现代电子材料与元器件3.1.

1、第三章 半导体材料应用 光电工程学院微电子教研中心 冯世娟 fengsj 2 3.1 半导体材料的物理基础 n1 本征半导体 图3.1 不同材料的能带结构 金刚石：5.4eV 硅：1.12eV 锗：0.67eV 本征半导体的导电 机制：依靠本征激 发的等量导带电子 和价带空穴导电。 3 3.1 半导体材料的物理基础 n2 半导体中的杂质 qn型半导体 图3.2 非本征的n型半导体 4 3.1 半导体材料的物理基础 n2 半导体中的杂质 qp型半导体 图3.2 非本征的p型半导体 5 3.1 半导体材料的物理基础 n2 半导体中的杂质 q浅能级杂质 q深能级杂质 图3.3 半导体硅中金的深能级 金在导带下0. 54eV处 有一个受主能级，在价 带上0.35eV处有一个 施主能级。 6 3.1 半导体材料的物理基础 n2 半导体中的杂质 p深能级杂质大多是多重能级。它反映出杂质可以有不同 的荷电状态：在这两个能级中都没有电子填充的情况下 ，金杂质是带正电的，当受主能级上有一个电子而施主 能级空着时，金杂质是中性的；当金杂质施主能级与受 主能级上都有一个电子的情况下，金杂质带负电。 p深能级

2、杂质和缺陷在半导体中起着多方面的作用。例如 ，它可以是有效的复合中心，使得载流子的寿命大大降 低；它可以成为非辐射复合中心，而影响发光效率；它 可以作为补偿杂质，而大大提高材料的电阻率。 7 3.1 半导体材料的物理基础 n3 费米能级和载流子浓度 由杂质能级或满带所激发的电子，使导带产生电子或使价带 产生空穴，这些电子或空穴致使半导体导电，统称为载流子 。 半导体中电子的分布遵循费米分布的一般规律。 图3.4 费米分布函数 满带中空穴的占据几率为 8 3.1 半导体材料的物理基础 n3 费米能级和载流子浓度 电子浓度 空穴浓度 电子和空穴的浓度分别决定于费米能级与导带底、费米 能级与价带顶的距离。 对于n型半导体，在杂质激发的范围，电子的数目远多于 空穴，因此费米能级EF应在禁带的上半部，接近导带。 而在p型半导体中，空穴的数目远多于电子，EF将在禁带 下部，接近于价带。 9 3.1 半导体材料的物理基础 n3 费米能级和载流子浓度 对于确定的材料来说，禁带宽度是确定的，所以电子和空 穴密度的乘积只是温度的函数。半导体中导带电子越多， 则空穴越少；反之，空穴越多则电子越少。 例如，在

3、n型半导体中，施主越多，电子越多，则空穴越 少，故电子称为多数载流子，而空穴称为少数载流子。 10 3.1 半导体材料的物理基础 n4 电导与霍尔效应 欧姆定律 迁移率一方面决定于有效质量， 一方面决定于散射几率。 散射可以是由晶格振动引起的，也 可以是由于杂质引起的。在温度较 高时，晶格振动是散射的主要原因 ，随温度的升高而增加。在低温时 ，杂质散射是主要的散射方式。 图3.5 电导率与温度的关系 11 3.1 半导体材料的物理基础 n4 电导与霍尔效应 在温度较低时，随着温度升高电导率不断增加，这是由于 在杂质电离随温度升高而增大，因而电导率对数与温度的 倒数之间存在线性关系；在高温时本征激发已成为主要影 响因素，载流子只取决于材料的能带结构，此时电导率对 数与温度的倒数之间也存在线性关系，但直线的斜率不同 。而在中间温度范围，电导率随温度的升高而降低，这是 由于此时杂质已经全部电离，因此载流子的数目不会增加 ，而晶格散射随温度升高而增加，从而使得迁移率下降。 12 3.1 半导体材料的物理基础 n4 电导与霍尔效应 q由于电导率受多种因素的影响，其中电离的杂质浓度依赖于 温度和杂

4、质能级，所以半导体中杂质浓度可能与载流子浓度 不同。为了直接测量载流子浓度和电导率，最直接的方法是 利用霍尔效应。 图3.6 霍尔效应 13 3.1 半导体材料的物理基础 n4 电导与霍尔效应 当半导体片放置在x-y平面内，电流沿x方向，磁场垂直于x-y平 面。如果是空穴导电，那么它们沿电流方向运动的同时，也受 到洛伦兹力的作用发生偏转，造成电荷的积累，从而导致一个 与洛伦兹力方向相反的电场力。 当两者相等时，霍尔系数为 对于电子导电（n型半导体），霍尔系数为 由霍尔系数可以直接测得载流子的浓度，而且，由它的符号 可以确定是空穴导电还是电子导电。 14 3.1 半导体材料的物理基础 n5 非平衡载流子 热平衡时，满足 但在外界作用下，有可能使电子浓度和空穴浓度偏离平衡值 。例如，在光照下，由价带激发电 子至导带 而产生电子空 穴对，使电子浓度增加n，空穴浓度增加p，多余的载流 子称为非平衡载流子。 多数载流子的数量一般会很大，非平衡载流子通常不会对它 的数目产生显著的影响。但对于少数载流子而言，其数量的 变化将是十分显著的。因此，在讨论非平衡载流子时，最关 心的是非平衡少数载流子。 1

5、5 3.1 半导体材料的物理基础 n5 非平衡载流子 q非平衡载流子的复合和寿命 非平衡载流子会自发地发生复合，导电电子由导带回落到价 带，导致一对电子和空穴消失，这是一种由非平衡恢复到平 衡的自发过程。 所谓热平衡，实际上是电子-空穴不断产生和复合的动态平衡 。当存在非平衡载流子时，这种动态平衡被破坏。 在最简单的情形中，非平衡载流子复合以一个固定的概率发 生，单位时间、单位体积复合的数目可以用复合率表示， 16 3.1 半导体材料的物理基础 n5 非平衡载流子 q非平衡载流子的复合和寿命 光照撤去后，非平衡载流子逐渐消失 当光照撤去后，非平衡载流子是随时间呈指数形式衰减。描 述了非平衡载流子平均存在时间，通常称为非平衡载流子寿 命。 对于光电导现象，决定着在变化光强下，光电导反应的快慢 。 17 3.1 半导体材料的物理基础 n5 非平衡载流子 q非平衡载流子的复合和寿命 实验证明，非平衡载流子寿命与材料所含杂质有关。对于同 一材料，制备方法不同，值可相差很大。 这是由于电子从导带回落到价带往往主要通过杂质能级，电 子先落入到一个空的杂质能级，然后再由杂质能级落到价带 中的空穴。

6、有些杂质在促进复合上特别有效，成为主要决定非平衡载流 子寿命的杂质，被称为复合中心。 18 3.1 半导体材料的物理基础 n5 非平衡载流子 q非平衡载流子的扩散 在金属和一般半导体的导电过程中，载流子都是依靠电场的作用 而形成电流，称为漂移电流。但半导体中的载流子还可以形成另 外一种形式的电流，称为扩散电流。 扩散电流是由于载流子的浓度分布不均匀而造成的扩散运动后所 形成的。对于非平衡载流子而言，扩散往往是最主要的运动形式 。 在通常的情况下，少数载流子的数量极少，与多数载流子相比， 漂移电流是微不足道的，但正是由于有非平衡载流子的存在，使 得可以在不破坏电中性而形成载流子浓度的变化，从而形成显著 的扩散电流。 19 3.1 半导体材料的物理基础 n5 非平衡载流子 q非平衡载流子的扩散 考虑一维稳定扩散的情况。以均匀光照射半导体表面，而且光 在很薄的薄层内被吸收。光产生的非平衡载流子通过扩散向体 内运动，一边扩散，一边复合。在稳定光照下，将在半导体内 建立起稳定的非平衡载流子分布。 载流子扩散流密度正比于载流子浓度变化梯度，比例 系数D称为扩散系数，负号表明扩散运动总是从浓度 高的

7、地方流到浓度低的地方。 20 3.1 半导体材料的物理基础 n5 非平衡载流子 q非平衡载流子的扩散 非平衡少数载流子边扩散边复合，形成稳定分布，满足连续方程 L表示非平衡载流子深入样品的 平均距离，称为扩散长度。 第一项表示因扩散造成的积累，第二项表示 因复合而造成的损失。 通解为 扩散电流密度 21 3.2 半导体材料的性质 n1 光吸收与光电导 在半导体中，光的衰减与光强成正比 光吸收系数 当光在介质中传播的距离为1/时，则光强衰减到原来的1/e ，于是可把1/近似看成是光能够穿透样品的深度。 光是一种电磁波，对于在沿某x方向传播的平面电磁波，其光强I 是按照指数规律进行衰减 光损耗系数，或是消光系数， 表示电磁波能量衰减的大小 22 3.2 半导体材料的性质 n1 光吸收与光电导 不同波长的光能够穿过样品的深度也是不同的，对于吸 收很强的材料，光吸收实际上只发生在样品的表面层内 。 半导体材料通常对光的吸收很强，材料吸收光的辐射之 后，使得电子由低能态跃迁到高能态。 半导体材料受到光照射时电导率变大的现象称为半导体 的光电导效应。 23 3.2 半导体材料的性质 n1 光吸收与

8、光电导 无光照时半导体的电导率或暗电导率 在光照条件下，半导体中将产生光生电子和光生空穴 称为光电导 24 3.2 半导体材料的性质 n1 光吸收与光电导 光电导有杂质光电导和本征光电导两大类 本征光电导由本征吸收引起，相应长波限是 杂质光电导是由杂质吸收引起的，吸收波 长取决于杂质的电离能Ei 杂质吸收的吸收系数较本征吸收的吸收系数小，激发的光生载 流子浓度也较小，故同一材料中本征光电导一般比杂质光电导 大。此外，杂质吸收所产生的光生载流子或是空穴，或是电子 ，而本征吸收则能产生电子空穴对。 25 3.2 半导体材料的性质 n1 光吸收与光电导 光电导效应的强弱表示为 式中，比值越大，则光电导效应就越强，反之就越弱。降低 工作温度，使得n0和p0浓度减小，是获得较强光电导效应的 有效措施。 26 3.2 半导体材料的性质 n2 电容效应与击穿特性 q电容效应 n势垒电容 pn结空间电荷区内存在不能移动的正的和负的电离 杂质电荷，当外加偏压使势垒区电场变化时，必须 改变势垒区宽度以改变空间电荷量，这种微分电容 效应，称为势垒电容。 图3.7 pn结反偏电压的变化导致空间电荷区的变化 对

9、于反偏pn结，空间电荷区的 势垒电压为VD+VR，此时单位 面积的势垒电容可表示 27 3.2 半导体材料的性质 n2 电容效应与击穿特性 q电容效应 n扩散电容 反偏的pn结以势垒电容起主要作用，而对于正偏的pn结，扩散 电容和势垒电容都起作用。 pn结在加正向偏压时，由于少子注入，在扩散区内 有一定数量的少子和等量的多子积累，其浓度随外 加电压而变化，这种电容效应称为扩散电容 在实际工作中，为简单起见，常以零偏时的势垒电容的4倍作 为正偏时pn结的总电电容。 28 3.2 半导体材料的性质 n2 电容效应与击穿特性 q击穿特性 pn结上加反偏电压会形成很小的反向电流。但反偏电压 不能无限制地增大，到某一临界值，反向电流将急剧增 大，这种现象称为结的击穿。 击穿并不等于器件的烧毁。 若采用保护电阻或散热装置，使击穿电流控制在一定范 围，pn结击穿后可以重新恢复高阻状态。否则，使反向 电流无限增长，将导致pn结烧毁。 29 3.2 半导体材料的性质 n2 电容效应与击穿特性 q隧道击穿 q雪崩击穿 图3.8 pn结的击穿机理 隧穿几率随禁带宽度 Eg增大而减小，因而 由隧穿效应所决定的 击穿电压具有负温度 系数。 随温度的升高，载流子的平均自由程减小，需要更强的电场在较短距 离内获得足够高的能量产生电子空穴对，因此雪崩击穿电压的温度系 数是正的。 30 3.2 半导体材料的性质 n3 压阻效应与磁阻效应 q压阻效应 半导体材料在不受应力作用时，其电阻与电阻率与长度l成正 比，与截面积S成反比 如果沿长度方向施加一个应力产生的拉伸应变 与此同时，截面面积减小。又由于应力引起能带的变化，能 谷的能量移动，导致电阻率变化 称为泊松比 31 3.2 半导体材料的性质 n3 压阻效应与磁阻效应 q压阻效应 电阻的变化有两部分组成 前一项为纯几何效应； 后一项代表的是物理效应，即压阻效应。 对于金属，几何效应是主要的； 对于半导体材料，物理效应是主要的。 32 3.2 半导体材料的性质 n3 压阻效应与磁阻效应 q压阻效应 以Si为例简单说明 Si导带等能面是极值沿方向的6 个旋转椭球面。 如图沿100方向施加应力T(0，则电导率增加。 如果测试方向改变，则电导率增加。 需要注意，压阻效应是各向异性的，压阻系数 是一个张量。 同时，由于发生

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