吉林大學(xué)半導(dǎo)體器件物理第一章

1、半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院劉海波劉海波 教授教授 liuhaibo209liuhaibo209 1mobile)8686651588(mobile)0ffice0ffice) 唐敖慶樓唐敖慶樓D D區(qū)區(qū)457457房間房間 半導(dǎo)體器件物理討論群半導(dǎo)體器件物理討論群QQQQ號：號：1848524318485243Semiconductor Physics教教 材材 半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理 孟慶巨孟慶巨 劉海波劉海波 孟慶輝孟慶輝 編著編著 科學(xué)出版社

2、科學(xué)出版社(第二版第二版) 2009年年11月第六次印刷月第六次印刷 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材 國家精品課程主干教材國家精品課程主干教材 普通高等教育電子科學(xué)與技術(shù)類特色專業(yè)系列教材普通高等教育電子科學(xué)與技術(shù)類特色專業(yè)系列教材課程簡介課程簡介 半導(dǎo)體器件物理課程結(jié)合一些主要的、常見的半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件物理課程結(jié)合一些主要的、常見的半導(dǎo)體器件介紹了半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理、基本性能介紹了半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理、基本性能和基本制造工藝。和基本制造工藝。 半導(dǎo)體器件物理課程是微電子、光電子、電子科學(xué)與技術(shù)半導(dǎo)體器件物理課程是微電子、

3、光電子、電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課，是吉林大學(xué)國家重點(diǎn)學(xué)科微電等專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課，是吉林大學(xué)國家重點(diǎn)學(xué)科微電子學(xué)與固體電子學(xué)碩士研究生入學(xué)考試科目。子學(xué)與固體電子學(xué)碩士研究生入學(xué)考試科目。 半導(dǎo)體器件物理課程于半導(dǎo)體器件物理課程于2005年年5月被評為吉林大學(xué)精品課月被評為吉林大學(xué)精品課程程 2005年年8月吉林省精品課程月吉林省精品課程 2007年年12月年被評為中華人民共和國教育部國家精品課月年被評為中華人民共和國教育部國家精品課程程講授內(nèi)容與學(xué)時(shí)講授內(nèi)容與學(xué)時(shí) 第一章第一章 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) （4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第二章第二章 PN結(jié)結(jié) （12學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第三章第

4、三章 雙極結(jié)型晶體管雙極結(jié)型晶體管 （12學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第四章第四章 金屬金屬-半導(dǎo)體結(jié)半導(dǎo)體結(jié) （5學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第五章第五章 結(jié)型場效應(yīng)晶體管和肖特基勢壘場效應(yīng)晶體管結(jié)型場效應(yīng)晶體管和肖特基勢壘場效應(yīng)晶體管 （5學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第六章第六章 MOS場效應(yīng)晶體管場效應(yīng)晶體管 （8學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第七章第七章 電荷轉(zhuǎn)移器件電荷轉(zhuǎn)移器件 （4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第八章第八章 太陽電池與光電二極管（太陽電池與光電二極管（4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)） 第九章第九章 發(fā)光管與半導(dǎo)體激光器（發(fā)光管與半導(dǎo)體激光器（4學(xué)時(shí)）學(xué)時(shí)）第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 能帶中電子的態(tài)密度函數(shù)能帶中電子的態(tài)密度函數(shù)1.態(tài)密度和態(tài)密

5、度有效質(zhì)量態(tài)密度和態(tài)密度有效質(zhì)量023202221)(EEmEN對于自由電子：對于自由電子：半導(dǎo)體中，類似：半導(dǎo)體中，類似：CdnCEEmEN2322221)(0m自由電子質(zhì)量自由電子質(zhì)量導(dǎo)帶：導(dǎo)帶：導(dǎo)帶電子狀態(tài)密度有效質(zhì)量導(dǎo)帶電子狀態(tài)密度有效質(zhì)量dnmEEmENVdpV2322221)(價(jià)帶：價(jià)帶：dpm價(jià)帶空穴狀態(tài)密度有效質(zhì)量價(jià)帶空穴狀態(tài)密度有效質(zhì)量232323lhdpmmmCEVExEelectronE)( ENCholeE)( ENV價(jià)帶的狀態(tài)密度隨著電子能量的增加同樣按著拋物線關(guān)系增大，價(jià)帶頂附近，空穴能量越高，狀態(tài)密度越大。導(dǎo)帶的狀態(tài)密度隨著電子能量的增加按著拋物線關(guān)系增大，導(dǎo)帶底

6、附近，電子能量越高，狀態(tài)密度越大。狀態(tài)密度與有效質(zhì)量有關(guān),有效質(zhì)量大的能帶,狀態(tài)密度也大。費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)kTEEnFeEf11)(1.電子占據(jù)能量為電子占據(jù)能量為E的給定能態(tài)的幾率的給定能態(tài)的幾率占據(jù)幾率)(EfEFE0 . 15 . 00T1T2T3T3210TTT0T1T2T3T3210TTTE)(Ef0 . 15 . 0占據(jù)幾率CEVE2.電子占據(jù)能量為電子占據(jù)能量為E的給定能態(tài)的幾率的給定能態(tài)的幾率kTEEpFeEf11)(在電子、空穴占據(jù)能量為在電子、空穴占據(jù)能量為E的給定能態(tài)的幾率的費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)中，如果的給定能態(tài)的幾率的費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)中，如果指數(shù)項(xiàng)遠(yuǎn)大于指數(shù)項(xiàng)遠(yuǎn)大于

7、1，則：，則：kTEEnFeEf)(kTEEpFeEf)(什么情況下可以使用波爾茲曼近似？什么情況下可以使用波爾茲曼近似？將遠(yuǎn)大于定義為將遠(yuǎn)大于定義為10倍，即倍，即10kTEEFe kTkTEEF3 . 210ln室溫條件下，室溫條件下，eVkT0259. 0，即：，即：eVEEF06. 01.7載流子的統(tǒng)計(jì)分布載流子的統(tǒng)計(jì)分布導(dǎo)帶電子濃度導(dǎo)帶電子濃度價(jià)帶空穴濃度價(jià)帶空穴濃度kTEENnFCCexp32322hkTmNdnC導(dǎo)帶（底）的有效狀態(tài)密度kTEENpVFVexp32322hkTmNdpV價(jià)帶（頂）的有效狀態(tài)密度材料屬性（能帶結(jié)構(gòu)）,23kTNNVC1.7載流子的統(tǒng)計(jì)分布載流子的統(tǒng)計(jì)

8、分布kTENNkTEENNnpgVCVCVCexpexpTEEgg0經(jīng)驗(yàn)公式，為禁帶寬度的溫度系數(shù)；0gE外推到0K時(shí)的禁帶寬度。kTETKkTTENNnpggVC0310expexp本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體（ Intrinsic semiconductor ）所謂本征半導(dǎo)體，就是完全沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。導(dǎo)帶中的電子都是由價(jià)帶激發(fā)得到的，（只有導(dǎo)帶和價(jià)帶，禁帶中沒有雜質(zhì)能級)，即半導(dǎo)體中共價(jià)鍵是飽和的、完整的。T0K時(shí)，電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，稱為本征激發(fā)。若要求電子總數(shù)不變，必須導(dǎo)帶中的電子濃度等于價(jià)帶中的空穴濃度，即pn在任何溫度下,要求半導(dǎo)體保持電中性條件,同保持電子總數(shù)不變的條件是一致的

9、。kTEENkTEENViViCCexpexp表示本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級。iE)(dpdnCVmmNN即：當(dāng)CVVCiNNkTEEEln2121VCiEEE21, Ei 恰好位于禁帶中央. 實(shí)際上NC和NV并不相等,CVNNln是1的數(shù)量級.所以Ei 在禁帶中央上下約為kT的范圍之內(nèi).CEVEiE1.7載流子的統(tǒng)計(jì)分布載流子的統(tǒng)計(jì)分布kTEENniCCexpkTEENpViVexpkTENNpngVCii2exp212innp 質(zhì)量作用定律1.7載流子的統(tǒng)計(jì)分布載流子的統(tǒng)計(jì)分布)( ENC)( ENV)( EfCEVEFEEfENEnC)( 1 )(EfENEpVN 型半導(dǎo)體)( ENC)( E

10、NVFECEVE)( Ef 1 )(EfENEpCEfENEnC)( 1 )(EfENEpVP型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 np （1-7-24）于是 （1-7-25） （1-7-26） （1-7-27）稱為質(zhì)量作用定律。利用 和 ，也可以把電子和空穴濃度寫成下面的形式 （1-7-28） （1-7-29）11ln22VicVcNEEEKTN12exp2giiCVEnpN NKT2inpniniEexpFiiEEnnKTexpiFiEEpnKT只含有一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體只含有一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體1.7載流子的統(tǒng)計(jì)分布載流子的統(tǒng)計(jì)分布N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在雜質(zhì)飽和電離的溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)帶電子濃度等于施主濃度

11、溫度升高，費(fèi)米能級逐漸遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底。 只含一種施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體 EC Ed EV 只有一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體只有一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在雜質(zhì)飽和電離的溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)帶電子濃度等于施主濃度 （1-7-30）而 （1-7-31） （1-7-32）或 （1-7-33）溫度升高，費(fèi)米能級逐漸遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底。 dNn diiNnnnp22dCCFNNKTEElnlndFiiNEEKTnP型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在雜質(zhì)飽和電離的溫度范圍內(nèi)， （1-7-34）導(dǎo)帶電子濃度為 （1-7-35）費(fèi)米能級 （1-7-36） （1-7-37） aNp aiiNnpnn22aVVFNNKTEElniaiFnNKTEEln雜

12、質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體在 的半導(dǎo)體中， （1-7-38） （1-7-39）相應(yīng)的費(fèi)米能級為 （1-7-40）和 （1-7-41）dNaNadNNnadiiNNnnnp22adCCFNNNKTEElniadiFnNNKTEEln雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體在 的半導(dǎo)體 中 （1-7-42） （1-7-43）相應(yīng)的費(fèi)米能級為 （1-7-44） （1-7-45）dNaNdaNNpdaiiNNnpnn22daVVFNNNKTEElnidaiFnNNKTEEln1.9.3流密度和電流密度流密度和電流密度在漂移和擴(kuò)散同時(shí)存在的情況下，空穴和電子的流密度分別為電流密度分別為在一維情況下，空穴和電子的電流

13、分別為式中A為電流垂直流過的面積。（1-9-25） pDpSppp（1-9-22） nDnSnnn（1-9-23） pqDpqjpppnqDnqjnnn（1-9-24） dxdpDpqAIpppdxdnDnqAInnn（1-9-26） （1-9-27） 1.10非均勻半導(dǎo)體中的自建場非均勻半導(dǎo)體中的自建場 半導(dǎo)體中的靜電場和勢半導(dǎo)體中的靜電場和勢 非均勻半導(dǎo)體和自建電場非均勻半導(dǎo)體和自建電場電場 定義為電勢 的負(fù)梯度電勢與電子勢能的關(guān)系為 （1-10-2）可以把電場表示為（一維）取 表示靜電勢。與此類似，定義 為費(fèi)米勢。qEdxddxdEqi1qEiFEq (1-10-1) （1-10-3）

14、（1-10-4） （1-10-5） 于是式中 稱為熱電勢.在熱平衡情況下，費(fèi)米勢為常數(shù)，可以把它取為零基準(zhǔn)，于是 TVienn（1-10-9） TVienp（1-10-10） TVienn（1-10-6） TVienp（1-10-7） qKTVT非均勻的雜質(zhì)分布會在半導(dǎo)體中引起電場，稱為自建電場。在熱平衡情況下，由 對于N型半導(dǎo)體，有對于P型半導(dǎo)體，有 TVienn(110-9）TVienp（1-10-10） idTnNV ln（1-10-14） dxdNNVdxdddT（1-10-15） iaTnNV ln （1-10-16） dxdNNVaaT（1-10-17） 1.12準(zhǔn)費(fèi)米能級準(zhǔn)費(fèi)米能

15、級在非平衡狀態(tài)下可以定義 和 兩個(gè)量以代替 ，使得式中 和 分別稱為電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級， 和 分別為相應(yīng)的準(zhǔn)費(fèi)米勢：TnViiFnienKTEEnnexpTpViFpiienKTEEnpexp（1-12-1） （1-12-2） FnEFpEFEFnEFpEnp,FpFnnpEEqq 修正的歐姆定律修正的歐姆定律 （1-12-5）式和（1-12-6）式稱為修正的歐姆定律，其中分別稱為電子和空穴的等效電導(dǎo)率。修正歐姆定律雖然在形式上和歐姆定律一致，但它包括了載流子的漂移和擴(kuò)散的綜合效應(yīng)。從修正歐姆定律可以看出，費(fèi)米能級恒定（即 ）是電流為零的條件。處于熱平衡的半導(dǎo)體，費(fèi)米能級恒定?；蛘哒f，熱平

16、衡系統(tǒng)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級。 nnnnnnIddJqnxAdxdx ppppppIddJqpxAdxdx （1-12-5） （1-12-6） nnqnx ppqpx00npddxddx， 1.13.2通過復(fù)合中心的復(fù)合通過復(fù)合中心的復(fù)合:為簡單計(jì)，假設(shè)復(fù)合中心對電子和空穴的俘獲系數(shù)相等。凈復(fù)合率可寫成或1.14表面復(fù)合和表面復(fù)合速度表面復(fù)合和表面復(fù)合速度 11201pnpnnnpUi（1-13-38） KTEEnpnnnpUitiicosh2120（1-13-39） pSUSdxpdqDppqSqUSx0（1-14-1） （1-4-2） 1.15半導(dǎo)體中的基本控制方程半導(dǎo)體中的基本控制方程連續(xù)性方程連續(xù)性方程利用電流密度表達(dá)式，（1-15-1）式和（1-15-2）式可以分別寫成在一維情況下， pppGStp（1-15-1） nnnGStn（1-15-2） pppGjqtp1nnnGjqtn1（1-15-7） （1-15-8） ppp