第2章 半導(dǎo)體材料的電學(xué)性能

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1、1.4半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性1.半導(dǎo)體材料概況(2)依據(jù)電子參與成鍵情況本征半導(dǎo)體所有外層電子都成鍵；所有結(jié)合鍵上電子都滿額摻雜半導(dǎo)體－N型：Si(As,P)－P型：Si(B,Al,Ga)(1)依據(jù)化學(xué)組元個數(shù)，分為元素半導(dǎo)體－Si、Ge化合物半導(dǎo)體－III-V族GaAs,InSb,InP等II-VI族CdS,CdTe,ZnO等(Ga1－xAlx)As,HgCdTeS等1.半導(dǎo)體材料概況摻雜半導(dǎo)體－N型：Si(As,P)，多余電子－P型：Si(B,Ga)，多余空穴結(jié)構(gòu)特征：代位式固溶體1.半導(dǎo)體材料概況光學(xué)應(yīng)用－激光

2、器等GaAs,InSb,InP等(3)主要用途微電子技術(shù)應(yīng)用：Si、Ge基半導(dǎo)體為主信息處理的基礎(chǔ)信息傳輸?shù)幕A(chǔ)，信息存儲信息技術(shù)基本環(huán)節(jié)：產(chǎn)生—處理(微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī))—傳輸(激光載體，光纖)—存儲(光、磁存儲，光盤、磁盤)光電信號轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)信息技術(shù)中光電轉(zhuǎn)換：光電導(dǎo)(1)溫度敏感性：對于溫度非常敏感，本征導(dǎo)電性隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律增強(qiáng)(2)雜質(zhì)敏感性：異常敏感，是所有材料性能中對于雜質(zhì)(或摻雜)最敏感的性能(3)光照敏感性：受電磁波輻射(波長小于吸收限的所有電磁輻射，包括可見光、甚至近紅外線)，導(dǎo)電性大幅

3、度增加，具有光致導(dǎo)電效應(yīng)(photoconductivity)載流子情況：導(dǎo)帶電子n＋價(jià)帶空穴p電導(dǎo)率理論公式：本征半導(dǎo)體中，價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶中而產(chǎn)生載流子，故n＝p摻雜半導(dǎo)體中受摻雜的影響：N型半導(dǎo)體中以導(dǎo)帶電子為主要載流子；而P型半導(dǎo)體中以價(jià)帶空穴為主要載流子?=p?he＋n?ee2.半導(dǎo)體的導(dǎo)電性特征3.半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與能帶特征晶體結(jié)構(gòu)特征：維持鍵合特點(diǎn)，保持原子比例，使平均價(jià)電子數(shù)為4；摻雜原子代位固溶；摻雜量很少，保持基體結(jié)構(gòu)不變；純度極高晶體缺陷極低材料制備——超常規(guī)條件與技術(shù)超凈室技術(shù)區(qū)域熔化提純技

4、術(shù)起源單晶體生長技術(shù)——完全消除晶界低位錯密度晶體生長技術(shù)離子注入合金化技術(shù)/快速擴(kuò)散摻雜半導(dǎo)體材料能帶特征大小隨溫度升高小幅降低固溶體可以調(diào)節(jié)摻雜半導(dǎo)體有摻雜能級能帶間隙：Eg＝EC?EV價(jià)帶、導(dǎo)帶及能帶間隙間接帶隙與直接帶隙半導(dǎo)體電子有效質(zhì)量能帶底部電子有效質(zhì)量m*>0，電子有效質(zhì)量me=m*能帶頂部電子有效質(zhì)量m*<0空穴有效質(zhì)量mh等于電子有效質(zhì)量的負(fù)值，即mh＝－m*描述周期勢場中電子的運(yùn)動，固依據(jù)電子能量與波氏的關(guān)系確定有效質(zhì)量定義：半導(dǎo)體的電子有效質(zhì)量與狀態(tài)密度2.能態(tài)密度3.借助于有效質(zhì)量可以用

5、經(jīng)典力學(xué)形式描述電子的運(yùn)動:f=m*a1.電子的有效質(zhì)量依據(jù)其能量隨波矢變化曲線的不同，可以具有不同的質(zhì)量，也不同于電子的靜止質(zhì)量m0導(dǎo)帶底部價(jià)帶頂部半導(dǎo)體的電子有效質(zhì)量與狀態(tài)密度4.能帶頂部m*<0f=m*a=-eE電子沿電場方向加速—空穴運(yùn)動—表現(xiàn)為正電荷的行為；實(shí)際上是電子以接力方式完成空穴沿著電場方向的位移。人為地看作帶正電的空穴的移動—空穴帶單位正電荷半導(dǎo)體的載流子體積密度載流子體積密度熱平衡載流子的分布NCe＝4.82x1021(me/m0)3/2·T3/2本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性本征半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子全部來

6、自于價(jià)帶n=p=(NCeNVh)1/2exp(?Eg/2kT)室溫下本征載流子體積密度Si：1.5x10161/m3；Ge：2.5x10191/m3載流子數(shù)量是半導(dǎo)體導(dǎo)電性限制性因素，是首要關(guān)注因素本征載流子體積密度隨著溫度呈指數(shù)規(guī)律升高，使導(dǎo)電性也指數(shù)升高比較—金屬Cu參與導(dǎo)電電子~1022m-3(E=100V/m時)所擁有的自由電子~1028m-31.本征半導(dǎo)體載流子密度本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性及隨溫度變化3.本征半導(dǎo)體電導(dǎo)率隨著溫度升高呈指數(shù)規(guī)律增加4.通過檢測電導(dǎo)率隨溫度的變化可以確定本征半導(dǎo)體的能帶間隙Eg?

7、=p?he＋n?ee摻雜半導(dǎo)體中的載流子與導(dǎo)電性1.N(或P)型半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體中摻入高(或低)價(jià)摻雜形成代位式固溶如：Si中摻入P、As(或B、Al)等形成局部的類氫原子結(jié)構(gòu)—類氫能級(需考慮基體的介電率)摻雜能級N型半導(dǎo)體—施主能級P型半導(dǎo)體—受主能級摻雜能級的基態(tài)能量為摻雜半導(dǎo)體中的載流子與導(dǎo)電性N型半導(dǎo)體：extrae-受到摻雜原子的束縛，不能自由移動，因此其能量低于導(dǎo)帶中的電子(相當(dāng)于自由電子)；從使電子激發(fā)脫離所屬原子的束縛的角度看—多余電子的能量高于共價(jià)鍵上的電子(價(jià)帶電子)→電子的能量位

8、于導(dǎo)帶與價(jià)帶之間—施主能級摻雜能級位置分析P型半導(dǎo)體：extrahole-擺脫摻雜原子束縛自由移動而成為價(jià)帶空穴，需要額外能量；但此能量低于成鍵電子激發(fā)成自由電子及空穴所需能量Extrahole的能量位于價(jià)帶之上，但遠(yuǎn)離導(dǎo)帶—受主能級摻雜半導(dǎo)體中的載流子與導(dǎo)電性2.摻雜半導(dǎo)體的載流子N型半導(dǎo)體:摻雜原子帶入的extrae-處于施主能級上摻雜原子的電離：施主能級上的extrae-受熱激活