半导体材料的基本性质.ppt

第1章半导体材料的基本性质1.1半导体与基本晶体结构1.1.1半导体 1.杂质敏感性
2.负温度系数
3.光敏性
4.电场、磁场效应
晶体结构是指原子在三维空间中周期性排列着的单晶体。
晶胞：单晶体结构可以用任意一个最基本的单元所代表，称这个最基本的单元叫晶胞。
晶格：单晶体是由晶胞在三维空间周期性重复排列而成，整个晶体就像网格一样，称为晶格。
格点与点阵，组成晶体的原子重心所在的位置称为格点，格点的总体称点阵。3种常见的立方晶体的晶胞
a）简单立方b）体心立方c）面心立方金刚石结构的晶胞与平面示意图
a）金刚石型结构的晶胞b）硅晶体的平面结构示意图金刚石型结构
a）正四面体b）结构晶面及其表示方法1.1.5半导体材料简介1.2半导体的能带1.2.1孤立原子中电子能级1.2.2晶体中电子的能带2.晶体中电子能带的形成
硅晶体能带的形成过程1.2.4能带图的意义及简化表示半导体能带简化表示
a）能带简化表示b）能带最简化表示1.3本征半导体与本征载流子浓度1.3.1本征半导体的导电结构本征半导体导带电子和价带空穴均能在外加电场作用下,产生定向运动形成电流,把上述两种荷载电流的粒子称为半导体的两种载流子.
导带电子浓度和价带空穴浓度永远相等,这是本征半导体导电机构的一个重要特点.1.3.2热平衡状态与热平衡载流子浓度1.3.3本征载流子浓度

式中N(E)称为能态密度,在单位体积晶体中,允许的能态密度表达式为式中mn代表电子的有效质量;mp代表空穴的有效质量.
电子占据能量为E的机率函数称为费米分布函数,其表达式为

k为玻尔兹曼常数;T为热力学温度;EF是费米能级.
可以用曲线把费米分布函数式表示出来.

不同温度下费米分布函数随(E-EF)的变化关系下图从左到右形象描绘出了能级分布,费米分布及本征半导体与空穴在能带中的分布情况.

1.费米能级
费米能级在能带中所处的位置,直接决定半导体电子和空穴浓度.

费米能级的位置2.两种载流子浓度的乘积

由上式可以看出,随温度的升高.半导体np乘积的数值是要增大的.
利用本征半导体电子和空穴浓度的关系可以得到

因此半导体两种载流子浓度的乘积等于它的本征载流子浓度的平方.3.本征载流子浓度与本征费米能级
右图为Si和GaAs中本征载流子浓度与温度倒数间的关系1.4杂质半导体与杂质半导体的载流子浓度1.4.1N型半导体与P型半导体硅中的施主杂质和受主杂质
a）硅中掺入磷原子b）硅中掺入硼原子1.4.2施主与受主杂质能级1.4.3杂质半导体的载流子浓度对于N型半导体，其少数载流子的浓度p为1.4.4杂质半导体的费米能级及其与杂质浓度的关系1.4.5杂质半导体随温度的变化伴随着温度的升高，半导体的费米能级也相应地发生变化Si、GaAs的费米能级随温度变化曲线
a）Sib）GaAs1.5非平衡载流子1.5.1非平衡载流子的产生1.5.2非平衡载流子的寿命1.5.3非平衡载流子的复合类型1.5.4准费米等级N型半导体小注入前后准费米能级偏离费米能级的程度
a）小注入前b）小注入后1.6载流子的漂移运动1.6.1载流子的热运动与漂移运动随机热运动的结果是没有电荷迁移，不能形成电流。
引入两个概念：
大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值，称为平均自由程，用λ表示，其典型值为10-5cm；
两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间，用τ表示,约为1ps；
建立了上述随机热运动的图像后，就可以比较实际地去分析载流子在外加电场作用下的运动了。外加电场E施加于半导体上时，每一个电子在电场力F=-qE的作用下，沿着电场的反方向在相继两次碰撞之间做加速运动，其加速度可表示为

对于价带空穴同样有

式中，mn，mp为电子空穴的有效质量。需要说明的是这个加速度不能累积，每次碰撞之后，这个定向漂移运动的初始速度下降为零。也就是说，载流子在电场作用下的加速度只有在两次散射间存在。
随机热运动和漂移运动的合成使载流子产生了净位移。
对于等加速度运动来说，经过平均自由时间τ之后的平均漂移速度应为
对电子对于空穴1.6.2迁移率μ左图是硅中电子，空穴迁移率随杂质浓度的变化
N型硅中电子和空穴的迁移率
P型硅中电子和空穴的迁移率载流子的迁移率还要随温度而变化。1.6.3半导体样品中的漂移电流密度同样可求得空穴的漂移电流密度为

所以总的漂移电流密度是

对于N型半导体，特别是强N型半导体，由于n>>p，式可简化为
对于P型半导体，特别是强P型半导体，由于p>>n.可简化为1.6.4半导体的电阻率ρ测试电阻率最常用的方法为四探针法。
下图即为利用四探针法测量电阻率温度在300K时Si和GaAs电阻率与杂质浓度的关系曲线1.7载流子的扩散运动1.7.1扩散方程的建立因为扩散运动是由浓