半导体材料ppt课件.ppt

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1、第一章半导体材料1半导体材料物理基础1.1半导体中的电子状态1.2半导体的电学性质1.3半导体的光学性质1.4半导体磁学性质能带的准自由电子物理模型金属中的准自由电子（价电子）模型1.1半导体中的电子特征金属中的自由电子除去与离子实相互碰撞的瞬间外，无相互作用。电子所受到的势能函数为常数。电子波函数仍然为自由电子波函数电子受到晶格的散射，当电子的波矢落到布里渊区边界时，发生Bragg衍射f=Aeikxr(x)=

2、f

3、2Ekf=Aeikxf=Ae-ikxf+=Aeikx+Ae-ikxr+=4A2cos2(kx)f+=Aeikx-Ae-i

4、kxr+=4A2sin2(kx)EkEgResultedfromr+Resultedfromr-p/a2p/a-p/a-2p/a0k(G/2)=(G/2)2时：自由电子波满足Bragg方程，行波不存在，代之于驻波解，形成能带1.1半导体中的电子特征能带结构是晶体的普遍属性价电子的基本特征：1.价电子的局域性2.价电子的非局域性Bloch定理：uk(r):与晶格平移周期一致的周期函数晶体中价电子可用被周期调制的自由电子波函数描述周期函数反映了电子的局域特性自由电子波函数反映了电子的非局域特性由于电子波函数的空间位相有自由电子波函数一项

5、决定，Bragg衍射同样发生能带必然存在，能带结构是晶体的必然属性1.1半导体中的电子特征金属、绝缘体、半导体的能带特征EgEg金属绝缘体半导体价带导带1.1半导体中的电子特征半导体能带结构的基本特征－直接带隙和间接带隙半导体直接带隙间接带隙1.1半导体中的电子特征电子的有效质量一维情况：三维情况：有效质量为张量价带顶附近的有效质量量为负导带底附近的有效质量为正1.1半导体中的电子特征半导体中的载流子－电子和空穴Eg跃迁传导电子空穴空穴的有效质量是价带顶电子有效质量的负值，即为正1.1半导体中的电子特征半导体的导电特征导带底电子沿外加

6、电场反方向漂移价带顶电子沿外加电场方向的漂移Eejevehvhjh1.1半导体中的电子特征本征半导体－不含杂质的半导体价带EF(T=0K)导带1.1半导体中的电子特征本征半导体的载流子浓度1.1半导体中的电子特征施主掺杂及n型半导体PED1.1半导体中的电子特征施主能级和施主电离类氢原子模型：1.1半导体中的电子特征受主掺杂及p型半导体EA1.1半导体中的电子特征类氢原子模型：受主能级和受主电离1.1半导体中的电子特征杂质能级上的电子和空穴分布应用Fermi-Dirac分布可以得到：施主能级被电子占据的概率受主能级被空穴占据的概率电离

7、施主浓度电离受主浓度1.1半导体中的电子特征n型半导体的平衡载流子浓度n0=nD++P0电中性条件：1.1半导体中的电子特征p型半导体的平衡载流子浓度电中性条件：p0=nA++n01.1半导体中的电子特征非平衡载流子非平衡载流子的产生：（1）光辐照（2）电注入1.1半导体中的电子特征非平衡载流子-非平衡载流子的寿命和复合1.1半导体中的电学性质漂移速度和迁移率vt微分欧姆定律：平均漂移速度和迁移率n型半导体，且n>>pp型半导体，且p>>n本征半导体1.1半导体中的电学性质电导率的影响因素－载流子的散射电离杂质散射声子散射声学声子散射

8、光学声子散射1.1半导体中的电学性质迁移率的计算总散射概率：平均弛豫时间：平均迁移率1.1半导体中的电学性质p-n结的制备工艺合金法扩散法1.1半导体中的电学性质p-n结平衡能带结构1.1半导体中的电学性质p-n结平衡电势1.1半导体中的电学性质p-n结的整流特性IV直接吸收间接吸收1.1半导体中的电学性质半导体的光吸收及光电导半导体的光生伏特效应1.1半导体中的电学性质光负载半导体的霍尔效应霍尔效应的产生机制半导体的霍尔效应霍尔系数及霍尔迁移率x方向施加电场Ex，电流密度为Jx,z方向施加磁场Bzy方向产生的电场Ey为：RH称为霍尔

9、系数，单位为：m3C-1霍尔角（q）：总电场E与电流方向的夹角mH为霍尔系数半导体的磁阻效应半导体的磁阻效应及其物理机制磁阻效应：在垂直于电流方向上施加磁场，沿外加电场方向的电流密度有所降低，即表观电阻增大，称此效应为磁阻效应物理机制锗、硅半导体Ge、Si的物理性质锗、硅半导体Ge、Si的晶体结构锗、硅半导体Ge、Si的能带结构锗、硅半导体Ge、Si单晶中的杂质Ⅲ、Ⅳ族杂质：受主或施主其它杂质：复合中心或陷井，对导电性影响不大Ⅲ、Ⅳ族化合物半导体Ⅲ、Ⅳ族化合物半导体的一般性质Ⅲ、Ⅳ族化合物半导体的晶体结构Ⅲ、Ⅳ族化合物半导体Ⅲ、Ⅳ族化

10、合物半导体的化学键和极性Ⅲ、Ⅳ族化合物半导体锗、硅半导体Ge、Si单晶中的缺陷位错：一方面，吸引其周围点缺陷，增加少子寿命一方面，晶格畸变增大，使载流子复合，少子寿命减小刃位错：悬挂键，受主能级GaAs半导体的能带结构Ⅲ