半导体物理课件chapter3.ppt

1、School of Microelectronics半导体物理半导体物理西安电子科技大学西安电子科技大学微电子学院微电子学院School of Microelectronics3.1 导带电子浓度与价带空穴浓度导带电子浓度与价带空穴浓度3.2 本征载流子浓度与本征费米能级本征载流子浓度与本征费米能级3.3 杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度3.4 简并半导体及其载流子浓度简并半导体及其载流子浓度3.5 非平衡载流子的产生与复合非平衡载流子的产生与复合 准费米能级准费米能级3.6 非平衡载流子的寿命与复合理论非平衡载流子的寿命与复合理论第三章第三章 半导体中的平衡半导体中的平衡与非平衡

2、载流子与非平衡载流子School of Microelectronics3.1 导带电子浓度与价带空穴浓度导带电子浓度与价带空穴浓度l要计算半导体中的导带电子浓度，必须先要知道导带中能量间隔内有多少个量子态。l又因为这些量子态上并不是全部被电子占据，因此还要知道能量为的量子态被电子占据的几率是多少。l将两者相乘后除以体积就得到区间的电子浓度，然后再由导带底至导带顶积分就得到了导带的电子浓度。School of Microelectronics一、状态密度一、状态密度 导带和价带是准连续的，定义单位能量间隔内的量子态数为状态密度dEdZ(E)E(g 为得到g(E)，可以分为以下几步：先计算出k空

3、间中量子态密度；然后计算出k空间能量为E的等能面在k空间围成的体 积，并和k空间量子态密度相乘得到Z(E)；再按定义dZ/dE=g(E)求出g(E)。School of Microelectronics1.k空间量子态密度空间量子态密度lkx，ky，kz在空间取值是均匀分布的，k空间每个允许的 k值所占体积为 ，那么允许k值的密度为 1/(1/V)=V。l由于每个k值可容纳自旋方向相反的两个电子，所以考虑自旋k空间电子的量子态密度是2V。V1L1L1L1321School of Microelectronics2.状态密度状态密度Si、Ge在导带底附近的E(k)k关系为能量为E的等能面在k空间

4、所围成的s个旋转椭球体积内的量子态数为导带底Ec不在k0处，且上述方程共有s个(Si的s=6，Ge的s=4)，将上式变形l2zt2y2x2mkmkk2hEc)k(E1)EcE(h2mk)EcE(h2mk)EcE(h2mk2l2z2t2y2t2x23321l22t21l2t)EcE(h)ms8m(342Vh)EcE(2mh)EcE(2m342Vs)E(ZSchool of Microelectronics则导带底（附近）状态密度为21321l2t2)EcE(h)mm8s(V4dE)E(dZ)(EgC31l2t2*n)mm(sm 令 ，称mn*为导带底电子状态密度有效质量，则21323*nC)Ec

5、(Eh)m(2V4dEdZ(E)(E)g同理，对近似球形等能面的价带顶附近，起作用的是极值相互重合的重空穴(mp)h 和轻空穴(mp)l两个能带，故价带顶附近状态密度 gv(E)为两个能带状态密度之和21323*pVE)-(Evh)(2mV4(E)g其中 ，称为价带顶空穴状态密度有效质量。3223hp23lpdp*p)m()m(mmSchool of Microelectronics二、二、Fermi分布函数分布函数 热平衡条件下半导体中电子按能量大小服从一定的统计分布规律。能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率为l据上式，能量比EF高5k0T的量子态被电子占据的几率仅为0.7%；而能量比E

6、F低5k0T的量子态被电子占据的几率高达99.3%。l如果温度不很高，那么EF 5k0T的范围就很小，这样费米能级 EF就成为量子态是否被电子占据的分界线：1)能量高于费米能级的量子态基本是空的；2)能量低于费米能级的量子态基本是满的；3)能量等于费米能级的量子态被电子占据的几率是50%。TkEEexp11)E(f0FSchool of Microelectronics费米分布函数中，若E-EFk0T，则分母中的1可以忽略，此时上式就是电子的玻耳兹曼分布函数。同理，当EF-Ek0T时，上式转化为下面的空穴玻耳兹曼分布TkEexpATkEexpTkEexpTkEEexp)E(f000F0FBTk

7、EEexp11f(E)10FTkEBexpTkEexpTkEexpTkEEexpf(E)1000F0F三、玻耳兹曼分布函数三、玻耳兹曼分布函数School of Microelectronicsl半导体中常见的是费米能级EF位于禁带之中，并且满足 Ec-EFk0T或EF-Evk0T的条件。l因此对导带或价带中所有量子态来说，电子或空穴都可以用玻耳兹曼统计分布描述。l由于分布几率随能量呈指数衰减，因此导带绝大部分电子分布在导带底附近，价带绝大部分空穴分布在价带顶附近，即起作用的载流子都在能带极值附近。l通常将服从玻耳兹曼统计规律的半导体称为非简并半导体；而将服从费米统计分布规律的半导体称为简并半

8、导体。School of Microelectronics四、半导体中导带电子和价带空穴浓度四、半导体中导带电子和价带空穴浓度 导带底附近能量EE+dE区间有dZ(E)=gc(E)dE个量子态，而电子占据能量为E的量子态几率为f(E)，对非简并半导体，该能量区间单位体积内的电子数即电子浓度n0为 对上式从导带底Ec到导带顶Ec 积分，得到平衡态非简并半导体导带电子浓度dE)EcE)(TkEEexp(h)(2m4VdNdn210F323*n021EcEc0F323*nEcEc0F21323*n0)dETkE-EcEc-Eexp(Ec)-(Eh)(2m4dE)TkEEexp()EcE(h)(2m4

9、nSchool of Microelectronics 引入中间变量 ，得到 已知积分 ，而上式中的积分值应小于 。由于玻耳兹曼分布中电子占据量子态几率随电子能量升高急剧下降，导带电子绝大部分位于导带底附近，所以将上式中的积分用 替换无妨，因此 其中 称为导带有效状态密度，因此TkEcEx0 x0 x210F3230*n0dxex)TkEEcexp(hT)k(2m4n2dxex0 x212/2/)TkE-EcNcexp()TkEEcexp(hT)km(22dxex)TkEEcexp(hT)k(2m4n0F0F30n0 x0F3230*n023213230*nhT)km 2(2Nc School

10、 of Microelectronics同理可以得到价带空穴浓度其中 称为价带有效状态密度，因此 平衡态非简并半导体导带电子浓度n0和价带空穴浓度p0与温度和费米能级EF的位置有关。其中温度的影响不仅反映在Nc和Nv均正比于T3/2上，影响更大的是指数项；EF位置与所含杂质的种类与多少有关，也与温度有关。)TkE-Ec(Ncexpn0F0)TkEEvexp(Nv(E)dEf(E)g1V1p0FEvEvV03230*phT)km 2(2vN)TkEEvNvexp(p0F0School of Microelectronics 将n0和p0相乘，代入k0和h值并引入电子惯性质量m0，得到 总结：l平

11、衡态非简并半导体n0p0积与EF无关；l对确定半导体，mn*、mp*和Eg确定，n0p0积只与温度有关，与是否掺杂及杂质多少无关；l一定温度下，材料不同则 mn*、mp*和Eg各不相同，其n0p0积也不相同。l温度一定时，对确定的非简并半导体n0p0积恒定；l平衡态非简并半导体不论掺杂与否，上式都是适用的。)TkEgexp(T)mmm(102.33)TkEgNcNvexp()TkEvEcNcNvexp(pn032320*p*n310000School of Microelectronics3.2 本征载流子浓度与本征费米能级本征载流子浓度与本征费米能级l本征半导体：不含有任何杂质和缺陷。l本征

12、激发：导带电子唯一来源于成对地产生电子空穴对，因 此导带电子浓度就等于价带空穴浓度。l本征半导体的电中性条件是 qp0-qn0=0 即 n0=p0 将n0和p0的表达式代入上式的电中性条件 取对数、代入Nc和Nv并整理，得到)TkEEvNvexp()TkEEcNcexp(0F0FEimmln4T3k2EvEcNcNvln2Tk2EvEcE*n*p00FSchool of Microelectronics 上式的第二项与温度和材料有关。室温下常用半导体第二项的值比第一项(Ec+Ev)/2(约0.5eV)小得多，因此本征费米能级EF=Ei基本位于禁带中线处。将本征半导体费米能级EF=Ei=(Ec+

13、Ev)/2代入n0、p0表达式，得到本征载流子浓度nii000F0n)T2kEgNcexp()T2kEvEc2EcNcexp()TkEEcNcexp(ni000F0n)T2kEgNvexp()T2kEcEvNvexp()TkEEvNvexp(p2i000n)TkEgNcNvexp(pnSchool of Microelectronics 表明：l任何平衡态非简并半导体载流子浓度积n0p0 等于本征载流子浓度ni的平方；l对确定的半导体料，受式中Nc和Nv、尤其是指数项exp(-Eg/2k0T)的影响，本征载流子浓度ni随温度的升高显著上升。School of Microelectronics3

14、.3 杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度一、电子占据施主能级的几率一、电子占据施主能级的几率 杂质半导体中，施主杂质和受主杂质要么处于未离化的中性态，要么电离成为离化态。以施主杂质为例，电子占据施主能级时是中性态，离化后成为正电中心。因为费米分布函数中一个能级可以容纳自旋方向相反的两个电子，而施主杂质能级上要么被一个任意自旋方向的电子占据(中性态)，要么没有被电子占据(离化态)，这种情况下电子占据施主能级的几率为 TkEEexp2111Ef0FDDSchool of Microelectronics如果施主杂质浓度为ND，那么施主能级上的电子浓度为而电离施主杂质浓度为 上式表明施主杂

15、质的离化情况与杂质能级ED和费米能级EF的相对位置有关：l如果ED-EFk0T，则未电离施主浓度nD0，而电离施主浓度nD+ND，杂质几乎全部电离。l如果费米能级EF与施主能级ED重合时，施主杂质有1/3电离，还有2/3没有电离。TkEEexp211N(E)fNn0FDDDDDTkEE2exp1NnNn0FDDDDDSchool of Microelectronics二、杂质半导体载流子浓度（二、杂质半导体载流子浓度（n型）型）n型半导体中存在着带负电的导带电子(浓度为n0)、带正电的价带空穴(浓度为p0)和离化的施主杂质(浓度为nD+)，因此电中性条件为 即 将n0、p0、nD+各表达式代入

16、可得到一般求解此式是有困难的。)TkEE2exp(1N)TkEEvNvexp()TkEEcNcexp(0FDD0F0F0qnqpqnD00D00npnSchool of Microelectronics 实验表明，当满足Si中掺杂浓度不太高并且所处的温度高于100K左右的条件时，那么杂质一般是全部离化的，这样电中性条件可以写成 与 n0p0ni2 联立求解，杂质全部离化时的导带电子浓度n0 一般Si平面三极管中掺杂浓度不低于51014cm-3，而室温下Si的本征载流子浓度ni为1.51010cm-3，也就是说在一个相当宽的温度范围内，本征激发产生的ni与全部电离的施主浓度ND相比是可以忽略的。

17、这一温度范围约为100450K，称为强电离区或饱和区，对应的电子浓度为D00Npn24nNNn2i2DD0D2i2DD0N24nNNnSchool of Microelectronics 强电离区导带电子浓度n0ND，与温度几乎无关。上式中代入n0表达式，得到通过变形也可以得到l一般n型半导体的EF位于Ei之上Ec之下的禁带中。lEF既与温度有关，也与杂质浓度ND有关：一定温度下掺杂浓度越高，费米能级EF距导带底Ec越近；如果掺杂一定，温度越高EF距Ec越远，也就是越趋向Ei。D0FN)TkEcENcexp(NcNTlnkcEED0FD0Fi0F0FNTkEEi-expnTkEEiEicENc

18、expTkEcENcexpiD0FnNTlnkiEESchool of Microelectronics 下图是不同杂质浓度条件下Si中的EF与温度关系曲线。图3.1 Si中不同掺杂浓度条件下费米能级与温度的关系School of Microelectronics n型半导体中电离施主浓度和总施主杂质浓度两者之比为将强电离区的式 代入上式得到 可见 越小，杂质电离越多。所以掺杂浓度ND低、温度高、杂质电离能ED低，杂质离化程度就高，也容易达到强电离，通常以I+=nD+/ND=90%作为强电离标准。经常所说的室温下杂质全部电离其实忽略了掺杂浓度的限制。I)TkEEc)exp(TkE2exp(11

19、)TkEEcEcE2exp(11)TkEE2exp(11Nn0F0D0FD0FDDDNcN)TkEEcexp(D0FNcN)TkE2exp(11NnID0DDDNcN)TkE2exp(D0DSchool of Microelectronics例：室温下掺磷的n型Si，Nc=2.81019cm-3，ED=0.044eV，k0T=0.026eV，取I+为0.9，则2.861017cm-3就是室温下Si中掺磷并且强电离的浓度上限，浓度再高电离就不充分了。把非简并半导体n0表达式代入nD+/ND中，再利用n0=nD+=I+ND，得对给定的ND和ED，可以求得任意杂质电离百分比情形下所对应的温度T。31

20、7190D1Dcm1086.2)026.0044.0exp(912108.2)TkEexp(1I2NcNh)k m(2)II1(N1lnlnT23)T1)(kE(3230*n2D0DSchool of Microelectronics 杂质强电离后，如果温度继续升高，本征激发也进一步增强，当ni可以与ND比拟时，本征载流子浓度就不能忽略了，这样的温度区间称为过渡区。就可求出过渡区以本征费米能级Ei为参考的费米能级EF 处在过渡区的半导体如果温度再升高，本征激发产生的ni就会远大于杂质电离所提供的载流子浓度，此时，n0ND，p0ND，电中性条件是n0=p0，称杂质半导体进入了高温本征激发区。在高

21、温本征激发区，因为n0=p0，此时的EF接近Ei。)TkEEiexp(n)TkEEiEiEcNcexp()TkEEcNcexp(n0Fi0F0F0i2i2DD0F2n4nNNTlnkEiESchool of Microelectronicsl可见n型半导体的n0和EF是由温度和掺杂情况决定的。l杂质浓度一定时，如果杂质强电离后继续升高温度，施主杂质对载流子的贡献就基本不变了，但本征激发产生的ni随温度的升高逐渐变得不可忽视，甚至起主导作用，而EF则随温度升高逐渐趋近Ei。l半导体器件和集成电路就正常工作在杂质全部离化而本征激发产生的ni远小于离化杂质浓度的强电离温度区间。l在一定温度条件下，E

22、F位置由杂质浓度ND决定，随着ND的增加，EF由本征时的Ei逐渐向导带底Ec移动。ln型半导体的EF位于Ei之上，EF位置不仅反映了半导体的导电类型，也反映了半导体的掺杂水平。School of Microelectronics 下图是施主浓度为51014cm-3 的n型Si中随温度的关系曲线。低温段(100K以下)由于杂质不完全电离，n0随着温度的上升而增加；然后就达到了强电离区间，该区间n0=ND基本维持不变；温度再升高，进入过渡区，ni不可忽视；如果温度过高，本征载流子浓度开始占据主导地位，杂质半导体呈现出本征半导体的特性。图3.2 n型Si中导带电子浓度和温度的关系曲线School o

23、f Microelectronics如果用nn0表示n型半导体中的多数载流子电子浓度，而pn0表示n型半导体中少数载流子空穴浓度，那么n型半导体中 在器件正常工作的强电离温度区间，多子浓度nn0=ND基本不变，而少子浓度正比于ni2，而 ，也就是说在器件正常工作的较宽温度范围内，随温度变化少子浓度发生显著变化，因此依靠少子工作的半导体器件的温度性能就会受到影响。对p型半导体的讨论与上述类似。no2inonnpTkEgexpTn032iSchool of Microelectronics 对于杂质补偿半导体，若nD+和pA-分别是离化施主和离化受主浓度，电中性条件为 如果考虑杂质强电离及其以上的

24、温度区间，nD+=ND和pA=NA，上式为 与n0p0=ni2联立求解得到杂质强电离及其以上温度区域此式都适用。A0D0pnnpA0D0NnNp212i2ADAD024n)N(N2NNn 三、一般情况下的载流子浓度三、一般情况下的载流子浓度School of Microelectronics杂质补偿半导体以Ei为参考的表达式为 (ND-NA)ni对应于强电离区；(ND-NA)与ni可以比拟时就是过渡区；如果(ND-NA)k0T不再成立，必须用费米分布函数计算导带电子浓度，这种情况称为载流子的简并化，服从费米分布的半导体称为简并半导体。School of Microelectronics一、简并

25、化条件一、简并化条件 由n型简并与非简并半导体的n0/Nc与(EF-Ec)/(k0T)关系图可见：简并与非简并半导体两者n0/Nc的差别与Ec-EF的值有关，因此用Ec-EF的大小作为判断简并与否的标准图3.3 不同分布函数得到的n0/Nc与(EF-Ec)/(k0T)关系非简并弱简并 T2kEEc T2kEEc0简并 0EEc0F0FFSchool of Microelectronics二、简并半导体的载流子浓度二、简并半导体的载流子浓度 简并半导体的n0与非简并半导体计算类似，只是分布函数要代入费米分布因为 ，再令 ，上式化简为其中积分 称为费米-狄拉克积分，因此简并半导体的n0表达式为dE

26、)TkEEexp(11Ec)(Eh)(2m4dE(E)f(E)gV1nEc0F21323*nEcC03230*nhT)k m 2(2NcTkEcE0TkEEc0Fdxe1xNc2n0 x210)(F)TkEEc(Fdxe1x210F210 x21 NcF2n210School of Microelectronics 下图是费米-狄拉克积分F1/2()与的关系：图3.4 费米-狄拉克积分F1/2()与关系School of Microelectronics例：究竟什么样的掺杂浓度会发生简并呢？如果Si中施主浓 度为ND，施主杂质电离能为ED，根据电中性条件n0=nD+，代入nD+和简并时的n0表

27、达式，得到所以简并时 EcEF=0，=0，根据图3.4得到F1/2(0)0.6，所以上式方括号内的值大于3，所以简并时NDNc，掺杂很高。发生简并的ND还与ED有关，ED较大则发生简并所需要的ND也大；另外简并化只在一定的温度区间内才会发生。)TkEE2exp(1N)TkEEc(F2Nc0FDD0F21)TkEEc)exp(TkE2exp()1TkEEc(F2NcN0F0D0F21D)NcTkE2exp(0.681N 0DDSchool of Microelectronics三、简并时杂质未充分电离三、简并时杂质未充分电离lAs在Ge和Si中的ED分别为0.0127eV和0.049eV，简并时

28、 Ec-EF=0，经计算得到室温下的离化率分别只有23.5%和7.1%，因此简并时杂质没有充分电离。l尽管杂质电离不充分，但由于掺杂浓度很高，多子浓度还是可以很高的。l因为简并半导体中的杂质浓度很高，杂质原子之间相距较近，相互作用不可忽略，杂质原子上的电子可能产生共有化运动，从而使杂质能级扩展为能带。l杂质能带的出现将使杂质电离能减小，当杂质能带与半导体能带相连时，会形成新的简并能带，同时使状态密度产生变化。School of Microelectronics3.5 非平衡载流子的产生与复合非平衡载流子的产生与复合 准费米能级准费米能级 一、非平衡载流子的产生与复合一、非平衡载流子的产生与复合

29、 平衡态半导体的标志就是具有统一的费米能级EF，此时的平衡载流子浓度n0和p0唯一由EF决定。平衡态非简并半导体的n0和p0乘积为 称n0p0=ni2为非简并半导体平衡态判据式。2i000n)TkEgNcNvexp(pnSchool of Microelectronics 但是半导体的平衡态条件并不总能成立，如果某些外界因素作用于平衡态半导体上，如图所示的一定温度下用光子能量hEg的光照射n型半导体，这时平衡态条件被破坏，样品就处于偏离平衡态的状态，称作非平衡态。光照前半导体中电子和空穴浓度分别是n0和p0，并且n0p0。光照后的非平衡态半导体中电子浓度n=n0+n，空穴浓度p=p0+p，并且

30、n=p，比平衡态多出来的这部分载流子n和p就称为非平衡载流子。n型半导体中称n为非平衡多子，p为非平衡少子。图3.5 n型半导体非平衡 载流子的光注入School of Microelectronicsl光照产生非平衡载流子的方式称作非平衡载流子的光注入，此外还有电注入等形式。l通常所注入的非平衡载流子浓度远远少于平衡态时的多子浓度。例如n型半导体中通常的注入情况是n n0，p n0，满足这样的注入条件称为小注入。l要说明的是即使满足小注入条件，非平衡少子浓度仍然可以比平衡少子浓度大得多。l例如：磷浓度为51015cm-3 的n-Si，室温下平衡态多子浓度n0=51015cm-3，少子浓度p0

31、=ni2/n0=4.5104cm-3，如果对该半导体注入非平衡载流子浓度n=p=1010cm-3，此时nn0，pp0，满足小注入条件。但必须注意尽管此时n(n0+p0)，则1/rp，复合过程中p减少使寿命不再是常数。lSi、Ge两种半导体的寿命远小于直接复合模型所得到的计算值，说明直接复合不是主要机制。l直接复合强弱与能带结构和Eg值等因素有关。200dp)(rp)pn(rUp)p(nr1Up00dSchool of Microelectronics 2.间接复合间接复合l杂质和缺陷在半导体禁带中形成能级，它们不但影响半导体导电性能，还可以促进非平衡载流子的复合而影响其寿命。l通常把具有促进复

32、合作用的杂质和缺陷称为复合中心。通常把具有促进复合作用的杂质和缺陷称为复合中心。l实验表明半导体中杂质和缺陷越多，载流子寿命就越短。l复合中心的存在使电子-空穴的复合可以分为两个步骤，先是导带电子落入复合中心能级，然后再落入价带与空穴复合，而复合中心被腾空后又可以继续进行上述过程。l相反的逆过程也同时存在。School of Microelectronics 当只存在一个复合中心能级Et时，相对于Et存在如图所示的四个过程：(1)复合中心能级Et从导带俘获电子；(2)复合中心能级Et向导带发射电子；(3)复合中心能级Et上电子落入价带与空穴复合；(4)价带电子被激发到复合中心能级Et。这四个过

33、程中(1)和(2)互为逆过程，(3)和(4)也互为逆过程。图3.7 间接复合过程School of Microelectronics 如果半导体的导带电子浓度为n而价带空穴浓度为p，复合中心浓度为Nt，可以得到非平衡载流子通过单一复合中心间接复合的复合率表示式式中rn和rp分别是电子和空穴俘获系数，反映了复合中心能级Et俘获电子和空穴能力的强弱；n1和p1分别是EF恰好与Et重合时的平衡导带电子和价带空穴浓度，即)p(pr)n(nr)n(nprNtrU1p1n2ipn)TkEt-Eiexp(n)TkEt-EiEi-EcNcexp()TkEtEcNcexp(n0i001)TkEt-Eiexp(n

34、)TkEt-EiEiEvNvexp()TkEtEvNvexp(p0i001School of Microelectronics如果rnrp=r，说明复合中心能级越靠近禁带中线，复合率就越大。l因此那些能级位置处在禁带中线附近的深杂质能级可以提供最有效的复合中心，例如Si中的Au、Cu、Fe等。l而远离禁带中线的浅施主和浅受主杂质能级对复合的影响不大。l器件生产中的掺金工艺是缩短少子寿命的有效手段，通过改变Si中金含量，可以大幅度调整少子的寿命。)TkEiEtch(n2pnnnpNtr)TkEt-Eiexp(np)TkEt-Eiexp(nn)nNtr(npU0i2i0i0i2iSchool of

35、 Microelectronics平衡态时 np=n0p0=ni2，即净复合率U=0；当存在非平衡载流子注入时，npni2，U0。将n=n0+n及p=p0+p代入公式，得表明寿命1/Nt，也就是复合中心浓度越高寿命越小。小注入时p(n0+p0)，如果rn和rp相差不大，可得到p)p(prp)n(nr)pppp(nrNtrU10p10n200pnp)p(nrNtrp)p(prp)n(nrpU1Up00pn10p10n)p(nrNtr)p(pr)n(nr00pn10p10nSchool of Microelectronicsl所以小注入条件下间接复合所决定的寿命只取决于n0、p0、n1和p1的值，与p无关。ln0、p0、n1和p1大小分别取决于费米能级EF和复合中心能级Et 的位置，这几个值通常互相相差若干数量级，只要考虑其中的最大项即可。