半导体物理基础第一章精选PPT.ppt
《半导体物理基础第一章精选PPT.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《半导体物理基础第一章精选PPT.ppt(89页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、半导体物理基础第一章课件1第1页,此课件共89页哦1.2 能带一、能带的形成能级:电子所处的能量状态。当原子结合成晶体时,原子最外层的价电子实际上是被晶体中所有原子所共有,称为共有化。共有化导致电子的能量状态发生变化,产生了密集能级组成的准连续能带-能级分裂。2第2页,此课件共89页哦1.2 能带右图为硅晶体的原子间相互作用示意图sisisisisisisisisi3第3页,此课件共89页哦1.2 能带二、能带结构与原子间距的关系随着原子间距的缩小,能带结构发生的变化依次为各能级分立、出现能级分裂、合并为一个能带、再次出现能级分裂等过程。在“实际硅晶体原子间距”位置,共分裂为两个能带,较低的能
2、带被价电子填满,较高的能带是空的。4第4页,此课件共89页哦1.2 能带出现能级分裂合并为一个能带实际硅晶体原子间距价带导带5第5页,此课件共89页哦1.2 能带三、简化的能带结构图1-3导带:接收被激发的电子(对于半导体)价带:通常被价电子填满(对于半导体)EC:导带底的能量EV:价带顶的能量EG:禁带宽度,是打破共价键所需的最小能量,是材料特有的重要特性。6第6页,此课件共89页哦1.3 有效质量有效质量m*:考虑了晶格对于电子运动的影响并对电子静止质量进行修正后得到的值。7第7页,此课件共89页哦1.4导带电子和价带孔穴1、金属、半导体和绝缘体的区别空带、满带和不满带能带理论提出:一个晶
3、体是否具有导电性,关键在于它是否有不满的能带存在。在常温下,半导体的价电子填满价带,只有少量电子离开价带形成不满带,才能实现导电8第8页,此课件共89页哦1.4导带电子和价带孔穴按照能带被电子填充的情况来分析金属、半导体和绝缘体:金属:被电子填充的最高能带是不满的,而且能带中的电子密度很高,所以金属有良好的导电性。绝缘体和半导体:在绝对零度时,被电子占据的最高能带是满的,没有不满的能带存在。因此不能导电。9第9页,此课件共89页哦1.4导带电子和价带孔穴绝缘体的禁带很宽,即使温度升高,电子也很难从满带激发到空带,因此很难导电。半导体的禁带较窄,在一定温度下,电子容易从满带激发到空点,形成不满带
4、,从而导电。10第10页,此课件共89页哦1.4导带电子和价带孔穴价带:绝对0度条件下,半导体最上面的满带被价电子填充,称为价带。导带:绝对0度条件下,价带上面的空带能够接收从满带激发来的电子,从而能够导电,因此也称为导带。禁带宽度:电子从价带激发到导带所需要的最小能量。11第11页,此课件共89页哦1.4导带电子和价带孔穴禁带的宽度区别了绝缘体和半导体;而禁带的有无是导体和半导体、绝缘体之间的区别;绝缘体是相对的,不存在绝对的绝缘体。导体具有任何温度下电子部分填满的导带。图1-5:不同导电性物质电子填充能带情况。12第12页,此课件共89页哦1.4导带电子和价带孔穴半导体的导电过程:电子受到
5、外界条件激发(如温度),获得能量,到达导带,从而形成不满带。半导体的电导率受温度影响很大。13第13页,此课件共89页哦1.4导带电子和价带孔穴2、空穴价带顶附近的一些电子被激发到导带后,留下一些空状态,称为空穴。半导体中参与导电的有:导带中的电子和价带中的空穴,二者统称为载流子。价带顶附近存在少量空穴的问题,和导带底附近存在少量电子的问题,十分相似。14第14页,此课件共89页哦1.5 硅、锗、砷化镓的能带结构P18,图1.6和图1.7在300K的禁带宽度:硅:1.12eV 锗:0.67eV 砷化镓:1.43eV1.6杂质能级为了改善半导体的导电性,通常会加入适当的杂质,在禁带中引入相应的杂
6、质能级。15第15页,此课件共89页哦1.6杂质能级在实际的半导体材料中,总是不可避免的存在各种类型的缺陷。为了改善半导体的导电性,通常会加入适当的杂质。在禁带中引入相应的杂质能级和缺陷能级。16第16页,此课件共89页哦1.6杂质能级硅的四面体结构,每个小棒代表了一个共价键。杂质以替位的方式掺入硅晶体中。17第17页,此课件共89页哦1.6杂质能级1、施主杂质和施主能级(N型半导体)族杂质元素中最通用的是磷。磷原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时,多余的第五个价电子很容易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子。这个电子可以进入导带,称为导带电子。如图1.8所示18第18页,此课件共89页哦1
7、.6杂质能级施主Donor,掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的电子。当电子被束缚在施主杂质周围时,施主杂质称为中性施主;失去电子之后的施主杂质称为电离施主。掺入施主杂质的半导体为N(Negative)型半导体。施主杂质的浓度记为ND。19第19页,此课件共89页哦1.6杂质能级电离施主提供了一个局域化的电子态,相应的能级称为施主能级Ed。由于电子从施主能级激发到导带所需要的能量杂质电离能很小,因此失主能级位于导带底之下,并距离很近。20第20页,此课件共89页哦1.6杂质能级施主电离能:导带底和施主能及之间的能量间隔,称为施主电离能EI。在只有施主杂质的半导体中,在温度较低时,价带中能够
8、激发到导带的电子很少,起导电作用的主要是从施主能级激发到导带的电子。21第21页,此课件共89页哦1.6杂质能级2、受主杂质和受主能级(P型半导体)族杂质元素中最通用的是硼。硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时,将因缺少一个价电子而形成一个空穴,于是半导体中的空穴数目大量增加。22第22页,此课件共89页哦1.6杂质能级Acceptor,掺入半导体的杂质原子向半导体中提供导电的空穴,并成为带负电的离子。掺入受主杂质的半导体为P(Positive)型半导体。施主杂质的浓度记为NA。23第23页,此课件共89页哦1.6杂质能级受主接受电子称为受主杂志,提供了一个局域化的电子态,相应的能级称
9、为受主能级Ea。受主杂质很容易从价带接收一个电子受主电离能很小,因此受主能级位于价带之上,并距离很近。24第24页,此课件共89页哦1.6杂质能级受主杂质电离的另外一种表述:把中性的受主杂质看成带负电的硼离子在它周围束缚一个带正点的空穴,把受主杂质从价带接收一个电子的电离过程,看做被硼离子束缚的空穴被激发的导带的过程。这种说法与施主杂质把束缚的电子激发到导带的电离过程完全类似。25第25页,此课件共89页哦1.6杂质能级半导体中同时掺有受主和施主杂质,由于受主能级比施主能级低得多,施主能级上的电子首先要去填充受主能级,使施主向导带提供电子的能力和受主向价带提供空穴的能力相互抵消而减弱,称为杂质
10、补偿。此时半导体的类型由浓度较大的杂质决定。26第26页,此课件共89页哦1.7载流子的统计分布研究载流子分布的两个问题:状态密度和载流子占据这些状态的概率。1.7.1 状态密度:单位体积中每单位能量间隔的有效电子状态的平均数目。能带是无数个能级“压缩”而成的,而且能带是量子化的,所以在这个能量范围必然有一定数量的能级(轨道)存在。27第27页,此课件共89页哦1.7载流子的统计分布假设单位体积的导带电子状态数为NC,且都集中在导带底,则导带电子密度恰好为上述表达式,因此称NC为导带有效状态密度。导带状态密度:1-7-4价带状态密度:1-7-7状态密度随能量的变化:28第28页,此课件共89页
11、哦1.7载流子的统计分布1.7.2 费米分布函数与费米能级热平衡状态下,一个能量为E的电子态被电子占据的概率为称为费米分布函数。说明每个电子态被电子占据的概率随能量E变化29第29页,此课件共89页哦1.7载流子的统计分布K为波尔兹曼常数,T为绝对温度。室温下(300K)为0.0258ev。EF为费米能级:被电子占据的概率为1/2是反应电子在各个能级中分布情况的参数;费米能级高,说明电子占据高能级的概率大;费米能及是电子填充能级水平高低的标志30第30页,此课件共89页哦1.7 载流子的统计分布费米能级随温度以及杂质的种类和多少的变化而变化;热平衡系统的费米能及恒定相应的,能量为E的量子态未被
12、电子占据,既被空穴占据的概率为31第31页,此课件共89页哦1.7载流子的统计分布对于E-EFKT的能级,对于E-EFKT的能级,称为经典的玻尔兹曼分布。32第32页,此课件共89页哦1.7.3 能带中电子和空穴的浓度1、导带电子浓度其中称为导带有效状态密度33第33页,此课件共89页哦1.7.3能带中电子和空穴的浓度2、价带空穴浓度其中称为价带有效状态密度34第34页,此课件共89页哦1.7.3能带中电子和空穴的浓度导带电子浓度和价带空穴浓度之积式中Eg为禁带宽度。与温度有关,可以把它写成经验关系式其中 为禁带宽度温度系数,Eg0为0K时的Eg值。35第35页,此课件共89页哦1.7.3能带
13、中电子和空穴的浓度化简后得到其中K1为常数结论:在温度已知的半导体中,热平衡情况下,np之积只与状态密度和禁带宽度有关,而与杂质浓度和费米能级的位置无关。36第36页,此课件共89页哦1.7.4本征半导体本征半导体:没有杂质和缺陷的半导体。未激发时,价电子全部位于价带。本征激发:温度升高时,价电子冲破共价键束缚到达导带。电子-空穴对:n=p,称为电中性条件。得到本征费米能级,近似为禁带中央能量,称为Ei。37第37页,此课件共89页哦1.7.4本征半导体本征载流子浓度ni和pi:称为质量作用定律。在非本征半导体情况下同样适用。在热平衡情况下,已知ni和一种载流子的浓度,可以求得另外一种载流子的
14、浓度38第38页,此课件共89页哦1.7.4本征半导体也可以把电子和空穴浓度写成下面的形式:1-7-14和1-7-17比1-7-28和1-7-29更常用。39第39页,此课件共89页哦1.7.5只有一种杂质的半导体1、N型半导体载流子的来源包含两个过程:本征激发和杂质电离在低温条件下:杂质电离为主在高温条件下:本征激发为主杂质饱和电离:杂质基本上全部电离,而本征激发可以忽略。40第40页,此课件共89页哦1.7.5只有一种杂质的半导体在杂质饱和电离的温度范围内,导带电子浓度等于施主浓度价带空穴的浓度为载流子浓度关系:电子浓度与施主浓度近似,远大于本征载流子浓度,空穴浓度远小于本征载流子浓度。4
15、1第41页,此课件共89页哦1.7.5只有一种杂质的半导体N型半导体:导带电子为多子,价带空穴为少子。两种载流子的浓度相差非常悬殊N型半导体在饱和电离下的费米能级结论:N型半导体费米能级位于导带底之下,本征费米能级之上,且施主浓度越高,越靠近导带底;温度升高,费米能级远离导带底。42第42页,此课件共89页哦1.7.5只有一种杂质的半导体2、P型半导体在杂质饱和电离的温度范围内有:导带电子浓度为:费米能级为43第43页,此课件共89页哦1.7.5只有一种杂质的半导体结论:对于P型半导体,在杂质饱和电离温度范围之内,费米能级位于价带顶之上,本征费米能级之下。随着掺杂浓度提高,费米能级接近价带顶;
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 半导体 物理 基础 第一章 精选 PPT
限制150内