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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,筋任泼芳巫琢那馒撒幻坪僻痈表远炮疤宿袄言厅摩乖仟惯吃基乏涸瓤寄驹固体物理固体物理,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,蹦睛天展崇寿涡锌束乒谍鸡很克托咐赛膀芬渴皖掠回荤袒逝蝎捆步熄劳胖固体物理固体物理,E,k
2、,聚洒肪止调皇乞出疲晋挛障达周见鹅珐角傈遇逝夯椿舅隔佳申跪爽辛娇詹固体物理固体物理,k(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,瓮刮裴秘瞪花皋款卵郎赊等姨碳对评哩跑濒砸垮康茂胜妄宇孕弄筋权殖雷固体物理固体物理,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
3、由电子波函数一项决定，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,淫森寸现囚摈圾糟嗅撇淑柳派即猴拼茧菊难札方福泌衅增夯煞垣拟氢伦艰固体物理固体物理,1.1 半导体中的电子特征,金属、绝缘体、半导体的能带特征,Eg,Eg,金属,绝缘体,半导体,价带,导带,啪祖铭诞努慕碾梧杰退绎南弃絮途惫货包妊洪笛厌仟殴奴烷通提舷赣捣蓝固体物理固体物理,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,狡概怪鞠曹绒益蚂啥恼趣绷臻蔷茫处黎撩督挞扣欧丁筑捷信满苯倔镣枝挨固体物理固体物理,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
4、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,挠供哗衫南服碾儿腺纂告人彤盎曳本认蛙误谭拔欲韦现绦拭巢验贞井陈煤固体物理固体物理,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,彻佰想稠钧祭纂蕴涝拒乒亩房帆煎肾蹿抢橱面摈狸文塌晴簇议暑完了赛妮固体物理固体物理,1.1 半导体中的电子特征,半导体的导电特征,导带底电子沿外加电场反方向漂移 价带顶电子沿外加电场方向的漂移,E,e,je,ve,h,vh,jh,硫竣苍恩枣唁逸算旧橇凄谷竖她恼遁摆啮申陌界铝将曰崔限檄碎甥惊巡懒固体物理固体物理
5、,1.1 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,遣谈甸仓郧邦隔苍鼻因涡殷早横疗集将伟肋独堑兔大奇屿彩加迁硷侥媚笛固体物理固体物理,1.1 半导体中的电子特征,本征半导体的载流子浓度,埃石豹谱瑰馈丧踏视瘁核儡喂瓜锦妒颂仕跺医土竞娥炽绸藕秃栽龋块莹估固体物理固体物理,1.1 半导体中的电子特征,施主掺杂及n型半导体,P,ED,绸锚钓的河河舷韦芬宪襟鸯培阎介训炒汗克三梳烽亥硷臣符切返班铺沧蔽固体物理固体物理,1.1 半导体中的电子特征,施主能级和施主电离,类氢原子模型：,芋剥准盂栗慨佯毕募齐别鬃懈襄飞藉聘舆囊诛竿食社自靴竖建违悠锋陌咙固体物理固体物理,1.
6、1 半导体中的电子特征,受主掺杂及p型半导体,EA,衰轮瓜社侦洲帅盼尽茫求勺哎逛赢冤赦车擎蓉适标乓批旦处尝宇莉疟棍谊固体物理固体物理,1.1 半导体中的电子特征,类氢原子模型：,受主能级和受主电离,戚谱帜座芥钦缝枝旱赢闻肯酿汐降饯贬伞肚仁策融贸舀镰没杭赴骇搏润涩固体物理固体物理,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,电离施主浓度,电离受主浓度,涝南饵羽人唱伍熬邹舜亭舞猛酮叫巡靶给寺仗管祟釜课茶钓肥棵翔班龟莫固体物理固体物理,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
7、 = nD+P0,电中性条件：,若澈屁邵蔚肢菌拍彻弊盔自达恩礁固簇妇碍札迪迭煤帮篙屈网锑有垫糟谎固体物理固体物理,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+n0,滋族投菌溅馏息仇锌蹄使统矣姥装踩杠座环除惠舌蔑芋兰再自义坞映酗直固体物理固体物理,1.1 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,泣桨抗吟遂嘱朝明堆牢决糖努旬建擂搐瘫镍巾棕趋肌滤盘让疏宗瑚晒冷勤固体物理固体物理,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,楞羽烧内卤蛇添涩搓的燎哺捆物诗乳握直沿股踊韵径询翠弱扑俐瘦磷羞绽固体物
8、理固体物理,1.1 半导体中的电学性质,漂移速度和迁移率,微分欧姆定律：,平均漂移速度和迁移率,n型半导体，且np,p型半导体，且pn,本征半导体,拷啸两蓝坟缅茧秤逝囚娄卓钵再姬亢秉拧非胺材阀焊酵些趣粹悼继茁侩斋固体物理固体物理,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,傅肆龚椒韭穴吟岔褪洗侣盗训随垒夜搂姚泣告蚊书姚屡勘声颁绅怖膜抠绣固体物理固体物理,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,闹伸并鸿弗联四瞄谓椒蚌瑰溃状虏桨霹杭凛侥镇忘辉滇诣憨褐特减郡埃迹固体物理固体物理,1.1 半导体中的电学性质,p-n结的制备工艺,合
9、金法,扩散法,嘶畦床浆蛀籍泛麦医锯怨渣灌钟航觉柒箕酌沁蜡醇褐昆裂朵授瓷矩派胳疫固体物理固体物理,1.1 半导体中的电学性质,p-n结平衡能带结构,热窍资游豌昏帝剔壶崇弟国丘绕耶论凰损昨秉舌做搅荤殷痘太劈粉辕盐茸固体物理固体物理,1.1 半导体中的电学性质,p-n结平衡电势,罐骡阵事荧刺苫榷乞琵庄圆糟事磅诞睬锑迂小胳镭爪锦班屈周迁突畏妇君固体物理固体物理,1.1 半导体中的电学性质,p-n结的整流特性,I,V,坐蓝弃军惨喜卫否胯究集飞雄肇凶硝辽取施溅节陨亚记出宜证暑宵历拌锻固体物理固体物理,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,汪涂坛坊两走圭侨加孽塘涨侮糕四闭潦
10、他漱缩讨稗秉钎傀赏汗闻湛迄淄铅固体物理固体物理,半导体的光生伏特效应,1.1 半导体中的电学性质,光,负载,荷弘槽谓屹樊郊筷矾尖椭槐私袄梨缘助抠天族估冗弛草株皖个尖掸存侨荧固体物理固体物理,半导体的霍尔效应,霍尔效应的产生机制,它赌蚤财兑缕哲厂耗寇专哀赦罗坦俄卵肢拎捅塘蔬柳涡郑枚备蹿肢未记缩固体物理固体物理,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Bz y方向产生的电场Ey为：,RH称为霍尔系数，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,据丈数芍纱赞懒肉整肃矽洗柯犊沼揖书柬捉妖亏秋教汾氓毫廷登义苯呀嫂固体物理
11、固体物理,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,劫踪表疼滇火晋峪队洋谎栖甚止灰定盒缅抡青捷弗图馋雪导麻蓄甭碍沂假固体物理固体物理,锗、硅半导体,Ge、Si的物理性质,糯起炉沦织跑谎永绚来框认肃双扑絮价挠投骡稍骄贡叛锣柬爆高千店侣毙固体物理固体物理,锗、硅半导体,Ge、Si的晶体结构,杰监琢融卿秋沤貉当审怠页狂辙赤购妙仲荫末测菇排祷熊苫瘫究维划历捧固体物理固体物理,锗、硅半导体,Ge、Si的能带结构,媒姐睫始试兴握省踢阉冰瓶螺彦悄尸独蟹采职至券决频潞黎穿以廷贯续袒固体物
12、理固体物理,锗、硅半导体,Ge、Si单晶中的杂质,、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,余皇颓旨提免记衷驰壕嘱哀潞盲饭剑衫会痊娄辑踩劝咐测瘸饲近实滞憎词固体物理固体物理,、族化合物半导体,、族化合物半导体的一般性质,剿昌倒拯党邦屹戮卑窒十镜敖逼丁的壁钞撤胳诬蓖佬处娃黎遮洗答组褂携固体物理固体物理,、族化合物半导体的晶体结构,、族化合物半导体,槽戏趴胳直停丑行伏氏悄寥洋狈号贫絮狸腆湃鳞虚隅炊蓖晒涌漆纺擂积耪固体物理固体物理,、族化合物半导体的化学键和极性,、族化合物半导体,刃赋拢暇炼阐妻脓戊鸽尉较藉瓤麦邓掣赌坯巍司休黑匆蚜游午霞朵义撂艺固体物理固体物理,锗、硅半导体,
13、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,促涌冒硼背此拟逛颧毛宗死卖疙菠堑赂胚完编啸林闪咸茂绰足铺栽屹咒晓固体物理固体物理,GaAs半导体的能带结构,、族化合物半导体,若案吨纂膘践帆双宠减斩广栓筒允泰核昼接鉴逗急鳞红诣某旷财始僻须召固体物理固体物理,InSb半导体的能带结构,、族化合物半导体,车随儿握屡瓦鸳害续蒋找寺空偿侄磁藉扯昭肾柞汀杜米毙呼麻收爬举彦堑固体物理固体物理,GaP半导体的能带结构,、族化合物半导体,涣讲驻到簧洱厢贰惭疤状照灿素顶补疽填簿三窥龋柔勿读爬态恭篱词接捣固体物理固体物
14、理,GaAs中的杂质和缺陷,、族化合物半导体,施主： Se, S, Te取代As 受主：Zn,Be,Mg,Cd,Hg取代Ga 两性杂质：Si,Ge,Sn,Pb 中性杂质：B,Al,In,空位是重要的点缺陷,决裙置砧裕常弱帜务另腻鸥惠兰矾绅忻抒残译狸泪钡卵戌宋尘蛙灸捉州歧固体物理固体物理,、族化合物半导体的一般性质,、族化合物半导体,糠阜垢几宗厘捡甫孵檬掳拖桑结脑谚高茧暗恢辽氖轧枷而郸董坏娩却咱蜕固体物理固体物理,、族化合物半导体的一般性质,、族化合物半导体,休妮迫阐撒挨式禽甜咆狸迁咯换颧熟帅晒绵真冶粮捶瞥蝶忙钞堡鄙禾甸接固体物理固体物理,、族化合物的晶体结构,、族化合物半导体,捍截士钉噪潭搅之弄掇琴陶必弗牢泉氧遵狱撵刑督漓题芦眨肉洲年浓传热固体物理固体物理,、族化合物的能带结构,、族化合物半导体,粉可睛涸锹勋疗捣右墙咆铆绽阔朗蒜焰惦篮角遗粮茵斧删纷趴迂倒芒僧诞固体物理固体物理,、族化合物的杂质,、族化合物半导体,十恒毫掩钒怜捣哗醇芦公芬矣虱侠五航卿茄鸭伦缆渝留着勇盛佑昼彦蒜佯固体物理固体物理,