半導體物理學第七版電子工業(yè)出版社劉恩科等編著3

半導體物理學李巖1半導體物理學教材:《半導體物理學》(第七版)，劉恩科等編著，電子工業(yè)出版社參考書：《半導體物理與器件》（第三版），DonaldA.Neamen著，電子工業(yè)出版社樊昌信著，《半導體物理》，國防工業(yè)出版社，2009年1月第六版王建平編著，《半導體物理》，人民郵電出版社，2007月10月第一版2半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質(zhì)和缺陷能級半導體中載流子的統(tǒng)計分布半導體的導電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導體物理學3固態(tài)電子學分支之一微電子學光電子學研究在固體（主要是半導體〕材料上構(gòu)成的微小型化器件、電路、及系統(tǒng)的電子學分支學科微電子學簡介:半導體概要目前主要方向：太陽能，納米結(jié)構(gòu)，生物應(yīng)用4微電子學研究領(lǐng)域半導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)展與其它學科互相滲透，形成新的學科領(lǐng)域：光電集成、MEMS、生物芯片半導體概要5固體材料分成：超導體、導體、半導體、絕緣體什么是半導體？半導體及其基本特性可以在在特定溫度以下，呈現(xiàn)電阻為零的導體

67半導體中的電子狀態(tài)半導體中雜質(zhì)和缺陷能級半導體中載流子的統(tǒng)計分布半導體的導電性非平衡載流子pn結(jié)金屬和半導體的接觸半導體表面與MIS結(jié)構(gòu)半導體物理學8半導體的純度和結(jié)構(gòu)

純度極高，雜質(zhì)<1013cm-3結(jié)構(gòu)9晶體結(jié)構(gòu)單胞對于任何給定的晶體，可以用來形成其晶體結(jié)構(gòu)的最小單元注：（a）單胞無需是唯一的

（b）單胞無需是基本的10晶體結(jié)結(jié)構(gòu)三維立立方單單胞簡立方方、體體心心立方方、面面立方方11金剛石石晶體體結(jié)構(gòu)構(gòu)金剛石石結(jié)構(gòu)構(gòu)原子結(jié)結(jié)合形形式：：共價價鍵形成的的晶體體結(jié)構(gòu)構(gòu)：構(gòu)構(gòu)成成一個個正四四面體體，具具有金剛剛石石晶晶體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)價鍵之之間具具有相相同的的夾角角12半導導體體有有:元素素半半導導體體如如Si、Ge金剛石石晶體體結(jié)構(gòu)構(gòu)13Si和和Ge的晶晶格常常數(shù)a分別別為0.543102nm和和0.565791nm硅每立立方厘厘米體體積有有鍺每立立方厘厘米體體積有有兩原子子間最最短距距離硅硅為0.235nm,鍺鍺為0.245nm個原子子個原子子14半導導體體有有:化合合物物半半導導體體如如GaAs、InP、ZnS閃鋅礦礦晶體體結(jié)構(gòu)構(gòu)金剛石石型閃閃鋅鋅礦型型151617原子的的能級級電子殼殼層不同支支殼層層電子子1s；；2s，2p；；3s，2p，，3d；……共有化化運動動18電子共共有化化運動動概念念原子組組成晶晶體后后，由由于電電子殼殼層的的交疊疊，電電子不不再完完全局局限在在某一一個原原子上上，可可以由由一個個原子子轉(zhuǎn)移移到相相鄰的的原子子上去去，因因而，，電子子將可可以在在整個個晶體體中運運動。。共有化化運動動的產(chǎn)產(chǎn)生由由于不不同原原子的的相似似殼層層間的的交疊疊，由由于內(nèi)內(nèi)個殼殼層交交疊程程度不不同，，所以以只有有最個個層電電子的的共有有化運運動才才顯著著。19+14電子的的能級級是量量子化化的n=3四個電電子n=28個電電子n=12個電電子SiHSi原原子的的能級級20原子的的能級級的分分裂孤立原原子的的能級級4個原原子能能級的的分裂裂21原子的的能級級的分分裂原子能能級分分裂為為能帶帶22Si的的能帶（價帶、、導帶帶和帶帶隙〕23價帶：：0K條件下下被電電子填填充的的能量量的能能帶導帶：：0K條件件下未未被電電子填填充的的能量量的能能帶帶隙：：導帶帶底與與價帶帶頂之之間的的能量量差半導體體的能能帶結(jié)結(jié)構(gòu)導帶帶價帶帶Eg24自由電電子的的運動動微觀粒粒子具具有波波粒二二象性性A為常常數(shù)，，r是是空間間某點點的矢矢徑，，k是是平面面波的的波數(shù)數(shù)，等于于波長長倒倒數(shù)數(shù)的倍倍25半導體體中電電子的的運動動薛定諤諤方程程及其其解的的形式式布洛赫赫波函函數(shù)26布里淵淵區(qū)與與能帶帶2728固體材料分分成：超導體、導導體、半導導體、絕緣緣體固體材料的的能帶圖29金剛石的禁禁帶寬度為為6～7eV,是絕絕緣體。硅為1.12eV，，鍺為0.67eV,砷化鎵鎵1.43eV，它它們都是半半導體30半導體、絕絕緣體和導導體31半導體的能能帶本征激發(fā)32練習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、分別敘敘述半導體體與金屬和和絕緣體在在導電過程程中的差別別。33薛定諤方程程薛定諤方程程（Schr?dingerequation）是由奧奧地利物理理學家薛定定諤提出的的量子力學學中的一個個基本方程，也是量子子力學的一一個基本假假定，其正正確性只能能靠實驗來來檢驗。它它是將物質(zhì)波的概念和波動方程相結(jié)合建立立的二階偏偏微分方程程，可描述述微觀粒子的運動動，每個微微觀系統(tǒng)都都有一個相相應(yīng)的薛定定諤方程式，通過解方方程可得到到波函數(shù)的的具體形式式以及對應(yīng)應(yīng)的能量，從而了解解微觀系統(tǒng)統(tǒng)的性質(zhì)。。34薛定諤方程程及其解的的形式布洛赫波函函數(shù)晶體中電子子所遵守的的薛定諤方方程S為常數(shù)，，a為晶格格常數(shù)35布里淵區(qū)的的概念36半導體中E（K）與與K的關(guān)系系在導帶底部部，波數(shù)，，附近值值很很小，將在在附附近泰勒展展開37半導體中E（K）與與K的關(guān)系系令代代入上上式得38自由電子的的能量微觀粒子具具有波粒二二象性39半導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40自由電子的的速度微觀粒子具具有波粒二二象性41半導體中電電子的加速速度半導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42半導體中電電子的加速速度令即即43有效質(zhì)量的的意義自由電子只只受外力作作用；半導導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)量概括括了半導體體內(nèi)部勢場場的作用，，使得研究究半導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））44空穴只有非滿帶帶電子才可可導電導帶電子和和價帶空穴穴具有導電電特性；電電子帶負電電-q（導導帶底），，空穴帶正正電+q（（價帶頂））45K空間等能能面在k=0處處為能帶極極值導帶底附近近價帶頂附近近46K空間等能能面以、、、、為為坐標標軸構(gòu)成空空間，空空間任一一矢量代表表波矢導帶底附附近47K空間等等能面對應(yīng)于某某一值值，有許許多組不不同的，這些組組構(gòu)成一一個封閉閉面，在在著個面面上能量量值為一一恒值，，這個面面稱為等等能量面面，簡稱稱等能面面。等能面為為一球面面（理想想）48半導體中中的電子子狀態(tài)半導體中中雜質(zhì)和和缺陷能能級半導體中中載流子子的統(tǒng)計計分布半導體的的導電性性非平衡載載流子pn結(jié)金屬和半半導體的的接觸半導體表表面與MIS結(jié)結(jié)構(gòu)半導體物物理學49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））50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，，會對半半導體材材料的物物理性質(zhì)質(zhì)和化學學性質(zhì)產(chǎn)產(chǎn)生決定定性的影影響，同同時也嚴嚴重影響響半導體體器件的的質(zhì)量。。1個B原原子/個個Si原子子在室溫下下電導率率提高倍倍Si單晶晶位錯密密度要求求低于51與理想情情況的偏偏離的原原因理論分析析認為，，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，從從而使半半導體的的性質(zhì)發(fā)發(fā)生改變變。52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）53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)。54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55練習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體體材料與與理想的的半導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體的的特性的的？56施主：摻入在在半導體體中的雜雜質(zhì)原子子，能夠夠向半導導體中提提供導電電的電子子，并成為帶帶正電的的離子。。如Si中的P和和AsN型半導體體As半導體的的摻雜施主能級級57受主：摻入在在半導體體中的雜雜質(zhì)原子子，能夠夠向半導導體中提提供導電電的空穴穴，并成為帶帶負電的的離子。。如Si中的BP型半導體體B半導體的的摻雜受主能級級58半導體的的摻雜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)。當處處于離化化態(tài)時，，施主雜雜質(zhì)向?qū)峁┕╇娮映沙蔀檎婋娭行模?；受主雜雜質(zhì)向價價帶提供供空穴成成為負電電中心。。59半導體中中同時存存在施主主和受主主雜質(zhì)，，且。。N型半導導體N型半導導體60半導體中中同時存存在施主主和受主主雜質(zhì)，，且。。P型半導導體P型半導導體61雜質(zhì)的補補償作用用半導體中中同時存存在施主主和受主主雜質(zhì)時時，半導導體是N型還是是P型由由雜質(zhì)的的濃度差差決定半導體中中凈雜質(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（））62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)生生和復合合，直至至達到動動態(tài)平衡衡，總是是同時存在在的?？瘴槐憩F(xiàn)為受主作用用；間隙原子子表現(xiàn)為施主作用63點缺陷替位原子（（化合物半半導體）64位錯位錯是半導導體中的一一種缺陷，，它嚴重影影響材料和和器件的性性能。65位錯施主情況受受主情況況66練習1、Ⅲ、ⅤⅤ族雜質(zhì)在在Si、Ge晶體中中為深能級級雜質(zhì)。（））2、受主雜雜質(zhì)向價帶帶提供空穴穴成為正電電中心。（（））3、雜質(zhì)處處于兩種狀狀態(tài)：（））和（））。4、空位表表現(xiàn)為（））作作用，間隙隙原子表現(xiàn)現(xiàn)為（））作用用。5、以Si在GaAs中的行行為為例，，說明Ⅳ族族雜質(zhì)在ⅢⅢ—Ⅴ化合合物中可能能出現(xiàn)的雙雙性行為。。67半導體中的的電子狀態(tài)態(tài)半導體中雜雜質(zhì)和缺陷陷能級半導體中載載流子的統(tǒng)統(tǒng)計分布半導體的導導電性非平衡載流流子pn結(jié)金屬和半導導體的接觸觸半導體表面面與MIS結(jié)構(gòu)半導體物理理學68熱平衡狀態(tài)態(tài)在一定溫度度下，載流子的產(chǎn)產(chǎn)生和載流子的復復合建立起一動動態(tài)平衡，，這時的載載流子稱為為熱平衡載流流子。半導體的熱熱平衡狀態(tài)態(tài)受溫度影響，某一一特定溫度度對應(yīng)某一一特定的熱熱平衡狀態(tài)態(tài)。半導體的導電性受溫度影響劇烈。。69態(tài)密度的概概念能帶中能量量附附近每單位位能量間隔隔內(nèi)的量子子態(tài)數(shù)。能帶中能量量為無無限小的的能量間隔隔內(nèi)有個個量子子態(tài)，則狀狀態(tài)密度為為70態(tài)密度的計計算狀態(tài)密度的的計算單位空空間的量子子態(tài)數(shù)能量在在空間間中所對應(yīng)應(yīng)的體積前兩者相乘乘得狀態(tài)數(shù)數(shù)根據(jù)定義公公式求得態(tài)態(tài)密度71空間中的量量子態(tài)在空間間中，電子子的允許能能量狀態(tài)密密度為，，考慮慮電子的自自旋情況，，電子的允允許量子態(tài)態(tài)密度為，，每個量子子態(tài)最多只只能容納一個電子。72態(tài)密度導帶底附近近狀態(tài)密度度（理想情情況）73態(tài)密度（導帶底））（價帶頂））74練習1、推導價價帶頂附近近狀態(tài)密度度75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)？？76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77費米米分分布布函函數(shù)數(shù)當時時若，，則則若，，則則在熱熱力力學學溫溫度度為為0度度時時，，費費米米能能級級可可看看成成量量子子態(tài)態(tài)是是否否被被電電子子占占據(jù)據(jù)的的一一個個界界限限當時時若，，則則若，，則則若，，則則費米米能能級級是是量量子子態(tài)態(tài)基基本本上上被被電子子占占據(jù)據(jù)或或基基本本上上是是空空的的一一個標標志志78玻爾爾茲茲曼曼分分布布函函數(shù)數(shù)當時時，由由于于，，所所以以費米米分分布布函函數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化化為為稱為為電電子子的的玻玻爾爾茲茲曼曼分分布布函函數(shù)數(shù)79玻爾爾茲茲曼曼分分布布函函數(shù)數(shù)空穴穴的的玻玻爾爾茲茲曼曼分分布布函函數(shù)數(shù)80玻爾爾茲茲曼曼分分布布函函數(shù)數(shù)導帶帶中中電電子子分分布布可可用用電電子子的的玻玻爾爾茲茲曼曼分分布布函函數(shù)數(shù)描描寫寫（（絕大大多多數(shù)數(shù)電電子子分分布布在在導導帶帶底底）；；價價帶帶中中的的空空穴穴分分布布可可用用空空穴穴的的玻玻爾爾茲茲曼曼分分布布函函數(shù)數(shù)描描寫寫（（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81練習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帶底底，空穴穴分布在在價帶頂頂？82導帶中的的電子濃濃度在導帶上上的間間有有個個電電子從導帶底底到導帶帶頂對進進行行積分，，得到能能帶中的的電子總總數(shù)，除除以半導導體體積積，就得得到了導導帶中的的電子濃濃度83導帶中中的電電子濃濃度84導帶中中的電電子濃濃度導帶寬寬度的的典型型值一一般，，，，所以以，，因此此，，，積分分上限限改為為并并不不影響響結(jié)果果。由由此可可得導導帶中中電子子濃度度為85價帶中中的空空穴濃濃度同理得得價帶帶中的的空穴穴濃度度86載流子子濃度度乘積積同理得得價帶帶中的的空穴穴濃度度熱平衡衡狀態(tài)態(tài)下的的非簡簡并半半導體體中，，在一一定的的溫度度下，，乘積積是是一定定的，，如果果電子子濃度度增大大，空空穴濃濃度就就會減減??；；反之之亦然然87本征半半導體體載流流子濃濃度本征半半導體體無任何何雜質(zhì)質(zhì)和缺缺陷的的半導導體88本征費費米能能級89本征載載流子子濃度度（既適適用于于本征征半導導體，，也適適用于于非簡簡并的的雜志志半導導體））90雜質(zhì)半半導體體載流流子濃濃度一個能能級能能容納納自旋旋方向向相反反的兩兩個電電子雜質(zhì)能能級只只能是是下面面兩種種情況況之一一被一個個有任任一自自旋方方向的的電子子占據(jù)據(jù)不接受受電子子91雜質(zhì)半半導體體載流流子濃濃度施主能能級上上的電電子濃濃度（（沒電電離的的施主主濃度度）受主能能級上上的電電子濃濃度（（沒電電離的的受主主濃度度）92雜質(zhì)半半導體體載流流子濃濃度電離施施主濃濃度電離受受主濃濃度93n和p的其其他變變換公公式本征半半導體體時，，94費米能能級對摻雜雜半導導體，，95費米能能級接近室室溫時時EF-Ei=kTln(ND/ni)96練習97半導體體中的的電子子狀態(tài)態(tài)半導體體中雜雜質(zhì)和和缺陷陷能級級半導體體中載載流子子的統(tǒng)統(tǒng)計分分布半導體體的導導電性性非平衡衡載流流子pn結(jié)結(jié)金屬和和半導導體的的接觸觸半導體體表面面與MIS結(jié)構(gòu)構(gòu)半導體體物理理學98載流子子輸運運半導體體中載載流子子的輸輸運有有三種種形式式：漂移擴散產(chǎn)生和和復合合99歐姆定定律金屬導導體外外加電電壓，，電電流強強度為為電流密密度為為100歐姆定定律均勻?qū)w外外加電電壓，，電電場強強度為為電流密密度為為歐姆定定律的的微分分形式式101漂移電電流漂移運運動當外加加電壓壓時，，導體體內(nèi)部部的自自由電電子受受到電電場力力的作作用而而沿電電場的的反方方向作作定向向運動動（定定向運運動的的速度度稱為為漂移移速度度）電流密密度102漂移速度度漂移速度度103半導體的的電導率率和遷移移率半導體中中的導電電作用為為電子導導電和空空穴導電電的總和和當電場強強度不大大時，滿滿足，，故可得得半導體體中電導導率為104半導體的的電導率率和遷移移率N型半導導體P型半導導體本征半導導體105Question導體在外外加電場場作用下下，導體體內(nèi)載流流子的漂漂移電流流有兩種種表達形形式恒定不斷增大大106熱運動在無電場場作用下下，載流流子永無無停息地地做著無無規(guī)則的的、雜亂亂無章的的運動，，稱為熱熱運動晶體中的的碰撞和和散射引引起凈速度為為零，并并且凈電電流為零零平均自由由時間為為107熱運動當有外電電場作用用時，載載流子既既受電場場力的作作用，同同時不斷斷發(fā)生散散射載流子在在外電場場的作用用下為熱運動和漂移運動動的疊加，，因此電電流密度度是恒定定的108散射的原原因載流子在在半導體體內(nèi)發(fā)生生撒射的的根本原因因是周期性勢勢場遭到到破壞附加勢場場使得能帶帶中的電電子在不不同狀狀態(tài)間躍躍遷，并并使得載載流子的的運動速速度及方方向均發(fā)發(fā)生改變變，發(fā)生生散射行行為。109電離雜質(zhì)質(zhì)的散射射雜質(zhì)電離離的帶電電離子破破壞了雜雜質(zhì)附近近的周期期性勢場場，它就就是使載載流子散散射的附附加勢場場散射概率率代代表表單位時時間內(nèi)一一個載流流子受到到散射的的次數(shù)電離施主主散射電離受主主散射110晶格振動動的散射射格波形成原子子振動的的基本波波動格波波矢矢對應(yīng)于某某一q值值的格波波數(shù)目不不定，一一個晶體體中格波的總總數(shù)取決決于原胞胞中所含含的原子子數(shù)Si、Ge半導體的的原胞含含有兩個個原子，，對應(yīng)于于每一個個q就有有六個不不同的格格波，頻頻率低的三個格波稱稱為聲學波，頻率高的三個為光學波長聲學波波（聲波波）振動動在散射前前后電子子能量基基本不變變，稱為為彈性散射射；光學波振振動在散射前前后電子子能量有有較大的的改變，，稱為非彈性散散射111晶格振動動的散射射聲學波散散射在能帶具具有單一一極值的的半導體體中起主主要散射射作用的的是長波波在長聲學學波中，，只有縱縱波在散散射中起起主要作作用，它它會引起起能帶的的波形變變化聲學波散散射概率率光學波散散射在低溫時時不起作作用，隨隨著溫度度的升高高，光學學波的散散射概率率迅速增增大112練習1、載流流子的熱熱運動在在半導體體內(nèi)會構(gòu)構(gòu)成電流流。（））2、在半半導體中中，載流流子的三三種輸運運方式為為（））、（（））和（（））。3、載流流子在外外電場的的作用下下是（））和（（））兩兩種運動動的疊加加，因此此電流密密度大小?。ǎ?。4、什么么是散射射113與的的關(guān)關(guān)系N個電子子以速度度沿沿某方方向運動動，在時時刻刻未遭到到散射的的電子數(shù)數(shù)為，，則則在時時間內(nèi)被被散射的的電子數(shù)數(shù)為因此114與的的關(guān)關(guān)系上式的解解為則被被散散射的電電子數(shù)為為115與的的關(guān)關(guān)系在時時間間內(nèi)被散散射的所所有電子子的自由由時間為為，，這些些電子自自由時間間的總和和為，則則個個電電子子的的平平均均自自由由時時間間可可表表示示為為116、與與的的關(guān)關(guān)系系平均均漂漂移移速速度度為為117、與與的的關(guān)關(guān)系系N型型半半導導體體P型型半半導導體體本征征半半導導體體118與及及的的關(guān)關(guān)系系電離離雜雜質(zhì)質(zhì)散散射射聲學學波波散散射射光學學波波散散射射119與及及的的關(guān)關(guān)系系電離離雜雜質(zhì)質(zhì)散散射射聲學學波波散散射射光學學波波散散射射120影響響遷遷移移率率的的因因素素與散散射射有有關(guān)關(guān)晶格格散散射射電離離雜雜質(zhì)質(zhì)散散射射121122N型型半半導導體體P型型半半導導體體本征征半半導導體體電阻阻率率123電阻阻率率與與摻摻雜雜的的關(guān)關(guān)系系N型型半半導導體體P型型半半導導體體124電阻率與溫溫度的關(guān)系系本征半導體體本征半導體體電阻率隨隨溫度增加加而單調(diào)地地下降雜質(zhì)半導體體（區(qū)別于金金屬）125速度飽和在低電場作作用下，載載流子在半半導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:126耿氏效應(yīng)耿氏效應(yīng)n-GaAs外加電電場強度超超過時時，半導導體內(nèi)的電電流以的的頻頻率發(fā)生振振蕩127練習一、判斷1、在半導導體中，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值可標標志自由電電子的不同同狀態(tài)，但但它不可標標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、半導體體中兩種載載流子數(shù)目目相同的為為高純半導導體。（（））128練習二、填空1、半導體體材料結(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、固體按按其導電性性可分為（（）、、（））、（））。129練習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、熱平衡時，，能級E處處的空穴濃濃度為（））。8、在半導體中中，載流子子的三種輸輸運方式為為（））、、（））和（））。130練習三、簡答1、單胞的的概念及兩兩大注意點點？2、三種立立方單胞的的名稱？3、引入有有效質(zhì)量的的原因及意意義？4、的的物理理含義？5、費米分分布函數(shù)與與玻耳茲曼曼分布函數(shù)數(shù)的最大區(qū)區(qū)別？6、在外加加電場E作作用下，為為什么半導導體內(nèi)載流流子的漂移移電流恒定定，試從載載流子的運運動角度說說明。7、在室溫溫下，熱平平衡時，Si半導體體中，，，求半導體體中的電子子和空穴濃濃度。131半導體中的的電子狀態(tài)態(tài)半導體中雜雜質(zhì)和缺陷陷能級半導體中載載流子的統(tǒng)統(tǒng)計分布半導體的導導電性非平衡載流流子pn結(jié)金屬和半導導體的接觸觸半導體表面面與MIS結(jié)構(gòu)半導體物理理學132平衡載載流子子在某以以熱平平衡狀狀態(tài)下下的載載流子子稱為為平衡衡載流流子非簡并并半導導體處處于熱熱平衡衡狀態(tài)態(tài)的判判據(jù)式式（只受受溫度度T影影響））133由于受受外界界因素素如光光、電電的作作用，，半導導體中中載流流子的的分布布偏離離了平平衡態(tài)態(tài)分布布，稱稱這些些偏離離平衡衡分布布的載載流子子為過過剩載載流子子，也也稱為為非平平衡載載流子子過剩載載流子子非平衡衡載流流子的的光注注入134平衡載載流子子滿足足費米米－狄狄拉克克統(tǒng)計計分布布過剩載載流子子不滿滿足費費米－－狄拉拉克統(tǒng)統(tǒng)計分分布且公式式不成立立載流子子的產(chǎn)產(chǎn)生和和復合合：電電子和和空穴穴增加加和消消失的的過程程過剩載載流子子135過剩載載流子子和電電中性性平衡時時過過剩剩載流流子電中性性：136小注入入條件件小注入入條件件：注入入的非非平衡衡載流流子濃濃度比比平衡衡時的的多數(shù)數(shù)載流流子濃濃度小小的多多N型材材料P型材材料137小注入入條件件例：室室溫下下一受受到微微擾的的摻雜雜硅，，判斷其其是否否滿足足小注注入條條件？？解：滿足小小注入入條件件?。ǎǎ┳ⅲ海ǎ?））即使使在小小注入入的情情況下下，非非平衡衡少數(shù)數(shù)載流流子濃濃度還還是可可以比比平衡衡少數(shù)數(shù)載流流子濃濃度大大的多多（2））非平平衡少少數(shù)載載流子子起重重要作作用，，非平平衡載載流子子都指指非平平衡少少數(shù)載載流子子138非平衡衡載流流子壽壽命假定光光照產(chǎn)產(chǎn)生和和，，如果果光突突然關(guān)關(guān)閉，，和和將將隨時時間逐逐漸衰衰減直直至0，衰衰減的的時間間常數(shù)數(shù)稱為為壽命命，也常稱稱為少少數(shù)載載流子子壽命命單位時時間內(nèi)內(nèi)非平平衡載載流子子的復復合概概率非平衡衡載流流子的的復合合率139復合n型材材料中中的空空穴當時時，，，，故故壽命命標志志著非非平衡衡載流流子濃濃度減減小到到原值值的1/e所經(jīng)經(jīng)歷的的時間間；壽壽命越越短，，衰減減越快快140費米能能級熱平衡衡狀態(tài)態(tài)下的的非簡簡并半半導體體中有有統(tǒng)一一的費費米能能級統(tǒng)一的的費米米能級級是熱熱平衡衡狀態(tài)態(tài)的標標志141準費米米能級級當半導導體的的熱平平衡狀狀態(tài)被被打破破時，，新的的熱平平衡狀狀態(tài)可可通過過熱躍遷遷實現(xiàn)，，但導導帶和和價帶帶間的的熱躍躍遷較較稀少少導帶和和價帶帶各自自處于于平衡衡態(tài)，，因此此存在在導帶帶費米米能級級和價價帶費費米能能級，，稱其其為““準費米米能級級”142準費米米能級級注：非非平平衡載載流子子越多多，準準費米米能級級偏離離就就越遠遠。在非平平衡態(tài)態(tài)時，，一般般情況況下，，少數(shù)數(shù)載流流子的的準費費米能能級偏偏離費費米能能級較較大143準費米米能級級注：兩兩種種載流流子的的準費費米能能級偏偏離的的情況況反映映了半半導體體偏離離熱平平衡狀狀態(tài)的的程度度144產(chǎn)生和和復合合產(chǎn)生電子和和空穴穴（載載流子子）被被創(chuàng)建建的過過程產(chǎn)生率率（G）：單位位時間間單位位體積積內(nèi)所所產(chǎn)生生的電電子——空穴穴對數(shù)數(shù)復合電子和和空穴穴（載載流子子）消消失的的過程程復合率率（R）：單位位時間間單位位體積積內(nèi)復復合掉掉的電電子——空穴穴對數(shù)數(shù)產(chǎn)生和和復合合會改改變載載流子子的濃濃度，，從而而間接接地影影響電電流145復合直接復復合間間接復復合Auger復合合（禁帶帶寬度度小的的半導導體材材料））（窄禁禁帶半半導體體及高高溫情情況下下）（具有有深能能級雜雜質(zhì)的的半導導體材材料））146產(chǎn)生直接產(chǎn)產(chǎn)生R-G中中心產(chǎn)產(chǎn)生載載流子子產(chǎn)生生與碰撞撞電離離147練習1、一一般情情況下下，滿滿足小小注入入條件件的非非平衡衡載流流子濃濃度比比平衡衡載流流子濃濃度小小。（（））2、壽壽命標標志著著非平平衡載載流子子濃度度減小小到原原值的的（））所所經(jīng)歷歷的時時間。。3、簡簡述小小注入入條件件4、處處于非非平衡衡態(tài)的的p型型半導導體中中，和和哪哪個個距近近？？為什什么？？148陷阱效效應(yīng)當半導導體處處于非非平衡衡態(tài)時時，雜雜質(zhì)能能級具具有積積累非非平衡衡載流流子的的作用用，即即具有有一定定的陷阱效效應(yīng)所有雜雜質(zhì)能能級都都具有有陷阱阱效應(yīng)應(yīng)具有顯顯著陷陷阱效效應(yīng)的的雜質(zhì)質(zhì)能級級稱為為陷阱；相應(yīng)應(yīng)的雜雜質(zhì)和和缺陷陷稱為為陷阱中中心雜質(zhì)能能級與與平衡衡時的的費米米能級級重合合時，，最有有利于于陷阱阱作用用149擴散粒子從從高濃濃度向向低濃濃度區(qū)區(qū)域運運動150擴散電電流151半導體體內(nèi)總總電流流擴散+漂移移152擴散系系數(shù)和和遷移移率的的關(guān)系系考慮非非均勻勻半導導體153愛因斯斯坦關(guān)關(guān)系在平衡衡態(tài)時時，凈凈電流流為0154連續(xù)性性方程程155舉例摻雜濃濃度分分別為為(a)和和的的硅硅中的的電子子和空空穴濃濃度？？(b)再再摻摻雜的的Na又是多多少？？()156半導體體中的的電子子狀態(tài)態(tài)半導體體中雜雜質(zhì)和和缺陷陷能級級半導體體中載載流子子的統(tǒng)統(tǒng)計分分布半導體體的導導電性性非平衡衡載流流子pn結(jié)結(jié)金屬和和半導導體的的接觸觸半導體體表面面與MIS結(jié)構(gòu)構(gòu)半導體體物理理學157PN結(jié)結(jié)雜質(zhì)質(zhì)分布布PN結(jié)結(jié)是同同一塊塊半導導體晶晶體內(nèi)內(nèi)P型型區(qū)和和N型型區(qū)之之間的的邊界界PN結(jié)結(jié)是各各種半半導體體器件件的基基礎(chǔ)，，了解解它的的工作作原理理有助助于更更好地地理解解器件件典型制制造過過程合金法法擴散法法158PN結(jié)結(jié)雜質(zhì)質(zhì)分布布下面兩兩種分分布在在實際際器件件中最最常見見也最最容易易進行行物理理分析析突變結(jié)結(jié):線線性緩緩變結(jié)結(jié):淺結(jié)、重摻摻雜（<1um）深深結(jié)（（>3um）或外延的PN結(jié)159PN結(jié)的形形成160PN結(jié)中的的能帶PN161內(nèi)建電勢162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163能帶內(nèi)建電勢電場164VA0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-VA165反偏PN結(jié)結(jié)反偏電壓能能改變耗盡盡區(qū)寬度嗎嗎？166準費米能級級167理想二極管管方程PN結(jié)正偏偏時168理想二極管管方程PN結(jié)反偏偏時169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。170準中性區(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171邊界條件歐姆接觸邊邊界耗盡層邊界界(pn結(jié)結(jié)定律)172耗盡層邊界界P型一側(cè)PN173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)174準中性區(qū)載載流子濃度度175理想二極極管方程程求解過程程準中性區(qū)區(qū)少子擴擴散方程程求Jp(xn)求Jn(-xp)J=Jp(xn)+Jn(-xp)176理想二極極管方程程(1)新的坐標標:邊界條件件:-xpxn0xX’177空穴電流流一般解178電子電流流P型側(cè)179PN結(jié)電電流180PN結(jié)電電流與溫溫度的關(guān)關(guān)系181與理想情情況的偏偏差大注入效效應(yīng)空間電荷荷區(qū)的復復合182空間電荷荷區(qū)的產(chǎn)產(chǎn)生與復復合正向有復復合電流流反向有產(chǎn)產(chǎn)生電流流183空間電荷荷區(qū)的產(chǎn)產(chǎn)生與復復合-1反向偏置置時,正向偏置置時,計計算比比較復雜雜VA愈低，IR-G愈是起支支配作用用184VAVbi時的大電電流現(xiàn)象象串聯(lián)電阻阻效應(yīng)q/kTLog(I)VA185VAVbi時的大電電流現(xiàn)象象-1大注入效效應(yīng)大注入是是指正偏偏工作時時注入載載流子密密度等于于或高于于平衡態(tài)態(tài)多子密密度的工工作狀態(tài)態(tài)。pn≥nno186VAVbi時的大電電流現(xiàn)象象-2187VAVbi時的大電電流現(xiàn)象象-3VA越大,電電流上上升變緩緩188反向擊穿穿電流急劇劇增加可逆雪崩倍增增齊納過程程不可逆熱擊穿189雪崩崩倍倍增增190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/q191PN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+-PNRsGC192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193反向向偏偏置置結(jié)結(jié)電電容容-1194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195參數(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/C2Vbi196擴散散電電容容197擴散散電電容容-1表現(xiàn)為為電容容形式式198擴散電電容-2擴散電電容與與正向向電流流成正正比199練習1、為為什么么pn結(jié)在在反偏偏壓下下有一一小的的飽和和電流流2、試試分別別描述述勢壘壘電容容和擴擴散電電容的的由來來200半導體體中的的電子子狀態(tài)態(tài)半導體體中雜雜質(zhì)和和缺陷陷能級級半導體體中載載流子子的統(tǒng)統(tǒng)計分分布半導體體的導導電性性非