半导体物理学刘恩科.pptx

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1、半导体物理学教材:半导体物理学(第六版)，刘恩科等编著，电子工业出版社参考书：半导体物理与器件（第三版），Donald A.Neamen著，电子工业出版社 第1页/共222页课程考核办法:本课采用开卷笔试的考核办法。第九周安排一次期中考试。总评成绩构成比例为：平时成绩10%；期中考试45%；期末考试45%半导体物理学第2页/共222页1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与

2、半导体表面与MIS结构结构半导体物理学第3页/共222页固态电子学分支之一固态电子学分支之一微电子学微电子学光电子学光电子学研究在固体（主要是半导体研究在固体（主要是半导体材料上构成材料上构成的微小型化器件、电路、及系统的电子学的微小型化器件、电路、及系统的电子学分支学科分支学科微电子学简介微电子学简介:半导体概要第4页/共222页微电子学研究领域微电子学研究领域半导体器件物理半导体器件物理集成电路工艺集成电路工艺集成电路设计和测试集成电路设计和测试微电子学发展的特点微电子学发展的特点向高集成度、低功耗、向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方高性能高可靠性电路方向发展向发展与其它学科互相渗透

3、，与其它学科互相渗透，形成新的学科领域：形成新的学科领域：光电集成、光电集成、MEMS、生生物芯片物芯片半导体概要第5页/共222页固体材料分成：固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体超导体、导体、半导体、绝缘体什么是半导体？什么是半导体？半导体及其基本特性第6页/共222页第7页/共222页1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学

4、第8页/共222页半导体的纯度和结构半导体的纯度和结构纯度纯度极高，杂质1013cm-3结构结构第9页/共222页晶体结构单胞对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元的最小单元注：注：（a）单胞无需是唯一的）单胞无需是唯一的（b）单胞无需是基本的）单胞无需是基本的第10页/共222页晶体结构三维立方单胞 简立方、简立方、体心立方、体心立方、面立方面立方第11页/共222页金刚石晶体结构金刚石晶体结构金刚石结构原子结合形式：共价键原子结合形式：共价键形成的晶体结构：形成的晶体结构：构成一个正四构成一个正四面体，具有面体，具有 金金 刚刚 石石

5、 晶晶 体体 结结 构构第12页/共222页半 导 体 有:元 素 半 导 体 如Si、Ge 金刚石晶体结构金刚石晶体结构第13页/共222页半 导 体 有:化 合 物 半 导 体 如GaAs、InP、ZnS闪锌矿晶体结构闪锌矿晶体结构金刚石型 闪锌矿型第14页/共222页练习1、单胞是基本的、不唯一的单元。（、单胞是基本的、不唯一的单元。（）2、按半导体结构来分，应用最为广泛的是、按半导体结构来分，应用最为广泛的是（）。）。3、写出三种立方单胞的名称，并分别计算、写出三种立方单胞的名称，并分别计算单胞中所含的原子数。单胞中所含的原子数。4、计算金刚石型单胞中的原子数。、计算金刚石型单胞中的原

6、子数。第15页/共222页原子的能级电子壳层不同支壳层电子1s；2s，2p；3s，2p，3d；共有化运动第16页/共222页+14电子的能级是量子化的n=3n=3四个电子四个电子n=2n=28 8个电子个电子n=1n=12 2个电子个电子SiHSi原子的能级第17页/共222页原子的能级的分裂孤立原子的能级 4个原子能级的分裂 第18页/共222页原子的能级的分裂原子能级分裂为能带 第19页/共222页Si的能带（价带、导带和带隙第20页/共222页价带：价带：0K0K条件下被电子填充的能量的能带条件下被电子填充的能量的能带导带：导带：0K0K条件下未被电子填充的能量的能带条件下未被电子填充的

7、能量的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构导导 带带价价 带带E Eg g第21页/共222页自由电子的运动微观粒子具有波粒二象性 第22页/共222页半导体中电子的运动薛定谔方程及其解的形式 布洛赫波函数布洛赫波函数第23页/共222页固体材料分成：固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体超导体、导体、半导体、绝缘体固体材料的能带图第24页/共222页半导体、绝缘体和导体第25页/共222页半导体的能带本征激发 第26页/共222页练习1、什么是共有化运动？、什么是共有化运动？2、画出、画出Si原子结构图（画出原子结构图（画出

8、s态和态和p态并注明该能态并注明该能级层上的电子数）级层上的电子数）3、电子所处能级越低越稳定。、电子所处能级越低越稳定。（）4、无论是自由电子还是晶体材料中的电子，他们、无论是自由电子还是晶体材料中的电子，他们在某处出现的几率是恒定不变的。在某处出现的几率是恒定不变的。（）5、分别叙述半导体与金属和绝缘体在导电过程中、分别叙述半导体与金属和绝缘体在导电过程中的差别。的差别。第27页/共222页半导体中E（K）与K的关系在导带底部，波数 ，附近 值很小，将 在 附近泰勒展开 第28页/共222页半导体中E（K）与K的关系令令 代入上式得代入上式得第29页/共222页自由电子的能量微观粒子具有波

9、粒二象性 第30页/共222页半导体中电子的平均速度在周期性势场内，电子的平均速度u可表示为波包的群速度 第31页/共222页自由电子的速度微观粒子具有波粒二象性 第32页/共222页半导体中电子的加速度半导体中电子在一强度为 E的外加电场作用下，外力对电子做功为电子能量的变化第33页/共222页半导体中电子的加速度令令 即即第34页/共222页有效质量的意义自由电子只受外力作用；半导体中的电子不仅受到外力的作用，同时还受半导体内部势场的作用意义：有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得研究半导体中电子的运动规律时更为简便（有效质量可由试验测定）第35页/共222页空穴只有非满带电子才可导电导

10、带电子和价带空穴具有导电特性；电子带负电-q（导带底），空穴带正电+q（价带顶）第36页/共222页K空间等能面在k=0处为能带极值导带底附近导带底附近价带顶附近价带顶附近第37页/共222页K空间等能面以 、为坐标轴构成 空间，空间任一矢量代表波矢导带底附近第38页/共222页K空间等能面对应于某一 值，有许多组不同的 ，这些组构成一个封闭面，在着个面上能量值为一恒值，这个面称为等能量面，简称等能面。等能面为一球面（理想）第39页/共222页1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导

11、体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学第40页/共222页与理想情况的偏离晶格原子是振动的材料含杂质晶格中存在缺陷点缺陷（空位、间隙原子）线缺陷（位错）面缺陷（层错）第41页/共222页与理想情况的偏离的影响极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响，同时也严重影响半导体器件的质量。1个B原子/个Si原子 在室温下电导率提高 倍Si单晶位错密度要求低于第42页/共222页与理想情况的偏离的原因理论分析认为，杂质和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所产生的周

12、期性势场受到破坏，并在禁带中引入了能级，允许电子在禁带中存在，从而使半导体的性质发生改变。第43页/共222页硅、锗晶体中的杂质能级例：如图所示为一晶格常数为例：如图所示为一晶格常数为a的的Si晶胞，求：晶胞，求：（a）Si原子半径原子半径 （b）晶胞中所有）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比原子占据晶胞的百分比解：（解：（a）（b）第44页/共222页间隙式杂质、替位式杂质杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂质称为间隙式杂质。间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质称为替位式杂质。替位式杂质原子的大小和价电

13、子壳层结构要求与被取代的晶格原子相近。如、族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。第45页/共222页间隙式杂质、替位式杂质单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度第46页/共222页练习1、实际情况下、实际情况下k空间的等能面与理想情况下的等空间的等能面与理想情况下的等能面分别是如何形状的？它们之间有差别的原因能面分别是如何形状的？它们之间有差别的原因？2、实际情况的半导体材料与理想的半导体材料有、实际情况的半导体材料与理想的半导体材料有何不同？何不同？3、杂质和缺陷是如何影响半导体的特性的？、杂质和缺陷是如何影响半导体的特性的？第47页/共222页施主施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体

14、中提供导电的电子，：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如并成为带正电的离子。如SiSi中的中的P P 和和As As N型半导体型半导体As半导体的掺杂施主能级施主能级第48页/共222页受主受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，并成为带负电的离子。如并成为带负电的离子。如SiSi中的中的B BP型半导体型半导体B半导体的掺杂受主能级受主能级第49页/共222页半导体的掺杂、族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高 ，施主能

15、级比导带底低 ，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。第50页/共222页半导体中同时存在施主和受主杂质，且 。N型半导体型半导体N型半导体型半导体第51页/共222页半导体中同时存在施主和受主杂质，且 。P型半导体型半导体P型半导体型半导体第52页/共222页杂质的补偿作用半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是N型还是P型由杂质的浓度差决定半导体中净杂质浓度称为有效杂质浓度（有效施主浓度；有效受主浓度）杂质的高度补偿（）第53页/共222页点缺陷弗仓克耳缺陷间隙原子和

16、空位成对出现肖特基缺陷只存在空位而无间隙原子间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大，为热缺陷，它们不断产生和复合，直至达到动态平衡，总是同时存在的。空位表现为受主作用；间隙原子表现为施主作用第54页/共222页点缺陷替位原子（化合物半导体）第55页/共222页位错位错是半导体中的一种缺陷，它严重影响材料和器件的性能。第56页/共222页位错施主情况施主情况 受主情况受主情况第57页/共222页练习1、族杂质在族杂质在Si、Ge晶体中为深能级杂质。晶体中为深能级杂质。（）2、受主杂质向价带提供空穴成为正电中心。（、受主杂质向价带提供空穴成为正电中心。（）3、杂质处于两种状态：、杂质处于两种状态

17、：（）和（和（）。）。4、空位表现为（、空位表现为（）作用，间隙原子表现为（）作用，间隙原子表现为（）作）作用。用。5、以、以Si在在GaAs中的行为为例，说明中的行为为例，说明族杂质在族杂质在化合化合物中可能出现的双性行为。物中可能出现的双性行为。第58页/共222页1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学第59页/共222页热平衡状

18、态在一定温度下，载流子的产生和载流子的复合建立起一动态平衡，这时的载流子称为热平衡载流子。半导体的热平衡状态受温度影响，某一特定温度对应某一特定的热平衡状态。半导体的导电性受温度影响剧烈。第60页/共222页态密度的概念能带中能量 附近每单位能量间隔内的量子态数。能带中能量为 无限小的能量间隔内有 个量子态，则状态密度 为第61页/共222页态密度的计算状态密度的计算单位 空间的量子态数能量 在 空间中所对应的体积前两者相乘得状态数根据定义公式求得态密度第62页/共222页空间中的量子态在 空间中，电子的允许能量状态密度为 ，考虑电子的自旋情况，电子的允许量子态密度为 ，每个量子态最多只能容纳

19、一个电子。第63页/共222页态密度导带底附近状态密度（理想情况）第64页/共222页态密度（导带底）（导带底）（价带顶）（价带顶）第65页/共222页练习1、推导价带顶附近状态密度、推导价带顶附近状态密度第66页/共222页费米能级根据量子统计理论，服从泡利不相容原理的电子遵循费米统计律对于能量为E E的一个量子态被一个电子占据的概率 为 称为电子的费米分布函数空穴的费米分布函数？第67页/共222页费米分布函数 称为费米能级或费米能量温度导电类型杂质含量能量零点的选取处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级第68页/共222页费米分布函数当 时若 ，则若 ，则l在热力学温度为0 0度时，费

20、米能级 可看成量子态是否被电子占据的一个界限 当 时若 ，则若 ，则若 ，则l费米能级是量子态基本上被 电子占据或基本上是空的一 个标志第69页/共222页玻尔兹曼分布函数当 时，由于 ，所以费米分布函数转化为 称为电子的玻尔兹曼分布函数第70页/共222页玻尔兹曼分布函数空穴的玻尔兹曼分布函数第71页/共222页玻尔兹曼分布函数导带中电子分布可用电子的玻尔兹曼分布函数描写（绝大多数电子分布在导带底）；价带中的空穴分布可用空穴的玻尔兹曼分布函数描写（绝大多数空穴分布在价带顶）服从费米统计律的电子系统称为简并性系统；服从玻尔兹曼统计律的电子系统称为非简并性系统费米统计律与玻尔兹曼统计律的主要差别

21、：前者受泡利不相容原理的限制第72页/共222页练习1、空穴占据费米能级的概率在各种温度下总是、空穴占据费米能级的概率在各种温度下总是1/2。（）2、费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量、费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子。子态上有电子。（）3、能量为、能量为E的一个量子态被一个空穴占据的概率为的一个量子态被一个空穴占据的概率为 （）。）。4、为什么电子分布在导带底，空穴分布在价带顶？、为什么电子分布在导带底，空穴分布在价带顶？第73页/共222页导带中的电子浓度在导带上的 间有 个电子从导带底到导带顶对 进行积分，得到能带中的电子总数，除以半导体体积，就得到了导带中

22、的电子浓度 第74页/共222页导带中的电子浓度第75页/共222页导带中的电子浓度导带宽度的典型值一般 ，所以 ，因此，积分上限改为 并不影响结果。由此可得导带中电子浓度为第76页/共222页价带中的空穴浓度同理得价带中的空穴浓度第77页/共222页载流子浓度乘积同理得价带中的空穴浓度热平衡状态下的非简并半导体中，在一定的温度下，乘积 是一定的，如果电子浓度增大，空穴浓度就会减小；反之亦然第78页/共222页本征半导体载流子浓度本征半导体无任何杂质和缺陷的半导体第79页/共222页本征费米能级第80页/共222页本征载流子浓度（既适用于本征半导体，也（既适用于本征半导体，也适用于非简并的杂志

23、半导体）适用于非简并的杂志半导体）第81页/共222页杂质半导体载流子浓度一个能级能容纳自旋方向相反的两个电子杂质能级只能是下面两种情况之一被一个有任一自旋方向的电子占据不接受电子第82页/共222页杂质半导体载流子浓度施主能级上的电子浓度（没电离的施主浓度）受主能级上的电子浓度（没电离的受主浓度）第83页/共222页杂质半导体载流子浓度电离施主浓度电离受主浓度第84页/共222页n和p的其他变换公式本征半导体时，第85页/共222页费米能级对掺杂半导体，第86页/共222页费米能级接近室温时EF-Ei=kTln(ND/ni)第87页/共222页练习第88页/共222页1 1半导体中的电子状态

24、半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学第89页/共222页载流子输运半导体中载流子的输运有三种形式：漂移扩散产生和复合第90页/共222页欧姆定律金属导体外加电压 ，电流强度为电流密度为第91页/共222页欧姆定律均匀导体外加电压 ，电场强度为电流密度为欧姆定律的微分形式第92页/共222页漂移电流漂移运动当外加电压时，导体内部的自由电子受到电场力的作用而沿

25、电场的反方向作定向运动（定向运动的速度称为漂移速度）电流密度 第93页/共222页漂移速度漂移速度 第94页/共222页半导体的电导率和迁移率半导体中的导电作用为电子导电和空穴导电的总和 当电场强度不大时，满足 ，故可得半导体中电导率为第95页/共222页半导体的电导率和迁移率N型半导体P型半导体本征半导体第96页/共222页Question导体在外加电场作用下，导体内载流子的漂移电流有两种表达形式恒定不断增大第97页/共222页热运动在无电场作用下，载流子永无停息地做着无规则的、杂乱无章的运动，称为热运动晶体中的碰撞和散射引起净速度为零，并且净电流为零平均自由时间为第98页/共222页热运动

26、当有外电场作用时，载流子既受电场力的作用，同时不断发生散射载流子在外电场的作用下为热运动和漂移运动的叠加，因此电流密度是恒定的第99页/共222页散射的原因载流子在半导体内发生撒射的根本原因是周期性势场遭到破坏附加势场 使得能带中的电子在不同 状态间跃迁，并使得载流子的运动速度及方向均发生改变，发生散射行为。第100页/共222页电离杂质的散射杂质电离的带电离子破坏了杂质附近的周期性势场，它就是使载流子散射的附加势场散射概率 代表单位时间内一个载流子受到散射的次数电离施主散射电离受主散射第101页/共222页晶格振动的散射格波形成原子振动的基本波动格波波矢 对应于某一q值的格波数目不定，一个晶

27、体中格波的总数取决于原胞中所含的原子数Si、Ge半导体的原胞含有两个原子，对应于每一个q就有六个不同的格波，频率低的三个格波称为声学波，频率高的三个为光学波长声学波（声波）振动在散射前后电子能量基本不变，称为弹性散射；光学波振动在散射前后电子能量有较大的改变，称为非弹性散射第102页/共222页晶格振动的散射声学波散射在能带具有单一极值的半导体中起主要散射作用的是长波在长声学波中，只有纵波在散射中起主要作用，它会引起能带的波形变化声学波散射概率光学波散射在低温时不起作用，随着温度的升高，光学波的散射概率迅速增大第103页/共222页练习1、载流子的热运动在半导体内会构成电流、载流子的热运动在半

28、导体内会构成电流。（。（）2、在半导体中，载流子的三种输运方式为（、在半导体中，载流子的三种输运方式为（）、）、（）和（）和（）。）。3、载流子在外电场的作用下是（、载流子在外电场的作用下是（）和（）和（）两种运动的叠加，因此电流密度大小（两种运动的叠加，因此电流密度大小（）。）。4、什么是散射、什么是散射 第104页/共222页 与 的关系N个电子以速度 沿某方向运动，在 时刻未遭到散射的电子数为 ，则在 时间内被散射的电子数为因此第105页/共222页 与 的关系上式的解为则 被散射的电子数为第106页/共222页 与 的关系在 时间内被散射的所有电子的自由时间为 ，这些电子自由时间的总和

29、为 ，则 个电子的平均自由时间可表示为第107页/共222页 、与 的关系平均漂移速度为第108页/共222页 、与 的关系N型半导体P型半导体本征半导体第109页/共222页 与 及 的关系电离杂质散射声学波散射光学波散射第110页/共222页 与 及 的关系电离杂质散射声学波散射光学波散射第111页/共222页影响迁移率的因素与散射有关与散射有关晶格散射晶格散射电离杂质电离杂质散射散射第112页/共222页第113页/共222页N型半导体P型半导体本征半导体电阻率第114页/共222页电阻率与掺杂的关系N N型半导体型半导体P P型半导体型半导体第115页/共222页电阻率与温度的关系本征

30、半导体本征半导体本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降杂质半导体杂质半导体（区别于金属）（区别于金属）第116页/共222页速度饱和在低电场作用下，载流子在半导体中的平均漂在低电场作用下，载流子在半导体中的平均漂移速度移速度v v与外加电场强度与外加电场强度E E呈线性关系；随着外呈线性关系；随着外加电场的不断增大，两者呈非线性关系，并最加电场的不断增大，两者呈非线性关系，并最终平均漂移速度达到一饱和值，不随终平均漂移速度达到一饱和值，不随E E变化。变化。n-Ge:n-Ge:第117页/共222页耿氏效应耿氏效应耿氏效应n-GaAsn-GaAs外加电场强

31、度超过外加电场强度超过 时，半导体时，半导体内的电流以内的电流以 的频率发生振荡的频率发生振荡第118页/共222页练习一、判断1、在半导体中，原子最外层电子的共有化运动最显著。（）2、不同的k值可标志自由电子的不同状态，但它不可标志晶体中电子的共有化状态。（）3、空位表现为施主作用，间隙原子表现为受主作用。（）4、半导体中两种载流子数目相同的为高纯半导体。（）第119页/共222页练习二、填空二、填空1、半导体材料结构可分为（、半导体材料结构可分为（）、（）、（）、（）、（），），应用最为广泛的是（应用最为广泛的是（）。）。2、金刚石型单胞的基础结构为（、金刚石型单胞的基础结构为（），金刚石

32、型为），金刚石型为（）对称性，闪锌矿型结构为（）对称性，闪锌矿型结构为（）对称性，纤）对称性，纤锌矿型为（锌矿型为（）对称性。）对称性。3、导带和价带间间隙称为（、导带和价带间间隙称为（），），Si的禁带宽度为的禁带宽度为（），），Ge为（为（），），GaAs为（为（）。）。4、固体按其导电性可分为（、固体按其导电性可分为（）、（）、（）、（）、（）。）。第120页/共222页练习5、杂质总共可分为两大类（）和（），施主杂质为（），受主杂质为（）。6、施主杂质向（）带提供（）成为（）电中心；受主杂质向（）带提供（）成为（）电中心。7、热平衡时，能级E处的空穴浓度为（）。8、在半导体中，载流子的

33、三种输运方式为（）、（）和（）。第121页/共222页练习三、简答三、简答1、单胞的概念及两大注意点？、单胞的概念及两大注意点？2、三种立方单胞的名称？、三种立方单胞的名称？3、引入有效质量的原因及意义？、引入有效质量的原因及意义？4、的物理含义？的物理含义？5、费米分布函数与玻耳兹曼分布函数的最大区别？、费米分布函数与玻耳兹曼分布函数的最大区别？6、在外加电场、在外加电场E作用下，为什么半导体内载流子的作用下，为什么半导体内载流子的漂移电流恒定，试从载流子的运动角度说明。漂移电流恒定，试从载流子的运动角度说明。7、在室温下，热平衡时，、在室温下，热平衡时，Si半导体中半导体中 ，求半导体中的

34、电子和空穴浓度。，求半导体中的电子和空穴浓度。第122页/共222页1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学第123页/共222页平衡载流子在某以热平衡状态下的载流子称为平衡载流子在某以热平衡状态下的载流子称为平衡载流子非简并半导体处于热平衡状态的判据式非简并半导体处于热平衡状态的判据式（只受温度T影响）第124页/共222页由于受外界

35、因素如光、电的作用，半导体中载流子的由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子，也称为非平衡载流子子为过剩载流子，也称为非平衡载流子过剩载流子非平衡载流子的光注入第125页/共222页平衡载流子满足费米狄拉克统计分布平衡载流子满足费米狄拉克统计分布过剩载流子不满足费米狄拉克统计分布且公式且公式不成立不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程过剩载流子第126页/共222页过剩载流子和电中性平衡时平衡时 过剩载流子过剩载流子电中性：

36、电中性：第127页/共222页小注入条件小注入条件小注入条件：注入的非平衡载流子浓度：注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小的多比平衡时的多数载流子浓度小的多N型材料型材料P型材料型材料第128页/共222页小注入条件例：室温下一受到微扰的掺杂硅，例：室温下一受到微扰的掺杂硅，判断其是否满足小注入条件？判断其是否满足小注入条件？解：解：满足小注入条件！（满足小注入条件！（）注：（注：（1）即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子浓度还是可）即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子浓度还是可以比平衡少数载流子浓度大的多以比平衡少数载流子浓度大的多（2）非平衡少数载流子起重要作用，非平衡载流

37、子都指非平衡少）非平衡少数载流子起重要作用，非平衡载流子都指非平衡少数载流子数载流子第129页/共222页非平衡载流子寿命假定光照产生假定光照产生 和和 ，如果光突然关闭，如果光突然关闭，和和 将随时间逐渐衰减直至将随时间逐渐衰减直至0 0，衰减的时间常，衰减的时间常数称为寿命数称为寿命 ，也常称为少数载流子寿命也常称为少数载流子寿命 单位时间内非平衡载流子的复合概单位时间内非平衡载流子的复合概率率 非平衡载流子的复合率非平衡载流子的复合率第130页/共222页复合n型材料中的空穴型材料中的空穴当当 时，时，故寿命标志着非平衡载，故寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的流子浓度减小到原值的1/

38、e1/e所经历的时间；寿命越短，衰所经历的时间；寿命越短，衰减越快减越快第131页/共222页费米能级热平衡状态下的非简并半导体中有统一热平衡状态下的非简并半导体中有统一的费米能级的费米能级统一的费米能级是热平衡状态的标志统一的费米能级是热平衡状态的标志第132页/共222页准费米能级 当半导体的热平衡状态被打破时，新当半导体的热平衡状态被打破时，新的热平衡状态可通过的热平衡状态可通过热跃迁热跃迁实现，但导带实现，但导带和价带间的热跃迁较稀少和价带间的热跃迁较稀少 导带和价带各自处于平衡态，因此存导带和价带各自处于平衡态，因此存在导带费米能级和价带费米能级，称其为在导带费米能级和价带费米能级，

39、称其为“准费米能级准费米能级”第133页/共222页准费米能级 注：注：非平衡载流子越多，准费米能级偏离非平衡载流子越多，准费米能级偏离 就越远。就越远。在非平衡态时，一般情况下，少数载流子的在非平衡态时，一般情况下，少数载流子的准费米能级偏离费米能级较大准费米能级偏离费米能级较大第134页/共222页准费米能级 注：注：两种载流子的准费米能级偏离的情况反两种载流子的准费米能级偏离的情况反映了半导体偏离热平衡状态的程度映了半导体偏离热平衡状态的程度第135页/共222页产生和复合产生产生电子和空穴（载流子）被创建的过程电子和空穴（载流子）被创建的过程产生率（产生率（G）：单位时间单位体积内所产

40、生的电子：单位时间单位体积内所产生的电子空穴对数空穴对数复合复合电子和空穴（载流子）消失的过程电子和空穴（载流子）消失的过程复合率（复合率（R）：单位时间单位体积内复合掉的电子：单位时间单位体积内复合掉的电子空穴对数空穴对数产生和复合会改变载流子的浓度，从而间接地影响电产生和复合会改变载流子的浓度，从而间接地影响电流流第136页/共222页复合直接复合 间接复合 Auger复合（禁带宽度小的半导体材料）（禁带宽度小的半导体材料）（窄禁带半导体（窄禁带半导体及高温情况下）及高温情况下）（具有深能级杂质的半导体材料）（具有深能级杂质的半导体材料）第137页/共222页产生直接产生 R-G中心产生

41、载流子产生 与碰撞电离第138页/共222页练习1、一般情况下，满足小注入条件的非平衡载流子浓度比平衡载流子浓度小。（）2、寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的（）所经历的时间。3、简述小注入条件4、处于非平衡态的p型半导体中，和 哪个距 近？为什么？第139页/共222页陷阱效应当半导体处于非平衡态时，杂质能级具有积累非平衡载流子的作用，即具有一定当半导体处于非平衡态时，杂质能级具有积累非平衡载流子的作用，即具有一定的的陷阱效应陷阱效应所有杂质能级都具有陷阱效应所有杂质能级都具有陷阱效应具有显著陷阱效应的杂质能级称为具有显著陷阱效应的杂质能级称为陷阱陷阱；相应的杂质和缺陷称为；相应的杂质和

42、缺陷称为陷阱中心陷阱中心杂质能级与平衡时的费米能级重合时，最有利于陷阱作用杂质能级与平衡时的费米能级重合时，最有利于陷阱作用第140页/共222页扩散粒子从高浓度向低浓度区域运动第141页/共222页扩散电流第142页/共222页半导体内总电流扩散+漂移第143页/共222页扩散系数和迁移率的关系考虑非均匀半导体第144页/共222页爱因斯坦关系在平衡态时，净电流为0第145页/共222页连续性方程第146页/共222页举例掺杂浓度分别为(a)和 的硅中的电子和空穴浓度？(b)再掺杂 的Na又是多少？()第147页/共222页1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能

43、级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学第148页/共222页PN结杂质分布PNPN结是同一块半导体晶体内结是同一块半导体晶体内P P型区和型区和N N型区之间型区之间的边界的边界PNPN结是各种半导体器件的基础，了解它的工作结是各种半导体器件的基础，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过程典型制造过程合金法合金法扩散法扩散法第149页/共222页PN结杂质分布下面两种分

44、布在实际器件中最常见也最容易进行物理分析 突变结突变结:线性缓变结线性缓变结:浅结、重掺杂（浅结、重掺杂（3um）或外延的或外延的PN结结第150页/共222页PN结的形成第151页/共222页PN结中的能带PN第152页/共222页内建电势第153页/共222页内建电势PNPN结的内建电结的内建电势决定于掺杂势决定于掺杂浓度浓度N ND D、N NA A、材料禁带宽度材料禁带宽度以及工作温度以及工作温度第154页/共222页能带能带内建电势内建电势电场电场第155页/共222页VA 0条件下的突变结外加电压全部降落在耗尽区，外加电压全部降落在耗尽区，V VA A大于大于0 0时，使耗时，使耗

45、尽区势垒下降，反之上升。即耗尽区两侧电压尽区势垒下降，反之上升。即耗尽区两侧电压为为V Vbibi-V-VA A第156页/共222页反偏PN结反偏电压能改变耗尽区宽度吗？第157页/共222页准费米能级第158页/共222页理想二极管方程PN结正偏时第159页/共222页理想二极管方程PN结反偏时第160页/共222页定量方程基本假设P P型区及型区及N N型区掺杂均匀分布，是突变结。型区掺杂均匀分布，是突变结。电中性区宽度远大于扩散长度。电中性区宽度远大于扩散长度。冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流子在流子在PNPN结中一维流动。结中

46、一维流动。空间电荷区宽度远小于少子扩散长度空间电荷区宽度远小于少子扩散长度,不考虑空间不考虑空间电荷区的产生电荷区的产生复合作用。复合作用。P P型区和型区和N N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上。落在过渡区上。第161页/共222页准中性区的载流子运动情况稳态时,假设GL=0边界条件:图6.4欧姆接触边界耗尽层边界第162页/共222页边界条件欧姆接触边界耗尽层边界(pn结定律)第163页/共222页耗尽层边界P型一侧PN第164页/共222页耗尽层边界(续)N型一侧耗尽层边界处非平衡载流子浓度与外加电压有关第165页/共222页准中性区载

47、流子浓度第166页/共222页理想二极管方程求解过程准中性区少子扩散方程求Jp(xn)求Jn(-xp)J=Jp(xn)+Jn(-xp)第167页/共222页理想二极管方程(1)新的坐标:边界条件:-xp xn0 xX第168页/共222页空穴电流一般解第169页/共222页电子电流P型侧第170页/共222页PN结电流第171页/共222页PN结电流与温度的关系第172页/共222页与理想情况的偏差大注入效应空间电荷区的复合第173页/共222页空间电荷区的产生与复合正向有复合电流正向有复合电流反向有产生电流反向有产生电流第174页/共222页空间电荷区的产生与复合-1反向偏置时,正向偏置时,

48、计算比较复杂VA愈低，IR-G愈是起支配作用第175页/共222页VAVbi时的大电流现象串联电阻效应q/kTLog(I)VA第176页/共222页VAVbi时的大电流现象-1大注入效应大大注注入入是是指指正正偏偏工工作作时时注注入入载载流流子子密密度度等等于于或或高高于于平平衡衡态态多多子子密密度度的的工工作作状状态。态。p pn nnnnono第177页/共222页VAVbi时的大电流现象-2第178页/共222页VAVbi时的大电流现象-3VA越大越大,电流上升变缓电流上升变缓第179页/共222页反向击穿电流急剧增加可逆雪崩倍增齐纳过程不可逆热击穿第180页/共222页雪崩倍增第181

49、页/共222页齐纳过程产生了隧穿效应E隧道穿透几率隧道穿透几率P P：隧道长度隧道长度:隧道击穿隧道击穿:VB6Eg/q第182页/共222页PN结二极管的等效电路小信号加到PN结上+-vaVA+-PNRsGC第183页/共222页反向偏置结电容也称势垒电容或过渡区电容第184页/共222页反向偏置结电容-1第185页/共222页反向偏置结电容-2耗尽近似下线性缓变结的空间电荷区电荷总量耗尽近似下线性缓变结的空间电荷区电荷总量第186页/共222页参数提取和杂质分布CV测量系统VA1/C2Vbi第187页/共222页扩散电容第188页/共222页扩散电容-1表现为电容形式第189页/共222页

50、扩散电容-2扩散电容与正向电流成正比第190页/共222页练习1、为什么pn结在反偏压下有一小的饱和电流2、试分别描述势垒电容和扩散电容的由来第191页/共222页1 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态2 2半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级3 3半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学第192页/共222页金属和半导体的接触金属和半导体的接触金属和半导体的功函数第193页/共222页金属和半导体的接触金属和半导体的接