吉林大學半導體器件物理第一章

吉林大學半導體器件物理第一章第一頁，共32頁。教材半導體器件物理

孟慶巨劉海波孟慶輝編著

科學出版社(第二版)2009年11月第六次印刷普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材國家精品課程主干教材普通高等教育電子科學與技術類特色專業(yè)系列教材第二頁，共32頁。課程簡介半導體器件物理課程結合一些主要的、常見的半導體器件介紹了半導體器件的基本結構、基本工作原理、基本性能和基本制造工藝。半導體器件物理課程是微電子、光電子、電子科學與技術等專業(yè)的主干專業(yè)基礎課，是吉林大學國家重點學科微電子學與固體電子學碩士研究生入學考試科目。半導體器件物理課程于2005年5月被評為吉林大學精品課程2005年8月吉林省精品課程2007年12月年被評為中華人民共和國教育部國家精品課程第三頁，共32頁。講授內容與學時第一章半導體物理基礎（4學時）第二章PN結（12學時）第三章雙極結型晶體管（12學時）第四章金屬-半導體結（5學時）第五章結型場效應晶體管和肖特基勢壘場效應晶體管（5學時）第六章MOS場效應晶體管（8學時）第七章電荷轉移器件（4學時）第八章太陽電池與光電二極管（4學時）第九章發(fā)光管與半導體激光器（4學時）第四頁，共32頁。第一章半導體物理基礎

第五頁，共32頁。能帶中電子的態(tài)密度函數(shù)1.態(tài)密度和態(tài)密度有效質量對于自由電子：半導體中，類似：自由電子質量導帶：導帶電子狀態(tài)密度有效質量價帶：價帶空穴狀態(tài)密度有效質量第六頁，共32頁。價帶的狀態(tài)密度隨著電子能量的增加同樣按著拋物線關系增大，價帶頂附近，空穴能量越高，狀態(tài)密度越大。導帶的狀態(tài)密度隨著電子能量的增加按著拋物線關系增大，導帶底附近，電子能量越高，狀態(tài)密度越大。狀態(tài)密度與有效質量有關,有效質量大的能帶,狀態(tài)密度也大。第七頁，共32頁。費米狄拉克統(tǒng)計1.電子占據(jù)能量為E的給定能態(tài)的幾率占據(jù)幾率占據(jù)幾率第八頁，共32頁。2.電子占據(jù)能量為E的給定能態(tài)的幾率在電子、空穴占據(jù)能量為E的給定能態(tài)的幾率的費米狄拉克統(tǒng)計中，如果指數(shù)項遠大于1，則：什么情況下可以使用波爾茲曼近似？將遠大于定義為10倍，即室溫條件下，，即：第九頁，共32頁。1.7載流子的統(tǒng)計分布導帶電子濃度價帶空穴濃度導帶（底）的有效狀態(tài)密度價帶（頂）的有效狀態(tài)密度第十頁，共32頁。1.7載流子的統(tǒng)計分布經驗公式，為禁帶寬度的溫度系數(shù)；外推到0K時的禁帶寬度。本征半導體（Intrinsicsemiconductor）所謂本征半導體，就是完全沒有雜質和缺陷的半導體。導帶中的電子都是由價帶激發(fā)得到的，（只有導帶和價帶，禁帶中沒有雜質能級)，即半導體中共價鍵是飽和的、完整的。T>0K時，電子從價帶激發(fā)到導帶，稱為本征激發(fā)。若要求電子總數(shù)不變，必須導帶中的電子濃度等于價帶中的空穴濃度，即在任何溫度下,要求半導體保持電中性條件,同保持電子總數(shù)不變的條件是一致的。第十一頁，共32頁。表示本征半導體的費米能級。當,Ei恰好位于禁帶中央.實際上NC和NV并不相等,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.第十二頁，共32頁。1.7載流子的統(tǒng)計分布質量作用定律第十三頁，共32頁。1.7載流子的統(tǒng)計分布N型半導體第十四頁，共32頁。P型半導體第十五頁，共32頁。本征半導體

n＝p（1-7-24）于是

（1-7-25）

（1-7-26）（1-7-27）稱為質量作用定律。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）第十六頁，共32頁。只含有一種雜質的半導體1.7載流子的統(tǒng)計分布N型半導體在雜質飽和電離的溫度范圍內，導帶電子濃度等于施主濃度溫度升高，費米能級逐漸遠離導帶底。·○·○·○··○·○·

只含一種施主雜質的半導體ECEdEV第十七頁，共32頁。只有一種雜質的半導體N型半導體在雜質飽和電離的溫度范圍內，導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，費米能級逐漸遠離導帶底。

第十八頁，共32頁。P型半導體在雜質飽和電離的溫度范圍內，（1-7-34）導帶電子濃度為（1-7-35）費米能級

（1-7-36）（1-7-37）

第十九頁，共32頁。雜質補償半導體在的半導體中，（1-7-38）

（1-7-39）相應的費米能級為（1-7-40）和（1-7-41）第二十頁，共32頁。雜質補償半導體在的半導體中（1-7-42）（1-7-43）相應的費米能級為（1-7-44）（1-7-45）第二十一頁，共32頁。1.9.3流密度和電流密度在漂移和擴散同時存在的情況下，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，空穴和電子的電流分別為式中A為電流垂直流過的面積。（1-9-25）

（1-9-22）

（1-9-23）

（1-9-24）

（1-9-26）

（1-9-27）

第二十二頁，共32頁。1.10非均勻半導體中的自建場半導體中的靜電場和勢非均勻半導體和自建電場第二十三頁，共32頁。電場定義為電勢的負梯度電勢與電子勢能的關系為（1-10-2）可以把電場表示為（一維）取表示靜電勢。與此類似，定義為費米勢。(1-10-1)

（1-10-3）

（1-10-4）

（1-10-5）

第二十四頁，共32頁。于是式中稱為熱電勢.在熱平衡情況下，費米勢為常數(shù)，可以把它取為零基準，于是

（1-10-9）

（1-10-10）

（1-10-6）

（1-10-7）

第二十五頁，共32頁。非均勻的雜質分布會在半導體中引起電場，稱為自建電場。在熱平衡情況下，由

對于N型半導體，有對于P型半導體，有

(1－10-9）（1-10-10）

（1-10-14）

（1-10-15）

（1-10-16）

（1-10-17）

第二十六頁，共32頁。1.12準費米能級在非平衡狀態(tài)下可以定義和兩個量以代替，使得式中和分別稱為電子和空穴的準費米能級，和分別為相應的準費米勢：（1-12-1）

（1-12-2）

第二十七頁，共32頁。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散的綜合效應。從修正歐姆定律可以看出，費米能級恒定（即）是電流為零的條件。處于熱平衡的半導體，費米能級恒定?；蛘哒f，熱平衡系統(tǒng)具有統(tǒng)一的費米能級。（1-12-5）

（1-12-6）

第二十八頁，共32頁。1.13.2通過復合中心的復合:為簡單計，假設復合中心對電子和空穴的俘獲系數(shù)相等。凈復合率可寫成或1.14表面復合和表面復合速度（1-13-38）

（1-13-39）

（1-14-1）

（1-4-2）

第二十九頁，共32頁。1.15半導體中的基本控制方程連續(xù)性方程利用電流密度表達式，（1-15-1）式和（1-15-2）式可以分別寫成在一維情況下，（1-15-1）

（1-15-2）

（1-15-7）（1-15-8）（1-15-9）（1