第2章 半导体材料的电学性能

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1、1.4半导体材料导电性1.半导体材料概况(2)依据电子参与成键情况本征半导体所有外层电子都成键；所有结合键上电子都满额掺杂半导体－N型：Si(As,P)－P型：Si(B,Al,Ga)(1)依据化学组元个数，分为元素半导体－Si、Ge化合物半导体－III-V族GaAs,InSb,InP等II-VI族CdS,CdTe,ZnO等(Ga1－xAlx)As,HgCdTeS等1.半导体材料概况掺杂半导体－N型：Si(As,P)，多余电子－P型：Si(B,Ga)，多余空穴结构特征：代位式固溶体1.半导体材料概况光学应用－激光

2、器等GaAs,InSb,InP等(3)主要用途微电子技术应用：Si、Ge基半导体为主信息处理的基础信息传输的基础，信息存储信息技术基本环节：产生—处理(微电子技术，计算机)—传输(激光载体，光纤)—存储(光、磁存储，光盘、磁盘)光电信号转换的基础信息技术中光电转换：光电导(1)温度敏感性：对于温度非常敏感，本征导电性随温度升高呈指数规律增强(2)杂质敏感性：异常敏感，是所有材料性能中对于杂质(或掺杂)最敏感的性能(3)光照敏感性：受电磁波辐射(波长小于吸收限的所有电磁辐射，包括可见光、甚至近红外线)，导电性大幅

3、度增加，具有光致导电效应(photoconductivity)载流子情况：导带电子n＋价带空穴p电导率理论公式：本征半导体中，价带电子激发到导带中而产生载流子，故n＝p掺杂半导体中受掺杂的影响：N型半导体中以导带电子为主要载流子；而P型半导体中以价带空穴为主要载流子=phe＋nee2.半导体的导电性特征3.半导体结构与能带特征晶体结构特征：维持键合特点，保持原子比例，使平均价电子数为4；掺杂原子代位固溶；掺杂量很少，保持基体结构不变；纯度极高晶体缺陷极低材料制备——超常规条件与技术超净室技术区域熔化提纯技

4、术起源单晶体生长技术——完全消除晶界低位错密度晶体生长技术离子注入合金化技术/快速扩散掺杂半导体材料能带特征大小随温度升高小幅降低固溶体可以调节掺杂半导体有掺杂能级能带间隙：Eg＝EC−EV价带、导带及能带间隙间接带隙与直接带隙半导体电子有效质量能带底部电子有效质量m*>0，电子有效质量me=m*能带顶部电子有效质量m*<0空穴有效质量mh等于电子有效质量的负值，即mh＝－m*描述周期势场中电子的运动，固依据电子能量与波氏的关系确定有效质量定义：半导体的电子有效质量与状态密度2.能态密度3.借助于有效质量可以用

5、经典力学形式描述电子的运动:f=m*a1.电子的有效质量依据其能量随波矢变化曲线的不同，可以具有不同的质量，也不同于电子的静止质量m0导带底部价带顶部半导体的电子有效质量与状态密度4.能带顶部m*<0f=m*a=-eE电子沿电场方向加速—空穴运动—表现为正电荷的行为；实际上是电子以接力方式完成空穴沿着电场方向的位移。人为地看作带正电的空穴的移动—空穴带单位正电荷半导体的载流子体积密度载流子体积密度热平衡载流子的分布NCe＝4.82x1021(me/m0)3/2·T3/2本征半导体的导电性本征半导体导带电子全部来

6、自于价带n=p=(NCeNVh)1/2exp(−Eg/2kT)室温下本征载流子体积密度Si：1.5x10161/m3；Ge：2.5x10191/m3载流子数量是半导体导电性限制性因素，是首要关注因素本征载流子体积密度随着温度呈指数规律升高，使导电性也指数升高比较—金属Cu参与导电电子~1022m-3(E=100V/m时)所拥有的自由电子~1028m-31.本征半导体载流子密度本征半导体导电性及随温度变化3.本征半导体电导率随着温度升高呈指数规律增加4.通过检测电导率随温度的变化可以确定本征半导体的能带间隙Eg

7、=phe＋nee掺杂半导体中的载流子与导电性1.N(或P)型半导体能带结构本征半导体中掺入高(或低)价掺杂形成代位式固溶如：Si中掺入P、As(或B、Al)等形成局部的类氢原子结构—类氢能级(需考虑基体的介电率)掺杂能级N型半导体—施主能级P型半导体—受主能级掺杂能级的基态能量为掺杂半导体中的载流子与导电性N型半导体：extrae-受到掺杂原子的束缚，不能自由移动，因此其能量低于导带中的电子(相当于自由电子)；从使电子激发脱离所属原子的束缚的角度看—多余电子的能量高于共价键上的电子(价带电子)→电子的能量位

8、于导带与价带之间—施主能级掺杂能级位置分析P型半导体：extrahole-摆脱掺杂原子束缚自由移动而成为价带空穴，需要额外能量；但此能量低于成键电子激发成自由电子及空穴所需能量Extrahole的能量位于价带之上，但远离导带—受主能级掺杂半导体中的载流子与导电性2.掺杂半导体的载流子N型半导体:掺杂原子带入的extrae-处于施主能级上掺杂原子的电离：施主能级上的extrae-受热激活