上有一系 列格点）
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导体、绝缘体、半导体的能带示意图
3~6eV
禁带比较窄，常 温下，部分价带 电子被激发到空 的导带，形成有 少数电子填充的 导带和留有少数 空穴的价带，都 能带电
能带被电 子部分占 满，在电 场作用下 这些电子 可以导电
禁带很 宽，价 带电子 常温下 不能被 激发到 空的导 带
硅1.12eV
锗0.67 eV
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1.2.3 本征半导体
载流子
本征半导体
参与导电的电子和空穴统称为半导体的载流子。
纯净的，不含任何杂质和缺陷的半导体
本征激发： 电子从价带跃迁到导带，形成导带电子和价带空穴
本征激发的特征： 成对的产生导带电子和价带空穴
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1.2.4
杂质半导体
实际应用中的 半导体材料
原子并不是静止在具有严格周期性 的晶格的格点位置上，而是在其平 衡位置附近振动 并不是纯净的，而是含有若干杂质， 即在半导体晶格中存在着与组成半 导体的元素不同的其他化学元素的 原子 晶格结构并不是完整无缺的，而存 在着各种形式的缺陷
特征：同一格点可引出无限晶列；平行晶列构成族。
• 晶向：在坐标系中晶列的方向（确定晶向的方法待 定）；用晶列指数表示，如[110]。 • 晶面：通过晶体中三个不在同一晶轴上的三个质点 所作的平面。晶面用晶面指数（密勒指数）表示， 如（111），（100）……
特征：平行晶面格点分布相同，称同一族晶面
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半导体的重要特性？？？
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半导体的电性能
温度与半导体 金属电阻率的温度系数是正的（即电阻率随温度升 高而增加，且增加得很慢）； 半导体的电导率随温度升高而迅速增加。 半导体材料电阻率的温度系数都是负的（即温度升 高电阻率减小，电导率增加，且增加得很快）。
热敏电阻 对温度敏感，体积又小，热惯性也小， 寿命又长，因此在无线电技术、远距离控制与测量、 自动化等许多方面都有广泛的应用价值。
导体参与导电的有几种载流子?
电流=导带电子电流+价带空穴电流之和
T↑,更多电子被激发到导带,导电能力↑ 禁带宽度的存在,被激发的电子少于导体中的自由电子,导电能力比 导体差.
绝缘体
导带价带间,禁带宽度比较大,价带被电子填满, 一般情况下,价带电子从热激发中得到的能量不足以使它跳到导带上 去,因此导带电子极少,绝缘体不导电.
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杂质与半导体
杂质对半导体材料导电能力的影响非常大。 例如，纯净硅在室温下的电阻率为2.14×107Ω·m， 若掺入百分之一的杂质（如磷原子），其电阻就会 降至20Ω·m。 虽然此时硅的纯度仍旧很高，但电阻率却降至 原来的一百万分之一左右，绝大多数半导体器件都 利用了半导体的这一特性。
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光照与半导体
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• 晶向指数是这样得到的： • （1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截 点，并以晶格常数为单位测得相应的截距； • （2）将三个截距其化简成最简单的整数比； • （3）将此结果以“[hkl]”表示，即为此平面 的密勒指数。
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一个简单的晶体结构
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密勒指数是这样得到的： （1）确定某平面在直角坐标系三个轴上的截点，并 以晶格常数为单位测得相应的截距； （2）取截距的倒数，然后约简为三个没有公约数的 整数，即将其化简成最简单的整数比； （3）将此结果以“（hkl）”表示，即为此平面的密 勒指数。
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Frankel缺陷的产生