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第六章半导体材料

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半导体物理学第6章(pn结)

半导体物理学第6章(pn结)
电压全降落于耗尽层
①+②在扩散区,少子电流只需考虑扩散
♦③忽略耗尽层中的产生,复合
通过耗尽层时,可认为电子电流
和空穴电流均保持不变
♦④玻耳兹曼边界条件
★ 伏安特性
定性图象 ♦正向偏压下,势垒降低,非平衡少子注入, 正向电流随正向电压的增加很快增加. ♦反向偏压下,势垒升高,非平衡少子被抽 取,反向电流很小,并可达到饱和.
qDP
dpn dx'
q DP LP
ni2 ND
eqVA / kT 1 ex'/ LP
电子电流
P型侧
np (x'')
ni2 NA
eqVA / kT 1 ex''/ LN
x'' 0
J N (x'')
qDN
dn p dx' '
q DN LN
ni2 NA
e 1 e qVA / kT
x''/ LN
eD L
eV
np0 (e kT
1)
③J~V特性:
eV
J J (xn ) J (xp ) JS (e kT 1)
JS
eD L
pn0
eD L
np0
pn junction diode
即有: x xp
n np0
p pp0
xn x
n nn0
p pn0
xp x xn
eV ( x)
n(x) np0e kT
eVD
np0 nn0e kT
eV ( x)
p(x) pp0e kT
eVD
pn0 pp0e kT
图6-9
平衡p-n结载流子浓度分布的基本特点:

半导体物理_第六章

半导体物理_第六章

对于N型半导体材料，在小注入条件下，少数载 流子空穴的浓度将以时间常数τp0进行衰减。
τp0称为过剩少数载流子的寿命。此时多数载流 子电子和少数载流子空穴的复合率也完全相等， 即：
一般而言，过剩载流子产生率通常与电子或空 穴的浓度无关。
讨论过剩载流子产生和复合过程常用的符号
3. 产生与复合过程 （1）带与带之间的产生与复合过程：
2. 过剩载流子的产生与复合 当有外界激发条件（例如光照）存在时， 将会把价带中的一个电子激发至导带，从而产 生了一个电子－空穴对，这些额外产生出的电 子和空穴就称为过剩电子和过剩空穴。
过剩电子和过剩空穴一般是由外界激发条件 而产生的，其产生率通常记为gn'和gp'，对于 导带与价带之间的直接产生过程来说，过剩电 子和过剩空穴也是成对产生的，因此有：
当有过剩载流子产生时，电子的浓度和空穴 的浓度就会高出热平衡时的浓度，即：
其中n0和p0分别是热平衡状态下导带电子和价带 空穴的浓度，δn和δp分别是过剩电子和过剩空 穴的浓度。 右图所示 就是由光 激发所引 起的过剩 电子和过 剩空穴的 产生过程
当有过剩载流子产生时，外界的激发作用就 已经打破了热平衡状态，电子和空穴的浓度也 不再满足热平衡时的条件，即：
第六章 半导体中的非平衡过剩载流子
本章学习要点： 1. 了解有关过剩载流子产生与复合的概念； 2. 掌握描述过剩载流子特性的连续性方程； 3. 学习双极输运方程，并掌握双极输运方程的 几个典型的应用实例； 4. 建立并深刻理解准费米能级的概念； 5. 了解表面效应对过剩载流子复合的影响，并 掌握其定性分析的方法。
D’和μ’分别称为双极扩散系数和双极迁移率。 根据扩散系数和迁移率之间的爱因斯坦关系，

半导体物理_第六章_pn结

半导体物理_第六章_pn结

Jn dEF dx n n
qDp dEF J p p0 kT dx
电流密度与费米能级的关系 对于平衡的pn结，Jn, Jp均为零，因此，
Jp dEF dx p p
EF=常数
qDp dEF J p p0 kT dx
当电流密度一定时，载流子浓度大的地方， EF随 位置变化小，而载流子浓度小的地方， EF随位置 变化较大。
非平衡载流子的电注入：正向偏压使非平衡载流子进入半导 体的过程。
注入到p区的电子断与空穴复合，电子流不断转化 为空穴流，直到全部复合为止。
扩散电流〉漂移电流
根据电流连续性原理，通过pp’(或nn’)任何一个界 面的总电流是相等的。只是电子电流和空穴电流 的比例不同。 总电流=扩散电流+漂移电流
反向偏移下，非平衡状态 外加反向电场与内建势场方向一致。
1. pp’处注入的非平衡少数载流子浓度：
EFn Ei n p ni exp( ) k0T EFn EFP n p p p ni exp( ) k0T
2
p p ni exp(
Ei EFp k0T
)
在pp’边界处， x=-xp, qV=Efn-Efp,
qV n p ( x p ) p p ( x p ) ni exp( ) k0T
电子电势能-q V(x)由n到p不断升高 P区能带整体相对n区上移。n区能带整体相对p区下移。 直到具有统一费米能级 pn结费米能级处处相等标志pn结达到动态平衡，无扩散、 漂移电流流过。
动态平衡时
本征费米能级Ei的变化与-qV(x)一致
k0T n Dn q
k0T n Dn q
同理，空穴电流密度为：
qV x p ( ) 0 2. 加反向偏压下，如果qV>>k0T, e k0T

第六章 半导体技术

第六章 半导体技术

第一节、半导体特性和PN结 第一节、半导体特性和PN结
四）半导体中的载流子 4、共价键中的价电子由于不能自由移动，不能参与 导电，价电子不是载流子。 5、价电子游离出来后，在共价键中 空穴 自由电子 留下一个空格，称该其为空穴。 空穴带一个单位正电荷（即空穴带正 +Si Si 电）。 Si Si 6、在电场的作用下，邻近共价键中 的价电子游离出来填补这个空穴， 价电子 从而在邻近形成新的空穴，这相当于 空穴在移动，空穴也是一种载流子。
第一节、半导体特性和PN结 第一节、半导体特性和PN结
四）PN结的形成及导电特性 四）PN结的形成及导电特性 1、有了P型半导体和N型半导体，为什么还需要PN 、有了P型半导体和N型半导体，为什么还需要PN 结？ 2、在分析PN结的过程中需要了解的几个基本概念： 、在分析PN结的过程中需要了解的几个基本概念： 扩散、空间电荷区、内电场、漂移、扩散与漂移 达到的动态平衡。
Si Si Si
四）半导体中的载流子 1、载流子：半导体中的一种导电粒子， 它能参与导电。
Si
第一节、半导体特性和PN结 第一节、半导体特性和PN结
四）半导体中的载流子 2、在0K（-273℃）时，本征半导体内没有可自由移 、在0K（ 273℃ 动的导电粒子，它是不能导电的。 3、如果本征半导体受到能量的激发（加热或光照 射），某些共价键中的价电子因获得能量，从而 脱离原子核的吸引，从共价键中游离出来成为自 由电子（这类自由电子能自由移动，能参与导电， 称为载流子），这时本征半导体就具备了导电的 能力（因为它内部有了载流子）。这时给本征半 导体加上电场，在电场的作用下，载流子作定向 运动就形成了电流，我们说半导体导电了。
第一节、半导体特性和PN结 第一节、半导体特性和PN结

半导体的基本 知识

半导体的基本 知识
• 半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大 类。锗和硅是最常用的元素半导体;化合物半导体包括l一V族化合物 (砷化嫁、磷化嫁等),II一VI族化合物(硫化福、硫化锌等)、氧化物(锰、 铬、铁、铜的氧化物)，以及由l一V族化合物和B一VI族化合物组成的 固溶体(嫁铝砷、嫁砷磷等)。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻 璃半导体、有机半导体等。
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第二节 半导体二极管
• 二、二极管的结构和符号 • 将PN结的两个区，即P区和N区分别加上相应的电极引线引出，并
用管壳将PN结封装起来就构成了半导体二极管，其结构与图形符号 如图6一1所示，常见外形如图6一2所示。从P区引出的电极为阳极 (或正极)，从N区引出的电极为阴极(或负极)，并分别用A,K表示。 • 三、二极管的伏安特性 • 二极管的主要特性是单向导电性，其伏安特性曲线如图6一3所示(以 正极到负极为参考方向)。 • 1.正向特性 • 外加正向电压很小时，二极管呈现较大的电队，几乎没有正向电流通 过。曲线OA段(或OA‘段)称作死区，A点(或A‘点)的电压称为死区电 压，硅管的死区电压一般为0. 5 V，锗管则约为0. 1 V 。
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第一节 半导体的基本知识
• 电阻是随着温度的上升而降低的。这是半导体现象的首次发现。 1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照 下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发 现的半导体的第二个特征。在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫 化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端 加一个正向电压，它是导通的;如果把电压极性反过来，它就不导电， 这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性。同年， 舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。1873年，英国的史密斯发 现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体又一个特 有的性质。

半导体材料

半导体材料

.
13
1.3 半导体材料的发展简史
首先发现半导体性质的是法拉第。1833年，他发现当a-Ag2S被加热时，它的电阻
率急剧下降，这和金属的性质完全相反；而且他还预言，如果要寻找的话，会有更
多的物质具有这种类似的性质。
40年后，1873年史密斯（W. Smith）发现了硒的光电导现象，而布朗（F. Braund）
.
16
为了提高晶体管的性能及改善其生产的稳定性，在半导体材料的制备方面实现 了两个突破。 1950 年，由蒂尔（G.Teal)等用乔赫拉斯基法（直拉法）首先拉制出锗单晶。 1952 年由蒲凡（W. Pfann）发明了区熔提纯法，使锗能提纯到本征纯度。
这两项成果的应用满足了晶体管的工业化生产的要求，也使半导体锗材料的制
.
15
第二次世界大战证实了电子设备在战争中的巨大作用，同时也暴露了以电子 管为基础的电子设备的一系列的缺点，诸如其重量大、耗电高、启动慢、怕震 动等。 人们自然就会想到，既然用半导体二极管可替代真空二极管，那么能否作出 半导体器件来取代真空三极管？这就是晶体管发明的历史背景。 为了研制这种器件，开始使用制作整流器常用的氧化亚铜作半导体材料，没 有获得成功，后来改用锗，于1947年12月制出了第一个晶体管，自此揭开了 电子学的新篇章。 当时所用的是锗的多晶锭，它是经过偏析法提纯的，其电阻率为109 (W.cm)， 它的纯度约为6个“9”。 正是由于上述的雷达发展所引起的半导体材料的进步，给晶体管发明提供了 前提条件。
.
5
1.2半导体材料的类别
对半导体材料可从不同的角度进行分类例如： 根据其性能可分为高温半导体、磁性半导体、热电半导体； 根据其晶体结构可分为金刚石型、闪锌矿型、纤锌矿型、黄铜矿型半导体； 根据其结晶程度可分为晶体半导体、非晶半导体、微晶半导体， 但比较通用且覆盖面较全的则是按其化学组成的分类，依此可分为：元素半导体、 化合物半导体和固溶半导体三大类，见表1。 在化合物半导体中，有机化合物半导体虽然种类不少，但至今仍处于研究探索阶段， 所以本书在叙述中只限于无机化合物半导体材料，简称化合物半导体材料。

半导体工艺第六章

半导体工艺第六章

第六章习题6-1 解释欧姆接触，并说明形成欧姆接触的常用方法。

欧姆接触是指金属与半导体之间的电压与电流的关系具有对称和线性关系，而且接触电阻尽可能低，不产生明显的附加阻抗。

常用方法：扩散法和合金法扩散法：是在半导体中先扩散形成重掺杂区以获得N+N或P+P的结构，然后使金属与重掺杂的半导体区接触，形成欧姆接触。

合金法：是利用合金工艺对金属互联线进行热处理，使金属与半导体界面形成一层合金层或化合物层，并通过这一层与表面重掺杂的半导体形成良好的欧姆接触。

6-2 列出并描述集成电路制造中对金属薄膜的要求。

要求：（1）具有高的导电率和纯度（2）与下层衬底（通常是二氧化硅或氮化硅）具有良好的粘附性（3）与半导体材料连接时接触电阻低（4）能够淀积出均匀而且没有“空洞”的薄膜，易于填充通孔（5）易于光刻和刻蚀，容易制备出精细图形（6）很好的耐腐蚀性（7）在处理和应用过程中具有长期的稳定性6-3 列出半导体制造中使用的金属种类，并说明每种金属的用途。

种类：铝、铝铜合金、铜、阻挡层金属、硅化物和钨铝：作为金属互连的材料，以薄膜的形式在硅片中连接不同器件。

铝铜合金：有效解决电迁徙问题。

铜：作为互连线。

阻挡层金属：防止上下层材料相互扩散。

硅化物：减小接触电阻。

钨：填充通孔。

6-4 解释铝已被选择作为微芯片互连金属的原因。

（1）较低的电阻率（2）铝价格低廉（3）工艺兼容性（4）铝膜与下层衬底（通常是硅、二氧化硅或氮化硅）具有良好的粘附性6-5 哪种金属已经成为传统互连金属线?什么是它的取代物？铝已经成为传统互连金属线，铝铜合金是它的取代物6-6 描述结尖刺现象，如何解决结尖刺问题？由于硅在铝中的溶解度比较高，形成合金时，硅会从衬底向铝中溶解，这样就在接触区下层的硅中留下空洞，从而有可能发生尖刺效应。

解决方法：在接触区引入阻挡层金属可阻止上下层材料互相混合。

6-7 描述电迁徙现象，如何解决电迁徙现象？电迁徙现象:在大电流密度的情形下，大量电子对金属原子的持续碰撞，会引起原子逐渐而缓慢的移动。

半导体材料课件GaAs单晶中杂质的控制、完整性

半导体材料课件GaAs单晶中杂质的控制、完整性

吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
6-3-3 砷化镓单晶中Si沾污的抑制
实验表明GaAs单晶中常有较多Si沾污，平均浓度在 1016～ 1017 cm-3左右。 Si沾污主要来源于GaAs熔体侵蚀石英舟 引起Si的沾污的主要化学反应 高温区
4Ga(l) + SiO2 (s) ↔ Si(s) + 2Ga2O(g)
受 主
中 性
两 性
中性施主
受
深能级
主
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
6-3-1 GaAs中的杂质的性质
施主杂质 ¾ Ⅵ族元素（S,Se,Te）替代As,浅施主，N型掺杂剂 ¾ O在液相外延的GaAs中有浅施主，也有深施主能级 ¾ GaAs中有浅受主存在时，O施主起补偿作用-高阻
（半绝缘）的GaAs材料。
lg C S = 16 .82 + 0.2C0
（Sn）
LEC法中不能掺Si，引起B沾污
3Si + 2B2O3 ↔ 4B + 3SiO2
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
掺杂量的计算与杂质均匀性
拉制GaAs单晶时，杂质在晶体中的分布状况与Si、 Ge大致类似。 LEC 中 ， 因 为 B2O3 抑 制 了 杂 质 的 挥 发 ， （ HB 密 闭，蒸发有限）所以杂质的分布只与分凝作用有 关—变速拉晶有利于获得电阻率均匀的晶体。 杂质扩散会进入B2O3中，B2O3起着使熔体内杂质 浓度缓慢变化的作用，对K<1，有利于杂质的纵 向均匀性的提高。
Eg=2.26eV
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
等电子陷阱(isoelectronic trap)
等电子杂质指与点阵中被替代的原子处于周期表 中同一族的其他原子。例如 GaP中取代P位的N或 Bi原子。

半导体材料课件III-V族化合物半导体的特性 GaAs单晶的生长方法

半导体材料课件III-V族化合物半导体的特性 GaAs单晶的生长方法
光探测器
高效太阳电池
霍尔元件
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
GaAs在我们日常生活中的一些应用
遥 控 器 是 通 过 GaAs 发 出 的 红 外光把指令传给主机的。
家电上的红色、绿色指示灯是 以 GaAs 等 材 料 为 衬 底 做 成 的 发光二极管。
吉林大学电子科学与工程学院
CD， DVD，BD光盘是用以 GaAs为衬底制成的GaAlAs激 光二极管进行读出的。
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
非凝聚体系p-T-x相图各投影图的含义
GaAs体系 p-T-x相图
¾G a - A s 的 T - x 图 ， 反 映 体 系sGaAs+l+g三相平衡时的 温度与xAs组成的关系。
质很不相同，把这种不对称性叫做极性
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
极性（闪锌矿是非中心对称的）
[111]
Ⅲ
[111]
Ⅴ
表面A
Ⅲ
ⅤⅤ ⅢⅢ
Ⅴ
[1 1 1]
Ⅲ
Ⅴ
表面B
[1 1 1]
闪锌矿结构在[110]面上的投影 显示在[111]方向和[1 1 1] 方向的差别
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
从垂直[111]方向看，GaAs是一系列由Ga原子和As 原子组成的双原子层，因此晶体在对称晶面上的性 质不同。如[111]和[111]是不同的。 III族：A原子，对应的{111}面称为A面 V族：B原子，对应的{111}面称为B面 ¾ A—B组成的双原子层称为电偶极层 ¾ A边和B边化学键，有效电荷不同，电学和化学性
直接3.4eV 间接2.26eV 直接 1.43eV 直接 0.73eV

第六章 半导体界面及接触现象-

第六章 半导体界面及接触现象-

能带越倾斜
大反向偏压下pn结的带图
Eg小、突变结、掺杂高的缓变结是导 致隧道击穿的因素。
3．热电击穿 热击穿容易发生的条件是Eg小，散
热不好的器件。
T , Js 按指数规律迅速上升
六、隧道结
重掺杂 > 1019/cm3 ， 这种强p型、强n型材料形成的p+-n+ 结称为隧道结。
1．隧道结的能带结构
Jn
nn
dEF dx
或 dEF Jn
dx nn
流过pn结的空穴电流密度（漂移＋扩散）
Jp
p p
dEF dx
或 dEF J p
dx p p
表示费米能级随位置的变化和电流密度的关系
对平衡pn结，Jn = Jp = 0
dEF 0, dx
EF 常数
J 不变，载流子浓度大的地方， dEF 小 dx
n区的空穴，在势垒区内复合了一部分，构成
了另一股正向电流。 P
N
+
－
总正向电流密度
Ε内
J正 ＝ J扩＋ Jr
复合电流密度 Jr
Jr
qni X D
2
qV 2KT
(rp rn )
pn0 np0和qV KT时
J正＝qni
Dp
ni
exp( qV ) X D exp(
qV
)
p ND
KT 2 p
n
p0
“－”表示 J 与正向时相反
反向电流密度饱和，与外加电压无关
J
pn结具有单向导电或整流效应
Js
V
pn结的 J－V 曲线
5. 温度对pn结电流密度的影响
J
J
s
e

半导体器件物理 第六章总结

半导体器件物理 第六章总结
29
6.2 少子分布
发射区空穴电流密度分布
0 qD pe pe qVeb dpe ( x) J pe ( x) qD pe (e dx L pe kT
1) e
( x x1 ) L pe
当
We L，则近似有 pe
J pe
qDpe Pe 0 qVbe L pe1 e kT 1 e We
37
6.2 少子分布

D. 基区渡越时间
Q' W B B B FB IC 2 DnB
2
38
6.2 少子分布
三 重掺杂发射区
禁带宽度变窄
1/ 2 2 N N Eg 9ln 17 ln 17 0.5 (meV ) 10 10
6.1.2 晶体管电流的简化表达式
基极电流:
一是iE2， 该电流正比于exp(VBE/Vt) ，记为iBa；另一是基区多子空穴 的复合流iBb,依赖于少子电子的数量，也正比于exp(VBE/Vt) 。故基极电 流正比于exp(VBE/Vt) 。
17
6.1 双极型晶体管的工作原理
6.1.3 工作模式
1948年，肖克莱发明了“结型晶体管 ”。1948年7月1日，美国《纽约 时报》只用了8个句子的篇幅，简短地公开了贝尔实验室发明晶体管的消 息。“一石激起千层浪”，它就像颗重磅炸弹，在全世界电子行业“引 爆”出强烈的冲击波。电子计算机终于就要大步跨进第二代的门槛！ 1954年，贝尔实验室使用800支晶体管组装成功人类有史以来第一台晶 体管计算机 TRADIC
Wb csc h Lnb
X=Wb，得 到达集电结电子电流为

第六章半导体的物质结构和能带结构

第六章半导体的物质结构和能带结构

第六章半导体的物质结构和能带结构第6章异质结和纳米结构1、试讨论用窄禁带n 型半导体和宽禁带p 型半导体构成的反型异质结中的能带弯曲情况，画出能带图。

答：2、仿照第4章对pn 同质结的讨论方法，完成突变pn 异质结接触电势差表达式（6-5）和势垒区宽度表达式（6-7）的推导过程。

解：设p 型和n 型半导体中的杂质都是均匀分布的，其浓度分别为N A1和N D2。

势垒区的正负空间电荷去的宽度分别为(x 0-x 1)=d 1，(x 2-x 0)=d 2。

取x=x 0为交界面，则两边势垒区中的电荷密度可以写成-=<<-=<<22201101)(,)(,D A qN x x x x qN x x x x ρρ 势垒区总宽度为211002)()(d d x x x x X D +=-+-=势垒区的正负电荷总量相等，即Q x x qN x x qN D A =-=-)()(022101Q 就是势垒区中单位面积上的空间电荷数值。

因此上式可以简化为120210)()(A D N N x x x x =-- 设V(x)代表势垒区中x 点得电势，则突变反型异质结交界面两边的泊松方程分别为)()(0111212x x x qN dx x V d A <<=ε )()(2022222x x x qN dx x V d D <<=ε ε1ε2分别为p 型及n 型半导体的介电常数。

对以上两式分别积分一次得)()(011111x x x C x qN dx x dV A <<+=ε )()(202222x x x C x qN dx x dV D <<+=ε C1‘C 2是积分常数，有边界条件决定。

因势垒区外是电中性的，电场集中在势垒区内，故边界条件为0)(1111=-==x x dx dV x E0)(2222=-==x x dx dV x E注意，在交接面处的电场并不连续，但电位移连续[即)()(022011x E x E εε=]。

半导体物理_第六章

半导体物理_第六章

N型半导体材料： 假定 n0 >> p0， Dn、Dp处于同一个数量级。当其满足 小注入条件，则 δ n<< n0 。 此时双极扩散系数可简化为：
再将上述条件应用于双极迁移率的公式，同样可以 得到：
结论： 对于N型半导体材料和小注入条件： 双极扩散系数可简化为少子空穴的扩散系数； 双极迁移率可简化为少子空穴迁移率； 少子空穴的扩散系数和迁移率都为常数，因此： 双极输运方程也简化为一个线性微分方程。
电子和空穴的浓度也不再满足热平衡时的条件，即：
过剩载流子的复合 半导体中，即使有稳定的过剩载流子产生也不会导 致过剩电子浓度和过剩空穴浓度的持续增加。 过剩电子也会不断地和过剩空穴相复合。 假设过剩电子和过剩空穴的复合率分别为Rn′、Rp′ 由于过剩电子和过剩空穴是成对复合掉的，因此：
下图所示为半导体材料中过剩载流子的复合过程。 如果撤掉外界作用，由于过剩载流子的复合作用，非 热平衡状态会逐渐向热平衡状态恢复。
612过剩载流子的产生与复合讨论过剩载流子产生和复合过程常用的符号过剩载流子的产生当有外界激发条件如光照时会把半导体价带中的电子激发至导带从而在导带中产生导电电子同时也会在价带中产生导电空穴即受到外部激励时半导体材料相对于热平衡状态额外产生了电子空穴对
如果半导体材料受到外部的激励(如温度的突然 升高），那么在原来热平衡浓度的基础上，会增加额 外的导带电子和价带空穴----非平衡过剩载流子，过 剩载流子是半导体器件工作的基础。 本章重点学习描述非平衡过剩载流子随空间位置 和时间变化状态---双极输运方程，这是研究分析PN 结和双极型晶体管特性的基础。
利用上述两个方程消去其中电场的微分项，即可得 到：
上式称为双极输运方程。 它描述了过剩电子浓度和过剩空穴浓度随着时间和空 间的变化规律，其中的两个参数分别为：

半导体物理-第六章-pn结

半导体物理-第六章-pn结

6.1.5 pn结载流子分布
平衡时pn结，取p区电势为零， 势垒区一点x的电势V(x)，
x点的电势能为E(x)=-qV(x)
对非简并材料， x点的电子浓度 n(x)，应用第三章计算平衡时导 带载流子浓度计算方法
因为E(x)=-qV(x)
nn0

Nc
exp(
EF Ecn ), k0T
Ecn

6.1.3 pn结能带图
电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，空穴从p流到n区。
EFn不断下移，EFp不断上移,直到EFn=EFp 最后，pn具有统一费米能级EF, pn结处于平衡状态。
能带发生整体相对移动与pn结空 间电荷区中存在内建电场有关。
随内建电场(np)不断增大， V(x)不断降低，

n
p0
[exp(
qV k0T
)

1]
非平衡少数载流子浓度是电压的函数。
同理，nn’边界注入的非平衡少数载流子浓度为
pn (xn )

pn0
exp(
qV k0T
)

pp0
exp(
qV qVD k0T
)
qV pn (xn ) pn (xn ) pn0 pp0[exp( k0T ) 1]
px

pn0
exp(
qVD
qV (x) )
k0T
pn0是平衡时n区的少子浓度 当 X=Xn时，V(x)=VD, p(xn)=pn0
当 X=-Xp时，V(x)=0, p(-xp)=pp0
p(xp )

p p0
pn0
exp(
qVD k0T
)
pn0

半导体物理与器件第六章1

半导体物理与器件第六章1
半导体物理与器件
陈延湖
第六章 半导体中的非平衡过剩载流子
前面几章讨论的半导体的载流子均为热平衡载流子，在一定温度下 由本征激发和杂质激发产生的载流子浓度是一定的，用n0和p0表示热平 衡电子浓度和空穴浓度:
n0
Nc
exp(
EC EF kT
)
p0
Nv
exp(
EF EV kT
)
导带电子和价带空穴系统具有统一的费米能级EF
本章重点问题：
非平衡过剩载流子的产生与复合的机理 非平衡过剩载流子的寿命 在存在漂移和扩散运动时，非平衡过剩载流子的
时空分布特性分析——连续性方程 连续性方程的应用
本章主要内容
非平衡载过剩流子的产生、复合、寿命（6.1 6.5） 表面效应 表面复合（6.6） 准费米能级（6.4） 过剩载流子的性质-连续性方程（6.2） 连续性方程的深入-过剩载流子的双极输运方程
而非平衡少子远多于平衡少子，其影响不可忽略，在器件中 起到重要的作用，因此通常所说的非平衡载流子一般都是指的非 平衡少数载流子
对n型半导体： p p0
对p型半导体： n n0
§5.1 §5.2 非平衡载流子的注入、复合、寿命
例如
电阻率为 1 cm 的N型半导体，热平衡载流子浓度 n0 5.51015 cm-3, p0 3.1104 cm-3
G：载流子的产生率，单位时间，
单位体积内产生的导带电子或价 带空穴数。个/cm-3
R：电子一空穴对的复合率，单
位时间，单位体积内复合消失的 导带电子和价带空穴数。个/cm-3
产生率与导带中的空状态密度Nc以 及价带中相应的电子占据状态密度 成正比，对非简并半导体，因电子 和空穴浓度与导带和价带的状态密 度相比非常小，因而电子和空穴密 度几乎不影响产生率

半导体和电介质材料

半导体和电介质材料

Semiconductor 四端元件
Chapter Chapter2
霍尔特斯拉计（高斯计）
磁铁
霍尔元件
Semiconductor
硅和锗——第一代半导体材料
相同点：具有灰色、金属光泽的固体，硬而脆，金刚石
结构，间接带隙半导体材料.
不同点：
室温本征电阻率 禁带宽度
硅 2.3×105Ω · cm 1.12 eV
壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能
转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻 原子运动到更远的原子壳层上去，因而电子可以 在整个晶体中运动，这种现象称为电子的共有化 运动。
Semiconductor
金属中电子的共有化
Chapter Chapter2
四个原子的能级的分裂 八个原子的能级的分裂
Semiconductor
Chapter Chapter2
Ec ED Ev
ED EC ED
含有施主杂质的半导体，其导电的 载流子主要是电子—N 型半导体， 或电子型半导体。
Semiconductor
Chapter Chapter2
受主杂质和受主能级
以硅中掺硼为例： 形成一个负电中心B 和一个
材料(InxGa1-xN，AlxGa1-xN）等。
特点：
覆盖可见光及远紫外光的范 围，可以制成从红外到紫外 三种晶体结构：闪锌矿、纤锌矿和岩盐矿 的发光管或激光器，实现三 基色发光。 宽禁带半导体材料：
InN---1.9 eV，GaN---3.4 eV，AlN---6.2eV
用途：
晶体管、 发光管、激光二极管和光电探测器等器件
-
空穴； 这个空穴受到的B-束缚很弱， 容易挣脱束缚，成为导电空 穴在晶格中自由运动——杂 质电离；
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主。


（1）高温固相法
高温固相反应法是合成Y3A15O12:Ce3+荧光粉的传统方法。 将符合纯度要求的原料（如Y2(CO3)3或Y2O3、Al2O3、 CeO2、H3BO3等）与一定量的助熔剂（如BaF2、AlF3、 YF3等）充分混合、研磨均匀，先在1000~1400℃氧化气 氛中预烧，然后在1400~1630℃弱还原气氛下进行焙烧，
（3）水热合成法 水热合成法是指在高压釜中以稀土硝酸盐水溶液作为反应体系， 通过将反应体系加热到（或接近）临界温度产生高压环境，利 用反应物在高压下能溶于水，而在液相或气相中进行制备发光 材料的一种方法。在水热条件下YAG:Ce晶体的生长是基于晶 体生长理论。




（4）沉淀法 沉淀法是合成YAG:Ce3+荧光粉的一种液相方法，包含Y、 Al、Ce离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂后，于一定 温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物从溶液中 析出，将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，经干燥、高温 灼烧得到所需的荧光粉。可分为共沉淀法和均匀沉淀法两 种。 ① 共沉淀法 共沉淀法是在混合的金属盐溶液（含有两种或两种以上金 属离子）中加入适当的沉淀剂（OH-、CO32-、C2O42-、 NH3· H2O等），在一定的温度等条件下使Y3+和Al3+ 完全 沉淀并混合均匀的方法，然后加热分解得到复合金属氧化 物粉末，可以通过对溶液中金属离子浓度的控制来达到最 终产物的金属离子比。


（6）燃烧合成法
燃烧法是指通过前驱体材料的燃烧而获得材料的方法。其 具体工艺是将相应金属硝酸盐和尿素的混合物放入一定温 度的环境下，或者利用有机燃料和氧化剂如金属盐溶液之 间的放热反应使之发生燃烧反应，合成氧化物或其它发光 材料。燃烧法产生了大量的气体，使产物变得疏松多孔， 呈泡沫状，并且非常容易研成粉末，但活性炭的不充分燃 烧而产生的CO气体将导致Ce3+ 的发射光谱红移。
6.3.1.1
YAG的晶体结构及性能
图6-2 钇铝石榴石晶体单胞的八分之一结构模型


6.3.1.2 YAG:Ce3+发光机理
YAG:Ce3+ 发光机理来自基态4f1和激发态5d1带间允许的电子跃迁。 位于460 nm的最低吸收带来自最低的2F5/2子能级到激发的2D带的 跃迁。发射光谱来自斯托克斯位移了的2D带到2F5/2（520 nm）和 2F7/2（580 nm）子能级的跃迁。在室温下，两组发射线交叠，产生 了一个宽带，能级如图6-3所示。由于460 nm附近的激发峰与蓝光发 光二极管的峰值波长一致，同时这个波长也接近效率最高的二基色体 现短波部分的波长（445 nm），而且其发射光谱与补色相符合 （570~590 nm），从而复合产生白光。
6.2半导体发光材料 半导体发光材料是发光器件的基础。在半导体的发展历 史上，1990年代之前，作为第一代的半导体材料以硅（包括 锗）材料为主元素半导体占统治地位。但随着信息时代的来 临，以砷化镓（GaAs）为代表的第二代化合物半导体材料 显示了其巨大的优越性。而以氮化物（包括SiC、ZnO等宽 禁带半导体）为第三代半导体材料，由于其优越的发光特征 正成为最重要的半导体材料之一。如果没有这些材料的研究 进展，发光器件也绝不可能会取得今天这样大的发展，今后 器件性能的提高也很大程度取决于材料的进展。
6.1 半导体照明
6.1.1 LED的发展概况
二十世纪二十年代。德国科学家O.W.Lossow在研究SiC检波器时， 首先观察到了这种发光现象; 四十年后，研制成功了具有实用价值的发射红光的GaAsP发光二极 管，并被GE公司大量生产用作仪器仪表指示; 二十世纪九十年代初，日本东芝公司与美国HP公司先后研制成功双 异质结与多量子阱结构的橙色与黄色的InGaAlP发光二极管 ; 日本的日亚化学公司（Nichia）与美国的克雷（Cree）公司通过 MOCVD技术分别在蓝宝石与SiC衬底上生长成功了具有器件结构的 GaN基LED外延片，并制造了亮度很高的蓝、绿及紫光 LED器件; 在二十世纪的最后五年内，高亮LED产品的应用市场一直保持着 40%以上的增长率 。

被广泛用于制作白光 LED 中的荧光体是 YAG:Ce 体系石 榴石黄色发光材料，除此之外，一些为白光 LED 需求新 的硅酸盐、钨钼酸盐、铝酸盐及氮（氧）化物荧光体等被 陆续地研发出来。激活离子主要集中在 Eu2+及Ce3+，而 Mn2+、Mn4+、Eu3+ 等用于白光LED发光材料的红光发射 组分离子也有很多报道。 6.3.1铈掺杂钇铝石榴石
6.1.2 LED的结构及工作原理
图6-1为LED的结构截面图。要使LED发光，有源层的半导体材料必须是 直接带隙材料，越过带隙的电子和空穴能够直接复合发射出光子。为了 使器件有好的光和载流子限制，大多采用双异质结（DH）结构。
图6-1 LED的结构截面图
LED的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片， 在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为P-N结。 其基本的工作机理是一个电光转换过程。当一个正向偏压施 加于PN结两端，由于PN结势垒的降低，P区的正电荷将向 N区扩散，N区的电子也向P区扩散，同时在两个区域形成 非平衡电荷的积累。对于一个真实的PN结型器件，通常P区 的载流子浓度远大于N区，致使N区非平衡空穴的积累远大 于P区的电于积累（对于NP结，情况正好相反）。由于电流 注入产生的少数载流子是不稳定的，对于PN结系统，注入 到价带中的非平衡空穴要与导带中的电子复合，其中多余的
光性能
电性能 光生物安全性 能
正向电压、正向电流、反向击穿电压、反向漏电流 视网膜蓝光危害曝幅值，眼睛的近紫外危害曝幅值，视网膜热 危害曝幅值
通用照明领域对白光LED的光电性能的基本要求如下： （1）发光效率：~100 lm/W（IF=350 mA）； （2）光通量：~500 lm（=发光效率×正向电压×350 mA）； （3）色温：3000~8000 K； （4）显色指数：>80； （5）寿命：1 ~5万小时。




6.3半导体照明发光材料 实现白光 LED 有多种方案，而光转换白光 LED 是当今国 内外的主流方案。白光 LED 的关键材料—高性能光转换 荧光体的研发成为热点，因为它决定白光 LED 光电重要 特性和参数。目前实现半导体照明有3种主要方法： （1）采用蓝色LED激发黄光荧光粉，实现二元混色白光； （2）利用UVLED激发三基色荧光粉，由荧光粉发出的光 合成白光； （3）基于三基色原理，利用红、绿、蓝三基色LED芯片 合成白光。

（5）喷雾热解法 喷雾热解法是近年来新兴的合成YAG:Ce荧光粉的一种方 法。此法先以水、乙醇或其他溶剂将原料配成溶液，再通 过喷雾装置将反应液雾化并导入反应器中，将前驱体溶液 雾流干燥，使溶剂迅速挥发，反应物发生热分解或燃烧等 化学反应，生成与初始物完全不同的具有全新化学组成的 超微粒产物。但是，对于喷雾热解法在荧光粉体制备应用 的相关报道较少。最近，研究人员使用喷雾热解法制备 CaTiO3:Pr和Y2SiO5:Tb细颗粒。主要研究了球形荧光粉 细颗粒的超声喷雾热解法制备过程，并对制备粉体与商用 粉体的发光性能做了对比研究。国内外已有研究者用此法 合成YAG:Ce荧光粉。
第六章 半导体材料

半导体照明是指用全固态发光器件作为光源的照明技 术，即发射白光的发光二极管—白光LED（Light Emitting Diode）。它利用固体半导体芯片作为发光 材料，具有高效、节能、环保、寿命长、易维护、可 靠性高等优点。白光LED的发展，使发光材料的研究 与应用进入一个新的研究阶段。由于激发源是短波紫 外、长波紫外或蓝光发射的半导体，且输出功率高， 因此对发光材料性能会提出特定的要求，而针对这些 特定要求开展白光LED专用发光材料的研究成为新的 研究课题。


6.3.2 白光LED用发光材料的深入研究与新体系探索
1996年，日本日亚公司推出的白光LED使照明技术的发展开始了 一个新的进程。白光LED权衡了技术、工艺、生产成本和照明质 量等多种因素，被认为是一种综合性能适中、短期内有望实现产 业化的固体光源。光转换材料的研究也是当今发光材料研究领域 中的前沿课题。 6.3.2.1 白光LED用发光材料的深入研究 作为一种发光材料，荧光粉的发光性能与晶体结构、电子结构及 相应的晶体场理论和能带理论有着微妙的关系，特别是荧光发光 不可缺少的激活剂离子与其周围的晶体场环境、电子环境和晶格 环境有着微妙的作用，导致了或好或坏的荧光发光性能。白光 LED用荧光粉作为一种高技术新型发光材料，对其所用的原料有 极其严格的要求，外来的无益杂质的引入往往在微观尺度起着微 扰作用，使得材料的荧光性能下降或劣化，因此选择合适的原材 料是头等重要的问题。
6.1.5 LED产业链构成 LED产业链大致分为原材料（衬底），外延片，芯片，封装 及模块应用五个部分。
衬底作为半导体照明产业技术发展的基石，能用于商品化的 衬底目前只有两种，即蓝宝石和碳化硅衬底；LED外延片和 芯片是LED产业技术的核心。外延片指的是在衬底上生长出 的半导体薄膜，薄膜主要由P型，量子阱，N型三个部分构 成；芯片是LED的核心组件，也就是P-N结，其原理已在前 面讲述，主要功能把电能转化为光能；LED封装是指发光芯 片的封装，要求能够保护灯芯且还要能够透光，其作用是完 成输出电信号、保护灯芯正常工作；LED应用主要包括LED 显示、照明器件、交通信号灯、航标灯光源、警示灯饰、车 灯及通用照明等产业。

② 均匀沉淀法
均匀沉淀法是不外加沉淀剂而使沉淀剂在溶液 内部生成的方法。在金属盐溶液和沉淀剂溶液 混合时，很容易使局部有较高浓度的沉淀剂， 且生成的沉淀也易混进杂质成分。均匀沉淀法 则可避免这些缺点，它是使溶液内慢慢生成沉 淀剂，这样就不会产生局部的不均匀。缺点是 合成时间长，消耗能量大，不适合工业上的生 产。