半导体材料

null第一章 半导体材料第一章 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 半导体磁学性质能带的准自由电子物理模型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nullEknullk(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null1.1 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null1.1 半导体中的电子特征金属、绝缘体、半导体的能带特征EgEg金属绝缘体半导体价带导带null1.1 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null1.1 半导体中的电子特征电子的有效质量一维情况：三维情况：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null1.1 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null1.1 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Eejevehvhjhnull1.1 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null1.1 半导体中的电子特征本征半导体的载流子浓度null1.1 半导体中的电子特征施主掺杂及n型半导体PEDnull1.1 半导体中的电子特征施主能级和施主电离类氢原子模型：null1.1 半导体中的电子特征受主掺杂及p型半导体EAnull1.1 半导体中的电子特征类氢原子模型：受主能级和受主电离null1.1 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null1.1 半导体中的电子特征n型半导体的平衡载流子浓度n0 = nD++P0 电中性条件：null1.1 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 null1.1 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null1.1 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null1.1 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n>>pp型半导体，且p>>n本征半导体null1.1 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null1.1 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null1.1 半导体中的电学性质p-n结的制备工艺合金法扩散法null1.1 半导体中的电学性质p-n结平衡能带结构null1.1 半导体中的电学性质p-n结平衡电势null1.1 半导体中的电学性质p-n结的整流特性IVnull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null半导体的光生伏特效应1.1 半导体中的电学性质光负载null半导体的霍尔效应霍尔效应的产生机制null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null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null锗、硅半导体Ge、Si的物理性质null锗、硅半导体Ge、Si的晶体结构null锗、硅半导体Ge、Si的能带结构null锗、硅半导体Ge、Si单晶中的杂质Ⅲ、Ⅳ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nullⅢ、Ⅳ族化合物半导体Ⅲ、Ⅳ族化合物半导体的一般性质nullⅢ、Ⅳ族化合物半导体的晶体结构Ⅲ、Ⅳ族化合物半导体nullⅢ、Ⅳ族化合物半导体的化学键和极性Ⅲ、Ⅳ族化合物半导体null锗、硅半导体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nullGaAs半导体的能带结构Ⅲ、Ⅳ族化合物半导体nullInSb半导体的能带结构Ⅲ、Ⅳ族化合物半导体nullGaP半导体的能带结构Ⅲ、Ⅳ族化合物半导体nullGaAs中的杂质和缺陷Ⅲ、Ⅳ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nullⅡ、Ⅳ族化合物半导体的一般性质Ⅱ、Ⅳ族化合物半导体nullⅡ、Ⅳ族化合物半导体的一般性质Ⅱ、Ⅳ族化合物半导体nullⅡ、Ⅳ族化合物的晶体结构Ⅱ、Ⅳ族化合物半导体nullⅡ、Ⅳ族化合物的能带结构Ⅱ、Ⅳ族化合物半导体nullⅡ、Ⅳ族化合物的杂质Ⅱ、Ⅳ族化合物半导体