半導(dǎo)體物理學(xué) 劉恩科 第七PPT課件

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1、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 第1頁/共222頁 課程考核辦法 : 本課采用開卷筆試的考核辦法。 總評(píng)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)第2頁/共222頁一一 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)二二 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三 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)分布四四 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五 非平衡載流子非平衡載流子六六 pn結(jié)結(jié)七七 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八 半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)

2、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)半導(dǎo)體物理學(xué)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)簡介:半導(dǎo)體概要第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？半導(dǎo)體及其基本特性第6頁/共222頁第7頁/共222頁一一 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體

3、中的電子狀態(tài)二二 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三 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)分布四四 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五 非平衡載流子非平衡載流子六六 pn結(jié)結(jié)七七 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八 半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)第8頁/共222頁半導(dǎo)體的純度和結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的純度和結(jié)構(gòu) 純度純度 極高，雜質(zhì)1013cm-3 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第9頁/共222頁晶體結(jié)構(gòu) 單胞 對(duì)于任何給定的晶體，可以用來形成其晶體結(jié)構(gòu)對(duì)于任何給定的晶體，可以用來形成其晶體結(jié)構(gòu)的最小單元的最小單元注：（a）單胞無需是唯一的 （ b）單胞無需是基本的第10頁/共22

4、2頁晶體結(jié)構(gòu) 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 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

5、單胞中的原子數(shù)。第15頁/共222頁原子的能級(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)第16頁/共222頁+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=12個(gè)電子SiHSi原子的能級(jí)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Si的能帶 （價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙第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

6、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、絕緣體固體材料的能帶圖第24頁/共222頁半導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體第25頁/共222頁半導(dǎo)體的能帶 本征激發(fā) 第26頁/共222頁練習(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

7、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*( )(0)2nkE kEm第29頁/共222頁自由

8、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 在周期性勢場內(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的外加電場作用下，外力對(duì)電子做功為電子能量的變化dEfdsfudt1 dEudkf dEdEdtd

9、kdkfdt 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）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（價(jià)帶頂）第36頁/共222頁K空間等能面 在k=0處

10、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，簡稱等能面。 等能面為一球面（理想）( )E k(,)xyzk kk2222*( )(0)()2xyznE kEkkkm第39頁/共222頁一一 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中

11、的電子狀態(tài)二二 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三 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)分布四四 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五 非平衡載流子非平衡載流子六六 pn結(jié)結(jié)七七 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八 半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)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

12、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。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)

13、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

14、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DEDECEVE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)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CEVEAEAE受主能級(jí)第49頁/共222頁半導(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?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

15、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頁點(diǎn)缺陷 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

16、用；間隙原子表現(xiàn)為施主作用第54頁/共222頁點(diǎn)缺陷 替位原子（化合物半導(dǎo)體）第55頁/共222頁位錯(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。第56頁/共222頁位錯(cuò)施主情況 受主情況第57頁/共222頁練習(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（ ）。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頁一一 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)二二 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三

17、 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)分布四四 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五 非平衡載流子非平衡載流子六六 pn結(jié)結(jié)七七 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八 半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)第59頁/共222頁熱平衡狀態(tài) 在一定溫度下，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(duì)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。第60頁/共222頁態(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 E

18、EEdE（）zd( )dzg EdEE第61頁/共222頁態(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(duì)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 EEEdE（）kdzk第62頁/共222頁空間中的量子態(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(0, 1, 2,2(0, 1, 2,xxxyyyzzznknLnknLnknL ）3/ 8V（）kk3/ 4V（）第63頁/共222頁態(tài)密度 導(dǎo)帶底附近狀態(tài)密度（理想情況）22*( )2CnkE kEm2344

19、Vdzk dk*2nm dEkdk * 3/21/223(2)()2nCmVdzEEdE第64頁/共222頁態(tài)密度* 3/21/223(2)( )()2ncCmdzVgEEEdE* 3/21/223(2)( )()2pvvmdzVgEEEdE（導(dǎo)帶底）（價(jià)帶頂）第65頁/共222頁練習(xí)1、推導(dǎo)價(jià)帶頂附近狀態(tài)密度( )vgE第66頁/共222頁費(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(duì)于能量為E 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 E01( )1FE Ek Tf Ee( )f E1( )f E第67頁/共222

20、頁費(fèi)米分布函數(shù) 稱為費(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()iif EN()FTdFEdN第68頁/共222頁費(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 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頁玻爾茲曼分布函數(shù)

21、 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)0FEEk T0exp()1FEEk T001 exp()exp()FFEEEEk Tk T0000exp()exp()exp( )exp)()(BFFEEEEk TkEfEAk TTk T( )BfE第70頁/共222頁玻爾茲曼分布函數(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第71頁/共222頁玻爾茲曼分布函數(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

22、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） 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第72頁/共222頁練習(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)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(duì) 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

23、中的電子濃度 EEdE（）( )( )cf E g E dE( )( )cf E g E dE0n0n( )( )BcdNfE g E dE第74頁/共222頁導(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第75頁/共222頁導(dǎo)帶中的電子濃度0*3/2003/23(2)4cFEk TnEmek

24、 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00VFEEk TVpN e第77頁/共222頁載流子濃度乘積0000gCVEEEk 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)下的非簡并半導(dǎo)體中，在

25、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?。环粗嗳?0n p第78頁/共222頁本征半導(dǎo)體載流子濃度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頁本征費(fèi)米能級(jí)00np00CFFVEEEEk Tk TCVN eN e0ln22CVViFCEEk TNEEN*0*3ln24pCViFnmEEk TEEm第80頁/共222頁本征載流子濃度00np021/200()gEk TiCVnnpN Ne200in pn（既適用于本征半導(dǎo)體，也適用于非簡并的雜志半導(dǎo)體）第81頁/共222頁雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度0121( )1FDDEk TEfEe 一個(gè)能級(jí)能容納自旋方向

26、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頁雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度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頁雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度01( )12DFDDDDDDEEk TNnNnNfEe 電離施主濃度 電離受主濃度01( )12FAAAAAAAEEk TNpNnNfEe第84頁/共222頁n和p的其他變換公式 本征半導(dǎo)體時(shí)， kTEEikT

27、EEiFiiFenpenn/ )(/ )(inpnkTEEVikTEECiiCCieNneNn/ )(/ )(kTEEiVkTEEiCViiCenNenN/ )(/ )(第85頁/共222頁費(fèi)米能級(jí) 對(duì)摻雜半導(dǎo)體，iiFnnkTEEln第86頁/共222頁費(fèi)米能級(jí) 接近室溫時(shí)EF-Ei=kTln(ND/ni)第87頁/共222頁練習(xí)第88頁/共222頁一一 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)二二 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三 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)分布四四 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五 非平衡載流子非平衡載流子六六 pn結(jié)結(jié)七七 金屬和半導(dǎo)體的接

28、觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八 半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)第89頁/共222頁載流子輸運(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)合第90頁/共222頁歐姆定律 金屬導(dǎo)體外加電壓 ，電流強(qiáng)度為 電流密度為VIRVlRsIJs1第91頁/共222頁歐姆定律 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第92頁/共222頁漂移電流 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 第93頁/共222頁漂移速度 漂移速度 ()JEd

29、vEnq第94頁/共222頁半導(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第95頁/共222頁半導(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第96頁/共222頁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恒定不斷增大第97頁/共222頁熱運(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起 凈速度為零，并且凈電流為零

30、平均自由時(shí)間為psm1 . 0第98頁/共222頁熱運(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第99頁/共222頁散射的原因 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第100頁/共222頁電離雜質(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第101頁/共2

31、22頁晶格振動(dòng)的散射 格波 形成原子振動(dòng)的基本波動(dòng) 格波波矢 對(duì)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(duì)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第102頁/共222頁晶格振動(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

32、溫度的升高，光學(xué)波的散射概率迅速增大3/2sPT第103頁/共222頁練習(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?。?）。4、什么是散射 第104頁/共222頁 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 tPt( )N t ()ttt因此( )()N tN tt( )N t P t第105頁/共222頁 與 的關(guān)系0( )()( )limtdN tN ttN tdtt P

33、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 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 ()ttdt0PttN ePdt000PttN ePdtN1P第107頁/共222頁 、 與 的關(guān)系0*xxnqtm 平均漂移速度為0*000*() ()PtnxnnxqtN ePdtmNqm ()x*nnnqm*pppqm第108頁/共222頁 、 與 的關(guān)系 N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體np2*

34、nnnnnqnqmpninpn2*()pninpnqmm2*pppppqpqm第109頁/共222頁 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第110頁/共222頁 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第111頁/共222頁影響遷移率的因素 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第112頁/共222頁第113頁/共222頁 N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體11npnqpq1nnq1pnq1()inpnq電阻率第11

35、4頁/共222頁電阻率與摻雜的關(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第115頁/共222頁電阻率與溫度的關(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）第116頁/共222頁速度飽和 在低電場作用下，載流子在半導(dǎo)體中的平均漂在低電場作用下，載流子在半導(dǎo)體中的平均漂移速度移速度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，不隨終平均漂移

36、速度達(dá)到一飽和值，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）第117頁/共222頁耿氏效應(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)體時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的電流以內(nèi)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第118頁/共222頁練習(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。 （ ）2、不同的k值可標(biāo)志自由電子的不同狀

37、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（ ）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頁練習(xí)5、雜質(zhì)總共可分為兩大類（ ）和（ ），施主雜質(zhì)為（ ），受主

38、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頁練習(xí)1( )f E15310DNcm17310ANcm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

39、空穴濃度。第122頁/共222頁一一 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)二二 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三 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)分布四四 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五 非平衡載流子非平衡載流子六六 pn結(jié)結(jié)七七 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八 半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)第123頁/共222頁平衡載流子 在某以熱平衡狀態(tài)下的載流子稱為平衡載流在某以熱平衡狀態(tài)下的載流子稱為平衡載流子子 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）第124頁/共222頁由于受外界因素如光、電

40、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過剩載流子第126頁/共222頁過剩載流子和電中性平衡時(shí) 過剩載流子電中性：第127頁/共222頁小注入條件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頁小注入條件9310 /npcm14310 /,DNcm例：室溫下一受到

41、微擾的摻雜硅， 判斷其是否滿足小注入條件？1432630010 /,/10 /DiDnNcmpnNcm93143000,10 /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，衰減的時(shí)間常數(shù)稱為壽命數(shù)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

42、位時(shí)間內(nèi)非平衡載流子的復(fù)合概單位時(shí)間內(nèi)非平衡載流子的復(fù)合概率率 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第130頁/共222頁復(fù)合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頁費(fèi)米能級(jí)200in pn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0000CFFVEEk TCEEk TVnN epN e第132頁/共222頁準(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)，新的熱平衡狀態(tài)可通過熱躍遷實(shí)現(xiàn)，但導(dǎo)

43、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00000000CFnFnFFniFpVFFpiFpEEEEEEk Tk Tk TCiEEEEEEk Tk Tk TVinN en enepN ep eneFE第134頁/共222頁準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)00200FnFpFnFpEEEEk Tk Tinpn p en eCEVE 注： 兩種載流子的

44、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頁產(chǎn)生和復(fù)合 產(chǎn)生產(chǎn)生 電子和空穴（載流子）被創(chuàng)建的過程電子和空穴（載流子）被創(chuàng)建的過程 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(duì)數(shù)空穴對(duì)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)合掉的電子：單位時(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合掉的電子空穴對(duì)數(shù)空穴對(duì)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流第136頁/共222頁復(fù)合直接復(fù)合 間接復(fù)合 Aug

45、er復(fù)合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 與碰撞電離第138頁/共222頁練習(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小到原值的（ ）所經(jīng)歷的時(shí)間。3、簡述小注入條件4、處于非平衡態(tài)的p型半導(dǎo)體中， 和 哪個(gè)距 近？為什么？FE第139頁/共222頁陷阱效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體處于非平衡態(tài)時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)具有積累非平衡載流子的作用，即具有一定當(dāng)半導(dǎo)體處于非平衡態(tài)時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)具有積累非平衡載流子的作用，即具有一

46、定的的陷阱效應(yīng)陷阱效應(yīng) 所有雜質(zhì)能級(jí)都具有陷阱效應(yīng)所有雜質(zhì)能級(jí)都具有陷阱效應(yīng) 具有顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)稱為具有顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)稱為陷阱陷阱；相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷稱為；相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心陷阱中心 雜質(zhì)能級(jí)與平衡時(shí)的費(fèi)米能級(jí)重合時(shí)，最有利于陷阱作用雜質(zhì)能級(jí)與平衡時(shí)的費(fèi)米能級(jí)重合時(shí)，最有利于陷阱作用第140頁/共222頁擴(kuò)散 粒子從高濃度向低濃度區(qū)域運(yùn)動(dòng)第141頁/共222頁擴(kuò)散電流第142頁/共222頁半導(dǎo)體內(nèi)總電流 擴(kuò)散+漂移第143頁/共222頁擴(kuò)散系數(shù)和遷移率的關(guān)系 考慮非均勻半導(dǎo)體第144頁/共222頁愛因斯坦關(guān)系 在平衡態(tài)時(shí)，凈電流為0nnnnnnnqkTDkTqDqnqn

47、dxdnqDqnJ00qkTndxdnppqkTD第145頁/共222頁連續(xù)性方程22()1PPJpDqxx擴(kuò)()1PPPJppqxxx 漂22PPPPppppDpgtxxx 第146頁/共222頁舉例 摻雜濃度分別為(a) 和 的硅中的電子和空穴濃度？(b) 再摻雜 的Na又是多少？( ) 10310incm第147頁/共222頁一一 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)二二 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三 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)分布四四 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五 非平衡載流子非平衡載流子六六 pn結(jié)結(jié)七七 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸

48、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)半導(dǎo)體物理學(xué)第148頁/共222頁P(yáng)N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)之間型區(qū)之間的邊界的邊界 PNPN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，了解它的工作結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)，了解它的工作原理有助于更好地理解器件原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)散法第149頁/共222頁P(yáng)N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)行物理分析 突變結(jié): 線性緩變結(jié):淺結(jié)、重?fù)诫s（3um） 或外延的PN結(jié)第150頁/共222頁P(yáng)N結(jié)的形成第151頁/共222頁P(yáng)N結(jié)中

49、的能帶 PN第152頁/共222頁內(nèi)建電勢第153頁/共222頁內(nèi)建電勢PN結(jié)的內(nèi)建電勢決定于摻雜濃度ND、NA、材料禁帶寬度以及工作溫度第154頁/共222頁能帶內(nèi)建電勢電場第155頁/共222頁VA 0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)電壓盡區(qū)勢壘下降，反之上升。即耗盡區(qū)兩側(cè)電壓為為V Vbibi-V-VA A第156頁/共222頁反偏PN結(jié) 反偏電壓能改變耗盡區(qū)寬度嗎？第157頁/共222頁準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)第158頁/共222頁理想二極管方程 PN結(jié)正偏時(shí)第159頁/共222頁理想二

50、極管方程 PN結(jié)反偏時(shí)第160頁/共222頁定量方程 基本假設(shè)P P型區(qū)及型區(qū)及N N型區(qū)摻雜均勻分布，是突變結(jié)。型區(qū)摻雜均勻分布，是突變結(jié)。電中性區(qū)寬度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散長度。電中性區(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)，載流子在流子在PNPN結(jié)中一維流動(dòng)。結(jié)中一維流動(dòng)。空間電荷區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度空間電荷區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長度, , 不考慮空間不考慮空間電荷區(qū)的產(chǎn)生電荷區(qū)的產(chǎn)生復(fù)合作用。復(fù)合作用。P P型區(qū)和型區(qū)和N N型區(qū)的電阻率都足夠低，外加電壓全部降型區(qū)的電阻率都足夠低，外加電壓全部降落在過渡區(qū)上。落在過渡區(qū)上。第16

51、1頁/共222頁準(zhǔn)中性區(qū)的載流子運(yùn)動(dòng)情況 穩(wěn)態(tài)時(shí), 假設(shè)GL=0 邊界條件: 圖6.4 歐姆接觸邊界 耗盡層邊界npnnPpnppNxxpdxpdDxxndxndD.0.02222第162頁/共222頁邊界條件 歐姆接觸邊界 耗盡層邊界(pn結(jié)定律)0)(0)(xpxnnpkTqVikTFFiAPNenennp/22第163頁/共222頁耗盡層邊界 P型一側(cè)PN)(ppxn)(nnxpkTqVAipkTqViApppAAeNnxnenNxnxpxn/2/2)()()()(1)(/2kTqVAippAeNnxn第164頁/共222頁耗盡層邊界(續(xù)) N型一側(cè)1)(/2kTqVDinnAeNnxp

52、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頁準(zhǔn)中性區(qū)載流子濃度第166頁/共222頁理想二極管方程 求解過程 準(zhǔn)中性區(qū)少子擴(kuò)散方程 求Jp(xn) 求Jn(-xp) J= Jp(xn)+ Jn(-xp)第167頁/共222頁理想二極管方程(1) 新的坐標(biāo): 邊界條件:-xp xn0pnnppdxpdD220 xX1)0(0)(/2kTqVDinnAeNnxpxp第168頁/共222頁空穴電流 一般解PPPLxLxnDLeAeAxpPP,) (/ 2/ 1其中PAPALxkTqVDiPPnPPLxkTqVDineeNnLDqdxpdqDxJxeeNnxp/ /2/ /21)

53、(01) (第169頁/共222頁電子電流 P型側(cè)NANALxkTqVAiNNpNNLxkTqVAipeeNnLDqdxndqDxJxeeNnxn/ /2/ /21 ) (0 1) (第170頁/共222頁P(yáng)N結(jié)電流1)()(/22kTqVDiPPAiNNnPpNPNAeNnLDNnLDqAIxJxJAIII1/0kTqVAeII第171頁/共222頁P(yáng)N結(jié)電流與溫度的關(guān)系第172頁/共222頁與理想情況的偏差大注入效應(yīng)空間電荷區(qū)的復(fù)合第173頁/共222頁空間電荷區(qū)的產(chǎn)生與復(fù)合 正向有復(fù)合電流正向有復(fù)合電流 反向有產(chǎn)生電流反向有產(chǎn)生電流)()(112ppnnnnptndxtnqAInpiGR

54、GRxxGRnp第174頁/共222頁空間電荷區(qū)的產(chǎn)生與復(fù)合-1 反向偏置時(shí), 正向偏置時(shí), 計(jì)算比較復(fù)雜WqAnIiGR02kTqVipDpDFGRGRDIFFkTqVDIFFkTqViGRAAAenDNLIIandIIIeIIeWqAnI20202,12VA愈低，IR-G愈是起支配作用第175頁/共222頁VAVbi時(shí)的大電流現(xiàn)象 串聯(lián)電阻效應(yīng)kTIRVqkTqVsAJeIeII)(00q/kTLog(I)VA第176頁/共222頁VAVbi時(shí)的大電流現(xiàn)象-1 大注入效應(yīng)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)。pnnnodxdnnqkTdxdnnDdxdnqD

55、nqJnnnnnnBInnnBInn11第177頁/共222頁VAVbi時(shí)的大電流現(xiàn)象-2dxdpqDdxdnnqkTpqJnppnnpp1dxdpnpqDJdxdpdxdnnnnppnn1:, ,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VAVbi時(shí)的大電流現(xiàn)象-3kTqVNipDniAJnnnWxxnnWxxBIBIANnnNnneWnqADIpnqkTVVnxnqkTdxdxdnnqkTdxV2002ln2)(ln1VA越大, 電流上升變緩第179頁/共222頁反向擊穿 電流急劇增加 可逆 雪崩倍增

56、齊納過程 不可逆 熱擊穿第180頁/共222頁雪崩倍增第181頁/共222頁齊納過程 產(chǎn)生了隧穿效應(yīng)ELhEmPg324exp*隧道穿透幾率P：qEELg隧道長度:隧道擊穿: VB6Eg/q第182頁/共222頁P(yáng)N結(jié)二極管的等效電路 小信號(hào)加到PN結(jié)上+ -vaVA+ -PNRsGCGCjYtVvasin0第183頁/共222頁反向偏置結(jié)電容 也稱勢壘電容或過渡區(qū)電容第184頁/共222頁反向偏置結(jié)電容-1210211,)(2,biATTDADAAbisTpAnDtAbitttTVVCCNNNNVVqACxqANxqANQVVVdVdQC考慮突變結(jié)第185頁/共222頁反向偏置結(jié)電容-2 耗

57、盡近似下線性緩變結(jié)的空間電荷區(qū)電荷總量耗盡近似下線性緩變結(jié)的空間電荷區(qū)電荷總量2028mxmtxAqaAqaxdxQ123112 ()sTbiAqaCAVV3101BJATTVVCC第186頁/共222頁參數(shù)提取和雜質(zhì)分布 CV測量系統(tǒng)AbisDADATDADAAbisTVVANNNNqCNNNNVVqAC222121)(2VA1/C2Vbi第187頁/共222頁擴(kuò)散電容第188頁/共222頁擴(kuò)散電容-1 表現(xiàn)為電容形式11)(00kTqVpnpkTqVnpxnnAAnenqALQepqALdxxpqAQ1100kTqVpnkTqVnpDAAenLkTqqAepLkTqqAC第189頁/共22

58、2頁擴(kuò)散電容-2 擴(kuò)散電容與正向電流成正比pFDkTqVpnpFkTqVnpDIkTqCeLpqADIepLkTqqACAA1100第190頁/共222頁練習(xí)1、為什么pn結(jié)在反偏壓下有一小的飽和電流2、試分別描述勢壘電容和擴(kuò)散電容的由來第191頁/共222頁一一 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)二二 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三 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)分布四四 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五 非平衡載流子非平衡載流子六六 pn結(jié)結(jié)七七 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八 半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)第192頁/共22

59、2頁金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸 金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)第193頁/共222頁金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸 金屬和半導(dǎo)體的接觸第194頁/共222頁整流理論整流理論 金屬和N型半導(dǎo)體的接觸第195頁/共222頁擴(kuò)散理論擴(kuò)散理論 對(duì)于N型阻擋層，當(dāng)勢壘的寬度比電子的平均自由程大地多時(shí)，電子通過勢壘區(qū)要發(fā)生多次碰撞，這樣的阻擋層稱為厚阻擋層。 擴(kuò)散理論適用于厚阻擋driftdiffJJJ第196頁/共222頁肖特基勢壘二極管與二極管的比較肖特基勢壘二極管與二極管的比較 相同點(diǎn) 單向?qū)щ娦?不同點(diǎn) 正向?qū)〞r(shí)，pn結(jié)正向電流由少數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成，而肖特基勢壘二極管的正向電流由半導(dǎo)

60、體的多數(shù)載流子發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)直接進(jìn)入金屬形成，因此后者比前者具有更好的高頻特性 肖特基勢壘二極管的勢壘區(qū)只存在于半導(dǎo)體一側(cè) 肖特基勢壘二極管具有較低的導(dǎo)通電壓，一般為0.3V，pn結(jié)一般為0.7V第197頁/共222頁歐姆接觸歐姆接觸 歐姆接觸 不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，而且不會(huì)使半導(dǎo)體內(nèi)部的平衡載流子濃度發(fā)生顯著的改變，為非整流接觸 若 ，金屬和n型半導(dǎo)體接觸可形成反阻擋層； 時(shí)，金屬和p型半導(dǎo)體接觸也能形成反阻擋層，反阻擋層沒有整流作用，可實(shí)現(xiàn)歐姆接觸 實(shí)際生產(chǎn)中利用隧道效應(yīng)的原理，把半導(dǎo)體一側(cè)重?fù)诫s形成金屬n+n或金屬p+p結(jié)構(gòu)，從而得到理想的歐姆接觸msWWmsWW第198頁/共222頁一一

61、 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)二二 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三 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)分布四四 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五 非平衡載流子非平衡載流子六六 pn結(jié)結(jié)七七 金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八 半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)第199頁/共222頁MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第200頁/共222頁能帶圖第201頁/共222頁能帶圖-1 無偏壓時(shí)無偏壓時(shí)MOSMOS結(jié)構(gòu)中由結(jié)構(gòu)中由于功函數(shù)差引起的表面于功函數(shù)差引起的表面能帶彎曲能帶彎曲第202頁/共222頁第203頁/共222頁MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 理想情況 金屬與半導(dǎo)體間

62、功函數(shù)差為零 絕緣層內(nèi)沒有任何電荷且絕緣層完全不導(dǎo)電 絕緣體與半導(dǎo)體界面處不存在任何界面態(tài)第204頁/共222頁 積累第205頁/共222頁耗盡第206頁/共222頁耗盡-12/1222222)0()()(;2)()(0)(; 0)()()(;)()()(asssassasasasaaqNWWqNxxWqNxxWqNxWxWxdxxdxqNxxqNNnpqx（邊界條件）第207頁/共222頁 反型第208頁/共222頁反型-1 耗盡層電荷:第209頁/共222頁外加偏置第210頁/共222頁Qsss =0, Qs=0, =0, flat bands 0, accumulations 0, Qs

63、0, Qs2 F, Strong inversion)(ANnpq第211頁/共222頁MIS結(jié)構(gòu)的基本公式第212頁/共222頁MOS結(jié)構(gòu)的基本公式-1一一總電勢差總電勢差:第213頁/共222頁平帶第214頁/共222頁Flat Band VoltageVFB MS MS第215頁/共222頁MIS電容0 第216頁/共222頁MIS電容 電容的定義:第217頁/共222頁MIS電容-2 積累態(tài): 耗盡態(tài):0001oGoosooossKACCxC CCCK WCCK x第218頁/共222頁MIS電容-3 反型第219頁/共222頁實(shí)驗(yàn)結(jié)果第220頁/共222頁深耗盡 從耗盡掃描到反型時(shí), 需要少子第221頁/共222頁感謝您的觀看。第222頁/共222頁