固体物理学---第六章.docVIP

第六章 半导体 6.1 半导体的能带结构 一、本征半导体 导带（空带） 价带（满带） 在能带底有： 实际上，等能面一般为椭球面，如图所示： 二、杂质半导体 如图所示： 多出一个正电中心和一个电子，这个电子受到正电中心的某种束缚，它的能量在禁带里，不完全自由，形如： 若参杂B族元素，相当于： 参杂后在禁带中产生一些附加的能级： 自由时 非自由时 此类型叫类氢模型。 加A类型的杂质叫施主，对应的能级叫施主能级；加B类型的杂质叫受主，对应的能级叫受主能级; 三、缺陷引起的附加能级 如图所示： 当纳过量，则晶体中形成正电中心-----将出现施主能级；当氯过量，则晶体形成负电中心，将出现受主能级。 6.2 半导体的光吸收 本征吸收 当 时发生吸收，谱线为连续谱，但有一个吸收下限值 由准动量守恒：可见光的 ； 电子的为； 称此种跃迁叫竖直跃迁。 如图所示： 这就是光敏电阻，光电二极的原理，非常普遍用于信号传递、隔离及照明。还有如下的情形： 如果仅考虑电子的动量和光子的动量，则不满足动量守恒，为此可考虑在此过程中电子吸收或房产一个声子： 由能量守恒： 而 只有百分之几电子伏特， 激子吸收 实验上发现在禁带有吸收峰，但此处无光电流。假设光子打出一个电子，但电子不能一下子到达导带上，而是在导带下面差一个类氢电子能级的某一能级上，如图所示： 在导带 令 在价带 称这样的电子~空穴对叫激子。此激子在外场作用下会运动，但因为正负电荷成对出现，因此不会产生电流。 自由载流子吸收 当情况如图所示时，自由载流子可以在本身所在的能带内跃迁，也是个二级过程。 晶格吸收 声子本身也可以吸收光子（物理效应是光热效应），离子晶 体在红外范围，半导体也在红外范围。 杂质吸收 杂质能级较深时，如硅中的金 吸收谱如图所示： 作用：1）它可以是有效的复合中心，使载流子的寿命降低； 2）可以成为非辐射复合中心，影响发光效率； 3）作为补偿杂质大大提高材料的电阻率。 晶格振动对电子跃迁的影响 一般电子跃迁较快，而原子的调整较慢，因此原子来不及调 整，电子已经跳上去了。而原子慢慢调整，在此过程中放出声子，把能量交给晶格，使温度上升。 6.3 回旋共振 由劳伦兹公式： ~驰豫时间 设 则： 设 代入上式，得： 一方面，电流密度: 另一方面，按欧姆定律： ，对比上两式，得： 如图所示： 6.4 电子空穴的统计分布 如图所示： 自由电子： 导带内： 价带内： 态密度： 费米分布： 对本征半导体 则 若考虑有施主能级存在的情况下，当温度低时，附加能级上的电子跳到上去，如图所示： 设为上空出的数目，则： 6.5 半导体的电导率 在真实空间内对一维的可以想象为: 一般地，运动方程： 主要由指数部分决定，如图所示： 通过实验曲线的斜率可以求出 和 ，当 不变时，稳定： 因而形成PN结。 6.6 霍耳效应 原理 虽然电导率的实验测量已经成为测定材料规格和研究半导体的基本方法，但中包含了各种因素，仅依靠电导率的测量作深入的分析就受到很大的限制。霍尔效应的测定就更有效，霍尔效应是在金属中首先发现的，但半导体中更显著，可以做成磁、电热、压力传感器。其原理如图所示： 半导体片放置在平面内，电流沿x方向，磁场垂直于半导体片沿z方向。 效应 如果空穴（p型）导电，它沿电流方向，受劳伦兹力 其方向沿方向，使其沿方向运动，从而造成两边电荷积累，形成电场，此电场作用在空穴上与磁场力相抵消 即 而电流密度 定义： 叫霍尔系数 若为电子导电（N型） 此时的系数为负值 应用 测载流子的密度 导电性质 正效应为空穴导电，负效应为电子导电 分析带隙宽度、杂质电离能、杂质浓度等基本数据 6.7 金属-绝缘体-半导体系统和MOS反型层 若采用金属-绝缘体-半导体系统，常见硅片上生长氧化物膜，再加一层铝，如图所示： 设半导体为P型，在栅极加负压，吸引空穴到半导体表面，产生空穴积累层；当在栅极加正压，排斥空穴到半导体表面，吸引少数载流子到表面。 当正栅压较小时，主要表现为：空穴被赶走，形成带负电荷的耗散层，此负电荷是电离的受主，通常带负电荷的电离受主屏蔽正栅压引起，需要一定的厚度，叫空间电荷区厚度（级） 如图所示：