東南大學(xué)物理系半導(dǎo)體物理課程總結(jié).ppt

1、在第一章中，半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)晶格結(jié)構(gòu)的共有化運(yùn)動(dòng)、有效質(zhì)量導(dǎo)電機(jī)構(gòu)、空穴回旋加速器共振那樣的半導(dǎo)體帶、半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體的物理性質(zhì)與電子狀態(tài)密切相關(guān)，半導(dǎo)體中的電子與自由電子或單原子電子狀態(tài)不同， 晶體中周?chē)脑雍褪茈娮佑绊懙膯坞娮酉嗨疲簡(jiǎn)蝹€(gè)電子在周期性排列固定的原子核勢(shì)場(chǎng)和其他電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，金剛石結(jié)構(gòu)Si， Ge閃鋅礦結(jié)構(gòu)SiGe GaAs 11半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)crystalstructureandbondsinsemiconductors、共價(jià)結(jié)合、混合結(jié)合、纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnS CdSe， 12半導(dǎo)體中的電子態(tài)和能帶electronstatesandrelatin

2、gbondsinsemiconductors、重點(diǎn)：電子的共有化運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)帶、價(jià)帶和禁帶、原子構(gòu)成晶體后，由于電子殼層的重疊， 電子被稱(chēng)為不限于某個(gè)原子的電子的共有化運(yùn)動(dòng)，結(jié)晶的能帶電子共有化運(yùn)動(dòng)，能級(jí)的分裂和能帶的形成，n個(gè)原子分裂成n個(gè)能級(jí)，金剛石結(jié)晶的能帶， 傳導(dǎo)帶：從SP3-SP3反耦合狀態(tài)產(chǎn)生價(jià)帶(Valence band):、s、p、SP3混合物，(1)自由電子的能帶結(jié)構(gòu)，(2)晶體中的電子的波函數(shù)，1.5回旋加速器共振電子由于外力同時(shí)與半導(dǎo)體內(nèi)部原子、電子相互作用，電子的加速度應(yīng)該是半導(dǎo)體內(nèi)勢(shì)場(chǎng)和外電場(chǎng)作用的綜合效應(yīng)。 有效質(zhì)量引入的意義：概述了半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用。 有效的質(zhì)量可

3、以通過(guò)直接實(shí)驗(yàn)來(lái)決定。 半導(dǎo)體的電導(dǎo)率、遷移率等都與有效質(zhì)量相關(guān)，如果Ek關(guān)系決定，則m*也決定，全頻帶電子不通電，在結(jié)晶能帶理論中，在En(k)=En(-k )的同一能帶中，k和-k的狀態(tài)具有相同大小、相反的速度v 從a點(diǎn)移動(dòng)的電子實(shí)際上同時(shí)從a移動(dòng)，能帶整體保持均勻充滿的狀態(tài)，不產(chǎn)生電流。 全帶電子不通電，=0，a，a，16，電子不能通電，沒(méi)有外部電場(chǎng)時(shí)，有外部電場(chǎng)時(shí)，e，沒(méi)有外部電場(chǎng)時(shí)，電子對(duì)稱(chēng)地占據(jù)能量低的狀態(tài)，總電流為0，有外部電場(chǎng)時(shí)，電子向逆電場(chǎng)方向移動(dòng)，部分傳導(dǎo)帶上出現(xiàn)少量電子，價(jià)格帶上出現(xiàn)少量空狀態(tài)，17，空孔。 價(jià)格帶缺少一個(gè)電子時(shí)，假設(shè)滿帶只有一個(gè)狀態(tài)k，就沒(méi)有電子。 J(

4、k )表示此時(shí)的傳動(dòng)帶整體的總電流。 當(dāng)價(jià)帶狀態(tài)k為空時(shí)，價(jià)帶電子的總電流就像帶正電荷的粒子以k狀態(tài)電子速度v(k )移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電流空穴一樣，=0，18，空穴的有效質(zhì)量，價(jià)帶中的空的狀態(tài)一般出現(xiàn)在價(jià)帶的頂部附近，如果導(dǎo)入價(jià)格變高的mp*，則表示空穴的有效質(zhì)量、me*、電子和空穴共同參與導(dǎo)電是半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)電性質(zhì)的最大差異，圓運(yùn)動(dòng)半徑、圓運(yùn)動(dòng)向心加速度、圓運(yùn)動(dòng)向心力、圓運(yùn)動(dòng)角頻率、1.5旋轉(zhuǎn)共振、有效質(zhì)量測(cè)量、旋轉(zhuǎn)共振頻率、1.6常見(jiàn)半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)， 第2章作為半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷的理想的半導(dǎo)體材料原子，在具有嚴(yán)格的周期晶格的晶格點(diǎn)位置靜止的結(jié)晶是純粹的，即，不含雜質(zhì)(沒(méi)有與構(gòu)成結(jié)晶材料的元素

5、不同的其他化學(xué)元素)的晶格結(jié)構(gòu)完整，即具有嚴(yán)格的周期， 分類(lèi)(1) :實(shí)際的半導(dǎo)體材料原子在平衡位置附近振動(dòng)的含有雜質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)不完整，存在缺陷點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷、雜質(zhì)與構(gòu)成晶體材料的元素不同的其他化學(xué)元素，形成原因原材料純度不足的制造過(guò)程中人為混入污垢雜質(zhì)原子位于晶格中的分間隙式雜質(zhì)置換式雜質(zhì)，雜質(zhì)原子位于晶格原子的間隙位置是雜質(zhì)原子比較小的雜質(zhì)原子代替晶格原子位于晶格點(diǎn)的要求雜質(zhì)原子的大小，價(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)等接近晶格原子，可以同時(shí)存在兩種雜質(zhì)， 在此主要介紹交替型雜質(zhì)，分類(lèi)(2) :根據(jù)雜質(zhì)供給載流子的類(lèi)型，形成施主雜質(zhì)受主雜質(zhì)，第v族雜質(zhì)原子代替第IV族結(jié)晶材料原子能夠放出的正的電中心

6、的雜質(zhì)(n型雜質(zhì)) n型半導(dǎo)體，代替IV族結(jié)晶材料原子接受電子產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，形成負(fù)電中心雜質(zhì)(p型雜質(zhì)) p型半導(dǎo)體、施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)、本征半導(dǎo)體、施主雜質(zhì)(這有摻雜施主的意義，提供受主雜質(zhì)(IV-III )、載流子：價(jià)帶這有摻雜受主意義，(3) :如果施加由雜質(zhì)原子引起的能級(jí)淺的雜質(zhì)的深能級(jí)例如III族材料或v族雜質(zhì)能級(jí)分離帶、價(jià)帶接近的晶格中的原子的熱振動(dòng)的能量，則會(huì)使淺能級(jí)雜質(zhì)離子化而影響半導(dǎo)體載流子濃度對(duì)于在III族材料中添加非III族、v族雜質(zhì)能級(jí)分離帶，或者在價(jià)帶遠(yuǎn)的通常條件下難以離子化等能夠改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電型的載流子的復(fù)合作用非常重要，在良好的復(fù)合中心，雜質(zhì)淺能級(jí)簡(jiǎn)單的修正系氫

7、原子模型的氫原子基態(tài)電子的電離能： 施主雜質(zhì)電子的電離能：施主雜質(zhì)電子的孔徑：氫原子基態(tài)電子的孔徑，室溫kBT 26 meV，數(shù)十個(gè)meV，數(shù)十個(gè)meV硅的介電常數(shù)為16、12，施主雜質(zhì)電子的孔徑，修正，(A)NDNA時(shí)： n型半導(dǎo)體=ND-NA、雜質(zhì)的補(bǔ)償作用，(B)NAND時(shí)III-V族化合物半導(dǎo)體中的淺能級(jí)雜質(zhì)為III-V族化合物中不同種類(lèi)的雜質(zhì)：將II族元素GaAs:鈹(Be )、鎂(Mg )、鋅(zn )、鎘(cd)ea=ev0 硒(Se) ED=Ec-0.006 eV IV族元素GaAs:硅(Si) Ev 0.03eV，Ec-0.006 eV (雜質(zhì)的雙重性行為)鍺(Ge) Ev

8、0.03eV。 等電子雜質(zhì)具有與基質(zhì)晶體原子相同價(jià)數(shù)的電子的雜質(zhì)原子被稱(chēng)為等電子雜質(zhì)(同系原子雜質(zhì))，被稱(chēng)為等電子陷阱，即使條件等電子雜質(zhì)代替晶格點(diǎn)上的同系原子形成后，也幾乎為電中性。 但是，導(dǎo)入原子和基體晶體原子在電負(fù)性、共有半徑等方面存在較大差異，等電子雜質(zhì)的電負(fù)性大于基體晶體原子的電負(fù)性時(shí)，取而代之的是捕獲電子成為負(fù)中心，該帶電中心成為等電子陷阱。雜質(zhì)的二重性行為硅在砷化鎵中代替鎵表示施主雜質(zhì)，代替砷表示受主雜質(zhì)，第34、3章的半導(dǎo)體中的載流子統(tǒng)一分布、半導(dǎo)體的電子狀態(tài)、具有半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級(jí)半導(dǎo)體的電子分布、35、狀態(tài)密度g(E )、定義： ede范圍內(nèi)3.1狀態(tài)密度(dos )，k空間

9、中的量化狀態(tài)密度=，k空間中，電子的允許能量狀態(tài)密度為V/83，如果糾正自旋，則電子的允許能量子狀態(tài)密度為2V/83。 每個(gè)量子態(tài)最多只能容納一個(gè)電子。 由此可知，狀態(tài)密度與能量呈拋物線關(guān)系，能量越大，狀態(tài)密度越大。 有效質(zhì)量也與各向同性有關(guān)，37，3.2費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)一分布，費(fèi)米分布函數(shù)玻耳茲曼分布函數(shù)導(dǎo)體中的電子濃度和價(jià)帶中的空穴濃度，38，1ot=0k， 2o T 0 K，實(shí)際上在E-EF 5kBT時(shí)，f0.993室溫kbt、費(fèi)米(Fermi )分布函數(shù)、39、玻爾茲曼(Boltzmann )分布函數(shù)、E-EF k0T (實(shí)際上是幾k0T )、f 0玻爾茲曼分布函數(shù)、一般半導(dǎo)體材料

10、的禁帶寬度是k0T 在E-Efk0T的條件下，量子態(tài)在電子中所占的概率很小，泡利原理不起作用，Bolzman統(tǒng)一校正律和費(fèi)米統(tǒng)一校正律相同。 半導(dǎo)體中，EF位于禁帶內(nèi)，而且傳導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂?shù)木嚯x遠(yuǎn)大于k0T，因此，傳導(dǎo)帶中的電子分布可以用電子的boltzmann統(tǒng)一規(guī)則描繪。 簡(jiǎn)并(統(tǒng)訂簡(jiǎn)并):將遵循費(fèi)米統(tǒng)訂率的電子系統(tǒng)稱(chēng)為簡(jiǎn)并性系統(tǒng)。 EF，Ec，Ev，41，載流子濃度，電子濃度：每單位體積的傳導(dǎo)帶中的電子數(shù)(單位：1/cm3)，電子：空穴：電子濃度，其中，本(2)空穴占受主能級(jí)的概率，gD，gA為施主/受主能級(jí)的基態(tài)合并狀態(tài)，簡(jiǎn)并因子gA=4，費(fèi)米分布，3.4雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度， 假定只有一種施主雜質(zhì)，則施主能級(jí)上的電子濃度nD即受主能級(jí)上的空穴濃度(未電離的受主濃度)、電離的