第一章 微电子器件 半导体物理课件.

1、第一章第一章 半导体中的电子状态半导体中的电子状态u 基本关系式基本关系式022211cnk kd Edkm电子有效质量电子有效质量1 dEdk电子运动速度电子运动速度 半导体、绝缘体、导体能带示意图半导体、绝缘体、导体能带示意图 半导体本征激发能带示意图半导体本征激发能带示意图 硅半导体能带结构图硅半导体能带结构图 砷化镓半导体能带结构图砷化镓半导体能带结构图u 基本图形基本图形1 1、元素半导体、元素半导体由同种原子构成的半导体由同种原子构成的半导体2 2、化合物半导体、化合物半导体两种或两种以上原子按比例化合而成的半导体两种或两种以上原子按比例化合而成的半导体3 3、固溶体半导体、固溶体

2、半导体两种或两种以上元素以任意比例化合而成的半导体两种或两种以上元素以任意比例化合而成的半导体4 4、本征激发、本征激发价带电子被激发到导带、形成等量导带电子和价带空穴的过程价带电子被激发到导带、形成等量导带电子和价带空穴的过程5 5、本征半导体、本征半导体不包含任何杂质和任何缺陷的半导体不包含任何杂质和任何缺陷的半导体6 6、电子有效质量、电子有效质量7 7、电子有效质量的意义、电子有效质量的意义将晶体周期性势场对共有化运动电子的作用包括在电子质量将晶体周期性势场对共有化运动电子的作用包括在电子质量 中，使得对共有化运动电子的运动状态的描述更加简单明了。中，使得对共有化运动电子的运动状态的描

3、述更加简单明了。8 8、空穴、空穴价带中空的电子量子态价带中空的电子量子态9 9、重空穴有效质量、重空穴有效质量由重空穴带决定的空穴有效质量由重空穴带决定的空穴有效质量1010、轻空穴有效质量、轻空穴有效质量由轻空穴带决定的空穴有效质量由轻空穴带决定的空穴有效质量1111、直接带隙、直接带隙导带极小值和价带极大值在同一波矢导带极小值和价带极大值在同一波矢1212、间接带隙、间接带隙导带极小值和价带极大值不在同一波矢导带极小值和价带极大值不在同一波矢1313、禁带宽度、禁带宽度导带极小值和价带极大值之差导带极小值和价带极大值之差1414、能带宽度、能带宽度能带顶和能带底之差能带顶和能带底之差15

4、15、导带、导带绝对零度下，能量最低的空带绝对零度下，能量最低的空带1616、价带、价带绝对零度下，能量最高的满带绝对零度下，能量最高的满带1717、导带底、导带底导带中最低的能级导带中最低的能级1818、价带顶、价带顶价带中最高的能级价带中最高的能级u 基本概念基本概念022211nk kd Edkm1 1、替位杂质、替位杂质占据晶格格点的杂质原子占据晶格格点的杂质原子2 2、间隙杂质、间隙杂质占据晶格间隙的杂质原子占据晶格间隙的杂质原子3 3、杂质中性态、杂质中性态杂质未电离的状态杂质未电离的状态4 4、杂质浓度、杂质浓度单位体积中的杂质原子数单位体积中的杂质原子数5 5、施主杂质、施主杂

5、质释放束缚电子、并成为不可动正离子的杂质释放束缚电子、并成为不可动正离子的杂质6 6、受主杂质、受主杂质释放束缚空穴、并成为不可动负离子的杂质释放束缚空穴、并成为不可动负离子的杂质7 7、深能级杂质、深能级杂质杂质能级离导带底或价带顶较远的杂质杂质能级离导带底或价带顶较远的杂质8 8、浅施主杂质、浅施主杂质施主杂质能级离导带底很近的杂质施主杂质能级离导带底很近的杂质9 9、浅受主杂质、浅受主杂质受主杂质能级离价带顶很近的杂质受主杂质能级离价带顶很近的杂质1010、多能级杂质、多能级杂质能多次电离、在禁带中形成多个能级的杂质能多次电离、在禁带中形成多个能级的杂质1111、双性杂质、双性杂质既具有

6、施主性又具有受主性的杂质既具有施主性又具有受主性的杂质1212、杂质补偿、杂质补偿施主杂质提供的电子被受主杂质提供的空量子态接受的过程施主杂质提供的电子被受主杂质提供的空量子态接受的过程1313、杂质电离、杂质电离杂质原子释放或接受电子的过程杂质原子释放或接受电子的过程1414、杂质高度补偿、杂质高度补偿施主杂质浓度和受主杂质浓度近似相当施主杂质浓度和受主杂质浓度近似相当1515、杂质束缚态、杂质束缚态即杂质中性态即杂质中性态1616、杂质电离能、杂质电离能杂质释放束缚电子所需能量杂质释放束缚电子所需能量1717、施主离子、施主离子施主杂质电离后带正电荷的状态施主杂质电离后带正电荷的状态第二章

7、第二章 半导体中的杂质和缺陷半导体中的杂质和缺陷u 基本概念基本概念1818、受主离子、受主离子受主杂质电离后带负电的状态受主杂质电离后带负电的状态1919、等电子杂质、等电子杂质杂质原子替代同族原子，称为等电子杂质。杂质原子替代同族原子，称为等电子杂质。1919、等电子陷阱、等电子陷阱由于负电性不同，等电子杂质形成的带电中心称为等电子陷阱。由于负电性不同，等电子杂质形成的带电中心称为等电子陷阱。2020、N N型半导体型半导体多子为导带电子的半导体多子为导带电子的半导体2121、P P型半导体型半导体多子为价带空位的半导体多子为价带空位的半导体2222、位错、位错晶格原子周期性排列沿某条线出

8、现的偏差晶格原子周期性排列沿某条线出现的偏差2323、本征点缺陷、本征点缺陷一定温度下，晶格格点原子由于热统计涨落，脱离其平衡位置一定温度下，晶格格点原子由于热统计涨落，脱离其平衡位置2424、肖特基缺陷、肖特基缺陷热涨落使格点原子迁移到晶体表面格点，形成体内空位。热涨落使格点原子迁移到晶体表面格点，形成体内空位。2525、弗伦克儿缺陷、弗伦克儿缺陷格点原子克服势垒，脱离格点进入间隙，形成间隙原子和空位。格点原子克服势垒，脱离格点进入间隙，形成间隙原子和空位。2626、空位、空位格点原子脱离格点位置，形成的缺陷格点原子脱离格点位置，形成的缺陷 施主杂质性质的能带图表示施主杂质性质的能带图表示

9、受主杂质性质的能带图表示受主杂质性质的能带图表示 杂质补偿原理的能带图表示杂质补偿原理的能带图表示u 基本图示基本图示第三章第三章 半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布u 基本关系式基本关系式非简并半导体平衡导带电子浓度非简并半导体平衡导带电子浓度 000expexpcFiFciEEEEnNnk Tk T00expFvEEpNk T0expiFiEEnk T非简并半导体平衡价带空穴浓度非简并半导体平衡价带空穴浓度 热平衡判据热平衡判据 200inpn本征载流子浓度本征载流子浓度 200expexpgcivcvcEEEnN NN Nk Tk T iiAjDjxpxnxnxpqx000

10、半导体空间电荷密度方程半导体空间电荷密度方程1 1、状态密度、状态密度能带中能量能带中能量E E附近单位能量间隔内的电子状态数附近单位能量间隔内的电子状态数2 2、费米统计分布、费米统计分布半导体电子服从的统计分布半导体电子服从的统计分布3 3、少子浓度、少子浓度半导体单位体积中的少子数半导体单位体积中的少子数4 4、多子浓度、多子浓度半导体单位体积中的多子数半导体单位体积中的多子数5 5、非简并半导体、非简并半导体载流子分布从费米分布蜕化化服从波尔兹曼统计分布的半导体载流子分布从费米分布蜕化化服从波尔兹曼统计分布的半导体6 6、简并半导体、简并半导体掺杂浓度很高，使费米能级非常接近、甚至进入

11、导带或价带的半导体掺杂浓度很高，使费米能级非常接近、甚至进入导带或价带的半导体7 7、载流子冻析效应、载流子冻析效应温度很低时，杂质不能完全电离，电子或空穴被杂质束缚温度很低时，杂质不能完全电离，电子或空穴被杂质束缚8 8、禁带变窄效应、禁带变窄效应杂质浓度很高时，杂质能带并与导带底或价带顶相连接，使禁带杂质浓度很高时，杂质能带并与导带底或价带顶相连接，使禁带 宽度减小。宽度减小。9 9、带尾、带尾杂质浓度很高时，与导带底或价带顶相连接的杂质能带。杂质浓度很高时，与导带底或价带顶相连接的杂质能带。1010、饱和区、饱和区半导体杂质全部电离的温度范围半导体杂质全部电离的温度范围1111、高温本征

12、区、高温本征区半导体本征激发载流子超过杂质电离载流子的温度范围半导体本征激发载流子超过杂质电离载流子的温度范围1212、低温弱电离区、低温弱电离区杂质部分电离的温度范围杂质部分电离的温度范围u基本概念基本概念 费米统计分布与温度的关系费米统计分布与温度的关系 半导体本征载流子浓度与温度的关系半导体本征载流子浓度与温度的关系 非简并非简并N N型半导体能带示意图型半导体能带示意图 非简并非简并P P型半导体能带示意图型半导体能带示意图 简并简并N N型半导体能带示意图型半导体能带示意图 简并简并P P型半导体能带示意图型半导体能带示意图 一定杂质浓度下，费米能级与温度的关系图一定杂质浓度下，费米

13、能级与温度的关系图 一定温度下，费米能级与杂质浓度的关系图一定温度下，费米能级与杂质浓度的关系图u 基本图示基本图示第四章第四章 半导体的导电性半导体的导电性u 基本关系式基本关系式漂移电流密度漂移电流密度 ()npJnqpqE载流子迁移率载流子迁移率Ed电导率电导率pnpqnq载流子平均自由时间与散射几率的关系载流子平均自由时间与散射几率的关系1P电离杂质散射几率电离杂质散射几率长纵声学波散射几率长纵声学波散射几率3/2iiPAN T3/2sPBT1 1、载流子漂移运动、载流子漂移运动载流子在电场作用下的定向运动（电子逆电场、空穴顺电场）载流子在电场作用下的定向运动（电子逆电场、空穴顺电场）

14、2 2、散射、散射严格周期势场局部变化，使载流子运动状态改变的现象严格周期势场局部变化，使载流子运动状态改变的现象3 3、散射几率、散射几率单位时间内，载流子被散射的次数单位时间内，载流子被散射的次数4 4、电离杂质散射、电离杂质散射电离杂质对载流子的散射作用电离杂质对载流子的散射作用5 5、格波散射、格波散射晶格振动对载流子的散射作用晶格振动对载流子的散射作用6 6、长纵光学波、长纵光学波振动方向与波的传播相同、波长远大于晶格常数、频率在光波范围振动方向与波的传播相同、波长远大于晶格常数、频率在光波范围 的格波的格波7 7、长纵声学波、长纵声学波振动方向与波的传播相同、波长远大于晶格常数、频

15、率在声波范围振动方向与波的传播相同、波长远大于晶格常数、频率在声波范围 的格波的格波8 8、载流子迁移率、载流子迁移率单位电场作用下，载流子的平均运动速度单位电场作用下，载流子的平均运动速度9 9、平均自由时间、平均自由时间载流子在两次散射之间的自由时间载流子在两次散射之间的自由时间1010、平均自由程、平均自由程载流子在两次散射之间的自由路程载流子在两次散射之间的自由路程1111、强电场效应、强电场效应外加电场强度很高时，载流子与长光学格波发生散射，将从电场外加电场强度很高时，载流子与长光学格波发生散射，将从电场 中获得的能量传递给晶格，载流子漂移速度出现饱和中获得的能量传递给晶格，载流子漂

16、移速度出现饱和1212、热载流子、热载流子外加电场强度很高时，载流子从电场中获得很高能量，电子系统温外加电场强度很高时，载流子从电场中获得很高能量，电子系统温 度高于晶格温度。度高于晶格温度。u 基本概念基本概念 一定温度下，载流子迁移率与杂质浓度的关系一定温度下，载流子迁移率与杂质浓度的关系 一定掺杂浓度下，载流子迁移率与温度的关系一定掺杂浓度下，载流子迁移率与温度的关系 载流子漂移速度与电场关系载流子漂移速度与电场关系 砷化镓载流子漂移速度与电场关系砷化镓载流子漂移速度与电场关系u 基本图示基本图示第五章第五章 非平衡半导体非平衡半导体一、基本关系式一、基本关系式非平衡载流子产生的电导率非

17、平衡载流子产生的电导率0nnn 0ppp qpnpn导带电子浓度（包含非平衡导带电子）导带电子浓度（包含非平衡导带电子）用电子准费米能级表示的导带电子浓度，用电子准费米能级表示的导带电子浓度，TkEEnTkEEnninFiFnF000expexpTkEEnTkEEpppFiipFF000expexp价带空穴浓度（包含非平衡价带空穴）价带空穴浓度（包含非平衡价带空穴）用空穴准费米能级表示的价带空穴浓度，用空穴准费米能级表示的价带空穴浓度，间接复合净复合率间接复合净复合率TkEEnpnnnprNUitiit02cosh2)(ssUsp表面复合率表面复合率 ppd p xJqDdx 扩 nnd n

18、xJqDdx扩电子扩散电流密度电子扩散电流密度空穴扩散电流密度空穴扩散电流密度0()nnJq nnE 漂电子漂移电流密度电子漂移电流密度0()ppJq ppE漂空穴漂移电流密度空穴漂移电流密度dxpdqDEqpJJJppppp扩漂空穴总电流密度空穴总电流密度 nnnnndnJJJqnEqDdx漂扩半导体总电流密度半导体总电流密度 电子总电流密度电子总电流密度 pnJJJ爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式 qTkDnn0qTkDpp0 1 1、小注入、小注入注入的非平衡载流子浓度远低于多子浓度注入的非平衡载流子浓度远低于多子浓度 2 2、大注入、大注入注入的非平衡载流子浓度接近或超过多子浓度注入的非平

19、衡载流子浓度接近或超过多子浓度 3 3、光注入、光注入外界光作用下，半导体价带电子被激发到导带外界光作用下，半导体价带电子被激发到导带 4 4、非平衡载流子、非平衡载流子外加作用下，半导体中超过平衡载流子浓度的那部分载流子外加作用下，半导体中超过平衡载流子浓度的那部分载流子 5 5、非平衡少子、非平衡少子与多子类型相反的非平衡载流子与多子类型相反的非平衡载流子 6 6、少子寿命（寿命）、少子寿命（寿命）非平衡少数载流子评均存活时间非平衡少数载流子评均存活时间 7 7、复合中心、复合中心对复合有帮助作用的杂质或缺陷能级对复合有帮助作用的杂质或缺陷能级 8 8、复合、复合非平衡电子从导带跃迁到价带

20、与非平衡空穴成对消失的过程非平衡电子从导带跃迁到价带与非平衡空穴成对消失的过程二、基本概念二、基本概念9 9、直接复合、直接复合非平衡电子直接从导带跃迁到价带与非平衡空穴成对消失的过程非平衡电子直接从导带跃迁到价带与非平衡空穴成对消失的过程1010、间接复合、间接复合非平衡电子通过复合中心从导带跃迁到价带与非平衡空穴成对消失的非平衡电子通过复合中心从导带跃迁到价带与非平衡空穴成对消失的 过程过程1010、表面复合、表面复合在半导体表面发生的间接复合在半导体表面发生的间接复合1111、俄歇复合、俄歇复合非平衡载流子从高能级向低能级跃迁复合过程中释放的能量使导带非平衡载流子从高能级向低能级跃迁复合过程中释放的能量使导带 （或价带）中另一个载流子激发到更高能级，或使另一个载流子发射（或价带）中另一个载流子激发到更高能级，或使另一个载流子发射 到半导体外到半导体外( (俄歇电子俄歇电子) )。1212、准费米能级、准费米能级注入作用下，导带电子、价带空穴在极短时间各自达到平衡，这种注入作用下，导带电子、价带空穴在极短时间各自达到平