半导体器件物理-2孟庆巨.ppt

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1、第二章半导体物理基础主要内容一、半导体材料及其结构二、半导体的电子状态和能带三、半导体中的载流子四、半导体中的掺杂五、半导体中的载流子及其输运六、半导体中的光电特性一、半导体材料及其结构1、什么是半导体？固体材料从导电特性上分成：超导体、导体、半导体、绝缘体从导电特性和机制来分：不同的禁带宽度及其温度特性，不同的输运机制能带结构Semiconductor导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，叫做半导体。电阻率在10-4-1010cm.半导体的基本特性元素半导体和化合物半导体晶态半导体、非晶及多晶半导体无机半导体和有机半导体本征半

2、导体和杂质半导体半导体的种类温度效应-----负温度系数掺杂效应-----杂质敏感性光电效应-----光电导电场、磁场效应常见的半导体材料2、固体的结构固体从其结构来讲有规则和不规则，如玻璃的结构则是不规则的，而硅单晶的结构是规则的：按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以将固体分为：单晶有周期性非晶无周期性多晶每个小区域有周期性3、晶体的结构1）晶体和晶格：由于构成晶体的粒子的不同性质，使得其空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结构，将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空间点阵成为晶格。2）晶体结构与原子结合的形式有

3、关晶体结合的基本形式：共价结合、离子结合、金属结合、范德瓦耳斯结合半导体的晶体结构：主要有金刚石结构（Ge、Si）闪锌矿结构（GaAs等III-V族和CdTe等II-VI族化合物）纤锌矿结构（部分III-V族和II-VI族化合物)◆金刚石结构◆闪锌矿结构◆纤锌矿结构晶格在点阵中把所有格点连接起来所构成网络空间点阵　晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的结点在空间有规则地作周期性的无限分布，结点的空间集合称为点阵。结点(格点)构成晶体空间结构的质点的重心NaCl的晶体结构结点示意图晶体结构=点阵+结构基元4、晶体结构的拓扑描述晶

4、列指数和晶面指数晶列：在一个晶格结构中通过任意两个结点的连线。晶列族：平行于某一晶列的所有晶列的组合。晶面：在一个晶格结构中通过任意不在同一晶轴上的三个结点构成的平面晶面族：平行于某一晶面的所有晶面的组合晶体的晶面用晶面指数（密勒指数）表示：该晶面与坐标轴截距的倒数可以化为互质整数。二、半导体中的电子状态和能带1.原子的能级和晶体的能带硅SiIV族元素原子序数14硅原子以共价键结合形成硅晶体出现sp3杂化一个3s轨道和3个p轨道混合，形成4个杂化轨道sp3硅原子有：2个3s电子2个3p电子本征半导体的共价键结构硅和锗是四价元素

5、，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图2-1。图2-1硅原子空间排列及共价键结构平面示意图(a)硅晶体的空间排列(b)共价键结构平面示意图(c)邻近的杂化轨道交叠反成键态成键态形成导带CBConductionband与Si－Si键相对应形成价带VBValenceband当原子组成晶体时，根据量子力学原理，单个原子中的每个能级都要分裂，形成能带。严格地讲，能带也是由一系列能级组

6、成，但能带中的能级是如此之多，以至于同一个能带内部各个能级之间的间隔非常小，因此完全可将能带看成是连续的。电子的共有化运动(a)E(k)和k的关系;(b)能带;(c)简约布里渊区根据能带理论，由量子力学中薛定谔方程求解的能带。Si、Ge和GaAs的能带结构间接带隙半导体带隙半导体半导体的能带结构价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差Ec为导带底EV为价带顶能带结构图，它表明了晶体中的电子的运动状态和能量的关系；在一块处于热平衡的晶体中，空间每一点的

7、物理状态以及电子的运动状态都是一样的，处于导带底状态的电子的能量都是Ec，处于价带顶状态的电子的能量都是Ev.能带结构与导电特性导带全空，没有能够参与导电的电子价带全满，电子无法在外场下运动，产生净电流半导体和绝缘体没有什么差别导带有少量电子，能够参与导电价带有部分空位，也能够在外场下运动，产生净电流。半导体的导电特性由材料的禁带宽度决定满带不导电！由于热振动可能会使电子获得足够的能量，脱离价键的束缚，由价带激发到导电0K时：一定温度下时：不满带导电机理2、金属、半导体与绝缘体能带结构的不同造成导电性能的不同。金属没有带隙Eg

8、=0半导体的带隙较小(1~3eV)绝缘体的带隙很大三、半导体中的载流子电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子。空穴：带正电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带中的电子空位。半导体中的载流子：能够导电的自