东南大学物理系半导体物理课程总结.ppt

III-V族化合物半导体中的浅能级杂质 在III-V族化合物中掺入不同类型杂质： II族元素 GaAs: 铍(Be),镁(Mg),锌(zn),镉(Cd) EA=Ev+0.02-0.03 eV VI族元素 GaAs: 硫(S),硒(Se) ED=Ec-0.006 eV IV族元素 GaAs: 硅(Si) Ev+0.03eV, Ec-0.006 eV （杂质的双性行为） 锗(Ge) Ev+0.03eV, Ec-0.006 eV 等电子杂质 GaP: 氮(N) Ec-0.01 eV (等电子陷阱引起） 等电子杂质 与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子称为等电子杂质（同族原子杂质） 等电子陷阱 形成条件 等电子杂质替代格点上的同族原子后，基本仍是电中性的。但是，掺入原子与基质晶体原子在电负性、共价半径等方面有较大差别，等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负性时，替代后，它能俘获电子成为负电中心，这个带电中心就成为等电子陷阱。 杂质的双性行为 硅在砷化镓中既能取代镓而表现出施主杂质，又能取代砷表现出受主杂质 * 第三章 半导体中的载流子统计分布 半导体的电子状态，能带 半导体的杂质能级 半导体的电子分布 * 状态密度 g(E) 定义： E ? E+dE 范围内有dZ 个量子态 g(E):在能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数。 §3.1 状态密度Density of States(DOS) k 空间的量子态密度 = 在K空间中，电子的允许能量状态密度是V/8?3，如果计入自旋，电子的允许量子态密度是2V/8?3 。每个量子态最多只能容纳一个电子。 由此可知，状态密度与能量成抛物线关系，能量越大，状态密度越大。和有效质量也有关。 各向同性 * § 3.2 费米能级和载流子的统计分布 费米分布函数 玻尔兹曼分布函数 导体中的电子浓度和价带中的空穴浓度 * 1o T = 0 K 2o T ? 0 K 实际上，当 E-EF 5kBT 时，f 0.007 当 E-EF -5kBT 时，f 0.993 室温kbT~26meV f(EF)=1/2 在EF以下kT量级范围内的电子被热激发到EF以上，出现由f?1到f ? 0的过渡区域。 费米(Fermi)分布函数 * 玻耳兹曼(Boltzmann)分布函数 当 E-EF k0T （实际只要 几个k0T） f0 玻耳兹曼分布函数 一般半导体材料的禁带宽度远大于k0T * Fermi-Dirac 统计律和Boltzmann统计律的差别 Fermi统计律受到泡利不相容原理的限制。 在E-Efk0T的条件下，量子态被电子所占据的几率很小，泡利原理失去作用，Bolzman统计律和费米统计律相同。 在半导体中，EF位于禁带内，而且于导带底和价带顶底距离远大于k0T，所以，对于导带中的电子分布可以用电子的boltzmann统计律来描写。 简并（统计简并）：服从费米统计率的电子系统称为简并性系统。 EF Ec Ev * 载流子浓度 电子浓度：单位体积内导带中的电子数(单位：1/cm3) 电子： 空穴： 电子浓度＝ 其中 本征半导体载流子分布 对于任何半导体 (本征，n型，p型） * 第一章 半导体中的电子状态 晶格结构 共有化运动，能带 有效质量 导电机制、空穴 回旋共振 一般半导体能带 半导体中的电子状态 半导体的物理性质与电子状态有密切联系 半导体中的电子与自由电子或单原子电子状态不同 受到晶体中周围原子和电子的影响 单电子近似：每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场及其他电子的平均势场中运动 金刚石结构 Si、Ge 闪锌矿结构 SiGe GaAs §1·1 半导体的晶体结构和结合性质 Crystal Structure and Bonds in Semiconductors 共价键 混合键 纤维锌矿结构 ZnS CdSe §1·2 半导体中的电子状态和能带 Electron States and Relating Bonds in Semiconductors 重点: 电子的共有化运动 导带、价带与禁带 原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再局限在某一个原子上，可以由 一个原子转移到相邻的原子中去，可以在整个晶体中运动。称为电子的共有化运动。 晶体的能带 电子共有化运动 能级的分裂和能带的形成 N个原子将分裂成N个能级 N 3N 2N 2N a0 2S N 2p 3N 原子间距 能量 价带 导带 Eg 禁带 金刚石晶体的能带 导带(Conduction band )：由S