半導(dǎo)體物理學(xué) 劉恩科 第七版

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1、半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué) 劉恩劉恩科科 第七版第七版半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體物理學(xué) 教材教材: ?半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)?(第七版第七版)，劉恩科等編，劉恩科等編著，電子工業(yè)出版社著，電子工業(yè)出版社 參考書：參考書： ?半導(dǎo)體物理與器件半導(dǎo)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(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 課程考核方法課程考核方法 : 本課采用開卷筆試的考核方法。本課采用開卷筆試的考核方法。 總評成績構(gòu)比例為：平時(shí)成績總評成績構(gòu)比例為：平時(shí)成績10%； 期期末考試末考試90%半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電

2、子狀態(tài) 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 非平衡載流子非平衡載流子 pnpn結(jié)結(jié) 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸 半導(dǎo)體外表與半導(dǎo)體外表與MISMIS構(gòu)造構(gòu)造 半導(dǎo)體異質(zhì)構(gòu)造半導(dǎo)體異質(zhì)構(gòu)造半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件固態(tài)電子學(xué)分支之一固態(tài)電子學(xué)分支之一微電子學(xué)微電子學(xué)光電子學(xué)光電子學(xué)研究在固體主要是半導(dǎo)體材料上構(gòu)成研究在固體主要是半導(dǎo)體材料上構(gòu)成的微小型化器件、電路、及系統(tǒng)的電子學(xué)的微小型化器件、電路、及系統(tǒng)的電子學(xué)分支學(xué)科分支學(xué)科微電子學(xué)簡介微電子學(xué)簡介:半導(dǎo)體概要半導(dǎo)體概要半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體

3、器件微電子學(xué)研究領(lǐng)域微電子學(xué)研究領(lǐng)域半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理集成電路工藝集成電路工藝集成電路設(shè)計(jì)和測試集成電路設(shè)計(jì)和測試微電子學(xué)開展的特點(diǎn)微電子學(xué)開展的特點(diǎn)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開展向開展與其它學(xué)科互相滲透，與其它學(xué)科互相滲透，形成新的學(xué)科領(lǐng)域：形成新的學(xué)科領(lǐng)域： 光電集成、光電集成、MEMS、生、生物芯片物芯片半導(dǎo)體概要半導(dǎo)體概要半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件固體材料分成：固體材料分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體什么是半導(dǎo)體？什么是半導(dǎo)體？半導(dǎo)體及其根本特性半導(dǎo)體及其根本特性半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)

4、體器件 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 非平衡載流子非平衡載流子 pnpn結(jié)結(jié) 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸 半導(dǎo)體外表與半導(dǎo)體外表與MISMIS構(gòu)造構(gòu)造半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體的純度和構(gòu)造半導(dǎo)體的純度和構(gòu)造 純度純度 極高，雜質(zhì)極高，雜質(zhì)1013cm-3 構(gòu)造構(gòu)造半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件晶體構(gòu)造晶體構(gòu)造 單胞單胞 對于任何給定的晶體，可以用來形成其對于任何給定的晶體，可以用來形成其晶體構(gòu)造的最小單元晶體構(gòu)造的最小單元注：注：a單胞無需是唯一的單

5、胞無需是唯一的 b單胞無需是根本的半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件晶體構(gòu)造晶體構(gòu)造 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(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件金剛石晶體構(gòu)造金剛石晶體構(gòu)造金剛石構(gòu)造金剛石構(gòu)造原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵形成的晶體構(gòu)造：形成的晶體構(gòu)造： 構(gòu)成一個(gè)正四構(gòu)成一個(gè)正四面體，具有面體，具有 金金 剛剛 石石 晶晶 體體 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 有有: 元元 素素 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 如如Si、Ge 金剛石晶體構(gòu)造金剛石晶體構(gòu)造半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 有有: 化化 合合 物物 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 如如GaAs、InP

6、、ZnS閃鋅礦晶體構(gòu)造閃鋅礦晶體構(gòu)造金剛石型 閃鋅礦型半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件練習(xí)練習(xí)1、單胞是根本的、不唯一的單元。、單胞是根本的、不唯一的單元。 2、按半導(dǎo)體構(gòu)造來分，應(yīng)用最為廣泛的是、按半導(dǎo)體構(gòu)造來分，應(yīng)用最為廣泛的是 。3、寫出三種立方單胞的名稱，并分別計(jì)算、寫出三種立方單胞的名稱，并分別計(jì)算單胞中所含的原子數(shù)。單胞中所含的原子數(shù)。4、計(jì)算金剛石型單胞中的原子數(shù)。、計(jì)算金剛石型單胞中的原子數(shù)。半導(dǎo)體器件半導(dǎo)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； 共有化運(yùn)動(dòng)共有化運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件+14 電子的能級是量子化的n=3n=3四個(gè)電子

7、四個(gè)電子n=2n=28 8個(gè)電子個(gè)電子n=1n=12 2個(gè)電子個(gè)電子SiHSi原子的能級原子的能級半導(dǎo)體器件半導(dǎo)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(gè)原子能級的分裂個(gè)原子能級的分裂 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)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(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件Si的能帶的能帶 價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件價(jià)帶：價(jià)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(dǎo)帶：導(dǎo)帶：0K0K條件下未被電子填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(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差帶隙：導(dǎo)帶底

8、與價(jià)帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶構(gòu)造半導(dǎo)體的能帶構(gòu)造半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件自由電子的運(yùn)動(dòng)自由電子的運(yùn)動(dòng) 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(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng) 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(shù)布洛赫波函數(shù)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件固體材料分成：固體材料分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體固體材料的

9、能帶圖固體材料的能帶圖半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體半導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體的能帶 本征激發(fā)本征激發(fā) 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件練習(xí)練習(xí)1、什么是共有化運(yùn)動(dòng)？、什么是共有化運(yùn)動(dòng)？2、畫出、畫出Si原子構(gòu)造圖畫出原子構(gòu)造圖畫出s態(tài)和態(tài)和p態(tài)并注明該能態(tài)并注明該能級層上的電子數(shù)級層上的電子數(shù)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(xiàn)的幾率是恒定不變的。在某處出現(xiàn)的幾率是恒定不變的。 5、分別表達(dá)半導(dǎo)體與金屬和絕緣體在導(dǎo)電過程中、分別表達(dá)半導(dǎo)體與金屬和絕

10、緣體在導(dǎo)電過程中的差異。的差異。半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中EK與與K的關(guān)系的關(guān)系 在導(dǎo)帶底部，波數(shù)在導(dǎo)帶底部，波數(shù) ，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(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中EK與與K的關(guān)系的關(guān)系22021( )(0)()2kd EE kEkdk令令 代入上式得代入上式得2022*11()knd Edkm22*( )(0)2nkE kEm半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件自由電子的能量自由電子的能量 微觀粒子

11、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(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體中電子的平均速度半導(dǎo)體中電子的平均速度 在周期性勢場內(nèi)，電子的平均速度在周期性勢場內(nèi)，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(dǎo)體器件半導(dǎo)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 u202pEm()( , )i K rtr tAe pKEhv0kum半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體中電子的加速度半導(dǎo)體中電子的加

12、速度 半導(dǎo)體中電子在一強(qiáng)度為半導(dǎo)體中電子在一強(qiáng)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(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體中電子的加速度半導(dǎo)體中電子的加速度令令 即即2*2211nd Emdk*nfam2*22nmd Edk半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件有效質(zhì)量的意義有效質(zhì)量的意義 自由電子只受外力作用；半導(dǎo)體中的電子自由電子只受外力作用；半導(dǎo)體中的電子不僅受到外力的作用，同時(shí)還受半導(dǎo)體內(nèi)不僅受到外力的作用，同

13、時(shí)還受半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用部勢場的作用 意義：有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的意義：有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用，使得研究半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作用，使得研究半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)更為簡便有效質(zhì)量可由試驗(yàn)測定時(shí)更為簡便有效質(zhì)量可由試驗(yàn)測定半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件空穴空穴 只有非滿帶電子才可導(dǎo)電只有非滿帶電子才可導(dǎo)電 導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴具有導(dǎo)電特性；電子導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴具有導(dǎo)電特性；電子帶負(fù)電帶負(fù)電-q導(dǎo)帶底，空穴帶正電導(dǎo)帶底，空穴帶正電+q價(jià)價(jià)帶頂帶頂半導(dǎo)體器件半導(dǎo)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

14、kEm 導(dǎo)帶底附近導(dǎo)帶底附近價(jià)帶頂附近價(jià)帶頂附近半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件K空間等能面空間等能面 以以 、 、 為坐標(biāo)軸構(gòu)成為坐標(biāo)軸構(gòu)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(dǎo)帶底附近導(dǎo)帶底附近xk2222xyzkkkkykzkkkk2222*( )(0)()2xyznE kEkkkm半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件K空間等能面空間等能面 對應(yīng)于某一對應(yīng)于某一 值，有許多組不同的值，有許多組不同的 ，這些組構(gòu)成一個(gè)封閉面，這些組構(gòu)成一個(gè)封閉面，在著個(gè)面上能量值為一恒值，這個(gè)面稱在著個(gè)面上能量值為一恒值，這個(gè)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

15、理想( )E k(,)xyzk kk2222*( )(0)()2xyznE kEkkkm半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 非平衡載流子非平衡載流子 pnpn結(jié)結(jié) 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸 半導(dǎo)體外表與半導(dǎo)體外表與MISMIS構(gòu)造構(gòu)造半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件與理想情況的偏離與理想情況的偏離 晶格原子是振動(dòng)的晶格原子是振動(dòng)的 材料含雜質(zhì)材料含雜質(zhì) 晶格中存在缺陷晶格中存在缺陷 點(diǎn)缺陷空位、間隙原子點(diǎn)缺陷空位、間隙原子 線缺陷位錯(cuò)

16、線缺陷位錯(cuò) 面缺陷層錯(cuò)面缺陷層錯(cuò)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)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(zhì)和缺陷，會(huì)對半導(dǎo)體材料極微量的雜質(zhì)和缺陷，會(huì)對半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響，同時(shí)也嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的質(zhì)量。響，同時(shí)也嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的質(zhì)量。1個(gè)個(gè)B原子原子/ 個(gè)個(gè)Si原子原子 在室溫下電導(dǎo)率提高在室溫下電導(dǎo)率提高 倍倍Si單晶位錯(cuò)密度要求低于單晶位錯(cuò)密度要求低于5103103210 cm半導(dǎo)體器件半導(dǎo)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(rèn)為，雜質(zhì)和缺陷的存在使得理論分析認(rèn)為，雜質(zhì)和缺陷的存在使得原本周期性

17、排列的原子所產(chǎn)生的周期性原本周期性排列的原子所產(chǎn)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(dǎo)體允許電子在禁帶中存在，從而使半導(dǎo)體的性質(zhì)發(fā)生改變。的性質(zhì)發(fā)生改變。半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級例：如下圖為一晶格常數(shù)為例：如下圖為一晶格常數(shù)為a的的Si晶胞，求：晶胞，求： aSi原子半徑原子半徑 b晶胞中所有晶胞中所有Si原子占據(jù)晶胞的百分比原子占據(jù)晶胞的百分比解：解：a1 13(3 )2 48raab3348330.3416ra半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)

18、雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，該雜質(zhì)稱為間隙式雜質(zhì)。該雜質(zhì)稱為間隙式雜質(zhì)。 間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如間隙式雜質(zhì)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(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處，雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處，該雜質(zhì)稱為替位式雜質(zhì)。該雜質(zhì)稱為替位式雜質(zhì)。 替位式雜質(zhì)原子的大小和價(jià)電子殼層構(gòu)替位式雜質(zhì)原子的大小和價(jià)電子殼層構(gòu)造要求與被取代的晶格原子相近。如造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晶體中都為替位式雜質(zhì)。質(zhì)。半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)

19、間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì) 單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)稱為雜質(zhì)濃度單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)稱為雜質(zhì)濃度半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件練習(xí)練習(xí)1、實(shí)際情況下、實(shí)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？它們之間有差異的原因？能面分別是如何形狀的？它們之間有差異的原因？2、實(shí)際情況的半導(dǎo)體材料與理想的半導(dǎo)體材料有、實(shí)際情況的半導(dǎo)體材料與理想的半導(dǎo)體材料有何不同？何不同？3、雜質(zhì)和缺陷是如何影響半導(dǎo)體的特性的？、雜質(zhì)和缺陷是如何影響半導(dǎo)體的特性的？半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件施主施主：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中

20、提供導(dǎo)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(dǎo)體型半導(dǎo)體As半導(dǎo)體的摻雜半導(dǎo)體的摻雜DEDECEVE施主能級施主能級半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件受主受主：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴， 并成為帶負(fù)電的離子。如并成為帶負(fù)電的離子。如SiSi中的中的B BP型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體B半導(dǎo)體的摻雜半導(dǎo)體的摻雜CEVEAEAE受主能級受主能級半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體的摻雜半導(dǎo)體的摻雜 、族雜質(zhì)在族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中分別為受晶體中分別為受主和施主雜質(zhì)，它們在禁帶中引入

21、了能主和施主雜質(zhì)，它們在禁帶中引入了能級；受主能級比價(jià)帶頂高級；受主能級比價(jià)帶頂高 ，施主能級，施主能級比導(dǎo)帶底低比導(dǎo)帶底低 ，均為淺能級，這兩種，均為淺能級，這兩種雜質(zhì)稱為淺能級雜質(zhì)。雜質(zhì)稱為淺能級雜質(zhì)。 雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)。雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)。當(dāng)處于離化態(tài)時(shí)，施主雜質(zhì)向?qū)峁┊?dāng)處于離化態(tài)時(shí)，施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮映蔀檎娭行?；受主雜質(zhì)向價(jià)帶提電子成為正電中心；受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為負(fù)電中心。供空穴成為負(fù)電中心。AEDE半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，且且 。DANNDANNN型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型

22、半導(dǎo)體半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，且且 。ADNNADNNP型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體是時(shí)，半導(dǎo)體是N型還是型還是P型由雜質(zhì)的型由雜質(zhì)的濃度差決定濃度差決定 半導(dǎo)體中凈雜質(zhì)濃度稱為有效雜質(zhì)半導(dǎo)體中凈雜質(zhì)濃度稱為有效雜質(zhì)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(zhì)的高度補(bǔ)償雜質(zhì)的高度補(bǔ)償 ADNN半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件點(diǎn)缺陷點(diǎn)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(xiàn)間隙原子和空位

23、成對出現(xiàn) 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(diǎn)缺陷受溫度影間隙原子和空位這兩種點(diǎn)缺陷受溫度影響較大，為熱缺陷，它們不斷產(chǎn)生和復(fù)響較大，為熱缺陷，它們不斷產(chǎn)生和復(fù)合，直至到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡，總是同時(shí)存在合，直至到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡，總是同時(shí)存在的。的。 空位表現(xiàn)為受主作用；間隙原子表現(xiàn)為空位表現(xiàn)為受主作用；間隙原子表現(xiàn)為施主作用施主作用半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 替位原子化合物半導(dǎo)體替位原子化合物半導(dǎo)體半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件位錯(cuò)位錯(cuò) 位錯(cuò)是半導(dǎo)體中的一種缺陷，它嚴(yán)重影位錯(cuò)是半導(dǎo)體中的一種缺陷，它嚴(yán)重影響材料和器件的性能。響材料和器件的性能。半導(dǎo)體器件半

24、導(dǎo)體器件位錯(cuò)位錯(cuò)施主情況施主情況 受主情況受主情況半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件練習(xí)練習(xí)1、族雜質(zhì)在族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中為深能級雜質(zhì)。晶體中為深能級雜質(zhì)。 2、受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為正電中心。、受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為正電中心。 3、雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)：、雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)： 和和 。4、空位表現(xiàn)為、空位表現(xiàn)為 作用，間隙原子表現(xiàn)為作用，間隙原子表現(xiàn)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(zhì)在族雜質(zhì)在化合化合物中可能出現(xiàn)的雙性行為。物中可能出現(xiàn)的雙性行為。半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能

25、級 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 非平衡載流子非平衡載流子 pnpn結(jié)結(jié) 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸 半導(dǎo)體外表與半導(dǎo)體外表與MISMIS構(gòu)造構(gòu)造半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)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(chǎn)生載流子的產(chǎn)生和和載流子的復(fù)載流子的復(fù)合合建立起一動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)的載流子稱為建立起一動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)的載流子稱為熱熱平衡載流子平衡載流子。 半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)受半導(dǎo)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(yīng)某一特定的熱平衡狀態(tài)。溫度對應(yīng)某一特定的熱平衡狀態(tài)。 半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的導(dǎo)電性導(dǎo)電

26、性受受溫度溫度影響劇烈。影響劇烈。半導(dǎo)體器件半導(dǎo)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(nèi)的量子態(tài)附近每單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)。數(shù)。 能帶中能量為能帶中能量為 無限小的能量間隔內(nèi)無限小的能量間隔內(nèi)有有 個(gè)量子態(tài)，那么狀態(tài)密度個(gè)量子態(tài)，那么狀態(tài)密度 為為( )g EEEdE（）zd( )dzg EdEE半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件態(tài)密度的計(jì)算態(tài)密度的計(jì)算 狀態(tài)密度的計(jì)算狀態(tài)密度的計(jì)算單位單位 空間的量子態(tài)數(shù)空間的量子態(tài)數(shù)能量能量 在在 空間中所對空間中所對應(yīng)的體積應(yīng)的體積前兩者相乘得狀態(tài)數(shù)前兩者相乘得狀態(tài)數(shù)根據(jù)定義公式求得態(tài)密度根據(jù)定義公式求得態(tài)密度( )g EEEdE

27、（）kdzk半導(dǎo)體器件半導(dǎo)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(gè)量子態(tài)最多只能容納，每個(gè)量子態(tài)最多只能容納一個(gè)電子一個(gè)電子。2(0, 1, 2,2(0, 1, 2,2(0, 1, 2,xxxyyyzzznknLnknLnknL ）3/ 8V（）kk3/ 4V（）半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件態(tài)密度態(tài)密度 導(dǎo)帶底附近狀態(tài)密度理想情況導(dǎo)帶底附近狀態(tài)密度理想情況22*( )2CnkE kEm2344Vdzk dk*2nm dEkdk * 3/21/

28、223(2)()2nCmVdzEEdE半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件態(tài)密度態(tài)密度* 3/21/223(2)( )()2ncCmdzVgEEEdE* 3/21/223(2)( )()2pvvmdzVgEEEdE導(dǎo)帶底導(dǎo)帶底價(jià)帶頂價(jià)帶頂半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件練習(xí)練習(xí)1、推導(dǎo)價(jià)帶頂附近狀態(tài)密度、推導(dǎo)價(jià)帶頂附近狀態(tài)密度( )vgE半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件費(fèi)米能級費(fèi)米能級 根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，服從泡利不相容原理的電根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，服從泡利不相容原理的電子遵循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律子遵循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律 對于能量為對于能量為E E的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的概率概率 為為 稱為電子的費(fèi)米分布函數(shù)稱為電子的費(fèi)米分

29、布函數(shù) 空穴的費(fèi)米分布函數(shù)？空穴的費(fèi)米分布函數(shù)？( )f E01( )1FE Ek Tf Ee( )f E1( )f E半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件費(fèi)米分布函數(shù)費(fèi)米分布函數(shù) 稱為費(fèi)米能級或費(fèi)米能量稱為費(fèi)米能級或費(fèi)米能量溫度溫度導(dǎo)電類型導(dǎo)電類型雜質(zhì)含量雜質(zhì)含量能量零點(diǎn)的選取能量零點(diǎn)的選取 處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級FE()iif EN()FTdFEdN半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件費(fèi)米分布函數(shù)費(fèi)米分布函數(shù) 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí) 假設(shè)假設(shè) ，那么，那么 假設(shè)假設(shè) ，那么，那么 在熱力學(xué)溫度為在熱力學(xué)溫度為0 0度時(shí)，費(fèi)米能級度時(shí)，費(fèi)米能級 可看成量可看成量子態(tài)是否被電子占

30、據(jù)的一個(gè)界限子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí) 假設(shè)假設(shè) ，那么，那么 假設(shè)假設(shè) ，那么，那么 假設(shè)假設(shè) ，那么，那么 費(fèi)米能級是量子態(tài)根本上被費(fèi)米能級是量子態(tài)根本上被 電子占據(jù)或根本上是空的一電子占據(jù)或根本上是空的一 個(gè)標(biāo)志個(gè)標(biāo)志FEE( )1f E FEE( )0f E 01( )1FE Ek Tf EeFE0TK0TKFEEFEEFEE( )1/2f E ( )1/2f E ( )1/2f E 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件玻爾茲曼分布函數(shù)玻爾茲曼分布函數(shù) 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)，由于，由于 ，所以所以費(fèi)米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為費(fèi)米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為 稱為電子的玻爾茲曼分布函數(shù)稱為電子的玻爾茲曼分布函數(shù)0FEEk

31、T0exp()1FEEk T001 exp()exp()FFEEEEk Tk T0000exp()exp()exp( )exp)()(BFFEEEEk TkEfEAk TTk T( )BfE半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件玻爾茲曼分布函數(shù)玻爾茲曼分布函數(shù) 空穴的玻爾茲曼分布函數(shù)空穴的玻爾茲曼分布函數(shù)000001exp()exp()exp(1( )exp()1FFFEEk TEEEEk Tk Tk TEf EBk Te1( )BfE半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件玻爾茲曼分布函數(shù)玻爾茲曼分布函數(shù) 導(dǎo)帶中電子分布可用電子的玻爾茲曼分布函數(shù)導(dǎo)帶中電子分布可用電子的玻爾茲曼分布函數(shù)描寫絕大多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底；價(jià)帶中描寫絕大

32、多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底；價(jià)帶中的空穴分布可用空穴的玻爾茲曼分布函數(shù)描寫的空穴分布可用空穴的玻爾茲曼分布函數(shù)描寫絕大多數(shù)空穴分布在價(jià)帶頂絕大多數(shù)空穴分布在價(jià)帶頂 服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng)稱為簡并性系統(tǒng)；服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng)稱為簡并性系統(tǒng)；服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng)稱為非簡并性服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng)稱為非簡并性系統(tǒng)系統(tǒng) 費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律與玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)律的主要差異：前費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律與玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)律的主要差異：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(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件練習(xí)練習(xí)1、空穴占據(jù)費(fèi)米能級的概率在各種溫度下總是、空穴占據(jù)費(fèi)米能級的概率在各種溫度下總是1/2。 2、費(fèi)米能級位置較高，說

33、明有較多的能量較高的量、費(fèi)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(gè)量子態(tài)被一個(gè)空穴占據(jù)的概率為的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)空穴占據(jù)的概率為 。4、為什么電子分布在導(dǎo)帶底，空穴分布在價(jià)帶頂？、為什么電子分布在導(dǎo)帶底，空穴分布在價(jià)帶頂？半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件導(dǎo)帶中的電子濃度導(dǎo)帶中的電子濃度 在導(dǎo)帶上的在導(dǎo)帶上的 間有間有 個(gè)電子個(gè)電子 從導(dǎo)帶底到導(dǎo)帶頂對從導(dǎo)帶底到導(dǎo)帶頂對 進(jìn)展積分，進(jìn)展積分，得到能帶中的電子總數(shù)，除以半導(dǎo)體體積，得到能帶中的電子總數(shù)，除以半導(dǎo)體體積，就得到了導(dǎo)帶中的電子濃度就得到了導(dǎo)帶中的電子濃度 EEdE（）( )( )cf E g

34、E dE( )( )cf E g E dE0n0n( )( )BcdNfE g E dE半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件導(dǎo)帶中的電子濃度導(dǎo)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)()2FCCCCE EEEk TnCEEmndneEEdE0()/()CxEEk T0n0*3/200231/20(2)2cFkxEnxETxe dTxm kne半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件導(dǎo)帶中的電子濃度導(dǎo)帶中的電子濃度0*3/2003/23(2)4cFEk TnEmek Tn500TK1/

35、0.04323x 1 2eV0n1/202xxe dx 導(dǎo)帶寬度的典型值一般導(dǎo)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(jié)果。由此可得并不影響結(jié)果。由此可得導(dǎo)帶中電子濃度為導(dǎo)帶中電子濃度為00.043k TK00cFEEk TCnN e半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件價(jià)帶中的空穴濃度價(jià)帶中的空穴濃度0*3/203/023(2)4VFEEpk Tm k Tpe0n 同理得價(jià)帶中的空穴濃度同理得價(jià)帶中的空穴濃度00VFEEk TVpN e半導(dǎo)體器件半導(dǎo)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* 3/23

36、00032()()2gEnpk Tm mk Tn pe 同理得價(jià)帶中的空穴濃度同理得價(jià)帶中的空穴濃度 熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導(dǎo)體中，在一定熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導(dǎo)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(huì)減?。环粗嗳粷舛仍龃?，空穴濃度就會(huì)減??；反之亦然00n p半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件本征半導(dǎo)體載流子濃度本征半導(dǎo)體載流子濃度00np 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體無任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體無任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件本征費(fèi)米能級本征費(fèi)米能級00np00CFFVEEEEk Tk TCVN eN e0ln22CVViFCEEk TNEEN

37、*0*3ln24pCViFnmEEk TEEm半導(dǎo)體器件半導(dǎo)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(dǎo)體，也既適用于本征半導(dǎo)體，也適用于非簡并的雜志半導(dǎo)體適用于非簡并的雜志半導(dǎo)體半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度0121( )1FDDEk TEfEe 一個(gè)能級能容納自旋方向相反的兩個(gè)電子一個(gè)能級能容納自旋方向相反的兩個(gè)電子 雜質(zhì)能級只能是下面兩種情況之一雜質(zhì)能級只能是下面兩種情況之一 被一個(gè)有任一自旋方向的電子占據(jù)被一個(gè)有任一自旋方向的電子占據(jù) 不承受電子不承受電子0121( )1FVVE

38、k TEfEe半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)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 TNpN fEe半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)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( )1 2FAAAAAAAEEk TNpNnNfEe半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件n和p的其他變換公式 本征半導(dǎo)體

39、時(shí)， kTEEikTEEiFiiFenpenn/ )(/ )(inpnkTEEVikTEECiiCCieNneNn/ )(/ )(kTEEiVkTEEiCViiCenNenN/ )(/ )(半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件費(fèi)米能級費(fèi)米能級 對摻雜半導(dǎo)體，iiFnnkTEEln半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件費(fèi)米能級費(fèi)米能級 接近室溫時(shí)EF-Ei=kTln(ND/ni)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件練習(xí)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 非平衡載流子非平衡載流子 pnpn結(jié)結(jié) 金屬

40、和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸 半導(dǎo)體外表與半導(dǎo)體外表與MISMIS構(gòu)造構(gòu)造半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件載流子輸運(yùn)載流子輸運(yùn) 半導(dǎo)體中載流子的輸運(yùn)有三種形式：漂移擴(kuò)散產(chǎn)生和復(fù)合半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件歐姆定律 金屬導(dǎo)體外加電壓 ，電流強(qiáng)度為 電流密度為VIRVlRsIJs1半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件歐姆定律 均勻?qū)w外加電壓 ，電場強(qiáng)度為 電流密度為 歐姆定律的微分形式VElVIJsJE半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件漂移電流 漂移運(yùn)動(dòng) 當(dāng)外加電壓時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)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(yùn)動(dòng)定向運(yùn)動(dòng)的速度稱為漂移速度 電流密度 ddIqnv AJqnv 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件漂移速度 漂移速

41、度 ()JEdvEnq半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體的電導(dǎo)率和遷移率 半導(dǎo)體中的導(dǎo)電作用為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的總和 當(dāng)電場強(qiáng)度不大時(shí)，滿足 ，故可得半導(dǎo)體中電導(dǎo)率為JE()npnpJJJnqpqEnpnqpq半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體的電導(dǎo)率和遷移率 N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體npnqpqnpnnqpnpnqinpn()inpnq半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件Question 導(dǎo)體在外加電場作用下，導(dǎo)體內(nèi)載流子的漂移電流有兩種表達(dá)形式dJqnv JE恒定不斷增大半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件熱運(yùn)動(dòng) 在無電場作用下，載流子永無停息地做著無規(guī)那么的、雜亂無章的運(yùn)動(dòng)，稱為熱運(yùn)動(dòng) 晶體中的碰撞和散射引起 凈速度為零，

42、并且凈電流為零 平均自由時(shí)間為psm1 . 0半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件熱運(yùn)動(dòng) 當(dāng)有外電場作用時(shí)，載流子既受電場力的作用，同時(shí)不斷發(fā)生散射 載流子在外電場的作用下為熱運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的疊加，因此電流密度是恒定的半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件散射的原因 載流子在半導(dǎo)體內(nèi)發(fā)生撒射的根本原因是周期性勢場遭到破壞 附加勢場 使得能帶中的電子在不同 狀態(tài)間躍遷，并使得載流子的運(yùn)動(dòng)速度及方向均發(fā)生改變，發(fā)生散射行為。Vk半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件電離雜質(zhì)的散射 雜質(zhì)電離的帶電離子破壞了雜質(zhì)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(shí)間內(nèi)一個(gè)載流子受到散射的次數(shù)3/2iiPN TP電離施主散射電離受主散射半

43、導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件晶格振動(dòng)的散射 格波 形成原子振動(dòng)的根本波動(dòng) 格波波矢 對應(yīng)于某一q值的格波數(shù)目不定，一個(gè)晶體中格波的總數(shù)取決于原胞中所含的原子數(shù) Si、Ge半導(dǎo)體的原胞含有兩個(gè)原子，對應(yīng)于每一個(gè)q就有六個(gè)不同的格波，頻率低的三個(gè)格波稱為聲學(xué)波，頻率高的三個(gè)為光學(xué)波 長聲學(xué)波聲波振動(dòng)在散射前后電子能量根本不變，稱為彈性散射；光學(xué)波振動(dòng)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(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件晶格振動(dòng)的散射 聲學(xué)波散射在能帶具有單一極值的半導(dǎo)體中起主要散射作用的是長波在長聲學(xué)波中，只有縱波在散射中起主要作用，它會(huì)引起能帶的波形變化聲學(xué)波散射概率 光學(xué)波散射在低溫時(shí)不起作用，隨著溫

44、度的升高，光學(xué)波的散射概率迅速增大3/2sPT半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件練習(xí)練習(xí)1、載流子的熱運(yùn)動(dòng)在半導(dǎo)體內(nèi)會(huì)構(gòu)成電流。、載流子的熱運(yùn)動(dòng)在半導(dǎo)體內(nèi)會(huì)構(gòu)成電流。 2、在半導(dǎo)體中，載流子的三種輸運(yùn)方式為、在半導(dǎo)體中，載流子的三種輸運(yùn)方式為 、 和和 。 3、載流子在外電場的作用下是、載流子在外電場的作用下是 和和 兩種運(yùn)動(dòng)的疊加，因此電流密度大小兩種運(yùn)動(dòng)的疊加，因此電流密度大小 。4、什么是散射、什么是散射 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 與 的關(guān)系 N個(gè)電子以速度 沿某方向運(yùn)動(dòng)，在 時(shí)刻未遭到散射的電子數(shù)為 ，那么在 時(shí)間內(nèi)被散射的電子數(shù)為( )N t P tPt( )N t ()ttt因此( )()N tN

45、tt( )N t P t半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 與 的關(guān)系0( )()( )limtdN tN ttN tdtt P上式的解為( )()( )N tN ttN t P t0( )PtN tN e( )PN t 那么 被散射的電子數(shù)為 ()ttdt0PtN ePdt半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 與 的關(guān)系 在 時(shí)間內(nèi)被散射的所有電子的自由時(shí)間為 ，這些電子自由時(shí)間的總和為 ，那么 個(gè)電子的平均自由時(shí)間可表示為P0Nt ()ttdt0PttN ePdt000PttN ePdtN1P半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 、 與 的關(guān)系0*xxnqtm 平均漂移速度為0*000*() ()PtnxnnxqtN ePdtmNqm

46、 ()x*nnnqm*pppqm半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 、 與 的關(guān)系 N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體np2*nnnnnqnqmpninpn2*()pninpnqmm2*pppppqpqm半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 與 及 的關(guān)系 電離雜質(zhì)散射 聲學(xué)波散射 光學(xué)波散射iN13/2iiNTT3/2sT01k Toe01111is半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 與 及 的關(guān)系 電離雜質(zhì)散射 聲學(xué)波散射 光學(xué)波散射iN13/2iiNTT3/2sT01k Toe01111is半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件影響遷移率的因素 與散射有關(guān)與散射有關(guān)晶格散射晶格散射電離雜質(zhì)電離雜質(zhì)散射散射*mq半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器

47、件 N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體11npnqpq1nnq1pnq1()inpnq電阻率半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件電阻率與摻雜的關(guān)系 N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體ApDnNqNq11半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件電阻率與溫度的關(guān)系 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體電阻率隨溫度增加而單調(diào)地下降本征半導(dǎo)體電阻率隨溫度增加而單調(diào)地下降 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體區(qū)別于金屬區(qū)別于金屬半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件速度飽和 在低電場作用下，載流子在半導(dǎo)體中的平均漂移在低電場作用下，載流子在半導(dǎo)體中的平均漂移速度速度v v與外加電場強(qiáng)度與外加電場強(qiáng)度E E呈線性關(guān)系；隨著外加電呈線性關(guān)系；隨著外加電場的不斷增大，兩者

48、呈非線性關(guān)系，并最終平均場的不斷增大，兩者呈非線性關(guān)系，并最終平均漂移速度到達(dá)一飽和值，不隨漂移速度到達(dá)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;（降低）35 10/V cm d（飽和）半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件耿氏效應(yīng) 耿氏效應(yīng)耿氏效應(yīng)n-GaAsn-GaAs外加電場強(qiáng)度超過外加電場強(qiáng)度超過 時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)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(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件練習(xí)練習(xí)一、判斷

49、一、判斷1、在半導(dǎo)體中，原子最外層電子的共有化運(yùn)動(dòng)、在半導(dǎo)體中，原子最外層電子的共有化運(yùn)動(dòng)最顯著。最顯著。 2、不同的、不同的k值可標(biāo)志自由電子的不同狀態(tài)，但它值可標(biāo)志自由電子的不同狀態(tài)，但它不可標(biāo)志晶體中電子的共有化狀態(tài)。不可標(biāo)志晶體中電子的共有化狀態(tài)。 3、空位表現(xiàn)為施主作用，間隙原子表現(xiàn)為受主、空位表現(xiàn)為施主作用，間隙原子表現(xiàn)為受主作用。作用。 4、半導(dǎo)體中兩種載流子數(shù)目一樣的為高純半導(dǎo)、半導(dǎo)體中兩種載流子數(shù)目一樣的為高純半導(dǎo)體。體。 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件練習(xí)練習(xí)二、填空二、填空1、半導(dǎo)體材料構(gòu)造可分為、半導(dǎo)體材料構(gòu)造可分為 、 、 ，應(yīng)用最為廣泛的是應(yīng)用最為廣泛的是 。2、金剛石型單胞

50、的根底構(gòu)造為、金剛石型單胞的根底構(gòu)造為 ，金剛石型，金剛石型為為 對稱性，閃鋅礦型構(gòu)造為對稱性，閃鋅礦型構(gòu)造為 對稱性，對稱性，纖鋅礦型為纖鋅礦型為 對稱性。對稱性。3、導(dǎo)帶和價(jià)帶間間隙稱為、導(dǎo)帶和價(jià)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(dǎo)電性可分為、固體按其導(dǎo)電性可分為 、 、 。半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件練習(xí)練習(xí)5、雜質(zhì)總共可分為兩大類、雜質(zhì)總共可分為兩大類 和和 ，施主雜質(zhì)為施主雜質(zhì)為 ，受主雜質(zhì)為，受主雜質(zhì)為 。6、施主雜質(zhì)向、施主雜質(zhì)向 帶提供帶提供 成為成為 電中心；受主雜質(zhì)向電中心；受主雜質(zhì)向 帶提供帶提供 成成為為 電中心。電中心。7

51、 、熱平衡時(shí)，能級、熱平衡時(shí)，能級E處的空穴濃度為處的空穴濃度為 。8 、在半導(dǎo)體中，載流子的三種輸運(yùn)方式為、在半導(dǎo)體中，載流子的三種輸運(yùn)方式為 、 和和 。半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件練習(xí)練習(xí)1( )f E15310DNcm17310ANcm三、簡答三、簡答1、單胞的概念及兩大注意點(diǎn)？、單胞的概念及兩大注意點(diǎn)？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(zhì)量的原因及意義？、引入有效質(zhì)量的原因及意義？4、 的物理含義？的物理含義？5、費(fèi)米分布函數(shù)與玻耳茲曼分布函數(shù)的最大區(qū)別？、費(fèi)米分布函數(shù)與玻耳茲曼分布函數(shù)的最大區(qū)別？ 6、在外加電場、在外加電場E作用下，為什么半導(dǎo)體內(nèi)載流子的作用下，為

52、什么半導(dǎo)體內(nèi)載流子的漂移電流恒定，試從載流子的運(yùn)動(dòng)角度說明。漂移電流恒定，試從載流子的運(yùn)動(dòng)角度說明。7、在室溫下，熱平衡時(shí)，、在室溫下，熱平衡時(shí)，Si半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中 ， ，求半導(dǎo)體中的電子和空穴濃度。，求半導(dǎo)體中的電子和空穴濃度。半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 非平衡載流子非平衡載流子 pnpn結(jié)結(jié) 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸 半導(dǎo)體外表與半導(dǎo)體外表與MISMIS構(gòu)造構(gòu)造半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件平衡載流子 在某以熱平衡狀態(tài)

53、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(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式非簡并半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式只受溫度T影響半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子的由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)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(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件平衡載流子滿足費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)分布平衡載流子滿足費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)分布過剩載流子不滿足費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)分布過剩載流子不滿足費(fèi)米狄拉

54、克統(tǒng)計(jì)分布2innp 且公式且公式不成立不成立載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電子和空穴增加和消失的過程載流子的產(chǎn)生和復(fù)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(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件過剩載流子和電中性平衡時(shí)平衡時(shí) 過剩載流子過剩載流子電中性：電中性：半導(dǎo)體器件半導(dǎo)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(shí)的多數(shù)載流子濃度小的多比平衡時(shí)的多數(shù)載流子濃度小的多N型材料型材料P型材料型材料半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件小注入條件9310 /npcm14310 /,DNcm例：室溫下一受到微擾的摻雜硅，例：室溫下一受到微擾的摻雜硅， 判斷

55、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(shù)載流子濃度還是可即使在小注入的情況下，非平衡少數(shù)載流子濃度還是可以比平衡少數(shù)載流子濃度大的多以比平衡少數(shù)載流子濃度大的多2非平衡少數(shù)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(shù)載流子起重要作用，非平衡載流子都指非平衡少數(shù)載流子數(shù)載流子半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件非平衡載流子壽命非平衡載流子壽命 假定光照產(chǎn)生假定光照產(chǎn)生 和和 ，如果光突然關(guān)閉，如

56、果光突然關(guān)閉， 和和 將隨時(shí)間逐漸衰減直至將隨時(shí)間逐漸衰減直至0 0，衰減的時(shí)間常數(shù)，衰減的時(shí)間常數(shù)稱為壽命稱為壽命 ，也常稱為少數(shù)載流子壽命也常稱為少數(shù)載流子壽命 單位時(shí)間內(nèi)非平衡載流子的復(fù)合概率單位時(shí)間內(nèi)非平衡載流子的復(fù)合概率 非平衡載流子的復(fù)合率非平衡載流子的復(fù)合率1/npnp/p半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件復(fù)合復(fù)合pd ppdt t0( )()tp tp e n型材料中的空穴型材料中的空穴當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， ，故壽命標(biāo)志著非平衡載，故壽命標(biāo)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(jīng)歷的時(shí)間；壽命越短，衰所經(jīng)歷的時(shí)間；壽命越短，衰減越快減越快0( )() /ppe 半導(dǎo)體器

57、件半導(dǎo)體器件費(fèi)米能級200in pn熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導(dǎo)體中有統(tǒng)一熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導(dǎo)體中有統(tǒng)一的費(fèi)米能級的費(fèi)米能級統(tǒng)一的費(fèi)米能級是熱平衡狀態(tài)的標(biāo)志統(tǒng)一的費(fèi)米能級是熱平衡狀態(tài)的標(biāo)志0000CFFVEEk TCEEk TVnN epN e半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件準(zhǔn)費(fèi)米能級 當(dāng)半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)被打破時(shí)，新當(dāng)半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)被打破時(shí)，新的熱平衡狀態(tài)可通過熱躍遷實(shí)現(xiàn)，但導(dǎo)帶的熱平衡狀態(tài)可通過熱躍遷實(shí)現(xiàn)，但導(dǎo)帶和價(jià)帶間的熱躍遷較稀少和價(jià)帶間的熱躍遷較稀少 導(dǎo)帶和價(jià)帶各自處于平衡態(tài)，因此存導(dǎo)帶和價(jià)帶各自處于平衡態(tài)，因此存在導(dǎo)帶費(fèi)米能級和價(jià)帶費(fèi)米能級，稱其為在導(dǎo)帶費(fèi)米能級和價(jià)帶費(fèi)米能級，稱其為“準(zhǔn)費(fèi)

58、米能級準(zhǔn)費(fèi)米能級00CFnFpVEEk TCEEk TVnN epN e半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件準(zhǔn)費(fèi)米能級 注：注： 非平衡載流子越多，準(zhǔn)費(fèi)米能級偏離非平衡載流子越多，準(zhǔn)費(fèi)米能級偏離 就越遠(yuǎn)。就越遠(yuǎn)。 在非平衡態(tài)時(shí)，一般情況下，少數(shù)載流子的在非平衡態(tài)時(shí)，一般情況下，少數(shù)載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級偏離費(fèi)米能級較大準(zhǔn)費(fèi)米能級偏離費(fèi)米能級較大00000000CFnFnFFniFpVFFpiFpEEEEEEk Tk Tk TCiEEEEEEk Tk Tk TVinN en enepN ep eneFE半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件準(zhǔn)費(fèi)米能級00200FnFpFnFpEEEEk Tk Tinpn p en eCEVE 注：注

59、： 兩種載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級偏離的情況反兩種載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級偏離的情況反映了半導(dǎo)體偏離熱平衡狀態(tài)的程度映了半導(dǎo)體偏離熱平衡狀態(tài)的程度FnEFpEFE半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件產(chǎn)生和復(fù)合產(chǎn)生和復(fù)合 產(chǎn)生產(chǎn)生 電子和空穴載流子被創(chuàng)立的過程電子和空穴載流子被創(chuàng)立的過程 產(chǎn)生率產(chǎn)生率G：單位時(shí)間單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電：單位時(shí)間單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電子子空穴對數(shù)空穴對數(shù) 復(fù)合復(fù)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(fù)合率復(fù)合率R：單位時(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合掉的電：單位時(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合掉的電子子空穴對數(shù)空穴對數(shù) 產(chǎn)生和復(fù)合會(huì)改變載流子的濃度，從而間接地影產(chǎn)生和復(fù)合會(huì)改變載流子的濃度，從而間接地影響

60、電流響電流半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件復(fù)合復(fù)合直接復(fù)合 間接復(fù)合 Auger復(fù)合Rrnp禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料窄禁帶半導(dǎo)體窄禁帶半導(dǎo)體及高溫情況下及高溫情況下具有深能級雜質(zhì)的半導(dǎo)體材具有深能級雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料料半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件產(chǎn)生產(chǎn)生直接產(chǎn)生 R-G中心產(chǎn)生 載流子產(chǎn)生 與碰撞電離半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件練習(xí)練習(xí)FpEFnE1、一般情況下，滿足小注入條件的非平衡、一般情況下，滿足小注入條件的非平衡載流子濃度比平衡載流子濃度小。載流子濃度比平衡載流子濃度小。 2、壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原、壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原值的值的 所經(jīng)歷的時(shí)間。所經(jīng)歷的時(shí)間。3、簡述小注

61、入條件、簡述小注入條件4、處于非平衡態(tài)的、處于非平衡態(tài)的p型半導(dǎo)體中，型半導(dǎo)體中， 和和 哪個(gè)距哪個(gè)距 近？為什么？近？為什么？FE半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件陷阱效應(yīng)陷阱效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體處于非平衡態(tài)時(shí)，雜質(zhì)能級具有當(dāng)半導(dǎo)體處于非平衡態(tài)時(shí)，雜質(zhì)能級具有積累非平衡載流子的作用，即具有一定的積累非平衡載流子的作用，即具有一定的陷阱效應(yīng)陷阱效應(yīng)所有雜質(zhì)能級都具有陷阱效應(yīng)所有雜質(zhì)能級都具有陷阱效應(yīng)具有顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級稱為具有顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級稱為陷阱陷阱；相應(yīng)；相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷稱為的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心陷阱中心雜質(zhì)能級與平衡時(shí)的費(fèi)米能級重合時(shí)，最有利雜質(zhì)能級與平衡時(shí)的費(fèi)米能級重合時(shí)，最有利于陷阱作用

62、于陷阱作用半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件擴(kuò)散 粒子從高濃度向低濃度區(qū)域運(yùn)動(dòng)粒子從高濃度向低濃度區(qū)域運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件擴(kuò)散電流半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體內(nèi)總電流 擴(kuò)散+漂移半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件擴(kuò)散系數(shù)和遷移率的關(guān)系擴(kuò)散系數(shù)和遷移率的關(guān)系 考慮非均勻半導(dǎo)體半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系 在平衡態(tài)時(shí)，凈電流為0nnnnnnnqkTDkTqDqnqndxdnqDqnJ00qkTndxdnppqkTD半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件連續(xù)性方程連續(xù)性方程22()1PPJpDqxx擴(kuò)()1PPPJppqxxx 漂22PPPPppppDpgtxxx 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件舉例 摻雜濃度分別為(a) 和 的硅中的電

63、子和空穴濃度？(b) 再摻雜 的Na又是多少？( ) 10310incm半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 非平衡載流子非平衡載流子 pnpn結(jié)結(jié) 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸 半導(dǎo)體外表與半導(dǎo)體外表與MISMIS構(gòu)造構(gòu)造半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件PN結(jié)雜質(zhì)分布結(jié)雜質(zhì)分布 PNPN結(jié)是同一塊半導(dǎo)體晶體內(nèi)結(jié)是同一塊半導(dǎo)體晶體內(nèi)P P型區(qū)和型區(qū)和N N型區(qū)之間的型區(qū)之間的邊界邊界 PNPN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的根底，了解它的工作原結(jié)是各種

64、半導(dǎo)體器件的根底，了解它的工作原理有助于更好地理解器件理有助于更好地理解器件 典型制造過程典型制造過程 合金法合金法 擴(kuò)散法擴(kuò)散法半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件PN結(jié)雜質(zhì)分布結(jié)雜質(zhì)分布 下面兩種分布在實(shí)際器件中最常見也最容易進(jìn)展物理分析 突變結(jié)突變結(jié): 線性緩變結(jié)線性緩變結(jié):淺結(jié)、重?fù)诫s淺結(jié)、重?fù)诫s3um 或外延的或外延的PN結(jié)結(jié)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件PN結(jié)的形成結(jié)的形成半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件PN結(jié)中的能帶 PN半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件內(nèi)建電勢內(nèi)建電勢半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件內(nèi)建電勢內(nèi)建電勢PNPN結(jié)的內(nèi)建電結(jié)的內(nèi)建電勢決定于摻雜勢決定于摻雜濃度濃度N ND D、N NA A、材料禁帶寬度材料禁帶寬度以及工作溫度以

65、及工作溫度半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件能帶能帶內(nèi)建電勢內(nèi)建電勢電場電場半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件VA 0條件下的突變結(jié)條件下的突變結(jié) 外加電壓全部降落在耗盡區(qū)，外加電壓全部降落在耗盡區(qū)，V VA A大于大于0 0時(shí)，使耗盡時(shí)，使耗盡區(qū)勢壘下降，反之上升。即耗盡區(qū)兩側(cè)電壓為區(qū)勢壘下降，反之上升。即耗盡區(qū)兩側(cè)電壓為V Vbibi-V-VA A半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件反偏反偏PN結(jié)結(jié) 反偏電壓能改變耗盡區(qū)寬度嗎？半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件準(zhǔn)費(fèi)米能級半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件理想二極管方程 PN結(jié)正偏時(shí)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件理想二極管方程 PN結(jié)反偏時(shí)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件定量方程 根本假設(shè) P型區(qū)及N型區(qū)摻雜均勻分布，是突變結(jié)。 電

66、中性區(qū)寬度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散長度。 冶金結(jié)為面積足夠大的平面，不考慮邊緣效應(yīng)，載流子在PN結(jié)中一維流動(dòng)。 空間電荷區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度, 不考慮空間電荷區(qū)的產(chǎn)生復(fù)合作用。 P型區(qū)和N型區(qū)的電阻率都足夠低，外加電壓全部降落在過渡區(qū)上。半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件準(zhǔn)中性區(qū)的載流子運(yùn)動(dòng)情況準(zhǔn)中性區(qū)的載流子運(yùn)動(dòng)情況 穩(wěn)態(tài)時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí), 假設(shè)假設(shè)GL=0 邊界條件邊界條件:歐姆接觸邊界歐姆接觸邊界耗盡層邊界耗盡層邊界npnnPpnppNxxpdxpdDxxndxndD.0.02222半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件邊界條件 歐姆接觸邊界 耗盡層邊界(pn結(jié)定律)0)(0)(xpxnnpkTqVikTFFiAPNenennp/22半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件耗盡層邊界耗盡層邊界 P型一側(cè)型一側(cè)PN)(ppxn)(nnxpkTqVAipkTqViApppAAeNnxnenNxnxpxn/2/2)()()()(1)(/2kTqVAippAeNnxn半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件耗盡層邊界耗盡層邊界(續(xù)續(xù)) N型一側(cè)1)(/2kTqVDinnAeNnxp耗盡層邊界處非平衡載流子濃度與外加電壓有關(guān)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件準(zhǔn)中性區(qū)載流子濃度準(zhǔn)中性區(qū)載流子濃