半导体物理基础PN结File课件.ppt

2.1 孤立原子中电子的运动状态2.2 半导体中电子的运动状态和能带2.3 杂质和缺陷能级2.4 载流子的统计分布2.5 半导体的导电性2.6 非平衡载流子2.2.半导体物理基础半导体物理基础2.4 2.4 载流子的统计分布载流子的统计分布u能带中的态密度u费米分布函数与费米能级u能带中的电子和空穴浓度u本征半导体的载流子浓度u杂质半导体的载流子浓度在一定温度下，导带电子和价带空穴（或载流子）的产生与复合过程之间将建立动态平衡，称为热平衡状态热平衡状态下，导带电子浓度和价带空穴浓度都保持一个稳定值，热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子温度改变时，热平衡载流子浓度随之变化，最终达到另一个稳定数值计算热平衡载流子浓度随温度变化及的规律，需要两方面的知识：一、能带中能容纳载流子的状态数目；二、载流子占据这些状态的概率2.4 2.4 载流子的统计分布载流子的统计分布2.4.1 2.4.1 能带中的态密度能带中的态密度态密度（density of states）：能带中能容纳载流子的状态数目，也即单位体积晶体中单位能量间隔内的状态数（或量子态数）导带底附近的态密度：mdn：导带电子态密度有效质量Ec：导带底能量价带顶附近的态密度：mdp：价带电子态密度有效质量Ev：价带顶能量Nv(E)Nc(E)l热平衡情况下，能带中一个能量为 E 的量子态被电子占据的概率服从费米-狄拉克分布，可用费米分布函数表示为：K:玻尔兹曼常数，T:热力学温度，室温下，KT=25.8 meV。

EF 为费米能级分布函数：载流子占据能带中量子态的概率T=0T1-f(E)为量子态被空穴占据的概率2.4.2 2.4.2 费米分布函数与费米能级费米分布函数与费米能级对于一个具体体系，在一定温度下，只要确定了EF，电子在能级中的分布情况也就完全确定了 EF是反映电子在各个能级中分布情况的参数费米能级高，说明电子占据高能级的量子态的概率大费米能级是电子填充能级水平高低的标志对于给定的半导体，费米能级随温度以及杂质的种类和多少的变化而变化在绝对零度（T=0）时，费米能级EF 可看成量子态是否被电子占据的一个界限2.4.2 2.4.2 费米分布函数与费米能级费米分布函数与费米能级2.4.3 2.4.3 能带中的电子和空穴浓度能带中的电子和空穴浓度导带电子浓度：分布函数f(E)与导带态密度之积为单位体积半导体中单位能量间隔dE内导带电子数，再对整个导带能量（从导带底至导带顶）积分价带空穴浓度：空穴分布函数1-f(E)与价带态密度之积对整个价带能量（从价带底至价带顶）积分Ec：导带顶能量Ev：价带底能量2.4.3 2.4.3 能带中的电子和空穴浓度能带中的电子和空穴浓度导带中电子大多数在导带底附近，价带中大多数空穴则在价带顶附近。

Nc(E)Nv(E)Nc(E)Nv(E)N(E)N(E)2.4.3 2.4.3 能带中的电子和空穴浓度能带中的电子和空穴浓度其中， 称为导带有效态密度导带电子浓度 n： 上式可理解为把导带中所有量子态都集中在导带底Ec,而它的态密度为Nc,则导带中电子浓度是Nc中有电子占据的量子态数2.4.3 2.4.3 能带中的电子和空穴浓度能带中的电子和空穴浓度价带空穴浓度 p：其中， 称为价带有效态密度 上式可理解为把价带中所有量子态都集中在价带顶Ev,而它的态密度为Nv,则价带中的空穴浓度是Nv中有空穴占据的量子态数2.4.3 2.4.3 能带中的电子和空穴浓度能带中的电子和空穴浓度载流子浓度乘积 np：电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关，只决定于带隙和温度，与所含杂质无关对于一定的半导体材料，在一定温度下，乘积np是定值适用于热平衡状态下的本征半导体和杂质半导体2.4.4 2.4.4 本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度本征(intrinsic)半导体是完全没有杂质和缺陷的半导体完全未激发时（T=0），价电子充满价带，导带全空T0时，电子从价带激发到导带本征激发电子和空穴成对产生，导带电子浓度等于价带空穴浓度。

n = p电中性条件2.4.4 2.4.4 本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度本征半导体的费米能级n = p 对于大多数半导体，本征费米能级在禁带中央上下约KT 的范围，通常KT 较小，本征费米能级看做禁带中央的能量，记为Ei 本征半导体的载流子浓度2.4.4 2.4.4 本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度本征半导体载流子浓度只与带隙和温度有关，禁带越窄，温度越高，本征载流子浓度越高质量作用定律、普适的载流子浓度np=ni2适用于本征半导体和杂质半导体2.4.5 2.4.5 杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度本征载流子浓度随温度迅速变化，用本征材料制作的器件性能很不稳定，所以一般用杂质半导体材料制造器件对于只含有一种杂质的半导体，除本征激发外，还存在杂质电离二者激活能不同，发生在不同的温度绝大多数半导体器件工作在杂质基本上全部电离而本征激发可以忽略的温度范围杂质饱和电离2.4.5 2.4.5 杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度1. N型半导体在杂质饱和电离的温度范围内，施主能级上的电子全部激发到导带，由本征激发引起的导带电子数目可忽略n = ND导带电子浓度等于施主浓度价带空穴浓度为：饱和电离条件下，导带电子浓度远大于价带空穴浓度，导带电子为多数载流子（多子），价带空穴为少子。

2.4.5 2.4.5 杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度1. N型半导体N型半导体在饱和电离情况下的费米能级：N型半导体费米能级位于导带底之下，本征费米能级之上，且施主浓度越高，费米能级越靠近导带底温度升高，费米能级逐渐远离导带底2.4.5 2.4.5 杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度2. P型半导体在杂质饱和电离的温度范围内，价带空穴主要来自受主杂质，本征激发产生的价带空穴数目可忽略p = NA价带空穴浓度等于受主浓度P型半导体在饱和电离情况下的费米能级：P型半导体费米能级位于价带顶之上，本征费米能级之下受主浓度越高，费米能级越靠近价带顶温度升高，费米能级逐渐远离价带顶2.4.5 2.4.5 杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度 杂质补偿半导体：同时含有施主杂质和受主杂质由于施主能级上的电子首先要填充受主能级，使施主向导带提供电子和受主向价带提供空穴的能力减弱NDNA时，受主全部电离在杂质电离的温度范围内，施主能级上和导带中总的电子浓度是ND-NA,与只含有一种施主杂质（浓度为ND-NA）类似杂质饱和电离的温度范围内， （NDNA） 2.4.5 2.4.5 杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度 杂质补偿半导体：同时含有施主杂质和受主杂质。

NA=ND时，能带中的载流子只能由本征激发产生完全补偿的半导体当温度远高于电离温度时，大量电子由价带激发到导带，当本征激发产生的载流子数目远大于杂质电离所产生的载流子数目时，杂质半导体进入本征激发区，与未掺杂的本征半导体类似2.1 孤立原子中电子的运动状态2.2 半导体中电子的运动状态和能带2.3 杂质和缺陷能级2.4 载流子的统计分布2.5 半导体的导电性2.6 非平衡载流子2.2.半导体物理基础半导体物理基础2.5 2.5 半导体的导电性半导体的导电性u载流子的散射u载流子的漂移运动、迁移率与电导率u载流子的扩散运动和扩散电流2.5.1 2.5.1 载流子的散射载流子的散射载流子的散射：实际晶体中存在晶格缺陷，晶体原子也在不断振动，因此，晶体中的势场偏离理想的周期性势场，附加的势场将使载流子的运动状态发生改变散射使载流子做无规则运动，热平衡状态下，向各个方向运动的载流子都存在，对电流的贡献彼此抵消，半导体中没有电流流动平均自由时间：两次散射之间的平均时间 (皮秒，10-12s)，是描述载流子散射的最基本物理量，其倒数为散射概率2.5.1 2.5.1 载流子的散射载流子的散射主要的散射机制：晶格振动散射和电离杂质散射。

晶格振动散射：在室温或更高温度时处于支配地位电离杂质散射：电离的施主或受主杂质是带电离子，周围存在库伦势场，载流子经过时发生散射随温度降低和杂质浓度增加，散射概率增大电离杂质散射在低温下处于支配地位2.5.2 2.5.2 漂移运动、迁移率与电导率漂移运动、迁移率与电导率漂移运动：在外加电场存在时，载流子除了做无规则的热运动外，还存在着定向运动，即漂移运动，它引起电荷的流动，称为漂移电流迁移率：描述载流子在单位电场作用下所获得的平均漂移速度的绝对值，是描述载流子输运现象的一个重要参数，单位: cm2/(Vs) 平均自由时间m*: 有效质量电子迁移率： 空穴迁移率： 2.5.2 2.5.2 漂移运动、迁移率与电导率漂移运动、迁移率与电导率迁移率与温度和杂质浓度的关系：晶格振动散射：高温下，晶格散射变得显著，因此迁移率随着温度的增加而减小实验结果表明晶格散射所造成的迁移率将随T-3/2T-5/2方式减小电离杂质散射：低温下的重掺杂样品中表现显著，此时晶格散射可忽略温度增加时，载流子热运动平均速度大，不易被带电杂质离子散射，迁移率升高给定温度下，迁移率随杂质浓度的增加而下降 2.5.2 2.5.2 漂移运动、迁移率与电导率漂移运动、迁移率与电导率电导率：单位外加电场作用下产生的电流密度，是描述半导体导电性能的基本物理量。

外加电场不太强时，漂移电流满足欧姆定律j=E， 为电导率电子电导率n=nqnN型半导体（np）空穴电导率p=pqp P型半导体（pn）半导体的电导率=q(nn+pp)2.5.3 2.5.3 载流子的扩散运动和扩散电流载流子的扩散运动和扩散电流扩散运动：当半导体中出现不均匀的载流子分布时，载流子将由浓度高的区域向浓度低的区域运动，产生的电流称为扩散电流扩散电流密度：由扩散运动引起的单位时间垂直通过单位面积的载流子电量，与载流子浓度梯度成正比电子扩散电流密度：空穴扩散电流密度：D为扩散系数，量纲为cm2/s2.5.3 2.5.3 载流子的扩散运动和扩散电流载流子的扩散运动和扩散电流扩散和漂移运动同时存在的情况下，电子和空穴的电流密度分别为：总电流密度： 对于分析器件在低电场状态下的工作情形非常重要然而在很高的电场状态下，电子和空穴的漂移速度应该以饱和速度替代2.1 孤立原子中电子的运动状态2.2 半导体中电子的运动状态和能带2.3 杂质和缺陷能级2.4 载流子的统计分布2.5 半导体的导电性2.6 非平衡载流子2.2.半导体物理基础半导体物理基础2.6 非平衡载流子非平衡载流子u 非平衡载流子的注入与复合u 非平衡载流子的寿命u 准费米能级u 复合机制2.6.1 2.6.1 非平衡载流子的注入与复合非平衡载流子的注入与复合热平衡：一定温度下没有外力和激发作用的稳定态。

非平衡：自由载流子浓度偏离热平衡的情况非平衡载流子：在外界作用下，能带中的载流子数目发生明显的改变，比平衡态多出来的这部分载流子成为过量载流子，或非平衡载流子非平衡载流子的注入：导入过量载流子的过程在半导体中，非平衡载流子具有极其重要的意义，许多效应都是由它们引起的2.6.1 2.6.1 非平衡载流子的注入与复合非平衡载流子的注入与复合 一定温度下，当没有光照时，N型半导体中电子和空穴的浓度满足: n0p0，若用光子能量大于禁带宽度的光照射，则可将价带的电子激发到导带导带和价带分别比平衡时多出一部分电子n和空穴p，称为非平衡载流子浓度导带电子浓度：价带空穴浓度：ni:一定温度下，本征半导体中平衡载流子的浓度2.6.1 2.6.1 非平衡载流子的注入与复合非平衡载流子的注入与复合u 非平衡载流子的注入光注入：用光照射半导体产生非平衡载流子的方法光-电器件，光-光器件）电注入： （电-光器件） 给PN结加正向偏压，PN结在接触 面附近产生非平衡载流子 当金属和半导体接触时，加上适当的偏压，也可以注入非平衡载。