半導(dǎo)體物理學(xué) 劉恩科 第七版-

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1、半 導(dǎo) 體 器 件 半 導(dǎo) 體 物 理 學(xué) 半 導(dǎo) 體 器 件 半 導(dǎo) 體 物 理 學(xué) 教 材 : 半 導(dǎo) 體 物 理 學(xué) (第 七 版 )， 劉 恩 科 等 編 著 ，電 子 工 業(yè) 出 版 社 參 考 書 ： 半 導(dǎo) 體 物 理 與 器 件 （ 第 三 版 ） ，Donald A.Neamen著 ， 電 子 工 業(yè) 出 版 社 半 導(dǎo) 體 器 件 課 程 考 核 辦 法 :本 課 采 用 開 卷 筆 試 的 考 核 辦 法 ?？?評 成 績 構(gòu) 比 例 為 ： 平 時(shí) 成 績 10%； 期 末考 試 90%半 導(dǎo) 體 物 理 學(xué) 半 導(dǎo) 體 器 件 一 半 導(dǎo) 體 中 的 電 子 狀 態(tài)二

2、 半 導(dǎo) 體 中 雜 質(zhì) 和 缺 陷 能 級(jí)三 半 導(dǎo) 體 中 載 流 子 的 統(tǒng) 計(jì) 分布四 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 性五 非 平 衡 載 流 子六 pn結(jié)七 金 屬 和 半 導(dǎo) 體 的 接 觸八 半 導(dǎo) 體 表 面 與 MIS結(jié) 構(gòu)九 半 導(dǎo) 體 異 質(zhì) 結(jié) 構(gòu)半 導(dǎo) 體 物 理 學(xué) 半 導(dǎo) 體 器 件 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 介 : 半 導(dǎo) 體 概 要 半 導(dǎo) 體 器 件 微 電

3、 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 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) 體 概 要 半 導(dǎo) 體 器 件 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 ？半 導(dǎo) 體 及 其 基 本 特 性 半 導(dǎo) 體 器 件 半 導(dǎo) 體 器 件 一 半 導(dǎo) 體 中 的 電 子

4、 狀 態(tài)二 半 導(dǎo) 體 中 雜 質(zhì) 和 缺 陷 能 級(jí)三 半 導(dǎo) 體 中 載 流 子 的 統(tǒng) 計(jì) 分布四 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 性五 非 平 衡 載 流 子六 pn結(jié)七 金 屬 和 半 導(dǎo) 體 的 接 觸八 半 導(dǎo) 體 表 面 與 MIS結(jié) 構(gòu)半 導(dǎo) 體 物 理 學(xué) 半 導(dǎo) 體 器 件 半 導(dǎo) 體 的 純 度 和 結(jié) 構(gòu) 純 度極 高 ， 雜 質(zhì) 1013cm-3 結(jié) 構(gòu) 半 導(dǎo) 體 器 件 晶 體 結(jié) 構(gòu) 單 胞 對 于 任 何 給 定 的 晶 體 ， 可 以 用 來 形 成 其 晶 體 結(jié) 構(gòu) 的最 小 單 元注 ： （ a） 單 胞 無 需 是 唯 一 的 （ b） 單 胞 無 需 是

5、 基 本 的 半 導(dǎo) 體 器 件 晶 體 結(jié) 構(gòu) 三 維 立 方 單 胞 簡 立 方 、 體 心 立 方 、 面 立 方 半 導(dǎo) 體 器 件 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) 半 導(dǎo) 體 器 件半 導(dǎo) 體 有 : 元 素 半 導(dǎo) 體 如 Si、 G e 金 剛 石 晶 體 結(jié) 構(gòu) 半 導(dǎo) 體 器 件半 導(dǎo) 體 有 : 化 合 物 半 導(dǎo) 體 如 G aAs、 InP、 ZnS 閃 鋅 礦 晶 體 結(jié) 構(gòu)金 剛 石 型 閃 鋅 礦 型 半 導(dǎo) 體

6、 器 件 練 習(xí)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) 。 半 導(dǎo) 體 器 件 原 子 的 能 級(jí) 電 子 殼 層 不 同 支 殼 層 電 子1s； 2s， 2p； 3s， 2p， 3d； 共 有 化 運(yùn) 動(dòng) 半 導(dǎo) 體 器 件 +14 電 子 的 能 級(jí) 是 量 子 化 的 n=3四 個(gè) 電 子n=28個(gè) 電 子 n=

7、12個(gè) 電 子 SiH Si原 子 的 能 級(jí) 半 導(dǎo) 體 器 件 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 半 導(dǎo) 體 器 件 原 子 的 能 級(jí) 的 分 裂 原 子 能 級(jí) 分 裂 為 能 帶 半 導(dǎo) 體 器 件 Si的 能 帶 （ 價(jià) 帶 、 導(dǎo) 帶 和 帶 隙 半 導(dǎo) 體 器 件價(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 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) 半 導(dǎo) 體 器 件

8、自 由 電 子 的 運(yùn) 動(dòng) 微 觀 粒 子 具 有 波 粒 二 象 性 0p m u 202pE m( )( , ) i K r tr t Ae p KE hv 半 導(dǎo) 體 器 件 半 導(dǎo) 體 中 電 子 的 運(yùn) 動(dòng) 薛 定 諤 方 程 及 其 解 的 形 式 2 2 20( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )2V x V x sad x V x x E xm dx ( ) ( )( ) ( )ikxk kk kx u x eu x u x na 布 洛 赫 波 函 數(shù) 半 導(dǎo) 體 器 件 固 體 材 料 分 成 ： 超 導(dǎo) 體 、 導(dǎo) 體 、 半 導(dǎo) 體 、 絕 緣 體固 體 材 料

9、的 能 帶 圖 半 導(dǎo) 體 器 件 半 導(dǎo) 體 、 絕 緣 體 和 導(dǎo) 體 半 導(dǎo) 體 器 件 半 導(dǎo) 體 的 能 帶 本 征 激 發(fā) 半 導(dǎo) 體 器 件 練 習(xí)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) 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 們在 某 處 出 現(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

10、過 程 中的 差 別 。 半 導(dǎo) 體 器 件 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 2 20 021( ) (0) ( ) ( ) .2k kdE d EE k E k kdk dk 0k k( )E k 0k 2 2021( ) (0) ( )2 kd EE k E kdk 半 導(dǎo) 體 器 件 半 導(dǎo) 體 中 E（ K） 與 K的 關(guān) 系2 2021( ) (0) ( )2 kd EE k E kdk 令 代 入 上 式 得2 02 2 *1 1( )k nd Edk m 2 2*( ) (0)

11、 2 nkE k E m 半 導(dǎo) 體 器 件 自 由 電 子 的 能 量 微 觀 粒 子 具 有 波 粒 二 象 性 0p m u 202pE m( )( , ) i K r tr t Ae p KE hv 2 202 kE m 半 導(dǎo) 體 器 件 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 u可 表 示為 波 包 的 群 速 度 dvu dk 1 dEu dk 2 2*( ) (0) 2 nh kE k E m *nku m E hv 半 導(dǎo) 體 器 件 自 由 電 子 的 速 度 微 觀 粒 子 具 有 波 粒 二 象 性 0p

12、m u 202pE m( )( , ) i K r tr t Ae p KE hv 0ku m 半 導(dǎo) 體 器 件 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 作 用下 ， 外 力 對 電 子 做 功 為 電 子 能 量 的 變 化dE fds fudt 1 dEu dk f dEdE dtdk dkf dt 2 22 2 21 1( )du d dE d E dk f d Ea dt dt dk dk dt dk 半 導(dǎo) 體 器 件 半 導(dǎo) 體 中 電 子 的 加 速 度令 即2* 2 21 1n d Em dk *nfa m 2

13、* 2 2nm d Edk 半 導(dǎo) 體 器 件 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 場 的 作 用 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) 律時(shí) 更 為 簡 便 （ 有 效 質(zhì) 量 可 由 試 驗(yàn) 測 定 ） 半 導(dǎo) 體 器 件 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

14、 -q（ 導(dǎo) 帶 底 ） ， 空 穴 帶 正 電 +q（ 價(jià)帶 頂 ） 半 導(dǎo) 體 器 件 K空 間 等 能 面 在 k=0處 為 能 帶 極 值 2 2*( ) (0) 2 nkE k E m 2 2*( ) (0) 2 pkE k E m 導(dǎo) 帶 底 附 近價(jià) 帶 頂 附 近 半 導(dǎo) 體 器 件 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xk 2 2 2 2x y zk k k k yk zk k kk 2 2 2 2*( ) (0) ( )2 x y znE k E k k km 半 導(dǎo) 體 器 件 K空

15、 間 等 能 面 對 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 稱 等 能 面 。 等 能 面 為 一 球 面 （ 理 想 ）( )E k( , , )x y zk k k 2 2 2 2*( ) (0) ( )2 x y znE k E k k km 半 導(dǎo) 體 器 件 一 半 導(dǎo) 體 中 的 電 子 狀 態(tài)二 半 導(dǎo) 體 中 雜 質(zhì) 和 缺 陷 能 級(jí)三 半 導(dǎo) 體 中 載 流 子 的 統(tǒng) 計(jì) 分布四 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 性五 非 平 衡

16、 載 流 子六 pn結(jié)七 金 屬 和 半 導(dǎo) 體 的 接 觸八 半 導(dǎo) 體 表 面 與 MIS結(jié) 構(gòu)半 導(dǎo) 體 物 理 學(xué) 半 導(dǎo) 體 器 件 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) ） 半 導(dǎo) 體 器 件 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

17、 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510 310 3 210 cm 半 導(dǎo) 體 器 件 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 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(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 。 半 導(dǎo) 體 器 件 硅 、 鍺 晶 體 中 的 雜 質(zhì) 能 級(jí)例

18、： 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 1 3( 3 )2 4 8r a a （ b） 3348 33 0.3416ra 半 導(dǎo) 體 器 件 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

19、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 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) 。 半 導(dǎo) 體 器 件 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 半 導(dǎo) 體 器 件 練 習(xí)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

20、 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 ？ 半 導(dǎo) 體 器 件 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As 半 導(dǎo) 體 的 摻 雜DE DE CE VE施 主 能 級(jí) 半 導(dǎo) 體 器 件 受 主 ： 摻 入 在 半 導(dǎo) 體 中 的 雜 質(zhì) 原 子 ， 能 夠 向

21、半 導(dǎo) 體 中 提 供 導(dǎo) 電 的 空 穴 ， 并 成 為 帶 負(fù) 電 的 離 子 。 如 Si中 的 BP型 半 導(dǎo) 體B 半 導(dǎo) 體 的 摻 雜 CE VEAE AE受 主 能 級(jí) 半 導(dǎo) 體 器 件 半 導(dǎo) 體 的 摻 雜 、 族 雜 質(zhì) 在 Si、 Ge晶 體 中 分 別 為 受主 和 施 主 雜 質(zhì) ， 它 們 在 禁 帶 中 引 入 了 能級(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

22、態(tài) 時(shí) ， 施 主 雜 質(zhì) 向 導(dǎo) 帶 提 供電 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 。 AEDE 半 導(dǎo) 體 器 件 半 導(dǎo) 體 中 同 時(shí) 存 在 施 主 和 受 主 雜 質(zhì) ，且 。 D AN ND AN N N型 半 導(dǎo) 體N型 半 導(dǎo) 體 半 導(dǎo) 體 器 件 半 導(dǎo) 體 中 同 時(shí) 存 在 施 主 和 受 主 雜 質(zhì) ，且 。 A DN NA DN N P型 半 導(dǎo) 體P型 半 導(dǎo) 體 半 導(dǎo) 體 器 件 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)時(shí) ， 半 導(dǎo) 體 是 N型 還

23、 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 （ ） A DN N 半 導(dǎo) 體 器 件 點(diǎn) 缺 陷 弗 倉 克 耳 缺 陷間 隙 原 子 和 空 位 成 對 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

24、現(xiàn) 為 受 主 作 用 ； 間 隙 原 子 表 現(xiàn) 為 施 主作 用 半 導(dǎo) 體 器 件 點(diǎn) 缺 陷 替 位 原 子 （ 化 合 物 半 導(dǎo) 體 ） 半 導(dǎo) 體 器 件 位 錯(cuò) 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 。 半 導(dǎo) 體 器 件 位 錯(cuò)施 主 情 況 受 主 情 況 半 導(dǎo) 體 器 件 練 習(xí)1、 、 族 雜 質(zhì) 在 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 （ ） 。

25、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 。 半 導(dǎo) 體 器 件 一 半 導(dǎo) 體 中 的 電 子 狀 態(tài)二 半 導(dǎo) 體 中 雜 質(zhì) 和 缺 陷 能 級(jí)三 半 導(dǎo) 體 中 載 流 子 的 統(tǒng) 計(jì) 分布四 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 性五 非 平 衡 載 流 子六 pn結(jié)七 金 屬 和 半 導(dǎo) 體 的 接 觸八 半 導(dǎo) 體 表 面 與 MIS結(jié) 構(gòu)半 導(dǎo) 體 物 理 學(xué) 半 導(dǎo) 體 器 件 熱 平 衡 狀 態(tài) 在 一 定 溫 度

26、 下 ， 載 流 子 的 產(chǎn) 生 和 載 流 子 的 復(fù)合 建 立 起 一 動(dòng) 態(tài) 平 衡 ， 這 時(shí) 的 載 流 子 稱 為 熱平 衡 載 流 子 。 半 導(dǎo) 體 的 熱 平 衡 狀 態(tài) 受 溫 度 影 響 ， 某 一 特 定溫 度 對 應(yīng) 某 一 特 定 的 熱 平 衡 狀 態(tài) 。 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 性 受 溫 度 影 響 劇 烈 。 半 導(dǎo) 體 器 件 態(tài) 密 度 的 概 念 能 帶 中 能 量 附 近 每 單 位 能 量 間 隔 內(nèi) 的 量 子 態(tài)數(shù) 。 能 帶 中 能 量 為 無 限 小 的 能 量 間 隔 內(nèi)有 個(gè) 量 子 態(tài) ， 則 狀 態(tài) 密 度 為( )g EE E d

27、E（ ）zd( ) dzg E dEE 半 導(dǎo) 體 器 件 態(tài) 密 度 的 計(jì) 算 狀 態(tài) 密 度 的 計(jì) 算單 位 空 間 的 量 子 態(tài) 數(shù)能 量 在 空 間 中 所 對應(yīng) 的 體 積前 兩 者 相 乘 得 狀 態(tài) 數(shù)根 據(jù) 定 義 公 式 求 得 態(tài) 密 度 ( )g EE E dE（ ）k dzk 半 導(dǎo) 體 器 件 空 間 中 的 量 子 態(tài) 在 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 度為 ， 每 個(gè) 量 子 態(tài) 最 多 只 能 容 納 一 個(gè) 電 子 。2 ( 0, 1, 2,2

28、 ( 0, 1, 2, 2 ( 0, 1, 2,xx xyy yzz znk nLnk nLnk nL ） 3/ 8V （ ）k k3/ 4V （ ） 半 導(dǎo) 體 器 件 態(tài) 密 度 導(dǎo) 帶 底 附 近 狀 態(tài) 密 度 （ 理 想 情 況 ）2 2 *( ) 2C nkE k E m 23 44Vdz k dk *2nm dEkdk * 3/2 1/22 3(2 ) ( )2 n CmVdz E E dE 半 導(dǎo) 體 器 件 態(tài) 密 度* 3/2 1/22 3(2 )( ) ( )2 nc Cmdz Vg E E EdE * 3/2 1/22 3(2 )( ) ( )2 pv vmdz Vg

29、E E EdE （ 導(dǎo) 帶 底 ）（ 價(jià) 帶 頂 ） 半 導(dǎo) 體 器 件 練 習(xí)1、 推 導(dǎo) 價(jià) 帶 頂 附 近 狀 態(tài) 密 度 ( )vg E 半 導(dǎo) 體 器 件 費(fèi) 米 能 級(jí) 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 對 于 能 量 為 E的 一 個(gè) 量 子 態(tài) 被 一 個(gè) 電 子 占 據(jù) 的概 率 為 稱 為 電 子 的 費(fèi) 米 分 布 函 數(shù) 空 穴 的 費(fèi) 米 分 布 函 數(shù) ？( )f E 01( ) 1 FE Ek Tf E e ( )f E 1 ( )f E 半 導(dǎo) 體 器 件 費(fèi) 米 分 布 函 數(shù) 稱 為

30、 費(fèi) 米 能 級(jí) 或 費(fèi) 米 能 量 溫 度 導(dǎo) 電 類 型 雜 質(zhì) 含 量 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(jí)FE ( ) ii f E N ( )F TdFE dN 半 導(dǎo) 體 器 件 費(fèi) 米 分 布 函 數(shù) 當(dāng) 時(shí) 若 ， 則 若 ， 則l 在 熱 力 學(xué) 溫 度 為 0度 時(shí) ， 費(fèi) 米 能 級(jí) 可 看 成 量 子 態(tài)是 否 被 電 子 占 據(jù) 的 一 個(gè) 界 限 當(dāng) 時(shí) 若 ， 則 若 ， 則 若 ， 則l 費(fèi) 米 能 級(jí) 是 量 子 態(tài) 基 本 上 被 電 子 占 據(jù) 或 基 本 上 是 空 的 一 個(gè) 標(biāo) 志

31、 FE E ( ) 1f E FE E ( ) 0f E 01( ) 1 FE Ek Tf E e FE0T K0T K FE E FE E FE E ( ) 1/2f E ( ) 1/2f E ( ) 1/2f E 半 導(dǎo) 體 器 件 玻 爾 茲 曼 分 布 函 數(shù) 當(dāng) 時(shí) ， 由 于 ，所 以費(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)0FE E k T 0exp( ) 1FE Ek T0 01 exp( ) exp( )F FE E E Ek T k T 0 00 0exp( ) exp( )exp( ) exp )( ) (B F FE E E

32、 Ek T k Ef E A k TT k T ( )Bf E 半 導(dǎo) 體 器 件 玻 爾 茲 曼 分 布 函 數(shù) 空 穴 的 玻 爾 茲 曼 分 布 函 數(shù) 0 0 0 0 01 exp( ) exp( )exp(1 ( ) exp( )1 F F FE Ek T E E E Ek T k T k T Ef E B k Te 1 ( )Bf E 半 導(dǎo) 體 器 件 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 中的 空 穴 分 布 可 用 空 穴 的 玻

33、 爾 茲 曼 分 布 函 數(shù) 描 寫（ 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 玻 爾 茲 曼 統(tǒng) 計(jì) 律 的 電 子 系 統(tǒng) 稱 為 非 簡 并 性系 統(tǒng) 費(fèi) 米 統(tǒng) 計(jì) 律 與 玻 爾 茲 曼 統(tǒng) 計(jì) 律 的 主 要 差 別 ： 前者 受 泡 利 不 相 容 原 理 的 限 制 半 導(dǎo) 體 器 件 練 習(xí)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)

34、 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 ？ 半 導(dǎo) 體 器 件 導(dǎo) 帶 中 的 電 子 濃 度 在 導(dǎo) 帶 上 的 間 有 個(gè) 電 子 從 導(dǎo) 帶 底 到 導(dǎo) 帶 頂 對 進(jìn) 行 積 分 ，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 E E dE（ ） ( ) ( )cf E g E dE( ) ( )cf E g E dE 0n 0n( ) (

35、 ) B cdN f E g E dE 半 導(dǎo) 體 器 件 導(dǎo) 帶 中 的 電 子 濃 度0* 3/2 1/22 3(2 ) ( )2 FE Ek Tn CmVdN e E E dE 0* 3/2 1/22 3(2 ) ( )2 FE Ek Tn CmdNdn e E E dEV 0* 3/2 1/20 2 3(2 ) ( )2 FC C C C E EE E k Tn CE E mn dn e E E dE 0( )/( )Cx E E k T 0n 0 * 3/200 2 3 1/20(2 )2 c Fk xEn xET x e dT xm kn e 半 導(dǎo) 體 器 件 導(dǎo) 帶 中 的 電

36、 子 濃 度 0* 3/200 3/2 3(2 )4 c FEk Tn Em ek Tn 500T K 1/0.043 23x 12eV 0n1/20 2xx e 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0 0.043k T K 00 c FE Ek TCn N e 半 導(dǎo) 體 器 件 價(jià) 帶 中 的 空 穴 濃 度 0* 3/203/0 2 3(2 )4 V FE Ep k Tm k Tp e 0n 同 理 得 價(jià) 帶 中 的 空 穴 濃 度 00 V FE

37、Ek TVp N e 半 導(dǎo) 體 器 件 載 流 子 濃 度 乘 積0 00 0 gC V EE Ek T k TC V C Vn p N N e N N e 0* * 3/2 300 0 3 2( ) ( )2 gEn p k Tm m k Tn p e 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 小 ； 反 之 亦 然 0 0n p 半 導(dǎo) 體 器 件 本 征 半 導(dǎo) 體 載 流 子 濃 度 0 0n p 本 征

38、 半 導(dǎo) 體 無 任 何 雜 質(zhì) 和 缺 陷 的 半 導(dǎo) 體 半 導(dǎo) 體 器 件 本 征 費(fèi) 米 能 級(jí)0 0n p 0 0C F F VE E E Ek T k TC VN e N e 0 ln2 2C V Vi F CE E k T NE E N *0 *3 ln2 4 pC Vi F nmE E k TE E m 半 導(dǎo) 體 器 件 本 征 載 流 子 濃 度0 0n p 021/20 0 ( ) gEk Ti C Vn n p N N e 20 0 in p n （ 既 適 用 于 本 征 半 導(dǎo) 體 ， 也適 用 于 非 簡 并 的 雜 志 半 導(dǎo) 體 ） 半 導(dǎo) 體 器 件 雜 質(zhì)

39、 半 導(dǎo) 體 載 流 子 濃 度 0121( ) 1 FDD Ek TEf E e 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( ) 1 FVV Ek TEf E e 半 導(dǎo) 體 器 件 雜 質(zhì) 半 導(dǎo) 體 載 流 子 濃 度 0( ) 11 2 D FDD D D E Ek TNn N f E e 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

40、（ 沒 電 離 的 受 主 濃 度 ） 0( ) 11 2 F AAA A A E Ek TNp N f E e 半 導(dǎo) 體 器 件 雜 質(zhì) 半 導(dǎo) 體 載 流 子 濃 度 01 ( ) 1 2 D FDD D D D D E Ek TNn N n N f E e 電 離 施 主 濃 度 電 離 受 主 濃 度 01 ( ) 1 2 F AAA A A A A E Ek TNp N n N f E e 半 導(dǎo) 體 器 件 n和 p的 其 他 變 換 公 式 本 征 半 導(dǎo) 體 時(shí) ， kTEEi kTEEi Fi iFenp enn /)( /)( inpn kTEEVi kTEECi iC

41、CieNn eNn /)( /)( kTEEiV kTEEiC Vi iCenN enN /)( /)( 半 導(dǎo) 體 器 件 費(fèi) 米 能 級(jí) 對 摻 雜 半 導(dǎo) 體 ， iiF nnkTEE ln 半 導(dǎo) 體 器 件 費(fèi) 米 能 級(jí) 接 近 室 溫 時(shí) EF-Ei=kTln(ND/ni) 半 導(dǎo) 體 器 件 練 習(xí) 半 導(dǎo) 體 器 件 一 半 導(dǎo) 體 中 的 電 子 狀 態(tài)二 半 導(dǎo) 體 中 雜 質(zhì) 和 缺 陷 能 級(jí)三 半 導(dǎo) 體 中 載 流 子 的 統(tǒng) 計(jì) 分布四 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 性五 非 平 衡 載 流 子六 pn結(jié)七 金 屬 和 半 導(dǎo) 體 的 接 觸八 半 導(dǎo) 體 表 面 與

42、 MIS結(jié) 構(gòu)半 導(dǎo) 體 物 理 學(xué) 半 導(dǎo) 體 器 件 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 歐 姆 定 律 金 屬 導(dǎo) 體 外 加 電 壓 ， 電 流 強(qiáng) 度 為 電 流 密 度 為 VI RVlR s IJ s 1 半 導(dǎo) 體 器 件 歐 姆 定 律 均 勻 導(dǎo) 體 外 加 電 壓 ， 電 場 強(qiáng) 度 為 電 流 密 度 為 歐 姆 定 律 的 微 分 形 式 VE lV IJ s J E 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

43、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 d dI qnv AJ qnv 半 導(dǎo) 體 器 件 漂 移 速 度 漂 移 速 度 ( )J Edv Enq 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 J E( )n p n pJ J J nq pq E n pnq pq 半 導(dǎo) 體

44、 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 n pnq pq n p nnq p n pnq in p n ( )i n pnq 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 dJ qnvJ E 恒 定不 斷 增 大 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) 則 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

45、 起 凈 速 度 為 零 ， 并 且 凈 電 流 為 零 平 均 自 由 時(shí) 間 為 ps m 1.0 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 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

46、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 。V k 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) 3/2i iP NTP電 離 施 主 散 射 電 離 受 主 散 射 半 導(dǎo) 體 器 件 晶 格 振 動(dòng) 的 散 射 格 波 形 成 原 子 振 動(dòng) 的 基 本 波 動(dòng) 格 波 波 矢 對 應(yīng)

47、 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 基 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

48、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 度 的 升 高 ， 光 學(xué) 波 的散 射 概 率 迅 速 增 大 3/2sP T 半 導(dǎo) 體 器 件 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 。 （ ） 2、 在 半 導(dǎo) 體

49、中 ， 載 流 子 的 三 種 輸 運(yùn) 方 式 為 （ ） 、 （ ） 和 （ ） 。 3、 載 流 子 在 外 電 場 的 作 用 下 是 （ ） 和 （ ）兩 種 運(yùn) 動(dòng) 的 疊 加 ， 因 此 電 流 密 度 大 小 （ ） 。4、 什 么 是 散 射 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 ， 則 在 時(shí)間 內(nèi) 被 散 射 的 電 子 數(shù) 為( )N t P t P t( )N t ( )t t t因 此 ( ) ( )N t N t t ( )N t P t 半 導(dǎo) 體 器 件 與 的

50、 關(guān) 系0( ) ( ) ( )limtdN t N t t N tdt t P上 式 的 解 為( ) ( ) ( )N t N t t N t P t 0( ) PtN t N e ( )PN t則 被 散 射 的 電 子 數(shù) 為( )t t dt 0 PtN e Pdt 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 ， 則 個(gè) 電 子 的 平 均 自 由 時(shí) 間 可表 示 為 P0Nt( )t t dt0 PttN e Pdt 00 0PttN e PdtN 1P 半 導(dǎo) 體

51、器 件 、 與 的 關(guān) 系 0 *x x nq tm 平 均 漂 移 速 度 為 0* 00 0* ( ) ( )Ptnx nnx q t N e Pdtm Nqm ( )x *nn nqm *pp pqm 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 n p 2*nn n nnqnq m p n in p n 2 * *( )pni n pnq m m 2* pp p ppqpq m 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 iN 1 3/2i iN T T3/2s T 0 1k

52、To e 01 1 1 1i s 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 iN 1 3/2i iN T T3/2s T 0 1k To e 01 1 1 1i s 半 導(dǎo) 體 器 件 影 響 遷 移 率 的 因 素 與 散 射 有 關(guān) 晶 格 散 射 電 離 雜 質(zhì)散 射 *mq 半 導(dǎo) 體 器 件 半 導(dǎo) 體 器 件 N型 半 導(dǎo) 體 P型 半 導(dǎo) 體 本 征 半 導(dǎo) 體 1 1n pnq pq 1 nnq 1 pnq 1( )i n pnq 電 阻 率 半 導(dǎo) 體 器 件 電 阻 率 與 摻 雜 的 關(guān) 系 N型 半 導(dǎo) 體

53、P型 半 導(dǎo) 體 Ap Dn Nq Nq 11 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 電 阻 率 隨 溫 度 增 加 而 單 調(diào) 地 下 降 雜 質(zhì) 半 導(dǎo) 體（ 區(qū) 別 于 金 屬 ） 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 移速 度 v與 外 加 電 場 強(qiáng) 度 E呈 線 性 關(guān) 系 ； 隨 著 外 加 電場 的 不 斷 增 大 ， 兩 者 呈 非 線 性 關(guān) 系 ， 并 最 終 平 均漂 移 速 度 達(dá) 到 一 飽 和 值 ， 不 隨 E變 化 。 n-G

54、e: d 27 10 /V cm d E （ 呈 線 性 ）2 37 10 / 5 10 /V cm V cm d 增 加 緩 慢 ;（ 降 低 ）35 10 /V cm d（ 飽 和 ） 半 導(dǎo) 體 器 件 耿 氏 效 應(yīng) 耿 氏 效 應(yīng) n-GaAs外 加 電 場 強(qiáng) 度 超 過 時(shí) ， 半 導(dǎo) 體 內(nèi)的 電 流 以 的 頻 率 發(fā) 生 振 蕩33 10 /V cm33 10 /E V cm 0.476.5GHz (0.47 6.5 )I GHz f GHz 半 導(dǎo) 體 器 件 練 習(xí)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

55、。 （ ）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 。 （ ） 半 導(dǎo) 體 器 件 練 習(xí)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 是 （ ） 。2、 金 剛 石 型 單 胞 的 基 礎(chǔ) 結(jié) 構(gòu) 為 （ ） ， 金 剛 石 型為

56、 （ ） 對 稱 性 ， 閃 鋅 礦 型 結(jié) 構(gòu) 為 （ ） 對 稱 性 ，纖 鋅 礦 型 為 （ ） 對 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 （ ） 、 （ ） 、 （ ） 。 半 導(dǎo) 體 器 件 練 習(xí)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 （

57、 ） 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 （ ） 。 半 導(dǎo) 體 器 件 練 習(xí)1 ( )f E 15 310DN cm17 310AN cm 三 、 簡 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

58、 區(qū) 別 ？ 6、 在 外 加 電 場 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 。 半 導(dǎo) 體 器 件 一 半 導(dǎo) 體 中 的 電 子 狀 態(tài)二 半 導(dǎo) 體 中 雜 質(zhì) 和 缺 陷 能 級(jí)三 半 導(dǎo) 體 中 載 流 子 的 統(tǒng) 計(jì) 分布四 半 導(dǎo) 體 的 導(dǎo) 電 性五 非 平 衡 載 流 子六 pn結(jié)七 金 屬 和 半 導(dǎo) 體 的 接 觸八 半 導(dǎo) 體 表 面 與 MIS結(jié)

59、 構(gòu)半 導(dǎo) 體 物 理 學(xué) 半 導(dǎo) 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 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 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 流子 為 過 剩 載 流 子 ， 也 稱 為 非 平 衡 載 流 子過 剩 載 流 子非 平 衡 載 流 子 的 光 注 入 半 導(dǎo) 體 器 件平 衡 載

60、 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 過 剩 載 流 子 半 導(dǎo) 體 器 件 過 剩 載 流 子 和 電 中 性平 衡 時(shí) 過 剩 載 流 子電 中 性 ： 半 導(dǎo) 體 器 件 小 注 入 條 件 0 0 0 0,p n n nn p p p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 半

61、 導(dǎo) 體 器 件 小 注 入 條 件9 310 /n p cm 14 310 / ,DN cm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 ？14 3 2 6 30 010 / , / 10 /D i Dn N cm p n N cm 9 3 14 3 0 0 0, 10 / 10 /n n n n p cm n cm 解 ： 滿 足 小 注 入 條 件 ！ （ ）0p p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

62、 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 半 導(dǎo) 體 器 件 非 平 衡 載 流 子 壽 命 假 定 光 照 產(chǎn) 生 和 ， 如 果 光 突 然 關(guān) 閉 ， 和 將 隨 時(shí) 間 逐 漸 衰 減 直 至 0， 衰 減 的 時(shí) 間 常 數(shù)稱 為 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 非 平 衡 載 流 子 的 復(fù) 合 率1/ n p np /p 半 導(dǎo) 體 器 件 復(fù) 合pd p pdt t 0( ) ( ) tp t p e

63、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( ) ( ) /p p e 半 導(dǎo) 體 器 件 費(fèi) 米 能 級(jí) 20 0 in p n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(jí)統(tǒng) 一 的 費(fèi) 米 能 級(jí) 是 熱 平 衡 狀 態(tài) 的 標(biāo) 志0000 C FF VE Ek TC E Ek TVn N ep N e 半 導(dǎo) 體 器 件 準(zhǔn) 費(fèi) 米 能 級(jí) 當(dāng) 半 導(dǎo) 體 的 熱 平 衡 狀 態(tài) 被 打 破 時(shí) ，

64、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) ” 00C FnFp VE Ek TC E Ek TVn N ep N e 半 導(dǎo) 體 器 件 準(zhǔn) 費(fèi) 米 能 級(jí) 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

65、0 0 0 0 0 000C Fn Fn F Fn iFp V F Fp i FpE E E E E Ek T k T k TC iE E E E E Ek T k T k TV in N e n e nep N e p e ne FE 半 導(dǎo) 體 器 件 準(zhǔn) 費(fèi) 米 能 級(jí)0 020 0 Fn Fp Fn FpE E E Ek T k Tinp n p e n e CE VE 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 半 導(dǎo) 體 器 件 產(chǎn) 生 和 復(fù) 合 產(chǎn) 生 電 子 和 空 穴

66、 （ 載 流 子 ） 被 創(chuàng) 建 的 過 程 產(chǎn) 生 率 （ G） ： 單 位 時(shí) 間 單 位 體 積 內(nèi) 所 產(chǎn) 生 的 電 子 空穴 對 數(shù) 復(fù) 合 電 子 和 空 穴 （ 載 流 子 ） 消 失 的 過 程 復(fù) 合 率 （ R） ： 單 位 時(shí) 間 單 位 體 積 內(nèi) 復(fù) 合 掉 的 電 子 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 響 電 流 半 導(dǎo) 體 器 件 復(fù) 合直 接 復(fù) 合 間 接 復(fù) 合 Auger復(fù) 合R rnp （ 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 ） 半 導(dǎo) 體 器 件 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 練 習(xí) 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