最新半导体材料导论描述教学讲义PPT.ppt

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1、半导体材料导论描述第二章：基本原理在第一章中介绍的半导体材料的特征，只是根据它的主要性质来论述的，实际上这种论述并不是十分严格的。例如当一些半导体材料的掺杂浓度很高时，其电导率也可以高出某些金属材料。但作为第一步，使大家对半导体材料有一个初步的概念，这种介绍是必要的。只有认识了半导体的微观结构以及这种微观结构与物性的关系，才能从根本上了解半导体的性质与性能及其与金属、绝缘体的区别，也才能理解半导体材料应用的根据。为此要阐述半导体的能带结构、化学键、晶体结构等。这要求具备固体物理、固体化学、量子力学等近代科学理论，这就远远地超出了本课程的范围。本课程试图深入浅出地对一些原理进行介绍，

2、以便获得必要的概念。有了这些知识与概念才能对本课程以下各章节的内容有较深入的理解，并能了解它们之间的联系。2.1导电现象2.1.1为什么半导体的导电性不如金属所有材料的导电率（s）可用下式表达：s=nem(2-1)其中：n为载流子浓度，单位为个/cm3;e为电子的电荷，单位为C（库仑），e对所有材料都是一样，e=1.6×10-19C。m为载流子的迁移率，它是在单位电场强度下载流子的运动速度，单位为cm2/V.s；电导率s的单位为S/cm(S为西门子）。我们先看看室温下半导体和金属导电的差别原因：(2-1)式中的迁移率的差别：而半导体材料的迁移率一般都高于金属，例如金属铜的室温电子迁

3、移率为30cm2/V.s，而硅为1500(cm2/V.s)，锑化铟则为78000cm2/V.s。负电荷正电荷+dHI—x（a）负电荷载流子+dHI—x（b）正电荷载流子图2.1霍尔效应原理测量半导体时发现，一种材料既可以靠带负电荷的电子进行导电，又可以靠带正电荷的载流子进行导电。这种带正电荷的载流子称为空穴。那么空穴的本性是什么？为什么半导体能产生空穴？这要在下面的关于能带结构和化学键的两节中加以说明。既然半导体中可以存在两种载流子，那么式（2-1)可以写成s=neme+pemp(2-2)其中n为电子浓度；p为空穴浓度；me,mp分别为电子与空穴的迁移率。如果n>>p，则，s=ne

4、me，反之，若p>>n,s=pemp。2.2能带结构我们首先看看单个原子的情况。大家都知道原子是由原子核及其周围的电子构成的，外围的电子数等于原子核内的质子数。这些电子都有自己的能量，根据现代量子力学的理论，这些能量是量子化的，即有一定的数值，而且是不连续的，这些彼此不连续而有一定数值的能量称为能级。一个电子的能量只能从一个能级跳到另一个能级，不可能连续地变化，伴随这种跳跃会吸收或放出一定的能量。根据鲍林(L.Pauling）的不相容理论，不可能有两个电子的量子数完全相同。这样，在原子的一个能级上，只能有两个电子，它们的量子数区别在于其自旋（spin)的正与反。当许多原子彼此靠近而

5、形成晶体时，各原子的电子间发生相互作用，各原子间原来在分散状态的能级扩展成为能带，这能带是由彼此能量相差比较小的能级所组成的准连续组。因为只有这样才能保持电子能量的量子化并符合鲍林的不相容原理。图2.2示出了元素铜的能带形成过程，当原子相靠近时能级扩展为能带的情形以及在形成晶体时，在晶体内的原子间距（即晶格常数）上，能带发生的搭接的现象。原子间距离→a03p3d4s4pE=0能量图2.2元素铜的能带形成（其中ao为晶格常数）许多原子形成晶体的情况：图2.3碳原子彼此接近形成金刚石的能带示意图1一价带；2一禁带；3一导带；ao—金刚石晶格常数；xo一能带搭接时的原子距离图2.3示出了

6、碳原子形成金刚石晶体时能带的形成，以及能带间禁带的形成。图2.4金属、半导体和绝缘体的能带结构示意图(ΔE称为禁带宽度或带隙）金属半导体绝缘体按照能带搭接或分立的情况，我们可以把金属、半导体、绝缘体的能带结构的区别用图2.4加以简单表示。原子间距离（Å）能量（eV）根据能带结构图2.4，可以把固体材料分成两大类：一类是价带与导带相互搭接，这是导体；另一类则在价带与导带之间存在着禁带，这包括半导体与绝缘体。图2.4金属、半导体和绝缘体的能带结构示意图(ΔE称为禁带宽度或带隙）金属半导体绝缘体在导体中：一类材料是由于电子在价带中并未填满，电子可以在带内的各个能级上自由流动，这需要的能量

7、非常之小；另一类材料虽然在价带中被填满，但由于能带之间的相互搭接，所以价电子很容易从价带进入到导带成为自由电子而导电。而半导体材料则因其价带已填满，在价带和导带间存在有禁带，价电子必须要具有足够的能量跃过禁带才能进入导带而导电，在常温或更高一些温度下，由于能量的不均匀分布，总有一部分价电子能进入导带，使其具有一定的电导率。对绝缘体而言，其禁带宽度大，以致在常温或较高温度下均不能使其价电子进入导带所以不能导电。图2.4金属、半导体和绝缘体的能带结构示意图(ΔE称为禁带宽