第一章 能带和半导体基础知识PPT讲稿.ppt
第一章 能带和半导体基础知识第1页，共67页，编辑于2022年，星期二案例一：何为Schotty Barrier?第2页，共67页，编辑于2022年，星期二第3页，共67页，编辑于2022年，星期二案例二：何为Band gap?第4页，共67页，编辑于2022年，星期二第5页，共67页，编辑于2022年，星期二第6页，共67页，编辑于2022年，星期二案例三：I-V不过原点，实验数据如何让人相信？第7页，共67页，编辑于2022年，星期二案例四：四两拨千斤？关键参数提取如何让人信服？第8页，共67页，编辑于2022年，星期二主要内容第一章第一章 半导体中的电子状态半导体中的电子状态（2课时）课时）第二章第二章 半导体中的载流子输运（半导体中的载流子输运（1课时）课时）第三章第三章 半导体中的界面和接触（半导体中的界面和接触（3课时）课时）第四章第四章 MOS场效应晶体管（场效应晶体管（6课时）课时）第9页，共67页，编辑于2022年，星期二问题p为什么固态电子器件要用半导体做？p半导体中的导电能力从何而来？受什么影响？p如何定量描述半导体性质（电导）？第10页，共67页，编辑于2022年，星期二关键词汇半导体、能带、单电子近似、有效质量、禁带宽度、导带、价带、直接带隙、间接带隙、载流子、电子、空穴、杂质、n型半导体、p型半导体、能态密度、简并半导体、非简并半导体、费米分布、载流子浓度载流子迁移率、电导率、扩散系数、平均自由程、扩散漂移输运、霍尔效应、散射、声子、声学声子、光学声子、载流子产生和复合第11页，共67页，编辑于2022年，星期二第一章第一章 固体能带论电子的状态固体能带论电子的状态1.1 固体能带的形成1.2 能带论1.3 有效质量和有效质量近似1.4 导电电子和空穴1.5 杂质能级第12页，共67页，编辑于2022年，星期二1.1 固体中能带的形成固体和孤立原子在性质上的差别主要由外层电子状态的变化引起的第13页，共67页，编辑于2022年，星期二固体与孤立原子的差别H原子发射谱Fe原子发射谱ZnO的吸收谱光谱差别导电性的差别第14页，共67页，编辑于2022年，星期二几种典型固体的能带分析碱金属（1s）碱土金属（2s）体心立方材料（金刚石、硅、锗）第15页，共67页，编辑于2022年，星期二1.2 能带论晶体中的电子状态 布洛赫波E-k关系第16页，共67页，编辑于2022年，星期二晶体中的电子状态对固态系统严格求解量子力学方程是不可能的，必须采用近似描述能带论单电子近似：晶体中电子的运动是相互独立的，把其它电子对某一电子的相互作用简单看成叠加在原子实的周期势场上的等效平均，即，归结为一个固定电荷和与之相联系的附加电势分布。第17页，共67页，编辑于2022年，星期二布洛赫波(Bloch wave)第18页，共67页，编辑于2022年，星期二E-k关系对于无限晶体 k可以连续取值周期性中心对称性简并布里渊区直接带隙和间接带隙半导体第19页，共67页，编辑于2022年，星期二20 实际的晶体体积总是有限的。因此必须考虑边界条件。设一维晶体的原子数为N,它的线度为 L=Na,则布洛赫波函数 应满足如下条件此式称为周期性边界条件。周期性采用周期性边界条件以后，具有 N 个晶格点的晶体就相当于首尾衔接起来的圆环：在固体问题中，为了既考虑到晶体势场的周期性，又考虑到晶体是有限的，我们经常合理地采用周期性边界条件：第20页，共67页，编辑于2022年，星期二21由周期性边界条件可以推出:布洛赫波函数 的波数 k 只能取一些特定的分立值。aa周期性边界条件对波函数中的波数是有影响的。图 2 周期性边界条件示意图第21页，共67页，编辑于2022年，星期二22左边为右边为所以由周期性边界条件即周期性边界条件使 k 只能取分立值：证明如下:按照布洛赫定理：第22页，共67页，编辑于2022年，星期二23k 是代表电子状态的角波数,n 是代表电子状态的量子数。对于三维情形,电子状态由一组量子数(nx、ny、nz)来代表。它对应一组状态角波数（kx、ky、kz）。一个 对应电子的一个状态。第23页，共67页，编辑于2022年，星期二24我们以 为三个直角坐标轴，建立一个假想的空间。这个空间称为波矢空间、空间，或动量空间*。kx、ky、kz由于德布洛意关系 ，即 ，所以 空间也称为动量空间。注：在 空间中，电子的每个状态可以用一个状态点来表示，这个点的坐标是 空间第24页，共67页，编辑于2022年，星期二25kykx0-112-23-31-12-2-33上式告诉我们，沿 空间的每个坐标轴方向，电子的相邻两个状态点之间的距离都是 。图 3 表示二维 空间每个点所占的面积是 。因此，空间中每个状态点所占的体积为 。图 3 二维 空间 示意图第25页，共67页，编辑于2022年，星期二第26页，共67页，编辑于2022年，星期二几种典型半导体的能带结构GeSiGaAs直接带隙和间接带隙禁带宽度有效质量应变技术第27页，共67页，编辑于2022年，星期二禁带宽度随温度和杂质浓度变化第28页，共67页，编辑于2022年，星期二1.3 有效质量和有效质量近似有效质量等能面抛物线近似有效质量近似第29页，共67页，编辑于2022年，星期二1.4半导体中的载流子满带不导电导电电子空穴金属、半导体和绝缘体第30页，共67页，编辑于2022年，星期二金属、半导体和绝缘体第31页，共67页，编辑于2022年，星期二1.5 杂质能级 浅杂质能级（类氢能级）类氢模型深杂质能级重掺杂对能带的影响第32页，共67页，编辑于2022年，星期二浅杂质能级施主与受主第33页，共67页，编辑于2022年，星期二施主第34页，共67页，编辑于2022年，星期二受主第35页，共67页，编辑于2022年，星期二类氢模型氢原子类氢杂质第36页，共67页，编辑于2022年，星期二Table 1.3 Impurity ionization energy in silicon and germaniumImpurityIonization energy(eV)SiGeDonorsS0.0450.012As0.050.0127AcceptorsB0.0450.0104Al0.060.0102第37页，共67页，编辑于2022年，星期二深杂质能级VI杂质在IV晶体中，两次电离，两个深能级两性杂质：1、一种晶格形态；2、同一种杂质占据不同的位置。第38页，共67页，编辑于2022年，星期二重掺杂情形杂质带与主能带交叠禁带宽度降低第39页，共67页，编辑于2022年，星期二千古悬案：ZnO是否能够p型掺杂？为什么要热衷于ZnO的p型掺杂？第40页，共67页，编辑于2022年，星期二第41页，共67页，编辑于2022年，星期二第42页，共67页，编辑于2022年，星期二如何定量描述半导体的性质一载流子浓度第43页，共67页，编辑于2022年，星期二费米分布函数第44页，共67页，编辑于2022年，星期二其它分布函数Bose-Einstein 分布Maxwell-Boltzmann 分布第45页，共67页，编辑于2022年，星期二杂质能级的占有概率第46页，共67页，编辑于2022年，星期二能态密度三维：二维：一维第47页，共67页，编辑于2022年，星期二载流子浓度非简并近似：第48页，共67页，编辑于2022年，星期二导带（价带）有效态密度Nc(cm-3)Nv(cm-3)mn*/m0mp*/m0Si2.8 10191.04 10191.080.56GaAs4.7 10177.0 10180.0670.48Ge1.04 10196.0 10180.550.37第49页，共67页，编辑于2022年，星期二载流子浓度与费米能级的关系第50页，共67页，编辑于2022年，星期二电子和空穴浓度积第51页，共67页，编辑于2022年，星期二弱简并强简并简并的判据简并情况第52页，共67页，编辑于2022年，星期二弱简并第53页，共67页，编辑于2022年，星期二Figure 1.10第54页，共67页，编辑于2022年，星期二强简并第55页，共67页，编辑于2022年，星期二简并判据第56页，共67页，编辑于2022年，星期二2.4 本征载流子浓度第57页，共67页，编辑于2022年，星期二Commonly accepted values of ni at T=300KSini=1.5 1010 cm-3GaAs ni=1.8 106 cm-3Ge ni=2.4 1013 cm-3第58页，共67页，编辑于2022年，星期二2.5 单一掺杂对费米能级和载流子浓度的影响 弱电离 中等电离 强电离非简并情况ECEVEDEF电中性条件第59页，共67页，编辑于2022年，星期二弱电离第60页，共67页，编辑于2022年，星期二中等电离和强电离电离度第61页，共67页，编辑于2022年，星期二Figure 1.19第62页，共67页，编辑于2022年，星期二Figure 1.18第63页，共67页，编辑于2022年，星期二第64页，共67页，编辑于2022年，星期二2.6 补偿掺杂对费米能级和载流子浓度的影响第65页，共67页，编辑于2022年，星期二第66页，共67页，编辑于2022年，星期二第67页，共67页，编辑于2022年，星期二
