固体物理53 半导体及其电阻率

时间: 2024-05-27 03:58:01 |   作者: 家居及玩具

  资料仅供参考一、半导体的基本特征、结构和分类半导体的导电性往往由于存在杂质而有很大的改变(如通过掺杂形成P型或N型半导体)。如果构成半导体的材料很纯,杂质的贡献可忽略,这种半导体称为本征半导体(intrinsicsemiconductor).反之,如杂质贡献明显,称为非本征半导体(extrinsicsemiconductor)或杂质半导体(impuritysemiconductor).在绝对零度时，半导体都是不导电的。资料仅供参考在一般温度下，半导体的电阻率一般在10-2~10Ωcm范围内，介于导体(10-6Ωcm)和绝缘体(1014~1023Ωcm)之间。对于金属而言，电阻随温度的降低而迅速减小，电阻的温度系数dR/dT而对于半导体来说，其电阻随温度的降低而升高，电阻的温度系数dR/dT半导体的能带结构和绝缘体类似把能量最高的满带称为价带，能量最低的空带称为资料仅供参考其中，ε分别对应带隙宽度、导带底能量和价带顶的能量。由于半导体的带隙较窄，所以价带顶附近的电子容易热激发到导带底附近，从而在价带顶附近出现空穴，形成近满带；导带底附近由于少量电子的存在，形成典型的元素半导体大多数来源于IV族元素，如硅、锗和灰锡，都具有金刚石结构；化合物半导体来自III-V族和II-VI族化合物。资料仅供参考III-V族化合物半导体一般具有类金刚石的闪锌矿结构(B3型结构)，如砷化镓(GaAs)、锑化镓(GaSb)、锑化铟(InSb)等；II-VI族化合物半导体是具有离子结合倾向的共价晶体，因此被称为极化半导体，如硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)等，具有纤锌矿结构也叫六方硫化锌(ZnS)结构(B4型结构)。二、本征半导体纯净的半导体是所谓的本征半导体。本征半导体中的载流子都是由本征激发产生的，亦即导带中的电子均来源于价带中的空穴处.资料仅供参考本征半导体导带中的电子密度n分别是导带和价带单位体积的态密度，由费米统计：kTnTkTkTpTg则上述两式可以化简。资料仅供参考kTkTkTkT时,本征半导体导带中的电子密度nkTkTkTpTgdgede时,本征半导体导带中的电子密度n可以化为：其中：因为：资料仅供参考VBkTkTNTePTe所以,对于半导体而言,体系的化学势μ有如下特点：半导体体系的化学势μ：所以体系的化学势μ的位置的改变不超过kT量级。为此,习惯上,也把半导体的化学势μ称为费米能级,记为ε相对于费米能级来说很小，所以对于本征半导体来说，即使温度不为零，其费米能级也基本上位于禁带的中间位置。此处半导体的ε与金属的费米能级有区别，对于半导体并没有单电子能级在费米能级上(禁带中)，它也不是将占据态和非占据态分开的唯一能量。资料仅供参考对于实际的半导体，带隙ε总能满足。从而，费米分布过渡到经典玻尔兹曼分布。表明导带中的电子和价带中的空穴遵从经典统计规则，是非简并的(nondegenerate)，相应的半导体称为非简并半导体。三、非本征半导体在本征半导体中掺入少量杂质,可以强烈影响半导体的电学性质,这类半导体称为非本征半导体(extrinsicsemiconductor)或杂质半导体(impuritysemiconductor).掺杂主要是破坏了晶体的周期性,而在禁带中形成局域态,出现定域能级.资料仅供参考在非本征半导体中，能向导带提供电子的杂质原子称为施主(donor)。如在锗和硅中加入5价元素磷、砷、锑等，磷、砷、锑称为施主。其定域能级ε，由于热激发，这类杂质能向导带提供电子。定义施主电离能为ε，它是一个比本征激发能量低得多的能量。通常把含有施主杂质的半导体称为N型半导体，显然，在这种半导体中，导带中电子的浓度高于价带中空穴的浓度，如图(a)所示。资料仅供参考如在锗和硅加入3价元素铝、镓、铟等，等效于杂质处多了一个负电荷，电子感受的附加势大于零。定域能，相当于束缚了一个空穴，易于接受从价带顶激发的电子。或说成束缚的空穴易于电离到价带中，能向价带提供空穴的杂质原子称为受主(acceptor)。定义受主电离能为ε，它也比本征激发能量低得多。通常把含有受主杂质的半导体称为P型半导体，显然，在这种半导体中，价带中空穴的浓度高于导带中电子的浓度，如图(b)所示。资料仅供参考非本征半导体的能带示意图资料仅供参考对于半导体材料，其电导率可习惯上表示为其中称为载流子的迁移率(mobility).由于所以，迁移率表示单位电场下载流子的平均漂移速度。对于半导体同时有电子和空穴两种载流子，所以nepe分别为电子、空穴的浓度和迁移率资料仅供参考下图画出了半导体典型的电阻率随气温变化的曲线。大致上可以分为三个区：低温区、饱和区和本征区。半导体电阻率随温度的变化与金属很不一样。下面我们主要以N型半导体为例，讨论各变化区域的主要物理机制。资料仅供参考低温区,施主还没有全部电离.于是随着温度的上电离施主增多,使得导带电子浓度上升;同时在此温度范围内晶格振动还不显著,散射主要由电离杂质决定,迁移率随温度的上升而增高.尽管电离施主数量的增多也要在某些特定的程度上限制迁移率增加,但总的效果仍是使得电阻(率)随温度的升高而下降。nepe资料仅供参考饱和区,杂质全部电离.由于本征激发还不显著,然而此时晶格振动散射已起最大的作用,使迁移率下由于本征激发载流子浓度随温度的上升而增加的作用远超于迁移率下降的影响,所以在本征区电阻(率)随温度的升高而下降.资料仅供参考四、半导体的光吸收除了上面所讲的热激发以外，光照也可以引起半导体中电子从价带到导带的跃迁，形成电子-空穴对，这样的一个过程称为本征光吸收。光入射到半导体上引起的光吸收通常包括基本吸收区、吸收边缘界限、自由载流子吸收、新的吸收峰和杂质吸收等部分，如图所示。资料仅供参考基本吸收区处在紫外和可见光区,有时包括近红外光它对应电子从价带跃迁到导带所引起的强吸收区.在跃迁过程中，伴随着产生可以迁移的电子或空穴，因而出现光电导。吸收系数可高达10cm-1。在基本吸收区的高能端(20eV)，吸收系数有一个平缓的下降；而在低能端，吸收系数却迅速下降，基本吸收区低能端的这一边界是吸收光谱中最突出的一个特征，称为吸收边。资料仅供参考基本吸收指的是电子吸收光子后从价带跃迁到导带的过程。只有光子能量大于禁带宽度才可能会产生基本吸收.因此，在基本吸收光谱中存在一个长波限，波长大于此限的光不能引起基本吸收。长波限波长为其中，h为普朗克常数，c为真空光速。在基本吸收过程中，光子和电子应该满足能量和动量守恒条件.资料仅供参考上式是一个只涉及光子-电子相互作用的直接跃迁。对于吸收边附近的跃迁，由于光子的极限波长λ10-4cm，光子的动量2π/λ与带边电子的动量2π/a(a10-8cm)相比可忽略。于是带边直接跃迁的动量守恒条件变为:即在跃迁过程中电子的波矢不变，在ε(k)图上初态和终态几乎在同一竖直线上，通常称这种跃迁为直接跃 迁或竖直跃迁。 能量和动量守恒条件: 资料仅供参考直接带隙半导体的导带边和价带边位于同一k值处. 不过, 由于受到动量守恒条件的限制, 不是所有半导体 都能发生带边直接跃迁, 它取决于半导体的能带结构. 如图所示, III-V族化合物如砷化镓(GaAs)、锑化铟 (InSb)以及II-VI族化合物半导体如氧化锌(ZnO)等都 是直接带隙半导体。 能够发生带边直接跃迁的半导体称为直接带隙半导体. 资料仅供参考在这种情况下，带边之间的光致直接跃迁不满足动量 守恒条件，因为光子不能提供足够大的波矢。但是， 如果该过程中有声子参加，即产生或湮灭一个声子的 话，则可使得能量和动量守恒。 亦即 对于Ge、Si等半导体, 导带边和价带边不位于同一k 亦即导带最低能量的k值和价带最高能量的k值不相同. 它们之间相隔一个相当大的波矢k 资料仅供参考另一方面, 由于典型声子的能量(0.01~0.03 eV)一般 远小于带隙, 所以, 光子提供跃迁过程所需的大部分能 通常把这种有声子参与的带边跃迁称为间接跃迁或非竖直跃迁, 相应的半导体称为间接带隙半导体. 如图所示 实际上，由于光子的动量极小，而声子携带与带 边电子同一数量级的动量，所以主要由声子提供跃迁 过程所需要的动量。 资料仅供参考 即电子通过吸收一个光子直接跃迁到一个虚态, 再由 虚态过渡到终态, 发射或湮没一个波矢q