半導體物理學 劉恩科 第七版

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1、半導體物理學半導體物理學 劉恩劉恩科科 第七版第七版半導體器件半導體器件半導體物理學 教材教材: ?半導體物理學半導體物理學?(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： ?半導體物理與器件半導體物理與器件?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 半導體器件半導體器件 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。 總評成績構比例為：平時成績總評成績構比例為：平時成績10%； 期期末考試末考試90%半導體物理學半導體器件半導體器件 半導體中的電子狀態(tài)半導體中的電

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

3、器件微電子學研究領域微電子學研究領域半導體器件物理半導體器件物理集成電路工藝集成電路工藝集成電路設計和測試集成電路設計和測試微電子學開展的特點微電子學開展的特點向高集成度、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科互相滲透，與其它學科互相滲透，形成新的學科領域：形成新的學科領域： 光電集成、光電集成、MEMS、生、生物芯片物芯片半導體概要半導體概要半導體器件半導體器件固體材料分成：固體材料分成：超導體、導體、半導體、絕緣體超導體、導體、半導體、絕緣體什么是半導體？什么是半導體？半導體及其根本特性半導體及其根本特性半導體器件半導體器件半導體器件半導

4、體器件 半導體中的電子狀態(tài)半導體中的電子狀態(tài) 半導體中雜質(zhì)和缺陷能級半導體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導體中載流子的統(tǒng)計分布半導體中載流子的統(tǒng)計分布 半導體的導電性半導體的導電性 非平衡載流子非平衡載流子 pnpn結結 金屬和半導體的接觸金屬和半導體的接觸 半導體外表與半導體外表與MISMIS構造構造半導體物理學半導體器件半導體器件半導體的純度和構造半導體的純度和構造 純度純度 極高，雜質(zhì)極高，雜質(zhì)1013cm-3 構造構造半導體器件半導體器件晶體構造晶體構造 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造的最小單元晶體構造的最小單元注：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體器件半導體器件晶體構造晶體構造 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、 面立方面立方半導體器件半導體器件金剛石晶體構造金剛石晶體構造金剛石構造金剛石構造原子結合形式：共價鍵原子結合形式：共價鍵形成的晶體構造：形成的晶體構造： 構成一個正四構成一個正四面體，具有面體，具有 金金 剛剛 石石 晶晶 體體 結結 構構半導體器件半導體器件半半 導導 體體 有有: 元元 素素 半半 導導 體體 如如Si、Ge 金剛石晶體構造金剛石晶體構造半導體器件半導體器件半半 導導 體體 有有: 化化 合合 物物 半半 導導 體體 如如GaAs、InP

6、、ZnS閃鋅礦晶體構造閃鋅礦晶體構造金剛石型 閃鋅礦型半導體器件半導體器件練習練習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、按半導體構造來分，應用最為廣泛的是、按半導體構造來分，應用最為廣泛的是 。3、寫出三種立方單胞的名稱，并分別計算、寫出三種立方單胞的名稱，并分別計算單胞中所含的原子數(shù)。單胞中所含的原子數(shù)。4、計算金剛石型單胞中的原子數(shù)。、計算金剛石型單胞中的原子數(shù)。半導體器件半導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； 共有化運動共有化運動半導體器件半導體器件+14 電子的能級是量子化的n=3n=3四個電子

7、四個電子n=2n=28 8個電子個電子n=1n=12 2個電子個電子SiHSi原子的能級原子的能級半導體器件半導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個原子能級的分裂個原子能級的分裂 半導體器件半導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 半導體器件半導體器件Si的能帶的能帶 價帶、導帶和帶隙價帶、導帶和帶隙半導體器件半導體器件價帶：價帶：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帶：導帶：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：導帶底與價帶頂之間的能量差帶隙：導帶底

8、與價帶頂之間的能量差半導體的能帶構造半導體的能帶構造半導體器件半導體器件自由電子的運動自由電子的運動 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半導體器件半導體器件半導體中電子的運動半導體中電子的運動 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)半導體器件半導體器件固體材料分成：固體材料分成：超導體、導體、半導體、絕緣體超導體、導體、半導體、絕緣體固體材料的

9、能帶圖固體材料的能帶圖半導體器件半導體器件半導體、絕緣體和導體半導體、絕緣體和導體半導體器件半導體器件半導體的能帶半導體的能帶 本征激發(fā)本征激發(fā) 半導體器件半導體器件練習練習1、什么是共有化運動？、什么是共有化運動？2、畫出、畫出Si原子構造圖畫出原子構造圖畫出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、分別表達半導體與金屬和絕緣體在導電過程中、分別表達半導體與金屬和絕

10、緣體在導電過程中的差異。的差異。半導體器件半導體器件半導體中半導體中EK與與K的關系的關系 在導帶底部，波數(shù)在導帶底部，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半導體器件半導體器件半導體中半導體中EK與與K的關系的關系22021( )(0)()2kd EE kEkdk令令 代入上式得代入上式得2022*11()knd Edkm22*( )(0)2nkE kEm半導體器件半導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半導體器件半導體器件半導體中電子的平均速度半導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半導體器件半導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半導體器件半導體器件半導體中電子的加速度半導體中電子的加

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

13、時還受半導體內(nèi)部勢場的作用部勢場的作用 意義：有效質(zhì)量概括了半導體內(nèi)部勢場的意義：有效質(zhì)量概括了半導體內(nèi)部勢場的作用，使得研究半導體中電子的運動規(guī)律作用，使得研究半導體中電子的運動規(guī)律時更為簡便有效質(zhì)量可由試驗測定時更為簡便有效質(zhì)量可由試驗測定半導體器件半導體器件空穴空穴 只有非滿帶電子才可導電只有非滿帶電子才可導電 導帶電子和價帶空穴具有導電特性；電子導帶電子和價帶空穴具有導電特性；電子帶負電帶負電-q導帶底，空穴帶正電導帶底，空穴帶正電+q價價帶頂帶頂半導體器件半導體器件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 導帶底附近導帶底附近價帶頂附近價帶頂附近半導體器件半導體器件K空間等能面空間等能面 以以 、 、 為坐標軸構成為坐標軸構成 空間，空間， 空間空間任一矢量代表波矢任一矢量代表波矢 導帶底附近導帶底附近xk2222xyzkkkkykzkkkk2222*( )(0)()2xyznE kEkkkm半導體器件半導體器件K空間等能面空間等能面 對應于某一對應于某一 值，有許多組不同的值，有許多組不同的 ，這些組構成一個封閉面，這些組構成一個封閉面，在著個面上能量值為一恒值，這個面稱在著個面上能量值為一恒值，這個面稱為等能量面，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半導體器件半導體器件 半導體中的電子狀態(tài)半導體中的電子狀態(tài) 半導體中雜質(zhì)和缺陷能級半導體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導體中載流子的統(tǒng)計分布半導體中載流子的統(tǒng)計分布 半導體的導電性半導體的導電性 非平衡載流子非平衡載流子 pnpn結結 金屬和半導體的接觸金屬和半導體的接觸 半導體外表與半導體外表與MISMIS構造構造半導體物理學半導體器件半導體器件與理想情況的偏離與理想情況的偏離 晶格原子是振動的晶格原子是振動的 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 點缺陷空位、間隙原子點缺陷空位、間隙原子 線缺陷位錯

16、線缺陷位錯 面缺陷層錯面缺陷層錯半導體器件半導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，會對半導體材料極微量的雜質(zhì)和缺陷，會對半導體材料的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響，同時也嚴重影響半導體器件的質(zhì)量。響，同時也嚴重影響半導體器件的質(zhì)量。1個個B原子原子/ 個個Si原子原子 在室溫下電導率提高在室溫下電導率提高 倍倍Si單晶位錯密度要求低于單晶位錯密度要求低于5103103210 cm半導體器件半導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 理論分析認為，雜質(zhì)和缺陷的存在使得理論分析認為，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，從而使半導體允許電子在禁帶中存在，從而使半導體的性質(zhì)發(fā)生改變。的性質(zhì)發(fā)生改變。半導體器件半導體器件硅、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半導體器件半導體器件間隙式雜質(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處，雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點處，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)原子的大小和價電子殼層構替位式雜質(zhì)原子的大小和價電子殼層構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)。半導體器件半導體器件間隙式雜質(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)濃度半導體器件半導體器件練習練習1、實際情況下、實際情況下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、實際情況的半導體材料與理想的半導體材料有、實際情況的半導體材料與理想的半導體材料有何不同？何不同？3、雜質(zhì)和缺陷是如何影響半導體的特性的？、雜質(zhì)和缺陷是如何影響半導體的特性的？半導體器件半導體器件施主施主：摻入在半導體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導體中提供導電的電子，：摻入在半導體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導體中

20、提供導電的電子， 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型半導體型半導體As半導體的摻雜半導體的摻雜DEDECEVE施主能級施主能級半導體器件半導體器件受主受主：摻入在半導體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導體中提供導電的空穴，：摻入在半導體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導體中提供導電的空穴， 并成為帶負電的離子。如并成為帶負電的離子。如SiSi中的中的B BP型半導體型半導體B半導體的摻雜半導體的摻雜CEVEAEAE受主能級受主能級半導體器件半導體器件半導體的摻雜半導體的摻雜 、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；受主能級比價帶頂高級；受主能級比價帶頂高 ，施主能級，施主能級比導帶底低比導帶底低 ，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)。當處于離化態(tài)時，施主雜質(zhì)向導帶提供當處于離化態(tài)時，施主雜質(zhì)向導帶提供電子成為正電中心；受主雜質(zhì)向價帶提電子成為正電中心；受主雜質(zhì)向價帶提供空穴成為負電中心。供空穴成為負電中心。AEDE半導體器件半導體器件 半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，且且 。DANNDANNN型半導體型半導體N型半導體型

22、半導體半導體器件半導體器件 半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，且且 。ADNNADNNP型半導體型半導體P型半導體型半導體半導體器件半導體器件雜質(zhì)的補償作用雜質(zhì)的補償作用 半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)時，半導體是時，半導體是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 半導體中凈雜質(zhì)濃度稱為有效雜質(zhì)半導體中凈雜質(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)的高度補償雜質(zhì)的高度補償 ADNN半導體器件半導體器件點缺陷點缺陷 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缺陷受溫度影間隙原子和空位這兩種點缺陷受溫度影響較大，為熱缺陷，它們不斷產(chǎn)生和復響較大，為熱缺陷，它們不斷產(chǎn)生和復合，直至到達動態(tài)平衡，總是同時存在合，直至到達動態(tài)平衡，總是同時存在的。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體器件半導體器件點缺陷點缺陷 替位原子化合物半導體替位原子化合物半導體半導體器件半導體器件位錯位錯 位錯是半導體中的一種缺陷，它嚴重影位錯是半導體中的一種缺陷，它嚴重影響材料和器件的性能。響材料和器件的性能。半導體器件半

24、導體器件位錯位錯施主情況施主情況 受主情況受主情況半導體器件半導體器件練習練習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)向價帶提供空穴成為正電中心。、受主雜質(zhì)向價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。半導體器件半導體器件 半導體中的電子狀態(tài)半導體中的電子狀態(tài) 半導體中雜質(zhì)和缺陷能級半導體中雜質(zhì)和缺陷能

25、級 半導體中載流子的統(tǒng)計分布半導體中載流子的統(tǒng)計分布 半導體的導電性半導體的導電性 非平衡載流子非平衡載流子 pnpn結結 金屬和半導體的接觸金屬和半導體的接觸 半導體外表與半導體外表與MISMIS構造構造半導體物理學半導體器件半導體器件熱平衡狀態(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)生和和載流子的復載流子的復合合建立起一動態(tài)平衡，這時的載流子稱為建立起一動態(tài)平衡，這時的載流子稱為熱熱平衡載流子平衡載流子。 半導體的熱平衡狀態(tài)受半導體的熱平衡狀態(tài)受溫度溫度影響，某一特定影響，某一特定溫度對應某一特定的熱平衡狀態(tài)。溫度對應某一特定的熱平衡狀態(tài)。 半導體的半導體的導電性導電

26、性受受溫度溫度影響劇烈。影響劇烈。半導體器件半導體器件態(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 個量子態(tài)，那么狀態(tài)密度個量子態(tài)，那么狀態(tài)密度 為為( )g EEEdE（）zd( )dzg EdEE半導體器件半導體器件態(tài)密度的計算態(tài)密度的計算 狀態(tài)密度的計算狀態(tài)密度的計算單位單位 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的體積應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半導體器件半導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 ，每個量子態(tài)最多只能容納，每個量子態(tài)最多只能容納一個電子一個電子。2(0, 1, 2,2(0, 1, 2,2(0, 1, 2,xxxyyyzzznknLnknLnknL ）3/ 8V（）kk3/ 4V（）半導體器件半導體器件態(tài)密度態(tài)密度 導帶底附近狀態(tài)密度理想情況導帶底附近狀態(tài)密度理想情況22*( )2CnkE kEm2344Vdzk dk*2nm dEkdk * 3/21/

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

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

30、據(jù)的一個界限子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限 當當 時時 假設假設 ，那么，那么 假設假設 ，那么，那么 假設假設 ，那么，那么 費米能級是量子態(tài)根本上被費米能級是量子態(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 個標志個標志FEE( )1f E FEE( )0f E 01( )1FE Ek Tf EeFE0TK0TKFEEFEEFEE( )1/2f E ( )1/2f E ( )1/2f E 半導體器件半導體器件玻爾茲曼分布函數(shù)玻爾茲曼分布函數(shù) 當當 時時，由于，由于 ，所以所以費米分布函數(shù)轉化為費米分布函數(shù)轉化為 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半導體器件半導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半導體器件半導體器件玻爾茲曼分布函數(shù)玻爾茲曼分布函數(shù) 導帶中電子分布可用電子的玻爾茲曼分布函數(shù)導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)電子分布在導帶底；價帶中描寫絕大

32、多數(shù)電子分布在導帶底；價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)空穴分布在價帶頂絕大多數(shù)空穴分布在價帶頂 服從費米統(tǒng)計律的電子系統(tǒng)稱為簡并性系統(tǒng)；服從費米統(tǒng)計律的電子系統(tǒng)稱為簡并性系統(tǒng)；服從玻爾茲曼統(tǒng)計律的電子系統(tǒng)稱為非簡并性服從玻爾茲曼統(tǒng)計律的電子系統(tǒng)稱為非簡并性系統(tǒng)系統(tǒng) 費米統(tǒng)計律與玻爾茲曼統(tǒng)計律的主要差異：前費米統(tǒng)計律與玻爾茲曼統(tǒng)計律的主要差異：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體器件半導體器件練習練習1、空穴占據(jù)費米能級的概率在各種溫度下總是、空穴占據(jù)費米能級的概率在各種溫度下總是1/2。 2、費米能級位置較高，說

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

34、E dE( )( )cf E g E dE0n0n( )( )BcdNfE g E dE半導體器件半導體器件導帶中的電子濃度導帶中的電子濃度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半導體器件半導體器件導帶中的電子濃度導帶中的電子濃度0*3/2003/23(2)4cFEk TnEmek Tn500TK1/

35、0.04323x 1 2eV0n1/202xxe dx 導帶寬度的典型值一般導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 并不影響結果。由此可得并不影響結果。由此可得導帶中電子濃度為導帶中電子濃度為00.043k TK00cFEEk TCnN e半導體器件半導體器件價帶中的空穴濃度價帶中的空穴濃度0*3/203/023(2)4VFEEpk Tm k Tpe0n 同理得價帶中的空穴濃度同理得價帶中的空穴濃度00VFEEk TVpN e半導體器件半導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 同理得價帶中的空穴濃度同理得價帶中的空穴濃度 熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導體中，在一定熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導體中，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，空穴濃度就會減??；反之亦然濃度增大，空穴濃度就會減??；反之亦然00n p半導體器件半導體器件本征半導體載流子濃度本征半導體載流子濃度00np 本征半導體本征半導體無任何雜質(zhì)和缺陷的半導體無任何雜質(zhì)和缺陷的半導體半導體器件半導體器件本征費米能級本征費米能級00np00CFFVEEEEk Tk TCVN eN e0ln22CVViFCEEk TNEEN

37、*0*3ln24pCViFnmEEk TEEm半導體器件半導體器件本征載流子濃度本征載流子濃度00np021/200()gEk TiCVnnpN Ne200in pn既適用于本征半導體，也既適用于本征半導體，也適用于非簡并的雜志半導體適用于非簡并的雜志半導體半導體器件半導體器件雜質(zhì)半導體載流子濃度雜質(zhì)半導體載流子濃度0121( )1FDDEk TEfEe 一個能級能容納自旋方向相反的兩個電子一個能級能容納自旋方向相反的兩個電子 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 被一個有任一自旋方向的電子占據(jù)被一個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半導體器件半導體器件雜質(zhì)半導體載流子濃度雜質(zhì)半導體載流子濃度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半導體器件半導體器件雜質(zhì)半導體載流子濃度雜質(zhì)半導體載流子濃度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半導體器件半導體器件n和p的其他變換公式 本征半導體

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

40、和半導體的接觸金屬和半導體的接觸 半導體外表與半導體外表與MISMIS構造構造半導體物理學半導體器件半導體器件載流子輸運載流子輸運 半導體中載流子的輸運有三種形式：漂移擴散產(chǎn)生和復合半導體器件半導體器件歐姆定律 金屬導體外加電壓 ，電流強度為 電流密度為VIRVlRsIJs1半導體器件半導體器件歐姆定律 均勻導體外加電壓 ，電場強度為 電流密度為 歐姆定律的微分形式VElVIJsJE半導體器件半導體器件漂移電流 漂移運動 當外加電壓時，導體內(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動定向運動的速度稱為漂移速度 電流密度 ddIqnv AJqnv 半導體器件半導體器件漂移速度 漂移速

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

42、并且凈電流為零 平均自由時間為psm1 . 0半導體器件半導體器件熱運動 當有外電場作用時，載流子既受電場力的作用，同時不斷發(fā)生散射 載流子在外電場的作用下為熱運動和漂移運動的疊加，因此電流密度是恒定的半導體器件半導體器件散射的原因 載流子在半導體內(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，并使得載流子的運動速度及方向均發(fā)生改變，發(fā)生散射行為。Vk半導體器件半導體器件電離雜質(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 代表單位時間內(nèi)一個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、導體器件半導體器件晶格振動的散射 格波 形成原子振動的根本波動 格波波矢 對應于某一q值的格波數(shù)目不定，一個晶體中格波的總數(shù)取決于原胞中所含的原子數(shù) Si、Ge半導體的原胞含有兩個原子，對應于每一個q就有六個不同的格波，頻率低的三個格波稱為聲學波，頻率高的三個為光學波 長聲學波聲波振動在散射前后電子能量根本不變，稱為彈性散射；光學波振動在散射前后電子能量有較大的改變，稱為非彈性散射1/q半導體器件半導體器件晶格振動的散射 聲學波散射在能帶具有單一極值的半導體中起主要散射作用的是長波在長聲學波中，只有縱波在散射中起主要作用，它會引起能帶的波形變化聲學波散射概率 光學波散射在低溫時不起作用，隨著溫

44、度的升高，光學波的散射概率迅速增大3/2sPT半導體器件半導體器件練習練習1、載流子的熱運動在半導體內(nèi)會構成電流。、載流子的熱運動在半導體內(nèi)會構成電流。 2、在半導體中，載流子的三種輸運方式為、在半導體中，載流子的三種輸運方式為 、 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 兩種運動的疊加，因此電流密度大小兩種運動的疊加，因此電流密度大小 。4、什么是散射、什么是散射 半導體器件半導體器件 與 的關系 N個電子以速度 沿某方向運動，在 時刻未遭到散射的電子數(shù)為 ，那么在 時間內(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半導體器件半導體器件 與 的關系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半導體器件半導體器件 與 的關系 在 時間內(nèi)被散射的所有電子的自由時間為 ，這些電子自由時間的總和為 ，那么 個電子的平均自由時間可表示為P0Nt ()ttdt0PttN ePdt000PttN ePdtN1P半導體器件半導體器件 、 與 的關系0*xxnqtm 平均漂移速度為0*000*() ()PtnxnnxqtN ePdtmNqm

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

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

48、呈非線性關系，并最終平均場的不斷增大，兩者呈非線性關系，并最終平均漂移速度到達一飽和值，不隨漂移速度到達一飽和值，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）半導體器件半導體器件耿氏效應 耿氏效應耿氏效應n-GaAsn-GaAs外加電場強度超過外加電場強度超過 時，半導體內(nèi)時，半導體內(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半導體器件半導體器件練習練習一、判斷

49、一、判斷1、在半導體中，原子最外層電子的共有化運動、在半導體中，原子最外層電子的共有化運動最顯著。最顯著。 2、不同的、不同的k值可標志自由電子的不同狀態(tài)，但它值可標志自由電子的不同狀態(tài)，但它不可標志晶體中電子的共有化狀態(tài)。不可標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、半導體中兩種載流子數(shù)目一樣的為高純半導、半導體中兩種載流子數(shù)目一樣的為高純半導體。體。 半導體器件半導體器件練習練習二、填空二、填空1、半導體材料構造可分為、半導體材料構造可分為 、 、 ，應用最為廣泛的是應用最為廣泛的是 。2、金剛石型單胞

50、的根底構造為、金剛石型單胞的根底構造為 ，金剛石型，金剛石型為為 對稱性，閃鋅礦型構造為對稱性，閃鋅礦型構造為 對稱性，對稱性，纖鋅礦型為纖鋅礦型為 對稱性。對稱性。3、導帶和價帶間間隙稱為、導帶和價帶間間隙稱為 ，Si的禁帶寬度為的禁帶寬度為 ，Ge為為 ，GaAs為為 。4、固體按其導電性可分為、固體按其導電性可分為 、 、 。半導體器件半導體器件練習練習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，能級、熱平衡時，能級E處的空穴濃度為處的空穴濃度為 。8 、在半導體中，載流子的三種輸運方式為、在半導體中，載流子的三種輸運方式為 、 和和 。半導體器件半導體器件練習練習1( )f E15310DNcm17310ANcm三、簡答三、簡答1、單胞的概念及兩大注意點？、單胞的概念及兩大注意點？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、費米分布函數(shù)與玻耳茲曼分布函數(shù)的最大區(qū)別？、費米分布函數(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，為什么半導體內(nèi)載流子的作用下，為

52、什么半導體內(nèi)載流子的漂移電流恒定，試從載流子的運動角度說明。漂移電流恒定，試從載流子的運動角度說明。7、在室溫下，熱平衡時，、在室溫下，熱平衡時，Si半導體中半導體中 ， ，求半導體中的電子和空穴濃度。，求半導體中的電子和空穴濃度。半導體器件半導體器件 半導體中的電子狀態(tài)半導體中的電子狀態(tài) 半導體中雜質(zhì)和缺陷能級半導體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導體中載流子的統(tǒng)計分布半導體中載流子的統(tǒng)計分布 半導體的導電性半導體的導電性 非平衡載流子非平衡載流子 pnpn結結 金屬和半導體的接觸金屬和半導體的接觸 半導體外表與半導體外表與MISMIS構造構造半導體物理學半導體器件半導體器件平衡載流子 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體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式非簡并半導體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式只受溫度T影響半導體器件半導體器件由于受外界因素如光、電的作用，半導體中載流子的由于受外界因素如光、電的作用，半導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體器件半導體器件平衡載流子滿足費米狄拉克統(tǒng)計分布平衡載流子滿足費米狄拉克統(tǒng)計分布過剩載流子不滿足費米狄拉克統(tǒng)計分布過剩載流子不滿足費米狄拉

54、克統(tǒng)計分布2innp 且公式且公式不成立不成立載流子的產(chǎn)生和復合：電子和空穴增加和消失的過程載流子的產(chǎn)生和復合：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體器件半導體器件過剩載流子和電中性平衡時平衡時 過剩載流子過剩載流子電中性：電中性：半導體器件半導體器件小注入條件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的多數(shù)載流子濃度小的多比平衡時的多數(shù)載流子濃度小的多N型材料型材料P型材料型材料半導體器件半導體器件小注入條件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)載流子半導體器件半導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 ，如果光突然關閉，如

56、果光突然關閉， 和和 將隨時間逐漸衰減直至將隨時間逐漸衰減直至0 0，衰減的時間常數(shù)，衰減的時間常數(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 單位時間內(nèi)非平衡載流子的復合概率單位時間內(nèi)非平衡載流子的復合概率 非平衡載流子的復合率非平衡載流子的復合率1/npnp/p半導體器件半導體器件復合復合pd ppdt t0( )()tp tp e n型材料中的空穴型材料中的空穴當當 時，時， ，故壽命標志著非平衡載，故壽命標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)歷的時間；壽命越短，衰所經(jīng)歷的時間；壽命越短，衰減越快減越快0( )() /ppe 半導體器

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

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

59、： 兩種載流子的準費米能級偏離的情況反兩種載流子的準費米能級偏離的情況反映了半導體偏離熱平衡狀態(tài)的程度映了半導體偏離熱平衡狀態(tài)的程度FnEFpEFE半導體器件半導體器件產(chǎn)生和復合產(chǎn)生和復合 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：單位時間單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電：單位時間單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電子子空穴對數(shù)空穴對數(shù) 復合復合 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 復合率復合率R：單位時間單位體積內(nèi)復合掉的電：單位時間單位體積內(nèi)復合掉的電子子空穴對數(shù)空穴對數(shù) 產(chǎn)生和復合會改變載流子的濃度，從而間接地影產(chǎn)生和復合會改變載流子的濃度，從而間接地影響

60、電流響電流半導體器件半導體器件復合復合直接復合 間接復合 Auger復合Rrnp禁帶寬度小的半導體材料禁帶寬度小的半導體材料窄禁帶半導體窄禁帶半導體及高溫情況下及高溫情況下具有深能級雜質(zhì)的半導體材具有深能級雜質(zhì)的半導體材料料半導體器件半導體器件產(chǎn)生產(chǎn)生直接產(chǎn)生 R-G中心產(chǎn)生 載流子產(chǎn)生 與碰撞電離半導體器件半導體器件練習練習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、壽命標志著非平衡載流子濃度減小到原、壽命標志著非平衡載流子濃度減小到原值的值的 所經(jīng)歷的時間。所經(jīng)歷的時間。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型半導體中，型半導體中， 和和 哪個距哪個距 近？為什么？近？為什么？FE半導體器件半導體器件陷阱效應陷阱效應 當半導體處于非平衡態(tài)時，雜質(zhì)能級具有當半導體處于非平衡態(tài)時，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陷阱效應所有雜質(zhì)能級都具有陷阱效應所有雜質(zhì)能級都具有陷阱效應具有顯著陷阱效應的雜質(zhì)能級稱為具有顯著陷阱效應的雜質(zhì)能級稱為陷阱陷阱；相應；相應的雜質(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)能級與平衡時的費米能級重合時，最有利雜質(zhì)能級與平衡時的費米能級重合時，最有利于陷阱作用

62、于陷阱作用半導體器件半導體器件擴散 粒子從高濃度向低濃度區(qū)域運動粒子從高濃度向低濃度區(qū)域運動半導體器件半導體器件擴散電流半導體器件半導體器件半導體內(nèi)總電流 擴散+漂移半導體器件半導體器件擴散系數(shù)和遷移率的關系擴散系數(shù)和遷移率的關系 考慮非均勻半導體半導體器件半導體器件愛因斯坦關系愛因斯坦關系 在平衡態(tài)時，凈電流為0nnnnnnnqkTDkTqDqnqndxdnqDqnJ00qkTndxdnppqkTD半導體器件半導體器件連續(xù)性方程連續(xù)性方程22()1PPJpDqxx擴()1PPPJppqxxx 漂22PPPPppppDpgtxxx 半導體器件半導體器件舉例 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半導體器件半導體器件 半導體中的電子狀態(tài)半導體中的電子狀態(tài) 半導體中雜質(zhì)和缺陷能級半導體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導體中載流子的統(tǒng)計分布半導體中載流子的統(tǒng)計分布 半導體的導電性半導體的導電性 非平衡載流子非平衡載流子 pnpn結結 金屬和半導體的接觸金屬和半導體的接觸 半導體外表與半導體外表與MISMIS構造構造半導體物理學半導體器件半導體器件PN結雜質(zhì)分布結雜質(zhì)分布 PNPN結是同一塊半導體晶體內(nèi)結是同一塊半導體晶體內(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結是各種半導體器件的根底，了解它的工作原結是各種

64、半導體器件的根底，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 擴散法擴散法半導體器件半導體器件PN結雜質(zhì)分布結雜質(zhì)分布 下面兩種分布在實際器件中最常見也最容易進展物理分析 突變結突變結: 線性緩變結線性緩變結:淺結、重摻雜淺結、重摻雜3um 或外延的或外延的PN結結半導體器件半導體器件PN結的形成結的形成半導體器件半導體器件PN結中的能帶 PN半導體器件半導體器件內(nèi)建電勢內(nèi)建電勢半導體器件半導體器件內(nèi)建電勢內(nèi)建電勢PNPN結的內(nèi)建電結的內(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、及工作溫度半導體器件半導體器件能帶能帶內(nèi)建電勢內(nèi)建電勢電場電場半導體器件半導體器件VA 0條件下的突變結條件下的突變結 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，使耗盡時，使耗盡區(qū)勢壘下降，反之上升。即耗盡區(qū)兩側電壓為區(qū)勢壘下降，反之上升。即耗盡區(qū)兩側電壓為V Vbibi-V-VA A半導體器件半導體器件反偏反偏PN結結 反偏電壓能改變耗盡區(qū)寬度嗎？半導體器件半導體器件準費米能級半導體器件半導體器件理想二極管方程 PN結正偏時半導體器件半導體器件理想二極管方程 PN結反偏時半導體器件半導體器件定量方程 根本假設 P型區(qū)及N型區(qū)摻雜均勻分布，是突變結。 電

66、中性區(qū)寬度遠大于擴散長度。 冶金結為面積足夠大的平面，不考慮邊緣效應，載流子在PN結中一維流動。 空間電荷區(qū)寬度遠小于少子擴散長度, 不考慮空間電荷區(qū)的產(chǎn)生復合作用。 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。半導體器件半導體器件準中性區(qū)的載流子運動情況準中性區(qū)的載流子運動情況 穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)態(tài)時, 假設假設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半導體器件半導體器件邊界條件 歐姆接觸邊界 耗盡層邊界(pn結定律)0)(0)(xpxnnpkTqVikTFFiAPNenennp/22半導體器件半導體器件耗盡層邊界耗盡層邊界 P型一側型一側PN)(ppxn)(nnxpkTqVAipkTqViApppAAeNnxnenNxnxpxn/2/2)()()()(1)(/2kTqVAippAeNnxn半導體器件半導體器件耗盡層邊界耗盡層邊界(續(xù)續(xù)) N型一側1)(/2kTqVDinnAeNnxp耗盡層邊界處非平衡載流子濃度與外加電壓有關半導體器件半導體器件準中性區(qū)載流子濃度準中性區(qū)載流子濃