半導體物理學ppt-劉恩科

1、半導體器件半導體器件半導體物理學半導體物理學劉恩科劉恩科半導體器件半導體器件半導體物理學 教材教材:半導體物理學半導體物理學(第六版第六版)，劉恩科等編著，劉恩科等編著，電子工業(yè)出版社電子工業(yè)出版社 參考書：參考書：半導體物理與器件半導體物理與器件（第三版），（第三版），Donald A.Neamen著，電子工業(yè)出版社著，電子工業(yè)出版社 半導體器件半導體器件 課程考核辦法課程考核辦法 :本課采用開卷筆試的考核辦法。第九周安排本課采用開卷筆試的考核辦法。第九周安排一次期中考試。一次期中考試。總評成績構成比例為：平時成績總評成績構成比例為：平時成績10%； 期期中考試中考試45%；期末考試；期末考

2、試45%半導體物理學半導體器件半導體器件一一半導體中的電子狀態(tài)半導體中的電子狀態(tài)二二半導體中雜質和缺陷能級半導體中雜質和缺陷能級三三半導體中載流子的統計分半導體中載流子的統計分布布四四半導體的導電性半導體的導電性五五非平衡載流子非平衡載流子六六pn結結七七金屬和半導體的接觸金屬和半導體的接觸八八半導體表面與半導體表面與MIS結構結構半導體物理學半導體器件半導體器件固態(tài)電子學分支之一固態(tài)電子學分支之一微電子學微電子學光電子學光電子學研究在固體（主要是半導體研究在固體（主要是半導體材料上構成材料上構成的微小型化器件、電路、及系統的電子學的微小型化器件、電路、及系統的電子學分支學科分支學科微電子學簡

3、介微電子學簡介:半導體概要半導體概要半導體器件半導體器件微電子學研究領域微電子學研究領域半導體器件物理半導體器件物理集成電路工藝集成電路工藝集成電路設計和測試集成電路設計和測試微電子學發(fā)展的特點微電子學發(fā)展的特點向高集成度、低功耗、向高集成度、低功耗、高性能高可靠性電路方高性能高可靠性電路方向發(fā)展向發(fā)展與其它學科互相滲透，與其它學科互相滲透，形成新的學科領域：形成新的學科領域： 光電集成、光電集成、MEMS、生生物芯片物芯片半導體概要半導體概要半導體器件半導體器件固體材料分成：固體材料分成：超導體、導體、半導體、絕緣體超導體、導體、半導體、絕緣體什么是半導體？什么是半導體？半導體及其基本特性半

4、導體及其基本特性半導體器件半導體器件半導體器件半導體器件一一半導體中的電子狀態(tài)半導體中的電子狀態(tài)二二半導體中雜質和缺陷能級半導體中雜質和缺陷能級三三半導體中載流子的統計分半導體中載流子的統計分布布四四半導體的導電性半導體的導電性五五非平衡載流子非平衡載流子六六pn結結七七金屬和半導體的接觸金屬和半導體的接觸八八半導體表面與半導體表面與MIS結構結構半導體物理學半導體器件半導體器件半導體的純度和結構半導體的純度和結構 純度純度極高，雜質1013cm-3 結構結構半導體器件半導體器件晶體結構晶體結構 單胞單胞對于任何給定的晶體，可以用來形成其晶體結構的對于任何給定的晶體，可以用來形成其晶體結構的最

5、小單元最小單元注：注：（a）單胞無需是唯一的）單胞無需是唯一的 （ b）單胞無需是基本的）單胞無需是基本的半導體器件半導體器件晶體結構晶體結構 三維立方單胞三維立方單胞 簡立方、簡立方、 體心立方、體心立方、 面立方面立方半導體器件半導體器件金剛石晶體結構金剛石晶體結構金剛石結構金剛石結構原子結合形式：共價鍵原子結合形式：共價鍵形成的晶體結構：形成的晶體結構： 構成一個正四構成一個正四面體，具有面體，具有 金金 剛剛 石石 晶晶 體體 結結 構構半導體器件半導體器件半半 導導 體體 有有: 元元 素素 半半 導導 體體 如如Si、Ge 金剛石晶體結構金剛石晶體結構半導體器件半導體器件半半 導導

6、 體體 有有: 化化 合合 物物 半半 導導 體體 如如GaAs、InP、ZnS閃鋅礦晶體結構閃鋅礦晶體結構金剛石型 閃鋅礦型半導體器件半導體器件練習練習1、單胞是基本的、不唯一的單元。（、單胞是基本的、不唯一的單元。（ ）2、按半導體結構來分，應用最為廣泛的是、按半導體結構來分，應用最為廣泛的是（ ）。）。3、寫出三種立方單胞的名稱，并分別計算、寫出三種立方單胞的名稱，并分別計算單胞中所含的原子數。單胞中所含的原子數。4、計算金剛石型單胞中的原子數。、計算金剛石型單胞中的原子數。半導體器件半導體器件原子的能級原子的能級 電子殼層電子殼層 不同支殼層電子1s；2s，2p；3s，2p，3d； 共

7、有化運動共有化運動半導體器件半導體器件+14 電子的能級是量子化的n=3n=3四個電子四個電子n=2n=28 8個電子個電子n=1n=12 2個電子個電子SiHSi原子的能級原子的能級半導體器件半導體器件原子的能級的分裂原子的能級的分裂 孤立原子的能級孤立原子的能級 4個原子能級的分裂個原子能級的分裂 半導體器件半導體器件原子的能級的分裂原子的能級的分裂 原子能級分裂為能帶原子能級分裂為能帶 半導體器件半導體器件Si的的能帶能帶 （價帶、導帶和帶隙價帶、導帶和帶隙半導體器件半導體器件價帶：價帶：0K0K條件下被電子填充的能量的能帶條件下被電子填充的能量的能帶導帶：導帶：0K0K條件下未被電子填

8、充的能量的能帶條件下未被電子填充的能量的能帶帶隙：導帶底與價帶頂之間的能量差帶隙：導帶底與價帶頂之間的能量差半導體的能帶結構半導體的能帶結構半導體器件半導體器件自由電子的運動自由電子的運動 微觀粒子具有波粒二象性微觀粒子具有波粒二象性 0pm u202pEm()( , )i K rtr tAe pKEhv半導體器件半導體器件半導體中電子的運動半導體中電子的運動 薛定諤方程及其解的形式薛定諤方程及其解的形式 2220( )()( )( )( )( )2V xV xsadxV xxExmdx( )( )( )()ikxkkkkxux euxuxna布洛赫波函數布洛赫波函數半導體器件半導體器件固體材

9、料分成：固體材料分成：超導體、導體、半導體、絕緣體超導體、導體、半導體、絕緣體固體材料的能帶圖固體材料的能帶圖半導體器件半導體器件半導體、絕緣體和導體半導體、絕緣體和導體半導體器件半導體器件半導體的能帶半導體的能帶 本征激發(fā)本征激發(fā) 半導體器件半導體器件練習練習1、什么是共有化運動？、什么是共有化運動？2、畫出、畫出Si原子結構圖（畫出原子結構圖（畫出s態(tài)和態(tài)和p態(tài)并注明該態(tài)并注明該能級層上的電子數）能級層上的電子數）3、電子所處能級越低越穩(wěn)定。、電子所處能級越低越穩(wěn)定。 （ ）4、無論是自由電子還是晶體材料中的電子，他們、無論是自由電子還是晶體材料中的電子，他們在某處出現的幾率是恒定不變的。

10、在某處出現的幾率是恒定不變的。 （ ）5、分別敘述半導體與金屬和絕緣體在導電過程中、分別敘述半導體與金屬和絕緣體在導電過程中的差別。的差別。半導體器件半導體器件半導體中半導體中E（K）與）與K的關系的關系 在導帶底部，波數在導帶底部，波數 ，附近，附近 值很小，值很小，將將 在在 附近泰勒展開附近泰勒展開 220021( )(0)()().2kkdEd EE kEkkdkdk0k k( )E k0k 22021( )(0)()2kd EE kEkdk半導體器件半導體器件半導體中半導體中E（K）與）與K的關系的關系22021( )(0)()2kd EE kEkdk令令 代入上式得代入上式得202

11、2*11()knd Edkm22*( )(0)2nkE kEm半導體器件半導體器件自由電子的能量自由電子的能量 微觀粒子具有波粒二象性微觀粒子具有波粒二象性 0pm u202pEm()( , )i K rtr tAe pKEhv2202kEm半導體器件半導體器件半導體中電子的平均速度半導體中電子的平均速度 在周期性勢場內，電子的平均速度在周期性勢場內，電子的平均速度u可表示可表示為波包的群速度為波包的群速度 dvudk1 dEudk22*( )(0)2nh kE kEm*nkumEhv半導體器件半導體器件自由電子的速度自由電子的速度 微觀粒子具有波粒二象性微觀粒子具有波粒二象性 0pm u20

12、2pEm()( , )i K rtr tAe pKEhv0kum半導體器件半導體器件半導體中電子的加速度半導體中電子的加速度 半導體中電子在一強度為半導體中電子在一強度為 E的外加電場作用的外加電場作用下，外力對電子做功為電子能量的變化下，外力對電子做功為電子能量的變化dEfdsfudt1 dEudkf dEdEdtdkdkfdt 2222211()duddEd E dkf d Eadtdt dkdkdtdk半導體器件半導體器件半導體中電子的加速度半導體中電子的加速度令令 即即2*2211nd Emdk*nfam2*22nmd Edk半導體器件半導體器件有效質量的意義有效質量的意義 自由電子只

13、受外力作用；半導體中的電子自由電子只受外力作用；半導體中的電子不僅受到外力的作用，同時還受半導體內不僅受到外力的作用，同時還受半導體內部勢場的作用部勢場的作用 意義：有效質量概括了半導體內部勢場的意義：有效質量概括了半導體內部勢場的作用，使得研究半導體中電子的運動規(guī)律作用，使得研究半導體中電子的運動規(guī)律時更為簡便（有效質量可由試驗測定）時更為簡便（有效質量可由試驗測定）半導體器件半導體器件空穴空穴 只有非滿帶電子才可導電只有非滿帶電子才可導電 導帶電子和價帶空穴具有導電特性；電子導帶電子和價帶空穴具有導電特性；電子帶負電帶負電-q（導帶底），空穴帶正電（導帶底），空穴帶正電+q（價（價帶頂）帶

14、頂）半導體器件半導體器件K空間等能面空間等能面 在在k=0處為能帶極值處為能帶極值22*( )(0)2nkE kEm22*( )(0)2pkE kEm 導帶底附近導帶底附近價帶頂附近價帶頂附近半導體器件半導體器件K空間等能面空間等能面 以以 、 、 為坐標軸構成為坐標軸構成 空間，空間， 空間空間任一矢量代表波矢任一矢量代表波矢 導帶底附近導帶底附近xk2222xyzkkkkykzkkkk2222*( )(0)()2xyznE kEkkkm半導體器件半導體器件K空間等能面空間等能面 對應于某一對應于某一 值，有許多組不同的值，有許多組不同的 ，這些組構成一個封閉面，這些組構成一個封閉面，在著個

15、面上能量值為一恒值，這個面稱在著個面上能量值為一恒值，這個面稱為等能量面，簡稱等能面。為等能量面，簡稱等能面。 等能面為一球面（理想）等能面為一球面（理想）( )E k(,)xyzk kk2222*( )(0)()2xyznE kEkkkm半導體器件半導體器件一一半導體中的電子狀態(tài)半導體中的電子狀態(tài)二二半導體中雜質和缺陷能級半導體中雜質和缺陷能級三三半導體中載流子的統計分半導體中載流子的統計分布布四四半導體的導電性半導體的導電性五五非平衡載流子非平衡載流子六六pn結結七七金屬和半導體的接觸金屬和半導體的接觸八八半導體表面與半導體表面與MIS結構結構半導體物理學半導體器件半導體器件與理想情況的偏

16、離與理想情況的偏離 晶格原子是振動的晶格原子是振動的 材料含雜質材料含雜質 晶格中存在缺陷晶格中存在缺陷點缺陷（空位、間隙原子）點缺陷（空位、間隙原子）線缺陷（位錯）線缺陷（位錯）面缺陷（層錯）面缺陷（層錯）半導體器件半導體器件與理想情況的偏離的影響與理想情況的偏離的影響 極微量的雜質和缺陷，會對半導體材料極微量的雜質和缺陷，會對半導體材料的物理性質和化學性質產生決定性的影的物理性質和化學性質產生決定性的影響，同時也嚴重影響半導體器件的質量。響，同時也嚴重影響半導體器件的質量。1個個B原子原子/ 個個Si原子原子 在室溫下電導率提高在室溫下電導率提高 倍倍Si單晶位錯密度要求低于單晶位錯密度要

17、求低于5103103210 cm半導體器件半導體器件與理想情況的偏離的原因與理想情況的偏離的原因 理論分析認為，雜質和缺陷的存在使得理論分析認為，雜質和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所產生的周期性原本周期性排列的原子所產生的周期性勢場受到破壞，并在禁帶中引入了能級，勢場受到破壞，并在禁帶中引入了能級，允許電子在禁帶中存在，從而使半導體允許電子在禁帶中存在，從而使半導體的性質發(fā)生改變。的性質發(fā)生改變。半導體器件半導體器件硅、鍺晶體中的雜質能級硅、鍺晶體中的雜質能級例：如圖所示為一晶格常數為例：如圖所示為一晶格常數為a的的Si晶胞，求：晶胞，求： （a）Si原子半徑原子半徑 （b）晶胞中所有）

18、晶胞中所有Si原子占據晶胞的百分比原子占據晶胞的百分比解：（解：（a）1 13(3 )2 48raa（b）3348330.3416ra半導體器件半導體器件間隙式雜質、替位式雜質間隙式雜質、替位式雜質 雜質原子位于晶格原子間的間隙位置，雜質原子位于晶格原子間的間隙位置，該雜質稱為該雜質稱為間隙式雜質間隙式雜質。間隙式雜質原子一般比較小，如間隙式雜質原子一般比較小，如Si、Ge、GaAs材料中的離子鋰（材料中的離子鋰（0.068nm）。）。 雜質原子取代晶格原子而位于晶格點處，雜質原子取代晶格原子而位于晶格點處，該雜質稱為該雜質稱為替位式雜質替位式雜質。替位式雜質原子的大小和價電子殼層結構替位式雜

19、質原子的大小和價電子殼層結構要求與被取代的晶格原子相近。如要求與被取代的晶格原子相近。如、族元素在族元素在Si、Ge晶體中都為替位式雜質。晶體中都為替位式雜質。半導體器件半導體器件間隙式雜質、替位式雜質間隙式雜質、替位式雜質 單位體積中的雜質原子數稱為雜質濃度單位體積中的雜質原子數稱為雜質濃度半導體器件半導體器件練習練習1、實際情況下、實際情況下k空間的等能面與理想情況下的等空間的等能面與理想情況下的等能面分別是如何形狀的？它們之間有差別的原因？能面分別是如何形狀的？它們之間有差別的原因？2、實際情況的半導體材料與理想的半導體材料有、實際情況的半導體材料與理想的半導體材料有何不同？何不同？3、

20、雜質和缺陷是如何影響半導體的特性的？、雜質和缺陷是如何影響半導體的特性的？半導體器件半導體器件施主施主：摻入在半導體中的雜質原子，能夠向半導體中提供導電的電子，：摻入在半導體中的雜質原子，能夠向半導體中提供導電的電子， 并成為帶正電的離子。如并成為帶正電的離子。如SiSi中的中的P P 和和As As N型半導體型半導體As半導體的摻雜半導體的摻雜DEDECEVE施主能級施主能級半導體器件半導體器件受主受主：摻入在半導體中的雜質原子，能夠向半導體中提供導電的空穴，：摻入在半導體中的雜質原子，能夠向半導體中提供導電的空穴， 并成為帶負電的離子。如并成為帶負電的離子。如SiSi中的中的B BP型半

21、導體型半導體B半導體的摻雜半導體的摻雜CEVEAEAE受主能級受主能級半導體器件半導體器件半導體的摻雜半導體的摻雜 、族雜質在族雜質在Si、Ge晶體中分別為受晶體中分別為受主和施主雜質，它們在禁帶中引入了能主和施主雜質，它們在禁帶中引入了能級；受主能級比價帶頂高級；受主能級比價帶頂高 ，施主能級，施主能級比導帶底低比導帶底低 ，均為淺能級，這兩種，均為淺能級，這兩種雜質稱為淺能級雜質。雜質稱為淺能級雜質。 雜質處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)。雜質處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)。當處于離化態(tài)時，施主雜質向導帶提供當處于離化態(tài)時，施主雜質向導帶提供電子成為正電中心；受主雜質向價帶提電子成為正電中心；受

22、主雜質向價帶提供空穴成為負電中心。供空穴成為負電中心。AEDE半導體器件半導體器件 半導體中同時存在施主和受主雜質，半導體中同時存在施主和受主雜質，且且 。DANNDANNN型半導體型半導體N型半導體型半導體半導體器件半導體器件 半導體中同時存在施主和受主雜質，半導體中同時存在施主和受主雜質，且且 。ADNNADNNP型半導體型半導體P型半導體型半導體半導體器件半導體器件雜質的補償作用雜質的補償作用 半導體中同時存在施主和受主雜質半導體中同時存在施主和受主雜質時，半導體是時，半導體是N型還是型還是P型由雜質的型由雜質的濃度差決定濃度差決定 半導體中凈雜質濃度稱為有效雜質半導體中凈雜質濃度稱為有

23、效雜質濃度（有效施主濃度；有效受主濃濃度（有效施主濃度；有效受主濃度）度） 雜質的高度補償（雜質的高度補償（ ）ADNN半導體器件半導體器件點缺陷點缺陷 弗倉克耳缺陷弗倉克耳缺陷間隙原子和空位成對出現間隙原子和空位成對出現 肖特基缺陷肖特基缺陷只存在空位而無間隙原子只存在空位而無間隙原子 間隙原子和空位這兩種點缺陷受溫度影響較間隙原子和空位這兩種點缺陷受溫度影響較大，為大，為熱缺陷熱缺陷，它們不斷產生和復合，直至，它們不斷產生和復合，直至達到動態(tài)平衡，總是達到動態(tài)平衡，總是同時存在同時存在的。的。 空位空位表現為表現為受主作用受主作用；間隙原子間隙原子表現為表現為施主施主作用作用半導體器件半導

24、體器件點缺陷點缺陷 替位原子（化合物半導體）替位原子（化合物半導體）半導體器件半導體器件位錯位錯 位錯是半導體中的一種缺陷，它嚴重影位錯是半導體中的一種缺陷，它嚴重影響材料和器件的性能。響材料和器件的性能。半導體器件半導體器件位錯位錯施主情況施主情況 受主情況受主情況半導體器件半導體器件練習練習1、族雜質在族雜質在Si、Ge晶體中為深能級雜質。晶體中為深能級雜質。 （ ）2、受主雜質向價帶提供空穴成為正電中心。（、受主雜質向價帶提供空穴成為正電中心。（ ）3、雜質處于兩種狀態(tài)：、雜質處于兩種狀態(tài)：（ ）和（和（ ）。）。4、空位表現為（、空位表現為（ ）作用，間隙原子表現為（）作用，間隙原子表

25、現為（ ）作）作用。用。5、以、以Si在在GaAs中的行為為例，說明中的行為為例，說明族雜質在族雜質在化合化合物中可能出現的雙性行為。物中可能出現的雙性行為。半導體器件半導體器件一一半導體中的電子狀態(tài)半導體中的電子狀態(tài)二二半導體中雜質和缺陷能級半導體中雜質和缺陷能級三三半導體中載流子的統計分半導體中載流子的統計分布布四四半導體的導電性半導體的導電性五五非平衡載流子非平衡載流子六六pn結結七七金屬和半導體的接觸金屬和半導體的接觸八八半導體表面與半導體表面與MIS結構結構半導體物理學半導體器件半導體器件熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài) 在一定溫度下，在一定溫度下，載流子的產生載流子的產生和和載流子的復載流子的

26、復合合建立起一動態(tài)平衡，這時的載流子稱為建立起一動態(tài)平衡，這時的載流子稱為熱熱平衡載流子平衡載流子。 半導體的熱平衡狀態(tài)受半導體的熱平衡狀態(tài)受溫度溫度影響，某一特定影響，某一特定溫度對應某一特定的熱平衡狀態(tài)。溫度對應某一特定的熱平衡狀態(tài)。 半導體的半導體的導電性導電性受受溫度溫度影響劇烈。影響劇烈。半導體器件半導體器件態(tài)密度的概念態(tài)密度的概念 能帶中能量能帶中能量 附近每單位能量間隔內的量子態(tài)附近每單位能量間隔內的量子態(tài)數。數。 能帶中能量為能帶中能量為 無限小的能量間隔內無限小的能量間隔內有有 個量子態(tài)，則狀態(tài)密度個量子態(tài)，則狀態(tài)密度 為為( )g EEEdE（）zd( )dzg EdEE半

27、導體器件半導體器件態(tài)密度的計算態(tài)密度的計算 狀態(tài)密度的計算狀態(tài)密度的計算單位單位 空間的量子態(tài)數空間的量子態(tài)數能量能量 在在 空間中所對空間中所對應的體積應的體積前兩者相乘得狀態(tài)數前兩者相乘得狀態(tài)數根據定義公式求得態(tài)密度根據定義公式求得態(tài)密度( )g EEEdE（）kdzk半導體器件半導體器件空間中的量子態(tài)空間中的量子態(tài) 在在 空間中，電子的允許能量狀態(tài)密度為空間中，電子的允許能量狀態(tài)密度為 ，考慮電子的自旋情況，電子的允許量子態(tài)密度考慮電子的自旋情況，電子的允許量子態(tài)密度為為 ，每個量子態(tài)最多只能容納，每個量子態(tài)最多只能容納一個電子一個電子。2(0, 1, 2,2(0, 1, 2,2(0,

28、1, 2,xxxyyyzzznknLnknLnknL ）3/ 8V（）kk3/ 4V（）半導體器件半導體器件態(tài)密度態(tài)密度 導帶底附近狀態(tài)密度（理想情況）導帶底附近狀態(tài)密度（理想情況）22*( )2CnkE kEm2344Vdzk dk*2nm dEkdk * 3/21/223(2)()2nCmVdzEEdE半導體器件半導體器件態(tài)密度態(tài)密度* 3/21/223(2)( )()2ncCmdzVgEEEdE* 3/21/223(2)( )()2pvvmdzVgEEEdE（導帶底）（導帶底）（價帶頂）（價帶頂）半導體器件半導體器件練習練習1、推導價帶頂附近狀態(tài)密度、推導價帶頂附近狀態(tài)密度( )vgE半

29、導體器件半導體器件費米能級費米能級 根據量子統計理論，服從泡利不相容原理的電根據量子統計理論，服從泡利不相容原理的電子遵循費米統計律子遵循費米統計律 對于能量為對于能量為E E的一個量子態(tài)被一個電子占據的的一個量子態(tài)被一個電子占據的概率概率 為為 稱為電子的費米分布函數稱為電子的費米分布函數 空穴的費米分布函數？空穴的費米分布函數？( )f E01( )1FE Ek Tf Ee( )f E1( )f E半導體器件半導體器件費米分布函數費米分布函數 稱為費米能級或費米能量稱為費米能級或費米能量溫度溫度導電類型導電類型雜質含量雜質含量能量零點的選取能量零點的選取 處于熱平衡狀態(tài)的電子系統有統一的費

30、米能級處于熱平衡狀態(tài)的電子系統有統一的費米能級FE()iif EN()FTdFEdN半導體器件半導體器件費米分布函數費米分布函數 當當 時時若若 ，則，則若若 ，則，則l在熱力學溫度為在熱力學溫度為0 0度時，費米能級度時，費米能級 可看成量子態(tài)可看成量子態(tài)是否被電子占據的一個界限是否被電子占據的一個界限 當當 時時若若 ，則，則若若 ，則，則若若 ，則，則l費米能級是量子態(tài)基本上被費米能級是量子態(tài)基本上被 電子占據或基本上是空的一電子占據或基本上是空的一 個標志個標志FEE( )1f E FEE( )0f E 01( )1FE Ek Tf EeFE0TK0TKFEEFEEFEE( )1/2f

31、 E ( )1/2f E ( )1/2f E 半導體器件半導體器件玻爾茲曼分布函數玻爾茲曼分布函數 當當 時時，由于，由于 ，所以所以費米分布函數轉化為費米分布函數轉化為 稱為電子的玻爾茲曼分布函數稱為電子的玻爾茲曼分布函數0FEEk T0exp()1FEEk T001 exp()exp()FFEEEEk Tk T0000exp()exp()exp( )exp)()(BFFEEEEk TkEfEAk TTk T( )BfE半導體器件半導體器件玻爾茲曼分布函數玻爾茲曼分布函數 空穴的玻爾茲曼分布函數空穴的玻爾茲曼分布函數000001exp()exp()exp(1( )exp()1FFFEEk T

32、EEEEk Tk Tk TEf EBk Te1( )BfE半導體器件半導體器件玻爾茲曼分布函數玻爾茲曼分布函數 導帶中電子分布可用電子的玻爾茲曼分布函數導帶中電子分布可用電子的玻爾茲曼分布函數描寫（描寫（絕大多數電子分布在導帶底絕大多數電子分布在導帶底）；價帶中）；價帶中的空穴分布可用空穴的玻爾茲曼分布函數描寫的空穴分布可用空穴的玻爾茲曼分布函數描寫（絕大多數空穴分布在價帶頂絕大多數空穴分布在價帶頂） 服從服從費米統計律費米統計律的電子系統稱為的電子系統稱為簡并性系統簡并性系統；服從服從玻爾茲曼統計律玻爾茲曼統計律的電子系統稱為的電子系統稱為非簡并性非簡并性系統系統 費米統計律與玻爾茲曼統計律

33、的主要差別：費米統計律與玻爾茲曼統計律的主要差別：前前者受泡利不相容原理的限制者受泡利不相容原理的限制半導體器件半導體器件練習練習1、空穴占據費米能級的概率在各種溫度下總是、空穴占據費米能級的概率在各種溫度下總是1/2。 （ ）2、費米能級位置較高，說明有較多的能量較高的量、費米能級位置較高，說明有較多的能量較高的量子態(tài)上有電子。子態(tài)上有電子。 （ ） 3、能量為、能量為E的一個量子態(tài)被一個空穴占據的概率為的一個量子態(tài)被一個空穴占據的概率為 （ ）。）。4、為什么電子分布在導帶底，空穴分布在價帶頂？、為什么電子分布在導帶底，空穴分布在價帶頂？半導體器件半導體器件導帶中的電子濃度導帶中的電子濃度

34、 在導帶上的在導帶上的 間有間有 個電子個電子 從導帶底到導帶頂對從導帶底到導帶頂對 進行積分，進行積分，得到能帶中的電子總數，除以半導體體積，得到能帶中的電子總數，除以半導體體積，就得到了導帶中的電子濃度就得到了導帶中的電子濃度 EEdE（）( )( )cf E g E dE( )( )cf E g E dE0n0n( )( )BcdNfE g E dE半導體器件半導體器件導帶中的電子濃度導帶中的電子濃度0* 3/21/223(2)()2FE Ek TnCmVdNeEEdE0* 3/21/223(2)()2FE Ek TnCmdNdneEEdEV0* 3/21/2023(2)()2FCCCC

35、E EEEk TnCEEmndneEEdE0()/()CxEEk T0n0*3/200231/20(2)2cFkxEnxETxe dTxm kne半導體器件半導體器件導帶中的電子濃度導帶中的電子濃度0*3/2003/23(2)4cFEk TnEmek Tn500TK1/0.04323x 1 2eV0n1/202xxe dx 導帶寬度的典型值一般導帶寬度的典型值一般 ， ，所以所以 ，因此，因此， ，積分上限改為積分上限改為 并不影響結果。由此可得并不影響結果。由此可得導帶中電子濃度為導帶中電子濃度為00.043k TK00cFEEk TCnN e半導體器件半導體器件價帶中的空穴濃度價帶中的空穴

36、濃度0*3/203/023(2)4VFEEpk Tm k Tpe0n 同理得價帶中的空穴濃度同理得價帶中的空穴濃度00VFEEk TVpN e半導體器件半導體器件載流子濃度乘積載流子濃度乘積0000gCVEEEk Tk TCVCVn pN N eN N e0* 3/2300032()()2gEnpk Tm mk Tn pe 同理得價帶中的空穴濃度同理得價帶中的空穴濃度 熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導體中，在一定熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導體中，在一定的溫度下，乘積的溫度下，乘積 是一定的，如果電子是一定的，如果電子濃度增大，空穴濃度就會減??；反之亦然濃度增大，空穴濃度就會減??；反之亦然00n p半導體器

37、件半導體器件本征半導體載流子濃度本征半導體載流子濃度00np 本征半導體本征半導體無任何雜質和缺陷的半導體無任何雜質和缺陷的半導體半導體器件半導體器件本征費米能級本征費米能級00np00CFFVEEEEk Tk TCVN eN e0ln22CVViFCEEk TNEEN*0*3ln24pCViFnmEEk TEEm半導體器件半導體器件本征載流子濃度本征載流子濃度00np021/200()gEk TiCVnnpN Ne200in pn（既適用于本征半導體，也（既適用于本征半導體，也適用于非簡并的雜志半導體）適用于非簡并的雜志半導體）半導體器件半導體器件雜質半導體載流子濃度雜質半導體載流子濃度01

38、21( )1FDDEk TEfEe 一個能級能容納自旋方向相反的兩個電子一個能級能容納自旋方向相反的兩個電子 雜質能級只能是下面兩種情況之一雜質能級只能是下面兩種情況之一被一個有任一自旋方向的電子占據被一個有任一自旋方向的電子占據不接受電子不接受電子0121( )1FVVEk TEfEe半導體器件半導體器件雜質半導體載流子濃度雜質半導體載流子濃度0( )112DFDDDDEEk TNnN fEe 施主能級上的電子濃度（沒電離的施主濃度）施主能級上的電子濃度（沒電離的施主濃度） 受主能級上的電子濃度（沒電離的受主濃度）受主能級上的電子濃度（沒電離的受主濃度）0( )112FAAAAAEEk TN

39、pN fEe半導體器件半導體器件雜質半導體載流子濃度雜質半導體載流子濃度01( )12DFDDDDDDEEk TNnNnNfEe 電離施主濃度電離施主濃度 電離受主濃度電離受主濃度01( )12FAAAAAAAEEk TNpNnNfEe半導體器件半導體器件n和p的其他變換公式 本征半導體時， kTEEikTEEiFiiFenpenn/ )(/ )(inpnkTEEVikTEECiiCCieNneNn/ )(/ )(kTEEiVkTEEiCViiCenNenN/ )(/ )(半導體器件半導體器件費米能級費米能級 對摻雜半導體，iiFnnkTEEln半導體器件半導體器件費米能級費米能級 接近室溫時

40、EF-Ei=kTln(ND/ni)半導體器件半導體器件練習半導體器件半導體器件一一半導體中的電子狀態(tài)半導體中的電子狀態(tài)二二半導體中雜質和缺陷能級半導體中雜質和缺陷能級三三半導體中載流子的統計分半導體中載流子的統計分布布四四半導體的導電性半導體的導電性五五非平衡載流子非平衡載流子六六pn結結七七金屬和半導體的接觸金屬和半導體的接觸八八半導體表面與半導體表面與MIS結構結構半導體物理學半導體器件半導體器件載流子輸運載流子輸運 半導體中載流子的輸運有三種形式：漂移擴散產生和復合半導體器件半導體器件歐姆定律 金屬導體外加電壓 ，電流強度為 電流密度為VIRVlRsIJs1半導體器件半導體器件歐姆定律

41、均勻導體外加電壓 ，電場強度為 電流密度為 歐姆定律的微分形式VElVIJsJE半導體器件半導體器件漂移電流 漂移運動當外加電壓時，導體內部的自由電子受到電場力的作用而沿電場的反方向作定向運動（定向運動的速度稱為漂移速度） 電流密度 ddIqnv AJqnv 半導體器件半導體器件漂移速度 漂移速度 ()JEdvEnq半導體器件半導體器件半導體的電導率和遷移率 半導體中的導電作用為電子導電和空穴導電的總和 當電場強度不大時，滿足 ，故可得半導體中電導率為JE()npnpJJJnqpqEnpnqpq半導體器件半導體器件半導體的電導率和遷移率 N型半導體 P型半導體 本征半導體npnqpqnpnnq

42、pnpnqinpn()inpnq半導體器件半導體器件Question 導體在外加電場作用下，導體內載流子的漂移電流有兩種表達形式dJqnv JE恒定不斷增大半導體器件半導體器件熱運動 在無電場作用下，載流子永無停息地做著無規(guī)則的、雜亂無章的運動，稱為熱運動 晶體中的碰撞和散射引起 凈速度為零，并且凈電流為零 平均自由時間為psm1 . 0半導體器件半導體器件熱運動 當有外電場作用時，載流子既受電場力的作用，同時不斷發(fā)生散射 載流子在外電場的作用下為熱運動和漂移運動的疊加，因此電流密度是恒定的半導體器件半導體器件散射的原因 載流子在半導體內發(fā)生撒射的根本原因是周期性勢場遭到破壞 附加勢場 使得能

43、帶中的電子在不同 狀態(tài)間躍遷，并使得載流子的運動速度及方向均發(fā)生改變，發(fā)生散射行為。Vk半導體器件半導體器件電離雜質的散射 雜質電離的帶電離子破壞了雜質附近的周期性勢場，它就是使載流子散射的附加勢場 散射概率 代表單位時間內一個載流子受到散射的次數3/2iiPN TP電離施主散射電離受主散射半導體器件半導體器件晶格振動的散射 格波形成原子振動的基本波動格波波矢 對應于某一q值的格波數目不定，一個晶體中格波的總數取決于原胞中所含的原子數Si、Ge半導體的原胞含有兩個原子，對應于每一個q就有六個不同的格波，頻率低的三個格波稱為聲學波，頻率高的三個為光學波長聲學波（聲波）振動在散射前后電子能量基本不

44、變，稱為彈性散射；光學波振動在散射前后電子能量有較大的改變，稱為非彈性散射1/q半導體器件半導體器件晶格振動的散射 聲學波散射在能帶具有單一極值的半導體中起主要散射作用的是長波在長聲學波中，只有縱波在散射中起主要作用，它會引起能帶的波形變化聲學波散射概率 光學波散射在低溫時不起作用，隨著溫度的升高，光學波的散射概率迅速增大3/2sPT半導體器件半導體器件練習練習1、載流子的熱運動在半導體內會構成電流、載流子的熱運動在半導體內會構成電流。（。（ ） 2、在半導體中，載流子的三種輸運方式為（、在半導體中，載流子的三種輸運方式為（ ）、）、 （ ）和（）和（ ）。）。 3、載流子在外電場的作用下是（

45、、載流子在外電場的作用下是（ ）和（）和（ ）兩種運動的疊加，因此電流密度大?。▋煞N運動的疊加，因此電流密度大小（ ）。）。4、什么是散射、什么是散射 半導體器件半導體器件 與 的關系 N個電子以速度 沿某方向運動，在 時刻未遭到散射的電子數為 ，則在 時間內被散射的電子數為( )N t P tPt( )N t ()ttt因此( )()N tN tt( )N t P t半導體器件半導體器件 與 的關系0( )()( )limtdN tN ttN tdtt P上式的解為( )()( )N tN ttN t P t0( )PtN tN e( )PN t 則 被散射的電子數為 ()ttdt0PtN

46、ePdt半導體器件半導體器件 與 的關系 在 時間內被散射的所有電子的自由時間為 ，這些電子自由時間的總和為 ，則 個電子的平均自由時間可表示為P0Nt ()ttdt0PttN ePdt000PttN ePdtN1P半導體器件半導體器件 、 與 的關系0*xxnqtm 平均漂移速度為0*000*() ()PtnxnnxqtN ePdtmNqm ()x*nnnqm*pppqm半導體器件半導體器件 、 與 的關系 N型半導體 P型半導體 本征半導體np2*nnnnnqnqmpninpn2*()pninpnqmm2*pppppqpqm半導體器件半導體器件 與 及 的關系 電離雜質散射 聲學波散射 光

47、學波散射iN13/2iiNTT3/2sT01k Toe01111is半導體器件半導體器件 與 及 的關系 電離雜質散射 聲學波散射 光學波散射iN13/2iiNTT3/2sT01k Toe01111is半導體器件半導體器件影響遷移率的因素 與散射有關與散射有關晶格散射晶格散射電離雜質電離雜質散射散射*mq半導體器件半導體器件半導體器件半導體器件 N型半導體 P型半導體 本征半導體11npnqpq1nnq1pnq1()inpnq電阻率半導體器件半導體器件電阻率與摻雜的關系 N N型半導體型半導體 P P型半導體型半導體ApDnNqNq11半導體器件半導體器件電阻率與溫度的關系 本征半導體本征半導

48、體本征半導體電阻率隨溫度增加而單調地下降本征半導體電阻率隨溫度增加而單調地下降 雜質半導體雜質半導體（區(qū)別于金屬）（區(qū)別于金屬）半導體器件半導體器件速度飽和 在低電場作用下，載流子在半導體中的平均漂移在低電場作用下，載流子在半導體中的平均漂移速度速度v v與外加電場強度與外加電場強度E E呈線性關系；隨著外加電呈線性關系；隨著外加電場的不斷增大，兩者呈非線性關系，并最終平均場的不斷增大，兩者呈非線性關系，并最終平均漂移速度達到一飽和值，不隨漂移速度達到一飽和值，不隨E E變化。變化。n-Ge:n-Ge:d27 10/V cm dE（呈線性）237 10/5 10/V cmV cm d增加緩慢;

49、（降低）35 10/V cm d（飽和）半導體器件半導體器件耿氏效應 耿氏效應耿氏效應n-GaAsn-GaAs外加電場強度超過外加電場強度超過 時，半導體內時，半導體內的電流以的電流以 的頻率發(fā)生振蕩的頻率發(fā)生振蕩33 10/V cm33 10/EV cm 0.47 6.5GHz(0.476.5)IGHzfGHz半導體器件半導體器件練習練習一、判斷一、判斷1、在半導體中，原子最外層電子的共有化運動、在半導體中，原子最外層電子的共有化運動最顯著。最顯著。 （ ）2、不同的、不同的k值可標志自由電子的不同狀態(tài)，但它值可標志自由電子的不同狀態(tài)，但它不可標志晶體中電子的共有化狀態(tài)。不可標志晶體中電子的

50、共有化狀態(tài)。 （ ）3、空位表現為施主作用，間隙原子表現為受主、空位表現為施主作用，間隙原子表現為受主作用。作用。 （ ）4、半導體中兩種載流子數目相同的為高純半導、半導體中兩種載流子數目相同的為高純半導體。體。 （ ）半導體器件半導體器件練習練習二、填空二、填空1、半導體材料結構可分為（、半導體材料結構可分為（ ）、（）、（ ）、（）、（ ），），應用最為廣泛的是（應用最為廣泛的是（ ）。）。2、金剛石型單胞的基礎結構為（、金剛石型單胞的基礎結構為（ ），金剛石型），金剛石型為（為（ ）對稱性，閃鋅礦型結構為（）對稱性，閃鋅礦型結構為（ ）對稱性，）對稱性，纖鋅礦型為（纖鋅礦型為（ ）對稱性

51、。）對稱性。3、導帶和價帶間間隙稱為（、導帶和價帶間間隙稱為（ ），），Si的禁帶寬度為的禁帶寬度為（ ），），Ge為（為（ ），），GaAs為（為（ ）。）。4、固體按其導電性可分為（、固體按其導電性可分為（ ）、（）、（ ）、（）、（ ）。）。半導體器件半導體器件練習練習5、雜質總共可分為兩大類（、雜質總共可分為兩大類（ ）和（）和（ ），），施主雜質為（施主雜質為（ ），受主雜質為（），受主雜質為（ ）。）。6、施主雜質向（、施主雜質向（ ）帶提供（）帶提供（ ）成為（）成為（ ）電中心；受主雜質向（電中心；受主雜質向（ ）帶提供（）帶提供（ ）成）成為（為（ ）電中心。）電中心。7 、

52、熱平衡時，能級熱平衡時，能級E處的空穴濃度為（處的空穴濃度為（ ）。）。8 、在半導體中，載流子的三種輸運方式為在半導體中，載流子的三種輸運方式為（ ）、）、 （ ）和（）和（ ）。）。半導體器件半導體器件練習練習1( )f E15310DNcm17310ANcm三、簡答三、簡答1、單胞的概念及兩大注意點？、單胞的概念及兩大注意點？2、三種立方單胞的名稱？、三種立方單胞的名稱？3、引入有效質量的原因及意義？、引入有效質量的原因及意義？4、 的物理含義？的物理含義？5、費米分布函數與玻耳茲曼分布函數的最大區(qū)別？、費米分布函數與玻耳茲曼分布函數的最大區(qū)別？ 6、在外加電場、在外加電場E作用下，為什

53、么半導體內載流子的作用下，為什么半導體內載流子的漂移電流恒定，試從載流子的運動角度說明。漂移電流恒定，試從載流子的運動角度說明。7、在室溫下，熱平衡時，、在室溫下，熱平衡時，Si半導體中半導體中 ， ，求半導體中的電子和空穴濃度。，求半導體中的電子和空穴濃度。半導體器件半導體器件一一半導體中的電子狀態(tài)半導體中的電子狀態(tài)二二半導體中雜質和缺陷能級半導體中雜質和缺陷能級三三半導體中載流子的統計分半導體中載流子的統計分布布四四半導體的導電性半導體的導電性五五非平衡載流子非平衡載流子六六pn結結七七金屬和半導體的接觸金屬和半導體的接觸八八半導體表面與半導體表面與MIS結構結構半導體物理學半導體器件半導

54、體器件平衡載流子 在某以熱平衡狀態(tài)下的載流子稱為平衡載流子在某以熱平衡狀態(tài)下的載流子稱為平衡載流子非簡并半導體處于熱平衡狀態(tài)的判據式非簡并半導體處于熱平衡狀態(tài)的判據式（只受溫度T影響）半導體器件半導體器件由于受外界因素如光、電的作用，半導體中載流子的由于受外界因素如光、電的作用，半導體中載流子的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過剩載流子，也稱為非平衡載流子子為過剩載流子，也稱為非平衡載流子過剩載流子過剩載流子非平衡載流子的光注入半導體器件半導體器件平衡載流子滿足費米狄拉克統計分布平衡載流子滿足費米狄拉克統計分布過剩載流子不滿足費米

55、狄拉克統計分布過剩載流子不滿足費米狄拉克統計分布2innp 且公式且公式不成立不成立載流子的產生和復合：電子和空穴增加和消失的過程載流子的產生和復合：電子和空穴增加和消失的過程過剩載流子過剩載流子半導體器件半導體器件過剩載流子和電中性平衡時平衡時 過剩載流子過剩載流子電中性：電中性：半導體器件半導體器件小注入條件0000,pn nnnppp小注入條件小注入條件：注入的非平衡載流子濃度：注入的非平衡載流子濃度比平衡時的多數載流子濃度小的多比平衡時的多數載流子濃度小的多N型材料型材料P型材料型材料半導體器件半導體器件小注入條件9310 /npcm14310 /,DNcm例：室溫下一受到微擾的摻雜硅

56、，例：室溫下一受到微擾的摻雜硅， 判斷其是否滿足小注入條件？判斷其是否滿足小注入條件？1432630010 /,/10 /DiDnNcmpnNcm93143000,10 /10 /nnnnpcmncm解：解：滿足小注入條件！（滿足小注入條件?。?）0pp注：（注：（1）即使在小注入的情況下，非平衡少數載流子濃度還是可）即使在小注入的情況下，非平衡少數載流子濃度還是可以比平衡少數載流子濃度大的多以比平衡少數載流子濃度大的多（2）非平衡少數載流子起重要作用，非平衡載流子都指非平衡少）非平衡少數載流子起重要作用，非平衡載流子都指非平衡少數載流子數載流子半導體器件半導體器件非平衡載流子壽命非平衡載流子

57、壽命 假定光照產生假定光照產生 和和 ，如果光突然關閉，如果光突然關閉， 和和 將隨時間逐漸衰減直至將隨時間逐漸衰減直至0 0，衰減的時間常數，衰減的時間常數稱為壽命稱為壽命 ，也常稱為少數載流子壽命也常稱為少數載流子壽命 單位時間內非平衡載流子的復合概率單位時間內非平衡載流子的復合概率 非平衡載流子的復合率非平衡載流子的復合率1/npnp/p半導體器件半導體器件復合復合pd ppdt t0( )()tp tp e n型材料中的空穴型材料中的空穴當當 時，時， ，故壽命標志著非平衡載，故壽命標志著非平衡載流子濃度減小到原值的流子濃度減小到原值的1/e1/e所經歷的時間；壽命越短，衰所經歷的時間

58、；壽命越短，衰減越快減越快0( )() /ppe 半導體器件半導體器件費米能級200in pn熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導體中有統一熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導體中有統一的費米能級的費米能級統一的費米能級是熱平衡狀態(tài)的標志統一的費米能級是熱平衡狀態(tài)的標志0000CFFVEEk TCEEk TVnN epN e半導體器件半導體器件準費米能級 當半導體的熱平衡狀態(tài)被打破時，新當半導體的熱平衡狀態(tài)被打破時，新的熱平衡狀態(tài)可通過的熱平衡狀態(tài)可通過熱躍遷熱躍遷實現，但導帶實現，但導帶和價帶間的熱躍遷較稀少和價帶間的熱躍遷較稀少 導帶和價帶各自處于平衡態(tài)，因此存導帶和價帶各自處于平衡態(tài)，因此存在導帶費米能級和價帶

59、費米能級，稱其為在導帶費米能級和價帶費米能級，稱其為“準費米能級準費米能級”00CFnFpVEEk TCEEk TVnN epN e半導體器件半導體器件準費米能級 注：注： 非平衡載流子越多，準費米能級偏離非平衡載流子越多，準費米能級偏離 就越遠。就越遠。 在非平衡態(tài)時，一般情況下，少數載流子的在非平衡態(tài)時，一般情況下，少數載流子的準費米能級偏離費米能級較大準費米能級偏離費米能級較大00000000CFnFnFFniFpVFFpiFpEEEEEEk Tk Tk TCiEEEEEEk Tk Tk TVinN en enepN ep eneFE半導體器件半導體器件準費米能級00200FnFpFnF

60、pEEEEk Tk Tinpn p en eCEVE 注：注： 兩種載流子的準費米能級偏離的情況反兩種載流子的準費米能級偏離的情況反映了半導體偏離熱平衡狀態(tài)的程度映了半導體偏離熱平衡狀態(tài)的程度FnEFpEFE半導體器件半導體器件產生和復合產生和復合 產生產生電子和空穴（載流子）被創(chuàng)建的過程電子和空穴（載流子）被創(chuàng)建的過程產生率（產生率（G）：單位時間單位體積內所產生的電子：單位時間單位體積內所產生的電子空空穴對數穴對數 復合復合電子和空穴（載流子）消失的過程電子和空穴（載流子）消失的過程復合率（復合率（R）：單位時間單位體積內復合掉的電子：單位時間單位體積內復合掉的電子空空穴對數穴對數產生和復