半导体器件物理半导体器件物理基础 chapter 2.doc

第二章 半导体器件物理基础 一切半导体器件的基础是半导体材料的特性。材料的制备。半导体的物理特性因此，首先简要地复习有关的半导体物理基础知识。 2.1.1．半导体的特性 物质主要有三态：气体；液体；固体； 固体分非晶体和晶体；晶体有规则外形—有理解面有一定的熔点（Si：1420度），各向异性（热，电，光）；有周期性，对称性。物质按导电能力可分为导体，绝缘体，半导体。 元素半导体：Si，Ge；化合物半导体：GaAs，InP …… 2.1.2．晶体的结构 原子按一定规律在空间整齐排列形成晶格，组成晶体的最小单元成为晶胞。晶胞重复排列形成晶体。 常用立方结构有5种： (1) 简单立方：原子位于顶角，相邻原子间距a0，每个原子有6个近邻，每个原子属于周围8个晶胞共有。一个简立方晶胞含有个原子。原子球半径为r，体积为，近邻原子中心的间距为a0=2r。1个原子球体积为，1个晶胞的体积为，一个原子球体积仅为晶胞体积的，故是比较空的。钋（Po）是简立方（scc）。 (2) 体心立方：除顶角外，体心有一个原子，晶胞内原子数为2。每个原子有8个最近邻。体心原子到顶角的距离为，1个原子球体积为。2个原子占体积，比简立方密些。Na，Mo，W ……属体心立方（bcc body-centered cubic）。 (3) 面心立方：除顶角外，6个面的中心都有一个原子，整个晶胞的原子数为。每个原子有12个紧邻原子，相邻原子间距。1个原子球体积为。4个原子体积为，更密些。 (4) 金刚石结构：是复式晶格，由2个面心立方晶格沿空间对角线方向错开1/4长度相套合而成。最近邻原子间距为，1个原子球体积为，一个晶胞有个原子，一个原子与周围4个原子形成共价键。8个原子占的体积为，排列不太紧密，Si，Ge属于金刚石结构。 (5) 闪锌矿结构：与金刚石结构相似，Ga原子处于一个面心立方上，As原子处于另外一个面心立方晶格上，1个晶胞中有4个Ga原子，4个As原子。 2.1.3．半导体独特的导电性能 （1）导电能力随着T升高而增加，电阻率温度系数为负 （2）掺杂能大大提高导电能力，纯Si的(=214000Ω(cm掺10-6磷原子， ((0.2Ω(cm （3）光照能改变导电能力，例如：CdS暗电阻几十MΩ，光照后降为几十KΩ 另外还有电场，磁场效应…… 2.2．电子能级和晶体的能带 2.2.1．电子的共有化运动 晶体中的电子在相邻原子的相同轨道之间的转移 1S-1S 原子的不同轨道交叠程度不同，共有化程度也不同，外层轨道交叠厉害，共有化运动明显 2.2.2．晶体中的能带 从能带角度来分析电子共有化运动的特点。N个原子形成晶体时，发生共有化运动，由Pauli原理，N个价电子处于N个不同能级（能级分裂），形成能带。 电子依次有低到高填满各个能级和能带，不同晶体能带结构不同。 价电子所在能级（能带）成为价带。 许可带所有能级被填满，称满带。内层电子所在能带往往是满的，价带可以是满带，半满或部分满。 价带上面的能带不存在电子，称为空带。 对于一定的晶体，原子间距一定，故许可带及禁带的宽度都是一定的。 对于绝缘体，通常价带是满的，Eg较大，激发态能带往往是空的；半导体Eg较小，一部分满带电子会被激发到上面的的能带 (( 导带，导体的价带未被占满，或价带与导带相叠。 主要起作用的是满带（价带）顶及导带底附近的电子状况。 2.3．半导体中的载流子 2.3.1．电子密度和空穴密度表达式 在一定温度下，产生（本征激发）与符合达到平衡 令f(E)为电子填充能及E几率 ( Fermi分布函数 ，EF为Fermi能级： T = 0 K 时，f(E) = 1 (E EF)；f(E) = 0 (E EF)。 T 0 K 时，E = EF 处，f(E) = 1/2 E EF ，f(E) 1/2 ，EF ( E kT f(E) ( 1 E EF ，f(E) 1/2 ，E ( EF kT f(E) ( 0 N(E) 为单位体积晶体中，能量在E处的电子能级密度（体积），则在E ( E + dE能级范围内的电子数为 电子的状态密度 空穴的状态密度 电子浓度可以由dn在能带范围内积分得到： 导带电子浓度： 其中 为导带底有效能级密度。 价带空穴浓度： 其中 为价带顶有效能级密度。 以上积分时均作了近似：积分限推到无限大，Fermi分布函数用Boltzmann分布代替。 2.3.2. 载流子浓度与EF位置关系 1．EF位置 本征半导体 n = p，Fermi能级Ei大致在禁带中央附近： N型半导体，n p，