《固体物理基础教学课件》第5章-半导体.ppt

第五章 半导体,半导体材料 半导体掺杂机制半导体能带结构载流子漂移P-N结半导体发光机制半导体光伏电池,5.1 半导体材料,半导体材料的分类 I（按功能分类）,电子材料检波/放大/整流/存储光电材料发光/探测/光伏/成像热电材料 测温、发电传感材料气敏/湿敏/热敏/光敏/磁敏光子材料激光/光传输/光放大/光计算/光存储微波材料,5.1 半导体材料,半导体材料的分类 II（按成分分类）,元素半导体由单一元素构成的半导体材料，如锗、硅、硒等 化合物半导体由两种或两种以上元素构成的半导体材料，如InP,GaAs，Ga1-xAlxAs,GaN，ZnO，SiC等 有机半导体由有机高分子材料构成的半导体，如电荷转移络合物，芳香族化合物 复合半导体：两种或两种以上半导体材料的复合，如无机/无机，有机/无机，有机/有机复合,5.1 半导体材料,半导体材料的分类 III（按结构分类）,单晶半导体：整块半导体材料中的原子周期性地有序排列。多晶半导体：半导体材料中分成许多区域，各区域内的原 子周期性地有序排列。非晶态半导体：半导体材料中的原子排列长程没有周期性，但短程有序。异质结构半导体：指外延层与衬底材料不同的半导体多层 膜结构。超晶格半导体：利用外延技术制备的人工晶体结构。纳米半导体：结构尺度为纳米的半导体材料，如纳米颗粒 或纳米薄膜。复合半导体：两种或两种以上半导体材料的复合，如无机/无机，有机/无机，有机/有机复合。,5.1 半导体材料,常见半导体材料的结构,金刚石结构 轨道杂化导致四个价电子等价。(1s)2(2s)2(2p)2-(1s)2(2s)1(2p)3 面心立方两个面心立方点阵沿对角线相对移动1/4距离,Si,Ge,5.1 半导体材料,常见半导体材料的结构,闪锌矿结构：与金刚石结构相似，闪锌矿结构也是一种由面心立方构成的复式格子，但两套格子各自的原子不同。在这种结构中，既有轨道杂化，又有原子间的电荷转移，原子间的键为离子键与共价键组成的混合键。所以电子云的分布呈非对称分布而偏向某一原子,GaAs，ZnS,5.1 半导体材料,热力学稳定相为钎锌矿结构，宽带隙，缺乏中心对称性，具有强的压电特性，对可见光透明等（ZnO）,常见半导体材料的结构,5.2 半导体的导电机制,本征半导体（semiconductor）,#本征半导体是指纯净的半导体。#本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。,*本征半导体的能带结构：,所以加热、光照、加电场都能把电子从满带激到发空带中去，同时在满带中形成“空穴”（hole）,半导体的满带与空带之间也是禁带，但是禁带宽度Eg 很窄(0.1 2eV),以半导体 CdS为例,满带上的一个电子跃迁到空带后，满带中出现一个带正电的空位，称为“空穴”电子和空穴总是成对出现的。,电子和空穴叫本征载流子，它们形成半导体的本征导电性,5.2 半导体的导电机制,当光照 h Eg 时，可发生本征吸收，形成本征光电导。,解,例 要使半导体 Cd S产生本征光电导，求激发电子的光波的波长最大多长？,5.2 半导体的导电机制,空带,满带,在外电场作用下，电子可以跃迁到空穴上来，这相当于 空穴反向跃迁,空穴跃迁也形成电流，这称为空穴导电,两种导电机制：电子导电：半导体的载流子是电子空穴导电：半导体的载流子是空穴,5.2 半导体的导电机制,当外电场足够强时，共有化电子还是能越过禁带跃迁到上面的空带中，使半导体击穿,为什么导体的电阻随温度升高而升高，而半导体的电阻却随温度升高而降低？,半导体,导体,5.2 半导体的导电机制,杂质（impurity）半导体,1.n型半导体,量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处，ED10-2eV，极易形成电子导电,该能级称为施主（donor）能级。,本征半导体 Si、Ge等的四个价电子，与另四个原子形成共价结合，当掺入少量五价的杂质元素（如P、As等）时，就形成了电子型半导体，又称 n 型半导体。,5.2 半导体掺杂,n 型半导体,空 带,施主能级,ED,5.2 半导体掺杂,Si 原子浓度1022 cm3则P 原子浓度1018 cm3,np=1.51010 cm 3,室温下：,本征激发,杂质激发,导带中电子浓度,nn=1.51010 10181018 cm3,满带中空穴浓度,设 Si中P的含量为104,在n型半导体中：电子是多数载流子，空穴是少数载流子。电子浓度nn 施主杂质浓度nd,5.2 半导体掺杂,2.p型半导体,四价的本征半导体Si、e等掺入少量三价的杂质元素（如、Ga、In等）时，就形成空穴型半导体，又称 p 型半导体。,量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴能级在禁带中紧靠满带处，EA 10-1eV，极易产生空穴导电。,该能级称受主（acceptor）能级。,5.2 半导体掺杂,空 带,EA,受主能级,P型半导体,5.2 半导体掺杂,Si原子浓度1022 cm 3则B 原子浓度1018 cm 3,np=1.5101010181018 cm3,室温下：,本征激发,杂质激发,导带中电子浓度,nn=1.51010cm 3,满带中空穴浓度,设 Si中B的含量为104,在p型半导体中：空穴是多数载流子，电子是少数载流子。空穴浓度np 受主杂质浓度na,5.2 半导体掺杂,3.n型化合物半导体,例如，化合物GaAs中掺Te，六价的Te替代五价的As可形成施主能级，成为n型GaAs杂质半导体。,4.p型化合物半导体,例如，化合物 GaAs中掺Zn，二价的Zn替代三价的Ga可形成受主能级，成为p型GaAs杂质半导体。,5.2 半导体掺杂,Si可以替代Ga，施主Si可以替代As，受主施主/受主5/1,化合物GaAs中掺Si,杂质补偿作用,实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），又有受主杂质（浓度na），两种杂质有补偿作用：,若nd na为n型（施主）,若nd na为p型（受主）,利用杂质的补偿作用，可以制成 p-n 结,5.2 半导体掺杂,以上形成的施主或受主，称为类氢杂质能级 特点：束缚能很小，对于产生电子和空穴特别有效，施主或受主的能级非常接近导带或价带，称浅能级杂质,深能级杂质,一些掺杂半导体中的杂质或缺陷在带隙中引入的能级较深，称 深能级杂质,掺Au的Si半导体 受主能级：导带下0.54 eV 施主能级：价带上0.35 eV,5.2 半导体掺杂,一般情况下深能级杂质大多为多重能级 在Si中掺杂的Au原子为两重能级 多重能级反映了杂质带电的情况,两个能级均无电子填充时，Au杂质带正电受主能级填充一个电子，施主能级无电子填充时，Au为中性带电状态；受主能级和施主能级都有电子填充时，Au杂质带负电,5.2 半导体掺杂,深能级杂质和缺陷的作用,可以成为有效复合中心，大大降低载流子的寿命；可以成为非辐射复合中心，影响半导体的发光效率；可以作为补偿杂质，大大提高半导体材料的电阻率,5.2 半导体掺杂,掺杂的要求,高浓度 降低能量、可行性高效率 能级小高质量 迁移率大稳定性 化学键能大高性价比 最便宜环保性 无毒、污染小,5.2 半导体掺杂,1.半导体载流子,半导体中的电子服从费米 狄拉克统计,在金属中，电子填充空带的部分形成导带，相应的费米能级位于导带中,对于掺杂不太多的半导体，热平衡下，施主电子激发到导带中，同时价带中还有少量的空穴,半导体中电子的费米能级位于带隙之中,5.3 半导体中电子的费米统计分布,电子在导带各能级分布的几率,半导体中费米能级位于带隙之中且有,导带中的电子接近经典 玻耳兹曼分布,导带中每个能级上电子的平均占据数很小,5.3 半导体中电子的费米统计分布,满带中空穴占据的几率 能级不被电子占据的几率,应用,空穴占据状态的E越低(电子的能量)，空穴的能量越高，空穴平均占据数越小(电子占据数越大),5.3 半导体中电子的费米统计分布,半导体中的导带能级和满带能级远离费密能量 导带接近于空的，满带接近于充满,5.3 半导体中电子的费米统计分布,导带底附近的能量,满带顶附近的能量,应用自由电子能态密度,5.3 费米能级和载流子浓度,导带中电子的浓度,5.3 费米能级和载流子浓度,令,有效能级密度,5.3 费米能级和载流子浓度,导带电子浓度,单位体积中导电电子数就是如同导带底 处的 个能级所应含有的电子数,空穴浓度,温度不变，导带中电子越多，空穴越少，反之亦然,5.3 费米能级和载流子浓度,杂质激发,如果N型半导体主要含有一种施主，施主的能级:ED 施主的浓度:ND,足够低的温度下，载流子主要是从施主能级激发到导 带的电子,导带中电子的数目是空的施主能级数目,两式消去 EF,因为,5.3 费米能级和载流子浓度,导带底与施主能级差,施主的电离能,导带中电子的数目,5.3 费米能级和载流子浓度,温度很低时,很少的施主被电离,温度足够高时,施主几乎全被电离，导带中的电子数接近于施主数,5.3 费米能级和载流子浓度,P型半导体,受主的能级位置:EA 受主浓度:NA,足够低的温度下，载流子主要是从受主能级激发到满带的空穴,满带中空穴的浓度,受主的电离能,在足够低的温度下,只有很少的受主被电离,5.3 费米能级和载流子浓度,本征激发,足够高的温度下，本征激发占主导地位,特点为每产生一个电子同时将产生一个空穴,带隙宽度,因为,本征激发随温度变化更为陡峭 测量分析载流子随温度的变化，可以确定带隙宽度,满带到导带的电子激发,5.3 费米能级和载流子浓度,假定与能级E对应的有G(E)个量子态，则 由于N和G（E）与半导体材料本身的能带结构及掺杂情况有关，因此只要知道了N、G(E)和温度T，就可以求出Ef。反过来，如果知道了Ef，由此可以确定各能级上的电子数及总粒子数N 可以证明费米函数等于化学势，处于热平衡状态系统有相同的化学势，所以对一个处于热平衡的系统，各处费米能级相同,5.4 费米能级与能态密度,对于费米子，一个量子态要么被电子占据，要么空着，能量为E的能级被占据的几率为f(E)，因此空着的几率为 不难看出，f(E)与1-f(E)相对E=Ef是对称的，在该点占据及空着的几率均为1/2。能量比费米能级高的能级空着的几率大，反之，能量比费米能级低的能级充满的几率较大。当能量很大时，即 时，费米分布与玻色分布趋向同一函数，,5.4 费米函数性质,5.4费米函数与波耳兹曼函数,大多数情况下费米能级与导带底的距离比kT大得多，所以费米函数可以用玻尔兹曼函数代替 f(E)随E按指数下降，导带宽度为eV量级，因此将上限扩展至无穷大处也不会引起较大的误差,导带中所有能级上电子的总密度等价于能量为Ec，态密度为Nc的一个能级。即把一个涉及许多能级的复杂的能带问题简化成了只有一个能级问题，即可以将导带理解为一个电子都集中于导带底Ec，密度为Nc的能级。因此Nc称为导带的有效状态密度。同理Nv称为价带的有效状态密度。,5.4 状态有效密度,用两个能级代替导带和价带，大大简化各种分析有效状态密度反映了导带或价带容纳电子或空穴的能力有效状态密度是温度的3/2次方函数，温度愈高，N愈大对T=300K，两者对硅分别为2.81019cm-3和1.041018cm-3，大大小于价电子密度,5.4 状态有效密度,如果将n与p相乘，则可以发现乘积pn与Ef无关，即对特定的半导体材料，Ef与掺杂种类及掺杂浓度有关，因此由np与Ef无关可以推论此乘积pn与掺杂种类及掺杂浓度无关，即只与半导体材料本身能带结构有关如果由于某种原因使得电子增加，则其中的空穴数目必然减少。当掺杂浓度很大时，费米能级可能进入导带或价带，玻尔兹曼近似不再成立，因此电子空穴数目乘积不再与Ef无关。,5.4 质量作用定律,由p=n，我们得到因为NvNc,所以对本征半导体来说，费米能级位于禁带中间稍偏下面的部位，但十分接近中间位置。不过如果某种半导体的Nc与Nv及mdn与mdp相差太大，则本征半导体的Ef偏离中心位置的距离可能较远。例如锑化铟的费米能级偏离禁带中心达0.2eV,5.4 本征半导体的费米能级,将上面的Ef 代入n与p的表达式，我们可以得到 同样可得 本征载流子浓度随温度指数增加，而且pi=ni,5.4 本征载流子浓度,室温下硅的本征载流子浓度为 而有效状态密度分别为Nc=2.811019 cm-3和Nv=1.041018 cm-3，即导带及价带只有约10亿分之一的能级被电子或空穴填充。因此室温下本征半导体的导电能力一般是很差的。,5.4 实例,硅的能带结构:导带,导带在与X间有一极小值，偏离中心点4/5，共有6个对称的极小点，称为能谷。因为4度对称轴，所以y,z方向等价，因此,l表示纵向、t表示横向质量。等能面为旋转椭球面，中心轴为轴,5.5 半导体能带结构,硅的能带结构:价带,有3个子能带，都在k=0处有极大值1、2两个能带简并，但曲率不同，因此它们对应的空穴有效质量不同，重的一个称为重空穴，轻的为轻空穴第三个能带与1、2两个有距离特点:间接能带：导带底与价带顶不重合,5.5 半导体能带结构,锗的能带结构:导带,在与L之间的布里渊边界上有一极小值，截角8面体共有8个极小值，但因为极小值刚好位于布里渊区边界，相对两个极小之间相差一个倒格矢，所以实际上只有4个极小值，即只有4个能谷，同样，等能面也是旋转椭球面，但中心轴为轴,5.5 半导体能带结构,GaAs的能带结构,导带底与价带顶都在k=0处，即为直接能带；等能面为球形；导带在(100)方向接近布里渊边界区还有另外一个极小值；它的价带情况与硅、锗的类似，也有三个子能带，也有轻重空穴之分直接带隙,5.5 半导体能带结构,本征半导体,N型本征半导体,P型本征半导体,Ec,Ei,Ev,Ef,Ec,Ev,Ef,Ed,Ec,Ev,Ef,Ea,室温下、正常掺杂浓度,5.5半导体的费米能级,施主能级掺入价数较高的杂质原子；晶格缺陷；杂质-缺陷复合体。受主能级掺入价数较的杂质原子；晶格缺陷；杂质-缺陷复合体。激子能级：束缚的电子-空穴对极化子能级：电子-晶格相互作用,5.5 半导体禁带中的能级,表面态:表面原子状态与体内的不同等电子杂质:杂质价电子数与母体的相同固有原子缺陷(A格子空位VA,B格子空位,A元素间隙原子,B元素间隙原子)错位原子:化合物半导体中两种原子换位间隙杂质,5.5 半导体禁带中的能级,硅的介电常数为14，有效质量分别1.0m0，代入可得硅中施主电子能级离开导带的距离0.087eV。实验测试结果能级的位置是与杂质的种类有关系,5.5 实例,温度较高时，价带电子可以通过热激发直接进入导带，成为本征激发由于施主上的未成键电子的束缚能很小，因此很容易通过热激发进入导带由于价带离开受主能级距离很小，因此价带上的电子很容易通过热激发进入受主能级其他使得电子从价带进入导带的激发过程，如光照等,5.5 半导体中载流子的来源,迁移率（mobility）,迁移率是用来描述半导体中载流子在单位电场下运动快慢的物理量，是描述载流子输运现象的一个重要参数，也是半导体理论中的一个非常重要的基本概念。,电子迁移率,迁移率定义为：,由于载流子有电子和空穴，所以迁移率也分为电子迁移率和空穴迁移率，即：,空穴迁移率,单位：cm2/(Vs),5.5 载流子的漂移,电子热运动速度,半导体中的传导电子不是自由电子，晶格的影响需并入传导电子的有效质量,其中mn为电子的有效质量，而vth为平均热运动速度,在室温下(300K)，上式中的电子热运动速度在硅晶及砷化镓中约为107cm/s,在热平衡状态下，传导电子在三维空间作热运动,由能量的均分理论得到电子的动能为,5.5 载流子的漂移,半导体中的电子会在所有的方向做快速的移动，如图所示 单一电子的热运动可视为与晶格原子、杂质原子及其他散射中心碰撞所引发的一连串随机散射，在足够长的时间内，电子的随机运动将导致单一电子的净位移为零平均自由程(mean free path)：碰撞间平均的距离 平均自由时间c：碰撞间平均的时间平均自由程的典型值为10-5cm，平均自由时间则约为1微微秒(ps,即10-5cm/vth10-12s）,5.5 载流子的漂移,当一个小电场E施加于半导体时，每一个电子会从电场上受到一个-qE的作用力，且在各次碰撞之间，沿着电场的反向被加速。因此，一个额外的速度成分将再加至热运动的电子上，此额外的速度成分称为漂移速度(drift velocity),这种在外电场作用下载流子的定向运动称为漂移运动,一个电子由于随机的热运动及漂移成分两者所造成的位移如图所示,值得注意的是，电子的净位移与施加的电场方向相反,5.5 载流子的漂移,电子在每两次碰撞之间，自由飞行期间施加于电子的冲量为-qEc，获得的动量为mnvn，根据动量定理可得到,或,上式说明了电子漂移速度正比于所施加的电场，而比例因子则视平均自由时间与有效质量而定，此比例因子即为迁移率。,因此,同理，对空穴有,5.5 载流子的漂移,最重要的两种散射机制：,影响迁移率的因素：,晶格散射(lattice scattering),杂质散射(impurity scattering),晶格散射归因于在任何高于绝对零度下晶格原子的热震动随温度增加而增加，在高温下晶格散射自然变得显著，迁移率也因此随着温度的增加而减少。理论分析显示晶格散射所造成的迁移率L将随T-3/2方式减少,5.5 载流子的漂移,散射机制,平均自由时间,迁移率,杂质散射：,杂质散射是当一个带电载流子经过一个电离的杂质时所引起的,由于库仑力的交互作用，带电载流子的路径会偏移。杂质散射的几率视电离杂质的总浓度而定,然而，与晶格散射不同的是，杂质散射在较高的温度下变得不太重要。因为在较高的温度下，载流子移动较快，它们在杂质原子附近停留的时间较短，有效的散射也因此而减少。由杂质散射所造成的迁移率I理论上可视为随着T3/2/NT而变化，其中NT为总杂质浓度,5.5 载流子的漂移,例1：计算在300K下，一迁移率为1000cm2/(Vs)的电子的平均自由时间和平均自由程。设mn=0.682m0,解 根据定义，得平均自由时间为,所以，平均自由程则为,又,5.5 载流子的漂移,电导率与电阻率互为倒数，均是描述半导体导电性能的基本物理量。电导率越大，导电性能越好。,电导率(conductivity)与电阻率(resistivity)：,半导体的电导率由以下公式计算：,相应的电阻率为：,5.5 载流子的漂移,一般来说，非本征半导体中，由于两种载流子浓度有好几次方的差异，只有其中一种对漂移电流的贡献是显著的。,如对n型半导体而言，可简化为（因为np）,而对p型半导体而言，可简化为（因为pn）,5.5 载流子的漂移,常见半导体材料的迁移率（厘米2/伏秒）,对硅而言，由于电子的有效质量小于空穴的有效质量，因而电子的迁移率比空穴的大，因此对于同样尺寸的器件，相对来说，N型材料制作的器件工作频率较高,5.5 载流子的漂移,当半导体中通以电流时，电子与空穴除热运动外还在电场的作用下作漂移运动，带电粒子在磁场中运动时要受到磁场引起的洛伦兹力,5.5 霍尔效应原理,当霍耳电场引起的力与磁场引起的力最后达到平衡时，有,由此我们得到一个十分重要的公式,即霍耳电势与流过的电流大小及磁场强度成正比比例系数称为霍耳系数对电子R=为-1/ne，对空穴为R=1/pe,5.5 霍尔效应原理,霍耳迁移率 由于磁场的存在，电子的漂移运动方向发生变化，因此以上所指的迁移率严格来说应是磁场下的迁移率,引入霍耳迁移率后，霍耳系数要进行修改，,对简单能带半导体，Rn与Rp没有差别由半导体的具体能带结构可以算出霍耳迁移率 与一般迁移率的比值，它们为,通过霍尔系数测量，可以确定材料的导电类型，载流子浓度，电导率等十分重要的参数,5.5 霍尔效应原理,5.6 pn 结,p-n 结的形成,在n型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，该区就成为p型半导体（补偿作用）,电子和空穴的扩散，在p型和n型半导体交界面附近产生了一个内建(电)场,阻止电子和空穴 进一步扩散,内建场大到一定程度，不再有净电荷的流动，达到了新的平衡,在p型 n型交界面附近形成的这种特殊结构称为p-n结（阻挡层，耗尽层），约0.1m厚,p-n结,5.6 pn 结,p-n结处存在电势差U0形成的势垒区。,#它阻止 p区带正电的空穴进一步向n区扩散；也阻止n区带负电的电子进一步向p区扩散,对Ge:U0=0.20.3 V对 Si:U0=0.60.7 V,5.6 pn 结,由于p-n结的存在，电子的能量应考虑进势垒带来的附加势能。,电子的能带出现弯曲现象,5.6 pn 结,扩散和漂移形成平衡电荷分布，满足玻耳兹曼统计规律,N区和P区空穴浓度之比,热平衡下N区和P区电子浓度,P区和N区电子浓度之比,5.6 pn 结,p-n结的单向导电性,1.正向偏压,p-n结的p型区接电源正极，叫正向偏压,形成正向电流（m级）,阻挡层势垒降 低、变窄 有利于空穴向 n区运动 也有利电子 向p区运动,5.6 pn 结,外加正向电压越大，形成的正向电流也越大且呈非线性的伏安特性,锗管的伏安特性曲线,5.6 pn 结,2.反向偏压,p-n结的p型区接电源负极，叫反向偏压。,阻挡层势垒升 高、变宽，不利于空穴向 n区运动，也不利于电子 向p区运动,没有正向电流！,但是由于少数载流子的存在，会形成很弱的反向电流，称漏电流（级）,5.6 pn 结,当外电场很强，反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大反向击穿,用其单向导电性，可制成二极管(diode):整流、开关用其电致发光效应，可制成发光二极管（LED）用其光生伏特效应，可制成太阳能电池,击穿电压,pn结的应用：,加反向偏压时，p n结的伏安特性曲线,5.6 pn 结,双极晶体管,由两个相距很近的PN结组成：,分为：NPN和PNP两种形式,基区宽度远远小于少子扩散长度,5.7 半导体器件,金属绝缘体半导体和MOS反型层,MIS体系：金属绝缘体半导体,(MetalInsulatorSemiconductor),MOS体系：金属氧化物半导体,MIS结构的一种特殊形式,(MetalOxideSemiconductor),MOS有着许多主要的应用,1)绝缘栅场效应管：存储信息2)集成电路：计算机RAM3)电荷耦合器件：CCD 存储信号，转换信号,5.7 半导体器件,P型半导体,MIS体系的机理,金属层 栅极 氧化物(SiO2 100nm)半导体接地,在栅极施加电压为负时，半导体中的空穴被吸收到IS表面，并在表面处形成带 正电荷的空穴积累层在栅极施加电压为正时，半导体中的多数载流子空穴被排斥离开IS表面少数载流子 电离的受主电子被吸收表面处,5.7 半导体器件,正电压较小 空穴被排斥，在表面处形成负电荷的耗尽层,为屏蔽栅极正电压,耗尽层具有一定的厚度d 微米量级空间电荷区,5.7 半导体器件,空间电荷区存在电场，使能带发生弯曲 对空穴来说形成一个势垒,5.7 半导体器件,表面 x0相对于体内xd的电势差 表面势：Vs,栅极正电压增大时，表面势进一步增大 表面势足够大时，有可能表面处的费密能级进入带隙的上半部 空间电荷区电子的浓度将要超过空穴的浓度形成电子导电层,5.7 半导体器件,空间电荷区的载流子主要为电子，半导体内部的载流子为空穴，空间电荷层 反型层,5.7 半导体器件,形成反型层时的能带,Ei是半导体的本征费密能级，EF是表面处的费密能级,当EF在Ei之上时，电子的浓度大于空穴的浓度 两者相等时，电子和空穴的浓度相等 当EF在Ei之下时，电子的浓度小于空穴的浓度,5.7 半导体器件,形成反型层的条件,费密能级EF从体内Ei之 下变成表面时Ei之上，两者之差qVF满足,一般形成反型层的条件,表面处电子浓度增加到等于或超过体内空穴的浓度,5.7 半导体器件,反型层中的电子，一边是绝缘层 导带比半导体高出许多，另一边 是耗尽层空间电荷区电场形成的势垒,电子被限制在表面附近能量最低的一个狭窄的区域 有时称反型层称为沟道 P型半导体的表面反型层是电子构成的 N沟道,5.7 半导体器件,N沟道晶体管,在P型衬底的MOS体系中增加两个N型扩散区 源区S和漏区D，构成N沟道晶体管,1)一般情况下：栅极电压很小，源区S和漏区D被P型区隔开，即使在SD之间施加一定的电压，由于SP和DP区构成两个反向PN结,#只有微弱的PN反向结电流,5.7 半导体器件,2)栅极电压达到或超过一定的阈值，Insulator_P-Si表面处形成反型层 电子的浓度大于体内空穴的浓度,3)通过控制栅极电压的极性和数值，使MOS晶体管处于导通和截止状态，源区S和漏区D之间的电流受到栅极电压的调制,集成电路应用,反型层将源区S和漏区D连接起来，此时在SD施加一个电压，则会有明显的电流产生,5.7 半导体器件,MOS场效应晶体管,5.7 半导体器件,p-n结的适当组合可以作成具有放大作用的晶体三极管（trasistor）和其他一些半导体器件。,集成电路,大规模集成电路,超大规模集成电路,晶体管,（1947）,（1962）,（80年代）,103,105,甚大规模集成电路,巨大规模集成电路,107,109,（70年代）,（90年代）,（现在）,5.7 半导体器件,1947年12月23日，美国贝尔实验室的半导体小组做出世界上第一只具有放大作用的点接触型晶体三极管。,1956年小组的三位成员获诺贝尔物理奖。,5.7 晶体管的发明,2000诺贝尔物理学奖,杰克基尔比 信息技术方面的基础性工作：集成电路,5.7 集成电路,每一个集成块（图中一个长方形部分）约为手指甲大小，它有300多万个三极管。,INMOS T900微处理器,四个尺寸参量：载流子平均自由程 磁场中电子回旋半径 rc薄膜厚度 dDe Broglie 波长 分几种情况来讨论,体材料：l 忽略载流子与样品边界的作用，体内散射为主。d l 界面散射需考虑 r 磁场量子化 l 电导能带理论不符合，低迁移率量子理论，介观物理 d 载流子运动量子尺寸效应,5.7 尺寸效应,异质外延晶格常数差,晶格失配度临界厚度晶格失配时厚度,SiGe/Si结构中热应力对临界厚度的影响,JY Huang et alJ.Appl.Phys.1998,异质结：两种不同的材料“连接”在一起形成异质结,半导体、金属、绝缘体等大量材料都可以用来制备优质的异质结,例：,SiO2/Si异质结，界面缺陷非常少,III-V化合物异质结,GaAs/AlGaAs,GaInAs/InP,GaInAs/AlInAs,GaSb/AlSb,GaN/AlN,InN/GaN,II-VI化合物异质结,CdZnO/ZnO,ZnMgO/ZnO,光电子、微电子广泛采用异质结,调制能带结构，实现能带剪裁,量子结构中的电子态,例：几种半导体异质结构能带图,(a),(b),(c),(d),(e),(f),(g),(h),(i),(b):单结异质结构(c)(e):双结异质结构(f):四结异质结构(d)(g)(h)(i):多结异质结构,(a)(b):单异质结(c):单量子阱(d):多量子阱(e):单势垒结构(f):双势垒结构(g):多势垒结构(h):I 类超晶格(i):II类超晶格,根据能带的不连续性，可以分为,I型,II型,电子和空穴在同一种材料中,电子和空穴在不同的材料中,一般约有几百个毫电子伏，比载流子的能量(kT)要大许多，载流子被限制在势阱中。,势阱宽度,势阱宽度,阱中载流子的de Broglie 波长,经典势阱,量子势阱,量子阱结构,有如下假设：1）电子有效质量m*为各向同性有效质量 2）对异质结构的势能，假设为理想的台阶形状 方势阱近似,对应于薄膜厚度非常薄的多层膜情况,量子阱中的电子态和态密度,在禁带较窄的薄膜两侧，生长另一种禁带较宽的材料，就构成了量子阱。,考虑电子情况，势能：,势阱高度,势阱宽度,电子气（空穴气）,江崎岭于奈 发现半导体中的隧道效应,1973诺贝尔物理学奖,LED特点,低电压 3-4V高效节能 35%长寿命10万小时（电灯3000-8000小时）体积小环保（废弃物少）应用广泛（全彩色显示、汽车电子、手机显示，仪器仪表显示、未来白光照明）海岛、高山无电网处易实现太阳能照明（军事）,5.7 半导体发光二极管、激光器,2000诺贝尔物理学奖,信息技术方面的基础性工作:异质结发光,泽罗斯阿尔费罗夫,赫伯特克勒默,5.7 半导体发光二极管、激光器,Active Layer,5-period In0.3Ga0.7N/GaN SLs(2.5nm/4.0nm),Transparent electrode,P electrode,N electrode,Blue InGaN/GaN multi-quantum well LED structure,N-type GaN:Si 3-4m,Substrate Sapphire or Si,P-type Al0.1Ga0.9N:Mg 100nm,P-type GaN:Mg 0.5m,GaN buffer layer:30nm,2.5nm InGaN,4.0nm GaN,5.7 半导体发光二极管、激光器,电子、空穴复合发光,5.7 半导体发光二极管、激光器,三块半导体,紧密接触，形成 p-I-n 结,（本征）,5.7 半导体发光二极管、激光器,量子阱LED能带结构图,5.7 半导体发光二极管、激光器,超晶格LED能带结构图,同质结激光器实质上是由同一种材料制成的一个 p-n结（重掺杂）异质结激光器实质上是由两种不同材料制成的一 个 p-I-n结（I为本征半导体）,半导体激光器分两类:,半导体激光器是光纤通讯中的重要光源，在创建信息高速公路的工程中起着极重要的作用。,5.7 半导体激光器,重掺杂,普通掺杂,同质结激光器,5.7 半导体激光器,加正向偏压V 粒子数反转,电子空穴复合发光,5.7 半导体激光器,适当镀膜达到所要求的反射系数，可形成光振荡并利于选频。,激励能源就是外接电源（电泵）它提供正向电流，使电子空穴的复合不断进行，维持激光的输出,由自发辐射引起受激辐射,p-n结本身就形成一个光学谐振腔，它的两个端面就相当于两个反射镜，,5.7 半导体激光器,核心部分：,p型GaAsn型GaAs,典型尺寸（m）：,长 L=250 500宽 W=5 10厚 d=0.1-0.2,GaAs同质结半导体激光器,同质结的缺点是需要重掺杂，且光损耗大,5.7 半导体激光器,三块半导体,紧密接触，形成 p-I-n 结,加正向偏压实现粒子数反转,（本征）,需要电压较高,5.7 半导体激光器-同质p-I-n结,Ga1-x Alx As GaAs Ga1-x Alx As,加正向偏压后，很容易实现粒子数反转,GaAs和GaAlAs,晶格常数基本相同，禁带宽度不同，折射系数不同,紧密接触,形成 p-I-n 结,5.7 半导体激光器-异质p-I-n结,异质结激光器的优点：,无须重掺杂 GaAs的折射率比两侧高5%，可形成全 反射，把激光束限制在激活区内阈值电 流密度低，可在室温下连续工作，实际使用的都是 异质结激光器,5.7 半导体激光器-异质p-I-n结,半导体激光器的特点：,用于激光通讯、信息储存、处理和显示器件、测距、制导、夜视等,5.7 半导体激光器,体积小，极易与光纤接合 所需电压低（对GaAs只需1.5V）效率高，电能直接变成光能 功率可达 102 mW 寿命长，可达百万小时 制造方便，成本低,发光与太阳能电池原理,电子空穴复合：发光,光生电子空穴：太阳能电池,光h,光生载流子,5.9半导体光伏电池（Solar cell）,太阳能电池的发明,1954年，贝尔实验室，第一枚太阳能电池，偏远地区通讯系统供电，效率太低(6%)，造价太高(357美元/瓦),Russell Ohl,Russell Ohl专利,5.9 半导体光伏电池,太阳能电池工作原理,有光照,在半导体内激发电子空穴对（且其寿命足够长）,有一个静电场（分离电子空穴对）,被分离的电子和空穴经电极收集输出电池体外,5.9 太阳能电池,光生电动势,5.9 光生伏特效应,太阳辐射光谱与吸收,到达地面的能量主要集中在可见光区,太阳辐射光谱曲线及地球大气吸收的影响,5.9 光生伏特效应,能带与转化效率的关系,Bandgap：1.1 1.7 eV(best:1.5eV).Direct band structure.Long-term stability and non-toxicity.Easy to produce.,A.Goetzberger,C.Hebling/Solar Energy Materials&Solar Cells 62(2000)119,CdTe,5.9 太阳能电池,Si无毒、地壳中储量丰富、技术成熟 单晶硅、多晶硅体材料电池 非晶硅、微晶硅、多晶硅薄膜电池单晶硅体材料电池：效率高、成本昂贵,实验室中硅电池效率的发展,薄膜太阳能电池,薄膜太阳电池非晶硅,P-i-n 结构非晶硅太阳电池,叠层的a-Si:H太阳电池,薄膜太阳电池化合物半导体电池,III-V 化合物晶体电池 经验分析，使电池效率高的最佳半导体带隙1.4eV左右 GaAs:1.45eV Si:1.1eV 1967年第一个GaAs电池 9%70年代 20%80年代（MOCVD)25%90年代 叠层电池 30%最有希望的下一代空间电池薄膜单晶材料，价格昂贵，晶粒间界电活性高，多晶薄膜电池,薄膜太阳电池III-V 化合物,GaAs空间电池,叠层的III-V 化合物空间电池,5.1 半导体材料,