1、2半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质第二章第二章 半导体材料的基本性质半导体材料的基本性质l2.1 半导体的晶体结构l2.2 半导体的能带结构l2.3 半导体的杂质和缺陷l2.4 半导体的电学性质l2.5 半导体的光学性质2.1 半导体的晶体结构半导体的晶体结构l2.1.1 晶体l2.1.2 晶体结构l2.1.3 晶体类型2.1.1 晶体晶体l晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质，具有规则几何外形。l晶体之所以具有规则的几何外形，是因其内部的质点作规则的排列，实际上是晶体中最基本的结构单元重复出现的结果。晶胞参数晶胞参数l我们把晶体中重复出现的最基本的结构单元
2、叫晶胞。l构成晶胞的六面体的三个边长a、b、c及三个夹角、称为晶胞参数。l它们决定了晶胞的大小和形状。七大晶系七大晶系晶系晶轴夹角立方a=b=c=900 四方a=b c=900 正交a b c=900 三方a=b=c=900 六方a=b c=900，=1200 单斜a b c=900，900 三斜a b c 900 立方立方 Cubic四方四方 Tetragonal正交正交 Rhombic三方三方 Rhombohedral六方六方 Hexagonal 单斜单斜 Monoclinic 三斜三斜 Triclinic2.1.3 晶体结构晶体结构l一般表达一个晶体结构，需要给出：1.晶系；2.晶胞参数
3、；3.晶胞中所包含的原子或分子数Z；4.特征原子的坐标。（1）晶胞中质点的占有率）晶胞中质点的占有率体心 面心 棱边 顶角立方晶胞体心：1面心：1/2棱边：1/4顶点：1/8晶胞中各质点的占有率晶胞中各质点的占有率（2）密排堆积方式）密排堆积方式l密堆积方式因充分利用了空间，而使体系的势能尽可能降低，而结构稳定。l常见的密排堆积方式的种类有：简单立方堆积 体心立方堆积 面心立方堆积 密排六方堆积 金刚石型堆积简单立方堆积简单立方堆积体心立方堆积体心立方堆积面心立方堆积面心立方堆积密排六方堆积密排六方堆积金刚石型堆积金刚石型堆积10928半导体的晶体结构半导体的晶体结构结构类型半导体材料金刚石型
4、Si，金刚石，Ge闪锌矿型GaAs，ZnO，GaN，SiC纤锌矿型InN，GaN，ZnO，SiCNaCl型PbS，CdO2.1.3 晶体类型晶体类型l金属晶体 通过金属键而形成的晶体 l离子晶体 通过离子键而形成的晶体l分子晶体 通过分子间作用力而形成的晶体l原子晶体 通过共价键形成的晶体2.2 半导体的能带结构半导体的能带结构l2.2.1 原子结构和原子能级l2.2.2 半导体的电子状态 l2.2.3 半导体的能带结构l2.2.4 半导体的载流子2.2.1 单原子结构单原子结构l波尔理论核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动,且不辐射能量基态：能量最低；能级：轨道的不同能量状态；激发态：
5、电子被激发到高能量轨道上激发态的电子不稳定，跃迁到低能级，以光的形式释放能量。电子原子核原子能级结构图原子能级结构图基态激发态E113.6 eVE23.4 eVE31.51 eVE40.85 eV多电子原子能级多电子原子能级l晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小，原来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠：l1.电子也不再完全局限于某一个原子，形成“共有化”电子。l2.原来孤立的能级便分裂成彼此相距很近的N个能级，准连续的，可看作一个能带原子能级分裂为能带原子能级分裂为能带原子能级能带允带禁带允带允带禁带2.2.2 半导体的电子状态半导体的电子状态l孤立原子的电子状态 孤立原子的电子只在
6、该原子核的势场中运动l金属的电子状态 金属元素的价电子为所有原子（或离子）所共有，可以在整个金属晶格的范围内自由运动，称为自由电子。自由电子是在一恒定为零的势场中运动l半导体的电子状态半导体中的电子状态半导体中的电子状态l晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场以及其它大量电子的平均势场中运动l大量电子的平均势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格的周期相同。l两者的共同点在于都有一个恒定的势场。l因而可以先分析自由电子的状态，接着再考虑加上一个平均场后的电子状态（1）自由电子的薛定谔方程）自由电子的薛定谔方程l自由电子与时间因素无关，因而波函数可以表示为：l自由电子所遵守的薛定
7、谔方程为：（1）自由电子的电子状态）自由电子的电子状态l粒子：质量为m0，速度为l波：波数为k，频率为f波粒二象性波粒二象性自由电子的电子状态自由电子的电子状态自由电子自由电子E与与k的关系的关系l自由电子的能量E与波失k的关系呈抛物线形状。l波失k可以描述自由电子的运动状态l不同的k值标志自由电子的不同状态l波失k的连续变化，自由电子的能量是连续能谱，从零到无限大的所有能量值都是允许的。Ek（2）晶体中的电子状态）晶体中的电子状态l在自由电子的薛定谔方程上再考虑一个周期性势场l晶体中电子所遵守的薛定谔方程为：晶体中电子的晶体中电子的E(k)与与K的关系的关系EkEgResulted from
8、 r r+Resulted from r r-p/a2p/a-p/a-2p/a0布里渊区布里渊区l晶体中电子的能量E和波失k的关系曲线基本和自由电子的关系曲线一样，但在 时，能量出现不连续，形成了一系列的允带和禁带。l每一个布里渊区对应于一个允带l禁带出现在 处，即出现在布里渊区边界上2.2.3 半导体中的电子分布半导体中的电子分布能带允带禁带允带允带禁带电子分布原则电子分布原则l1.最低能量原理 电子在核外排列应尽先分布在低能级轨道上,使整个原子系统能量最低。l2.Pauli不相容原理 每个原子轨道中最多容纳两个自旋方式相反的电子。l3.Hund 规则 在能级简并的轨道上，电子尽可能自旋平行
9、地分占不同的轨道；全充满、半充满、全空的状态比较稳定费米狄拉克分布费米狄拉克分布l电子和空穴在允带能级上的分布遵守费米狄拉克分布。l能量为E能级电子占据的几率为 f(E)称为费米分布函数，EF为费米能级2.2.4 半导体的载流子半导体的载流子l电子l空穴（1）电子）电子l价带顶部的电子被激发到导带后，形成了传导电子l传导电子参与导电l电子带有负电荷q，还具有负的有效质量传导电子传导电子价带导带禁带（2）空穴）空穴l价带顶部的电子被激发到导带后，价带中就留下了一些空状态l激发一个电子到导带，价带中就出现一个空状态l把价带中空着的状态看成是带正电的粒子，称为空穴l空穴不仅有正电荷q，还具有正的有效
10、质量。价带导带禁带空穴半导体的导电特征半导体的导电特征l导带上的电子参与导电l价带上的空穴也参与导电l半导体具有电子和空穴两种载流子l金属只有电子一种载流子2.2.5 半导体的能带结构半导体的能带结构Eg 6 eVEg绝缘体绝缘体半导体半导体价带导带导体导体直接带隙和间接带隙直接带隙和间接带隙直接带隙半导体和间接带隙半导体直接带隙半导体和间接带隙半导体l价带的极大值和导带的极小值都位于k空间的原点上l价带的电子跃迁到导带时，只要求能量的改变，而电子的准动量不发生变化，称为直接跃迁l直接跃迁对应的半导体材料称为直接禁带半导体l例子：GaAs，GaN，ZnOl价带的极大值和导带的极小值不位于k空间
11、的原点上l价带的电子跃迁到导带时，不仅要求电子的能量要改变，电子的准动量也要改变，称为间接跃迁l间接跃迁对应的半导体材料称为间接禁带半导体l例子：Si，Ge直接跃迁和间接跃迁直接跃迁和间接跃迁l考虑到光子的动量较小，可以忽略l因而电子吸收或放出一个光子，发生跃迁时电子的动量基本不变l单纯的光跃迁过程是直接跃迁，效率高l间接跃迁为了能量守恒，必须有声子参加，因而发生间接跃迁的概率要小得多2.3 半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷l2.3.1 本征半导体l2.3.2 n型半导体l2.3.3 p型半导体2.3.1 本征半导体本征半导体l完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。l本征半导体
12、也存在电子和空穴两种载流子l但电子数目n和空穴数目p一一对应，数量相等，np。价带导带禁带空穴传导电子传导电子实际晶体不是理想情况实际晶体不是理想情况l1.原子并不是静止在具有严格周期性的晶格格点位置上，而是在平衡位置附近振动；l2.半导体材料并不是纯净的，而是含有若干杂质；l 3.实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是存在着各种缺陷：点缺陷、线缺陷和面缺陷2.3.2 杂质半导体杂质半导体l为了控制半导体的性质而人为的掺入杂质，这些半导体称为杂质半导体，可以分为：lN型半导体和P型半导体l后面以硅掺杂为例子进行说明l硅是化学周期表中的第IV族元素，每一个硅原子具有四个价电子，硅原子间以共价
13、键的方式结合成晶体。2.3.3 N型半导体型半导体lP是第V族元素，每一个P原子具有5个价电子lP替位式掺入Si中，其中四个价电子和周围的硅原子形成了共价键，还剩余一个价电子l相当于形成了一个正电中心P和一个多余的价电子额外的电子N型半导体的概念型半导体的概念l在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。l常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。lV族杂质在硅中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称为施主杂质。施主电离能和施主能级施主电离能和施主能级l多余的价电子束缚在正电中心P的周围，但这种束缚作用比共价键的弱得多，只要很少的能量就可以使
14、它摆脱束缚，形成导电电子。l使价电子摆脱束缚所需要的能量称为杂质电离能ECEVEDEgEV 价带能级EC 导带能级ED 施主能级Eg 带隙宽度多子和少子多子和少子lN型半导体中，自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p。l电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。2.3.4 P型半导体型半导体lB是第III族元素，每一个B原子具有3个价电子lB替位式掺入Si中，当它和周围的原子形成了共价键时，还缺少一个价电子，必须从别处硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴l相当于形成了一个负电中心B和一个多余的空穴额外的空穴P型半导体的概念型半导体的概念l在硅或锗
15、的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，即构成 P 型半导体(或称空穴型半导体)。l常用的 3 价杂质元素有硼、镓、铟等lIII族杂质在硅中电离时，能够释放空穴而产生导电空穴并形成负电中心，称为受主杂质。受主电离能和受主能级受主电离能和受主能级l多余的空穴束缚在负电中心B的周围，但这种束缚作用比共价键的弱得多，只要很少的能量就可以使它摆脱束缚，形成导电空穴。l使空穴摆脱束缚所需要的能量称为受主杂质电离能ECEVEDEgEV 价带能级EC 导带能级ED 施主能级Eg 带隙宽度自补偿效应自补偿效应l有些半导体中，既有n型杂质又有p型杂质lN型杂质和P型杂质先相互补偿，称为自补偿效应。ECEVEgED热
16、平衡条件热平衡条件ni为本征载流子浓度温度一定时，两种载流子浓度乘积等于本征浓度的平方。本征半导体n型半导体p型半导体电中性条件电中性条件 整块半导体的正电荷量与负电荷量恒等。例子：例子：l本征硅中掺入0.0000002%的磷杂质（原子比），已知硅的原子密度为51022/cm3，ni1.51010/cm3l求：掺杂前后多数载流子和少数载流子的变化？2.4 半导体的导电性半导体的导电性l2.4.1 欧姆定律l2.4.2 电导率l2.4.3 霍尔效应2.4.1 欧姆定律欧姆定律l欧姆定律 R是比例系数，称为导体的电阻，单位为欧姆（）l电阻的大小不仅与导体的电性能有关，还与导体的面积S、长度L有关。
17、称为电阻率，单位为（cm）电流密度电流密度l电流密度是指通过垂直于电流方向的单位面积的电流l均匀导体，电流密度l电场强度l欧姆定律的微分形式LVE迁移率迁移率l假设电子平均速度为vd，电子浓度为n，电流密度为l平均速度和电场强度成正比l电流密度l电导率 称为电子迁移率，表示单位场强下电子的平均漂移速度2.4.2 电导率电导率l电子的电导率 n是电子浓度，是电子的迁移率l空穴的电导率 p是电子浓度，是电子的迁移率本征半导体的电导率本征半导体的电导率l本征半导体，nplN型半导体，nplP型半导体，np2.4.3 霍尔效应霍尔效应l1879年，24岁的美国人霍尔在研究载流导体在磁场中所受力的性质时
18、，发现“电流通过金属，在磁场作用下产生横向电动势”，这个效应后来被称为霍尔效应。l霍尔效应是测量半导体材料导电类型、载流子浓度和迁移率等基本性能和霍尔效应器件应用的基础。霍尔效应示意图霍尔效应示意图BZIxvfBP型半导体薄片：长度为L，宽度为b，厚度为 d磁场方向(z方向）与薄片垂直，电流方向为x方向LbdfExyzl空穴的运动方向和电流方向一致，沿x轴方向l空穴在运动过程中，受到洛仑兹力fB的作用（左手定则），在y侧面形成正电荷积累，而形成横向的电场Ey。l稳定时，横向电场对空穴的作用力和洛仑兹力相平衡霍尔系数霍尔系数lP型半导体lN型半导体2.5 半导体的光学性质半导体的光学性质l2.5
19、.1 光的基本性质l2.5.2 光与原子的相互作用l2.5.3 半导体的光学性质2.5.1 光的基本性质光的基本性质光色 波长(nm)频率(Hz)中心波长(nm)红 760622 660 橙 622597 610 黄 597577 570 绿 577492 540 青 492470 480 兰 470455 460 紫 455400 430 l无线电波 波长比可见光长得多，不能引起人的视觉，可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。l微波 波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。l红外线（IR）分布在微波和可见光之
20、间，且仅能够在它聚集热的地方探测到。蛇和其他一些生物对红外线很敏感；红外线不能透过玻璃，这一特性可以解释温室效应。l紫外线（UV）频率高于可见光的，不能引起视觉，对生命有危害，来自太阳的紫外线几乎被大气中的臭氧完全吸收，臭氧保护着地球的生命，少量透过大气的紫外线会晒黑皮肤或使进行日光浴的人体产生晒斑。lX射线：波长比紫外线还短的电磁波，它们很易穿过大多数物质。其波长可与原子尺寸相比拟。l射线和宇宙射线：波长最短，波长尺寸约为原子核大小量级；射线产生于核反应及其他特殊的激发过程；宇宙射线来自地球之外的空间。2.5.2 光与原子的相互作用光与原子的相互作用l自发辐射l受激吸收l受激辐射自发辐射自发
21、辐射l原子自发地从高能级返回到低能级并放出光子的过程，称为自发辐射l特点：1.原子的跃迁是自发的、独立的，与外界作用无关；2.光的振动方向、相位都不一定相同，不是相干光。hn nE2E1受激吸收受激吸收l原子吸收能量为hv=E2E1的光子，从低能级E1跃迁到高能级E2的过程称为光的吸收，又称为受激吸收。l特点：1.不是自发产生的，必须有外来光子的“刺激”才会产生 2.外来光子必须符合hv=E2E1的条件。hn nE2E1受激辐射受激辐射l能量为hv的光子照射进来，电子被这一光子激发而从E2能级跳到E1能级，并发射一个光子，称为受激辐射。l特点：1.受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同 2.具有光的放大作用。hn nE2E1hn n全同光子2.5.3 半导体的光学性质半导体的光学性质l直接复合高效率（仅有光子参与的电子跃迁）l间接复合低效率（有光子和声子同时参与的电子跃迁）本征半导体的光学性质本征半导体的光学性质1.直接带间跃迁2.间接带间跃迁（有声子参与）3.无辐射多声子驰豫过程ECEVED123N型半导体的光学性质型半导体的光学性质ECEVED123451.直接带间跃迁2.间接带间跃迁（有声子参与）3.无辐射多声子驰豫过程4.导带电子和杂质能级间的跃迁5.激子（“eh”）或束缚激子的复合
