现代电子材料与元器件知识分享.ppt

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1、现代电子材料与元器件3.1半导体材料的物理基础2半导体中的杂质浅能级杂质深能级杂质图3.3半导体硅中金的深能级金在导带下0.54eV处有一个受主能级，在价带上0.35eV处有一个施主能级。3.1半导体材料的物理基础2半导体中的杂质深能级杂质大多是多重能级。它反映出杂质可以有不同的荷电状态：在这两个能级中都没有电子填充的情况下，金杂质是带正电的，当受主能级上有一个电子而施主能级空着时，金杂质是中性的；当金杂质施主能级与受主能级上都有一个电子的情况下，金杂质带负电。深能级杂质和缺陷在半导体中起着多方面的作用。例如，它可以是有效的复合中心，使得载流子的寿

2、命大大降低；它可以成为非辐射复合中心，而影响发光效率；它可以作为补偿杂质，而大大提高材料的电阻率。3.1半导体材料的物理基础3费米能级和载流子浓度由杂质能级或满带所激发的电子，使导带产生电子或使价带产生空穴，这些电子或空穴致使半导体导电，统称为载流子。半导体中电子的分布遵循费米分布的一般规律。图3.4费米分布函数满带中空穴的占据几率为3.1半导体材料的物理基础3费米能级和载流子浓度电子浓度空穴浓度电子和空穴的浓度分别决定于费米能级与导带底、费米能级与价带顶的距离。对于n型半导体，在杂质激发的范围，电子的数目远多于空穴，因此费米能级EF应在禁带的上半

3、部，接近导带。而在p型半导体中，空穴的数目远多于电子，EF将在禁带下部，接近于价带。3.1半导体材料的物理基础3费米能级和载流子浓度对于确定的材料来说，禁带宽度是确定的，所以电子和空穴密度的乘积只是温度的函数。半导体中导带电子越多，则空穴越少；反之，空穴越多．则电子越少。例如，在n型半导体中，施主越多，电子越多，则空穴越少，故电子称为多数载流子，而空穴称为少数载流子。3.1半导体材料的物理基础4电导与霍尔效应欧姆定律迁移率一方面决定于有效质量，一方面决定于散射几率。散射可以是由晶格振动引起的，也可以是由于杂质引起的。在温度较高时，晶格振动是散射的主

4、要原因，随温度的升高而增加。在低温时，杂质散射是主要的散射方式。图3.5电导率与温度的关系3.1半导体材料的物理基础4电导与霍尔效应在温度较低时，随着温度升高电导率不断增加，这是由于在杂质电离随温度升高而增大，因而电导率对数与温度的倒数之间存在线性关系；在高温时本征激发已成为主要影响因素，载流子只取决于材料的能带结构，此时电导率对数与温度的倒数之间也存在线性关系，但直线的斜率不同。而在中间温度范围，电导率随温度的升高而降低，这是由于此时杂质已经全部电离，因此载流子的数目不会增加，而晶格散射随温度升高而增加，从而使得迁移率下降。3.1半导体材料的物理

5、基础4电导与霍尔效应由于电导率受多种因素的影响，其中电离的杂质浓度依赖于温度和杂质能级，所以半导体中杂质浓度可能与载流子浓度不同。为了直接测量载流子浓度和电导率，最直接的方法是利用霍尔效应。图3.6霍尔效应3.1半导体材料的物理基础4电导与霍尔效应当半导体片放置在x-y平面内，电流沿x方向，磁场垂直于x-y平面。如果是空穴导电，那么它们沿电流方向运动的同时，也受到洛伦兹力的作用发生偏转，造成电荷的积累，从而导致一个与洛伦兹力方向相反的电场力。当两者相等时，霍尔系数为对于电子导电（n型半导体），霍尔系数为由霍尔系数可以直接测得载流子的浓度，而且，由它

6、的符号可以确定是空穴导电还是电子导电。3.1半导体材料的物理基础5非平衡载流子热平衡时，满足但在外界作用下，有可能使电子浓度和空穴浓度偏离平衡值。例如，在光照下，由价带激发电子至导带而产生电子空穴对，使电子浓度增加Δn，空穴浓度增加Δp，多余的载流子称为非平衡载流子。多数载流子的数量一般会很大，非平衡载流子通常不会对它的数目产生显著的影响。但对于少数载流子而言，其数量的变化将是十分显著的。因此，在讨论非平衡载流子时，最关心的是非平衡少数载流子。3.1半导体材料的物理基础5非平衡载流子非平衡载流子的复合和寿命非平衡载流子会自发地发生复合，导电电子由导

7、带回落到价带，导致一对电子和空穴消失，这是一种由非平衡恢复到平衡的自发过程。所谓热平衡，实际上是电子-空穴不断产生和复合的动态平衡。当存在非平衡载流子时，这种动态平衡被破坏。在最简单的情形中，非平衡载流子复合以一个固定的概率发生，单位时间、单位体积复合的数目可以用复合率表示，3.1半导体材料的物理基础5非平衡载流子非平衡载流子的复合和寿命光照撤去后，非平衡载流子逐渐消失当光照撤去后，非平衡载流子是随时间呈指数形式衰减。τ描述了非平衡载流子平均存在时间，通常称为非平衡载流子寿命。对于光电导现象，τ决定着在变化光强下，光电导反应的快慢。3.1半导体材料

8、的物理基础5非平衡载流子非平衡载流子的复合和寿命实验证明，非平衡载流子寿命τ与材料所含杂质有关。对于同一材料，制备方法不同