吉林大學(xué)半導(dǎo)體器件物理第一章

吉林大學(xué)半導(dǎo)體器件物理第一章第一頁，共32頁。教材半導(dǎo)體器件物理

孟慶巨劉海波孟慶輝編著

科學(xué)出版社(第二版)2009年11月第六次印刷普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材國家精品課程主干教材普通高等教育電子科學(xué)與技術(shù)類特色專業(yè)系列教材第二頁，共32頁。課程簡介半導(dǎo)體器件物理課程結(jié)合一些主要的、常見的半導(dǎo)體器件介紹了半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理、基本性能和基本制造工藝。半導(dǎo)體器件物理課程是微電子、光電子、電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的主干專業(yè)基礎(chǔ)課，是吉林大學(xué)國家重點(diǎn)學(xué)科微電子學(xué)與固體電子學(xué)碩士研究生入學(xué)考試科目。半導(dǎo)體器件物理課程于2005年5月被評(píng)為吉林大學(xué)精品課程2005年8月吉林省精品課程2007年12月年被評(píng)為中華人民共和國教育部國家精品課程第三頁，共32頁。講授內(nèi)容與學(xué)時(shí)第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)（4學(xué)時(shí)）第二章PN結(jié)（12學(xué)時(shí)）第三章雙極結(jié)型晶體管（12學(xué)時(shí)）第四章金屬-半導(dǎo)體結(jié)（5學(xué)時(shí)）第五章結(jié)型場效應(yīng)晶體管和肖特基勢(shì)壘場效應(yīng)晶體管（5學(xué)時(shí)）第六章MOS場效應(yīng)晶體管（8學(xué)時(shí)）第七章電荷轉(zhuǎn)移器件（4學(xué)時(shí)）第八章太陽電池與光電二極管（4學(xué)時(shí)）第九章發(fā)光管與半導(dǎo)體激光器（4學(xué)時(shí)）第四頁，共32頁。第一章半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)

第五頁，共32頁。能帶中電子的態(tài)密度函數(shù)1.態(tài)密度和態(tài)密度有效質(zhì)量對(duì)于自由電子：半導(dǎo)體中，類似：自由電子質(zhì)量導(dǎo)帶：導(dǎo)帶電子狀態(tài)密度有效質(zhì)量價(jià)帶：價(jià)帶空穴狀態(tài)密度有效質(zhì)量第六頁，共32頁。價(jià)帶的狀態(tài)密度隨著電子能量的增加同樣按著拋物線關(guān)系增大，價(jià)帶頂附近，空穴能量越高，狀態(tài)密度越大。導(dǎo)帶的狀態(tài)密度隨著電子能量的增加按著拋物線關(guān)系增大，導(dǎo)帶底附近，電子能量越高，狀態(tài)密度越大。狀態(tài)密度與有效質(zhì)量有關(guān),有效質(zhì)量大的能帶,狀態(tài)密度也大。第七頁，共32頁。費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)1.電子占據(jù)能量為E的給定能態(tài)的幾率占據(jù)幾率占據(jù)幾率第八頁，共32頁。2.電子占據(jù)能量為E的給定能態(tài)的幾率在電子、空穴占據(jù)能量為E的給定能態(tài)的幾率的費(fèi)米狄拉克統(tǒng)計(jì)中，如果指數(shù)項(xiàng)遠(yuǎn)大于1，則：什么情況下可以使用波爾茲曼近似？將遠(yuǎn)大于定義為10倍，即室溫條件下，，即：第九頁，共32頁。1.7載流子的統(tǒng)計(jì)分布導(dǎo)帶電子濃度價(jià)帶空穴濃度導(dǎo)帶（底）的有效狀態(tài)密度價(jià)帶（頂）的有效狀態(tài)密度第十頁，共32頁。1.7載流子的統(tǒng)計(jì)分布經(jīng)驗(yàn)公式，為禁帶寬度的溫度系數(shù)；外推到0K時(shí)的禁帶寬度。本征半導(dǎo)體（Intrinsicsemiconductor）所謂本征半導(dǎo)體，就是完全沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。導(dǎo)帶中的電子都是由價(jià)帶激發(fā)得到的，（只有導(dǎo)帶和價(jià)帶，禁帶中沒有雜質(zhì)能級(jí))，即半導(dǎo)體中共價(jià)鍵是飽和的、完整的。T>0K時(shí)，電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，稱為本征激發(fā)。若要求電子總數(shù)不變，必須導(dǎo)帶中的電子濃度等于價(jià)帶中的空穴濃度，即在任何溫度下,要求半導(dǎo)體保持電中性條件,同保持電子總數(shù)不變的條件是一致的。第十一頁，共32頁。表示本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)。當(dāng),Ei恰好位于禁帶中央.實(shí)際上NC和NV并不相等,是1的數(shù)量級(jí).所以Ei在禁帶中央上下約為kT的范圍之內(nèi).第十二頁，共32頁。1.7載流子的統(tǒng)計(jì)分布質(zhì)量作用定律第十三頁，共32頁。1.7載流子的統(tǒng)計(jì)分布N型半導(dǎo)體第十四頁，共32頁。P型半導(dǎo)體第十五頁，共32頁。本征半導(dǎo)體

n＝p（1-7-24）于是

（1-7-25）

（1-7-26）（1-7-27）稱為質(zhì)量作用定律。利用和，也可以把電子和空穴濃度寫成下面的形式（1-7-28）（1-7-29）第十六頁，共32頁。只含有一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體1.7載流子的統(tǒng)計(jì)分布N型半導(dǎo)體在雜質(zhì)飽和電離的溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)帶電子濃度等于施主濃度溫度升高，費(fèi)米能級(jí)逐漸遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底?！ぁ稹ぁ稹ぁ稹ぁぁ稹ぁ稹?/p>

只含一種施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體ECEdEV第十七頁，共32頁。只有一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體在雜質(zhì)飽和電離的溫度范圍內(nèi)，導(dǎo)帶電子濃度等于施主濃度（1-7-30）而（1-7-31）（1-7-32）或（1-7-33）溫度升高，費(fèi)米能級(jí)逐漸遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底。

第十八頁，共32頁。P型半導(dǎo)體在雜質(zhì)飽和電離的溫度范圍內(nèi)，（1-7-34）導(dǎo)帶電子濃度為（1-7-35）費(fèi)米能級(jí)

（1-7-36）（1-7-37）

第十九頁，共32頁。雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體在的半導(dǎo)體中，（1-7-38）

（1-7-39）相應(yīng)的費(fèi)米能級(jí)為（1-7-40）和（1-7-41）第二十頁，共32頁。雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體在的半導(dǎo)體中（1-7-42）（1-7-43）相應(yīng)的費(fèi)米能級(jí)為（1-7-44）（1-7-45）第二十一頁，共32頁。1.9.3流密度和電流密度在漂移和擴(kuò)散同時(shí)存在的情況下，空穴和電子的流密度分別為電流密度分別為在一維情況下，空穴和電子的電流分別為式中A為電流垂直流過的面積。（1-9-25）

（1-9-22）

（1-9-23）

（1-9-24）

（1-9-26）

（1-9-27）

第二十二頁，共32頁。1.10非均勻半導(dǎo)體中的自建場半導(dǎo)體中的靜電場和勢(shì)非均勻半導(dǎo)體和自建電場第二十三頁，共32頁。電場定義為電勢(shì)的負(fù)梯度電勢(shì)與電子勢(shì)能的關(guān)系為（1-10-2）可以把電場表示為（一維）取表示靜電勢(shì)。與此類似，定義為費(fèi)米勢(shì)。(1-10-1)

（1-10-3）

（1-10-4）

（1-10-5）

第二十四頁，共32頁。于是式中稱為熱電勢(shì).在熱平衡情況下，費(fèi)米勢(shì)為常數(shù)，可以把它取為零基準(zhǔn)，于是

（1-10-9）

（1-10-10）

（1-10-6）

（1-10-7）

第二十五頁，共32頁。非均勻的雜質(zhì)分布會(huì)在半導(dǎo)體中引起電場，稱為自建電場。在熱平衡情況下，由

對(duì)于N型半導(dǎo)體，有對(duì)于P型半導(dǎo)體，有

(1－10-9）（1-10-10）

（1-10-14）

（1-10-15）

（1-10-16）

（1-10-17）

第二十六頁，共32頁。1.12準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)在非平衡狀態(tài)下可以定義和兩個(gè)量以代替，使得式中和分別稱為電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，和分別為相應(yīng)的準(zhǔn)費(fèi)米勢(shì)：（1-12-1）

（1-12-2）

第二十七頁，共32頁。修正的歐姆定律

（1-12-5）式和（1-12-6）式稱為修正的歐姆定律，其中分別稱為電子和空穴的等效電導(dǎo)率。修正歐姆定律雖然在形式上和歐姆定律一致，但它包括了載流子的漂移和擴(kuò)散的綜合效應(yīng)。從修正歐姆定律可以看出，費(fèi)米能級(jí)恒定（即）是電流為零的條件。處于熱平衡的半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)恒定?；蛘哒f，熱平衡系統(tǒng)具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)。（1-12-5）

（1-12-6）

第二十八頁，共32頁。1.13.2通過復(fù)合中心的復(fù)合:為簡單計(jì)，假設(shè)復(fù)合中心對(duì)電子和空穴的俘獲系數(shù)相等。凈復(fù)合率可寫成或1.14表面復(fù)合和表面復(fù)合速度（1-13-38）

（1-13-39）

（1-14-1）

（1-4-2）

第二十九頁，共32頁。1.15半導(dǎo)體中的基本控制方程連續(xù)性方程利用電流密度表達(dá)式，（1-15-1）式和（1-15-2）式可以分別寫成在一維情況下，（1-15-1）

（1-15-2）

（1-15-7）（1-15-8）（1-15-9）（1