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1、半导体物理基础,第一章,1.1 半导体中电子的运动 有效质量,半导体中起作用的常常是接近于能带底部或顶部的电子，因此只要掌握这些能带极值附近的E-k关系即可,第一章,对于给定半导体是个定值,第一章,定义能带底电子有效质量,导带底：E(k)E(0)，电子有效质量为正值,能带越窄，k=0处的曲率越小，二次微商就小，有效质量就越大,价带顶的有效质量,第一章,价带顶：E(k)E(0)，电子有效质量为负值,- 半导体中电子的平均速度,- 半导体中电子的加速度,第一章,引进有效质量的概念后，电子在外电场作用下的表现和自由电子相似，都符合牛顿第二定律描述,3.1.4 有效质量的意义,半导体中的电子需要同时响
2、应内部势场和外加场的作用，有效质量概括了半导体内部势场对电子的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。,第一章,1.2 硅和锗的能带结构,- 硅的能带结构,Eg(300K)=1.12eV,间接带隙结构,禁带宽度随温度增加而减小,第一章,- 锗的能带结构,Eg(300K)=0.67eV,间接带隙结构,禁带宽度随温度增加而减小,第一章,- 砷化镓的能带结构,Eg(300K)=1.43eV,直接带隙结构,禁带宽度随温度增加而减小，dEg/dT=-3.9510-4eV/K,第一章,- 能带结构与温度的关系,第一章,P35 1.,(1),第一章,第二章,第
3、二章 半导体中杂质和缺陷能级,第二章,2.1 硅、锗晶体中的杂质能级,- 替位式杂质和间隙式杂质,按照球形原子堆积模型，金刚石晶体的一个原胞 中的8个原子只占该晶胞体积的34，还有66是空隙！,A间隙式杂质原子：原子半径比较小,B替位式杂质原子：原子的大小与被取代的晶体原子大小比较相近,第二章,浅能级杂质,特点：,ED Eg,T= 0 K，束缚态,T0 K，能带角度：电子从ED跃迁到EC，成为导带电子,空间角度：电子脱离P+离子的库仑束缚，运动到无穷远,电离的原因：热激发，远红外光的照射,第二章,施主杂质施主能级受主杂质受主能级,当V族元素P在Si中成为替位式杂质且电离时，能够释放电子而产生导
4、电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质.,成键后，P 原子多余1 个价电子,第二章,当III族元素B在Si中成为替位式杂质且电离时，能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称它们为受主杂质或p型杂质,第二章,- 杂质的补偿作用,当半导体中同时存在施主和受主时，考虑杂质补偿作用,空间角度的理解：施主周围有多余的价电子，受主周围缺少价电子，施主多余的价电子正好填充受主周围空缺的价键电子，使价键饱和，使系统能量降低-稳定状态,能带角度的理解：,第二章,1.杂质能级离带边较远，ED，EA可与Eg相比拟；2. ED，EA较大，杂质电离作用较弱，对载 流子（导电电子和空穴）浓度影响较小；3.
5、对载流子的复合作用较大（复合中心），降低非平衡载流子的寿命.,-深能级杂质,特点：,第二章,空位：不饱和键，倾向于接受电子-受主,间隙原子：4 个之外多余的价电子-施主,2.2 缺陷、位错能级,2.2.1 点缺陷,-杂质原子（替位式，间隙式）,第一章,思考题,什么是浅能级杂质和深能级杂质？它们对半导体有和影响？,第三章半导体中载流子的统计分布,第三章,3.1 费米能级和载流子的统计分布,-费米分布函数f(E),能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率为,T0K时: EEf f(E)=0,费米分布函数的性质,T0K时:,第三章,当E-Ef 5kT时，f 0.993,费米能级的物理意义标志了电子填
6、充水平,玻尔兹曼分布函数,第三章,电子的费米统计分布函数,E-EfkT,空穴的费米统计分布函数,Ef-EkT,第三章,导带有效状态密度,导带平衡电子浓度,300K NC(Si)=2.81019cm-3,导带平衡电子浓度,导带电子浓度,价带空穴浓度,价带有效状态密度,电子浓度和空穴浓度满足：,只与me*，mh*，Eg和T有关，与EF或掺杂浓度无关,无论本征半导体还是杂质半导体，只要是热平衡状态的非简并半导体，都适用！,材料参数,第三章,3.2 本征半导体中的载流子统计,3.2.1 本征载流子浓度ni,热激发所产生的载流子,没有杂质和缺陷的半导体,T= 0 K，价带全满，导带全空,T0 K，热激发
7、，电子从价带激发到导带（本征激发）,第三章,本征载流子浓度ni与禁带宽度Eg,T=300K,测量值,本征载流子浓度ni与温度T,第三章,3.2.2 本征半导体的费米能级位置,本征费米能级(n=p取对数得到),（禁带中线）,本征费米能级Ei基本上在禁带中线处,弱,强,过渡,本征,一般地，NCND由上式看出，ND越大，Ef越接近导带EC；T越大，Ef越接近本征费米能级Ei。,杂质能级的分布函数,3.3 杂质半导体中的载流子统计,第三章,N型半导体中的电子浓度随温度的变化关系,第三章,Ef ND（强电离，室温）,费米能级：反应半导体导电类型和掺杂水平,ND高强n 型,ND低弱n 型,NA低弱P 型,
8、NA高强P 型,NDNA 本征型,第三章,3.4.1 简并半导体的载流子浓度,单一杂质，n 型半导体，处于强电离区（饱和区）,费米积分,简并半导体不适用！,3.4简并半导体,简并判据,Semiconductor Physics,第四章 半导体的导电性,Semiconductor Physics,4.1.2 半导体的电导率和迁移率,强n 型，np,强p 型，pn,本征,迁移率,电导率,Semiconductor Physics,4.2.1 平均自由时间及其与迁移率的关系,平均弛豫时间（自由时间）的物理意义,载流子的自由时间有一个统计分布，但简单地可以认为所有电子从时间t=0 开始被加速“自由”地
9、运动，平均来说当t=时，电子受到一次散射。,Semiconductor Physics,4.2.2 载流子的主要散射机制,散射的原因：周期势场被破坏（晶体偏离理想）,微扰势V,1. 电离杂质中心散射,库仑力的作用，弹性散射,声子是一种准粒子，它既有能量又有动量.,电子受晶格振动的散射-电子与声子的散射,（吸收或释放一个声子）,（格波）,2. 晶格振动散射(声子散射),Semiconductor Physics,4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系,4.3.1 迁移率与杂质浓度和温度的关系,电离杂质散射,声学波散射,Semiconductor Physics,4.3.2 电阻率与杂质浓度的关系,
10、n 型, 型,本征,重掺杂：不完全电离；N增加，减小偏离直线关系,Semiconductor Physics,4.3.2 电阻率与温度的关系,第一章,思考题,什么是迁移率？迁移率的影响因素有哪些？,第五章 非平衡载流子,第五章 非平衡载流子,5.2.2 准费米能级,与Et能级位置的关系,净复合率U=,简单假设rn= rp= r，则,当Et= Ei时，U极大,当|EtEi| kT时，U0,深能级-有效的复合中心,双曲余弦,5.3 陷阱效应,5.3.1 陷阱现象,p n,p =n+nt,若nt 0，电子陷阱作用,若nt 0，空穴陷阱作用,有效的陷阱：在Nt较低的条件下，nt n（p）.,杂质能级积
11、累非平衡载流子的作用称为陷阱效应,5.3.2 成为陷阱的条件,成为有效电子陷阱的条件：,1 当n1= n0（即EtEF）时,2 要使nt大，n0最好为少子，即p 型半导,陷阱的作用-增加少子寿命,5.4爱因斯坦关系,爱因斯坦关系,第六章 pn结,第6章 pn结,6.1.3 平衡p-n结能带图,6.1.4 p-n结接触电势差,例如：NA= 1017cm-3，ND= 1015cm-3,1. 外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动,正向偏压：非平衡载流子的电注入,6.2 p-n结电流电压特性,反向偏压：少数载流子的抽取或吸出,6.2.1 非平衡状态下的pn结,-pn结势垒的变化,正向偏压下的非平
12、衡少子,注入到P区的非平衡电子,注入到N区的非平衡空穴,无限厚样品的稳态扩散解,6.2.3 理想p-n结的J-V关系,前提：,小注入,突变耗尽层条件（耗尽层外电中性）,忽略势垒区中载流子的产生、复合,非简并,电流密度,扩散电流组成,整流特性,强烈依赖温度,Js：反向饱和电流密度,qV/kT 1, qV/kT 1,6.3 p-n结电容,突变结p+-n,电荷分布,耗尽近似,6.3.1 p-n结中的电场和电势分布,正负电荷总量相等,耗尽区主要在轻掺杂区的一边,势垒区宽度,第六章 pn结,泊松方程,电场分布,边界条件,耗尽区主要在轻掺杂区的一边,电场分布,电势分布,边界条件,势垒宽度,n+-p结,+-
13、n结,第六章 pn结,-几点说明,1 单边突变结VD随低掺杂浓度增大而增大,2 突变结XD与VD-V的平方根成正比。正向电压增大而减小，反向电 压增大而增大。单边突变结XD随低掺杂浓度增大而减小,3,外加电压时,6.3.2 势垒电容,突变结势垒电容,扩散电容,(耗尽层近似),平行板电容,NB：轻掺杂浓度,突变结,轻掺杂浓度,耗尽层近似,反向适用,突变结（正向偏压）,考虑势垒区中的载流子作用,第六章 pn结,-几点说明,1突变结势垒电容和结面积以及轻掺杂一边的杂质浓度的平方根成正比,2 突变结势垒电容与VD-V的平方根成反比,6.4 p-n结的击穿,6.4.1 雪崩击穿,影响因素：E、XD,6.
14、4.2 齐纳击穿（隧道击穿）,隧穿几率,T Eg P VBR 负温度系数,重掺杂Ge、Si p-n结 VBR 6Eg/q 齐纳 雪崩,隧道击穿要求一定的NV。N小V大，雪崩击穿；N大V小，隧道击穿。,第七章 金属和半导体的接触,第七章,9.1 金半接触的能带图,9.1.1 功函数和电子亲合能,功函数：,真空能级与费米能级之差,电子亲和能：真空能级与导带底之差,E0：真空能级,真空中静止电子的能量,En,第七章,9.1.2 接触电势差,D 1,（Wm Ws）,肖特基势垒,D 0,接触电势差,表面势：半导体表面和体内的电势差,阻挡层：高阻，整流,反阻挡层：低阻，欧姆,整流,欧姆,欧姆,整流,D = 0,第七章,9.2.4 镜像力影响,电子总电势能,第七章,9.2.5 隧道效应影响,临界厚度xc,xc d,可见，镜像力和隧道效应引起的势垒降低量随反向电压的增大而缓慢增大，当反向电压较高时势垒的降低变得明显。因此，这两者对反向特性影响比较显著。,
