1、浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云固體物理基礎第五章：半導體Semiconductor浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 5.1 半導體材料 元素半導體元素半導體Ge，Si 化合物半導體材料化合物半導體材料GaAs，InP，GaP, GaAlAs 寬禁帶半導體材料寬禁帶半導體材料SiC/GaN/ZnO 有機半導體材料有機半導體材料浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云半導體材料的分類 I（按功能分類） 電子材料電子材料檢波/放大/整流/存儲 光電材料光電材料發光/探測/光伏/成像 熱電材料熱電材料 測溫、發電 傳感材料傳感材料氣敏/濕敏/熱敏/光敏/磁敏

2、光子材料光子材料激光/光傳輸/光放大/光計算/光存儲 微波材料微波材料浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云半導體材料的分類 II（按成分分類） 元素半導體元素半導體由單一元素構成的半導體材料，如鍺、硅、硒等 化合物半導體化合物半導體由兩種或兩種以上元素構成的半導體材料，如InP, GaAs， Ga1-xAlxAs, GaN，ZnO，SiC等 有機半導體有機半導體由有機高分子材料構成的半導體，如電荷轉移絡合物，芳香族化合物 復合半導體復合半導體：兩種或兩種以上半導體材料的復合，如無機/無機，有機/無機，有機/有機復合浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云半導體材料的分類 III（按結構分類） 單晶

3、半導體單晶半導體：整塊半導體材料中的原子周期性地有序排列。 多晶半導體多晶半導體：半導體材料中分成許多區域，各區域內的原子周期性地有序排列。 非晶態半導體非晶態半導體：半導體材料中的原子排列長程沒有周期性，但短程有序。 異質結構半導體異質結構半導體：指外延層與襯底材料不同的半導體多層膜結構。 超晶格半導體超晶格半導體：利用外延技術制備的人工晶體結構。 納米半導體納米半導體：結構尺度為納米的半導體材料，如納米顆粒或納米薄膜。 復合半導體復合半導體：兩種或兩種以上半導體材料的復合，如無機/無機，有機/無機，有機/有機復合。浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云常見半導體材料的結構 金剛石結構 軌道雜

4、化導致四個價電子等價。(1s)2(2s)2(2p)2 - (1s)2(2s)1(2p)3 面心立方兩個面心立方點陣沿對角線相對移動1/4距離浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云常見半導體材料的結構 閃鋅礦結構：閃鋅礦結構：與金剛石結構相似，閃鋅礦結構也是一種由面心立方構成的復式格子，但兩套格子各自的原子不同。在這種結構中，既有軌道雜化，又有原子間的電荷轉移，原子間的鍵為離子鍵與共價鍵組成的混合鍵。所以電子云的分布呈非對稱分布而偏向某一原子 浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云熱力學穩定相為熱力學穩定相為釬鋅礦結構釬鋅礦結構，寬帶隙，缺乏中心對稱，寬帶隙，缺乏中心對稱性，具有強的壓電特性，對可見

5、光透明等（性，具有強的壓電特性，對可見光透明等（ ZnOZnO）+ +- -P常見半導體材料的結構浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云5.2 半導體的導電機構半導體的導電機構一一. 本征半導體本征半導體（semiconductor） 本征半導體是指本征半導體是指純凈的純凈的半導體。半導體。本征半導體的導電性能在導體與絕緣體之間。本征半導體的導電性能在導體與絕緣體之間。1.本征本征半導體半導體的能帶結構：的能帶結構：所以加熱、光照、加電場都能把電所以加熱、光照、加電場都能把電子從滿帶激到發空帶中去，同時在子從滿帶激到發空帶中去，同時在滿帶中形成滿帶中形成 “空穴空穴”（hole） 半導體半導體的

6、滿帶與空帶之間也是禁的滿帶與空帶之間也是禁帶，但是帶，但是禁帶寬度禁帶寬度Eg 很很窄窄 (0.1 2eV)E空帶（導帶）空帶（導帶） 滿帶滿帶 Eg=0.1 2eV禁帶禁帶本征（純凈）半導體本征（純凈）半導體 T=0K時（絕緣體）時（絕緣體）浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云例如半導體例如半導體 Cd S滿滿 帶帶空空 帶帶h Eg=2.42eV 滿帶上的一個電子滿帶上的一個電子躍遷到空帶后，滿帶躍遷到空帶后，滿帶中出現一個中出現一個帶正電的帶正電的空位，稱為空位，稱為 “空穴空穴” 電子和空穴總是電子和空穴總是成對出現的。成對出現的。 電子和空穴叫電子和空穴叫本征載流子，本征載流子，它們

7、形成半導體的它們形成半導體的本本征導電性征導電性浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云2.兩種導電機構：兩種導電機構：（1） 電子導電電子導電半導體的載流子是電子半導體的載流子是電子 當光照當光照 h Eg 時，時，可發生可發生本征吸收，本征吸收，形成形成本征光電導。本征光電導。 解解 maxmin hchEg nm514106 . 142. 21031063. 619834max gEhc 例例 要使半導體要使半導體 Cd S產生產生本征光電導本征光電導，求，求激發電激發電子的光波的波長最大多長？子的光波的波長最大多長？浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云空帶空帶滿帶滿帶 在外電場作用下，在外

8、電場作用下，電子可以躍遷到空電子可以躍遷到空穴上來，這相當于穴上來，這相當于 空穴反向躍遷空穴反向躍遷 空穴躍遷也形成空穴躍遷也形成電流，電流， 這稱為這稱為空穴空穴導電導電 Eg（2） 空穴導電空穴導電半導體的載流子是空穴半導體的載流子是空穴浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 當當外電場足夠強時，外電場足夠強時，共有化電子還是能越共有化電子還是能越過禁帶躍遷到上面的空帶中，使過禁帶躍遷到上面的空帶中，使半導體擊穿半導體擊穿 為什么導體的電阻隨溫度升為什么導體的電阻隨溫度升高而升高，高而升高，而半導體的電阻卻而半導體的電阻卻隨溫度升高而降低？隨溫度升高而降低？半導體半導體導體導體浙江大學硅材

9、料國家重點實驗室 黃靖云二二. 雜質雜質（impurity）半導體半導體1. n型半導體型半導體又稱又稱 n 型半導體。型半導體。 量子力學表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁量子力學表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中緊靠空帶處，帶中緊靠空帶處， ED10-2eV，極易形成電子導電，極易形成電子導電該能級稱為該能級稱為施主施主（donor）能級。能級。本征半導體本征半導體 Si、Ge等的四個價電子，與另四等的四個價電子，與另四個原子形成共價結合，個原子形成共價結合， 當摻入少量五價的當摻入少量五價的雜質雜質元素（如元素（如P、As等）時，等）時，就形成了就形成了電子型半導體，電子型半導體

10、，浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 n 型半導體型半導體 空空 帶帶滿滿 帶帶施主能級施主能級EDEgSiSiSiSiSiSiSiP浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 Si 原子濃度原子濃度1022 cm 3 則則P 原子濃度原子濃度1018 cm 3np=1.51010 cm 3 10181018 cm 3 室溫下：室溫下：本征激發本征激發雜質激發雜質激發導帶中電子濃度導帶中電子濃度nn=1.51010滿帶中空穴濃度滿帶中空穴濃度設設 Si中中P的含量為的含量為10 4電子是多數載流子，電子是多數載流子，空穴是少數載流子。空穴是少數載流子。在在n型半導體中：型半導體中：電子濃度電子濃度

11、nn 施主雜質濃度施主雜質濃度nd浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云2. p型半導體型半導體 四價的本征半導體四價的本征半導體Si、e等摻入少量三等摻入少量三價的價的雜質雜質元素（如、元素（如、Ga、In等）時，就等）時，就形成形成空穴型半導體，空穴型半導體，又稱又稱 p 型半導體。型半導體。 量子力學表明，這種摻雜后多余的空穴能級量子力學表明，這種摻雜后多余的空穴能級在禁帶中緊靠滿帶處，在禁帶中緊靠滿帶處， EA 10 -1eV，極易產，極易產生空穴導電。生空穴導電。該能級稱該能級稱受主受主（acceptor）能級。能級。浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云空空 帶帶EA滿滿 帶帶受主能級

12、受主能級 P型半導體型半導體SiSiSiSiSiSiSi+BEg浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 Si 原子濃度原子濃度1022 cm 3 則則B 原子濃度原子濃度1018 cm 3np=1.51010 室溫下：室溫下：本征激發本征激發雜質激發雜質激發導帶中電子濃度導帶中電子濃度nn=1.51010cm 3滿帶中空穴濃度滿帶中空穴濃度設設 Si中中B的含量為的含量為104 10181018 cm 3空穴是多數載流子，空穴是多數載流子，電子是少數載流子。電子是少數載流子。空穴濃度空穴濃度np 受主雜質濃度受主雜質濃度na在在p型半導體中：型半導體中：浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云3.

13、n型化合物半導體型化合物半導體 例如，化合物例如，化合物GaAs中摻中摻Te，六價的，六價的Te替代替代五價的五價的As可形成施主能級，可形成施主能級，成為成為n型型GaAs雜質雜質半導體。半導體。4. p型化合物半導體型化合物半導體 例如，化合物例如，化合物 GaAs中摻中摻Zn，二價的，二價的Zn替替代三價的代三價的Ga可形成受主能級，可形成受主能級，成為成為p型型GaAs雜質半導體。雜質半導體。浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云化合物化合物GaAs中摻中摻Si Si可以替代Ga，施主 Si可以替代As，受主 施主/受主5/1浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云三三. 雜質補償作用雜質補

14、償作用 實際的半導體中既有施主雜質（濃度實際的半導體中既有施主雜質（濃度nd），），又有受主雜質（濃度又有受主雜質（濃度na），兩種雜質有補償），兩種雜質有補償作用：作用： 若若nd na為為n型（施主）型（施主） 若若nd na為為p型（受主）型（受主）利用雜質的補償作用，利用雜質的補償作用，可以制成可以制成 p-n 結。結。浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云摻雜的要求 高濃度高濃度 降低能量、可行性 高效率高效率 能級小 高質量高質量 遷移率大 穩定性穩定性 化學鍵能大 高性價比高性價比 最便宜 環保性環保性 無毒、污染小浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云載流子濃度計算載流子濃度計算統

15、計分布函數統計分布函數 玻色子，自旋為0或整數，例如光子、聲子等的粒，能級上可以容納無數的粒子 費米子，自旋為半整數，例如電子，每一能級上最多只能容納一個粒子 兩者服從不同的統計分布，但可以用一統一的公式表達 其中正號對應費米子，負號對應玻色子。 f EeE EkTf( ) 11浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 假定與能級E對應的有G(E)個量子態，則 由于N和G（E）與半導體材料本身的能帶結構及摻雜情況有關，因此只要知道了N 、G(E) 和溫度T，就可以求出Ef。反過來，如果知道了Ef，由此可以確定各能級上的電子數及總粒子數N 可以證明費米函數等于化學勢，處于熱平衡狀態系統有相同的化學勢

16、，所以對一個處于熱平衡的系統，各處費米能級相同 G E f EG EeNE EkTEEf( ) ( )( ) 1浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云費米函數的性質 對于費米子，一個量子態要么被電子占據，要么空著，能量為E的能級被占據的幾率為f(E)，因此空著的幾率為 不難看出，f(E)與1-f(E)相對E=Ef是對稱的，在該點占據及空著的幾率均為1/2。能量比費米能級高的能級空著的幾率大，反之，能量比費米能級低的能級充滿的幾率較大。當能量很大時，即 時，費米分布與玻色分布趨向同一函數，111 f EeEEkTf( )()/1)(kTEEfkTEEfeEf)(浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云

17、費米函數與波耳茲曼函數浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云能帶中的電子和空穴濃度 導帶電子密度 單位體積中能量在E-E+dE中的導帶電子數為 將上式對整個導帶積分即得到單位體積中導帶的電子數目，即 dEENEfEdnc)()()(nf E NE dEcEEccM( )( )浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云)()(ENEf浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云公式簡化1、大多數情況下費米能級與導帶底的距離比kT大得多，所以費米函數可以用玻爾茲曼函數代替2、f(E)隨E按指數下降，導帶寬度為eV量級，因此將上限擴展至無窮大處也不會引起較大的誤差浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云導帶電子密度kT

18、EEckTEEdnkTEEdntkTEEdncEcdnkTEEfcfcfcfcfeNehkTmehmdtetehmdEEEhmen332302132321323/ )(23)2(22)2(4)2(4)()2(4浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云導帶狀態有效密度Nc的物理意義 上式表明，導帶中所有能級上電子的總密度等價于能量為Ec，態密度為Nc的一個能級。即把一個涉及許多能級的復雜的能帶問題簡化成了只有一個能級問題，即可以將導帶理解為一個電子都集中于導帶底Ec，密度為Nc的能級。因此Nc稱為導帶的有效狀態密度 浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云價帶狀態有效

19、密度Nv 按照完全相似的討論手法，我們可以得到價帶的狀態有效密度為 上述公式中參數的意義與討論導帶時相同。pemhEEdEm kTheN eEEkTpnEvpnEEkTvEEkTfvfvfv()/()()()422 232312332浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云最后簡化結果浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云有關有效狀態密度 用兩個能級代替導帶和價帶，大大簡化各種分析 有效狀態密度反映了導帶或價帶容納電子或空穴的能力 有效狀態密度是溫度的3/2次方函數，溫度愈高，N愈大 對T=300K，兩者對硅分別為2.81019cm-3和1.041018cm-3 ，大大小于價電子密度 2323192

20、32319)()300(1050. 2)()300(1050. 2mmTNmmTNpnvdnc322105cm浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云質量作用定律 如果將n與p相乘，則可以發現乘積pn與Ef無關，即 對特定的半導體材料，Ef與摻雜種類及摻雜濃度有關，因此由np與Ef無關可以推論此乘積pn與摻雜種類及摻雜濃度無關，即只與半導體材料本身能帶結構有關 如果由于某種原因使得電子增加，則其中的空穴數目必然減少。 當摻雜濃度很大時，費米能級可能進入導帶或價帶，玻爾茲漫近似不再成立，因此電子空穴數目乘積不再與Ef無關。npN eN eN N ecEEkTvEEkTcvEkTcffvg ()/()

21、/浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云本征半導體的費米能級 由p=n，我們得到 因為NvNc,所以對本征半導體來說，費米能級位于禁帶中間稍偏下面的部位，但十分接近中間位置。不過如果某種半導體的Nc與Nv及mdn與mdp相差太大，則本征半導體的Ef偏離中心位置的距離可能較遠。例如銻化銦的費米能級偏離禁帶中心達0.2eV )(21ln21)(21 / )(/ )(vccvvcfkTEEvkTEEcEENNkTEEEeNeNvffc浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云本征載流子濃度 將上面的Ef 代入n與p的表達式，我們可以得到 同樣可得 本征載流子濃度隨溫度指數增加，而且pi=nikTEvcikT

22、EvEckTNcNvEvEcEccigeNNneNcNveNn2/ )(21/ ln21)(21 ikTEvcikTEvEckTENcNvEvEcvineNNpeNcNveNpgv2/ )(21/ ln21)(21 浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云實例 室溫下硅的本征載流子濃度為 而有效狀態密度分別為Nc=2.811019 cm-3和Nv=1.041018 cm-3，即導帶及價帶只有約10億分之一的能級被電子或空穴填充。因此室溫下本征半導體的導電能力一般是很差的。 3102105 . 1cmeNNpnkTEcviig浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云雜質能級上的電子分布 有關雜質能級上計

23、算電子濃度的費米分布函數有兩種形式。fgeEEkTdf 1111kTEEfdef浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云雜質能級上的占據情況 對于施主能級，它被電子占據的幾率為 對受主能級它被空穴占據的幾率為 11)(kTEEdfdgeEfgegegegeEfkTEEkTEEkTEEkTEEaaffafafa111111)(1浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云施主能級 施主濃度乘施主能級被電子占據的幾率即為施主能級上的電子數： 同樣，空著的施主能級為 1)(kTEEddddfdgeNEfNngeNEfNnNkTEEddddddf1)(1 (浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云受主能級 同樣，受主

24、濃度乘受主能級被電子占據的幾率即為受主能級上的電子數 未被電子占據的受主能級為geNfNpkTEEaaaaf1)1 (1kTEEaaafageNfNn浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云硅的能帶結構:導帶 導帶在與X間有一極小值，偏離中心點4/5，共有6個對稱的極小點，稱為能谷。因為4度對稱軸，所以y,z方向等價，因此E kEkkmkkmclt( )()21012123225.3 半導體能帶結構半導體能帶結構l表示縱向、t表示橫向質量。等能面為旋轉橢球面，中心軸為軸浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云硅的能帶結構: 價帶 有3個子能帶，都在k=0處有極大值; 1 、2兩個能帶簡并，但曲率不同，

25、因此它們對應的空穴有效質量不同，重的一個稱為重空穴，輕的為輕空穴。 第三個能帶與1、2兩個有距離。 特點:間接能帶：導帶底與價帶頂不重合。 浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云鍺的能帶結構:導帶 在與L之間的布里淵邊界上有一極小值，截角8面體共有8個極小值，但因為極小值剛好位于布里淵區邊界，相對兩個極小之間相差一個倒格矢，所以實際上只有4個極小值，即只有4個能谷，同樣，等能面也是旋轉橢 球 面 ， 但 中 心 軸 為軸浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云GaAs的能帶結構 導帶底與價帶頂都在k=0處，即為直接能帶；等能面為球形； 導帶在(100)方向接近布里淵邊界區還有另外一個極小值； 它的價

26、帶情況與硅、鍺的類似，也有三個子能帶，也有輕重空穴之分 直接帶隙E kEkkkmct( ) 21212322浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云半導體的費米能級本征半導體N型本征半導體P型本征半導體EcEiEvEfEcEvEfEdEcEvEfEa室溫下、正常摻雜濃度浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云半導體禁帶中的能級 施主能級摻入價數較高的雜質原子；晶格缺陷；雜質-缺陷復合體。 受主能級摻入價數較的雜質原子；晶格缺陷；雜質-缺陷復合體。 激子能級：束縛的電子-空穴對 極化子能級：電子-晶格相互作用浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云禁帶中其他能級 表面態:表面原子狀態與體內的不同 等電子雜質

27、:雜質價電子數與母體的相同 固有原子缺陷 (A格子空位VA, B格子空位, A元素間隙原子, B元素間隙原子) 錯位原子:化合物半導體中兩種原子換位 間隙雜質 浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云實例 硅的介電常數為14，有效質量分別1.0m0，代入可得硅中施主電子能級離開導帶的距離p） 而對p型半導體而言，可簡化為（因為pn） 1.pqp載流子漂移載流子漂移浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云常見半導體材料的遷移率（厘米2/伏秒）材料電子遷移率空穴遷移率硅1350480鍺3900500砷化鎵8000100-3000 對硅而言，由于電子的有效質量小于空穴的有效質量，因而電子的遷移率比空穴的大，

28、因此對于同樣尺寸的器件，相對來說，N型材料制作的器件工作頻率較高。 浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云當半導體中通以電流時，電子與空穴除熱運動外還在電場的作用下作漂移運動，大小為E帶電粒子在磁場中運動時要受到磁場引起的洛倫茲力FqvB霍爾效應原理霍爾效應原理浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云eEevBEvBnenev BnejBRjB 11()當霍耳電場引起的力與磁場引起的力最后達到平衡時，有由此我們得到一個十分重要的公式即霍耳電勢與流過的電流大小及磁場強度成正比比例系數稱為霍耳系數，對電子R=為-1/ne，對空穴為R=1/pe。浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云hRneRpenhnph

29、p 11,對聲學波散射對電離雜質散射對兼并半導體hhh381931,. ,霍耳遷移率 由于磁場的存在，電子的漂移運動方向發生變化，因此以上所指的遷移率嚴格來說應是磁場下的遷移率引入霍耳遷移率后，霍耳系數要進行修改，對簡單能帶半導體，Rn與Rp沒有差別由半導體的具體能帶結構可以算出霍耳遷移率 與一般遷移率的比值，它們為通過霍爾系數測量，可以確定材料的導電類型，載流子濃度，電導率等十分重要的參數因此霍耳系數是半導體材料的一個很重要參數浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云5.5 p -n 結結一一. p - n 結的形成結的形成 在在 n 型型半導體基片的一側半導體基片的一側摻入較高濃度的受主雜摻入

30、較高濃度的受主雜質質，該區就成為該區就成為p型半導體型半導體（補償作用）。（補償作用）。在在p型和型和n型半導體型半導體交交界面附近界面附近產生了一個產生了一個內建內建(電電)場場內內En型型p型型。內內E 阻止電子和空穴進阻止電子和空穴進一步擴散。一步擴散。內內E電子和空穴的擴散，電子和空穴的擴散，浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云平衡的平衡的PN結結：沒有外加偏壓沒有外加偏壓載流子漂移載流子漂移(電流電流)和擴散和擴散(電流電流)過程保持平衡過程保持平衡(相等相等)，形成自建場和自建勢形成自建場和自建勢浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 內建場大到一定內建場大到一定程度，不再有凈電程度

31、，不再有凈電荷的流動，達到了荷的流動，達到了新的平衡。新的平衡。 在在p型型 n型交界面附近形成的這種特殊結構型交界面附近形成的這種特殊結構稱為稱為p-n結（阻擋層，耗盡層），約結（阻擋層，耗盡層），約0.1 m厚。厚。 p-n結結內內Ep型型n型型浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 p-n結處存在結處存在電勢電勢差差U0形成的形成的勢壘區勢壘區 。也阻止也阻止n區帶負電的電子區帶負電的電子進一步向進一步向p區區擴散。擴散。 它阻止它阻止 p區帶正電的區帶正電的空穴進一步向空穴進一步向n區區擴散；擴散；U00eU 電子能級電子能級電勢曲線電勢曲線電子電勢能曲線電子電勢能曲線p-n結結np對對

32、 Si: U0=0.60.7 V對對Ge: U0=0.20.3 V浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 由于由于p-n結的存在，結的存在，電子電子的能量應考慮進勢壘帶的能量應考慮進勢壘帶來的來的附加勢能附加勢能。 電子的能帶出現彎曲現象：電子的能帶出現彎曲現象：空帶空帶空帶空帶p-n結結0eU 施主能級施主能級受主能級受主能級滿帶滿帶滿帶滿帶浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云二二 . P - n結的單向導電性結的單向導電性1. 正向偏壓正向偏壓p-n結的結的p型區接電源正極，叫型區接電源正極，叫正向偏壓。正向偏壓。形成正向電流（形成正向電流（m級）。級）。阻擋層勢壘阻擋層勢壘降降低低、變窄，

33、、變窄，有利于有利于空穴向空穴向n區運動，區運動，也有利也有利電子向電子向p區運動，區運動，外外E內內E和和反向，反向，外外Ep型型n型型I內內E浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 外加正向電壓越大，外加正向電壓越大，形成的正向電流也越大，形成的正向電流也越大，且呈且呈非線性的伏安特性。非線性的伏安特性。U（伏）（伏）302010（毫安）（毫安）正向正向00.21.0I鍺管的伏安特性曲線鍺管的伏安特性曲線浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云2. 反向偏壓反向偏壓p-n結的結的p型區接電源負極，叫型區接電源負極，叫反向偏壓。反向偏壓。也不利于電子向也不利于電子向p區運動。區運動。外外Ep型型n

34、型型I內內E 阻擋層勢壘升阻擋層勢壘升高、變寬，高、變寬，沒有正向電流沒有正向電流不利于空穴不利于空穴向向n區運動，區運動，外外E內內E和和同向，同向， 但是由于少數載流子的存在，會形成很弱但是由于少數載流子的存在，會形成很弱的反向電流，的反向電流， 稱漏電流（稱漏電流（ 級）。級）。浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 當外電場很強，反向電壓超過某一數值后，當外電場很強，反向電壓超過某一數值后，反向電流會急劇增大反向電流會急劇增大反向擊穿。反向擊穿。V(伏伏)I-10-20-30（微安）（微安）反向反向-20-30 用其用其單向導電性，單向導電性，可制成可制成晶體二極管晶體二極管(diode

35、)，擊穿電壓擊穿電壓用其用其光生伏特效應，光生伏特效應，可制成光可制成光電池。電池。pn結的應用：結的應用：作作整流、開關整流、開關用。用。 加反向偏壓加反向偏壓時，時，p n結的結的伏安特性曲線伏安特性曲線浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云雙極晶體管雙極晶體管發射區發射區收集區收集區基區基區發發射射結結收收集集結結發發射射極極收收集集極極基極基極浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云MOS場效應晶體管場效應晶體管浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云半導體器件半導體器件 p-n結的適當組合可以作成具有放大作用的晶結的適當組合可以作成具有放大作用的晶體三極管體三極管（trasistor）和其他一

36、些半導體器件。和其他一些半導體器件。集成電路集成電路 大規模集成電路大規模集成電路 超大規模集成電路超大規模集成電路晶體管晶體管（ 1947 ）（1962 ）（80年代年代 ）103105甚大規模集成電路甚大規模集成電路巨大規模集成電路巨大規模集成電路107109（70年代年代 ）（90年代年代 ）（現在）（現在）浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云晶體管的發明晶體管的發明 1947年年12月月23日，美國貝爾日，美國貝爾實驗室的半導體小組做出世界上實驗室的半導體小組做出世界上第一只具有放大作用的第一只具有放大作用的點接觸型點接觸型晶體三極管晶體三極管。 1956年小組的三位成員獲諾貝年小組的

37、三位成員獲諾貝爾物理獎。爾物理獎。巴丁巴丁J.Bardeen布拉頓布拉頓W.H.Brattain肖克利肖克利W.Shockley浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 每一個集成塊（圖中一個長方形部分）約為手指甲每一個集成塊（圖中一個長方形部分）約為手指甲大小，它有大小，它有300多萬個三極管。多萬個三極管。 INMOS T900 微處理器微處理器浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云尺寸效應體材料：體材料： r l l 忽略載流子與樣品邊界忽略載流子與樣品邊界的作用，體內散射為主。的作用，體內散射為主。d l 界面散射需考慮界面散射需考慮 r 磁場量子化磁場量子化 l 電導能帶理論不符合，電導能

38、帶理論不符合，低遷移率量子理論，介觀物理低遷移率量子理論，介觀物理 d 載流子運動量子尺寸效載流子運動量子尺寸效應應l浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云異質外延晶格常數差浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云晶格失配度臨界厚度晶格失配時厚度浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 bhfxabhccln121612222100.010.020.030.04晶 格 失 配 f101102103104臨 界 厚 度 值 hcPresent resultJ. W. MatthewsR. PeopleR. People Exp.SiGe/Si結構中熱應力對臨界厚度的影響 JY Huang et alJ.

39、Appl. Phys. 1998浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云異質結：兩種不同的材料異質結：兩種不同的材料“連接連接”在一起形成異質結在一起形成異質結半導體、金屬、絕緣體等大量材料都可以用來制備優質的異質結半導體、金屬、絕緣體等大量材料都可以用來制備優質的異質結例：例：SiO2/Si異質結，界面缺陷非常少異質結，界面缺陷非常少III-V化合物異質結化合物異質結 GaAs/AlGaAs, GaInAs/InP, GaInAs/AlInAs,GaSb/AlSb, GaN/AlN, InN/GaNII-VI化合物異質結化合物異質結 CdZnO/ZnO, ZnMgO/ZnO光電子、微電子廣泛采用

40、異質結光電子、微電子廣泛采用異質結調制能帶結構，實現能帶剪裁調制能帶結構，實現能帶剪裁量子結構中的電子態浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云例：幾種半導體異質結構能帶圖例：幾種半導體異質結構能帶圖GaSbInAsCE VE AlGaAsGaAsCEVEAlGaAsGaAsCE VE (a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(a)(b):單異質結單異質結(c):單量子阱單量子阱(d):多量子阱多量子阱(e):單勢壘結構單勢壘結構(f): 雙勢壘結構雙勢壘結構(g):多勢壘結構多勢壘結構(h): I 類超晶格類超晶格(i): II類超晶格類超晶格浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云根

41、據能帶的不連續性，可以分為根據能帶的不連續性，可以分為I型型II型型AlGaAsGaAsCEVEAlGaAsGaAsCE VE 電子和空穴在同一種材料中電子和空穴在同一種材料中GaSbInAsCE VE 電子和空穴在不同的材料中電子和空穴在不同的材料中浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云CEVEVCEE 一般約有幾百個毫電子伏，比載流子的能量一般約有幾百個毫電子伏，比載流子的能量(kT)要大許多，載流子被限制在勢阱中。要大許多，載流子被限制在勢阱中。勢阱寬度勢阱寬度 p 勢阱寬度勢阱寬度 p 阱中載流子的阱中載流子的de Broglie 波長波長經典勢阱經典勢阱量子勢阱量子勢阱量子阱結構量子阱

42、結構有如下假設：有如下假設：1）電子有效質量）電子有效質量m*為各向同性有效質量為各向同性有效質量 2）對異質結構的勢能，假設為理想的臺階形狀）對異質結構的勢能，假設為理想的臺階形狀 方勢阱近似方勢阱近似對應于薄膜厚度非對應于薄膜厚度非常薄的多層膜情況常薄的多層膜情況浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云在禁帶較窄的薄膜兩側，生長另一在禁帶較窄的薄膜兩側，生長另一種禁帶較寬的材料，就構成了量子種禁帶較寬的材料，就構成了量子阱。阱。gapBgapAEE AABZ三層薄膜結構，構成量子阱三層薄膜結構，構成量子阱阱寬阱寬pL 量子勢阱量子勢阱考慮電子情況，勢能：考慮電子情況，勢能： 2/|2/|0)(

43、LzZVbLzzzVAAB0z*em*hm2ZL2ZLVb量子阱勢能量子阱勢能勢阱勢阱高度高度勢阱勢阱寬度寬度電子氣（空穴氣）浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云江崎嶺于奈江崎嶺于奈 發現半導體中的隧道效應發現半導體中的隧道效應浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 霍爾效應1879年由Johns Hopkins 大學的研究生Edwin Hall發現1978年 Klaus von Klitzing 和Th. Englert 發現霍爾平臺1980年, 注意到霍爾平臺的量子化單位, 1985年, Klaus von Klitzing 獲諾貝爾物理獎1982年, 崔琦, H.L. Stomer 等發現

44、具有分數量子數的霍爾平臺磁性性質磁性性質-霍爾效應的歷史霍爾效應的歷史體材料薄膜VH = BI / (nqd) RH=VH/I=B/nqd=霍爾系數浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 K.V.克利青克利青 量子霍耳效應量子霍耳效應霍爾常數（強磁場中，縱向電壓和橫向電流的比值）量子化 RHV/Ih/e2 1，2，3，該效應稱為整數量子霍爾效應AT&T的D. Tsui、H. Stormer和A.Gossard發現隨著磁場增強，在v1/3,1/5,1/7等處，霍爾常數出現了新的臺階這種現象稱為分數量子霍爾效應浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 崔琦崔琦分數量子霍爾效應分數量子霍爾效應勞克

45、林勞克林斯特默斯特默浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云分數效應 崔琦, Stomer 等發現, 當Landau能級的占據數這里 p, m 為整數, m為奇數時, 有霍爾平臺.浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云LED特點 5.6半導體發光二極管、激光器半導體發光二極管、激光器浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云Active Layer5-period In0.3Ga0.7N/GaN SLs (2.5nm/4.0nm)Transparent electrodeP electrodeN electrodeBlue InGaN

46、/GaN multi-quantum well LED structureN-type GaN: Si 3-4mSubstrate Sapphire or SiP-type Al0.1Ga0.9N:Mg 100nmP-type GaN:Mg 0.5mGaN buffer layer: 30nm2.5nm InGaN4.0nm GaN浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 pn阻擋層阻擋層E內內-+-+-+-+-pn滿滿 帶帶空空 帶帶eU0pn滿滿 帶帶空空 帶帶e(U0-V)外外E內內pn阻擋層阻擋層+-+電子、空穴復合發光浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云導帶導帶禁帶禁帶價帶價帶pInpI

47、n- -+E內內U0導帶導帶禁帶禁帶價帶價帶三塊半導體三塊半導體緊密接觸，形成緊密接觸，形成 p-I-n 結結Inp（本征）（本征）+ -pInE內內E外外浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云Ec1Ec2Ev1Ev2EcEv量子阱LED能帶結構圖浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云超晶格LED能帶結構圖浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 同質結激光器同質結激光器實質上是由同一種材料制實質上是由同一種材料制成的一個成的一個p-n結（重摻雜）結（重摻雜）1. 同質結激光器同質結激光器半導體激光器分兩類半導體激光器分兩類: 異質結激光器異質結激光器實質上是由兩種不同材料制實質上是由兩種不同材料制成

48、的一個成的一個 p-I-n結（結（ I為本征半導體）為本征半導體）半導體激光器半導體激光器 半導體激光器是光纖通訊中的重要光源，在半導體激光器是光纖通訊中的重要光源，在創建信息高速公路的工程中起著極重要的作用。創建信息高速公路的工程中起著極重要的作用。浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云pn滿滿 帶帶空空 帶帶重摻雜重摻雜pn滿滿 帶帶空空 帶帶普通摻雜普通摻雜浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云 pn阻擋層阻擋層E內內-+-+-+-+-加正向偏壓加正向偏壓V 粒子數反轉粒子數反轉外外E內內pn阻擋層阻擋層+-+pn滿滿 帶帶空空 帶帶eU0pn滿滿 帶帶空空 帶帶e(U0-V)電子空穴復合發光電子空穴復合發光浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖云解理面解理面p-n結結p-n結結它的兩個端面就相它的兩個端面就相當于兩個反射鏡，當于兩個反射鏡，光振蕩光振蕩并利于并利于選頻。選頻。的反射系數，的反射系數，激勵能源就激勵能源就是外接是外接電源（電泵）。電源（電泵）。維持激光的輸出。維持激光的輸出。由自發輻射引起由自發輻射引起受激輻射。受激輻射。.p-n結本身就形成結本身就形成一個一個光學諧振腔，光學諧振腔，它提供正向電流，使電子空穴的復合不斷進行，它提供正向電流，使電子空穴的復合不斷進行，適當鍍膜達到所要求適當鍍膜達到所要求可形成可形成浙江大學硅材料國家重點實驗室 黃靖