半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) (2)2

1、半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)第1頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二Conductor 104105 scm-1Insulator 10-18 10-10 scm-1Semiconductor 10-10 104 scm-1（1） 電導(dǎo)率介于導(dǎo)體與絕緣體之間(Chapter 1 Basic Semiconductor Properties)第一章 半導(dǎo)體的一般特性1 導(dǎo)電性第2頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二（3）與溫度、光照、濕度等密切相關(guān)（2） 兩種載流子參于導(dǎo)電（4） 與摻雜有關(guān)第3頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二2 Semic

2、onductor Materials Elemental （元素） Compounds （化合物） Alloys （合金）指兩種或多種金屬混合，形成某種化合物（1）classified as第4頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二（2） Crystal structureDiamond lattice(金剛石晶格)Si、Ge.Zincblende lattice (閃鋅礦晶格)ZnS、GaAs、InP、CuF、SiC、CuCl、AlP、GaP、ZnSe、AlAs、CdS、InSb和AgI第5頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二（3） Miller I

3、ndices第6頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二(2 3 6) B：(1 0 1) A: (2 0 1)或 (2 0 1)第7頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二等效晶面第8頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二第9頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二（5）the angle between h1k1l1 and h2k2l2:（4）Interplanar spacinga Lattice constant（hkl）planes：第10頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二3 Ener

4、gy Band Theory Nearly free electron model(1) General Consideration Tight-binding model第11頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二對(duì)稱性 E（k）=E（-k）第12頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二周期性第13頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二（2 ） Constant-Energy Surface 第14頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二（3）Brillouin Zones第15頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，

5、17點(diǎn)39分，星期二First Brillouin zones for materials crystallizing in the diamond and zineblende lattices.第16頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二(4) Ge, Si, and GaAs Energy Band Cyclotron resonance experiments測(cè) m* m* 能帶結(jié)構(gòu)（回旋共振實(shí)驗(yàn)）第17頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二第18頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二Bvfv/vr電子的初速度為v ,在恒定磁

6、場(chǎng)（B）中：第19頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二第20頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二若等能面是橢球面，沿kx、ky、kz方向有效質(zhì)量分別為：設(shè)B沿kx、ky、kz軸的方向余弦分別為：第21頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二那么：其中：第22頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二以硅為例：（1）B沿111方向，觀察到一個(gè)吸收峰。（2）B沿110方向，觀察到兩個(gè)吸收峰。（3）B沿100方向，觀察到兩個(gè)吸收峰。（4）B沿任意軸方向，觀察到三個(gè)吸收峰。硅導(dǎo)帶底附近等能面是沿100方向的旋轉(zhuǎn)橢球面。第23

7、頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二硅導(dǎo)帶底附近等能面是方向的旋轉(zhuǎn)橢球面。第24頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二分析：設(shè)：Bk1 k2 k3 001適當(dāng)選取坐標(biāo)，使B位于k1-k2平面內(nèi)：=sin =0 =cos 第25頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二則：=sin =0 =cos 第26頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二Bk1 k2 k3 第27頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二Constant-Energy Surface （等能面 ） Ge、Si、GaAs第28頁(yè)，共7

8、8頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二E-k 關(guān)系圖（Ge、Si） 鍺：Eg=0.74eV硅: Eg=1.17eV1-Heavy holes2-Light holesHeavy holes？Light holes？T=0 K第29頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二E-k 關(guān)系圖（GaAs）GaAs:Eg=1.16 eV第30頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二第31頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二本征半導(dǎo)體: 是指一塊沒(méi)有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體.本征激發(fā): T0K時(shí),電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶,同時(shí)價(jià) 帶中產(chǎn)生空穴. n

9、0=p0 =ni n0 p0 =ni 2 ni -本征載流子濃度1. Intrinsic Semiconductor（本征半導(dǎo)體）第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)第32頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二第33頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二*從si的共價(jià)鍵平面圖看: P15:1S22S22P63S23P3 這種束縛比共價(jià)鍵的束縛弱得多,只要很少的能量就可以使它掙脫束縛,成為導(dǎo)帶中的自由粒子.這個(gè)過(guò)程稱雜質(zhì)電離.Doped /extrinsic Semiconductor（摻雜/非本征半導(dǎo)體）(1) Donor（施主雜質(zhì) ） n型半導(dǎo)體 族元素硅、

10、鍺中摻族元素,如P:第34頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二*從Si的電子能量圖看: 結(jié)論: 磷雜質(zhì)在硅、鍺中電離時(shí)，能夠釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心。這種雜質(zhì)稱施主雜質(zhì) 。摻施主雜質(zhì)后，導(dǎo)帶中的導(dǎo)電電子增多，增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱n型半導(dǎo)體。電離能的計(jì)算:氫原子第35頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二（2） Acceptor (受主雜質(zhì)) p型半導(dǎo)體族元素硅、鍺中摻族元素,如硼（B）:*從si的共價(jià)鍵平面圖看:B13:1S22S22P63S23P1小結(jié)：純凈半導(dǎo)體中摻入受主雜質(zhì)后，受主雜質(zhì)電離，使價(jià)帶中的

11、導(dǎo)電空穴增多，增強(qiáng)了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。主要依靠?jī)r(jià)帶空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱p型半導(dǎo)體。第36頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二*從Si的電子能量圖看:第37頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二（3）雜質(zhì)的補(bǔ)償作用半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)，它們之間有相互抵消的作用雜質(zhì)補(bǔ)償作用。*當(dāng)ND NA時(shí)，n= ND- NA ND 半導(dǎo)體是n型*當(dāng)NDNA時(shí)， p= NA- ND NA 半導(dǎo)體是p型*當(dāng)ND NA時(shí)， 雜質(zhì)的高度補(bǔ)償ND施主雜質(zhì)濃度 NA受主雜質(zhì)濃度 n導(dǎo)帶電子濃度 p價(jià)帶空穴濃度第38頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星

12、期二第三章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布 （Carrier Statistics）載流子濃度=(狀態(tài)密度g(E) 分布函數(shù)f(E)dE)/V狀態(tài)密度g(E)單位能量間隔中的量子態(tài)數(shù)（能級(jí)數(shù)）分布函數(shù)f(E)能量為E的量子態(tài)被一個(gè)粒子占據(jù)的幾率.第39頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二*狀態(tài)密度(Density of states)：金屬自由電子g(E) 半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子gc(E)1. Electorn concentration (導(dǎo)帶中的電子濃度)第40頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二對(duì)于Si, Ge其中:Ge:s: the number of e

13、llipsoidal surfaces lying within the first Brillouin導(dǎo)帶底電子狀態(tài)密度有效質(zhì)量Si:s=6s=(1/2)8=4第41頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二*分布函數(shù)f(E)半導(dǎo)體導(dǎo)帶中的電子按能量的分布服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布。玻爾茲曼分布fermi function非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體（nondegenerated semiconductor）簡(jiǎn)并半導(dǎo)體（degenerated semiconductor）第42頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二*導(dǎo)帶電子濃度n令 Etop 則top 第43頁(yè)，共78頁(yè)，2022

14、年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二導(dǎo)帶的有效狀態(tài)密度Nc電子占據(jù)量子態(tài)Ec的幾率第44頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二*狀態(tài)密度：2. Hole concentration (價(jià)帶中的空穴濃度)*分布函數(shù)fV(E）fV(E）表示空穴占據(jù)能態(tài)E的幾率，即能態(tài)E不被電子占據(jù)的幾率。第45頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二*價(jià)帶空穴濃度p0價(jià)帶的有效狀態(tài)密度Nv價(jià)帶頂部EV態(tài)被空穴占據(jù)的幾率第46頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二3.施主能級(jí)上的電子濃度*狀態(tài)密度=所摻施主雜質(zhì)的濃度ND(E=ED)*分布函數(shù)fD(E）: 施

15、主雜質(zhì)能級(jí)與導(dǎo)帶中的能級(jí)不同,只能是以下兩種情況之一: (1) 被一個(gè)有任一自旋方向的電子所占據(jù); (2) 不接受電子第47頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二*施主能級(jí)上的電子濃度nD電離了的施主濃度( ionized donors )第48頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二4.受主能級(jí)上的空穴濃度*狀態(tài)密度=所摻受主雜質(zhì)的濃度NA(E=EA)*受主能級(jí)上的空穴濃度PA：*分布函數(shù)fA(E）（空穴占據(jù)受主能級(jí)的幾率）:第49頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二電離了的受主雜質(zhì)濃度( ionized acceptors )第5

16、0頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二分析：n0 、p0的大小 與 T、 EF有關(guān) EF 的高低反映了半導(dǎo)體的摻雜水平。2 n0 與p0的乘積與EF無(wú)關(guān)即與摻雜無(wú)關(guān)。4.電中性關(guān)系( Charge Neutrality Relationship)第51頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二1. intrinsic semiconductor2.3 Carrier concentration and EF Calculations 本征半導(dǎo)體的電中性方程: n0=p0 = ni兩邊取對(duì)數(shù)并整理,得:（載流子濃度和EF的計(jì)算）第52頁(yè)，共78頁(yè)，2022年

17、，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二結(jié)論:本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)Ei基本位于禁帶中央.本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EF一般用Ei表示第53頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二Intrinsic carrier concentration ni ：(本征載流子濃度) 結(jié)論:本征載流子濃度ni隨溫度升高而增加. lnni1/T基 本是直線關(guān)系.第54頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二電中性方程: 以只含施主為例來(lái)分析：分溫區(qū)討論：(1)低溫弱電離區(qū)電中性方程 2. extrinsic semiconductor (非本征/雜質(zhì)半導(dǎo)體)Freeze-out第55頁(yè)，

18、共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二兩邊取對(duì)數(shù)并整理,得:ED起了本征情況下EV的作用載流子濃度:第56頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二(2)中溫強(qiáng)電離區(qū)電中性方程 兩邊取對(duì)數(shù)并整理,得:載流子濃度:第57頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二(本征激發(fā)不可忽略)電中性方程 (3)過(guò)渡區(qū)n0-多數(shù)載流子 p0-少數(shù)載流子第58頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二(4)高溫本征區(qū)(本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子遠(yuǎn)多于雜質(zhì)電離產(chǎn)生的載流子)電中性方程 載流子濃度:第59頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二溫 區(qū) 低溫 中溫 高溫 費(fèi)米能級(jí) 載流子濃度第60頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二（1）n T分析、討論第61頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二（2）EF T第62頁(yè)，共78頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)39分，星期二（3）EF 摻雜（T一定，則NC也一定）T一定，ND越大，EF越靠近EC（低溫： ND NC 時(shí) , ND (ln ND -ln2 NC) ND