半导体基础理论能带与载流子ppt课件.ppt

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1、半导体基础理论2014-11-12电子材料测试技术-第二讲第一部分：能带与载流子课程具体内容及安排讲座号日期内容12014-11-10绪论（课程介绍，电子材料介绍，半导体材料及测试技术概况）22014-11-12半导体基础理论能带与载流子32014-11-17半导体基础理论载流子的输运42014-11-19半导体基础理论杂质与缺陷52014-12-1导电性能测试探针法62014-12-3导电性能测试霍尔效应72014-12-8少数载流子寿命测试微波光电导衰减法82014-12-10少数载流子扩散长度测试表面光电压法92014-1

2、2-15杂质与缺陷测试电子束诱生电流测试102014-12-17杂质与缺陷测试红外光谱112014-12-22杂质与缺陷测试深能级瞬态谱122014-12-24杂质与缺陷测试正电子湮灭谱132014-12-29杂质与缺陷测试光致荧光谱142014-12-31杂质与缺陷测试拉曼光谱152015-1-5杂质与缺陷测试紫外-可见吸收光谱162015-1-7半导体器件测试半导体材料特殊的导电性能杂质特性温度特性光电特性外场特性（回顾）四大导电特性：-半导体材料特殊的导电性能杂质特性温度特性光电特性外场特性（回顾）四大导电特性：通过何种微

3、观机制实现的？？需要探讨半导体的导电机制能带与载流子载流子的物理模型电子能带模型载流子的产生平衡载流子的浓度小结讲座内容：电荷的定向移动形成电流，承载电荷的自由粒子称为载流子。载流子金属导电的载流子：自由电子；半导体导电的载流子：电子（带负电）和空穴（带正电）。电子与空穴的键合模型（以二维硅晶格为例）SiSiSiSiSiSiSiSiSi当一个共价键断开，一个电子被电离成为导电的自由电子，一个空穴也生成了。如何理解空穴?被当作是半导体中带正电的运动粒子与流体运动的类比：未填满流体的管道导带价带Eg在外电场作用下：-导带中的电子定向

4、运动形成电流(电子导电)。-价带中带正电的空穴定向运动也形成电流(空穴导电)。用能带模型研究载流子对半导体中的电子与空穴的产生与运动的分析均离不开能带模型：受到外界的激发，共价键断开，形成电子-空穴对：价带中的电子跃迁到导带上来，在价带中形成空穴（相当于空穴向下跃迁）。原子键合导致电子能级的分裂两个氢原子形成共价键一个状态对应一个能级能带的形成：电子的基态外层先分裂（最先受到其它原子的影响）允带和禁带r0平衡时的原子间距r0处存在能量的允带准连续分布大量原子形成晶格导致能级分裂为能带晶格中电子能级的分裂能带的形成：Separat

5、ionbetweenenergylevelsissmall,sowecanconsiderthemasbandsofcontinuousenergylevels单个能级多个能级硅晶格每个原子分别与周围的四个原子形成四面体，原子之间的价电子形成共价键。硅晶格的原子排布硅原子的电子轨道排布:1s22s22p63s23p2外层四个价电子(3s23p2)形成共价键共价键结构平面示意图6个状态2个状态3s和3p轨道距离近时产生交叠,导致3s和3p态分裂为允带和禁带硅晶格中电子能级分裂为能带←3s23p2全满全空N个硅原子所形成晶格中的电子

6、能带N个孤立硅原子中的电子能级硅晶格中电子能级分裂为能带Furtherdetail:能带图（EnergyBandDiagram）EcEv对能带模型的简化,标明：导带的下边缘(Ec)价带的上边缘(Ev)Ec与Ev由能带隙EG分隔开electronenergydistance不同材料的能带结构价带全满，且与导带重叠价带全满，导带半满，二者带隙宽度窄能带隙与材料的分类EcEvEG=1.12eVEcEG=~9eVSiSiO2metalEcEvFilledbandsandemptybandsdonotallowcurrentflowIns

7、ulatorshavelargeEGSemiconductorshavesmallEGMetalshavenobandgapconductionbandispartiallyfilled金属：导带被部分填满绝缘体与半导体：价带全满，导带全空，带隙宽度Eg有区别金属、半导体、绝缘体的真正区别在于能带结构带隙能的测量·EGcanbedeterminedfromtheminimumenergy(hn)ofphotonsthatareabsorbedbythesemiconductor.photonphotonenergy:hvEGE

8、cEvelectronholeBandgapenergiesofselectedsemiconductors半导体异质结的能带结构载流子的产生：T=0K时,硅晶格共价键的平面示意图载流子的产生需要从外界获得足够的能量:-升温(热激发)-光照(光激发,hν≥Eg)