《半导体物理器》PPT课件.ppt

第一章第一章 半导体物理基础半导体物理基础半导体中的电子状态半导体中的电子状态载流子的统计分布载流子的统计分布简并半导体简并半导体载流子的散射载流子的散射载流子的输运载流子的输运非平衡载流子非平衡载流子半导体物理基础半导体物理基础1 1、本课程的主要内容、本课程的主要内容 研究由不同半导体材料组成半导体器件时，载流子的运动规律和电压研究由不同半导体材料组成半导体器件时，载流子的运动规律和电压-电电流等电学特性。流等电学特性。方法：方法：1 1）分析半导体器件时，应先将整个器件分为若干个区。）分析半导体器件时，应先将整个器件分为若干个区。2 2）给出边界条件。）给出边界条件。3 3）求解出各个区中的少子浓度分布、少子浓度梯度分布、电场分布、电）求解出各个区中的少子浓度分布、少子浓度梯度分布、电场分布、电势分布、电流密度分布等，最终求得器件的各个端电流。势分布、电流密度分布等，最终求得器件的各个端电流。2 2、本课程的考核方式、答疑时间、本课程的考核方式、答疑时间概述概述半导体物理基础半导体物理基础半导体中的电子状态半导体中的电子状态半导体中电子的波函数和能量谱值半导体中电子的波函数和能量谱值能带能带有效质量有效质量导带电子和价带空穴导带电子和价带空穴Si/Ge/GaAsSi/Ge/GaAs的能带结构的能带结构杂质和缺陷能级杂质和缺陷能级请复习请复习半导体物理基础半导体物理基础相关知识点！相关知识点！半导体物理基础半导体物理基础载流子的统计分布载流子的统计分布导带电子浓度导带电子浓度（1-571-57）其中其中称为导带有效状态密度称为导带有效状态密度价带空穴密度价带空穴密度（1-601-60）其中其中称为价带有效状态密度称为价带有效状态密度半导体物理基础半导体物理基础载流子的统计分布载流子的统计分布导带电子浓度和价带空穴浓度之积导带电子浓度和价带空穴浓度之积（1-641-64）式中 为禁带宽度。与温度有关，可以把它写成经验关系式：其中 为常数得：得：（1-661-66）半导体物理基础半导体物理基础载流子的统计分布载流子的统计分布本征半导体本征半导体于是：（1-701-70）（1-681-68）（1-691-69）即：参照 得：半导体物理基础半导体物理基础习题习题半导体物理基础半导体物理基础载流子的统计分布载流子的统计分布只有一种杂质的半导体只有一种杂质的半导体N N型半导体型半导体在杂质饱和电离的温度范围内：而：温度升高，费米能级逐渐远离导带底。（1-761-76）半导体物理基础半导体物理基础载流子的统计分布载流子的统计分布只有一种杂质的半导体只有一种杂质的半导体P P型半导体型半导体在杂质饱和电离的温度范围内：导带电子浓度为：费米能级：（1-801-80）半导体物理基础半导体物理基础载流子的统计分布载流子的统计分布杂质补偿半导体杂质补偿半导体相应的费米能级为：相应的费米能级为：在在 的半导体中：的半导体中：（1-841-84）半导体物理基础半导体物理基础载流子的统计分布载流子的统计分布相应的费米能级为：在 的半导体中：（1-881-88）杂质补偿半导体杂质补偿半导体半导体物理基础半导体物理基础简并半导体简并半导体载流子浓度载流子浓度费米积分：（1-911-91）发生发生简并化的条件简并化的条件或半导体物理基础半导体物理基础习题习题半导体物理基础半导体物理基础载流子的散射载流子的散射1.1.格波与声子格波与声子2.2.载流子的散射载流子的散射1 1）平均自由时间与驰豫时间）平均自由时间与驰豫时间2 2）散射机构）散射机构晶格振动散射晶格振动散射电离杂质散射电离杂质散射半导体物理基础半导体物理基础声学波声学波特点特点：相邻两种不同原子的振幅都有相同相邻两种不同原子的振幅都有相同的正号或负号，即对于声学波，相邻原子的正号或负号，即对于声学波，相邻原子都是沿着同一方向振动，当波长很长时，都是沿着同一方向振动，当波长很长时，声学波实际上代表原胞质心的振动。声学波实际上代表原胞质心的振动。光学波光学波特点特点：对于光学波，相邻两种不同原子的对于光学波，相邻两种不同原子的振动方向是相反的。原胞的质心保持不动振动方向是相反的。原胞的质心保持不动，由此也可以定性的看出，波长很长的光，由此也可以定性的看出，波长很长的光学波（长光学波）代表原胞中两个原子的学波（长光学波）代表原胞中两个原子的相对振动。相对振动。1.1.格波与声子格波与声子晶格振动能量的量子化晶格振动能量的量子化 -声子声子半导体物理基础半导体物理基础2.2.载流子的散射载流子的散射1 1）平均自由时间与驰豫时间）平均自由时间与驰豫时间 载流子在电场中作漂移运动时，只有在连续两次散射之载流子在电场中作漂移运动时，只有在连续两次散射之间的时间称为自由时间，取极多次而求平均值，则称之为载间的时间称为自由时间，取极多次而求平均值，则称之为载流子的平均自由时间，常用流子的平均自由时间，常用表示。表示。平均自由时间与散射几率互为倒数。平均自由时间与散射几率互为倒数。2 2）散射机构）散射机构晶格振动散射晶格振动散射电离杂质散射电离杂质散射半导体物理基础半导体物理基础载流子的输运载流子的输运1.1.漂移运动漂移运动 迁移率和电导率迁移率和电导率电子迁移率：空穴迁移率：电子漂移电流密度：（1-1141-114）电子电导率：（1-1181-118）N型半导体的电导率空穴电导率：P型半导体的电导率电子和空穴共同作用电导率：半导体物理基础半导体物理基础载流子的输运载流子的输运2.2.扩散运动和扩散电流扩散运动和扩散电流电子扩散电流密度D 扩散系数（1-1291-129）空穴扩散电流密度3.3.流密度流密度在漂移和扩散同时存在的情况下，空穴和电子的流密度分别为：（1-1331-133）半导体物理基础半导体物理基础载流子的输运载流子的输运4.4.电流密度电流密度空穴和电子的电流密度分别为：（1-1351-135）在一维情况下，空穴和电子的电流分别为：（1-1371-137）式中A为电流垂直流过的面积半导体物理基础半导体物理基础载流子的输运载流子的输运5.5.非均匀半导体中的自建电场非均匀半导体中的自建电场1 1）半导体中的静电场和势）半导体中的静电场和势电场定义为电势的负梯度：电势与电子势能的关系为：可以把电场表示为（一维）：静电势费米势（1-1401-140）半导体物理基础半导体物理基础载流子的输运载流子的输运（1-1441-144）于是：热电势在热平衡情况下，费米势为常数，可以把它取为零基准，于是：（1-1461-146）2 2）爱因斯坦关系）爱因斯坦关系电子：空穴：半导体物理基础半导体物理基础载流子的输运载流子的输运对于N型半导体，有（取EF为零基准）：（1-1511-151）对于P型半导体，有：（1-1531-153）3 3）非均匀半导体自建电场）非均匀半导体自建电场半导体物理基础半导体物理基础非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子：比平衡态多出来的部分载流子小注入：非平衡载流子浓度热平衡多数载流子浓度1.1.非平衡载流子的产生与复合非平衡载流子的产生与复合非平衡载流子半导体物理基础半导体物理基础非平衡载流子非平衡载流子2.2.准费米能级准费米能级（1-1621-162）（1-1631-163）式中 和 分别称为电子和空穴的准费米能级，和 分别为相应的准费米势：半导体物理基础半导体物理基础非平衡载流子非平衡载流子3.3.修正的欧姆定律修正的欧姆定律其中：分别称为电子和空穴的等效电导率。修正欧姆定律虽然在形式上和欧姆定律一致，但它包括了载流子的漂移和扩散的综合效应。从修正欧姆定律可以看出，费米能级恒定（即 ）是电流为零的条件。处于热平衡的处于热平衡的半导体，费米能级恒定半导体，费米能级恒定。或者说，热平衡系统具有统一的热平衡系统具有统一的费米能级费米能级。半导体物理基础半导体物理基础非平衡载流子非平衡载流子4.4.复合机制复合机制净复合率：寿命：（1-1711-171）1 1）直接复合）直接复合小注入：本征半导体：杂质半导体：半导体物理基础半导体物理基础非平衡载流子非平衡载流子2 2）通过复合中心的复合）通过复合中心的复合为简单计，假设复合中心对电子和空穴的俘获系数相等。净复合率可写成或3 3）表面复合）表面复合率率（1-2101-210）半导体物理基础半导体物理基础非平衡载流子非平衡载流子5.5.半导体中的基本控制方程半导体中的基本控制方程粒子数守恒：（1-2121-212）1 1）连续性方程）连续性方程利用电流密度表达式：在一维情况下，取电流沿x方向：半导体物理基础半导体物理基础非平衡载流子非平衡载流子5.5.半导体中的基本控制方程半导体中的基本控制方程在饱合电离的情况下：2 2）泊松方程）泊松方程（1-2201-220）设空间电荷所形成的电势分布为 ，则 与 之间满足泊松方程：为自由空间电容率，其数值为半导体物理基础半导体物理基础 分析半导体器件时，应先将整个器件分为若干个区，然后分析半导体器件时，应先将整个器件分为若干个区，然后在各个区中视具体情况对基本方程做相应的简化后进行求解。在各个区中视具体情况对基本方程做相应的简化后进行求解。求解微分方程时还需要给出求解微分方程时还需要给出 边界条件边界条件边界条件边界条件。扩散方程的边界条件为。扩散方程的边界条件为边界上的少子浓度与外加电压之间的关系边界上的少子浓度与外加电压之间的关系边界上的少子浓度与外加电压之间的关系边界上的少子浓度与外加电压之间的关系。于是就可以将外加。于是就可以将外加电压作为已知量，求解出各个区中的少子浓度分布、少子浓度电压作为已知量，求解出各个区中的少子浓度分布、少子浓度梯度分布、电场分布、电势分布、电流密度分布等，最终求得梯度分布、电场分布、电势分布、电流密度分布等，最终求得器件的各个端电流。器件的各个端电流。这些就是本课程的主要内容。这些就是本课程的主要内容。半导体物理基础半导体物理基础