半导体物理课件

半导体物理课件第一页，共六十六页，2022年，8月28日课程代码：14010022课程性质：专业课程/选修课学分：3.0时间：周二（7,8）、（单周）周三（1,2）教室：D座103课程特点：内容广、概念多，理论和系统性较强。课程要求：着重物理概念及物理模型；基本的计算公式课程考核：考勤（10%），作业（20%），期末（70%）课程简介1第二页，共六十六页，2022年，8月28日教材刘恩科，朱秉升，罗晋生编著《半导体物理学》(第七版)，电子工业出版（2011）参考资料刘恩科，朱秉升，罗晋生编著《半导体物理学》(第六版)，电子工业出版社（2003）《半导体物理》，钱佑华，徐至中，高等教育出版社2003《半导体器件物理》(第3版)，耿莉，张瑞智译|(美)S.M.Sze,

KwokK.Ng著，西安交通大学出版社

2008《SemiconductorPhysicsandDevices:BasicPrinciples》3rdEd.半导体物理与器件--基本原理(第3版)(美)DonaldA.Neamen清华大学出版社2003《半导体物理学学习辅导与典型题解》--高等学校理工科电子科学与技术类课程学习辅导丛书，田敬民电子工业出版社2006半导体物理讲义与视频资料，蒋玉龙课程简介2第三页，共六十六页，2022年，8月28日课程简介3第四页，共六十六页，2022年，8月28日课程简介413.非晶态半导体1.半导体中的电子状态2.半导体中杂质和缺陷能级3.半导体中载流子的统计分布4.半导体的导电性5.非平衡载流子基本知识和性质6.p-n结7.金属和半导体的接触8.半导体表面与MIS结构9.半导体异质结构接触现象10.半导体的光学性质和光电与发光现象11.半导体的热电性质12.半导体磁和压阻效应特殊效应第五页，共六十六页，2022年，8月28日半导体概要1一、什么是半导体(semiconductor)？

带隙

电阻率第六页，共六十六页，2022年，8月28日半导体概要2第七页，共六十六页，2022年，8月28日二、半导体的主要特征：

温度对半导体的影响半导体概要3

杂质对半导体电阻率的影响第八页，共六十六页，2022年，8月28日

光照对半导体的影响

半导体概要4第九页，共六十六页，2022年，8月28日三、半导体的主要应用领域半导体概要5

LED照明

IC

光电器件半导体－一个充满前途的领域！第十页，共六十六页，2022年，8月28日第1章半导体中的电子状态1.1半导体的晶格结构和结合性质1.2半导体中的电子状态和能带1.3半导体中电子的运动有效质量1.4本征半导体的导电机构空穴1.5回旋共振1.6硅和锗的能带结构*1.7Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构*1.8Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的能带结构*1.9Si1-xGex合金的能带*1.10宽禁带半导体材料第十一页，共六十六页，2022年，8月28日

一、晶体结构1.1半导体的晶格结构和结合性质1

晶体的基本特点组成晶体的原子按一定的规律周期性重复排列而成固定的熔点硅的溶点:1420oC,锗的熔点:941oC

单晶具有方向性:各向异性第十二页，共六十六页，2022年，8月28日理想晶体是由全同的结构单元在空间无限重复而构成的；结构单元组成：单个原子（铜、铁等简单晶体）多个原子或分子（NaCd2，1192个原子组成最小结构单元；蛋白质晶体的结构单元往往由上万了原子或分子组成）；晶体结构用点阵来描述，在点阵的每个阵点上附有一群原子；这样一个原子群成为基元；基元在空间重复就形成晶体结构。1.1半导体的晶格结构和结合性质2第十三页，共六十六页，2022年，8月28日

基元和晶体结构

每个阵点上附加一个基元，就构成晶体结构；每个基元的组成、位形和取向都是全同的；相对一个阵点，将基元放在何处是无关紧要的；

基元中的原子数目，可以少到一个原子，如许多金属和惰性气体晶体；也可以有很多个（超过1000个）1.1半导体的晶格结构和结合性质3第十四页，共六十六页，2022年，8月28日

晶胞与初基晶胞（原胞）

晶胞：能完整反映晶体内部原子或离子在三维空间分布之化学-结构特征的平行六面体单元。通过适当平移操作，晶胞可以填充整个空间初级晶胞(原胞)：晶体中最小重复单元一个初基晶胞是一个体积最小的晶胞初基晶胞中的原子数目（密度）都是一样的初基晶胞中只含有一个阵点（平行六面体的8个角隅，1/8共享）原胞往往不能反映晶体的对称性,晶胞一般不是最小的重复单元。其体积（面积）可以是原胞的数倍

1.1半导体的晶格结构和结合性质4晶胞：a,b,c轴围成的六面体原胞：a1,a2,a3围成的六面体第十五页，共六十六页，2022年，8月28日

三维点阵的类型1.1半导体的晶格结构和结合性质5

平行六面体的三个棱长a、b、c和及其夹角α、β、γ，可决定平行六面体尺寸和形状，这六个量亦称为点阵常数。按点阵参数可将晶体点阵分为七个晶系，产生14种不同点阵类型。

14种三维点阵第十六页，共六十六页，2022年，8月28日

金刚石型晶体结构1.1半导体的晶格结构和结合性质6半导体有:元素半导体如Si、Ge

原子结合形式：共价键每个原子周围都有4个最近邻的原子，组成一个正四面体结构。4个原子分别处在正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，共有的电子在两个原子之间形成较大的电子云密度，通过他们对原子实的引力把两个原子结合在一起；

晶胞：面心立方对称两套面心立方点阵沿对角线平移1/4套构而成;第十七页，共六十六页，2022年，8月28日

闪锌矿晶体结构1.1半导体的晶格结构和结合性质7材料:Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体如

GaAs、InP、ZnS，等

原子结合形式：混合键依靠共价键结合，但有一定的离子键成分——极性半导体

晶胞：面心立方对称两套不同原子的面心立方点阵沿对角线平移1/4套构而成;金刚石型闪锌矿型第十八页，共六十六页，2022年，8月28日

纤锌矿晶体结构

原子结合形式：混合键依靠共价键结合，离子键成分占优；

晶胞：六方对称

1.1半导体的晶格结构和结合性质8材料:Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体如GaN、ZnO、CdS、ZnS等纤锌矿型（GaN)第十九页，共六十六页，2022年，8月28日孤立原子的能级

原子的能级不同支壳层电子1、电子在壳层上的分布遵从：

a)泡利不相容原理

b)能量最低原理2、表示方法：

1s；2s，2p；3s，3p，3d；…3、在单个原子中，电子状态的特点是：总是局限在原子的周围，其能级取一系列分立值。1.2半导体中的电子状态和能带1一、原子的能级和晶体的能带第二十页，共六十六页，2022年，8月28日

晶体的能带1、原子最外壳层交叠程度大，电子的共有化运动显著，能级分裂厉害，能带宽

2、原子最内壳层交叠程度小，电子的共有化运动弱，能级分裂小，能带窄1.2半导体中的电子状态和能带2原子靠近，外层电子发生共有化运动—能级分裂原子形成晶体后，电子的共有化运动导致能级分裂，形成能带。

第二十一页，共六十六页，2022年，8月28日Si的能带

1.2半导体中的电子状态和能带3N个原子组成晶体，每个能带包含的能级数（共有化状态数）不计原子本身简并：N个原子——N度简并考虑原子简并：与孤立原子的简并度相关例如：N个原子形成晶体：s能级（无简并）——N个状态

p能级（三度简并）——3N个状态考虑自旋：N——2N

第二十二页，共六十六页，2022年，8月28日自由电子的E-k关系1.2半导体中的电子状态和能带4自由电子的运动

微观粒子具有波粒二象性考虑一个质量m0，速度自由运动的电子：二、半导体中的电子的状态和能带第二十三页，共六十六页，2022年，8月28日

晶体中薛定谔方程及其解的形式

其解为布洛赫波函数晶体中的电子是以一个被调幅的平面波在晶体中传播1.2半导体中的电子状态和能带5第二十四页，共六十六页，2022年，8月28日

晶体中的E-k关系—能带

1、禁带出现在k=nπ/a处，即出现在布里渊区的边界上2、每一个布里渊区对应一个能带3、能隙的起因：晶体中电子波的布喇格反射－周期性势场的作用1.2半导体中的电子状态和能带6晶体中电子的E-k关系图简约布里渊区E(k)=E(k+2nπ/a)能量不连续：k=nπ/a(n=0,±1,±2,…)第二十五页，共六十六页，2022年，8月28日三、导体、半导体、绝缘体的能带模型

1.2半导体中的电子状态和能带7

满带中电子不形成电流，对导电没有贡献（内层电子）导体中，价电子占据的能带部分占满绝缘体和半导体，被电子占满的满带为价带，空带为导带；中间为禁带。禁带宽度：绝缘体>半导体第二十六页，共六十六页，2022年，8月28日四、能带隙

1.2半导体中的电子状态和能带8

高纯半导体在绝对零度时导带是空的，并且由一个能隙Eg与充满的价带隔开能带隙是导带的最低点和价带最高点之间的能量差导带的最低点称为导带底，价带的最高点称为价带顶当温度升高时，电子由价带被热激发至导带。导带中的电子和留在价带中的空轨道二者都对电导率有贡献第二十七页，共六十六页，2022年，8月28日

本征激发

本征激发：在一定温度下，价带电子被热激发至导带电子的过程。此时，导带中的电子和留在价带中的空穴二者都对电导率有贡献，这是与金属导体的最大的区别。一定温度下半导体的能带1.2半导体中的电子状态和能带9第二十八页，共六十六页，2022年，8月28日1.3半导体中的电子的运动有效质量1一、半导体中E-k的关系

要掌握能带结构，必须确定E-k的关系（色散关系）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色散关系即可E(0)：导带底能量

以一维情况为例，令dE/dk|k=0=0，E(k=0)泰勒展开第二十九页，共六十六页，2022年，8月28日对于给定半导体是个定值

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，有效质量就越大定义能带底电子有效质量（具有质量的单位）1.3半导体中的电子的运动有效质量2第三十页，共六十六页，2022年，8月28日

价带顶：E(k)<E(0)，电子有效质量为负值1.3半导体中的电子的运动有效质量3

价带顶的有效质量第三十一页，共六十六页，2022年，8月28日二、半导体中电子的平均速度

电子在周期性势场中的运动，用平均速度，即群速度来描述群速度是介质中能量的传输速度布洛赫定理说明电子的运动可以看作是很多行波的叠加，它们可以叠加为波包；而波包的群速就是电子的平均速度。波包由一个特定波矢k附近的诸波函数组成，则波包群速Vg为

能带极值附近的电子速度正负与有效质量正负有关1.3半导体中的电子的运动有效质量4电子能量第三十二页，共六十六页，2022年，8月28日三、半导体中电子的加速度

当半导体上存在外加电场的时候，需要考虑电子同时在周期性势场中和外电场中的运动规律考虑dt时间内外电场|E|对电子的做功过程1.3半导体中的电子的运动有效质量5加速度第三十三页，共六十六页，2022年，8月28日1.3半导体中的电子的运动有效质量6

定义电子的有效质量

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第三十四页，共六十六页，2022年，8月28日四、有效质量的意义1.3半导体中的电子的运动有效质量7

半导体中的电子需要同时响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。还可以由实验直接测定并不代表电子的动量，称为电子的准动量E-k关系至关重要第三十五页，共六十六页，2022年，8月28日第一章半导体中的电子状态

练习1-课后习题1m0为电子惯性质量，k1=1/2a;a=0.314nm。试求：（1）禁带宽度；（2）导带底电子有效质量；（3）价带顶电子有效质量；（4）价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化。1.设晶格常数为a的一维晶格，导带极小值附近能量Ec(k)和价带极大值附近能量Ev(k)分别为：第三十六页，共六十六页，2022年，8月28日第一章半导体中的电子状态

第三十七页，共六十六页，2022年，8月28日第一章半导体中的电子状态

第三十八页，共六十六页，2022年，8月28日第一章半导体中的电子状态

练习2-课后习题22.晶格常数为0.25nm的一维晶格，当外加102V/m和107V/m

的电场时，试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。第三十九页，共六十六页，2022年，8月28日1.4本征半导体的导电机构空穴1

满带中的电子不能导电

高纯半导体在绝对零度时导带是空的，并且由一个能隙Eg与充满电子的价带隔开。当温度升高时，电子由价带被热激发至导带。导带中的电子和留在价带中的空轨道二者都对电导率有贡献。

空穴第四十页，共六十六页，2022年，8月28日1.4本征半导体的导电机构空穴2

满带中的电子即使加外电场也不能导电

所有电子的波矢都以相同的速率向左运动，但满带的结果是合速度为零。外加电场E第四十一页，共六十六页，2022年，8月28日1.4本征半导体的导电机构空穴3

若满带中有一个电子逸出，出现一个空状态，情况如何？

所有电子的波矢都以相同的速率向左运动外加电场E空状态和电子k状态的变化相同第四十二页，共六十六页，2022年，8月28日1.4本征半导体的导电机构空穴4

等效成一个带正电荷的粒子以k状态电子速度运动时产生的电流通常把价带中空着的状态看成是带正电的粒子，称为空穴

求解电流密度J

假设用一个电子填充空状态k，它对应的电流为但满带情况下电流应为零

因为价带有个空状态，所以外加电场下存在电流第四十三页，共六十六页，2022年，8月28日1.4本征半导体的导电机构空穴5

空穴不仅带有正电荷+q，而且还具有正的有效质量mp*

似乎描述了一个带正电荷+q，具有正有效质量mp*的粒子的运动价带顶附近电子有效质量为负值，因此空穴确实应是正值。

价带顶附近A

C，空穴速度在增加，说明加速度为正值

空状态和电子k状态的变化相同第四十四页，共六十六页，2022年，8月28日1.4本征半导体的导电机构空穴6

本征半导体的导电机构

本征半导体在绝对零度时导带是空的，并且由一个能隙Eg与充满的价带隔开。当温度升高时，电子由价带被热激发至导带。导带中的电子和留在价带中的等量空穴二者都对电导率有贡献。

两种载流子导电机制是半导体与金属的最大差异。金属中只有一种载流子。第四十五页，共六十六页，2022年，8月28日1.5回旋共振1

不同的半导体材料，其能带结构不同，而且往往是各向异性的，即沿不同波矢k的方向，E～k关系也不同，往往很复杂。

E～k关系对研究和理解半导体中的载流子行为至关重要。理论上尚存在困难，需要借助实验帮助，得到准确的E～k关系，这个实验就是回旋共振实验。

E(k)为某一定值时，对应着许多组不同的k(即kx,ky,kz)，将这些不同的k连接起来构成一个封闭面，在这个面上的能值均相等，这个面就称为等能面。第四十六页，共六十六页，2022年，8月28日一、k空间等能面

以kx、ky、kz

为坐标轴构成k空间

导带底附近

对应于某一E(K)值，有许多组不同的(kx,ky,kz),将这些组不同的(kx,ky,kz)

连接起来构成一个封闭面，在这个面上能量值为一恒值，这个面称为等能量面，简称等能面。1.5回旋共振2第四十七页，共六十六页，2022年，8月28日

一般情况下的等能面方程1.5回旋共振3

晶体往往是各向异性的，使得沿不同波矢k的方向，E～k关系也不同不同方向上的电子有效质量也往往不同能带极值也不一定在k=0处

导带底：k0，E(k0)选择适当坐标轴：kx,ky,kz

定义：mx*,my*,mz*为相应方向的导带底电子有效质量在k0这个极值附近进行三维泰勒展开第四十八页，共六十六页，2022年，8月28日1.5回旋共振4Ec表示E(K0)一般情况下的等能面是个椭球面等能面在ky,kz平面上的截面图

各项分母=椭球各半轴长的平方第四十九页，共六十六页，2022年，8月28日1.5回旋共振5

当E-k关系是各向同性时

等能面是球形第五十页，共六十六页，2022年，8月28日1.5回旋共振6二、回旋共振

各向同性晶体设圆周运动的半径圆周运动的向心加速度圆周运动的角频率圆周运动的向心力第五十一页，共六十六页，2022年，8月28日1.5回旋共振7

各向异性晶体等能面是椭球面，有效质量是各向异性的，沿kx,ky,kz方向分别设为mx*,my*,mz*；与B的夹角余弦分别设α,β,γ第五十二页，共六十六页，2022年，8月28日1.5回旋共振8第五十三页，共六十六页，2022年，8月28日1.6硅和锗的能带结构1

通过改变磁场的方向，回旋共振可以得出一系列有效质量m*，进而可以求出mx*,my*,mz*

一个磁场方向应该只对应一个吸收峰一、硅的导带结构第五十四页，共六十六页，2022年，8月28日1.6硅和锗的能带结构21、B沿[111]晶轴方向，只能观察到1吸收峰；2、B沿[110]晶轴方向，可以观察到2吸收峰；3、B沿[100]晶轴方向，可以观察到2吸收峰；4、B沿任意晶轴取向可以观察到3个吸收峰。n型硅中有效质量的测量结果[100]

假定导带底附近是等能面沿[100]方向的旋转椭球，则可以合理的解释实验结果，这种模型的导带最小值不在k空间原点，而在[100]方向上;

根据硅晶体立方对称性的要求，必有同样的能量在[-100],[010],[0-10],[001],[00-1]方向上，共6个旋转椭球面.

等能面不是各向同性的；第五十五页，共六十六页，2022年，8月28日1.6硅和锗的能带结构3磁场B的方向是参照真实晶体空间

面心立方的常用晶胞是个立方体

倒易点阵空间的常用晶胞也是个立方体磁场B的方向也可参照晶体k空间第五十六页，共六十六页，2022年，8月28日1.6硅和锗的能带结构4第五十七页，共六十六页，2022年，8月28日1.6硅和锗的能带结构5二、硅的能带结构第五十八页，共六十六页，2022年，8月28日1.6硅和锗的能带结构6三、锗的能带结构第五十九页，共六十六页，2022年，8月28日1.6硅和锗的能带结构7四、硅、锗能带结构的主要特征dEg/dT-2.8×10-4eV/K-3.9×10-4eV/K

禁带宽度Eg随温度增加而减小Eg

间接能隙结构：导带底和价带顶发生在k空间的不同点第六十页，共六十六页，2022年，8月28日1.6硅和锗的能带结构8GaAs的能带结构Eg负温度系数特性：

dEg/dT=-3