半导体器件物理与工艺 第二章 能带和载流子课件.ppt

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1、2.1半导体材料2.2基本晶体结构2.3基本晶体生长技术2.4共价键2.5能带2.6本征载流子浓度2.7施主与受主第2章热平衡时的能带和载流子浓度1§2.1半导体材料固体材料：绝缘体、半导体和导体半导体易受温度、光照、磁场及微量杂质原子影响元素半导体：硅、锗化合物半导体：二元、三元、四元化合物GaAs、InP、AlxGa1-xAs、Gaxln1-xAsyP1-y2§2.2基本晶体结构基本立方晶体单胞金刚石结构闪锌矿结构金刚石结构和闪锌矿结构的区别3金刚石晶格结构Si,Ge,C等IV族元素，原子的最外层有四

2、个价电子正四面体结构：每个原子周围有四个最近邻的原子。4金刚石晶格结构：复式晶格。由两个面心立方晶格沿立方对称晶胞的体对角线错开1/4长度套构而成。排列方式以双原子层ABCABCSiGeGaAs5.430895.657545.64195X10224.42X1022晶格常数a(Å)原子密度晶格常数5（111）（111）6晶格由两种不同原子组成的面心立方晶格套构而成。双原子复式格子III－V族化合物，每个原子被四个异族原子包围。共价键中有一定的离子性，称为极性半导体。闪锌矿晶格结构(ZincblendeStr

3、ucture),GaAs,InP7金刚石结构和闪锌矿结构的区别不同：前者由两种相同的原子组成，后者由两类不同的原子组成。相同：都由两面心立方晶格，沿空间对角线彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成。8§2.3基本晶体生长技术硅晶体、95%（目前半导体材料）原始材料：石英岩（高纯度硅砂SiO2）步骤：1、SiC+SiO2—Si+SiO+CO2、Si+3HCl—SiHCl3+H23、SiHCl3+H2—Si+3HCl多晶硅4、拉单晶：柴可拉斯基法910§2.4共价键金刚石晶格结构：共价键闪锌矿晶格结构：共价键

4、但存在微量离子键成分本征激发或热激发：电子与空穴见Flash11§2.5能带电子共有化运动原子能级分裂成能带绝缘体、半导体、导体的能带12电子共有化运动2p3s3s3s3s2p2p2p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。131、晶体电子兼有原子运动和共有化运动原子运动电子在原子核周围作局域运动共有化运动电子在不同原子的相同轨道上转移2、不同轨道电子的共有化运动程度不同（附图如后）内层电子弱外

5、层电子强3、共有化运动是晶体电子运动的特征，也是使晶体原子相互结合形成周期性晶格的原因4、电子共有化运动的产生是由于不同原子的相似壳层间的交叠14共有化运动的强弱决定于形式（扩展性）共有化运动弱内层电子“紧束缚近似”共有化运动强外层电子（价电子）“近自由电子近似”15原子能级分裂为能带的示意图N个原子互相靠近结合成晶体后，每个电子都要受到周围原子势场的作用，其结果是每一个N度简并的能级都分裂成N个彼此相距相近的能级，这N个能级组成一个能带。分裂的每一个能带都称为允带，允带之间因没有能级称为禁带。能级的

6、分裂和能带的形成16用能带论来区分导体、半导体、绝缘体价带：电子已占满，在外场作用下，不形成电流。导带：电子被部分占据。电子可以从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的能级，形成电流。禁带：最低的空带－导带和价带之间的距离称为禁带宽度。17能量-动能图自由电子能量和动量的关系：E=P2/2m0（m0为自由电子质量）E=P2/2mn（p为动量，mn为电子有效质量）抛物线表示：EP注意：电子有效质量由半导体特性决定，但可以由E对P的二次微分算出：mn=（d2E/dp2）-1由此得：曲率越小，二次微分越大，有效质

7、量越小18硅与砷化镓的能带结构19直接禁带半导体与间接禁带半导体砷化镓也被称为直接禁带半导体，当电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。硅、锗也被称为间接禁带半导体，当电子从价带转换到导带时，需要动量转换。20绝缘体：被电子占据的最高能带是满带，而且禁带宽度很大。空带全空，满带全满。激发电子需要很大能量。除非电场很强，上面许可带中没有电子，因此在电场下没有电流。良好地绝缘性。(Eg>5eV)21对于金属，被电子填充的最高能带通常是半满或部分填充的。能带发生交叠。在某一方向上周期场产生的禁带被另一个方向上许

8、可的能带覆盖，晶体的禁带消失。对于半导体，Eg<2eV.常温下，当热激发或光照时，满带中少量电子被激发到上面空带中，于是参予导电。脱离共价键所需的最低能量是禁带宽度Eg。22几种固体材料导电特性总结绝缘体半导体导体（金属）半金属T=0K不导电不导电导电导电T=300K不导电很高导电较高(热激发e,h)导电低(n~1022cm-3)导电金属<半金属<半导体举例金刚石Si,Ge,GaAsNa:1s22s22p63s1M