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

半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體物理學(xué)教材:《半導(dǎo)體物理學(xué)》(第六版)，劉恩科等編著，電子工業(yè)出版社參考書：《半導(dǎo)體物理與器件》（第三版），DonaldA.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?？傇u成績構(gòu)成比例為：平時成績10%；期中考試45%；期末考試45%半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)固態(tài)電子學(xué)分支之一微電子學(xué)光電子學(xué)研究在固體（主要是半導(dǎo)體〕材料上構(gòu)成的微小型化器件、電路、及系統(tǒng)的電子學(xué)分支學(xué)科微電子學(xué)簡介:半導(dǎo)體概要微電子學(xué)研究領(lǐng)域半導(dǎo)體器件物理集成電路工藝集成電路設(shè)計和測試微電子學(xué)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(xué)科互相滲透，形成新的學(xué)科領(lǐng)域：光電集成、MEMS、生物芯片半導(dǎo)體概要固體材料分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體什么是半導(dǎo)體？半導(dǎo)體及其基本特性半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布半導(dǎo)體的導(dǎo)電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導(dǎo)體的接觸半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物理學(xué)半導(dǎo)體的純度和結(jié)構(gòu)

純度極高，雜質(zhì)<1013cm-3結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)單胞對于任何給給定的晶體體，可以用用來形成其其晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)的最小單單元注：（a）單胞胞無需是唯唯一的（b）單單胞無需是是基本的晶體結(jié)構(gòu)三維立方單單胞簡立方、體體心心立方、面面立方方金剛石晶體體結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)構(gòu)原子結(jié)合形形式：共價價鍵形成的晶體體結(jié)構(gòu)：構(gòu)構(gòu)成一個個正四面體體，具有金剛石石晶體體結(jié)構(gòu)構(gòu)半導(dǎo)體體有:元素半半導(dǎo)體體如Si、Ge金剛石晶體體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體體有:化合物物半導(dǎo)導(dǎo)體如如GaAs、InP、ZnS閃鋅礦晶體體結(jié)構(gòu)金剛石型閃閃鋅鋅礦型練習(xí)1、單胞是是基本的、、不唯一的的單元。（（））2、按半導(dǎo)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)來來分，應(yīng)用用最為廣泛泛的是（））。3、寫出三三種立方單單胞的名稱稱，并分別別計算單胞胞中所含的的原子數(shù)。。4、計算金金剛石型單單胞中的原原子數(shù)。原子的能級級電子殼層不同支殼層層電子1s；2s，2p；；3s，2p，3d；…共有化運動動+14電子的能級級是量子化化的n=3四個電子n=28個電子n=12個電子SiHSi原子的的能級原子的能級級的分裂孤立原子的的能級4個原子能能級的分裂裂原子的能級級的分裂原子能級分分裂為能帶帶Si的能帶（價帶、導(dǎo)帶帶和帶隙〕價帶：0K條件下被電電子填充的的能量的能能帶導(dǎo)帶：0K條件下未未被電子填填充的能量量的能帶帶隙：導(dǎo)帶帶底與價帶帶頂之間的的能量差半導(dǎo)體的能能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶價帶Eg自由電子的的運動微觀粒子具具有波粒二二象性半導(dǎo)體中電電子的運動動薛定諤方程程及其解的的形式布洛赫波函函數(shù)固體材料分分成：超導(dǎo)體、導(dǎo)導(dǎo)體、半導(dǎo)導(dǎo)體、絕緣緣體固體材料的的能帶圖半導(dǎo)體、絕絕緣體和導(dǎo)導(dǎo)體半導(dǎo)體的能能帶本征激發(fā)練習(xí)1、什么是是共有化運運動？2、畫出Si原子結(jié)結(jié)構(gòu)圖（畫畫出s態(tài)和和p態(tài)并注注明該能級級層上的電電子數(shù)）3、電子所所處能級越越低越穩(wěn)定定。（（））4、無論是是自由電子子還是晶體體材料中的的電子，他他們在某處處出現(xiàn)的幾幾率是恒定定不變的。。（（））5、分別敘敘述半導(dǎo)體體與金屬和和絕緣體在在導(dǎo)電過程程中的差別別。半導(dǎo)體中E（K）與與K的關(guān)系系在導(dǎo)帶底部部，波數(shù)，，附近值值很很小，將在在附附近泰勒展展開半導(dǎo)體中E（K）與與K的關(guān)系系令代代入上上式得自由電子的的能量微觀粒子具具有波粒二二象性半導(dǎo)體中電電子的平均均速度在周期性勢勢場內(nèi)，電電子的平均均速度u可可表示為波波包的群速速度自由電子的的速度微觀粒子具具有波粒二二象性半導(dǎo)體中電電子的加速速度半導(dǎo)體中電電子在一強強度為E的外加電電場作用下下，外力對對電子做功功為電子能能量的變化化半導(dǎo)體中電電子的加速速度令即即有效質(zhì)量的的意義自由電子只只受外力作作用；半導(dǎo)導(dǎo)體中的電電子不僅受受到外力的的作用，同同時還受半半導(dǎo)體內(nèi)部部勢場的作作用意義：有效效質(zhì)量概括括了半導(dǎo)體體內(nèi)部勢場場的作用，，使得研究究半導(dǎo)體中中電子的運運動規(guī)律時時更為簡便便（有效質(zhì)質(zhì)量可由試試驗測定））空穴只有非滿帶帶電子才可可導(dǎo)電導(dǎo)帶電子和和價帶空穴穴具有導(dǎo)電電特性；電電子帶負(fù)電電-q（導(dǎo)導(dǎo)帶底），，空穴帶正正電+q（（價帶頂））K空間等能能面在k=0處處為能帶極極值導(dǎo)帶底附近近價帶頂附近近K空間等能能面以、、、、為為坐標(biāo)標(biāo)軸構(gòu)成空空間，空空間任一一矢量代表表波矢導(dǎo)帶底附近近K空間等能能面對應(yīng)于某一一值值，，有許多組組不同的，這些組構(gòu)構(gòu)成一個封封閉面，在在著個面上上能量值為為一恒值，，這個面稱稱為等能量量面，簡稱稱等能面。。等能面為一一球面（理理想）半導(dǎo)體中中的電子子狀態(tài)半導(dǎo)體中中雜質(zhì)和和缺陷能能級半導(dǎo)體中中載流子子的統(tǒng)計計分布半導(dǎo)體的的導(dǎo)電性性非平衡載載流子pn結(jié)金屬和半半導(dǎo)體的的接觸半導(dǎo)體表表面與MIS結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物物理學(xué)與理想情情況的偏偏離晶格原子子是振動動的材料含雜雜質(zhì)晶格中存存在缺陷陷點缺陷（（空位、、間隙原原子）線缺陷（（位錯））面缺陷（（層錯））與理想情情況的偏偏離的影影響極微量的的雜質(zhì)和和缺陷，，會對半半導(dǎo)體材材料的物物理性質(zhì)質(zhì)和化學(xué)學(xué)性質(zhì)產(chǎn)產(chǎn)生決定定性的影影響，同同時也嚴(yán)嚴(yán)重影響響半導(dǎo)體體器件的的質(zhì)量。。1個B原原子/個個Si原子子在室溫下下電導(dǎo)率率提高倍倍Si單晶晶位錯密密度要求求低于與理想情情況的偏偏離的原原因理論分析析認(rèn)為，，雜質(zhì)和和缺陷的的存在使使得原本本周期性性排列的的原子所所產(chǎn)生的的周期性性勢場受受到破壞壞，并在在禁帶中中引入了了能級，，允許電電子在禁禁帶中存存在，從從而使半半導(dǎo)體的的性質(zhì)發(fā)發(fā)生改變變。硅、鍺晶晶體中的的雜質(zhì)能能級例：如圖圖所示為為一晶格格常數(shù)為為a的Si晶胞胞，求：：（a）Si原子子半徑（b）晶晶胞中所所有Si原子占占據(jù)晶胞胞的百分分比解：（a）（b）間隙式雜雜質(zhì)、替替位式雜雜質(zhì)雜質(zhì)原子子位于晶晶格原子子間的間間隙位置置，該雜雜質(zhì)稱為為間隙式雜雜質(zhì)。間隙式雜雜質(zhì)原子子一般比比較小，，如Si、Ge、GaAs材材料中的的離子鋰鋰（0.068nm））。雜質(zhì)原子子取代晶晶格原子子而位于于晶格點點處，該該雜質(zhì)稱稱為替位式雜雜質(zhì)。替位式雜雜質(zhì)原子子的大小小和價電電子殼層層結(jié)構(gòu)要要求與被被取代的的晶格原原子相近近。如ⅢⅢ、Ⅴ族族元素在在Si、、Ge晶晶體中都都為替位位式雜質(zhì)質(zhì)。間隙式雜雜質(zhì)、替替位式雜雜質(zhì)單位體積積中的雜雜質(zhì)原子子數(shù)稱為為雜質(zhì)濃濃度練習(xí)1、實際際情況下下k空間間的等能能面與理理想情況況下的等等能面分分別是如如何形狀狀的？它它們之間間有差別別的原因因？2、實際際情況的的半導(dǎo)體體材料與與理想的的半導(dǎo)體體材料有有何不同同？3、雜質(zhì)質(zhì)和缺陷陷是如何何影響半半導(dǎo)體的的特性的的？施主：摻入在在半導(dǎo)體體中的雜雜質(zhì)原子子，能夠夠向半導(dǎo)導(dǎo)體中提提供導(dǎo)電電的電子子，并成為帶帶正電的的離子。。如Si中的P和和AsN型半導(dǎo)體體As半導(dǎo)體的的摻雜施主能級級受主：摻入在在半導(dǎo)體體中的雜雜質(zhì)原子子，能夠夠向半導(dǎo)導(dǎo)體中提提供導(dǎo)電電的空穴穴，并成為帶帶負(fù)電的的離子。。如Si中的BP型半導(dǎo)體體B半導(dǎo)體的的摻雜受主能級級半導(dǎo)體的的摻雜Ⅲ、Ⅴ族族雜質(zhì)在在Si、、Ge晶晶體中分分別為受受主和施施主雜質(zhì)質(zhì)，它們們在禁帶帶中引入入了能級級；受主主能級比比價帶頂頂高，，施主主能級比比導(dǎo)帶底底低，，均均為淺能能級，這這兩種雜雜質(zhì)稱為為淺能級級雜質(zhì)。。雜質(zhì)處于于兩種狀狀態(tài)：中中性態(tài)和和離化態(tài)態(tài)。當(dāng)處處于離化化態(tài)時，，施主雜雜質(zhì)向?qū)?dǎo)帶提供供電子成成為正電電中心；；受主雜雜質(zhì)向價價帶提供供空穴成成為負(fù)電電中心。。半導(dǎo)體中中同時存存在施主主和受主主雜質(zhì)，，且。。N型半導(dǎo)導(dǎo)體N型半導(dǎo)導(dǎo)體半導(dǎo)體中中同時存存在施主主和受主主雜質(zhì)，，且。。P型半導(dǎo)導(dǎo)體P型半導(dǎo)導(dǎo)體雜質(zhì)的補補償作用用半導(dǎo)體中中同時存存在施主主和受主主雜質(zhì)時時，半導(dǎo)導(dǎo)體是N型還是是P型由由雜質(zhì)的的濃度差差決定半導(dǎo)體中中凈雜質(zhì)質(zhì)濃度稱稱為有效效雜質(zhì)濃濃度（有有效施主主濃度；；有效受受主濃度度）雜質(zhì)的高高度補償償（））點缺陷弗倉克耳耳缺陷間隙原子子和空位位成對出出現(xiàn)肖特基缺缺陷只存在空空位而無無間隙原原子間隙原子子和空位位這兩種種點缺陷陷受溫度度影響較較大，為為熱缺陷，它們不不斷產(chǎn)生生和復(fù)合合，直至至達到動動態(tài)平衡衡，總是是同時存在在的。空位表現(xiàn)為受主作用用；間隙原子子表現(xiàn)為施主作用用點缺陷替位原子子（化合合物半導(dǎo)導(dǎo)體）位錯位錯是半半導(dǎo)體中中的一種種缺陷，，它嚴(yán)重重影響材材料和器器件的性性能。位錯施主情況況受受主主情況練習(xí)1、Ⅲ、、Ⅴ族雜雜質(zhì)在Si、Ge晶體體中為深深能級雜雜質(zhì)。（））2、受受主雜雜質(zhì)向向價帶帶提供供空穴穴成為為正電電中心心。（（））3、雜雜質(zhì)處處于兩兩種狀狀態(tài)：：（））和（））。4、空空位表表現(xiàn)為為（））作作用，，間隙隙原子子表現(xiàn)現(xiàn)為（（））作用用。5、以以Si在GaAs中中的行行為為為例，，說明明Ⅳ族族雜質(zhì)質(zhì)在ⅢⅢ—ⅤⅤ化合合物中中可能能出現(xiàn)現(xiàn)的雙雙性行行為。。半導(dǎo)體體中的的電子子狀態(tài)態(tài)半導(dǎo)體體中雜雜質(zhì)和和缺陷陷能級級半導(dǎo)體體中載載流子子的統(tǒng)統(tǒng)計分分布半導(dǎo)體體的導(dǎo)導(dǎo)電性性非平衡衡載流流子pn結(jié)結(jié)金屬和和半導(dǎo)導(dǎo)體的的接觸觸半導(dǎo)體體表面面與MIS結(jié)構(gòu)構(gòu)半導(dǎo)體體物理理學(xué)熱平衡衡狀態(tài)態(tài)在一定定溫度度下，，載流子子的產(chǎn)產(chǎn)生和載流子子的復(fù)復(fù)合建立起起一動動態(tài)平平衡，，這時時的載載流子子稱為為熱平衡衡載流流子。半導(dǎo)體體的熱熱平衡衡狀態(tài)態(tài)受溫度影響，，某一一特定定溫度度對應(yīng)應(yīng)某一一特定定的熱熱平衡衡狀態(tài)態(tài)。半導(dǎo)體體的導(dǎo)電性性受溫度影響劇劇烈。。態(tài)密度度的概概念能帶中中能量量附附近每每單位位能量量間隔隔內(nèi)的的量子子態(tài)數(shù)數(shù)。能帶中中能量量為無無限限小的的能量量間隔隔內(nèi)有有個個量子子態(tài)，，則狀狀態(tài)密密度為為態(tài)密度度的計計算狀態(tài)密密度的的計算算單位空空間的的量子子態(tài)數(shù)數(shù)能量在在空空間間中所所對應(yīng)應(yīng)的體體積前兩者者相乘乘得狀狀態(tài)數(shù)數(shù)根據(jù)定定義公公式求求得態(tài)態(tài)密度度空間中中的量量子態(tài)態(tài)在空空間間中，，電子子的允允許能能量狀狀態(tài)密密度為為，，考慮慮電子子的自自旋情情況，，電子子的允允許量量子態(tài)態(tài)密度度為，，每個個量子子態(tài)最最多只只能容容納一個個電電子子。態(tài)密密度度導(dǎo)帶帶底底附附近近狀狀態(tài)態(tài)密密度度（（理理想想情情況況））態(tài)密密度度（導(dǎo)導(dǎo)帶帶底底））（價價帶帶頂頂））練習(xí)習(xí)1、、推推導(dǎo)導(dǎo)價價帶帶頂頂附附近近狀狀態(tài)態(tài)密密度度費米米能能級級根據(jù)據(jù)量量子子統(tǒng)統(tǒng)計計理理論論，，服服從從泡泡利利不不相相容容原原理理的的電電子子遵遵循循費費米米統(tǒng)統(tǒng)計計律律對于于能能量量為為E的的一一個個量量子子態(tài)態(tài)被被一一個個電電子子占占據(jù)據(jù)的的概概率率為為稱為為電電子子的的費費米米分分布布函函數(shù)數(shù)空穴穴的的費費米米分分布布函函數(shù)數(shù)？？費米米分分布布函函數(shù)數(shù)稱為為費費米米能能級級或或費費米米能能量量溫度度導(dǎo)電電類類型型雜質(zhì)質(zhì)含含量量能量量零零點點的的選選取取處于于熱熱平平衡衡狀狀態(tài)態(tài)的的電電子子系系統(tǒng)統(tǒng)有有統(tǒng)統(tǒng)一一的的費費米米能能級級費米分布布函數(shù)當(dāng)時時若，，則若，，則在熱力學(xué)學(xué)溫度為為0度時時，費米米能級可可看成量量子態(tài)是是否被電電子占據(jù)據(jù)的一個個界限當(dāng)時時若，，則若，，則若，，則費米能級級是量子子態(tài)基本本上被電子占據(jù)據(jù)或基本本上是空空的一個標(biāo)志玻爾茲曼曼分布函函數(shù)當(dāng)時時，由于，，所以以費米分布布函數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為稱為電子子的玻爾爾茲曼分分布函數(shù)數(shù)玻爾茲曼曼分布函函數(shù)空穴的玻玻爾茲曼曼分布函函數(shù)玻爾茲曼曼分布函函數(shù)導(dǎo)帶中電電子分布布可用電電子的玻玻爾茲曼曼分布函函數(shù)描寫寫（絕大多數(shù)數(shù)電子分分布在導(dǎo)導(dǎo)帶底）；價帶帶中的空空穴分布布可用空空穴的玻玻爾茲曼曼分布函函數(shù)描寫寫（絕大多數(shù)數(shù)空穴分分布在價價帶頂）服從費米統(tǒng)計計律的電子系系統(tǒng)稱為為簡并性系系統(tǒng)；服從玻爾茲曼曼統(tǒng)計律律的電子系系統(tǒng)稱為為非簡并性性系統(tǒng)費米統(tǒng)計計律與玻玻爾茲曼曼統(tǒng)計律律的主要要差別：：前者受泡泡利不相相容原理理的限制制練習(xí)1、空穴穴占據(jù)費費米能級級的概率率在各種種溫度下下總是1/2。。（））2、費米米能級位位置較高高，說明明有較多多的能量量較高的的量子態(tài)態(tài)上有電電子。（（））3、能量量為E的的一個量量子態(tài)被被一個空空穴占據(jù)據(jù)的概率率為（（））。4、為什什么電子子分布在在導(dǎo)帶底底，空穴穴分布在在價帶頂頂？導(dǎo)帶中的的電子濃濃度在導(dǎo)帶上上的間間有有個個電電子從導(dǎo)帶底底到導(dǎo)帶帶頂對進進行行積分，，得到能能帶中的的電子總總數(shù)，除除以半導(dǎo)導(dǎo)體體積積，就得得到了導(dǎo)導(dǎo)帶中的的電子濃濃度導(dǎo)帶中的的電子濃濃度導(dǎo)帶中的的電子濃濃度導(dǎo)帶寬度度的典型型值一般般，，，，所以，，因因此，，，積分上上限改為為并并不影響響結(jié)果。。由此可可得導(dǎo)帶帶中電子子濃度為為價帶中的的空穴濃濃度同理得價價帶中的的空穴濃濃度載流子濃濃度乘積積同理得價價帶中的的空穴濃濃度熱平衡狀狀態(tài)下的的非簡并并半導(dǎo)體體中，在在一定的的溫度下下，乘積積是是一定的的，如果果電子濃濃度增大大，空穴穴濃度就就會減小小；反之之亦然本征半導(dǎo)導(dǎo)體載流流子濃度度本征半導(dǎo)導(dǎo)體無任何雜雜質(zhì)和缺缺陷的半半導(dǎo)體本征費米米能級本征載流流子濃度度（既適用用于本征征半導(dǎo)體體，也適適用于非非簡并的的雜志半半導(dǎo)體））雜質(zhì)半導(dǎo)導(dǎo)體載流流子濃度度一個能級級能容納納自旋方方向相反反的兩個個電子雜質(zhì)能級級只能是是下面兩兩種情況況之一被一個有有任一自自旋方向向的電子子占據(jù)不接受電電子雜質(zhì)半導(dǎo)導(dǎo)體載流流子濃度度施主能級級上的電電子濃度度（沒電電離的施施主濃度度）受主能級級上的電電子濃度度（沒電電離的受受主濃度度）雜質(zhì)半導(dǎo)導(dǎo)體載流流子濃度度電離施主主濃度電離受主主濃度n和p的的其他變變換公式式本征半導(dǎo)導(dǎo)體時，，費米能級級對摻雜半半導(dǎo)體，，費米能級級接近室溫溫時EF-Ei=kTln(ND/ni)練習(xí)半導(dǎo)體中中的電子子狀態(tài)半導(dǎo)體中中雜質(zhì)和和缺陷能能級半導(dǎo)體中中載流子子的統(tǒng)計計分布半導(dǎo)體的的導(dǎo)電性性非平衡載載流子pn結(jié)金屬和半半導(dǎo)體的的接觸半導(dǎo)體表表面與MIS結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物物理學(xué)載流子輸輸運半導(dǎo)體中中載流子子的輸運運有三種種形式：：漂移擴散產(chǎn)生和復(fù)復(fù)合歐姆定律律金屬導(dǎo)體體外加電電壓，，電電流強度度為電流密度度為歐姆定律律均勻?qū)w體外加電電壓，，電電場強度度為電流密度度為歐姆定律律的微分分形式漂移電流流漂移運動動當(dāng)外加電電壓時，，導(dǎo)體內(nèi)內(nèi)部的自自由電子子受到電電場力的的作用而而沿電場場的反方方向作定定向運動動（定向向運動的的速度稱稱為漂移移速度））電流密度度漂移速度度漂移速度度半導(dǎo)體的的電導(dǎo)率率和遷移移率半導(dǎo)體中中的導(dǎo)電電作用為為電子導(dǎo)導(dǎo)電和空空穴導(dǎo)電電的總和和當(dāng)電場強強度不大大時，滿滿足，，故可得得半導(dǎo)體體中電導(dǎo)導(dǎo)率為半導(dǎo)體的電電導(dǎo)率和遷遷移率N型半導(dǎo)體體P型半導(dǎo)體體本征半導(dǎo)體體Question導(dǎo)體在外加加電場作用用下，導(dǎo)體體內(nèi)載流子子的漂移電電流有兩種種表達形式式恒定不斷增大熱運動在無電場作作用下，載載流子永無無停息地做做著無規(guī)則則的、雜亂亂無章的運運動，稱為為熱運動晶體中的碰碰撞和散射射引起凈速度為零零，并且凈凈電流為零零平均自由時時間為熱運動當(dāng)有外電場場作用時，，載流子既既受電場力力的作用，，同時不斷斷發(fā)生散射射載流子在外外電場的作作用下為熱運動和漂移運動的疊加，因因此電流密密度是恒定定的散射的原因因載流子在半半導(dǎo)體內(nèi)發(fā)發(fā)生撒射的的根本原因是周期性勢場場遭到破壞壞附加勢場使得能帶中中的電子在在不同狀狀態(tài)態(tài)間躍遷，，并使得載載流子的運運動速度及及方向均發(fā)發(fā)生改變，，發(fā)生散射射行為。電離雜質(zhì)的的散射雜質(zhì)電離的的帶電離子子破壞了雜雜質(zhì)附近的的周期性勢勢場，它就就是使載流流子散射的的附加勢場場散射概率代代表單位時時間內(nèi)一個個載流子受受到散射的的次數(shù)電離施主散散射電離受主散散射晶格振動的的散射格波形成原子振振動的基本本波動格波波矢對應(yīng)于某一一q值的格格波數(shù)目不不定，一個個晶體中格波的總數(shù)數(shù)取決于原原胞中所含含的原子數(shù)數(shù)Si、Ge半導(dǎo)體的原原胞含有兩兩個原子，，對應(yīng)于每每一個q就就有六個不不同的格波波，頻率低的三個格波稱為為聲學(xué)波，頻率高的三個為光學(xué)波長聲學(xué)波（（聲波）振振動在散射前后后電子能量量基本不變變，稱為彈性散射；光學(xué)波振動動在散射前后后電子能量量有較大的的改變，稱稱為非彈性散射射晶格振動的的散射聲學(xué)波散射射在能帶具有有單一極值值的半導(dǎo)體體中起主要要散射作用用的是長波波在長聲學(xué)波波中，只有有縱波在散散射中起主主要作用，，它會引起起能帶的波波形變化聲學(xué)波散射射概率光學(xué)波散射射在低溫時不不起作用，，隨著溫度度的升高，，光學(xué)波的的散射概率率迅速增大大練習(xí)1、載流子子的熱運動動在半導(dǎo)體體內(nèi)會構(gòu)成成電流。（））2、在半導(dǎo)導(dǎo)體中，載載流子的三三種輸運方方式為（））、（（））和（（））。3、載流子子在外電場場的作用下下是（））和（（））兩種運動動的疊加，，因此電流流密度大小?。ǎ?。4、什么是是散射與的的關(guān)系N個電子以以速度沿沿某方方向運動，，在時時刻未遭到到散射的電電子數(shù)為，，則在在時時間內(nèi)被被散射的電電子數(shù)為因此與的的關(guān)系上式的解為為則被被散射的的電子數(shù)為為與的的關(guān)系在時時間內(nèi)被被散射的所所有電子的的自由時間間為，，這些電電子自由時時間的總和和為，則個個電子子的平均自自由時間可可表示為、與的的關(guān)系平均漂移速速度為、與的的關(guān)系N型半導(dǎo)體體P型半導(dǎo)體體本征半導(dǎo)體體與及及的的關(guān)系電離雜質(zhì)散散射聲學(xué)波散射射光學(xué)波散射射與及及的的關(guān)系電離雜質(zhì)散散射聲學(xué)波散射射光學(xué)波散射射影響遷移率率的因素與散射有關(guān)關(guān)晶格散射電離雜質(zhì)散散射N型半導(dǎo)體體P型半導(dǎo)體體本征半導(dǎo)體體電阻率電阻率與摻摻雜的關(guān)系系N型半導(dǎo)體體P型半導(dǎo)體體電阻率與溫溫度的關(guān)系系本征半導(dǎo)體體本征半導(dǎo)體體電阻率隨隨溫度增加加而單調(diào)地地下降雜質(zhì)半導(dǎo)體體（區(qū)別于金金屬）速度飽和在低電場作作用下，載載流子在半半導(dǎo)體中的的平均漂移移速度v與與外加電場場強度E呈呈線性關(guān)系系；隨著外外加電場的的不斷增大大，兩者呈呈非線性關(guān)關(guān)系，并最最終平均漂漂移速度達達到一飽和和值，不隨隨E變化。。n-Ge:耿氏效應(yīng)耿氏效應(yīng)n-GaAs外加電電場強度超超過時時，半導(dǎo)導(dǎo)體內(nèi)的電電流以的的頻頻率發(fā)生振振蕩練習(xí)一、判斷1、在半導(dǎo)導(dǎo)體中，原原子最外層層電子的共共有化運動動最顯著。。（（））2、不同的的k值可標(biāo)標(biāo)志自由電電子的不同同狀態(tài)，但但它不可標(biāo)標(biāo)志晶體中中電子的共共有化狀態(tài)態(tài)。（（））3、空位表表現(xiàn)為施主主作用，間間隙原子表表現(xiàn)為受主主作用。（（））4、半導(dǎo)體體中兩種載載流子數(shù)目目相同的為為高純半導(dǎo)導(dǎo)體。（（））練習(xí)二、填空1、半導(dǎo)體體材料結(jié)構(gòu)構(gòu)可分為（（）、、（））、（）），，應(yīng)用最為為廣泛的是是（））。2、金剛石石型單胞的的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)為（）），金剛石石型為（））對稱性性，閃鋅礦礦型結(jié)構(gòu)為為（））對對稱性，纖纖鋅礦型為為（））對稱性。。3、導(dǎo)帶和和價帶間間間隙稱為（（）），Si的的禁帶寬度度為（）），Ge為（）），，GaAs為（））。4、固體按按其導(dǎo)電性性可分為（（）、、（））、（））。練習(xí)5、雜質(zhì)總總共可分為為兩大類（（））和和（）），施主雜雜質(zhì)為（）），受受主雜質(zhì)為為（））。6、施主雜雜質(zhì)向（））帶提提供（））成為為（））電電中心；受受主雜質(zhì)向向（））帶提供供（））成為為（））電中心。。7、熱平平衡衡時時，，能能級級E處處的的空空穴穴濃濃度度為為（（））。。8、在半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中，，載載流流子子的的三三種種輸輸運運方方式式為為（（））、、（（））和和（（））。。練習(xí)習(xí)三、簡答答1、單胞胞的概念念及兩大大注意點點？2、三種種立方單單胞的名名稱？3、引入入有效質(zhì)質(zhì)量的原原因及意意義？4、的的物物理含義義？5、費米米分布函函數(shù)與玻玻耳茲曼曼分布函函數(shù)的最最大區(qū)別別？6、在外外加電場場E作用用下，為為什么半半導(dǎo)體內(nèi)內(nèi)載流子子的漂移移電流恒恒定，試試從載流流子的運運動角度度說明。。7、在室室溫下，，熱平衡衡時，Si半導(dǎo)導(dǎo)體中，，，求半導(dǎo)導(dǎo)體中的的電子和和空穴濃濃度。半導(dǎo)體中中的電子子狀態(tài)半導(dǎo)體中中雜質(zhì)和和缺陷能能級半導(dǎo)體中中載流子子的統(tǒng)計計分布半導(dǎo)體的的導(dǎo)電性性非平衡載載流子pn結(jié)金屬和半半導(dǎo)體的的接觸半導(dǎo)體表表面與MIS結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物物理學(xué)平衡載流流子在某以熱熱平衡狀狀態(tài)下的的載流子子稱為平平衡載流流子非簡并半半導(dǎo)體處處于熱平平衡狀態(tài)態(tài)的判據(jù)據(jù)式（只受溫溫度T影影響）由于受外外界因素素如光、、電的作作用，半半導(dǎo)體中中載流子子的分布布偏離了了平衡態(tài)態(tài)分布，，稱這些些偏離平平衡分布布的載流流子為過過剩載流流子，也也稱為非非平衡載載流子過剩載流流子非平衡載載流子的的光注入入平衡載流流子滿足足費米－－狄拉克克統(tǒng)計分分布過剩載流流子不滿滿足費米米－狄拉拉克統(tǒng)計計分布且公式不成立載流子的的產(chǎn)生和和復(fù)合：：電子和和空穴增增加和消消失的過過程過剩載流流子過剩載流流子和電電中性平衡時過過剩剩載流子子電中性：：小注入條條件小注入條條件：注入的的非平衡衡載流子子濃度比比平衡時時的多數(shù)數(shù)載流子子濃度小小的多N型材料料P型材料料小注入條條件例：室溫溫下一受受到微擾擾的摻雜雜硅，判斷其是是否滿足足小注入入條件？？解：滿足小注注入條件件?。ǎ┳ⅲ海?）即使使在小注注入的情情況下，，非平衡衡少數(shù)載載流子濃濃度還是是可以比比平衡少少數(shù)載流流子濃度度大的多多（2）非非平衡少少數(shù)載流流子起重重要作用用，非平平衡載流流子都指指非平衡衡少數(shù)載載流子非平衡載載流子壽壽命假定光照照產(chǎn)生和和，，如如果光突突然關(guān)閉閉，和和將將隨時間間逐漸衰衰減直至至0，衰衰減的時時間常數(shù)數(shù)稱為壽壽命，也常稱為為少數(shù)載載流子壽壽命單位時間間內(nèi)非平平衡載流流子的復(fù)復(fù)合概率率非平衡載載流子的的復(fù)合率率復(fù)合n型材料料中的空空穴當(dāng)時時，，，故壽壽命標(biāo)志志著非平平衡載流流子濃度度減小到到原值的的1/e所經(jīng)歷歷的時間間；壽命命越短，，衰減越越快費米能級級熱平衡狀狀態(tài)下的的非簡并并半導(dǎo)體體中有統(tǒng)統(tǒng)一的費費米能級級統(tǒng)一的費費米能級級是熱平平衡狀態(tài)態(tài)的標(biāo)志志準(zhǔn)費米能能級當(dāng)半導(dǎo)體體的熱平平衡狀態(tài)態(tài)被打破破時，新新的熱平平衡狀態(tài)態(tài)可通過過熱躍遷實現(xiàn)，但但導(dǎo)帶和和價帶間間的熱躍躍遷較稀稀少導(dǎo)帶和價價帶各自自處于平平衡態(tài)，，因此存存在導(dǎo)帶帶費米能能級和價價帶費米米能級，，稱其為為“準(zhǔn)費米能能級”準(zhǔn)費米能能級注：非非平衡載載流子越越多，準(zhǔn)準(zhǔn)費米能能級偏離離就就越遠(yuǎn)。。在非平衡衡態(tài)時，，一般情情況下，，少數(shù)載載流子的的準(zhǔn)費米米能級偏偏離費米米能級較較大準(zhǔn)費米能能級注：兩兩種載流流子的準(zhǔn)準(zhǔn)費米能能級偏離離的情況況反映了了半導(dǎo)體體偏離熱熱平衡狀狀態(tài)的程程度產(chǎn)生和復(fù)復(fù)合產(chǎn)生電子和空空穴（載載流子））被創(chuàng)建建的過程程產(chǎn)生率（（G）：單位時時間單位位體積內(nèi)內(nèi)所產(chǎn)生生的電子子—空穴穴對數(shù)復(fù)合電子和空空穴（載載流子））消失的的過程復(fù)合率（（R）：單位時時間單位位體積內(nèi)內(nèi)復(fù)合掉掉的電子子—空穴穴對數(shù)產(chǎn)生和復(fù)復(fù)合會改改變載流流子的濃濃度，從從而間接接地影響響電流復(fù)合直接復(fù)合合間間接接復(fù)合Auger復(fù)合（禁帶寬寬度小的的半導(dǎo)體體材料））（窄禁帶帶半導(dǎo)體體及高溫溫情況下下）（具有深深能級雜雜質(zhì)的半半導(dǎo)體材材料）產(chǎn)生直接產(chǎn)生生R-G中心心產(chǎn)生載載流子子產(chǎn)生與碰撞電電離練習(xí)1、一般般情況下下，滿足足小注入入條件的的非平衡衡載流子子濃度比比平衡載載流子濃濃度小。。（））2、壽命命標(biāo)志著著非平衡衡載流子子濃度減減小到原原值的（（））所經(jīng)歷歷的時間間。3、簡述述小注入入條件4、處于于非平衡衡態(tài)的p型半導(dǎo)導(dǎo)體中，，和和哪哪個距近近？？為什么么？陷阱效應(yīng)應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體體處于非非平衡態(tài)態(tài)時，雜雜質(zhì)能級級具有積積累非平平衡載流流子的作作用，即即具有一一定的陷阱效應(yīng)應(yīng)所有雜質(zhì)質(zhì)能級都都具有陷陷阱效應(yīng)應(yīng)具有顯著著陷阱效效應(yīng)的雜雜質(zhì)能級級稱為陷阱；相應(yīng)的的雜質(zhì)和和缺陷稱稱為陷阱中心心雜質(zhì)能級級與平衡衡時的費費米能級級重合時時，最有有利于陷陷阱作用用擴散粒子從高高濃度向向低濃度度區(qū)域運運動擴散電流流半導(dǎo)體內(nèi)內(nèi)總電流流擴散+漂漂移擴散系數(shù)數(shù)和遷移移率的關(guān)關(guān)系考慮非均均勻半導(dǎo)導(dǎo)體愛因斯坦坦關(guān)系在平衡態(tài)態(tài)時，凈凈電流為為0連續(xù)性方方程舉例摻雜濃度度分別為為(a)和和的的硅中的的電子和和空穴濃濃度？(b)再再摻雜雜的的Na又是多少少？()半導(dǎo)體中中的電子子狀態(tài)半導(dǎo)體中中雜質(zhì)和和缺陷能能級半導(dǎo)體中中載流子子的統(tǒng)計計分布半導(dǎo)體的的導(dǎo)電性性非平衡載載流子pn結(jié)金屬和半半導(dǎo)體的的接觸半導(dǎo)體表表面與MIS結(jié)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體物物理學(xué)PN結(jié)雜雜質(zhì)分布布PN結(jié)是是同一塊塊半導(dǎo)體體晶體內(nèi)內(nèi)P型區(qū)區(qū)和N型型區(qū)之間間的邊界界PN結(jié)是是各種半半導(dǎo)體器器件的基基礎(chǔ)，了了解它的的工作原原理有助助于更好好地理解解器件典型制造造過程合金法擴散法PN結(jié)雜雜質(zhì)分布布下面兩種種分布在在實際器器件中最最常見也也最容易易進行物物理分析析突變結(jié):線線性緩變結(jié)結(jié):淺結(jié)、重?fù)綋诫s（<1um）深深結(jié)（（>3um）或外延的PN結(jié)PN結(jié)的形形成PN結(jié)中的的能帶PN內(nèi)建電勢內(nèi)建電勢PN結(jié)的內(nèi)內(nèi)建電勢決決定于摻雜雜濃度ND、NA、材料禁帶帶寬度以及及工作溫度度能帶內(nèi)建電勢電場VA0條件下下的突變結(jié)結(jié)外加電壓全全部降落在在耗盡區(qū)，，VA大于0時，，使耗盡區(qū)區(qū)勢壘下降降，反之上上升。即耗耗盡區(qū)兩側(cè)側(cè)電壓為Vbi-VA反偏PN結(jié)結(jié)反偏電壓能能改變耗盡盡區(qū)寬度嗎嗎？準(zhǔn)費米能級級理想二極管管方程PN結(jié)正偏偏時理想二極管管方程PN結(jié)反偏偏時定量方程基本假設(shè)P型區(qū)及N型區(qū)摻雜雜均勻分布布，是突變變結(jié)。電中性區(qū)寬寬度遠(yuǎn)大于于擴散長度度。冶金結(jié)為面面積足夠大大的平面，，不考慮邊邊緣效應(yīng)，，載流子在在PN結(jié)中中一維流動動?？臻g電荷區(qū)區(qū)寬度遠(yuǎn)小小于少子擴擴散長度,不考慮慮空間電荷荷區(qū)的產(chǎn)生生—復(fù)合作作用。P型區(qū)和N型區(qū)的電電阻率都足足夠低，外外加電壓全全部降落在在過渡區(qū)上上。準(zhǔn)中性區(qū)的的載流子運運動情況穩(wěn)態(tài)時,假假設(shè)GL=0邊界條件:圖6.4歐姆接觸邊邊界耗盡層邊界界邊界條件歐姆接觸邊邊界耗盡層邊界界(pn結(jié)結(jié)定律)耗盡層邊界界P型一側(cè)PN耗盡層邊界界(續(xù))N型一側(cè)耗盡層邊界界處非平衡衡載流子濃濃度與外加電壓有有關(guān)準(zhǔn)中性區(qū)載載流子濃度度理想二極管管方程求解過程準(zhǔn)中性區(qū)少少子擴散方方程求Jp(xn)求Jn(-xp)J=Jp(xn)+Jn(-xp)理想二極管管方程(1)新的坐標(biāo):邊界條件:-xpxn0xX’空穴電流一般解電子電流P型側(cè)PN結(jié)電流流PN結(jié)電流流與溫度的的關(guān)系與理想情況況的偏差大注入效應(yīng)應(yīng)空間電荷區(qū)區(qū)的復(fù)合空間電荷區(qū)區(qū)的產(chǎn)生與與復(fù)合正向有復(fù)合合電流反向有產(chǎn)生生電流空間電荷區(qū)區(qū)的產(chǎn)生與與復(fù)合-1反向偏置時時,正向偏置時時,計算算比較復(fù)雜雜VA愈低，IR-G愈是起支配配作用VAVbi時的大電流流現(xiàn)象串聯(lián)電阻效效應(yīng)q/kTLog(I)VAVAVbi時的大電流流現(xiàn)象-1大注入效應(yīng)應(yīng)大注入是指指正偏工作作時注入載載流子密度度等于或高高于平衡態(tài)態(tài)多子密度度的工作狀狀態(tài)。pn≥nnoVAVbi時的大電流流現(xiàn)象-2VAVbi時的大電流流現(xiàn)象-3VA越大,電電流上升變變緩反向擊穿電流急劇增增加可逆雪崩崩倍倍增增齊納納過過程程不可可逆逆熱擊擊穿穿雪崩崩倍倍增增齊納納過過程程產(chǎn)生生了了隧隧穿穿效效應(yīng)應(yīng)E隧道道穿穿透透幾幾率率P：：隧道道長長度度:隧道道擊擊穿穿:VB<4Eg/q雪崩崩擊穿穿：：VB>6Eg/qPN結(jié)結(jié)二二極極管管的的等等效效電電路路小信信號號加加到到PN結(jié)結(jié)上上~+-vaVA+-PNRsGC反向向偏偏置置結(jié)結(jié)電電容容也稱稱勢勢壘壘電電容容或或過過渡渡區(qū)區(qū)電電容容反向向偏偏置置結(jié)結(jié)電電容容-1反向向偏偏置置結(jié)結(jié)電電容容-2耗盡盡近近似似下下線線性性緩緩變變結(jié)結(jié)的的空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)電電荷荷總總量量參數(shù)數(shù)提提取取和和雜雜質(zhì)質(zhì)分分布布CV測測量量系系統(tǒng)統(tǒng)VA1/C2Vbi擴散散電電容容擴散散電電容容-1表現(xiàn)現(xiàn)為為電電容容形形式式擴散散電電容容-2擴散散電電容容與與正正向向電電流流成成正正比比練習(xí)習(xí)1、、為為什什么么pn結(jié)結(jié)在在反反偏偏壓壓下下有有一一小小的的飽飽和和電電流流2、、試試分分別別描描述述勢勢壘壘電電容容和和擴擴散散電電容容的的由由來來半導(dǎo)導(dǎo)體體中中的的電電子子狀狀態(tài)態(tài)半導(dǎo)導(dǎo)體體中中雜雜質(zhì)質(zhì)和和缺缺陷陷能能級級半導(dǎo)導(dǎo)體體中中載載流流子子的的統(tǒng)統(tǒng)計計分分布布半導(dǎo)導(dǎo)體體的的導(dǎo)導(dǎo)電電性性非平平衡衡載載流流子子pn結(jié)結(jié)金屬屬和和半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的接接觸觸半導(dǎo)導(dǎo)體體表表面面與與MIS結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)半導(dǎo)導(dǎo)體體物物理理學(xué)學(xué)金屬屬和和半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的接接觸觸金屬屬和和半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的功功函函數(shù)數(shù)金屬屬和和半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的接接觸觸金屬屬和和半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的接接觸觸整流流理理論論金屬屬和和N型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體的的接接觸觸擴散散理理論論對于于N型型阻阻擋擋層層，，當(dāng)當(dāng)勢勢壘壘的的寬寬度度比比電電子子的的平平均均自自由由程程大大地地多多時時，，電電子子通通過過勢勢壘壘區(qū)區(qū)要要發(fā)發(fā)生生多多次次碰碰撞撞，，這這樣樣的的阻阻擋擋層層稱稱為為厚厚