半導(dǎo)體物理學(xué)(第七版)+電子工業(yè)出版社++劉恩科等編著+ppt.

1、1半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)李巖李巖2半導(dǎo)體物理學(xué) 教材教材: 半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)(第七版第七版)，劉恩科等編著，劉恩科等編著，電子工業(yè)出版社，電子工業(yè)出版社 參考書(shū)：參考書(shū)： 半導(dǎo)體物理與器件（第三版），Donald A.Neamen著，電子工業(yè)出版社 樊昌信著，半導(dǎo)體物理，國(guó)防工業(yè)出版社，2009年1月第六版 王建平編著，半導(dǎo)體物理，人民郵電出版社，2007月10月第一版 3一一半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)二二半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布布四四半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五非平衡載流子非平衡載流子六六pn結(jié)結(jié)七

2、七金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)4固態(tài)電子學(xué)分支之一固態(tài)電子學(xué)分支之一微電子學(xué)微電子學(xué)光電子學(xué)光電子學(xué)研究在固體（主要是半導(dǎo)體材料上構(gòu)成研究在固體（主要是半導(dǎo)體材料上構(gòu)成的微小型化器件、電路、及系統(tǒng)的電子學(xué)的微小型化器件、電路、及系統(tǒng)的電子學(xué)分支學(xué)科分支學(xué)科微電子學(xué)簡(jiǎn)介微電子學(xué)簡(jiǎn)介:半導(dǎo)體概要半導(dǎo)體概要目 前主要方向：太陽(yáng)能，納米結(jié)構(gòu)，生物應(yīng)用5微電子學(xué)研究領(lǐng)域微電子學(xué)研究領(lǐng)域半導(dǎo)體器件物理半導(dǎo)體器件物理集成電路工藝集成電路工藝集成電路設(shè)計(jì)和測(cè)試集成電路設(shè)計(jì)和測(cè)試微電子學(xué)發(fā)展的特點(diǎn)微電子學(xué)發(fā)展的特點(diǎn)向高集成度、低功耗、向高集成度、低功

3、耗、高性能高可靠性電路方高性能高可靠性電路方向發(fā)展向發(fā)展與其它學(xué)科互相滲透，與其它學(xué)科互相滲透，形成新的學(xué)科領(lǐng)域：形成新的學(xué)科領(lǐng)域： 光電集成、光電集成、MEMS、生、生物芯片物芯片半導(dǎo)體概要半導(dǎo)體概要6固體材料分成：固體材料分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體什么是半導(dǎo)體？什么是半導(dǎo)體？半導(dǎo)體及其基本特性半導(dǎo)體及其基本特性可以在在特定溫度以下，呈現(xiàn)電阻為零的導(dǎo)體 78一一半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)二二半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布布四四半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五非平衡載流子非平衡載流子六

4、六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)9半導(dǎo)體的純度和結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的純度和結(jié)構(gòu) 純度純度 極高，雜質(zhì)1013cm-3 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)10晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 單胞單胞 對(duì)于任何給定的晶體，可以用來(lái)形成其晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)于任何給定的晶體，可以用來(lái)形成其晶體結(jié)構(gòu)的最小單元最小單元注：注：（a）單胞無(wú)需是唯一的）單胞無(wú)需是唯一的 （ b）單胞無(wú)需是基本的）單胞無(wú)需是基本的11晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 三維立方單胞三維立方單胞 簡(jiǎn)立方、簡(jiǎn)立方、 體心立方、體心立方、 面立方面立方12金剛石晶體結(jié)構(gòu)金剛石晶體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)原子結(jié)合形式：共價(jià)鍵原子結(jié)合形

5、式：共價(jià)鍵形成的晶體結(jié)構(gòu)：形成的晶體結(jié)構(gòu)： 構(gòu)成一個(gè)正四構(gòu)成一個(gè)正四面體，具有面體，具有 金金 剛剛 石石 晶晶 體體 結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)價(jià)鍵之間具有相同的夾角o109 2813半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 有有: 元元 素素 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 如如Si、Ge 金剛石晶體結(jié)構(gòu)金剛石晶體結(jié)構(gòu)14 Si和Ge的晶格常數(shù)a分別為0.543102nm和0.565791nm 硅每立方厘米體積有 鍺每立方厘米體積有 兩原子間最短距離硅為0.235nm,鍺為0.245nm225.00 10224.42 10個(gè)原子個(gè)原子15半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 有有: 化化 合合 物物 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 如如GaAs、InP、ZnS閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)閃

6、鋅礦晶體結(jié)構(gòu)金剛石型 閃鋅礦型161718原子的能級(jí)原子的能級(jí) 電子殼層電子殼層 不同支殼層電子 1s；2s，2p；3s，2p，3d； 共有化運(yùn)動(dòng)共有化運(yùn)動(dòng)19電子共有化運(yùn)動(dòng)概念 原子組成晶體后，由于電子殼層的交疊，電子不再完全局限在某一個(gè)原子上，可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，因而，電子將可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。 共有化運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生由于不同原子的相似殼層間的交疊，由于內(nèi)個(gè)殼層交疊程度不同，所以只有最個(gè)層電子的共有化運(yùn)動(dòng)才顯著。20+14 電子的能級(jí)是量子化的n=3n=3四個(gè)電子四個(gè)電子n=2n=28 8個(gè)電子個(gè)電子n=1n=12 2個(gè)電子個(gè)電子SiHSi原子的能級(jí)原子的能級(jí)21原子的能級(jí)的分

7、裂原子的能級(jí)的分裂 孤立原子的能級(jí)孤立原子的能級(jí) 4個(gè)原子能級(jí)的分裂個(gè)原子能級(jí)的分裂 22原子的能級(jí)的分裂原子的能級(jí)的分裂 原子能級(jí)分裂為能帶原子能級(jí)分裂為能帶 23Si的的能帶能帶 （價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙價(jià)帶、導(dǎo)帶和帶隙24價(jià)帶：價(jià)帶：0K0K條件下被電子填充的能量的能帶條件下被電子填充的能量的能帶導(dǎo)帶：導(dǎo)帶：0K0K條件下未被電子填充的能量的能帶條件下未被電子填充的能量的能帶帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差帶隙：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)25自由電子的運(yùn)動(dòng)自由電子的運(yùn)動(dòng) 微觀粒子具有波粒二象性微觀粒子具有波粒二象性 0pm v202pEm()( , )i K r

8、tr tAe pKEhvA為常數(shù)，r是空間某點(diǎn)的矢徑，k是平面波的波數(shù)，等于波長(zhǎng) 倒數(shù)的 倍226半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng) 薛定諤方程及其解的形式薛定諤方程及其解的形式 2220( )()( )( )( )( )2V xV xsadxV xxExmdx( )( )( )()ikxkkkkxux euxuxna布洛赫波函數(shù)布洛赫波函數(shù)27布里淵區(qū)與能帶2829固體材料分成：固體材料分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體固體材料的能帶圖固體材料的能帶圖30金剛石的禁帶寬度為67eV,是絕緣體。硅為1.12eV，鍺為0.67eV,砷化鎵1.43eV，它們都是半導(dǎo)體

9、31半導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體半導(dǎo)體、絕緣體和導(dǎo)體32半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體的能帶 本征激發(fā)本征激發(fā) 33練習(xí)練習(xí)1、什么是共有化運(yùn)動(dòng)？、什么是共有化運(yùn)動(dòng)？2、畫(huà)出、畫(huà)出Si原子結(jié)構(gòu)圖（畫(huà)出原子結(jié)構(gòu)圖（畫(huà)出s態(tài)和態(tài)和p態(tài)并注明該態(tài)并注明該能級(jí)層上的電子數(shù)）能級(jí)層上的電子數(shù)）3、電子所處能級(jí)越低越穩(wěn)定。、電子所處能級(jí)越低越穩(wěn)定。 （ ）4、無(wú)論是自由電子還是晶體材料中的電子，他們、無(wú)論是自由電子還是晶體材料中的電子，他們?cè)谀程幊霈F(xiàn)的幾率是恒定不變的。在某處出現(xiàn)的幾率是恒定不變的。 （ ）5、分別敘述半導(dǎo)體與金屬和絕緣體在導(dǎo)電過(guò)程中、分別敘述半導(dǎo)體與金屬和絕緣體在導(dǎo)電過(guò)程中的差別。的差別。34薛定諤方程 薛

10、定諤方程（Schrdinger equation）是由奧地利物理學(xué)家薛定諤提出的量子力學(xué)中的一個(gè)基本方程，也是量子力學(xué)的一個(gè)基本假定，其正確性只能靠實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。它是將物質(zhì)波的概念和波動(dòng)方程相結(jié)合建立的二階偏微分方程，可描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，每個(gè)微觀系統(tǒng)都有一個(gè)相應(yīng)的薛定諤方程式，通過(guò)解方程可得到波函數(shù)的具體形式以及對(duì)應(yīng)的能量，從而了解微觀系統(tǒng)的性質(zhì)。 35薛定諤方程及其解的形式薛定諤方程及其解的形式 2220( )()( )( )( )( )2V xV xsadxV xxExmdx( )( )( )()ikxkkkkxux euxuxna布洛赫波函數(shù)布洛赫波函數(shù)晶體中電子晶體中電子所遵守的薛所遵

11、守的薛定諤方程定諤方程S S為常數(shù)，為常數(shù)，a a為晶格常數(shù)為晶格常數(shù)36布里淵區(qū)的概念37半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中E（K）與）與K的關(guān)系的關(guān)系 在導(dǎo)帶底部，波數(shù)在導(dǎo)帶底部，波數(shù) ，附近，附近 值很小，值很小，將將 在在 附近泰勒展開(kāi)附近泰勒展開(kāi) 220021( )(0)()().2kkdEd EE kEkkdkdk0k k( )E k0k 22021( )(0)()2kd EE kEkdk38半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中E（K）與）與K的關(guān)系的關(guān)系22021( )(0)()2kd EE kEkdk令令 代入上式得代入上式得2022*11()knd Edkm22*( )(0)2nkE kEm39自由電子的能量自由

12、電子的能量 微觀粒子具有波粒二象性微觀粒子具有波粒二象性 0pm u202pEm()( , )i K rtr tAe pKEhv2202kEm40半導(dǎo)體中電子的平均速度半導(dǎo)體中電子的平均速度 在周期性勢(shì)場(chǎng)內(nèi)，電子的平均速度在周期性勢(shì)場(chǎng)內(nèi)，電子的平均速度u可表示可表示為波包的群速度為波包的群速度 dvudk1 dEudk22*( )(0)2nh kE kEm*nkumEhv41自由電子的速度自由電子的速度 微觀粒子具有波粒二象性微觀粒子具有波粒二象性 0pm u202pEm()( , )i K rtr tAe pKEhv0kum42半導(dǎo)體中電子的加速度半導(dǎo)體中電子的加速度 半導(dǎo)體中電子在一強(qiáng)度為

13、半導(dǎo)體中電子在一強(qiáng)度為 E的外加電場(chǎng)作用的外加電場(chǎng)作用下，外力對(duì)電子做功為電子能量的變化下，外力對(duì)電子做功為電子能量的變化dEfdsfudt1 dEudkf dEdEdtdkdkfdt 2222211()duddEd E dkf d Eadtdt dkdkdtdk43半導(dǎo)體中電子的加速度半導(dǎo)體中電子的加速度令令 即即2*2211nd Emdk*nfam2*22nmd Edk44有效質(zhì)量的意義有效質(zhì)量的意義 自由電子只受外力作用；半導(dǎo)體中的電子自由電子只受外力作用；半導(dǎo)體中的電子不僅受到外力的作用，同時(shí)還受半導(dǎo)體內(nèi)不僅受到外力的作用，同時(shí)還受半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用部勢(shì)場(chǎng)的作用 意義：有效質(zhì)量概括了

14、半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的意義：有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用，使得研究半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作用，使得研究半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)更為簡(jiǎn)便（有效質(zhì)量可由試驗(yàn)測(cè)定）時(shí)更為簡(jiǎn)便（有效質(zhì)量可由試驗(yàn)測(cè)定）45空穴空穴 只有非滿帶電子才可導(dǎo)電只有非滿帶電子才可導(dǎo)電 導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴具有導(dǎo)電特性；電子導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴具有導(dǎo)電特性；電子帶負(fù)電帶負(fù)電-q（導(dǎo)帶底），空穴帶正電（導(dǎo)帶底），空穴帶正電+q（價(jià)（價(jià)帶頂）帶頂）46K空間等能面空間等能面 在在k=0處為能帶極值處為能帶極值22*( )(0)2nkE kEm22*( )(0)2pkE kEm 導(dǎo)帶底附近導(dǎo)帶底附近價(jià)帶頂附近價(jià)帶頂附近47K空間等能面空間

15、等能面 以以 、 、 為坐標(biāo)軸構(gòu)成為坐標(biāo)軸構(gòu)成 空間，空間， 空間空間任一矢量代表波矢任一矢量代表波矢 導(dǎo)帶底附近導(dǎo)帶底附近xk2222xyzkkkkykzkkkk2222*( )(0)()2xyznE kEkkkm48K空間等能面空間等能面 對(duì)應(yīng)于某一對(duì)應(yīng)于某一 值，有許多組不同的值，有許多組不同的 ，這些組構(gòu)成一個(gè)封閉面，這些組構(gòu)成一個(gè)封閉面，在著個(gè)面上能量值為一恒值，這個(gè)面稱在著個(gè)面上能量值為一恒值，這個(gè)面稱為等能量面，簡(jiǎn)稱等能面。為等能量面，簡(jiǎn)稱等能面。 等能面為一球面（理想）等能面為一球面（理想）( )E k(,)xyzk kk2222*( )(0)()2xyznE kEkkkm49

16、一一半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)二二半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布布四四半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五非平衡載流子非平衡載流子六六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)50與理想情況的偏離與理想情況的偏離 晶格原子是振動(dòng)的晶格原子是振動(dòng)的 材料含雜質(zhì)材料含雜質(zhì) 晶格中存在缺陷晶格中存在缺陷 點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子）點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子） 線缺陷（位錯(cuò)）線缺陷（位錯(cuò)） 面缺陷（層錯(cuò)）面缺陷（層錯(cuò)）51與理想情況的偏離的影響與理想情況的偏離的影響 極微量的雜質(zhì)

17、和缺陷，會(huì)對(duì)半導(dǎo)體材料極微量的雜質(zhì)和缺陷，會(huì)對(duì)半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響，同時(shí)也嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的質(zhì)量響，同時(shí)也嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的質(zhì)量。1個(gè)個(gè)B原子原子/ 個(gè)個(gè)Si原子原子 在室溫下電導(dǎo)率提高在室溫下電導(dǎo)率提高 倍倍Si單晶位錯(cuò)密度要求低于單晶位錯(cuò)密度要求低于5103103210 cm52與理想情況的偏離的原因與理想情況的偏離的原因 理論分析認(rèn)為，雜質(zhì)和缺陷的存在使得理論分析認(rèn)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)生的周期性原本周期性排列的原子所產(chǎn)生的周期性勢(shì)場(chǎng)受到破壞，并在禁帶中引入了能級(jí)勢(shì)場(chǎng)受到破壞，并在禁帶中引入了能級(jí)，

18、允許電子在禁帶中存在，從而使半導(dǎo)，允許電子在禁帶中存在，從而使半導(dǎo)體的性質(zhì)發(fā)生改變。體的性質(zhì)發(fā)生改變。53硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí)例：如圖所示為一晶格常數(shù)為例：如圖所示為一晶格常數(shù)為a的的Si晶胞，求：晶胞，求： （a）Si原子半徑原子半徑 （b）晶胞中所有）晶胞中所有Si原子占據(jù)晶胞的百分比原子占據(jù)晶胞的百分比解：（解：（a）1 13(3 )2 48raa（b）3348330.3416ra54間隙式雜質(zhì)、替位式雜質(zhì)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，雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，該雜質(zhì)稱為該雜質(zhì)稱為間隙式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)。 間隙式雜質(zhì)原子一般比較小

19、，如間隙式雜質(zhì)原子一般比較小，如Si、Ge、GaAs材料中的離子鋰（材料中的離子鋰（0.068nm）。）。 雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處，該雜質(zhì)稱為，該雜質(zhì)稱為替位式雜質(zhì)替位式雜質(zhì)。 替位式雜質(zhì)原子的大小和價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)替位式雜質(zhì)原子的大小和價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)要求與被取代的晶格原子相近。如要求與被取代的晶格原子相近。如、族元素在族元素在Si、Ge晶體中都為替位式雜質(zhì)。晶體中都為替位式雜質(zhì)。55間隙式雜質(zhì)、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)濃度單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)稱為雜質(zhì)濃度56練習(xí)練習(xí)1、實(shí)際情況下、實(shí)際情況下k空間的等能面與

20、理想情況下的等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？能面分別是如何形狀的？它們之間有差別的原因？2、實(shí)際情況的半導(dǎo)體材料與理想的半導(dǎo)體材料有、實(shí)際情況的半導(dǎo)體材料與理想的半導(dǎo)體材料有何不同？何不同？3、雜質(zhì)和缺陷是如何影響半導(dǎo)體的特性的？、雜質(zhì)和缺陷是如何影響半導(dǎo)體的特性的？57施主施主：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子，：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的電子， 并成為帶正電的離子。如并成為帶正電的離子。如SiSi中的中的P P 和和As As N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體As半導(dǎo)體的摻雜半導(dǎo)體的摻雜DEDECEVE施主能級(jí)施主能

21、級(jí)58受主受主：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴，：摻入在半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子，能夠向半導(dǎo)體中提供導(dǎo)電的空穴， 并成為帶負(fù)電的離子。如并成為帶負(fù)電的離子。如SiSi中的中的B BP型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體B半導(dǎo)體的摻雜半導(dǎo)體的摻雜CEVEAEAE受主能級(jí)受主能級(jí)59半導(dǎo)體的摻雜半導(dǎo)體的摻雜 、族雜質(zhì)在族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中分別為受晶體中分別為受主和施主雜質(zhì)，它們?cè)诮麕е幸肓四苤骱褪┲麟s質(zhì)，它們?cè)诮麕е幸肓四芗?jí)；受主能級(jí)比價(jià)帶頂高級(jí)；受主能級(jí)比價(jià)帶頂高 ，施主能級(jí)，施主能級(jí)比導(dǎo)帶底低比導(dǎo)帶底低 ，均為淺能級(jí)，這兩種，均為淺能級(jí)，這兩種雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì)。雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì)。 雜

22、質(zhì)處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)。雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)。當(dāng)處于離化態(tài)時(shí)，施主雜質(zhì)向?qū)峁┊?dāng)處于離化態(tài)時(shí)，施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮映蔀檎娭行模皇苤麟s質(zhì)向價(jià)帶提電子成為正電中心；受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為負(fù)電中心。供空穴成為負(fù)電中心。AEDE60 半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，且半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，且 。DANNDANNN型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體61 半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，且半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)，且 。ADNNADNNP型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體62雜質(zhì)的補(bǔ)償作用雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì)半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主

23、雜質(zhì)時(shí)，半導(dǎo)體是時(shí)，半導(dǎo)體是N型還是型還是P型由雜質(zhì)的型由雜質(zhì)的濃度差決定濃度差決定 半導(dǎo)體中凈雜質(zhì)濃度稱為有效雜質(zhì)半導(dǎo)體中凈雜質(zhì)濃度稱為有效雜質(zhì)濃度（有效施主濃度；有效受主濃濃度（有效施主濃度；有效受主濃度）度） 雜質(zhì)的高度補(bǔ)償（雜質(zhì)的高度補(bǔ)償（ ）ADNN63點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 弗倉(cāng)克耳缺陷弗倉(cāng)克耳缺陷 間隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn)間隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn) 肖特基缺陷肖特基缺陷 只存在空位而無(wú)間隙原子只存在空位而無(wú)間隙原子 間隙原子和空位這兩種點(diǎn)缺陷受溫度影響較間隙原子和空位這兩種點(diǎn)缺陷受溫度影響較大，為大，為熱缺陷熱缺陷，它們不斷產(chǎn)生和復(fù)合，直至，它們不斷產(chǎn)生和復(fù)合，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，總是達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡

24、，總是同時(shí)存在同時(shí)存在的。的。 空位空位表現(xiàn)為表現(xiàn)為受主作用受主作用；間隙原子間隙原子表現(xiàn)為表現(xiàn)為施主施主作用作用64點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 替位原子（化合物半導(dǎo)體）替位原子（化合物半導(dǎo)體）65位錯(cuò)位錯(cuò) 位錯(cuò)是半導(dǎo)體中的一種缺陷，它嚴(yán)重影位錯(cuò)是半導(dǎo)體中的一種缺陷，它嚴(yán)重影響材料和器件的性能。響材料和器件的性能。66位錯(cuò)位錯(cuò)施主情況施主情況 受主情況受主情況67練習(xí)練習(xí)1、族雜質(zhì)在族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中為深能級(jí)雜質(zhì)。晶體中為深能級(jí)雜質(zhì)。 （ ）2、受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為正電中心。（、受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為正電中心。（ ）3、雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)：、雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)：（ ）和（和（ ）。）。4、空位表

25、現(xiàn)為（、空位表現(xiàn)為（ ）作用，間隙原子表現(xiàn)為（）作用，間隙原子表現(xiàn)為（ ）作）作用。用。5、以、以Si在在GaAs中的行為為例，說(shuō)明中的行為為例，說(shuō)明族雜質(zhì)在族雜質(zhì)在化合化合物中可能出現(xiàn)的雙性行為。物中可能出現(xiàn)的雙性行為。68一一半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)二二半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布布四四半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五非平衡載流子非平衡載流子六六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)69熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài) 在一定溫度下，在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生載

26、流子的產(chǎn)生和和載流子的復(fù)載流子的復(fù)合合建立起一動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)的載流子稱為建立起一動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)的載流子稱為熱熱平衡載流子平衡載流子。 半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)受半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)受溫度溫度影響，某一特定影響，某一特定溫度對(duì)應(yīng)某一特定的熱平衡狀態(tài)。溫度對(duì)應(yīng)某一特定的熱平衡狀態(tài)。 半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的導(dǎo)電性導(dǎo)電性受受溫度溫度影響劇烈。影響劇烈。70態(tài)密度的概念態(tài)密度的概念 能帶中能量能帶中能量 附近每單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)附近每單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)。數(shù)。 能帶中能量為能帶中能量為 無(wú)限小的能量間隔內(nèi)無(wú)限小的能量間隔內(nèi)有有 個(gè)量子態(tài)，則狀態(tài)密度個(gè)量子態(tài)，則狀態(tài)密度 為為( )g EEEdE（）zd( )d

27、zg EdEE71態(tài)密度的計(jì)算態(tài)密度的計(jì)算 狀態(tài)密度的計(jì)算狀態(tài)密度的計(jì)算單位單位 空間的量子態(tài)數(shù)空間的量子態(tài)數(shù)能量能量 在在 空間中所對(duì)應(yīng)空間中所對(duì)應(yīng)的體積的體積前兩者相乘得狀態(tài)數(shù)前兩者相乘得狀態(tài)數(shù)根據(jù)定義公式求得態(tài)密度根據(jù)定義公式求得態(tài)密度( )g EEEdE（）kdzk72空間中的量子態(tài)空間中的量子態(tài) 在在 空間中，電子的允許能量狀態(tài)密度為空間中，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，考慮電子的自旋情況，電子的允許量子態(tài)密度為 ，每個(gè)量子態(tài)最多只能容納，每個(gè)量子態(tài)最多只能容納一個(gè)電子一個(gè)電子。2(0, 1, 2,2(0, 1, 2,2(0, 1, 2,xx

28、xyyyzzznknLnknLnknL ）3/ 8V（）kk3/ 4V（）73態(tài)密度態(tài)密度 導(dǎo)帶底附近狀態(tài)密度（理想情況）導(dǎo)帶底附近狀態(tài)密度（理想情況）22*( )2CnkE kEm2344Vdzk dk*2nm dEkdk * 3/21/223(2)()2nCmVdzEEdE74態(tài)密度態(tài)密度* 3/21/223(2)( )()2ncCmdzVgEEEdE* 3/21/223(2)( )()2pvvmdzVgEEEdE（導(dǎo)帶底）（導(dǎo)帶底）（價(jià)帶頂）（價(jià)帶頂）75練習(xí)練習(xí)1、推導(dǎo)價(jià)帶頂附近狀態(tài)密度、推導(dǎo)價(jià)帶頂附近狀態(tài)密度()vgE76費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí) 根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)理論，服從泡利不相容原理的電根據(jù)

29、量子統(tǒng)計(jì)理論，服從泡利不相容原理的電子遵循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律子遵循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律 對(duì)于能量為對(duì)于能量為E E的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的概率概率 為為 稱為電子的費(fèi)米分布函數(shù)稱為電子的費(fèi)米分布函數(shù) 空穴的費(fèi)米分布函數(shù)？空穴的費(fèi)米分布函數(shù)？( )f E01( )1FE Ek Tf Ee( )f E1( )f E77費(fèi)米分布函數(shù)費(fèi)米分布函數(shù) 稱為費(fèi)米能級(jí)或費(fèi)米能量稱為費(fèi)米能級(jí)或費(fèi)米能量溫度溫度導(dǎo)電類(lèi)型導(dǎo)電類(lèi)型雜質(zhì)含量雜質(zhì)含量能量零點(diǎn)的選取能量零點(diǎn)的選取 處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)FE()iif EN()FTdFEdN78費(fèi)米分布

30、函數(shù)費(fèi)米分布函數(shù) 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)若若 ，則，則若若 ，則，則l 在熱力學(xué)溫度為在熱力學(xué)溫度為0 0度時(shí)，費(fèi)米能級(jí)度時(shí)，費(fèi)米能級(jí) 可看成量子態(tài)是否被電子可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限占據(jù)的一個(gè)界限 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)若若 ，則，則若若 ，則，則若若 ，則，則l 費(fèi)米能級(jí)是量子態(tài)基本上被費(fèi)米能級(jí)是量子態(tài)基本上被 電子占據(jù)或基本上是空的一電子占據(jù)或基本上是空的一 個(gè)標(biāo)志個(gè)標(biāo)志FEE( )1f E FEE( )0f E 01( )1FE Ek Tf EeFE0TK0TKFEEFEEFEE( )1/2f E ( )1/2f E ( )1/2f E 79玻爾茲曼分布函數(shù)玻爾茲曼分布函數(shù) 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)，由于，由于

31、，所以所以費(fèi)米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為費(fèi)米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為 稱為電子的玻爾茲曼分布函數(shù)稱為電子的玻爾茲曼分布函數(shù)0FEEk T0exp()1FEEk T001 exp()exp()FFEEEEk Tk T0000exp()exp()exp( )exp)()(BFFEEEEk TkEfEAk TTk T( )BfE80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)空穴的玻爾茲曼分布函數(shù)000001exp()exp()exp(1( )exp()1FFFEEk TEEEEk Tk Tk TEf EBk Te1()BfE81玻爾茲曼分布函數(shù)玻爾茲曼分布函數(shù) 導(dǎo)帶中電子分布可用電子的玻爾茲曼分布函數(shù)導(dǎo)帶中

32、電子分布可用電子的玻爾茲曼分布函數(shù)描寫(xiě)（描寫(xiě)（絕大多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底絕大多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底）；價(jià)帶中）；價(jià)帶中的空穴分布可用空穴的玻爾茲曼分布函數(shù)描寫(xiě)的空穴分布可用空穴的玻爾茲曼分布函數(shù)描寫(xiě)（絕大多數(shù)空穴分布在價(jià)帶頂絕大多數(shù)空穴分布在價(jià)帶頂） 服從服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng)稱為的電子系統(tǒng)稱為簡(jiǎn)并性系統(tǒng)簡(jiǎn)并性系統(tǒng)；服從服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)律玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng)稱為的電子系統(tǒng)稱為非簡(jiǎn)并性非簡(jiǎn)并性系統(tǒng)系統(tǒng) 費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律與玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)律的主要差別：費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律與玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)律的主要差別：前前者受泡利不相容原理的限制者受泡利不相容原理的限制82練習(xí)練習(xí)1、空穴占據(jù)費(fèi)米能級(jí)的概率在各種溫度下總是、

33、空穴占據(jù)費(fèi)米能級(jí)的概率在各種溫度下總是1/2。 （ ）2、費(fèi)米能級(jí)位置較高，說(shuō)明有較多的能量較高的量、費(fèi)米能級(jí)位置較高，說(shuō)明有較多的能量較高的量子態(tài)上有電子。子態(tài)上有電子。 （ ） 3、能量為、能量為E的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)空穴占據(jù)的概率為的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)空穴占據(jù)的概率為 （ ）。）。4、為什么電子分布在導(dǎo)帶底，空穴分布在價(jià)帶頂？、為什么電子分布在導(dǎo)帶底，空穴分布在價(jià)帶頂？83導(dǎo)帶中的電子濃度導(dǎo)帶中的電子濃度 在導(dǎo)帶上的在導(dǎo)帶上的 間有間有 個(gè)電個(gè)電子子 從導(dǎo)帶底到導(dǎo)帶頂對(duì)從導(dǎo)帶底到導(dǎo)帶頂對(duì) 進(jìn)行積分，進(jìn)行積分，得到能帶中的電子總數(shù)，除以半導(dǎo)體體積，就得到能帶中的電子總數(shù)，除以半導(dǎo)體體積，就得到

34、了導(dǎo)帶中的電子濃度得到了導(dǎo)帶中的電子濃度 EEdE（）( )( )cf E gE dE( )( )cf E g E dE0n0n( )( )BcdNfE g E dE84導(dǎo)帶中的電子濃度導(dǎo)帶中的電子濃度0* 3/21/223(2)()2FE Ek TnCmVdNeEEdE0* 3/21/223(2)()2FE Ek TnCmdNdneEEdEV0* 3/21/2023(2)()2FCCCCE EEEk TnCEEmndneEEdE0()/()CxEEk T0n0*3/200231/20(2)2cFkxEnxETxe dTxm kne85導(dǎo)帶中的電子濃度導(dǎo)帶中的電子濃度0*3/2003/23(2

35、)4cFEk TnEmek Tn500TK1/0.04323x 1 2eV0n1/202xxe dx 導(dǎo)帶寬度的典型值一般導(dǎo)帶寬度的典型值一般 ， ，所以所以 ，因此，因此， ，積分上限改為積分上限改為 并不影響結(jié)果。由此可得并不影響結(jié)果。由此可得導(dǎo)帶中電子濃度為導(dǎo)帶中電子濃度為00.043k TK00cFEEk TCnN e86價(jià)帶中的空穴濃度價(jià)帶中的空穴濃度0*3/203/023(2)4VFEEpk Tm k Tpe0n 同理得價(jià)帶中的空穴濃度同理得價(jià)帶中的空穴濃度00VFEEk TVpN e87載流子濃度乘積載流子濃度乘積0000gCVEEEk Tk TCVCVn pN N eN N e

36、0* 3/2300032()()2gEnpk Tm mk Tn pe 同理得價(jià)帶中的空穴濃度同理得價(jià)帶中的空穴濃度 熱平衡狀態(tài)下的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中，在一定熱平衡狀態(tài)下的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中，在一定的溫度下，乘積的溫度下，乘積 是一定的，如果電子是一定的，如果電子濃度增大，空穴濃度就會(huì)減小；反之亦然濃度增大，空穴濃度就會(huì)減??；反之亦然00n p88本征半導(dǎo)體載流子濃度本征半導(dǎo)體載流子濃度00np 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體無(wú)任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體無(wú)任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體89本征費(fèi)米能級(jí)本征費(fèi)米能級(jí)00np00CFFVEEEEk Tk TCVN eN e0ln22CVViFCEEk TNEEN*0*3ln24p

37、CViFnmEEk TEEm90本征載流子濃度本征載流子濃度00np021/200()gEk TiCVnnpN Ne200in pn（既適用于本征半導(dǎo)體，也（既適用于本征半導(dǎo)體，也適用于非簡(jiǎn)并的雜志半導(dǎo)體）適用于非簡(jiǎn)并的雜志半導(dǎo)體）91雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度0121( )1FDDEk TEfEe 一個(gè)能級(jí)能容納自旋方向相反的兩個(gè)電子一個(gè)能級(jí)能容納自旋方向相反的兩個(gè)電子 雜質(zhì)能級(jí)只能是下面兩種情況之一雜質(zhì)能級(jí)只能是下面兩種情況之一被一個(gè)有任一自旋方向的電子占據(jù)被一個(gè)有任一自旋方向的電子占據(jù)不接受電子不接受電子0121( )1FVVEk TEfEe92雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)

38、體載流子濃度0( )112DFDDDDEEk TNnN fEe 施主能級(jí)上的電子濃度（沒(méi)電離的施主濃度）施主能級(jí)上的電子濃度（沒(méi)電離的施主濃度） 受主能級(jí)上的電子濃度（沒(méi)電離的受主濃度）受主能級(jí)上的電子濃度（沒(méi)電離的受主濃度）0( )112FAAAAAEEk TNpN fEe93雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度01( )12DFDDDDDDEEk TNnNnNfEe 電離施主濃度電離施主濃度 電離受主濃度電離受主濃度01( )12FAAAAAAAEEk TNpNnNfEe94n和p的其他變換公式 本征半導(dǎo)體時(shí)， kTEEikTEEiFiiFenpenn/ )(/ )(inpnkTEEV

39、ikTEECiiCCieNneNn/ )(/ )(kTEEiVkTEEiCViiCenNenN/ )(/ )(95費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí) 對(duì)摻雜半導(dǎo)體，iiFnnkTEEln96費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí) 接近室溫時(shí)EF-Ei=kTln(ND/ni)97練習(xí)98一一半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)二二半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布布四四半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五非平衡載流子非平衡載流子六六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)99載流子輸運(yùn)載流子輸運(yùn) 半導(dǎo)體中載流子的輸運(yùn)有

40、三種形式： 漂移 擴(kuò)散 產(chǎn)生和復(fù)合100歐姆定律 金屬導(dǎo)體外加電壓 ，電流強(qiáng)度為 電流密度為VIRVlRsIJs1101歐姆定律 均勻?qū)w外加電壓 ，電場(chǎng)強(qiáng)度為 電流密度為 歐姆定律的微分形式VElVIJsJE102漂移電流 漂移運(yùn)動(dòng) 當(dāng)外加電壓時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子受到電場(chǎng)力的作用而沿電場(chǎng)的反方向作定向運(yùn)動(dòng)（定向運(yùn)動(dòng)的速度稱為漂移速度） 電流密度 ddIqnv AJqnv 103漂移速度 漂移速度 ()JEdvEnq104半導(dǎo)體的電導(dǎo)率和遷移率 半導(dǎo)體中的導(dǎo)電作用為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的總和 當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度不大時(shí)，滿足 ，故可得半導(dǎo)體中電導(dǎo)率為JE()npnpJJJnqpqEnpnqpq105半導(dǎo)

41、體的電導(dǎo)率和遷移率 N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體npnqpqnpnnqpnpnqinpn()inpnq106Question 導(dǎo)體在外加電場(chǎng)作用下，導(dǎo)體內(nèi)載流子的漂移電流有兩種表達(dá)形式dJqnv JE恒定不斷增大107熱運(yùn)動(dòng) 在無(wú)電場(chǎng)作用下，載流子永無(wú)停息地做著無(wú)規(guī)則的、雜亂無(wú)章的運(yùn)動(dòng)，稱為熱運(yùn)動(dòng) 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(shí)間為psm1 . 0108熱運(yùn)動(dòng) 當(dāng)有外電場(chǎng)作用時(shí)，載流子既受電場(chǎng)力的作用，同時(shí)不斷發(fā)生散射 載流子在外電場(chǎng)的作用下為熱運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的疊加，因此電流密度是恒定的109散射的原因 載流子在半導(dǎo)體內(nèi)發(fā)生撒射的根本原因是周期性勢(shì)場(chǎng)遭到破

42、壞 附加勢(shì)場(chǎng) 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(yùn)動(dòng)速度及方向均發(fā)生改變，發(fā)生散射行為。Vk110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(shì)場(chǎng)，它就是使載流子散射的附加勢(shì)場(chǎng) 散射概率 代表單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)載流子受到散射的次數(shù)3/2iiPN TP電離施主散射電離受主散射111晶格振動(dòng)的散射 格波 形成原子振動(dòng)的基本波動(dòng) 格波波矢 對(duì)應(yīng)于某一q值的格波數(shù)目不定，一個(gè)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(dǎo)體的原胞含有兩個(gè)原子，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)q就有六個(gè)不同的格波，頻率低的三個(gè)格波稱為聲學(xué)波，頻率高的三個(gè)為光學(xué)波 長(zhǎng)聲學(xué)波（聲波）振動(dòng)在散射前后電子能量基本不

43、變，稱為彈性散射；光學(xué)波振動(dòng)在散射前后電子能量有較大的改變，稱為非彈性散射1/q112晶格振動(dòng)的散射 聲學(xué)波散射 在能帶具有單一極值的半導(dǎo)體中起主要散射作用的是長(zhǎng)波 在長(zhǎng)聲學(xué)波中，只有縱波在散射中起主要作用，它會(huì)引起能帶的波形變化 聲學(xué)波散射概率 光學(xué)波散射 在低溫時(shí)不起作用，隨著溫度的升高，光學(xué)波的散射概率迅速增大3/2sPT113練習(xí)練習(xí)1、載流子的熱運(yùn)動(dòng)在半導(dǎo)體內(nèi)會(huì)構(gòu)成電流、載流子的熱運(yùn)動(dòng)在半導(dǎo)體內(nèi)會(huì)構(gòu)成電流。（。（ ） 2、在半導(dǎo)體中，載流子的三種輸運(yùn)方式為（、在半導(dǎo)體中，載流子的三種輸運(yùn)方式為（ ）、）、 （ ）和（）和（ ）。）。 3、載流子在外電場(chǎng)的作用下是（、載流子在外電場(chǎng)的作

44、用下是（ ）和（）和（ ）兩種運(yùn)動(dòng)的疊加，因此電流密度大?。▋煞N運(yùn)動(dòng)的疊加，因此電流密度大?。?）。）。4、什么是散射、什么是散射 114 與 的關(guān)系 N個(gè)電子以速度 沿某方向運(yùn)動(dòng)，在 時(shí)刻未遭到散射的電子數(shù)為 ，則在 時(shí)間內(nèi)被散射的電子數(shù)為( )N t P tPt( )N t ()ttt因此( )()N tN tt( )N t P t115 與 的關(guān)系0( )()( )limtdN tN ttN tdtt P上式的解為( )()( )N tN ttN t P t0( )PtN tN e( )PN t 則 被散射的電子數(shù)為 ()ttdt0PtN ePdt116 與 的關(guān)系 在 時(shí)間內(nèi)被散射的所

45、有電子的自由時(shí)間為 ，這些電子自由時(shí)間的總和為 ，則 個(gè)電子的平均自由時(shí)間可表示為P0Nt ()ttdt0PttN ePdt000PttN ePdtN1P117 、 與 的關(guān)系0*xxnqtm 平均漂移速度為0*000*() ()PtnxnnxqtN ePdtmNqm ()x*nnnqm*pppqm118 、 與 的關(guān)系 N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體np2*nnnnnqnqmpninpn2*()pninpnqmm2*pppppqpqm119 與 及 的關(guān)系 電離雜質(zhì)散射 聲學(xué)波散射 光學(xué)波散射iN13/2iiNTT3/2sT01k Toe01111is120 與 及 的關(guān)系 電離雜質(zhì)散射

46、 聲學(xué)波散射 光學(xué)波散射iN13/2iiNTT3/2sT01k Toe01111is121影響遷移率的因素 與散射有關(guān)與散射有關(guān) 晶格散射晶格散射 電離雜質(zhì)電離雜質(zhì)散射散射*mq122123 N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體11npnqpq1nnq1pnq1()inpnq電阻率124電阻率與摻雜的關(guān)系 N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體ApDnNqNq11125電阻率與溫度的關(guān)系 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體電阻率隨溫度增加而單調(diào)地下降本征半導(dǎo)體電阻率隨溫度增加而單調(diào)地下降 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體（區(qū)別于金屬）（區(qū)別于金屬）126速度飽和 在低電場(chǎng)作用下，載流子在半導(dǎo)體中的平均

47、漂移在低電場(chǎng)作用下，載流子在半導(dǎo)體中的平均漂移速度速度v v與外加電場(chǎng)強(qiáng)度與外加電場(chǎng)強(qiáng)度E E呈線性關(guān)系；隨著外加電呈線性關(guān)系；隨著外加電場(chǎng)的不斷增大，兩者呈非線性關(guān)系，并最終平均場(chǎng)的不斷增大，兩者呈非線性關(guān)系，并最終平均漂移速度達(dá)到一飽和值，不隨漂移速度達(dá)到一飽和值，不隨E E變化。變化。 n-Gen-Ge: :d27 10/V cm dE（呈線性）237 10/5 10/V cmV cm d增加緩慢;（降低）35 10/V cm d（飽和）127耿氏效應(yīng) 耿氏效應(yīng)耿氏效應(yīng) n-GaAsn-GaAs外加電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)外加電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò) 時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的電流以的電流以 的頻率發(fā)生振蕩的頻

48、率發(fā)生振蕩33 10/V cm33 10/EV cm 0.47 6.5GHz(0.476.5)IGHzfGHz128練習(xí)練習(xí)一、判斷一、判斷1、在半導(dǎo)體中，原子最外層電子的共有化運(yùn)動(dòng)、在半導(dǎo)體中，原子最外層電子的共有化運(yùn)動(dòng)最顯著。最顯著。 （ ）2、不同的、不同的k值可標(biāo)志自由電子的不同狀態(tài)，但它值可標(biāo)志自由電子的不同狀態(tài)，但它不可標(biāo)志晶體中電子的共有化狀態(tài)。不可標(biāo)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、空位表現(xiàn)為施主作用，間隙原子表現(xiàn)為受主作用。作用。 （ ）4、半導(dǎo)體中兩種載流子數(shù)目相同的為高純半導(dǎo)、半導(dǎo)體中兩種載流子數(shù)目相同的為高純半導(dǎo)體。體。 （

49、）129練習(xí)練習(xí)二、填空二、填空1、半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)可分為（、半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)可分為（ ）、（）、（ ）、（）、（ ），），應(yīng)用最為廣泛的是（應(yīng)用最為廣泛的是（ ）。）。2、金剛石型單胞的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為（、金剛石型單胞的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為（ ），金剛石型），金剛石型為（為（ ）對(duì)稱性，閃鋅礦型結(jié)構(gòu)為（）對(duì)稱性，閃鋅礦型結(jié)構(gòu)為（ ）對(duì)稱性，）對(duì)稱性，纖鋅礦型為（纖鋅礦型為（ ）對(duì)稱性。）對(duì)稱性。3、導(dǎo)帶和價(jià)帶間間隙稱為（、導(dǎo)帶和價(jià)帶間間隙稱為（ ），），Si的禁帶寬度為的禁帶寬度為（ ），），Ge為（為（ ），），GaAs為（為（ ）。）。4、固體按其導(dǎo)電性可分為（、固體按其導(dǎo)電性可分為（ ）、（）、（ ）、（

50、）、（ ）。）。130練習(xí)練習(xí)5、雜質(zhì)總共可分為兩大類(lèi)（、雜質(zhì)總共可分為兩大類(lèi)（ ）和（）和（ ），），施主雜質(zhì)為（施主雜質(zhì)為（ ），受主雜質(zhì)為（），受主雜質(zhì)為（ ）。）。6、施主雜質(zhì)向（、施主雜質(zhì)向（ ）帶提供（）帶提供（ ）成為（）成為（ ）電中心；受主雜質(zhì)向（電中心；受主雜質(zhì)向（ ）帶提供（）帶提供（ ）成）成為（為（ ）電中心。）電中心。7 、熱平衡時(shí)，能級(jí)熱平衡時(shí)，能級(jí)E處的空穴濃度為（處的空穴濃度為（ ）。）。8 、在半導(dǎo)體中，載流子的三種輸運(yùn)方式為在半導(dǎo)體中，載流子的三種輸運(yùn)方式為（ ）、）、 （ ）和（）和（ ）。）。131練習(xí)練習(xí)1( )f E15310DNcm17310AN

51、cm三、簡(jiǎn)答三、簡(jiǎn)答1、單胞的概念及兩大注意點(diǎn)？、單胞的概念及兩大注意點(diǎn)？2、三種立方單胞的名稱？、三種立方單胞的名稱？3、引入有效質(zhì)量的原因及意義？、引入有效質(zhì)量的原因及意義？4、 的物理含義？的物理含義？5、費(fèi)米分布函數(shù)與玻耳茲曼分布函數(shù)的最大區(qū)別？、費(fèi)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(chǎng)、在外加電場(chǎng)E作用下，為什么半導(dǎo)體內(nèi)載流子的作用下，為什么半導(dǎo)體內(nèi)載流子的漂移電流恒定，試從載流子的運(yùn)動(dòng)角度說(shuō)明。漂移電流恒定，試從載流子的運(yùn)動(dòng)角度說(shuō)明。7、在室溫下，熱平衡時(shí)，、在室溫下，熱平衡時(shí)，Si半導(dǎo)體中半導(dǎo)體中 ， ，求半導(dǎo)體中的電子和空穴濃度。，求半導(dǎo)體中的電子和空穴濃度。

52、132一一半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)二二半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)三三半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布布四四半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性五五非平衡載流子非平衡載流子六六pn結(jié)結(jié)七七金屬和半導(dǎo)體的接觸金屬和半導(dǎo)體的接觸八八半導(dǎo)體表面與半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)133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在某以熱平衡狀態(tài)下的載流子稱為平衡載流子 非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式（只受溫度T影響）134由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子的由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子的分布

53、偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流分布偏離了平衡態(tài)分布，稱這些偏離平衡分布的載流子為過(guò)剩載流子，也稱為非平衡載流子子為過(guò)剩載流子，也稱為非平衡載流子過(guò)剩載流子過(guò)剩載流子非平衡載流子的光注入135平衡載流子滿足費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)分布平衡載流子滿足費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)分布過(guò)剩載流子不滿足費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)分布過(guò)剩載流子不滿足費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)分布2innp 且公式且公式不成立不成立載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電子和空穴增加和消失的過(guò)程載流子的產(chǎn)生和復(fù)合：電子和空穴增加和消失的過(guò)程過(guò)剩載流子過(guò)剩載流子136過(guò)剩載流子和電中性平衡時(shí)平衡時(shí) 過(guò)剩載流子過(guò)剩載流子電中性：電中性：137小注入條件0000,pn nnnppp

54、小注入條件小注入條件：注入的非平衡載流子濃度：注入的非平衡載流子濃度比平衡時(shí)的多數(shù)載流子濃度小的多比平衡時(shí)的多數(shù)載流子濃度小的多N型材料型材料P型材料型材料138小注入條件9310 /npcm14310/,DNcm例：室溫下一受到微擾的摻雜硅，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？判斷其是否滿足小注入條件？1432630010 /,/10 /DiDnNcmpnNcm93143000,10 /10 /nnnnpcmncm解：解：滿足小注入條件！（滿足小注入條件?。?）0pp注：（注：（1）即使在小注入的情況下，非平衡少數(shù)載流子濃度還是可）即使在小注入的情況下，非平衡少數(shù)載流子

55、濃度還是可以比平衡少數(shù)載流子濃度大的多以比平衡少數(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）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)載流子數(shù)載流子139非平衡載流子壽命非平衡載流子壽命 假定光照產(chǎn)生假定光照產(chǎn)生 和和 ，如果光突然關(guān)閉，如果光突然關(guān)閉， 和和 將隨時(shí)間逐漸衰減直至將隨時(shí)間逐漸衰減直至0 0，衰減的時(shí)間常數(shù)，衰減的時(shí)間常數(shù)稱為壽命稱為壽命 ，也常稱為少數(shù)載流子壽命也常稱為少數(shù)載流子壽命 單位時(shí)間內(nèi)非平衡載流子的復(fù)合概率單位時(shí)間內(nèi)非平衡載流子的復(fù)合概率 非平衡載流子的復(fù)合率非平衡載流子的復(fù)合率1/npnp/p140復(fù)合復(fù)合pd ppd

56、t t0( )()tp tp e n型材料中的空穴型材料中的空穴當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)， ，故壽命標(biāo)志著非平衡載，故壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原值的流子濃度減小到原值的1/e1/e所經(jīng)歷的時(shí)間；壽命越短，衰所經(jīng)歷的時(shí)間；壽命越短，衰減越快減越快0( )() /ppe 141費(fèi)米能級(jí)200in pn熱平衡狀態(tài)下的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中有統(tǒng)一熱平衡狀態(tài)下的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)的費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)是熱平衡狀態(tài)的標(biāo)志統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)是熱平衡狀態(tài)的標(biāo)志0000CFFVEEk TCEEk TVnN epN e142準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 當(dāng)半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)被打破時(shí)，新當(dāng)半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)被打破時(shí)，新的熱平衡狀態(tài)可通

57、過(guò)的熱平衡狀態(tài)可通過(guò)熱躍遷熱躍遷實(shí)現(xiàn)，但導(dǎo)帶實(shí)現(xiàn)，但導(dǎo)帶和價(jià)帶間的熱躍遷較稀少和價(jià)帶間的熱躍遷較稀少 導(dǎo)帶和價(jià)帶各自處于平衡態(tài)，因此存導(dǎo)帶和價(jià)帶各自處于平衡態(tài)，因此存在導(dǎo)帶費(fèi)米能級(jí)和價(jià)帶費(fèi)米能級(jí)，稱其為在導(dǎo)帶費(fèi)米能級(jí)和價(jià)帶費(fèi)米能級(jí)，稱其為“準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)”00CFnFpVEEk TCEEk TVnN epN e143準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 注：注： 非平衡載流子越多，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離非平衡載流子越多，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離 就越遠(yuǎn)。就越遠(yuǎn)。 在非平衡態(tài)時(shí)，一般情況下，少數(shù)載流子的在非平衡態(tài)時(shí)，一般情況下，少數(shù)載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離費(fèi)米能級(jí)較大準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離費(fèi)米能級(jí)較大00000000CFnFnFFniFpVF

58、FpiFpEEEEEEk Tk Tk TCiEEEEEEk Tk Tk TVinN en enepN ep eneFE144準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)00200FnFpFnFpEEEEk Tk Tinpn p en eCEVE 注：注： 兩種載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離的情況反兩種載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離的情況反映了半導(dǎo)體偏離熱平衡狀態(tài)的程度映了半導(dǎo)體偏離熱平衡狀態(tài)的程度FnEFpEFE145產(chǎn)生和復(fù)合產(chǎn)生和復(fù)合 產(chǎn)生產(chǎn)生 電子和空穴（載流子）被創(chuàng)建的過(guò)程電子和空穴（載流子）被創(chuàng)建的過(guò)程 產(chǎn)生率（產(chǎn)生率（G）：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電子：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電子空空穴對(duì)數(shù)穴對(duì)數(shù) 復(fù)合復(fù)合 電子和空穴（載流子

59、）消失的過(guò)程電子和空穴（載流子）消失的過(guò)程 復(fù)合率（復(fù)合率（R）：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合掉的電子：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合掉的電子空空穴對(duì)數(shù)穴對(duì)數(shù)產(chǎn)生和復(fù)合會(huì)改變載流子的濃度，從而間接地影響電流產(chǎn)生和復(fù)合會(huì)改變載流子的濃度，從而間接地影響電流146復(fù)合復(fù)合直接復(fù)合 間接復(fù)合 Auger復(fù)合Rrnp（禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料）（禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料）（窄禁帶半導(dǎo)體（窄禁帶半導(dǎo)體及高溫情況下）及高溫情況下）（具有深能級(jí)雜質(zhì)的半導(dǎo)體材（具有深能級(jí)雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料）料）147產(chǎn)生產(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148練習(xí)練習(xí)FpEFnE1、一般情況下，滿足小注入條件的非平衡、一般情況

60、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。載流子濃度比平衡載流子濃度小。 （ ）2、壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原、壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原值的（值的（ ）所經(jīng)歷的時(shí)間。）所經(jīng)歷的時(shí)間。3、簡(jiǎn)述小注入條件、簡(jiǎn)述小注入條件4、處于非平衡態(tài)的、處于非平衡態(tài)的p型半導(dǎo)體中，型半導(dǎo)體中， 和和 哪個(gè)距哪個(gè)距 近？為什么？近？為什么？FE149陷阱效應(yīng)陷阱效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體處于非平衡態(tài)時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)具有當(dāng)半導(dǎo)體處于非平衡態(tài)時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)具有積累非平衡載流子的作用，即具有一定的積累非平衡載流子的作用，即具有一定的陷阱效應(yīng)陷阱效應(yīng) 所有雜質(zhì)能級(jí)都具有陷阱效應(yīng)所有雜質(zhì)能級(jí)都具有陷阱效應(yīng) 具