半導(dǎo)體物理器件1課件

第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)●半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)●載流子的統(tǒng)計(jì)分布●簡(jiǎn)并半導(dǎo)體●載流子的散射●載流子的輸運(yùn)●非平衡載流子1、本課程的主要內(nèi)容

研究由不同半導(dǎo)體材料組成半導(dǎo)體器件時(shí)，載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和電壓-電流等電學(xué)特性。方法：1）分析半導(dǎo)體器件時(shí)，應(yīng)先將整個(gè)器件分為若干個(gè)區(qū)。2）給出邊界條件。3）求解出各個(gè)區(qū)中的少子濃度分布、少子濃度梯度分布、電場(chǎng)分布、電勢(shì)分布、電流密度分布等，最終求得器件的各個(gè)端電流。2、本課程的考核方式、答疑時(shí)間概述1.1半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)●半導(dǎo)體中電子的波函數(shù)和能量譜值●能帶●有效質(zhì)量●導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴●Si/Ge/GaAs的能帶結(jié)構(gòu)●雜質(zhì)和缺陷能級(jí)請(qǐng)復(fù)習(xí)《半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)》相關(guān)知識(shí)點(diǎn)！1.2載流子的統(tǒng)計(jì)分布●導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度之積（1-64）式中為禁帶寬度。與溫度有關(guān)，可以把它寫成經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：其中為常數(shù)得：（1-66）1.2載流子的統(tǒng)計(jì)分布●本征半導(dǎo)體于是：（1-70）（1-68）（1-69）即：參照得：習(xí)題1.2載流子的統(tǒng)計(jì)分布●只有一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體☆P型半導(dǎo)體在雜質(zhì)飽和電離的溫度范圍內(nèi)：導(dǎo)帶電子濃度為：費(fèi)米能級(jí)：（1-80）1.2載流子的統(tǒng)計(jì)分布●雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體相應(yīng)的費(fèi)米能級(jí)為：在的半導(dǎo)體中：（1-84）1.2載流子的統(tǒng)計(jì)分布相應(yīng)的費(fèi)米能級(jí)為：在的半導(dǎo)體中：（1-88）●雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體習(xí)題1.4載流子的散射1.格波與聲子2.載流子的散射1）平均自由時(shí)間與馳豫時(shí)間2）散射機(jī)構(gòu)○晶格振動(dòng)散射○電離雜質(zhì)散射聲學(xué)波特點(diǎn)：相鄰兩種不同原子的振幅都有相同的正號(hào)或負(fù)號(hào)，即對(duì)于聲學(xué)波，相鄰原子都是沿著同一方向振動(dòng)，當(dāng)波長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)，聲學(xué)波實(shí)際上代表原胞質(zhì)心的振動(dòng)。光學(xué)波特點(diǎn)：對(duì)于光學(xué)波，相鄰兩種不同原子的振動(dòng)方向是相反的。原胞的質(zhì)心保持不動(dòng)，由此也可以定性的看出，波長(zhǎng)很長(zhǎng)的光學(xué)波（長(zhǎng)光學(xué)波）代表原胞中兩個(gè)原子的相對(duì)振動(dòng)。1.格波與聲子晶格振動(dòng)能量的量子化---聲子1.5載流子的輸運(yùn)1.漂移運(yùn)動(dòng)遷移率和電導(dǎo)率電子遷移率：空穴遷移率：電子漂移電流密度：（1-114）電子電導(dǎo)率：（1-118）——N型半導(dǎo)體的電導(dǎo)率空穴電導(dǎo)率：——P型半導(dǎo)體的電導(dǎo)率電子和空穴共同作用電導(dǎo)率：1.5載流子的輸運(yùn)2.擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散電流電子擴(kuò)散電流密度D——擴(kuò)散系數(shù)（1-129）空穴擴(kuò)散電流密度3.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：（1-133）1.5載流子的輸運(yùn)4.電流密度空穴和電子的電流密度分別為：（1-135）在一維情況下，空穴和電子的電流分別為：（1-137）式中A為電流垂直流過的面積1.5載流子的輸運(yùn)（1-144）于是：——熱電勢(shì)在熱平衡情況下，費(fèi)米勢(shì)為常數(shù)，可以把它取為零基準(zhǔn)，于是：（1-146）2）愛因斯坦關(guān)系電子：空穴：1.5載流子的輸運(yùn)對(duì)于N型半導(dǎo)體，有（取EF為零基準(zhǔn)）：（1-151）對(duì)于P型半導(dǎo)體，有：（1-153）3）非均勻半導(dǎo)體自建電場(chǎng)1.6非平衡載流子非平衡載流子：比平衡態(tài)多出來的部分載流子小注入：非平衡載流子濃度<<熱平衡多數(shù)載流子濃度1.非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合——非平衡載流子1.6非平衡載流子3.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(jí)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(jí)恒定?；蛘哒f，熱平衡系統(tǒng)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。1.6非平衡載流子4.復(fù)合機(jī)制凈復(fù)合率：壽命：（1-171）1）直接復(fù)合小注入：本征半導(dǎo)體：雜質(zhì)半導(dǎo)體：1.6非平衡載流子2）通過復(fù)合中心的復(fù)合為簡(jiǎn)單計(jì)，假設(shè)復(fù)合中心對(duì)電子和空穴的俘獲系數(shù)相等。凈復(fù)合率可寫成或3）表面復(fù)合率（1-210）1.6非平衡載流子5.半導(dǎo)體中的基本控制方程在飽合電離的情況下：2）泊松方程（1-220）設(shè)空間電荷所形成的電勢(shì)分布為，則與之間滿足泊松方程：為自由空間電容率，其數(shù)值為分析半導(dǎo)體器件時(shí)，應(yīng)先將整個(gè)器件分為若干個(gè)區(qū)，然后在各個(gè)區(qū)中視具體情況對(duì)基本方程做相應(yīng)的簡(jiǎn)化后進(jìn)行求解。求解微分方程時(shí)還需要給出

邊界條件。擴(kuò)散方程的邊界條件為邊界上的