半导体材料基础_基本特性.ppt

* UT=kT/q * i) 晶体中晶格位置的原子在平衡位置振动 缺陷的出现： 点缺陷 线缺陷 面缺陷 空位 位错 层错 ii) 和晶体基质原子不同的杂质原子的存在 杂质的出现： 无意掺杂 源材料和工艺 有目的控制 材料性质 有意掺杂 物理机制：杂质能级的产生－－晶体的势场的周期性受到破坏而产生附加势场，使得电子或空穴束缚在杂质周围，产生局域化的量子态即局域态，使能带极值附近出现分裂能级－－杂质能级。 B As 受 主 掺 杂 施 主 掺 杂 半导体的掺杂分类 施主能级 受主能级 杂质能级：杂质可以使电子在其周围运动形成量子态 本征半导体 杂质半导体：n型、p型 本征半导体 纯净的单晶半导体称为本征半导体，即不含任何杂质，结构完整的半导体。绝对零度下，本征半导体相当于绝缘体；室温下，一部分价电子挣脱共价键束缚，形成电子-空穴对。本征激发很弱。 硅晶体共价键结构示意图 电子-空穴对的产生和空穴的移动 在纯净的单晶体硅中，掺入微量的五价杂质元素，如磷、砷、 锑等，使原来晶格中的某些硅原子被五价杂质原子所取代，便构成N型半导体。在纯净的单晶硅中掺入微量的三价杂质元素，如硼、镓、铟等，便构成P型半导体。 杂质半导体 N型半导体结构示意图 P型半导体结构示意图 2、半导体的电学性质 (1) 载流子的电导率 s=se+sp s与载流子浓度和载流子迁移率有关 杂质离化区 过渡区 本征激发区 n型硅中电子浓度n与温度T的关系图 （注：本征半导体ni与T是线性增加的关系） 与半导体内的散射机制(电离杂质、晶格振动)有关 2、半导体的电学性质 T ρ T ρ 低温 饱和 本征 本征半导体 杂质半导体 杂质电离，本征激发低 杂质全电离，本征激发少，散射作用强 本征激发为主 (2) 半导体的电阻率 3、半导体的光电性质 (1)光吸收 半导体材料中的电子吸收光子的能量，从能量较低的状态跃迁到能量较高的状态。这种跃迁可以发生在：1、不同的能带之间；2、同一能带的不同状态之间；3、禁带中的分立能级之间；4、禁带中的分立能级和能带之间。 以上各种吸收引起不同的吸收过程。 i) 本征吸收 定义：电子由价带向导带的跃迁所引起的光吸收，又称为基本吸收。是半导体中最主要的吸收过程。 特点：伴随着电子-空穴对的产生，使半导体的电导率增加，即产生光电导。 必要条件：引起本征吸收的光子能量必须等于或大于禁带宽度，即 对应的波长称为本征吸收限。根据上式，可得出本征吸收长波限的公式为 实验观测：吸收系数曲线在短波端陡峭地上升，标志着本征吸收的开始。通常把吸收限附近的吸收谱称为吸收边，它相应于电子由价带顶附近到导带底附近的跃迁。 跃迁发生的条件：能量守恒和动量守恒 跃迁分类：直接跃迁和间接跃迁 直接跃迁若电子在跃迁前后的波矢可以认为保持不变，则这种跃迁称为直接跃迁。相当于电子由价带竖直地跃迁到导带，所以也称为垂直跃迁。对应的材料为直接带隙半导体。 间接跃迁若导带底和价带顶位于k空间的不同位置，则任何竖直跃迁所吸收的光子能量都应该比禁带宽度大。但实验指出，引起本征吸收的最低光子能量还是约等于Eg。——推论：除竖直跃迁，还存在另一类跃迁过程：由价带顶向具有不同ｋ值的导带底的跃迁。 电子的动量变化很大。而光子的动量很小，故必须吸收或发射声子才能满足准动量守恒. 除了吸收光子之外还要吸收或发射声于的跃迁，称为间接跃迁或非竖直跃迁。相应的材料称为间接能隙半导体材料。 间接跃迁材料的缺点 实际上在直接禁带半导体中，涉及声子发射和吸收的间接跃迁也可能发生，即直接禁带半导体中也会发生间接跃迁。同样，在间接禁带半导体中，也可能发生直接跃迁。但它们不是能量最低的带间跃迁。 间接跃迁要求同时有光子和声子参加，是一个二级过程，跃迁几率要比直接跃迁的跃迁几率小得多，相应的吸收系数也较小。 因为光电器件一般均涉及电子的跃迁，因此间接能隙半导体材料一般不适宜（直接）作为光电材料，尤其不能作为发光材料。 ii) 激子吸收 若光子能量hnEg, 则跃迁后的价带电子不足以跃迁到导带，但它可以和价带的空穴组成电子空穴对束缚态（激子）。即：半导体吸收光子能量，但电子不能跃迁为自由载流子而处于受激状态。 激子吸收不会改变半导体的导电性。 iii) 杂质吸收 杂质可以在半导体的禁带中引入杂质能级，占据杂质能级的电子或空穴的跃迁可以引起光吸收，这种吸收称为杂质吸收，可以分为下面三种类型：a.吸收光子可以引起中性施主上的电子从基态到激发态或导带的跃迁；b.中性受主上的空穴从基态到激发态或价带的跃迁；c.电离受主到电离施主间的跃迁； 由于杂质能级是束缚态，因而动量没有确定的值，所以不必满足动量守恒的要求，因此跃