【文章內(nèi)容簡介】 能級,使少數(shù)載流子壽命降低(在第五章詳細(xì)討論).四是深能級雜質(zhì)電離后以為帶電中心,對載流子起散射作用,使載流子遷移率減少,導(dǎo)電性能下降.◆基本要求:掌握淺能級雜質(zhì)和深能級雜質(zhì)的基本特點和在半導(dǎo)體中起的作用,特別注意金在硅中既有施主能級又有受主能級,它是有效的復(fù)合中心.167。 化合物半導(dǎo)體中底雜質(zhì)能級 ◆本節(jié)內(nèi)容: 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式各類雜質(zhì)在砷化鎵,磷化鎵中的雜質(zhì)能級.◆課程重點:四族元素硅在砷化鎵中的雙性行為,即硅的濃度較低時主要起施主雜質(zhì)作用,當(dāng)硅的濃度較高時,:實驗測得硅在砷化鎵中引入一淺施主能級()ev,硅應(yīng)起施主作用,那么當(dāng)硅雜質(zhì)電離后,每一個硅原子向?qū)峁┮粋€導(dǎo)電電子,當(dāng)硅雜質(zhì)濃度上升到一定程度之后,導(dǎo)帶電子濃度趨向飽和,是因為在硅雜質(zhì)濃度較高時,硅原子不僅取代鎵原子起著受主雜質(zhì)的作用,而且硅也取代了一部分v族砷原子而起著受主雜質(zhì)的作用,因而對于取代ⅲ族原子鎵的硅施主雜質(zhì)起到補(bǔ)償作用,從而降低了有效施主雜質(zhì)的濃度,在這個粒子中,硅雜質(zhì)的總效果是起施主作用,砷化鎵單晶體中硅雜質(zhì)濃度為時,:()ev處.◆課程難點:無◆基本概念:等電子陷阱和等離子雜質(zhì)在某些化合物半導(dǎo)體中,例如磷化鎵中摻入v族元素氮或鉍,它們替代了格點上的同族原子后,這些原子的共價半徑和電負(fù)性有差別, 只有當(dāng)摻入原子與基質(zhì)晶體原子在電負(fù)性,共價半徑方面有較大差別時,同族元素原子序數(shù)越小,電負(fù)性越大,取代后,,=,鉍取代磷后能俘獲空穴,它的電離能是=.◆基本要求:.167。 半導(dǎo)體中的缺陷能級(defect levels)◆本節(jié)內(nèi)容: 點缺陷(熱缺陷)point defects/thermaldefects 點缺陷的種類: 弗侖克耳缺陷:原子空位和間隙原子同時存在 肖特基缺陷:晶體中只有晶格原子空位 間隙原子缺陷:只有間隙原子而無原子空位 點缺陷(熱缺陷)特點: 熱缺陷的數(shù)目隨溫度升高而增加熱缺陷中以肖特基缺陷為主(即原子空位為主).原因:三種點缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小.(可參閱劉文明《半導(dǎo)體物理學(xué)》p70～p73,或葉良修《半導(dǎo)體物理學(xué)》p24和p94)淬火后可以凍結(jié),經(jīng)高溫加工(如擴(kuò)散) 點缺陷對半導(dǎo)體性質(zhì)的影響: 缺陷處晶格畸變,周期性勢場被破壞,在半導(dǎo)體中起復(fù)合中心作用,對載流子有散射作用,(dislocation) 位錯形成原因 位錯種類:刃位錯(橫位錯)和螺位錯 : 位錯線上的懸掛鍵可以接受電子變?yōu)樨?fù)電中心,表現(xiàn)為受主。懸掛鍵上的一個電子也可以被釋放出來而變?yōu)檎娭行?此時表現(xiàn)為施主,即不飽和的懸掛鍵具有雙性行為,可以起受主作用,導(dǎo)致能帶變形 位錯線影響雜質(zhì)分布均勻性位錯線若接受電子變成負(fù)電中心,對載流子有散射作用.(第四章)影響少子壽命,原因:一是能帶變形,禁帶寬度減小,有利于非平衡載流子復(fù)合。二是在禁帶中產(chǎn)生深能級,促進(jìn)載流子復(fù)合.(第五章)偏離化學(xué)比缺陷:離子晶體或化合物半導(dǎo)體,由于組成晶體的元素偏離正常化學(xué)比而形成的缺陷.◆課程重點:點缺陷和位錯對半導(dǎo)體性能的影響(參閱本節(jié)內(nèi)容).◆課程難點:無.◆基本要求:: ,施主能級分別位于價帶之上或?qū)е?而且電離能的數(shù)值較小,硅中摻入ⅲ族或ⅴ族元素后,為什么使半導(dǎo)體電性能有很大的改變 雜質(zhì)半導(dǎo)體(p型或n型)應(yīng)用很廣,但為什么我們很強(qiáng)調(diào)對半導(dǎo)體材料的提純,雜質(zhì)的電離能和軌道半徑是否不同 把同一種雜質(zhì)摻入到不同的半導(dǎo)體材料中(例如鍺和硅),雜質(zhì)的電離能和軌道半徑又是否都相同 它們電離以后有說明特點 什么叫高度補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體 雜質(zhì)補(bǔ)償有何實際應(yīng)用第三章 半導(dǎo)體中熱平衡載流子的統(tǒng)計分布引言: 本章的主要任務(wù):計算本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的熱平衡載流子濃度及費米能級的位置,討論，與，:在一定溫度下,如果沒有其它外界作用半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子和空穴是依靠電子的熱激發(fā)作用而產(chǎn)生的,電子從不斷熱震動的晶格中獲得一定的能量,就可能從低能量的量子態(tài)躍遷到高能量的量子態(tài),例如,電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶(這就是本征激發(fā)),當(dāng)電子從施主能級躍遷到導(dǎo)帶時產(chǎn)生導(dǎo)帶電子。,還存在著相反的過程,即電子也可以從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子態(tài),并向晶格放出一定能量,從而使導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴不斷減少,這兩個相反的過程之間將建立起動態(tài)的平衡,半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子濃度和空穴濃度都保持一個穩(wěn)定的數(shù)值,破壞了原來的平衡狀態(tài),又重新建立起新的平衡狀態(tài),熱平衡載流子的濃度也將發(fā)生變化,:熱平衡是一種動態(tài)平衡,載流子在各個能級之間躍遷,是首先要解決下述問題: ①回顧幾率的概念及幾率的運(yùn)算法則載流子在允許的量子態(tài)上的分布函數(shù)(幾率函數(shù))允許的量子態(tài)按能量如何分布——能量狀態(tài)密度g(e)載流子在允許的量子態(tài)中如何分布 然后討論，～，t的關(guān)系167。 載流子的統(tǒng)計分布函數(shù)及能量狀態(tài)密度(說明:本節(jié)內(nèi)容對講義167。167。)◆本節(jié)內(nèi)容: 幾率的基本運(yùn)算法則(簡要回顧加法和乘法)分布函數(shù) maxwell速率分布函數(shù) boltzmann能量分布函數(shù) 費米(fermi)分布函數(shù)能量狀態(tài)密度 k空間的狀態(tài)密度 導(dǎo)帶和價帶能量狀態(tài)密度 ◆課程重點: 費米分布函數(shù)的意義:它表示能量為e的量子態(tài)被一個電子占據(jù)的幾率,它是描寫熱平衡狀態(tài)下電子在允許的量子態(tài)上如何分布的一個統(tǒng)計分布函數(shù)。費米分布函數(shù)還給出空穴占據(jù)各能級的幾率,一個能級要么被電子占據(jù),否則就是空的,即被空穴占據(jù), 與對稱于 可以證明:: 當(dāng)時,則,當(dāng)時 ,最常遇到的情況是費米能級位于價帶內(nèi),而且與導(dǎo)帶底或價帶頂?shù)木嚯x遠(yuǎn)大于,所以,對導(dǎo)帶中的所有量子態(tài)來說,被電子占據(jù)的幾率,一般都滿足,f(e)迅速減小,對半導(dǎo)體價帶中的所有量子態(tài)來說,被空穴占據(jù)的幾率,一般都滿足,迅速增大,:稱為費米能級或費米能量,它和溫度,半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型,只要知道了的數(shù)值,在一定溫度下,即,將半導(dǎo)體中大量電子的集體看成一個熱力學(xué)系統(tǒng),由統(tǒng)計理論證明,費米能級是系統(tǒng)的化學(xué)勢,即,代表系統(tǒng)的化學(xué)勢,:當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài),也不對外界做功的情況下,系統(tǒng)中增加一個電子所引起系統(tǒng)自由能的變化,等于系統(tǒng)的化學(xué)勢,在溫度不很高時,能量大于費米能級的電子態(tài)基本上沒有被電子占據(jù),而能量小于費米能級的幾率在各溫度下總是1/2,所以費米能級的位置比較直觀的標(biāo)志了電子占據(jù)量子態(tài)的狀況,必須對一個能帶內(nèi)的所有能量積分,而不只是對布里淵區(qū)體積積分,:.可以通過下述步驟計算狀態(tài)密度:首先算出單位k空間中的量子態(tài)數(shù),即k空間中的狀態(tài)密度。然后算出k空間中與能量e到e+de間所對應(yīng)的k空間體積,并和k空間中的狀態(tài)密度相乘,從而求得在能量e到e+de間的量子態(tài)數(shù)de。最后,根據(jù)前式,求得狀態(tài)密度g(e).◆課程難點: 空間量子態(tài)的分布是均勻的,量子態(tài)的密度為v(立方晶體的體積).如果計入自旋,k空間每個量子態(tài)實際上代表自旋方向相反的兩個量子態(tài),所以,在k空間,:,與費米分布函數(shù)的定義就統(tǒng)一起來了(費米分布函數(shù)是能量為e的一個量子態(tài)被一個電子占據(jù)的幾率).狀態(tài)密度表達(dá)式的推導(dǎo)過程作為課堂討論的課程重點內(nèi)容之一.◆基本概念:費米分布函數(shù),k空間狀態(tài)密度和能量狀態(tài)密度的概念.◆基本要求:,不是電子的真實能級,費米能級的數(shù)值與溫度,半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型,雜質(zhì)濃度及零點的選取有關(guān),.167。 導(dǎo)帶電子濃度和價帶空穴濃度 ◆本節(jié)內(nèi)容: 導(dǎo)帶電子濃度 價帶空穴濃度 ◆課程重點: 導(dǎo)出導(dǎo)帶電子濃度和帶空穴濃度表達(dá)式理解,掌握電子濃度,空穴濃度表達(dá)式的意義(見基本要求)◆課程難點:導(dǎo)出導(dǎo)帶電子濃度的基本思路是:和計算狀態(tài)密度是一樣,認(rèn)為能帶中的能級是連續(xù)分布的,則在能量到之間有個量子態(tài),而電子占據(jù)能量為的量子態(tài)的幾率是,則在到間有個被電子占據(jù)的量子態(tài),因為每個被占據(jù)的量子態(tài)上有一個電子,實際上是從導(dǎo)帶底到導(dǎo)帶頂對進(jìn)行積分,就得到了能帶中底電子總數(shù),導(dǎo)帶中的能級遠(yuǎn)高于費米能級,即當(dāng)時,計算導(dǎo)帶電子濃度可用玻耳茲曼分布函數(shù).◆基本概念:,乘積只決定于溫度,對不同的半導(dǎo)體材料,因禁帶寬度不同,只要是熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導(dǎo)體,都普遍適用,在一定的溫度下,當(dāng)半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時,載流子濃度的乘積保持恒定,如果電子濃度增加,空穴濃度就要減小。,在一定溫度時,半導(dǎo)體導(dǎo)帶中電子濃度,價帶中空穴濃度就可以計算出來.◆基本要求:掌握導(dǎo)帶電子濃度和價帶空穴濃度公式: 與分別是導(dǎo)帶與價帶底有效狀態(tài)密度,相當(dāng)于把導(dǎo)帶中所有量子態(tài)都集中在導(dǎo)帶底,而它的狀態(tài)密度為。同理,相當(dāng)于把價帶中所有量子態(tài)都集中在價帶頂,前者是電子占據(jù)能量為的量子態(tài)幾率,價帶空穴濃度是中有空穴占據(jù)的量子態(tài)數(shù).167。 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 ◆本節(jié)內(nèi)容: 本征半導(dǎo)體費米能級 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 熱平衡條件◆課程重點:利于電中性條件(所謂電中性條件,就是電中性的半導(dǎo)體,空穴帶正電,所以對本征半導(dǎo)體,電中性條件是導(dǎo)帶中的電子濃度應(yīng)等于價帶中的空穴濃度,即=,由此式可導(dǎo)出費米能級.)求解本征半導(dǎo)體的費米能級:本征半導(dǎo)體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體,在絕對零度時,價帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù),而導(dǎo)帶中的量子態(tài)全部空著,也就是說,半導(dǎo)體中共價鍵是飽和的,就有電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶中去,同時價帶中產(chǎn)生空穴,導(dǎo)帶中的電子濃度應(yīng)等于價帶中的空穴濃度,即=.,本征載流子濃度迅速增加。不同的半導(dǎo)體材料,在同一溫度下,禁帶寬度越大,一定溫度下,任何非簡并半導(dǎo)體的熱平衡載流子的濃度的乘積對于該溫度時的本征載流子的濃度的平方,即,它不僅適用于本征半導(dǎo)體材料,的意義:，均為常數(shù),則也為常數(shù),這時單位時間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的載流子數(shù)等于單位時間單位體積內(nèi)復(fù)合掉的載流子數(shù),此式可作為判斷半導(dǎo)體材料是否達(dá)到熱平衡的依據(jù)式.◆課程難點: 這是一個容易忽視的問題,即本征半導(dǎo)體中導(dǎo)帶電子濃度等于價帶空穴濃度,根據(jù)載流子的分布函數(shù)及費米年間的意義可知:本征半導(dǎo)體的費米能級應(yīng)該位于導(dǎo)帶底和價帶頂之間的中間位置,導(dǎo)帶電子和價帶空穴才能