半導體物理學(第七版)電子工業(yè)出版社劉恩科等編著P.ppt

1、半導體物理學,半導體物理學,教材: 半導體物理學(第六版)，劉恩科等編著，電子工業(yè)出版社 參考書： 半導體物理與器件（第三版），Donald A.Neamen著，電子工業(yè)出版社,課程考核辦法 : 本課采用開卷筆試的考核辦法。第九周安排一次期中考試。 總評成績構成比例為：平時成績10%； 期中考試45%；期末考試45,半導體物理學,半導體中的電子狀態(tài) 半導體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導體中載流子的統(tǒng)計分布 半導體的導電性 非平衡載流子 pn結 金屬和半導體的接觸 半導體表面與MIS結構,半導體物理學,固態(tài)電子學分支之一,微電子學,光電子學,研究在固體（主要是半導體材料上構成的微小型化器件、電路、及系統(tǒng)

2、的電子學分支學科,微電子學簡介,半導體概要,微電子學研究領域,半導體器件物理 集成電路工藝 集成電路設計和測試,微電子學發(fā)展的特點,向高集成度、低功耗、高性能高可靠性電路方向發(fā)展 與其它學科互相滲透，形成新的學科領域： 光電集成、MEMS、生物芯片,半導體概要,固體材料分成：超導體、導體、半導體、絕緣體,什么是半導體,半導體及其基本特性,半導體中的電子狀態(tài) 半導體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導體中載流子的統(tǒng)計分布 半導體的導電性 非平衡載流子 pn結 金屬和半導體的接觸 半導體表面與MIS結構,半導體物理學,半導體的純度和結構,純度 極高，雜質(zhì)1013cm-3 結構,晶體結構,單胞 對于任何給定的晶體

3、，可以用來形成其晶體結構的最小單元,注：（a）單胞無需是唯一的,b）單胞無需是基本的,晶體結構,三維立方單胞 簡立方、 體心立方、 面立方,金剛石晶體結構,金剛石結構,原子結合形式：共價鍵 形成的晶體結構： 構成一個正四面體，具有 金 剛 石 晶 體 結 構,半 導 體 有: 元 素 半 導 體 如Si、Ge,金剛石晶體結構,半 導 體 有: 化 合 物 半 導 體 如GaAs、InP、ZnS,閃鋅礦晶體結構,金剛石型 閃鋅礦型,練習,1、單胞是基本的、不唯一的單元。（ ） 2、按半導體結構來分，應用最為廣泛的是（ ）。 3、寫出三種立方單胞的名稱，并分別計算單胞中所含的原子數(shù)。 4、計算金剛

4、石型單胞中的原子數(shù),原子的能級,電子殼層 不同支殼層電子 1s；2s，2p；3s，2p，3d； 共有化運動,14,電子的能級是量子化的,n=3 四個電子,n=2 8個電子,n=1 2個電子,Si,H,Si原子的能級,原子的能級的分裂,孤立原子的能級 4個原子能級的分裂,原子的能級的分裂,原子能級分裂為能帶,Si的能帶 （價帶、導帶和帶隙,價帶：0K條件下被電子填充的能量的能帶 導帶：0K條件下未被電子填充的能量的能帶 帶隙：導帶底與價帶頂之間的能量差,半導體的能帶結構,導 帶,價 帶,Eg,自由電子的運動,微觀粒子具有波粒二象性,半導體中電子的運動,薛定諤方程及其解的形式,布洛赫波函數(shù),固體材

5、料分成：超導體、導體、半導體、絕緣體,固體材料的能帶圖,半導體、絕緣體和導體,半導體的能帶,本征激發(fā),練習,1、什么是共有化運動？ 2、畫出Si原子結構圖（畫出s態(tài)和p態(tài)并注明該能級層上的電子數(shù)） 3、電子所處能級越低越穩(wěn)定。 （ ） 4、無論是自由電子還是晶體材料中的電子，他們在某處出現(xiàn)的幾率是恒定不變的。 （ ） 5、分別敘述半導體與金屬和絕緣體在導電過程中的差別,半導體中E（K）與K的關系,在導帶底部，波數(shù) ，附近 值很小，將 在 附近泰勒展開,半導體中E（K）與K的關系,令 代入上式得,自由電子的能量,微觀粒子具有波粒二象性,半導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

6、示為波包的群速度,自由電子的速度,微觀粒子具有波粒二象性,半導體中電子的加速度,半導體中電子在一強度為 E的外加電場作用下，外力對電子做功為電子能量的變化,半導體中電子的加速度,令 即,有效質(zhì)量的意義,自由電子只受外力作用；半導體中的電子不僅受到外力的作用，同時還受半導體內(nèi)部勢場的作用 意義：有效質(zhì)量概括了半導體內(nèi)部勢場的作用，使得研究半導體中電子的運動規(guī)律時更為簡便（有效質(zhì)量可由試驗測定,空穴,只有非滿帶電子才可導電 導帶電子和價帶空穴具有導電特性；電子帶負電-q（導帶底），空穴帶正電+q（價帶頂,K空間等能面,在k=0處為能帶極值,導帶底附近,價帶頂附近,K空間等能面,以 、 、 為坐標軸

7、構成 空間， 空間任一矢量代表波矢 導帶底附近,K空間等能面,對應于某一 值，有許多組不同的 ，這些組構成一個封閉面，在著個面上能量值為一恒值，這個面稱為等能量面，簡稱等能面。 等能面為一球面（理想,半導體中的電子狀態(tài) 半導體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導體中載流子的統(tǒng)計分布 半導體的導電性 非平衡載流子 pn結 金屬和半導體的接觸 半導體表面與MIS結構,半導體物理學,與理想情況的偏離,晶格原子是振動的 材料含雜質(zhì) 晶格中存在缺陷 點缺陷（空位、間隙原子） 線缺陷（位錯） 面缺陷（層錯,與理想情況的偏離的影響,極微量的雜質(zhì)和缺陷，會對半導體材料的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響，同時也嚴重影響半導

8、體器件的質(zhì)量。 1個B原子/ 個Si原子 在室溫下電導率提高 倍 Si單晶位錯密度要求低于,與理想情況的偏離的原因,理論分析認為，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，允許電子在禁帶中存在，從而使半導體的性質(zhì)發(fā)生改變,硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級,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,b,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)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

9、子而位于晶格點處，該雜質(zhì)稱為替位式雜質(zhì)。 替位式雜質(zhì)原子的大小和價電子殼層結構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),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,練習,1、實際情況下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、實際情況的半導體材料與理想的半導體材料有何不同？ 3、雜質(zhì)和缺陷是如何影響半導體的特性的,施主：摻入在半導體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導體中提供導電的電子， 并成為帶正電的離子。如Si中的P 和As,N型半導體,半導體的摻雜,施主能級,受主：摻入在半導體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導體中提供導電的空

10、穴， 并成為帶負電的離子。如Si中的B,P型半導體,半導體的摻雜,受主能級,半導體的摻雜,族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中分別為受主和施主雜質(zhì)，它們在禁帶中引入了能級；受主能級比價帶頂高 ，施主能級比導帶底低 ，均為淺能級，這兩種雜質(zhì)稱為淺能級雜質(zhì)。 雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)。當處于離化態(tài)時，施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮映蔀檎娭行模皇苤麟s質(zhì)向價帶提供空穴成為負電中心,半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，且,N型半導體,N型半導體,半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)，且,P型半導體,P型半導體,雜質(zhì)的補償作用,半導體中同時存在施主和受主雜質(zhì)時，半導體是N型還是P型由雜質(zhì)的濃度差決定 半導體中凈雜質(zhì)濃度稱為有

11、效雜質(zhì)濃度（有效施主濃度；有效受主濃度） 雜質(zhì)的高度補償（,點缺陷,弗倉克耳缺陷 間隙原子和空位成對出現(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缺陷受溫度影響較大，為熱缺陷，它們不斷產(chǎn)生和復合，直至達到動態(tài)平衡，總是同時存在的。 空位表現(xiàn)為受主作用；間隙原子表現(xiàn)為施主作用,點缺陷,替位原子（化合物半導體,位錯,位錯是半導體中的一種缺陷，它嚴重影響材料和器件的性能,位錯,施主情況 受主情況,練習,1、族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中為深能級雜質(zhì)。 （ ） 2、受主雜質(zhì)向價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（

12、 ）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,半導體中的電子狀態(tài) 半導體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導體中載流子的統(tǒng)計分布 半導體的導電性 非平衡載流子 pn結 金屬和半導體的接觸 半導體表面與MIS結構,半導體物理學,熱平衡狀態(tài),在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和載流子的復合建立起一動態(tài)平衡，這時的載流子稱為熱平衡載流子。 半導體的熱平衡狀態(tài)受溫度影響，某一特定溫度對應某一特定的熱平衡狀態(tài)。 半導體的導電性受溫度影響劇烈,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 個量子態(tài)，則狀態(tài)密度 為,態(tài)密度的計算,狀態(tài)密度的

13、計算 單位 空間的量子態(tài)數(shù) 能量 在 空間中所對應的體積 前兩者相乘得狀態(tài)數(shù) 根據(jù)定義公式求得態(tài)密度,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 ，每個量子態(tài)最多只能容納一個電子,態(tài)密度,導帶底附近狀態(tài)密度（理想情況,態(tài)密度,導帶底,價帶頂,練習,1、推導價帶頂附近狀態(tài)密度,費米能級,根據(jù)量子統(tǒng)計理論，服從泡利不相容原理的電子遵循費米統(tǒng)計律 對于能量為E的一個量子態(tài)被一個電子占據(jù)的概率 為 稱為電子的費米分布函數(shù) 空穴的費米分布函數(shù),費米分布函數(shù),稱為費米能級或費米能量 溫度 導電類型 雜質(zhì)含量 能量零點的選取 處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)有

14、統(tǒng)一的費米能級,費米分布函數(shù),當 時 若 ，則 若 ，則 在熱力學溫度為0度時，費米能級 可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限 當 時 若 ，則 若 ，則 若 ，則 費米能級是量子態(tài)基本上被 電子占據(jù)或基本上是空的一 個標志,玻爾茲曼分布函數(shù),當 時，由于 ，所以 費米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為 稱為電子的玻爾茲曼分布函數(shù),玻爾茲曼分布函數(shù),空穴的玻爾茲曼分布函數(shù),玻爾茲曼分布函數(shù),導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)電子分布在導帶底）；價帶中的空穴分布可用空穴的玻爾茲曼分布函數(shù)描寫（絕大多數(shù)空穴分布在價帶頂） 服從費米統(tǒng)計律的電子系統(tǒng)稱為簡并性系統(tǒng)；服從玻爾茲曼統(tǒng)計律的電子系統(tǒng)稱為非簡

15、并性系統(tǒng) 費米統(tǒng)計律與玻爾茲曼統(tǒng)計律的主要差別：前者受泡利不相容原理的限制,練習,1、空穴占據(jù)費米能級的概率在各種溫度下總是1/2。 （ ） 2、費米能級位置較高，說明有較多的能量較高的量子態(tài)上有電子。 （ ） 3、能量為E的一個量子態(tài)被一個空穴占據(jù)的概率為 （ ）。 4、為什么電子分布在導帶底，空穴分布在價帶頂,導帶中的電子濃度,在導帶上的 間有 個電子 從導帶底到導帶頂對 進行積分，得到能帶中的電子總數(shù)，除以半導體體積，就得到了導帶中的電子濃度,導帶中的電子濃度,導帶中的電子濃度,導帶寬度的典型值一般 ， ，所以 ，因此， ，積分上限改為 并不影響結果。由此可得導帶中電子濃度為,價帶中的空

16、穴濃度,同理得價帶中的空穴濃度,載流子濃度乘積,同理得價帶中的空穴濃度 熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導體中，在一定的溫度下，乘積 是一定的，如果電子濃度增大，空穴濃度就會減??；反之亦然,本征半導體載流子濃度,本征半導體 無任何雜質(zhì)和缺陷的半導體,本征費米能級,本征載流子濃度,既適用于本征半導體，也適用于非簡并的雜志半導體,雜質(zhì)半導體載流子濃度,一個能級能容納自旋方向相反的兩個電子 雜質(zhì)能級只能是下面兩種情況之一 被一個有任一自旋方向的電子占據(jù) 不接受電子,雜質(zhì)半導體載流子濃度,施主能級上的電子濃度（沒電離的施主濃度） 受主能級上的電子濃度（沒電離的受主濃度,雜質(zhì)半導體載流子濃度,電離施主濃度 電離受

17、主濃度,n和p的其他變換公式,本征半導體時,費米能級,對摻雜半導體,費米能級,接近室溫時,EF-Ei=kTln(ND/ni,練習,半導體中的電子狀態(tài) 半導體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導體中載流子的統(tǒng)計分布 半導體的導電性 非平衡載流子 pn結 金屬和半導體的接觸 半導體表面與MIS結構,半導體物理學,載流子輸運,半導體中載流子的輸運有三種形式： 漂移 擴散 產(chǎn)生和復合,歐姆定律,金屬導體外加電壓 ，電流強度為 電流密度為,歐姆定律,均勻?qū)w外加電壓 ，電場強度為 電流密度為 歐姆定律的微分形式,漂移電流,漂移運動 當外加電壓時，導體內(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動（定向運動的

18、速度稱為漂移速度,電流密度,漂移速度,漂移速度,半導體的電導率和遷移率,半導體中的導電作用為電子導電和空穴導電的總和 當電場強度不大時，滿足 ，故可得半導體中電導率為,半導體的電導率和遷移率,N型半導體 P型半導體 本征半導體,Question,導體在外加電場作用下，導體內(nèi)載流子的漂移電流有兩種表達形式,恒定,不斷增大,熱運動,在無電場作用下，載流子永無停息地做著無規(guī)則的、雜亂無章的運動，稱為熱運動 晶體中的碰撞和散射引起 凈速度為零，并且凈電流為零 平均自由時間為,熱運動,當有外電場作用時，載流子既受電場力的作用，同時不斷發(fā)生散射 載流子在外電場的作用下為熱運動和漂移運動的疊加，因此電流密度

19、是恒定的,散射的原因,載流子在半導體內(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，并使得載流子的運動速度及方向均發(fā)生改變，發(fā)生散射行為,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 代表單位時間內(nèi)一個載流子受到散射的次數(shù),電離施主散射,電離受主散射,晶格振動的散射,格波 形成原子振動的基本波動 格波波矢 對應于某一q值的格波數(shù)目不定，一個晶體中格波的總數(shù)取決于原胞中所含的原子數(shù) Si、Ge半導體的原胞含有兩個原子，對應于每一個q就有六個不同的格波，頻率低的三個格波稱為聲學波，頻率高的三個為光學波

20、長聲學波（聲波）振動在散射前后電子能量基本不變，稱為彈性散射；光學波振動在散射前后電子能量有較大的改變，稱為非彈性散射,晶格振動的散射,聲學波散射 在能帶具有單一極值的半導體中起主要散射作用的是長波 在長聲學波中，只有縱波在散射中起主要作用，它會引起能帶的波形變化 聲學波散射概率 光學波散射 在低溫時不起作用，隨著溫度的升高，光學波的散射概率迅速增大,練習,1、載流子的熱運動在半導體內(nèi)會構成電流。（ ） 2、在半導體中，載流子的三種輸運方式為（ ）、 （ ）和（ ）。 3、載流子在外電場的作用下是（ ）和（ ）兩種運動的疊加，因此電流密度大小（ ）。 4、什么是散射,與 的關系,N個電子以速度

21、 沿某方向運動，在 時刻未遭到散射的電子數(shù)為 ，則在 時間內(nèi)被散射的電子數(shù)為,因此,與 的關系,上式的解為,則 被散射的電子數(shù)為,與 的關系,在 時間內(nèi)被散射的所有電子的自由時間為 ，這些電子自由時間的總和為 ，則 個電子的平均自由時間可表示為,與 的關系,平均漂移速度為,與 的關系,N型半導體 P型半導體 本征半導體,與 及 的關系,電離雜質(zhì)散射 聲學波散射 光學波散射,與 及 的關系,電離雜質(zhì)散射 聲學波散射 光學波散射,影響遷移率的因素,與散射有關 晶格散射 電離雜質(zhì)散射,N型半導體 P型半導體 本征半導體,電阻率,電阻率與摻雜的關系,N型半導體 P型半導體,電阻率與溫度的關系,本征半導

22、體 本征半導體電阻率隨溫度增加而單調(diào)地下降 雜質(zhì)半導體,區(qū)別于金屬,速度飽和,在低電場作用下，載流子在半導體中的平均漂移速度v與外加電場強度E呈線性關系；隨著外加電場的不斷增大，兩者呈非線性關系，并最終平均漂移速度達到一飽和值，不隨E變化。 n-Ge,耿氏效應,耿氏效應 n-GaAs外加電場強度超過 時，半導體內(nèi)的電流以 的頻率發(fā)生振蕩,練習,一、判斷 1、在半導體中，原子最外層電子的共有化運動最顯著。 （ ） 2、不同的k值可標志自由電子的不同狀態(tài)，但它不可標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、半導體中兩種載流子數(shù)目相同的為高純半

23、導體。 （,練習,二、填空 1、半導體材料結構可分為（ ）、（ ）、（ ），應用最為廣泛的是（ ）。 2、金剛石型單胞的基礎結構為（ ），金剛石型為（ ）對稱性，閃鋅礦型結構為（ ）對稱性，纖鋅礦型為（ ）對稱性。 3、導帶和價帶間間隙稱為（ ），Si的禁帶寬度為（ ），Ge為（ ），GaAs為（ ）。 4、固體按其導電性可分為（ ）、（ ）、（,練習,5、雜質(zhì)總共可分為兩大類（ ）和（ ），施主雜質(zhì)為（ ），受主雜質(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，能級E處的空穴濃度為（ ）。 8 、在半導體中，載流

24、子的三種輸運方式為（ ）、 （ ）和（,練習,三、簡答 1、單胞的概念及兩大注意點？ 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，為什么半導體內(nèi)載流子的漂移電流恒定，試從載流子的運動角度說明。 7、在室溫下，熱平衡時，Si半導體中 ， ，求半導體中的電子和空穴濃度,半導體中的電子狀態(tài) 半導體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導體中載流子的統(tǒng)計分布 半導體的導電性 非平衡載流子 pn結 金屬和半導體的接觸 半導體表面與MIS結構,半導體物理學,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子 非簡并半

25、導體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式,只受溫度T影響,由于受外界因素如光、電的作用，半導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,平衡載流子滿足費米狄拉克統(tǒng)計分布,過剩載流子不滿足費米狄拉克統(tǒng)計分布,且公式,不成立,載流子的產(chǎn)生和復合：電子和空穴增加和消失的過程,過剩載流子,過剩載流子和電中性,平衡時 過剩載流子,電中性,小注入條件,小注入條件：注入的非平衡載流子濃度比平衡時的多數(shù)載流子濃度小的多,N型材料,P型材料,小注入條件,例：室溫下一受到微擾的摻雜硅， 判斷其是否滿足小注入條件,解,滿足小注入條件?。?注：（1

26、）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,非平衡載流子壽命,假定光照產(chǎn)生 和 ，如果光突然關閉， 和 將隨時間逐漸衰減直至0，衰減的時間常數(shù)稱為壽命 ，也常稱為少數(shù)載流子壽命 單位時間內(nèi)非平衡載流子的復合概率 非平衡載流子的復合率,復合,n型材料中的空穴,當 時， ，故壽命標志著非平衡載流子濃度減小到原值的1/e所經(jīng)歷的時間；壽命越短，衰減越快,費米能級,熱平衡狀態(tài)下的非簡并半導體中有統(tǒng)一的費米能級,統(tǒng)一的費米能級是熱平衡狀態(tài)的標志,準費米能級,當半導體的熱平衡狀態(tài)被打破時，新的熱平衡狀態(tài)

27、可通過熱躍遷實現(xiàn)，但導帶和價帶間的熱躍遷較稀少 導帶和價帶各自處于平衡態(tài)，因此存在導帶費米能級和價帶費米能級，稱其為“準費米能級,準費米能級,注： 非平衡載流子越多，準費米能級偏離 就越遠。 在非平衡態(tài)時，一般情況下，少數(shù)載流子的準費米能級偏離費米能級較大,準費米能級,注： 兩種載流子的準費米能級偏離的情況反映了半導體偏離熱平衡狀態(tài)的程度,產(chǎn)生和復合,產(chǎn)生 電子和空穴（載流子）被創(chuàng)建的過程 產(chǎn)生率（G）：單位時間單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電子空穴對數(shù) 復合 電子和空穴（載流子）消失的過程 復合率（R）：單位時間單位體積內(nèi)復合掉的電子空穴對數(shù) 產(chǎn)生和復合會改變載流子的濃度，從而間接地影響電流,復合,直接

28、復合 間接復合 Auger復合,禁帶寬度小的半導體材料,窄禁帶半導體及高溫情況下,具有深能級雜質(zhì)的半導體材料,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,練習,1、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、壽命標志著非平衡載流子濃度減小到原值的（ ）所經(jīng)歷的時間。 3、簡述小注入條件 4、處于非平衡態(tài)的p型半導體中， 和 哪個距 近？為什么,陷阱效應,當半導體處于非平衡態(tài)時，雜質(zhì)能級具有積累非平衡載流子的作用，即具有一定的陷阱效應 所有雜質(zhì)能級都具有陷阱效應 具有顯著陷阱效應的雜質(zhì)能級稱為陷阱；相應的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心 雜質(zhì)能級與平衡時的費米

29、能級重合時，最有利于陷阱作用,擴散,粒子從高濃度向低濃度區(qū)域運動,擴散電流,半導體內(nèi)總電流,擴散+漂移,擴散系數(shù)和遷移率的關系,考慮非均勻半導體,愛因斯坦關系,在平衡態(tài)時，凈電流為0,連續(xù)性方程,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？(,半導體中的電子狀態(tài) 半導體中雜質(zhì)和缺陷能級 半導體中載流子的統(tǒng)計分布 半導體的導電性 非平衡載流子 pn結 金屬和半導體的接觸 半導體表面與MIS結構,半導體物理學,PN結雜質(zhì)分布,PN結是同一塊半導體晶體內(nèi)P型區(qū)和N型區(qū)之間的邊界 PN結是各種半導體器件的基礎，了解它的工作原理有助于更好地理解器件 典型制造過

30、程 合金法 擴散法,PN結雜質(zhì)分布,下面兩種分布在實際器件中最常見也最容易進行物理分析,突變結: 線性緩變結: 淺結、重摻雜（3um） 或外延的PN結,PN結的形成,PN結中的能帶,PN,內(nèi)建電勢,內(nèi)建電勢,PN結的內(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,能帶 內(nèi)建電勢 電場,VA0條件下的突變結,外加電壓全部降落在耗盡區(qū)，VA大于0時，使耗盡區(qū)勢壘下降，反之上升。即耗盡區(qū)兩側電壓為Vbi-VA,反偏PN結,反偏電壓能改變耗盡區(qū)寬度嗎,準費米能級,理想二極管方程,PN結正偏時,理想二極管方程,PN結反偏時,定量方程,基本假設 P型區(qū)及N型區(qū)摻雜均勻分布，是突變結。 電中性區(qū)

31、寬度遠大于擴散長度。 冶金結為面積足夠大的平面，不考慮邊緣效應，載流子在PN結中一維流動。 空間電荷區(qū)寬度遠小于少子擴散長度, 不考慮空間電荷區(qū)的產(chǎn)生復合作用。 P型區(qū)和N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,準中性區(qū)的載流子運動情況,穩(wěn)態(tài)時, 假設GL=0 邊界條件: 圖6.4 歐姆接觸邊界 耗盡層邊界,邊界條件,歐姆接觸邊界 耗盡層邊界(pn結定律,耗盡層邊界,P型一側,P,N,耗盡層邊界(續(xù),N型一側,耗盡層邊界處非平衡載流子濃度與 外加電壓有關,準中性區(qū)載流子濃度,理想二極管方程,求解過程 準中性區(qū)少子擴散方程 求Jp(xn) 求Jn(-xp) J= Jp(xn)+ Jn(

32、-xp,理想二極管方程(1,新的坐標: 邊界條件,xp xn,0,x,X,空穴電流,一般解,電子電流,P型側,PN結電流,PN結電流與溫度的關系,與理想情況的偏差,大注入效應 空間電荷區(qū)的復合,空間電荷區(qū)的產(chǎn)生與復合,正向有復合電流 反向有產(chǎn)生電流,空間電荷區(qū)的產(chǎn)生與復合-1,反向偏置時, 正向偏置時, 計算比較復雜,VA愈低，IR-G愈是起支配作用,VAVbi時的大電流現(xiàn)象,串聯(lián)電阻效應,q/kT,Log(I,VA,VAVbi時的大電流現(xiàn)象-1,大注入效應,大注入是指正偏工作時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)。pnnno,VAVbi時的大電流現(xiàn)象-2,VAVbi時的大電流現(xiàn)象-3,VA越大, 電流上升變緩,反向擊穿,電流急劇增加 可逆 雪崩倍增 齊納過程 不可逆 熱擊穿,雪崩倍增,齊納過程,產(chǎn)生了隧穿效應,E,隧道穿透幾率P,隧道長度,隧道擊穿: VB6Eg/q,PN結二極管的等效電路,小信號加到PN結上,va,VA,P,N,Rs,G,C,反向偏置結電容,也稱勢壘電容或過渡區(qū)電容,反向偏置結電容-1,反向偏置結電容-2,耗盡近似下線性緩變結的空間電荷區(qū)電荷總量,參數(shù)提取和雜質(zhì)分布,CV測量系統(tǒng),VA,1/C2,Vbi,擴散電容,擴散電容-1,表現(xiàn)為電容形式,擴散電容-2,擴散電容與正向電流成正比,練習,