《半導(dǎo)體物理學(xué) 劉恩科 第七教案》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《半導(dǎo)體物理學(xué) 劉恩科 第七教案（222頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1、會(huì)計(jì)學(xué)1半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué) 劉恩科劉恩科 第七第七第1頁/共222頁第2頁/共222頁五五六六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的金屬和半導(dǎo)體的接觸接觸八八半 導(dǎo) 體 表 面 與半 導(dǎo) 體 表 面 與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)九九半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)第3頁/共222頁固態(tài)電子學(xué)分支之一微電子學(xué)光電子學(xué)研究在固體（主要是半導(dǎo)體材料上構(gòu)成的微小型化器件、電路、及系統(tǒng)的電子學(xué)分支學(xué)科微電子學(xué)簡(jiǎn)介:第4頁/共222頁微電子學(xué)研究領(lǐng)域半導(dǎo)體器件物理集成電路工藝集成電路設(shè)計(jì)和測(cè)試微電子學(xué)發(fā)展的特點(diǎn)向高集成度、低功耗、高性能高可靠性電路方向發(fā)展與其它學(xué)科互相滲透，形成新的學(xué)科領(lǐng)域： 光電集成、MEMS、生物芯片半導(dǎo)
2、體概要第5頁/共222頁固體材料分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體什么是半導(dǎo)體？第6頁/共222頁第7頁/共222頁五五六六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的金屬和半導(dǎo)體的接觸接觸八八半 導(dǎo) 體 表 面 與半 導(dǎo) 體 表 面 與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第8頁/共222頁第9頁/共222頁注：（a）單胞無需是唯一的 （ b）單胞無需是基本的第10頁/共222頁第11頁/共222頁金剛石晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵形成的晶體結(jié)構(gòu)： 構(gòu)成一個(gè)正四面體，具有 金 剛 石 晶 體 結(jié) 構(gòu)第12頁/共222頁半 導(dǎo) 體 有: 元 素 半 導(dǎo) 體 如Si、Ge 金剛石晶體結(jié)構(gòu)第13頁/共222頁半 導(dǎo) 體 有: 化
3、 合 物 半 導(dǎo) 體 如GaAs、InP、ZnS閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)金剛石型 閃鋅礦型第14頁/共222頁1、單胞是基本的、不唯一的單元。（ ）2、按半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)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)。第15頁/共222頁第16頁/共222頁+14n=3四個(gè)電子n=28個(gè)電子n=12個(gè)電子SiH第17頁/共222頁原子的能級(jí)的分裂 孤立原子的能級(jí) 4個(gè)原子能級(jí)的分裂 第18頁/共222頁原子的能級(jí)的分裂 原子能級(jí)分裂為能帶 第19頁/共222頁第20頁/共222頁價(jià)帶：0K條件下被電子填充的能量的能帶導(dǎo)帶：0K條件下未被電
4、子填充的能量的能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)第21頁/共222頁自由電子的運(yùn)動(dòng) 微觀粒子具有波粒二象性 0pm u202pEm()( , )i K rtr tAe pKEhv第22頁/共222頁半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng) 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)第23頁/共222頁固體材料分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體第24頁/共222頁第25頁/共222頁 本征激發(fā) 第26頁/共222頁1、什么是共有化運(yùn)動(dòng)？2、畫出Si原子結(jié)構(gòu)圖（畫出s態(tài)
5、和p態(tài)并注明該能級(jí)層上的電子數(shù)）3、電子所處能級(jí)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?cè)谀程幊霈F(xiàn)的幾率是恒定不變的。 （ ）5、分別敘述半導(dǎo)體與金屬和絕緣體在導(dǎo)電過程中的差別。第27頁/共222頁半導(dǎo)體中E（K）與K的關(guān)系 在導(dǎo)帶底部，波數(shù) ，附近 值很小，將 在 附近泰勒展開 220021( )(0)()().2kkdEd EE kEkkdkdk0k k( )E k0k 22021( )(0)()2kd EE kEkdk第28頁/共222頁半導(dǎo)體中E（K）與K的關(guān)系22021( )(0)()2kd EE kEkdk令 代入上式得2022*11()knd Edkm22
6、*( )(0)2nkE kEm第29頁/共222頁自由電子的能量 微觀粒子具有波粒二象性 0pm u202pEm()( , )i K rtr tAe pKEhv2202kEm第30頁/共222頁半導(dǎo)體中電子的平均速度 在周期性勢(shì)場(chǎng)內(nèi)，電子的平均速度u可表示為波包的群速度 dvudk1 dEudk22*( )(0)2nh kE kEm*nkumEhv第31頁/共222頁自由電子的速度 微觀粒子具有波粒二象性 0pm u202pEm()( , )i K rtr tAe pKEhv0kum第32頁/共222頁半導(dǎo)體中電子的加速度 半導(dǎo)體中電子在一強(qiáng)度為 E的外加電場(chǎng)作用下，外力對(duì)電子做功為電子能量的
7、變化dEfdsfudt1 dEudkf dEdEdtdkdkfdt 2222211()duddEd E dkf d Eadtdt dkdkdtdk第33頁/共222頁半導(dǎo)體中電子的加速度令 即2*2211nd Emdk*nfam2*22nmd Edk第34頁/共222頁有效質(zhì)量的意義 自由電子只受外力作用；半導(dǎo)體中的電子不僅受到外力的作用，同時(shí)還受半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用 意義：有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用，使得研究半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)更為簡(jiǎn)便（有效質(zhì)量可由試驗(yàn)測(cè)定）第35頁/共222頁空穴 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；電子帶負(fù)電-q（導(dǎo)帶底），空穴帶正電+q
8、（價(jià)帶頂）第36頁/共222頁K空間等能面 在k=0處為能帶極值22*( )(0)2nkE kEm22*( )(0)2pkE kEm 導(dǎo)帶底附近價(jià)帶頂附近第37頁/共222頁K空間等能面 以 、 、 為坐標(biāo)軸構(gòu)成 空間， 空間任一矢量代表波矢 導(dǎo)帶底附近xk2222xyzkkkkykzkkkk2222*( )(0)()2xyznE kEkkkm第38頁/共222頁K空間等能面 對(duì)應(yīng)于某一 值，有許多組不同的 ，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)面稱為等能量面，簡(jiǎn)稱等能面。 等能面為一球面（理想）( )E k(,)xyzk kk2222*( )(0)()2xyznE kEkkk
9、m第39頁/共222頁六六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的金屬和半導(dǎo)體的接觸接觸八八半 導(dǎo) 體 表 面 與半 導(dǎo) 體 表 面 與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第40頁/共222頁與理想情況的偏離 晶格原子是振動(dòng)的 材料含雜質(zhì) 晶格中存在缺陷點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子）線缺陷（位錯(cuò)）面缺陷（層錯(cuò)）第41頁/共222頁與理想情況的偏離的影響 極微量的雜質(zhì)和缺陷，會(huì)對(duì)半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響，同時(shí)也嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的質(zhì)量。1個(gè)B原子/ 個(gè)Si原子 在室溫下電導(dǎo)率提高 倍Si單晶位錯(cuò)密度要求低于5103103210 cm第42頁/共222頁與理想情況的偏離的原因 理論分析認(rèn)為，雜質(zhì)和缺陷的存在使得原本周
10、期性排列的原子所產(chǎn)生的周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞，并在禁帶中引入了能級(jí)，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。第43頁/共222頁硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)例：如圖所示為一晶格常數(shù)為a的Si晶胞，求： （a）Si原子半徑 （b）晶胞中所有Si原子占據(jù)晶胞的百分比解：（a）1 13(3 )2 48raa（b）3348330.3416ra第44頁/共222頁間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì) 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)。間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如Si、Ge、GaAs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，該雜質(zhì)稱為替位式雜質(zhì)。替位式雜質(zhì)原子的大小和
11、價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)要求與被取代的晶格原子相近。如、族元素在Si、Ge晶體中都為替位式雜質(zhì)。第45頁/共222頁間隙式雜質(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)濃度第46頁/共222頁1、實(shí)際情況下k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？2、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？3、雜質(zhì)和缺陷是如何影響半導(dǎo)體的特性的？第47頁/共222頁施主：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， 并成為帶正電的離子。如Si中的P 和As N型半導(dǎo)體AsDEDECEVE施主能級(jí)第48頁/共222頁受主：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)
12、電的空穴， 并成為帶負(fù)電的離子。如Si中的BP型半導(dǎo)體BCEVEAEAE受主能級(jí)第49頁/共222頁 、族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中分別為受主和施主雜質(zhì)，它們?cè)诮麕е幸肓四芗?jí)；受主能級(jí)比價(jià)帶頂高 ，施主能級(jí)比導(dǎo)帶底低 ，均為淺能級(jí)，這兩種雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì)。 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╇娮映蔀檎娭行模皇苤麟s質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為負(fù)電中心。AEDE第50頁/共222頁 半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，且 。DANNDANNN型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體第51頁/共222頁 半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，且 。ADNNADNNP型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體第52頁/共222頁
13、 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N型還是P型由雜質(zhì)的濃度差決定 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；有效受主濃度） 雜質(zhì)的高度補(bǔ)償（ ）ADNN第53頁/共222頁 弗倉克耳缺陷間隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn) 肖特基缺陷只存在空位而無間隙原子間隙原子和空位這兩種點(diǎn)缺陷受溫度影響較大，為熱缺陷，它們不斷產(chǎn)生和復(fù)合，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，總是同時(shí)存在的。空位表現(xiàn)為受主作用；間隙原子表現(xiàn)為施主作用第54頁/共222頁 替位原子（化合物半導(dǎo)體）第55頁/共222頁 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。第56頁/共222頁施主情況 受主情況第57頁/共222頁1、族雜質(zhì)在
14、Si、Ge晶體中為深能級(jí)雜質(zhì)。 （ ）2、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)：（ ）和（ ）。4、空位表現(xiàn)為（ ）作用，間隙原子表現(xiàn)為（ ）作用。5、以Si在GaAs中的行為為例，說明族雜質(zhì)在化合物中可能出現(xiàn)的雙性行為。第58頁/共222頁六六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的金屬和半導(dǎo)體的接觸接觸八八半 導(dǎo) 體 表 面 與半 導(dǎo) 體 表 面 與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第59頁/共222頁第60頁/共222頁( )g EEEdE （）zd( )dzg EdEE第61頁/共222頁( )g EEEdE （）kdzk第62頁/共222頁2(0, 1, 2,2(0, 1, 2,2(0, 1
15、, 2,xxxyyyzzznknLnknLnknL ）3/ 8V（）kk3/ 4V（）第63頁/共222頁22*( )2CnkE kEm2344Vdzk dk*2nm dEkdk * 3/21/223(2)()2nCmVdzEEdE第64頁/共222頁* 3/21/223(2)( )()2ncCmdzVgEEEdE* 3/21/223(2)( )()2pvvmdzVgEEEdE（導(dǎo)帶底）（價(jià)帶頂）第65頁/共222頁1、推導(dǎo)價(jià)帶頂附近狀態(tài)密度( )vgE第66頁/共222頁( )f E01( )1FE Ek Tf Ee( )f E1( )f E第67頁/共222頁FE()iif EN()FTd
16、FEdN第68頁/共222頁FEE( )1f E FEE( )0f E 01( )1FE Ek Tf EeFE0TK0TKFEEFEEFEE( )1/2f E ( )1/2f E ( )1/2f E 第69頁/共222頁0FEEk T0exp()1FEEk T001 exp()exp()FFEEEEk Tk T0000exp()exp()exp( )exp)()(BFFEEEEk TkEfEAk TTk T( )BfE第70頁/共222頁000001exp()exp()exp(1( )exp()1FFFEEk TEEEEk Tk Tk TEf EBk Te1( )BfE第71頁/共222頁第7
17、2頁/共222頁1、空穴占據(jù)費(fèi)米能級(jí)的概率在各種溫度下總是1/2。 （ ）2、費(fèi)米能級(jí)位置較高，說明有較多的能量較高的量子態(tài)上有電子。 （ ） 3、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 （ ）。4、為什么電子分布在導(dǎo)帶底，空穴分布在價(jià)帶頂？第73頁/共222頁EEdE（）( )( )cf E g E dE( )( )cf E g E dE0n0n( )( )BcdNfE g E dE第74頁/共222頁0* 3/21/223(2)()2FE Ek TnCmVdNeEEdE0* 3/21/223(2)()2FE Ek TnCmdNdneEEdEV0* 3/21/2023(2)()2FCCC
18、CE EEEk TnCEEmndneEEdE0()/()CxEEk T0n0*3/200231/20(2)2cFkxEnxETxe dTxm kne第75頁/共222頁0*3/2003/23(2)4cFEk TnEmek Tn500TK1/0.04323x 1 2eV0n1/202xxe dx導(dǎo)帶寬度的典型值一般 ， ，所以 ，因此， ，積分上限改為 并不影響結(jié)果。由此可得導(dǎo)帶中電子濃度為00.043k TK00cFEEk TCnN e第76頁/共222頁0*3/203/023(2)4VFEEpk Tm k Tpe0n同理得價(jià)帶中的空穴濃度00VFEEk TVpN e第77頁/共222頁000
19、0gCVEEEk Tk TCVCVn pN N eN N e0* 3/2300032()()2gEnpk Tm mk Tn pe同理得價(jià)帶中的空穴濃度熱平衡狀態(tài)下的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中，在一定的溫度下，乘積 是一定的，如果電子濃度增大，空穴濃度就會(huì)減??；反之亦然00n p第78頁/共222頁00np本征半導(dǎo)體無任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體第79頁/共222頁00np00CFFVEEEEk Tk TCVN eN e0ln22CVViFCEEk TNEEN*0*3ln24pCViFnmEEk TEEm第80頁/共222頁00np021/200()gEk TiCVnnpN Ne200in pn（既適用于本征半導(dǎo)
20、體，也適用于非簡(jiǎn)并的雜志半導(dǎo)體）第81頁/共222頁0121( )1FDDEk TEfEe一個(gè)能級(jí)能容納自旋方向相反的兩個(gè)電子雜質(zhì)能級(jí)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)不接受電子0121( )1FVVEk TEfEe第82頁/共222頁0( )112DFDDDDEEk TNnN fEe施主能級(jí)上的電子濃度（沒電離的施主濃度）受主能級(jí)上的電子濃度（沒電離的受主濃度）0( )112FAAAAAEEk TNpN fEe第83頁/共222頁01( )12DFDDDDDDEEk TNnNnNfEe電離施主濃度電離受主濃度01( )12FAAAAAAAEEk TNpNnNfEe第84頁/
21、共222頁kTEEikTEEiFiiFenpenn/ )(/ )(inpnkTEEVikTEECiiCCieNneNn/ )(/ )(kTEEiVkTEEiCViiCenNenN/ )(/ )(第85頁/共222頁iiFnnkTEEln第86頁/共222頁EF-Ei=kTln(ND/ni)第87頁/共222頁第88頁/共222頁六六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的金屬和半導(dǎo)體的接觸接觸八八半 導(dǎo) 體 表 面 與半 導(dǎo) 體 表 面 與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第89頁/共222頁第90頁/共222頁VIRVlRsIJs1第91頁/共222頁VElVIJsJE第92頁/共222頁電流密度 ddIqnv AJqnv
22、第93頁/共222頁()JEdvEnq第94頁/共222頁JE()npnpJJJnqpqEnpnqpq第95頁/共222頁npnqpqnpnnqpnpnqinpn()inpnq第96頁/共222頁dJqnv JE恒定不斷增大第97頁/共222頁psm1 . 0第98頁/共222頁第99頁/共222頁Vk第100頁/共222頁3/2iiPN TP電離施主散射電離受主散射第101頁/共222頁1/q第102頁/共222頁3/2sPT第103頁/共222頁1、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（ ）、 （ ）和（ ）。 3、載流子在外電場(chǎng)的作用下是（
23、）和（ ）兩種運(yùn)動(dòng)的疊加，因此電流密度大?。?）。4、什么是散射 第104頁/共222頁( )N t P tPt( )N t ()ttt因此( )()N tN tt( )N t P t第105頁/共222頁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(shù)為 ()ttdt0PtN ePdt第106頁/共222頁P(yáng)0Nt ()ttdt0PttN ePdt000PttN ePdtN1P第107頁/共222頁0*xxnqtm平均漂移速度為0*000*() ()PtnxnnxqtN
24、ePdtmNqm ()x*nnnqm*pppqm第108頁/共222頁N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體np2*nnnnnqnqmpninpn2*()pninpnqmm2*pppppqpqm第109頁/共222頁iN13/2iiNTT3/2sT01k Toe01111is第110頁/共222頁iN13/2iiN TT3/2sT01k Toe01111is第111頁/共222頁*mq第112頁/共222頁第113頁/共222頁11npnqpq1nnq1pnq1()inpnq第114頁/共222頁ApDnNqNq11第115頁/共222頁（區(qū)別于金屬）第116頁/共222頁d27 10/V cm dE
25、（呈線性）237 10/5 10/V cmV cm d增加緩慢;（降低）35 10/V cm d（飽和）第117頁/共222頁33 10/V cm33 10/EV cm 0.47 6.5GHz(0.476.5)IGHzfGHz第118頁/共222頁一、判斷1、在半導(dǎo)體中，原子最外層電子的共有化運(yùn)動(dòng)最顯著。 （ ）2、不同的k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)。 （ ）3、空位表現(xiàn)為施主作用，間隙原子表現(xiàn)為受主作用。 （ ）4、半導(dǎo)體中兩種載流子數(shù)目相同的為高純半導(dǎo)體。 （ ）第119頁/共222頁二、填空1、半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)可分為（ ）、（ ）、（ ），應(yīng)用最為廣泛的
26、是（ ）。2、金剛石型單胞的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為（ ），金剛石型為（ ）對(duì)稱性，閃鋅礦型結(jié)構(gòu)為（ ）對(duì)稱性，纖鋅礦型為（ ）對(duì)稱性。3、導(dǎo)帶和價(jià)帶間間隙稱為（ ），Si的禁帶寬度為（ ），Ge為（ ），GaAs為（ ）。4、固體按其導(dǎo)電性可分為（ ）、（ ）、（ ）。第120頁/共222頁5、雜質(zhì)總共可分為兩大類（ ）和（ ），施主雜質(zhì)為（ ），受主雜質(zhì)為（ ）。6、施主雜質(zhì)向（ ）帶提供（ ）成為（ ）電中心；受主雜質(zhì)向（ ）帶提供（ ）成為（ ）電中心。7 、熱平衡時(shí)，能級(jí)E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（ ）、 （ ）和（ ）。第121頁/共222頁1( )f E1
27、5310DNcm17310ANcm三、簡(jiǎn)答1、單胞的概念及兩大注意點(diǎn)？2、三種立方單胞的名稱？3、引入有效質(zhì)量的原因及意義？4、 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？ 6、在外加電場(chǎng)E作用下，為什么半導(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。7、在室溫下，熱平衡時(shí)，Si半導(dǎo)體中 ， ，求半導(dǎo)體中的電子和空穴濃度。第122頁/共222頁五五六六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的金屬和半導(dǎo)體的接觸接觸八八半 導(dǎo) 體 表 面 與半 導(dǎo) 體 表 面 與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第123頁/共222頁（只受溫度T影響）第124頁/共222頁由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子的分布
28、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非平衡載流子的光注入第125頁/共222頁平衡載流子滿足費(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2innp 且公式不成立載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電子和空穴增加和消失的過程第126頁/共222頁平衡時(shí) 過剩載流子電中性：第127頁/共222頁0000,pn nnnppp小注入條件：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N型材料P型材料第128頁/共222頁9310 /npcm14310 /,DNcm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？1432630010 /,/10 /DiDn
29、NcmpnNcm93143000,10 /10 /nnnnpcmncm 解：滿足小注入條件?。?）0pp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數(shù)載流子第129頁/共222頁1/npnp/p第130頁/共222頁pd ppdt t0( )()tp tp e n型材料中的空穴當(dāng) 時(shí)， ，故壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原值的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間；壽命越短，衰減越快0( )() /ppe 第131頁/共222頁200in pn熱平衡狀態(tài)下的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)是熱平衡狀態(tài)
30、的標(biāo)志0000CFFVEEk TCEEk TVnN epN e第132頁/共222頁 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)，因此存在導(dǎo)帶費(fèi)米能級(jí)和價(jià)帶費(fèi)米能級(jí)，稱其為“準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)”00CFnFpVEEk TCEEk TVnN epN e第133頁/共222頁 注： 非平衡載流子越多，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離 就越遠(yuǎn)。 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(jí)偏離費(fèi)米能級(jí)較大00000000CFnFnFFniFpVFFpiFpEEEEEEk Tk Tk TCiEEEEEEk Tk Tk TVinN en enepN e
31、p eneFE第134頁/共222頁00200FnFpFnFpEEEEk Tk Tinpn p en eCEVE 注： 兩種載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離的情況反映了半導(dǎo)體偏離熱平衡狀態(tài)的程度FnEFpEFE第135頁/共222頁第136頁/共222頁Rrnp（禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料）（窄禁帶半導(dǎo)體及高溫情況下）（具有深能級(jí)雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料）第137頁/共222頁第138頁/共222頁FpEFnE1、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。 （ ）2、壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原值的（ ）所經(jīng)歷的時(shí)間。3、簡(jiǎn)述小注入條件4、處于非平衡態(tài)的p型半導(dǎo)體中， 和 哪個(gè)距 近？為
32、什么？FE第139頁/共222頁第140頁/共222頁第141頁/共222頁第142頁/共222頁第143頁/共222頁第144頁/共222頁nnnnnnnqkTDkTqDqnqndxdnqDqnJ00qkTndxdnppqkTD第145頁/共222頁22()1PPJpDqxx擴(kuò)()1PPPJppqxxx 漂22PPPPppppDpgtxxx 第146頁/共222頁10310incm第147頁/共222頁五五六六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的金屬和半導(dǎo)體的接觸接觸八八半 導(dǎo) 體 表 面 與半 導(dǎo) 體 表 面 與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第148頁/共222頁第149頁/共222頁 突變結(jié): 線性緩變結(jié):淺結(jié)、
33、重?fù)诫s（3um） 或外延的PN結(jié)第150頁/共222頁第151頁/共222頁第152頁/共222頁第153頁/共222頁P(yáng)N結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)決定于摻雜濃度ND、NA、材料禁帶寬度以及工作溫度第154頁/共222頁能帶內(nèi)建電勢(shì)電場(chǎng)第155頁/共222頁第156頁/共222頁第157頁/共222頁第158頁/共222頁第159頁/共222頁第160頁/共222頁第161頁/共222頁npnnPpnppNxxpdxpdDxxndxndD.0.02222第162頁/共222頁0)(0)(xpxnnpkTqVikTFFiAPNenennp/22第163頁/共222頁P(yáng)N)(ppxn)(nnxpkTqVAip
34、kTqViApppAAeNnxnenNxnxpxn/2/2)()()()(1)(/2kTqVAippAeNnxn第164頁/共222頁1)(/2kTqVDinnAeNnxp耗盡層邊界處非平衡載流子濃度與外加電壓有關(guān)第165頁/共222頁第166頁/共222頁第167頁/共222頁-xp xn0pnnppdxpdD220 xX1)0(0)(/2kTqVDinnAeNnxpxp第168頁/共222頁P(yáng)PPLxLxnDLeAeAxpPP,) (/ 2/ 1其中PAPALxkTqVDiPPnPPLxkTqVDineeNnLDqdxpdqDxJxeeNnxp/ /2/ /21) (01) (第169頁/
35、共222頁NANALxkTqVAiNNpNNLxkTqVAipeeNnLDqdxndqDxJxeeNnxn/ /2/ /21 ) (0 1) (第170頁/共222頁1)()(/22kTqVDiPPAiNNnPpNPNAeNnLDNnLDqAIxJxJAIII1/0kTqVAeII第171頁/共222頁第172頁/共222頁第173頁/共222頁)()(112ppnnnnptndxtnqAInpiGRGRxxGRnp第174頁/共222頁WqAnIiGR02kTqVipDpDFGRGRDIFFkTqVDIFFkTqViGRAAAenDNLIIandIIIeIIeWqAnI20202,12VA愈
36、低，IR-G愈是起支配作用第175頁/共222頁kTIRVqkTqVsAJeIeII)(00q/kTLog(I)VA第176頁/共222頁大注入是指正偏工作時(shí)注入載流子密度等于或高于平衡態(tài)多子密度的工作狀態(tài)。pnnnodxdnnqkTdxdnnDdxdnqDnqJnnnnnnBInnnBInn11第177頁/共222頁dxdpqDdxdnnqkTpqJnppnnpp1dxdpnpqDJdxdpdxdnnnnppnn1:, ,上式可寫為及電中性條件利用愛因斯坦關(guān)系dxdpqDJDnpDnpeffppnnpeff 1:定義有效擴(kuò)散系數(shù)第178頁/共222頁kTqVNipDniAJnnnWxxnnW
37、xxBIBIANnnNnneWnqADIpnqkTVVnxnqkTdxdxdnnqkTdxV2002ln2)(ln1VA越大, 電流上升變緩第179頁/共222頁第180頁/共222頁第181頁/共222頁ELhEmPg324exp*隧道穿透幾率P：qEELg隧道長(zhǎng)度:隧道擊穿: VB6Eg/q第182頁/共222頁+ -vaVA+ -PNRsGCGCjYtVvasin0第183頁/共222頁第184頁/共222頁210211,)(2,biATTDADAAbisTpAnDtAbitttTVVCCNNNNVVqACxqANxqANQVVVdVdQC考慮突變結(jié)第185頁/共222頁2028mxmt
38、xAqaAqaxdxQ123112 ()sTbiAqaCAVV3101BJATTVVCC第186頁/共222頁AbisDADATDADAAbisTVVANNNNqCNNNNVVqAC222121)(2VA1/C2Vbi第187頁/共222頁第188頁/共222頁11)(00kTqVpnpkTqVnpxnnAAnenqALQepqALdxxpqAQ1100kTqVpnkTqVnpDAAenLkTqqAepLkTqqAC第189頁/共222頁pFDkTqVpnpFkTqVnpDIkTqCeLpqADIepLkTqqACAA1100第190頁/共222頁1、為什么pn結(jié)在反偏壓下有一小的飽和電流2、
39、試分別描述勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的由來第191頁/共222頁五五六六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的金屬和半導(dǎo)體的接觸接觸八八半 導(dǎo) 體 表 面 與半 導(dǎo) 體 表 面 與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第192頁/共222頁第193頁/共222頁第194頁/共222頁第195頁/共222頁driftdiffJJJ第196頁/共222頁第197頁/共222頁msWWmsWW第198頁/共222頁五五六六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的金屬和半導(dǎo)體的接觸接觸八八半 導(dǎo) 體 表 面 與半 導(dǎo) 體 表 面 與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第199頁/共222頁第200頁/共222頁第201頁/共222頁第202頁/共222頁第203頁/共222頁第2
40、04頁/共222頁第205頁/共222頁第206頁/共222頁2/1222222)0()()(;2)()(0)(; 0)()()(;)()()(asssassasasasaaqNWWqNxxWqNxxWqNxWxWxdxxdxqNxxqNNnpqx（邊界條件）第207頁/共222頁第208頁/共222頁第209頁/共222頁第210頁/共222頁Qsss =0, Qs=0, =0, flat bands 0, accumulations 0, Qs0, Qs2 F, Strong inversion)(ANnpq第211頁/共222頁第212頁/共222頁第213頁/共222頁第214頁/共222頁VFB MS MS第215頁/共222頁0 第216頁/共222頁第217頁/共222頁0001oGoosooossKACCxC CCCK WCCK x第218頁/共222頁第219頁/共222頁第220頁/共222頁第221頁/共222頁
半導(dǎo)體物理學(xué) 劉恩科 第七教案
