半导体的物质结构和能带结构.ppt

半导体的物质结构和能带结构,1、纪律是管理关系的形式。阿法纳西耶夫2、改革如果不讲纪律，就难以成功。3、道德行为训练，不是通过语言影响，而是让儿童练习良好道德行为，克服懒惰、轻率、不守纪律、颓废等不良行为。4、学校没有纪律便如磨房里没有水。夸美纽斯5、教导儿童服从真理、服从集体，养成儿童自觉的纪律性，这是儿童道德教育最重要的部分。陈鹤琴,半导体的物质结构和能带结构半导体的物质结构和能带结构1、纪律是管理关系的形式。阿法纳西耶夫2、改革如果不讲纪律，就难以成功。3、道德行为训练，不是通过语言影响，而是让儿童练习良好道德行为，克服懒惰、轻率、不守纪律、颓废等不良行为。4、学校没有纪律便如磨房里没有水。夸美纽斯5、教导儿童服从真理、服从集体，养成儿童自觉的纪律性，这是儿童道德教育最重要的部分。陈鹤琴半导体的物质结构和能带结构 1 半导体的原子结合与晶体结构2 半导体中的电子状态和能带3 半导体中载流子的有效质量 4 半导体中的杂质和缺陷能级5 典型半导体的能带结构6 半导体能带工程概要2泸州职业技术学院胡江半导体的物质结构和能带结构 1 半导体的原子结合与晶体结构2 半导体中的电子状态和能带3 半导体中载流子的有效质量 4 半导体中的杂质和缺陷能级5 典型半导体的能带结构6 半导体能带工程概要3泸州职业技术学院胡江,在初中英语教学中，阅读教学是重要的教学任务之一，也是提高初中英语学习成绩的重要手段。通过阅读与学习，学生既可以在生活中运用，也可以在考试中快速地解题。英语阅读与学生的思维品质和智力水平是相互联系的，英语阅读可以提高学生的思维能力，促进学生成才。所以，在初中英语教学中，阅读成为了英语教学的关键性任务。一、在阅读中逐步培养学生的英语学习兴趣 英语阅读是很枯燥的，动眼又动脑，而且具有一定的难度，很多学生在学习英语时不喜欢阅读，更不喜欢做阅读理解类的题目。这就要求教师在阅读教学时，要选择生动有趣、知识性强的阅读内容，还要考虑学生的学习特点、兴趣、英语水平等。教师循序渐进地逐步地培养学生的兴趣与能力，只有这样，学生的英语学习才会有效。比如在阅读的一开始，教师要选择学生很熟悉的文章作为教学内容，而不是选择那些内容生疏，或者学生对内容不易读懂的文章。阅读的内容要简短而新颖，或者是一些通俗易懂的故事、小幽默，这样，学生读起来感觉很容易而且有趣，他们的兴趣就会得到激发，他们的学习英语自信心也很容易培养起来，感觉读完后会有很大的收获，从而有了成就感。慢慢地，等学生的英语阅读水平不断提高，具备了一定的阅读能力，到了初二或者初三，我们就可以给他们加大难度，从而转读一些他们没有涉及到的领域的内容，难度上也有所加大。这样，学生在阅读中就有了挑战性，会运用原有的知识解决问题，既提高了他们的阅读能力，又拓宽了他们的视野，使他们思考问题的能力增强了。二、在理解的基础上学会阅读策略（1）阅读的目标要明确。比如是兴趣阅读还是解题阅读，不同的阅读方式有不同的目标，兴趣阅读为了拓展阅读能力，而解决阅读是为了解决后面的问题，目标要明确，才能快速解题。（2）英语阅读是有技巧的，需要有一定的语感能力才能读好。在阅读中，学生要养成良好的习惯，比如看到一个词组会猜出它在文中的的意思，与上下文联系起来，从而读懂整个句子。（3）提高阅读速度。无论是兴趣阅读还是解决问题的阅读都要有一定的速度，在最短的时间内读懂内容，这是一种能力。（4）学会猜测单词的意思。很多单词在文中有不同的意思，同一个词在不同的语境中表达不同的意思，所以我们要在会单词的多种意思的基础上，在文章中猜出合理的意思，以使上下文联通，只有这样，才能正确地理解文中的思想。三、根据个体差异设计阅读教学课程 学生原有的基础不同、能力不同，我们要在阅读教学中考虑到这一点，给学生设计合理的阅读过程，只有这样，才能做到因材施教，满足不同层次学生的需要。（1）鼓励学生质疑。当学生在阅读中遇到不懂的地方时，要让他们及时问老师，并告诉他们老师会给他们指导，让他们少走弯路。（2）学习方式多元化、互动化。阅读不是学生自己的事，是要互动的，需要与教师互动、与文本互动。教师可以设计一系列的阅读活动。比如选择合适的英语小故事让学生合作阅读，故事要新颖、有趣、长度合适，可以边阅读边讨论，在互动中形成合理的结果。也可以让学生对阅读的故事进行续写，在语法上、故事情节上共同讨论。在这种多元话的阅读中，既能使学生形成较强的阅读能力，又锻炼了学生的思维能力。另外，在小组合作阅读中，可以分角色扮演活动。比如我们要选一篇主题贴近学生生活实际的文章，文章中有很多的小动物，他们分别具有不同的角色，我们根据文章的需要，把几个不同的人物形成一组，然后游戏阅读，边阅读边根据文章的意思做出动作或者根据情境做一系列的情节。然后由小组长对本小组的成员进行分配，并组织这项活动，当熟练之后，就可以成为一个简单的英语童话剧。当然，学生可以根据文章中的故事进行拓展，加上文章中所没有的语言来提高故事的趣味性。这种活动大大提高了学生对文章的理解，加深了印象。（3）学会理解文章的意图。我们初中英语学习中的文章，都不是作者随意写的，有的是为教学而设计的，有的是表达一定的思想，所以，我们在阅读学习时一定要先理解作者的写作意图。比如BillGates一文，从表面上看是作者对比尔盖茨生平的一般叙述，但在文章中却表达了另一种思想，那就是对创新精神、社会责任感都有赞许，让我们学习他的这种精神，并从中起到一定的启发。总之，初中阅读教学要以学生为本，本着实用性的原则进行教学，从方法上革新，大大提高阅读效率，从而促进学生成才。小学生的阅读能力不但是语文学习的基础，而且对其他学科的理解起着重要作用，小学语文阅读课堂中，教师应该有意识地培养小学生的个性和创造力，改变传统教学中教师讲解为主的低效阅读模式，让学生能够创造性阅读，形成学思结合的阅读教学效果。下面就从几个方面来谈创造性阅读的培养策略。一、创设和谐阅读氛围，激发小学生创造性阅读意识 小学生已经形成初步的阅读思维和习惯，课堂中学生参与性的调动需要良好的师生关系和课堂氛围，因此，小学语文阅读教学中，教师要尊重学生的创造性发挥，善于捕捉学生的情绪和自主阅读动机，为小学生创设出和谐的课堂情境，调动他们说出自己见解和主张的积极性。小学语文教师要运用自己的魅力和耐心感染小学生，尤其是多运用激励评价互动方法，对小学生的阅读见解予以肯定、表扬，良性引导他们的思想动向，保护学生在阅读中的主动性，让他们在课堂上逐渐养成对阅读的创新理解欲望，愿意主动诉说自己的感受和体验，在课堂上交流和倾听不同的观点。二、创设质疑阅读空间，在批判中开发小学生的多元思维 传统的小学语文教学习惯性采取标准答案式的教学评价方式，教师应该尊重小学生的不同看法，避免因为学生的新奇想法而简单否定。小学生阅读的积极性和习惯是鼓励出来的，教师的宽容能激发小学生阅读的信心和热情。阅读的最高境界是跨越文本的表面观点和逻辑，能对文本产生独特的解读，将自己对人生和社会的体验融入文本内容中，对其不合理和深奥的部分进行质疑、探究，教师应该在创造性阅读中本着批判性教学原则，结合教材的内容和特点，为学生提供轻松、自由、民主的课堂气氛，鼓励小学生进行多角度、全方位的思考，锻炼他们的多元化思维发展，不被动等待教师的讲解和定性，而是独立地在阅读中批判，在思辨中形成创新精神，让他们成为阅读教学的主体，迸发出智慧与创造的灵感。三、创设自由发挥机会，尊重学生个体阅读感受 教学的本质是让学生自己会学习，通过多种方法和手段调动学生的眼睛、耳朵、手等器官，使学生成为课堂的中心发言人。创造性阅读是抒发读者个性的过程，小学生阅读教学中，教师应该主动培养学生阅读风格，让小学生尽情表达自己的个性和见解，鼓励他们的创造性，让每个学生充分表达自己的个性化阅读体验，形成健全的个性和人格。例如唯一的听众教学中，教师可以设置成几个探究问题，让小学生在小组中讨论：唯一的听众来到树林中的前后意图因为什么发生变化了？“听众”在文章中的意义是否发生变化了？学生在交流中加深了对文章中老人高尚品质的理解，潜移默化中学会如何正确对待和帮助他人，增强了人文主义精神。四、注重课外阅读，提升创造性阅读底蕴 小学生是养成终身阅读习惯的重要时期，教师在讲授课文时加以渗透，突破教材自身限制，选择和利用恰当的课外资源填充课堂，不但能使教学内容更加丰满，而且会调动小学生的阅读热情，让他们形成自主课外阅读的意识和习惯，养成个性化阅读方式。例如地球家庭课堂中，教师可以给小学生提供一些课外阅读参考，让他们从网络和书籍中搜集到与民族、种族有关的文学、历史作品，让小学生就此了解种族歧视和平等的概念，树立地球各族人民平等的意识，更加深刻地体会到这单元作品的创作背景。教师可以为小学生节选马丁路德金的I have a dream，让小学生朗读和背诵，使创造性阅读能言之有物，分析出深层次的精华。五、读写结合，拓展创造性阅读深度和广度 小学语文中的读写结合教学是公认的经验，教师可以根据阅读教材设定不同的写作练习任务，有的教材文本适合扩写，有的适合仿写、有的适合观后感、有的可以续写，教师应该做到心中有数，讲练结合，让小学生从读到写，经历了评价和改编，能逐步提高小学生的探究能力和运用水平，实现语文学科的应用性教学效果。在读写结合的过程中，学生会更加深入地研究和体会作者的心路历程和观察视角，逐渐积累和提高自己的文学感受力，增强语文综合素养和悟性，有助于学生阅读能力和理解能力的提高，有利于在创造性阅读时提升深度和广度。小学的语文教师应该每一单元都给学生布置拓展性的习作训练，例如自然景色、描写物体、人物刻画训练、记叙各自事件、心理描写等等，增强小学生的想象力和创造力，使思维更加活跃。,泸州职业技术学院胡江,2,半导体的物质结构和能带结构,1 半导体的原子结合与晶体结构2 半导体中的电子状态和能带3 半导体中载流子的有效质量 4 半导体中的杂质和缺陷能级5 典型半导体的能带结构6 半导体能带工程概要,泸州职业技术学院胡江,3,半导体的物质结构和能带结构,1 半导体的原子结合与晶体结构2 半导体中的电子状态和能带3 半导体中载流子的有效质量 4 半导体中的杂质和缺陷能级5 典型半导体的能带结构6 半导体能带工程概要,泸州职业技术学院胡江,4,固态晶体具有多种结晶形态，分属7大晶系14种类型。结晶半导体大多数属于立方(cubic)晶系和六方(Hexagon)晶系，且都是四面体(tetradron)结构。只有少数半导体具有其他结构。,1 半导体的晶格结构和结合性质,固体中原子的结合，归结为5种方式。半导体中原子的结合以共价键为主，化合物半导体包含有程度不等的离子键成分。,泸州职业技术学院胡江,5,一、元素的电负性与原子的结合性质,原子以何种方式结合成固体，完全决定于其得到或失去电子的能力，即电负性（electronegativity）。,1、电负性的定义原子吸引其在化学键中与另一原子之公有电子偶的能力，其值为原子的电离能与电子亲和能之和。电离能指原子初次电离所需要的能量，亲和能则指中性原子获得一个电子所释放的能量。,泸州职业技术学院胡江,6,2、元素的电负性及其变化规律,价电子数相同的原子，电子壳层数越多，电负性越小；电子壳层数相同的原子，价电子数越多，电负性越强。,一些元素的电负性（Pauling尺度）,(Phillips尺度考虑了价电子的屏蔽),He 3.58,H 2.10,泸州职业技术学院胡江,7,3、电负性决定原子的结合性质,就同种元素原子的结合而言，电负性小按金属键结合，电负性大按分子键结合，电负性中按共价键结合（其中共价键数目较少者还须依靠范德瓦尔斯力实现三维的结合）。,就化合物的结合而言，电负性差别较大的两种元素倾向于离子键结合；电负性差别不大的两种元素倾向于共价键结合，但公有电子向电负性较强的一边倾斜，因而具有一定的离子性，形成混合键。构成混合键的两种元素的电负性差别越大，其离子性越强。,泸州职业技术学院胡江,8,各种半导体的构成元素大多位于元素周期表中居中的位置，其构成元素的电负性(化合物半导体的平均电负性)属中等水平。,4、电负性与半导体,泸州职业技术学院胡江,9,二、共价结合与正四面体结构,1、原子排列近程序的3个基本要素 配位数、键长和键角,2、共价结合的配位数元素型共价键晶体的配位数遵从8N法则；化合物型共价键晶体的配位数等于其平均价电子数。III-V、II-VI化合物的平均价电子数与 IV族元素型共价键晶体一样，都是4配位。,3、正四面体结构（Tetrahedron）原子的四配位密排方式；4个键角相等，皆为10928。,泸州职业技术学院胡江,10,三、金刚石（Diamond）结构,元素半导体金刚石、硅（Si）、锗（Ge）和灰锡（-Sn）的晶体结构。,金刚石,泸州职业技术学院胡江,11,晶格结构,金刚石结构,闪锌矿型结构,NaCl型结构,石墨结构,纤锌矿型结构,CsCl型结构,泸州职业技术学院胡江,12,四、闪锌矿和纤锌矿结构,双原子层的堆垛原则,泸州职业技术学院胡江,13,1、闪锌矿(Zincblende),锌的主要矿石形态(硫化物),属立方对称晶型。ABCABC方式堆垛,泸州职业技术学院胡江,14,闪锌矿型晶体结构和混合键,材料:-族和-族二元化合物半导体,例:ZnS、ZnSe、GaAs、GaP,化学键:共价键+离子键(共价键占优势）极性半导体,泸州职业技术学院胡江,15,2、纤锌矿结构(wurtzite),闪锌矿加热到1020时的变形体，属六方对称晶型。ABAB方式堆垛,泸州职业技术学院胡江,16,3、同质异晶型（polytype）,双原子层堆垛顺序的变化，产生多种不同的晶体结构。按ABAB顺序堆垛成纤锌矿结构(六方),常用2H-表示；按ABCABC顺序堆垛成闪锌矿结构(立方),用3C-或-表示；按其他顺序堆垛成混合结构，例如：,以ABAC为周期堆成4H型，其六方结构含量50；以ABCACB为周期堆成6H型，其六方结构含量33；以ABACBABC为周期堆成8H型，其六方结构含量25；混合结构和六方结构统称为型；,泸州职业技术学院胡江,17,SiC同质异晶型（polytype）,泸州职业技术学院胡江,18,由化学元素周期表中的III族元素硼、铝、镓、铟和族元素氮、磷、砷、锑交相化合而成的16种III-族化合物半导体和IV族化合物碳化硅都具有闪锌矿型晶体结构，但4种氮化物和碳化硅也可具有纤锌矿型结构。,由化学元素周期表中的族元素锌、镉、汞和族元素硫、硒、碲化合而成的-族化合物，除硒化汞、碲化汞是半金属外其余都是半导体，它们大部分同时具有闪锌矿型结构和纤锌矿型结构。,闪锌矿与纤锌矿结构,泸州职业技术学院胡江,19,五、半导体的其他结晶类型,1、具有正四面体结构的其他结晶类型 黄铜矿（CuFeS2）型，（I-III-VI2 和 II-IV-V）,2、非四面体结构型半导体 还有一些重要的半导体材料不具有四面体结构，这主要是-族化合物硫化铅、硒化铅和碲化铅，其晶体结构为氯化钠型。,两个 II-VI 族化合物分子中的 II 族原子分别被一个 III 族原子和一个 I 族原子取代，两个 III-VI族化合物分子中的 III 族原子分别被一个 II族原子和一个 IV 族原子取代,泸州职业技术学院胡江,20,半导体的物质结构和能带结构,1 半导体的原子结合与晶体结构2 半导体中的电子状态和能带3 半导体中载流子的有效质量 4 半导体中的杂质和缺陷能级5 典型半导体的能带结构6 半导体能带工程概要,泸州职业技术学院胡江,21,2 半导体中的电子状态和能带,一 原子的能级和晶体的能带二 半导体中的电子状态和能带三导体、半导体、绝缘体的能带,泸州职业技术学院胡江,22,常用原子的电子结构,一 原子的能级和晶体的能带,泸州职业技术学院胡江,23,原子外围价电子,SiliconTetravalent(四价),BoronTrivalent(三价)“Acceptor”,PhosphorusPentavalent(五价)“Donor”,泸州职业技术学院胡江,24,二、原子中的电子能级与固体中的电子能带,1、分立原子的凝聚使其孤立能级分裂成带，消除简并,有着完全相同能级结构的N个孤立原子构成的系统，一个原子有几条能级这个系统也只有几条能级；若某条能级在孤立原子中是m度简并的，这条能级在该系统中的简并度就是Nm。但在凝聚为一体时外层电子波函数的交叠使其在所有N个原子间作共有化运动。同时，原子间的相互作用也使其每一能级分裂为能值不同但差别甚小的Nm个能级，从而消除简并，形成一个能量准连续的能带。,按此规则，由s能级分裂而成的能带有N条能级，由p能级分裂而成的能带应有3N条能级。s电子填s带，p电子填p带，如果两带皆被电子填满则为绝缘体，若有一带未满则为金属。,泸州职业技术学院胡江,25,1 原子的能级和晶体的能带,原子能级 能带,泸州职业技术学院胡江,26,Solid of N atoms,Two atoms,Six atoms,Electrons must occupy different energies due to Pauli Exclusion principle.,原子中电子能级的形成和晶体的能带,泸州职业技术学院胡江,27,理论基础:,2 半导体中的电子状态和能带-能带论,Schrodinger 方程,周期性势场近似-Bloch 波 电子在周期性势场中运动,其波函数具有Bloch 波形式:(x)=uk(x+na)ei2kx,泸州职业技术学院胡江,28,泸州职业技术学院胡江,29,泸州职业技术学院胡江,30,K-P模型 E(k)-k关系,泸州职业技术学院胡江,31,满带:当所有状态都被电子占据;金属的价电子能级形成一个半满带；半导体的价电子能级杂化为一个满带和一个空带；绝缘体的价电子能级形成一个满带,三 导体、半导体、绝缘体的能带,泸州职业技术学院胡江,32,导带、价带；空带、满带,导带:具有空的能级,可以起导电作用的能带.导带上的本征激发电子很少，本征时可以认为是空带。杂质半导体导带上的电子来源于施主杂质的电离。价带:已被价电子占满的能带称为价带。价带上的本征激发空穴很少，本征时可以认为是满带(电子填满)。杂质半导体价带上的空穴来源于受主杂质的电离。,泸州职业技术学院胡江,33,半导体的物质结构和能带结构,1 半导体的原子结合与晶体结构2 半导体中的电子状态和能带3 半导体中载流子的有效质量 4 半导体中的杂质和缺陷能级5 典型半导体的能带结构6 半导体能带工程概要,泸州职业技术学院胡江,34,3 半导体中载流子的有效质量,一 半导体能带极值附近的 E(k)函数与k的关系二 导电电子和空穴的有效质量三 三维K空间的等能面四 回旋共振,泸州职业技术学院胡江,35,一、半导体中极值附近E(k)与k的关系,一维E(k)函数极值附近的Ek关系:在能带(导带)底部和(价带)顶部附近,将E(k)进行泰勒展开.设能带底位于k=0,将E(k)在 k=0附近进行泰勒展开:,对于给定的半导体,此为定值,在 K=0附近,此值为0,称mn*为周期势场中电子处于E(k)极值附近时的有效质量,对极小值，二阶导数0，所以导带底附近电子 mn*为正,泸州职业技术学院胡江,36,二、导电电子和空穴的有效质量,同样,若能带顶位于k=0,将E(k)在 k=0附近进行泰勒展开:,能带顶电子有效质量mn*,对于能带（价带）顶，二阶导数0，所以价带顶附近电子 mn*为负,泸州职业技术学院胡江,37,空穴的有效质量,在外力 f 的作用下，价带顶附近电子的加速度可记为,于是该式改写为,式中,称为空穴的有效质量。,对极大值，(d2E/dk2)0，所以价带顶附近电子 mn*为负；,式中,泸州职业技术学院胡江,38,有效质量的意义,分别代表导带底和价带顶的曲率，反映能量大小对动量变化的敏感程度电子的加速度是半导体内部势场和外电场作用的综合效果。因此，有效质量概括了半导体内部势场的作用，直接把外力F和电子的加速度联系起来，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时可以不涉及半导体内部势场的具体形式。有效质量可以由实验测定,方便的解决了电子运动的规律。,泸州职业技术学院胡江,39,三、三维K空间的等能面,K空间与布里渊区的概念,k空间按E(k)的周期变化分为若干区域，每个区域中E(k)作为k的多值函数重复出现。称边界为1/2a的区域为简略布里渊区。,：布里渊区中心；L：布里渊区边界与（111）轴的交点；X：布里渊区边界与（100）轴的交点；：布里渊区边界与（110）轴的交点。,泸州职业技术学院胡江,40,1、导带底不在布里渊区中心的一般情况(k 00),仍将E(k)函数在k0附近泰勒展开，直接用mx*，my*，mz*分别表示电子沿kx，ky，kz方向的有效质量，其值满足,令E(k0)=EC，表示导带底的能量，上式可改写成,泸州职业技术学院胡江,41,设极值位于100方向某点(k0 x,0,0)，则等能面方程变为,特殊极值点附近的旋转椭球面,ml 和mt 分别是导带底电子的有效质量沿100方向的分量（纵有效质量）和垂直于100方向的分量（横有效质量）,由于晶体的对称性，k0 在k 空间可能有若干个对称的等价点,于是形成等价能谷,泸州职业技术学院胡江,42,2、导带底k0且有效质量各向同性的特殊情况,设导带底位于布里渊区中心,即k0,其能量E(0)EC,且mx*my*mz*mn*，即有效质量各向同性，则导带底附近的等能面方程变为,这是一个球面方程，其半径,即在这种特殊情况下，波数相等的状态能量相等。,泸州职业技术学院胡江,43,四、回旋共振实验,将一快半导体样品置于均匀恒定的磁场中，再以高频电磁波通过样品，改变交变电磁场的频率，测出共振吸收峰。实验结果发现：当磁场强度相对于晶轴有不 同的取向时，可以得到为数不等的共振吸收峰个数。回旋共振实验首次测定了载流子的有效质量,泸州职业技术学院胡江,44,电子运动方程,在磁场强度B作用下，以速度V运动的载流子受到的洛伦兹力为：运动轨迹为一螺旋线，圆周运动的回转频率c为：考虑到各向异性，设 B 沿波矢 kx、ky、kz轴的方向余弦分别为、，则电子运动的方程分别为：,泸州职业技术学院胡江,45,共振吸收频率,利用共振吸收的方法测出回旋频率C，对已知磁感应强度B,即可由此式算出有效质量mn*。,泸州职业技术学院胡江,46,若B沿(111)方向，有一个共振吸收峰,若B沿(110)方向，有二个共振吸收峰,若B沿(100)方向，有二个共振吸收峰,若B沿任意方向，有三个共振吸收峰,泸州职业技术学院胡江,47,(001)方向的旋转椭球等能面,由于对称性，kx、ky方向有效质量相同，记为mt，kz方向有效质量记为ml，分别称为横向和纵向有效质量。则等能面方程为：,001,B,K0,Kx100,Ky010,kz,以(001)方向的旋转椭球等能面为例。选取kz轴沿(001)方向，磁场B与kz组成一个平面，在此平面内选取kx垂直于kz 轴，该面的法向作为ky。B与kz的夹角为,泸州职业技术学院胡江,48,硅导带极值在(100)轴及相应的对称方向上,选取(100)轴及相应的对称方向(共6个)依次作为kz方向，磁场B与各个kz组成平面。,2个,2个,1个,泸州职业技术学院胡江,49,硅导带极值在(110)轴及相应的对称方向上,选取(110)轴及相应的对称方向依次作为kz方向，磁场B与各个kz组成平面。,kx在磁场B与kz组成的平面内且垂直于kz 轴,ky垂直于该平面.B与kz之间的夹角为,泸州职业技术学院胡江,50,锗导带极值在(111)轴及相应的对称方向上,依次选取(111)轴及相应的对称方向作为kz方向，磁场B与各个kz组成平面。,泸州职业技术学院胡江,51,Ge、Si 和GaAs中载流子的有效质量,泸州职业技术学院胡江,52,半导体的物质结构和能带结构,1 半导体的原子结合与晶体结构2 半导体中的电子状态和能带3 半导体中载流子的有效质量 4 半导体中的杂质和缺陷能级5 典型半导体的能带结构6 半导体能带工程概要,泸州职业技术学院胡江,53,4 半导体中的杂质和缺陷能级,一、半导体中杂质和缺陷的施、受主作用二、典型半导体中的杂质和缺陷能级,泸州职业技术学院胡江,54,一、半导体中杂质和缺陷的施、受主作用,1、真实晶体及其禁带中的允许能级 1）、杂质存在的可能性 2）、杂质类型 3）、杂质能级2、多重电离杂质的作用及其能级 3、两性杂质及其能级,泸州职业技术学院胡江,55,实际应用中，半导体内载流子(carriers,电子和空穴)的数量(密度 density)、活动力(迁移率 mobility)以及在非热平衡条件下产生的额外载流子(excess carriers)寿命(lifetime)主要受杂质或缺陷的控制。,一、半导体中杂质和缺陷的施、受主作用,决定热平衡状态下的载流子密度 施、受主作用；,决定迁移率的高低散射作用；,决定额外载流子的寿命 复合作用。,半导体中杂质和缺陷的三大作用：,泸州职业技术学院胡江,56,2、真实晶体及其禁带中的允许能级,1）、杂质存在的可能性,（1）晶格的原子占空比,（金刚石结构和闪锌矿结构）,泸州职业技术学院胡江,57,间隙与空位为杂质原子的进入和存在提供了两种位置，并为杂质在半导体中的扩散提供了有效的途径。,（2）晶格中的间隙（Interstice）,四面体间隙 T（Tetrahedral）,六角锥间隙 H（Hexangular）,（3）晶格中的空位（Vacancy）,泸州职业技术学院胡江,58,2、杂质类型,2）施主（Donor）杂质,比晶格主体原子多一个价电子的替位式杂质。它们在适当的温度下能够释放多余的价电子而在半导体中产生非本征自由电子并使自身电离。,3）受主（accepter）杂质,比晶格主体原子少一个价电子的替位式杂质。它们在适当的温度下能够向价带释放空穴而在半导体中产生非本征自由空穴并使自身电离。,1）共价环境与外来原子,当主体晶格给外来原子提供的是一个过配位环境时，外来原子的价电子数必不符合环境对共价电子数的要求。,泸州职业技术学院胡江,59,1）、施主Donor和受主Acceptor,施主：掺入半导体的杂质原子向半导体中 提供 导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中掺的P,As,Sb 受主：掺入半导体的杂质原子向半导体 中提供导电的空穴,并成为带负电的离子.如 Si中掺的Al,B,Ga,In,施主和受主浓度ND、NA,泸州职业技术学院胡江,60,杂质电离：电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程称为杂质电离,所需能量为杂质电离能E。施主电离：施主杂质释放电子的过程称为施主电离，对应的电离能称为施主电离能ED。受主电离：空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离，对应的电离能称为受主电离能EA。,杂质的电离,泸州职业技术学院胡江,61,2）施主杂质 施主能级,泸州职业技术学院胡江,62,3）受主杂质 受主能级,泸州职业技术学院胡江,63,杂质能级的表示,在施主能级ED上画一小黑点，表示被施主杂质束缚的电子，这时施主杂质处于束缚态。当电子得到能量ED后，就从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，在导带中以小黑点表示进入导带中的导电电子；施主能级处画的 符号表示施主杂质电离以后带正电荷。,在受主能级EA上画一小圆圈，表示被受主杂质束缚的空穴，这时受主杂质处于束缚态。当空穴得到能量EA后，就从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，在价带中以小圆圈表示进入价带中的导电空穴；受主能级处画的 符号表示受主杂质电离以后带负电荷。,-,+,泸州职业技术学院胡江,64,3、杂质能级,1）类氢模型浅能级杂质电离能的简单计算,锗、硅的相对介电常数r分别为16和12，因此，杂质在锗、硅晶体中的电离能分别为0.05 m*/m0和0.1 m*/m0。因为m*/m0一般小于l，所以，锗、硅中的杂质电离能一般小于0.05eV和0.1eV。,氢原子的电离能,杂质电离能,泸州职业技术学院胡江,65,2）施主能级和受主能级,3）n型半导体和p型半导体,n 型半导体,p 型半导体,n型:含有一定浓度施主杂质,主要依靠电子导电；p型:含有一定浓度受主杂质,主要依靠空穴导电。,泸州职业技术学院胡江,66,二、多重电离杂质的作用及其能级,1、金刚石结构中的I族杂质,只有一个价电子的杂质原子取代 4 配位的主体原子，有两种可能的方式稳定存在于主体原子的共价环境中：1）释放其唯一的价电子而成为正离子；2）依次接受1个、2个、3个电子，成为多重负离子。,2、金刚石结构中的II、VI族杂质,II族杂质在金刚石结构中的行为与I族元素杂质类似，一般会产生两条深受主能级和一条深施主能级。,深能级概念,VI族杂质在金刚石结构中的行为与V族杂质类似，可顺次释放多余的两个价电子，只起施主作用，但两条施主能级都是深能级。,泸州职业技术学院胡江,67,三、两性杂质及其能级,特点：同样环境下既可为施主，也可是受主，但施主能级位于受主能级之下，因为对这种杂质而言，接受一个电子是比释放一个电子更高的能量状态。,1、同位异性杂质,2、异位异性杂质,化合物半导体中特有的杂质行为。在这种情况下，杂质的作用与III族和V族杂质原子在VI族元素半导体中的行为相似，而与上述同位异性双性原子所受到的约束不同，行为不同，其施主能级和受主能级一般都是浅能级.,泸州职业技术学院胡江,68,在掺 Si 浓度小于 11018 cm-3 时，Si 全部取代 Ga 位而起施主作用，这时掺 Si 浓度和电子浓度一致；而在掺 Si 浓度大于 1018 cm-3 时，部分 Si 原子开始取代 As 位，出现补偿作用，使电子浓度逐渐偏低。,例如：,泸州职业技术学院胡江,69,四、缺陷的施、受主作用及其能级,1、点缺陷,点缺陷的施主或受主作用点缺陷在材料中是起施主还是受主作用，决定于它们自身的性质和环境。VM起受主作用，VX起施主作用,空位,间隙原子,错位原子,泸州职业技术学院胡江,70,2、位错(Dislocation),位错的施受主作用,受主,施主,泸州职业技术学院胡江,71,五、施主与受主之间的补偿,1、浅能级杂质间的补偿,2、深能级杂质的补偿,3、高度补偿,泸州职业技术学院胡江,72,对杂质高度补偿问题的说明,若杂质浓度控制得当，使NDNA，则施主所提供的电子刚好将受主能级填满，即便杂质浓度很高，施主杂质仍不能向导带提供电子，受主杂质也不能向价带提供空穴。这种现象称为杂质的高度补偿。高度补偿的材料容易被误认为是高纯材料，而实际上含有杂质。特别是在杂质浓度很高的情况下，材料的性能会因为杂质浓度很高而变差，般不能用来制造半导体器件。但是，若能在杂质浓度不高的情况下实现高度补偿，则因其电阻率高，可作为电绝缘材料使用，例如微波器件的半绝缘衬底。,泸州职业技术学院胡江,73,晶体管制造过程中的杂质补偿,半导体器件和集成电路生产中就是利用杂质补偿作用，在n型Si外延层上的特定区域掺入比原先n型外延层浓度更高的受主杂质，通过杂质补偿作用就形成了p型区，而在n型区与p型区的交界处就形成了pn结。如果再次掺入比p型区浓度更高的施主杂质，在二次补偿区域内p型半导体就再次转化为n型，从而形成双极型晶体管的n-p-n结构。,泸州职业技术学院胡江,74,1、浅能级,二 典型半导体中的杂质和缺陷能级,一、硅、锗晶体中的杂质能级,硅、锗晶体中常见的浅施主杂质有P、As、Sb，浅受主杂质有B、Al、Ga、In。,其电离能在禁带较宽的硅中大约是0.040.05eV；在锗中大约是0.01eV左右。,锂在硅、锗中是填隙式杂质，能级距导带底分别为0.034eV和0.009eV，为浅施主。,In在锗中的电离能为0.01eV，是典型的浅受主；在硅中的电离能为0.16eV，为深受主。Al在硅中还有一条深施主能级（价带顶以上0.17eV）,泸州职业技术学院胡江,75,非 III、非 V 族杂质在硅、锗晶体中的行为与前节的理论分析和预期基本相符。有些杂质的预期能级没有在禁带中出现，譬如硅中金的两个深受主（二重和三重负电中心）。预期中的深受主未能发现的可能原因是这些能级已进入导带，预期中的深施主如果没有发现则可能是进入了价带。,2、深能级,1）深能级杂质,泸州职业技术学院胡江,76,深能级杂质-,Au的电子组态是：5s25p65d106s1,在Ge中掺Au：,泸州职业技术学院胡江,77,在Ge中掺Au：,Ec,Ev,ED,泸州职业技术学院胡江,78,在Ge中掺Au：,泸州职业技术学院胡江,79,深能级杂质,泸州职业技术学院胡江,80,深能级杂质,E,A3,=Ec,0.04eV,泸州职业技术学院胡江,81,深能级杂质-在Si中掺Au：,金是硅中的深能级杂质，在硅中形成双重能级；位于导带低以下0.54eV的受主能级EtA，和位于价带顶以上0.35eV的施主能级EtD。但是，金是硅中的两个深能级并不是同时起作用的。在n型硅中，费米能级总是比较靠近导带，电子基本填满了金的能级，所以在n型硅中，只有受主能级EtA起作用；而在p型硅中，金的能级基本上是空的，因而只存在施主能级EtD。,深能级一般作为复合中心对载流子和导电类型影响较小 深能级瞬态谱仪测量杂质的深能级,泸州职业技术学院胡江,82,深能级杂质,泸州职业技术学院胡江,83,3）硅中的稀土金属铒(Er)、钕(Nd),铒(Er)：Libertino 等用深能级瞬态谱(DLTS)测量了用离子注入法掺入硅中的Er的深能级，发现与Er有关的4个能级分别位于EC0.151、0.134、0.126、0.120 eV处；Cavallini等在液相外延p 型硅中用 DLTS观察到一个空穴陷阱和两个电子陷阱,分别位于EV+0.132 eV，EC0.139 eV 和EC0.120 eV处。,钕(Nd)：1965年报道，注Nd将P型硅转变成n型，并伴随出现一位置为E C0.330.07 eV的深能级。另有报道认为Si中掺Nd后产生施主能级EC0.21eV和受主能级EV+0.21eV。2019年的一篇文献报道硅中Nd施主能级为EC0.32 0.04 eV。,泸州职业技术学院胡江,84,用电子辐照的方法提高硅开关器件的工作频率，就是对双空位0.40eV深能级的有效利用。,双空位：常见于高阻n型硅中,有三条深能级：EC0.40 eV,EV+0.27 eV，以及禁带中心附近的一条；,E中心：P、As、Sb等施主杂质与空位构成的稳定络合物，常见于低阻n型硅中；能级在EC0.430.003 eV处；,A中心：O与空位的络合物，常见于用直拉法制备的单晶硅中,对器件性能有严重影响,能级在EC0.17eV处,4）深能级缺陷,高能辐照在Si中产生空位和间隙原子。单空位易向表面扩散而消失；双空位或空位杂质络合物不易通过扩散而消失，因而是硅中的常见深能级缺陷。,泸州职业技术学院胡江,85,二、IIIV族化合物中的杂质及其能级,族元素,一般起受主作用,如银,金,铜2.族元素,通常可以取代族原子,表现为 受主杂质.如铍、镁、锌等。3.族元素,对于与基质晶体原子具有同数量价电子的等电子替位杂质，当出现电负性、共价半径较大差异时，会形成等电子陷阱，再接受相反电荷可以形成束缚激子。4.族元素，替代族原子可以起施主作用，如硅、锗等：5.族元素常常替代族原子表现为施主杂质，如氧、硫、碲等。6.过度元素除钒外均产生受主（深）能级。,泸州职业技术学院胡江,86,1）II族杂质取代III价元素起浅受主作用。例如：,铍、镁、锌、镉在砷化镓中占据镓位，引入的浅受主能级分别在EV0.028，0.028，0.031和0.035 eV；,铍、镁、锌、镉在磷化镓中占据镓位，引入的浅受主能级分别在EV 0.056，0.054，0.064和0.009eV。,锌、镉在磷化铟中也是浅受主杂质。,常用锌或镉作为掺杂剂制备p型III-V族化合物；在制造砷化镓二极管和三极管时也用镁作为p型掺杂剂,1、II、VI族杂质,泸州职业技术学院胡江,87,2）VI族杂质取代V价元素起浅施主作用,S、Se、Te在砷化镓中占据砷位后，分别引入EC0.006、0.006 和 0.03 eV的浅施主能级；,S、Se、Te在磷化镓