半導(dǎo)體物理學(xué)ppt-劉恩科

半導(dǎo)體物理學(xué) 劉恩科 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(shū) 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(kāi)卷筆試的考核辦法 第九周安排一次期中考試 總評(píng)成績(jī)構(gòu)成比例為 平時(shí)成績(jī)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(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)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(jiǎn)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(jì)和測(cè)試 微電子學(xué)發(fā)展的特點(diǎn) 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(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)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(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 注 a 單胞無(wú)需是唯一的 b 單胞無(wú)需是基本的 晶體結(jié)構(gòu) 三維立方單胞簡(jiǎn)立方 體心立方 面立方 金剛石晶體結(jié)構(gòu) 金剛石結(jié)構(gòu) 原子結(jié)合形式 共價(jià)鍵形成的晶體結(jié)構(gòu) 構(gòu)成一個(gè)正四面體 具有金剛石晶體結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體有 元素半導(dǎo)體如Si Ge 金剛石晶體結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體有 化合物半導(dǎo)體如GaAs InP ZnS 閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu) 金剛石型閃鋅礦型 練習(xí) 1 單胞是基本的 不唯一的單元 2 按半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)來(lái)分 應(yīng)用最為廣泛的是 3 寫(xiě)出三種立方單胞的名稱 并分別計(jì)算單胞中所含的原子數(shù) 4 計(jì)算金剛石型單胞中的原子數(shù) 原子的能級(jí) 電子殼層不同支殼層電子1s 2s 2p 3s 2p 3d 共有化運(yùn)動(dòng) 14 電子的能級(jí)是量子化的 n 3四個(gè)電子 n 28個(gè)電子 n 12個(gè)電子 Si H Si原子的能級(jí) 原子的能級(jí)的分裂 孤立原子的能級(jí)4個(gè)原子能級(jí)的分裂 原子的能級(jí)的分裂 原子能級(jí)分裂為能帶 Si的能帶 價(jià)帶 導(dǎo)帶和帶隙 價(jià)帶 0K條件下被電子填充的能量的能帶導(dǎo)帶 0K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 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 導(dǎo)帶 價(jià)帶 Eg 自由電子的運(yùn)動(dòng) 微觀粒子具有波粒二象性 半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng) 薛定諤方程及其解的形式 布洛赫波函數(shù) 固體材料分成 超導(dǎo)體 導(dǎo)體 半導(dǎo)體 絕緣體 固體材料的能帶圖 半導(dǎo)體 絕緣體和導(dǎo)體 半導(dǎo)體的能帶 本征激發(fā) 練習(xí) 1 什么是共有化運(yùn)動(dòng) 2 畫(huà)出Si原子結(jié)構(gòu)圖 畫(huà)出s態(tài)和p態(tài)并注明該能級(jí)層上的電子數(shù) 3 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?cè)谀程幊霈F(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)程中的差別 半導(dǎo)體中E K 與K的關(guān)系 在導(dǎo)帶底部 波數(shù) 附近值很小 將在附近泰勒展開(kāi) 半導(dǎo)體中E K 與K的關(guān)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(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u可表示為波包的群速度 自由電子的速度 微觀粒子具有波粒二象性 半導(dǎo)體中電子的加速度 半導(dǎo)體中電子在一強(qiáng)度為E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 半導(dǎo)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(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)部勢(shì)場(chǎng)的作用意義 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)律時(shí)更為簡(jiǎn)便 有效質(zhì)量可由試驗(yàn)測(cè)定 空穴 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 電子帶負(fù)電 q 導(dǎo)帶底 空穴帶正電 q 價(jià)帶頂 K空間等能面 在k 0處為能帶極值 導(dǎo)帶底附近 價(jià)帶頂附近 K空間等能面 以 為坐標(biāo)軸構(gòu)成空間 空間任一矢量代表波矢導(dǎo)帶底附近 K空間等能面 對(duì)應(yīng)于某一值 有許多組不同的 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)面稱為等能量面 簡(jiǎn)稱等能面 等能面為一球面 理想 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)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) 與理想情況的偏離 晶格原子是振動(dòng)的材料含雜質(zhì)晶格中存在缺陷點(diǎn)缺陷 空位 間隙原子 線缺陷 位錯(cuò) 面缺陷 層錯(cuò) 與理想情況的偏離的影響 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)生決定性的影響 同時(shí)也嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件的質(zhì)量 1個(gè)B原子 個(gè)Si原子在室溫下電導(dǎo)率提高倍Si單晶位錯(cuò)密度要求低于 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) 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 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)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)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(jià)電子殼層結(jié)構(gòu)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(xí) 1 實(shí)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(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 3 雜質(zhì)和缺陷是如何影響半導(dǎo)體的特性的 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 并成為帶正電的離子 如Si中的P和As N型半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的摻雜 施主能級(jí) 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 并成為帶負(fù)電的離子 如Si中的B P型半導(dǎo)體 半導(dǎo)體的摻雜 受主能級(jí) 半導(dǎo)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?cè)诮麕е幸肓四芗?jí) 受主能級(jí)比價(jià)帶頂高 施主能級(jí)比導(dǎo)帶底低 均為淺能級(jí) 這兩種雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì) 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╇娮映蔀檎娭行?受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為負(fù)電中心 半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì) 且 N型半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體 半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜質(zhì) 且 P型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 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)時(shí) 半導(dǎo)體是N型還是P型由雜質(zhì)的濃度差決定半導(dǎo)體中凈雜質(zhì)濃度稱為有效雜質(zhì)濃度 有效施主濃度 有效受主濃度 雜質(zhì)的高度補(bǔ)償 點(diǎn)缺陷 弗倉(cāng)克耳缺陷間隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn)肖特基缺陷只存在空位而無(wú)間隙原子間隙原子和空位這兩種點(diǎn)缺陷受溫度影響較大 為熱缺陷 它們不斷產(chǎn)生和復(fù)合 直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡 總是同時(shí)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(diǎn)缺陷 替位原子 化合物半導(dǎo)體 位錯(cuò) 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 位錯(cuò) 施主情況受主情況 練習(xí) 1 族雜質(zhì)在Si Ge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 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 作用 5 以Si在GaAs中的行為為例 說(shuō)明 族雜質(zhì)在 化合物中可能出現(xiàn)的雙性行為 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)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) 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(fù)合建立起一動(dòng)態(tài)平衡 這時(shí)的載流子稱為熱平衡載流子 半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)受溫度影響 某一特定溫度對(duì)應(yīng)某一特定的熱平衡狀態(tài) 半導(dǎo)體的導(dǎo)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(wú)限小的能量間隔內(nèi)有個(gè)量子態(tài) 則狀態(tài)密度為 態(tài)密度的計(jì)算 狀態(tài)密度的計(jì)算單位空間的量子態(tài)數(shù)能量在空間中所對(duì)應(yīng)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(gè)量子態(tài)最多只能容納一個(gè)電子 態(tài)密度 導(dǎo)帶底附近狀態(tài)密度 理想情況 態(tài)密度 導(dǎo)帶底 價(jià)帶頂 練習(xí) 1 推導(dǎo)價(jià)帶頂附近狀態(tài)密度 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子遵循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律對(duì)于能量為E的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的概率為稱為電子的費(fèi)米分布函數(shù)空穴的費(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)米能量溫度導(dǎo)電類型雜質(zhì)含量能量零點(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) 費(fèi)米分布函數(shù) 當(dāng)時(shí)若 則若 則在熱力學(xué)溫度為0度時(shí) 費(fèi)米能級(jí)可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限當(dāng)時(shí)若 則若 則若 則費(fèi)米能級(jí)是量子態(tài)基本上被電子占據(jù)或基本上是空的一個(gè)標(biāo)志 玻爾茲曼分布函數(shù) 當(dāng)時(shí) 由于 所以費(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) 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(dǎo)帶中電子分布可用電子的玻爾茲曼分布函數(shù)描寫(xiě) 絕大多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底 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) 絕大多數(shù)空穴分布在價(jià)帶頂 服從費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng)稱為簡(jiǎn)并性系統(tǒng) 服從玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)律的電子系統(tǒng)稱為非簡(jiǎn)并性系統(tǒng)費(fèi)米統(tǒng)計(jì)律與玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)律的主要差別 前者受泡利不相容原理的限制 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子態(tài)上有電子 3 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 4 為什么電子分布在導(dǎo)帶底 空穴分布在價(jià)帶頂 導(dǎo)帶中的電子濃度 在導(dǎo)帶上的間有個(gè)電子從導(dǎo)帶底到導(dǎo)帶頂對(duì)進(jìn)行積分 得到能帶中的電子總數(shù) 除以半導(dǎo)體體積 就得到了導(dǎo)帶中的電子濃度 導(dǎo)帶中的電子濃度 導(dǎo)帶中的電子濃度 導(dǎo)帶寬度的典型值一般 所以 因此 積分上限改為并不影響結(jié)果 由此可得導(dǎo)帶中電子濃度為 價(jià)帶中的空穴濃度 同理得價(jià)帶中的空穴濃度 載流子濃度乘積 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 在一定的溫度下 乘積是一定的 如果電子濃度增大 空穴濃度就會(huì)減小 反之亦然 本征半導(dǎo)體載流子濃度 本征半導(dǎo)體無(wú)任何雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體 本征費(fèi)米能級(jí) 本征載流子濃度 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 雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度 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被一個(gè)有任一自旋方向的電子占據(jù)不接受電子 雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度 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 雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度 電離施主濃度電離受主濃度 n和p的其他變換公式 本征半導(dǎo)體時(shí) 費(fèi)米能級(jí) 對(duì)摻雜半導(dǎo)體 費(fèi)米能級(jí) 接近室溫時(shí) EF Ei kTln ND ni 練習(xí) 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)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) 載流子輸運(yùn) 半導(dǎo)體中載流子的輸運(yùn)有三種形式 漂移擴(kuò)散產(chǎn)生和復(fù)合 歐姆定律 金屬導(dǎo)體外加電壓 電流強(qiáng)度為電流密度為 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 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 漂移速度 漂移速度 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 半導(dǎo)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 Question 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 恒定 不斷增大 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 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 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 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) 電離施主散射 電離受主散射 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 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 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 2 在半導(dǎo)體中 載流子的三種輸運(yùn)方式為 和 3 載流子在外電場(chǎng)的作用下是 和 兩種運(yùn)動(dòng)的疊加 因此電流密度大小 4 什么是散射 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 因此 與的關(guān)系 上式的解為 則被散射的電子數(shù)為 與的關(guān)系 在時(shí)間內(nèi)被散射的所有電子的自由時(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 與的關(guān)系 平均漂移速度為 與的關(guān)系 N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 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 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 影響遷移率的因素 與散射有關(guān)晶格散射電離雜質(zhì)散射 N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 電阻率 電阻率與摻雜的關(guān)系 N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體 電阻率與溫度的關(guān)系 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體電阻率隨溫度增加而單調(diào)地下降雜質(zhì)半導(dǎo)體 區(qū)別于金屬 速度飽和 在低電場(chǎng)作用下 載流子在半導(dǎo)體中的平均漂移速度v與外加電場(chǎng)強(qiáng)度E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 并最終平均漂移速度達(dá)到一飽和值 不隨E變化 n Ge 耿氏效應(yīng) 耿氏效應(yīng)n GaAs外加電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)時(shí) 半導(dǎo)體內(nèi)的電流以的頻率發(fā)生振蕩 練習(xí) 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)最顯著 2 不同的k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) 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(dǎo)體中兩種載流子數(shù)目相同的為高純半導(dǎo)體 練習(xí) 二 填空1 半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)可分為 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 金剛石型為 對(duì)稱性 閃鋅礦型結(jié)構(gòu)為 對(duì)稱性 纖鋅礦型為 對(duì)稱性 3 導(dǎo)帶和價(jià)帶間間隙稱為 Si的禁帶寬度為 Ge為 GaAs為 4 固體按其導(dǎo)電性可分為 練習(xí) 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(shí) 能級(jí)E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 和 練習(xí) 三 簡(jiǎn)答1 單胞的概念及兩大注意點(diǎn) 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(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)E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 7 在室溫下 熱平衡時(shí) Si半導(dǎo)體中 求半導(dǎo)體中的電子和空穴濃度 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)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) 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 只受溫度T影響 由于受外界因素如光 電的作用 半導(dǎo)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(guò)剩載流子 也稱為非平衡載流子 過(guò)剩載流子 非平衡載流子的光注入 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 且公式 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 過(guò)剩載流子 過(guò)剩載流子和電中性 平衡時(shí)過(guò)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(shí)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 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(guān)閉 和將隨時(shí)間逐漸衰減直至0 衰減的時(shí)間常數(shù)稱為壽命 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)合概率非平衡載流子的復(fù)合率 復(fù)合 n型材料中的空穴 當(dāng)時(shí) 故壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原值的1 e所經(jīng)歷的時(shí)間 壽命越短 衰減越快 費(fèi)米能級(jí) 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) 統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)是熱平衡狀態(tài)的標(biāo)志 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) 新的熱平衡狀態(tài)可通過(guò)熱躍遷實(shí)現(xiàn) 但導(dǎo)帶和價(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) 注 非平衡載流子越多 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離就越遠(yuǎn) 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) 注 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 產(chǎn)生和復(fù)合 產(chǎn)生電子和空穴 載流子 被創(chuàng)建的過(guò)程產(chǎn)生率 G 單位時(shí)間單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電子 空穴對(duì)數(shù)復(fù)合電子和空穴 載流子 消失的過(guò)程復(fù)合率 R 單位時(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合掉的電子 空穴對(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 復(fù)合 直接復(fù)合間接復(fù)合Auger復(fù)合 禁帶寬度小的半導(dǎo)體材料 窄禁帶半導(dǎo)體及高溫情況下 具有深能級(jí)雜質(zhì)的半導(dǎo)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(xí) 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(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原值的 所經(jīng)歷的時(shí)間 3 簡(jiǎn)述小注入條件4 處于非平衡態(tài)的p型半導(dǎo)體中 和哪個(gè)距近 為什么 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)具有積累非平衡載流子的作用 即具有一定的陷阱效應(yīng)所有雜質(zhì)能級(jí)都具有陷阱效應(yīng)具有顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)稱為陷阱 相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心雜質(zhì)能級(jí)與平衡時(shí)的費(fèi)米能級(jí)重合時(shí) 最有利于陷阱作用 擴(kuò)散 粒子從高濃度向低濃度區(qū)域運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散電流 半導(dǎo)體內(nèi)總電流 擴(kuò)散 漂移 擴(kuò)散系數(shù)和遷移率的關(guān)系 考慮非均勻半導(dǎo)體 愛(ài)因斯坦關(guān)系 在平衡態(tài)時(shí) 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(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)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) PN結(jié)雜質(zhì)分布 PN結(jié)是同一塊半導(dǎo)體晶體內(nèi)P型區(qū)和N型區(qū)之間的邊界PN結(jié)是各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ) 了解它的工作原理有助于更好地理解器件典型制造過(guò)程合金法擴(kuò)散法 PN結(jié)雜質(zhì)分布 下面兩種分布在實(shí)際器件中最常見(jiàn)也最容易進(jìn)行物理分析 突變結(jié) 線性緩變結(jié) 淺結(jié) 重?fù)诫s 3um 或外延的PN結(jié) PN結(jié)的形成 PN結(jié)中的能帶 PN 內(nèi)建電勢(shì) 內(nèi)建電勢(shì) PN結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)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(shì)電場(chǎng) VA 0條件下的突變結(jié) 外加電壓全部降落在耗盡區(qū) VA大于0時(shí) 使耗盡區(qū)勢(shì)壘下降 反之上升 即耗盡區(qū)兩側(cè)電壓為Vbi VA 反偏PN結(jié) 反偏電壓能改變耗盡區(qū)寬度嗎 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 理想二極管方程 PN結(jié)正偏時(shí) 理想二極管方程 PN結(jié)反偏時(shí) 定量方程 基本假設(shè)P型區(qū)及N型區(qū)摻雜均勻分布 是突變結(jié) 電中性區(qū)寬度遠(yuǎn)大于擴(kuò)散長(zhǎng)度 冶金結(jié)為面積足夠大的平面 不考慮邊緣效應(yīng) 載流子在PN結(jié)中一維流動(dòng) 空間電荷區(qū)寬度遠(yuǎn)小于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度 不考慮空間電荷區(qū)的產(chǎn)生 復(fù)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(guò)渡區(qū)上 準(zhǔn)中性區(qū)的載流子運(yùn)動(dòng)情況 穩(wěn)態(tài)時(shí) 假設(shè)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(jié)定律 耗盡層邊界 P型一側(cè) P N 耗盡層邊界 續(xù) N型一側(cè) 耗盡層邊界處非平衡載流子濃度與外加電壓有關(guān) 準(zhǔn)中性區(qū)載流子濃度 理想二極管方程 求解過(guò)程準(zhǔn)中性區(qū)少子擴(kuò)散方程求Jp xn 求Jn xp J Jp xn Jn xp 理想二極管方程 1 新的坐標(biāo) 邊界條件 xpxn 0 x X 空穴電流 一般解 電子電流 P型側(cè) PN結(jié)電流 PN結(jié)電流與溫度的關(guān)系 與理想情況的偏差 大注入效應(yīng)空間電荷區(qū)的復(fù)合 空間電荷區(qū)的產(chǎn)生與復(fù)合 正向有復(fù)合電流反向有產(chǎn)生電流 空間電荷區(qū)的產(chǎn)生與復(fù)合 1 反向偏置時(shí) 正向偏置時(shí) 計(jì)算比較復(fù)雜 VA愈低 IR G愈是起支配作用 VA Vbi時(shí)的大電流現(xiàn)象 串聯(lián)電阻效應(yīng) q kT Log I VA VA Vbi時(shí)的大電流現(xiàn)象 1 大注入效應(yīng) 大注入是指正偏工作時(shí)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) pn nno VA Vbi時(shí)的大電流現(xiàn)象 2 VA Vbi時(shí)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(guò)程不可逆熱擊穿 雪崩倍增 齊納過(guò)程 產(chǎn)生了隧穿效應(yīng) E 隧道穿透幾率P 隧道長(zhǎng)度 隧道擊穿 VB6Eg q PN結(jié)二極管的等效電路 小信號(hào)加到PN結(jié)上 va VA P N Rs G C 反向偏置結(jié)電容 也稱勢(shì)壘電容或過(guò)渡區(qū)電容 反向偏置結(jié)電容 1 反向偏置結(jié)電容 2 耗盡近似下線性緩變結(jié)的空間電荷區(qū)電荷總量 參數(shù)提取和雜質(zhì)分布 CV測(cè)量系統(tǒng) VA 1 C2 Vbi 擴(kuò)散電容 擴(kuò)散電容 1 表現(xiàn)為電容形式 擴(kuò)散電容 2 擴(kuò)散電容與正向電流成正比 練習(xí) 1 為什么pn結(jié)在反偏壓下