第一章 微電子器件 半導(dǎo)體物理課件

1、第一章第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) u 基本關(guān)系式基本關(guān)系式 0 2 22 11 c n k k d E dkm 電子有效質(zhì)量電子有效質(zhì)量 1 dE dk 電子運動速度電子運動速度 半導(dǎo)體、絕緣體、導(dǎo)體能帶示意圖半導(dǎo)體、絕緣體、導(dǎo)體能帶示意圖 半導(dǎo)體本征激發(fā)能帶示意圖半導(dǎo)體本征激發(fā)能帶示意圖 硅半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)圖硅半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)圖 砷化鎵半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)圖砷化鎵半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)圖 u 基本圖形基本圖形 1 1、元素半導(dǎo)體、元素半導(dǎo)體由同種原子構(gòu)成的半導(dǎo)體由同種原子構(gòu)成的半導(dǎo)體 2 2、化合物半導(dǎo)體、化合物半導(dǎo)體兩種或兩種以上原子按比例化合而成的半導(dǎo)體兩種或兩種以上原子按比例化合而成的

2、半導(dǎo)體 3 3、固溶體半導(dǎo)體、固溶體半導(dǎo)體兩種或兩種以上元素以任意比例化合而成的半導(dǎo)體兩種或兩種以上元素以任意比例化合而成的半導(dǎo)體 4 4、本征激發(fā)、本征激發(fā)價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶、形成等量導(dǎo)帶電子和價帶空穴的過程價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶、形成等量導(dǎo)帶電子和價帶空穴的過程 5 5、本征半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體不包含任何雜質(zhì)和任何缺陷的半導(dǎo)體不包含任何雜質(zhì)和任何缺陷的半導(dǎo)體 6 6、電子有效質(zhì)量、電子有效質(zhì)量 7 7、電子有效質(zhì)量的意義、電子有效質(zhì)量的意義將晶體周期性勢場對共有化運動電子的作用包括在電子質(zhì)量將晶體周期性勢場對共有化運動電子的作用包括在電子質(zhì)量 中，使得對共有化運動電子的運動狀態(tài)的描述更加簡單

3、明了。中，使得對共有化運動電子的運動狀態(tài)的描述更加簡單明了。 8 8、空穴、空穴價帶中空的電子量子態(tài)價帶中空的電子量子態(tài) 9 9、重空穴有效質(zhì)量、重空穴有效質(zhì)量由重空穴帶決定的空穴有效質(zhì)量由重空穴帶決定的空穴有效質(zhì)量 1010、輕空穴有效質(zhì)量、輕空穴有效質(zhì)量由輕空穴帶決定的空穴有效質(zhì)量由輕空穴帶決定的空穴有效質(zhì)量 1111、直接帶隙、直接帶隙導(dǎo)帶極小值和價帶極大值在同一波矢導(dǎo)帶極小值和價帶極大值在同一波矢 1212、間接帶隙、間接帶隙導(dǎo)帶極小值和價帶極大值不在同一波矢導(dǎo)帶極小值和價帶極大值不在同一波矢 1313、禁帶寬度、禁帶寬度導(dǎo)帶極小值和價帶極大值之差導(dǎo)帶極小值和價帶極大值之差 1414、

4、能帶寬度、能帶寬度能帶頂和能帶底之差能帶頂和能帶底之差 1515、導(dǎo)帶、導(dǎo)帶絕對零度下，能量最低的空帶絕對零度下，能量最低的空帶 1616、價帶、價帶絕對零度下，能量最高的滿帶絕對零度下，能量最高的滿帶 1717、導(dǎo)帶底、導(dǎo)帶底導(dǎo)帶中最低的能級導(dǎo)帶中最低的能級 1818、價帶頂、價帶頂價帶中最高的能級價帶中最高的能級 u 基本概念基本概念 0 2 22 11 n k k d E dkm 1 1、替位雜質(zhì)、替位雜質(zhì)占據(jù)晶格格點的雜質(zhì)原子占據(jù)晶格格點的雜質(zhì)原子 2 2、間隙雜質(zhì)、間隙雜質(zhì)占據(jù)晶格間隙的雜質(zhì)原子占據(jù)晶格間隙的雜質(zhì)原子 3 3、雜質(zhì)中性態(tài)、雜質(zhì)中性態(tài)雜質(zhì)未電離的狀態(tài)雜質(zhì)未電離的狀態(tài) 4

5、 4、雜質(zhì)濃度、雜質(zhì)濃度單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù)單位體積中的雜質(zhì)原子數(shù) 5 5、施主雜質(zhì)、施主雜質(zhì)釋放束縛電子、并成為不可動正離子的雜質(zhì)釋放束縛電子、并成為不可動正離子的雜質(zhì) 6 6、受主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)釋放束縛空穴、并成為不可動負(fù)離子的雜質(zhì)釋放束縛空穴、并成為不可動負(fù)離子的雜質(zhì) 7 7、深能級雜質(zhì)、深能級雜質(zhì)雜質(zhì)能級離導(dǎo)帶底或價帶頂較遠(yuǎn)的雜質(zhì)雜質(zhì)能級離導(dǎo)帶底或價帶頂較遠(yuǎn)的雜質(zhì) 8 8、淺施主雜質(zhì)、淺施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)能級離導(dǎo)帶底很近的雜質(zhì)施主雜質(zhì)能級離導(dǎo)帶底很近的雜質(zhì) 9 9、淺受主雜質(zhì)、淺受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)能級離價帶頂很近的雜質(zhì)受主雜質(zhì)能級離價帶頂很近的雜質(zhì) 1010、多能級雜質(zhì)、多能級雜質(zhì)能多次

6、電離、在禁帶中形成多個能級的雜質(zhì)能多次電離、在禁帶中形成多個能級的雜質(zhì) 1111、雙性雜質(zhì)、雙性雜質(zhì)既具有施主性又具有受主性的雜質(zhì)既具有施主性又具有受主性的雜質(zhì) 1212、雜質(zhì)補償、雜質(zhì)補償施主雜質(zhì)提供的電子被受主雜質(zhì)提供的空量子態(tài)接受的過程施主雜質(zhì)提供的電子被受主雜質(zhì)提供的空量子態(tài)接受的過程 1313、雜質(zhì)電離、雜質(zhì)電離雜質(zhì)原子釋放或接受電子的過程雜質(zhì)原子釋放或接受電子的過程 1414、雜質(zhì)高度補償、雜質(zhì)高度補償施主雜質(zhì)濃度和受主雜質(zhì)濃度近似相當(dāng)施主雜質(zhì)濃度和受主雜質(zhì)濃度近似相當(dāng) 1515、雜質(zhì)束縛態(tài)、雜質(zhì)束縛態(tài)即雜質(zhì)中性態(tài)即雜質(zhì)中性態(tài) 1616、雜質(zhì)電離能、雜質(zhì)電離能雜質(zhì)釋放束縛電子所需能

7、量雜質(zhì)釋放束縛電子所需能量 1717、施主離子、施主離子施主雜質(zhì)電離后帶正電荷的狀態(tài)施主雜質(zhì)電離后帶正電荷的狀態(tài) 第二章第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷 u 基本概念基本概念 1818、受主離子、受主離子受主雜質(zhì)電離后帶負(fù)電的狀態(tài)受主雜質(zhì)電離后帶負(fù)電的狀態(tài) 1919、等電子雜質(zhì)、等電子雜質(zhì)雜質(zhì)原子替代同族原子，稱為等電子雜質(zhì)。雜質(zhì)原子替代同族原子，稱為等電子雜質(zhì)。 1919、等電子陷阱、等電子陷阱由于負(fù)電性不同，等電子雜質(zhì)形成的帶電中心稱為等電子陷阱。由于負(fù)電性不同，等電子雜質(zhì)形成的帶電中心稱為等電子陷阱。 2020、N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體多子為導(dǎo)帶電子的半導(dǎo)體多子為導(dǎo)帶電子的

8、半導(dǎo)體 2121、P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體多子為價帶空位的半導(dǎo)體多子為價帶空位的半導(dǎo)體 2222、位錯、位錯晶格原子周期性排列沿某條線出現(xiàn)的偏差晶格原子周期性排列沿某條線出現(xiàn)的偏差 2323、本征點缺陷、本征點缺陷一定溫度下，晶格格點原子由于熱統(tǒng)計漲落，脫離其平衡位置一定溫度下，晶格格點原子由于熱統(tǒng)計漲落，脫離其平衡位置 2424、肖特基缺陷、肖特基缺陷熱漲落使格點原子遷移到晶體表面格點，形成體內(nèi)空位。熱漲落使格點原子遷移到晶體表面格點，形成體內(nèi)空位。 2525、弗倫克兒缺陷、弗倫克兒缺陷格點原子克服勢壘，脫離格點進(jìn)入間隙，形成間隙原子和空位。格點原子克服勢壘，脫離格點進(jìn)入間隙，形成間隙原子和空

9、位。 2626、空位、空位格點原子脫離格點位置，形成的缺陷格點原子脫離格點位置，形成的缺陷 施主雜質(zhì)性質(zhì)的能帶圖表示施主雜質(zhì)性質(zhì)的能帶圖表示 受主雜質(zhì)性質(zhì)的能帶圖表示受主雜質(zhì)性質(zhì)的能帶圖表示 雜質(zhì)補償原理的能帶圖表示雜質(zhì)補償原理的能帶圖表示 u 基本圖示基本圖示 第三章第三章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布 u 基本關(guān)系式基本關(guān)系式 非簡并半導(dǎo)體平衡導(dǎo)帶電子濃度非簡并半導(dǎo)體平衡導(dǎo)帶電子濃度 0 00 expexp cFiF ci EEEE nNn k Tk T 0 0 exp F v EE pN k T 0 exp iF i EE n k T 非簡并半導(dǎo)體平衡價帶空穴濃度非簡

10、并半導(dǎo)體平衡價帶空穴濃度 熱平衡判據(jù)熱平衡判據(jù) 2 00i npn 本征載流子濃度本征載流子濃度 2 00 expexp g c ivcvc E EE nN NN N k Tk T i iA j Dj xpxnxnxpqx 000 半導(dǎo)體空間電荷密度方程半導(dǎo)體空間電荷密度方程 1 1、狀態(tài)密度、狀態(tài)密度能帶中能量能帶中能量E E附近單位能量間隔內(nèi)的電子狀態(tài)數(shù)附近單位能量間隔內(nèi)的電子狀態(tài)數(shù) 2 2、費米統(tǒng)計分布、費米統(tǒng)計分布半導(dǎo)體電子服從的統(tǒng)計分布半導(dǎo)體電子服從的統(tǒng)計分布 3 3、少子濃度、少子濃度半導(dǎo)體單位體積中的少子數(shù)半導(dǎo)體單位體積中的少子數(shù) 4 4、多子濃度、多子濃度半導(dǎo)體單位體積中的多子

11、數(shù)半導(dǎo)體單位體積中的多子數(shù) 5 5、非簡并半導(dǎo)體、非簡并半導(dǎo)體載流子分布從費米分布蛻化化服從波爾茲曼統(tǒng)計分布的半導(dǎo)體載流子分布從費米分布蛻化化服從波爾茲曼統(tǒng)計分布的半導(dǎo)體 6 6、簡并半導(dǎo)體、簡并半導(dǎo)體摻雜濃度很高，使費米能級非常接近、甚至進(jìn)入導(dǎo)帶或價帶的半導(dǎo)體摻雜濃度很高，使費米能級非常接近、甚至進(jìn)入導(dǎo)帶或價帶的半導(dǎo)體 7 7、載流子凍析效應(yīng)、載流子凍析效應(yīng)溫度很低時，雜質(zhì)不能完全電離，電子或空穴被雜質(zhì)束縛溫度很低時，雜質(zhì)不能完全電離，電子或空穴被雜質(zhì)束縛 8 8、禁帶變窄效應(yīng)、禁帶變窄效應(yīng)雜質(zhì)濃度很高時，雜質(zhì)能帶并與導(dǎo)帶底或價帶頂相連接，使禁帶雜質(zhì)濃度很高時，雜質(zhì)能帶并與導(dǎo)帶底或價帶頂相連

12、接，使禁帶 寬度減小。寬度減小。 9 9、帶尾、帶尾雜質(zhì)濃度很高時，與導(dǎo)帶底或價帶頂相連接的雜質(zhì)能帶。雜質(zhì)濃度很高時，與導(dǎo)帶底或價帶頂相連接的雜質(zhì)能帶。 1010、飽和區(qū)、飽和區(qū)半導(dǎo)體雜質(zhì)全部電離的溫度范圍半導(dǎo)體雜質(zhì)全部電離的溫度范圍 1111、高溫本征區(qū)、高溫本征區(qū)半導(dǎo)體本征激發(fā)載流子超過雜質(zhì)電離載流子的溫度范圍半導(dǎo)體本征激發(fā)載流子超過雜質(zhì)電離載流子的溫度范圍 1212、低溫弱電離區(qū)、低溫弱電離區(qū)雜質(zhì)部分電離的溫度范圍雜質(zhì)部分電離的溫度范圍 u基本概念基本概念 費米統(tǒng)計分布與溫度的關(guān)系費米統(tǒng)計分布與溫度的關(guān)系 半導(dǎo)體本征載流子濃度與溫度的關(guān)系半導(dǎo)體本征載流子濃度與溫度的關(guān)系 非簡并非簡并N

13、N型半導(dǎo)體能帶示意圖型半導(dǎo)體能帶示意圖 非簡并非簡并P P型半導(dǎo)體能帶示意圖型半導(dǎo)體能帶示意圖 簡并簡并N N型半導(dǎo)體能帶示意圖型半導(dǎo)體能帶示意圖 簡并簡并P P型半導(dǎo)體能帶示意圖型半導(dǎo)體能帶示意圖 一定雜質(zhì)濃度下，費米能級與溫度的關(guān)系圖一定雜質(zhì)濃度下，費米能級與溫度的關(guān)系圖 一定溫度下，費米能級與雜質(zhì)濃度的關(guān)系圖一定溫度下，費米能級與雜質(zhì)濃度的關(guān)系圖 u 基本圖示基本圖示 第四章第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 u 基本關(guān)系式基本關(guān)系式 漂移電流密度漂移電流密度 () np JnqpqE 載流子遷移率載流子遷移率 E d 電導(dǎo)率電導(dǎo)率 pn pqnq 載流子平均自由時間與散射幾率的關(guān)系載

14、流子平均自由時間與散射幾率的關(guān)系 1 P 電離雜質(zhì)散射幾率電離雜質(zhì)散射幾率 長縱聲學(xué)波散射幾率長縱聲學(xué)波散射幾率 3/2 ii PAN T 3/2 s PBT 1 1、載流子漂移運動、載流子漂移運動載流子在電場作用下的定向運動（電子逆電場、空穴順電場）載流子在電場作用下的定向運動（電子逆電場、空穴順電場） 2 2、散射、散射嚴(yán)格周期勢場局部變化，使載流子運動狀態(tài)改變的現(xiàn)象嚴(yán)格周期勢場局部變化，使載流子運動狀態(tài)改變的現(xiàn)象 3 3、散射幾率、散射幾率單位時間內(nèi)，載流子被散射的次數(shù)單位時間內(nèi)，載流子被散射的次數(shù) 4 4、電離雜質(zhì)散射、電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)對載流子的散射作用電離雜質(zhì)對載流子的散射作用

15、5 5、格波散射、格波散射晶格振動對載流子的散射作用晶格振動對載流子的散射作用 6 6、長縱光學(xué)波、長縱光學(xué)波振動方向與波的傳播相同、波長遠(yuǎn)大于晶格常數(shù)、頻率在光波范圍振動方向與波的傳播相同、波長遠(yuǎn)大于晶格常數(shù)、頻率在光波范圍 的格波的格波 7 7、長縱聲學(xué)波、長縱聲學(xué)波振動方向與波的傳播相同、波長遠(yuǎn)大于晶格常數(shù)、頻率在聲波范圍振動方向與波的傳播相同、波長遠(yuǎn)大于晶格常數(shù)、頻率在聲波范圍 的格波的格波 8 8、載流子遷移率、載流子遷移率單位電場作用下，載流子的平均運動速度單位電場作用下，載流子的平均運動速度 9 9、平均自由時間、平均自由時間載流子在兩次散射之間的自由時間載流子在兩次散射之間的自

16、由時間 1010、平均自由程、平均自由程載流子在兩次散射之間的自由路程載流子在兩次散射之間的自由路程 1111、強電場效應(yīng)、強電場效應(yīng)外加電場強度很高時，載流子與長光學(xué)格波發(fā)生散射，將從電場外加電場強度很高時，載流子與長光學(xué)格波發(fā)生散射，將從電場 中獲得的能量傳遞給晶格，載流子漂移速度出現(xiàn)飽和中獲得的能量傳遞給晶格，載流子漂移速度出現(xiàn)飽和 1212、熱載流子、熱載流子外加電場強度很高時，載流子從電場中獲得很高能量，電子系統(tǒng)溫外加電場強度很高時，載流子從電場中獲得很高能量，電子系統(tǒng)溫 度高于晶格溫度。度高于晶格溫度。 u 基本概念基本概念 一定溫度下，載流子遷移率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系一定溫度下，載流

17、子遷移率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系 一定摻雜濃度下，載流子遷移率與溫度的關(guān)系一定摻雜濃度下，載流子遷移率與溫度的關(guān)系 載流子漂移速度與電場關(guān)系載流子漂移速度與電場關(guān)系 砷化鎵載流子漂移速度與電場關(guān)系砷化鎵載流子漂移速度與電場關(guān)系 u 基本圖示基本圖示 第五章第五章 非平衡半導(dǎo)體非平衡半導(dǎo)體 一、基本關(guān)系式一、基本關(guān)系式 非平衡載流子產(chǎn)生的電導(dǎo)率非平衡載流子產(chǎn)生的電導(dǎo)率 0 nnn 0 ppp qpn pn 導(dǎo)帶電子濃度（包含非平衡導(dǎo)帶電子）導(dǎo)帶電子濃度（包含非平衡導(dǎo)帶電子） 用電子準(zhǔn)費米能級表示的導(dǎo)帶電子濃度，用電子準(zhǔn)費米能級表示的導(dǎo)帶電子濃度， Tk EE n Tk EE nn i n F i F n

18、 F 00 0 expexp Tk EE n Tk EE pp p Fi i p FF 00 0 expexp 價帶空穴濃度（包含非平衡價帶空穴）價帶空穴濃度（包含非平衡價帶空穴） 用空穴準(zhǔn)費米能級表示的價帶空穴濃度，用空穴準(zhǔn)費米能級表示的價帶空穴濃度， 間接復(fù)合凈復(fù)合率間接復(fù)合凈復(fù)合率 Tk EE npn nnprN U it i it 0 2 cosh2 )( s s Usp表面復(fù)合率表面復(fù)合率 pp d p x JqD dx 擴 nn d n x JqD dx 擴 電子擴散電流密度電子擴散電流密度 空穴擴散電流密度空穴擴散電流密度 0 () nn Jq nnE 漂 電子漂移電流密度電子漂

19、移電流密度 0 () pp Jq ppE 漂 空穴漂移電流密度空穴漂移電流密度 dx pd qDEqpJJJ ppppp 擴漂 空穴總電流密度空穴總電流密度 nnnnn dn JJJqnEqD dx 漂擴 半導(dǎo)體總電流密度半導(dǎo)體總電流密度 電子總電流密度電子總電流密度 pn JJJ 愛因斯坦關(guān)系式愛因斯坦關(guān)系式 q TkD n n0 q Tk D p p 0 1 1、小注入、小注入注入的非平衡載流子濃度遠(yuǎn)低于多子濃度注入的非平衡載流子濃度遠(yuǎn)低于多子濃度 2 2、大注入、大注入注入的非平衡載流子濃度接近或超過多子濃度注入的非平衡載流子濃度接近或超過多子濃度 3 3、光注入、光注入外界光作用下，半

20、導(dǎo)體價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶外界光作用下，半導(dǎo)體價帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶 4 4、非平衡載流子、非平衡載流子外加作用下，半導(dǎo)體中超過平衡載流子濃度的那部分載流子外加作用下，半導(dǎo)體中超過平衡載流子濃度的那部分載流子 5 5、非平衡少子、非平衡少子與多子類型相反的非平衡載流子與多子類型相反的非平衡載流子 6 6、少子壽命（壽命）、少子壽命（壽命）非平衡少數(shù)載流子評均存活時間非平衡少數(shù)載流子評均存活時間 7 7、復(fù)合中心、復(fù)合中心對復(fù)合有幫助作用的雜質(zhì)或缺陷能級對復(fù)合有幫助作用的雜質(zhì)或缺陷能級 8 8、復(fù)合、復(fù)合非平衡電子從導(dǎo)帶躍遷到價帶與非平衡空穴成對消失的過程非平衡電子從導(dǎo)帶躍遷到價帶與非平衡空穴成對消

21、失的過程 二、基本概念二、基本概念 9 9、直接復(fù)合、直接復(fù)合非平衡電子直接從導(dǎo)帶躍遷到價帶與非平衡空穴成對消失的過程非平衡電子直接從導(dǎo)帶躍遷到價帶與非平衡空穴成對消失的過程 1010、間接復(fù)合、間接復(fù)合非平衡電子通過復(fù)合中心從導(dǎo)帶躍遷到價帶與非平衡空穴成對消失的非平衡電子通過復(fù)合中心從導(dǎo)帶躍遷到價帶與非平衡空穴成對消失的 過程過程 1010、表面復(fù)合、表面復(fù)合在半導(dǎo)體表面發(fā)生的間接復(fù)合在半導(dǎo)體表面發(fā)生的間接復(fù)合 1111、俄歇復(fù)合、俄歇復(fù)合非平衡載流子從高能級向低能級躍遷復(fù)合過程中釋放的能量使導(dǎo)帶非平衡載流子從高能級向低能級躍遷復(fù)合過程中釋放的能量使導(dǎo)帶 （或價帶）中另一個載流子激發(fā)到更高能級，或使另一個載流子發(fā)射（或價帶）中另一個載流子激發(fā)到更高能級，或使另一個載流子發(fā)射 到半導(dǎo)體外到半導(dǎo)體外( (俄歇電子俄歇電子) )。 1212、準(zhǔn)費米能級、準(zhǔn)費米能級注入作用下，導(dǎo)帶電子、價帶空穴在極短時間各自達(dá)到平衡，這種注入作用下，