吉林大学半导体器件物理第一章

吉林大学半导体器件物理第一章第一页，共32页。教材半导体器件物理

孟庆巨刘海波孟庆辉编著

科学出版社(第二版)2009年11月第六次印刷普通高等教育“十一五”国家级规划教材国家精品课程主干教材普通高等教育电子科学与技术类特色专业系列教材第二页，共32页。课程简介半导体器件物理课程结合一些主要的、常见的半导体器件介绍了半导体器件的基本结构、基本工作原理、基本性能和基本制造工艺。半导体器件物理课程是微电子、光电子、电子科学与技术等专业的主干专业基础课，是吉林大学国家重点学科微电子学与固体电子学硕士研究生入学考试科目。半导体器件物理课程于2005年5月被评为吉林大学精品课程2005年8月吉林省精品课程2007年12月年被评为中华人民共和国教育部国家精品课程第三页，共32页。讲授内容与学时第一章半导体物理基础（4学时）第二章PN结（12学时）第三章双极结型晶体管（12学时）第四章金属-半导体结（5学时）第五章结型场效应晶体管和肖特基势垒场效应晶体管（5学时）第六章MOS场效应晶体管（8学时）第七章电荷转移器件（4学时）第八章太阳电池与光电二极管（4学时）第九章发光管与半导体激光器（4学时）第四页，共32页。第一章半导体物理基础

第五页，共32页。能带中电子的态密度函数1.态密度和态密度有效质量对于自由电子：半导体中，类似：自由电子质量导带：导带电子状态密度有效质量价带：价带空穴状态密度有效质量第六页，共32页。价带的状态密度随着电子能量的增加同样按着抛物线关系增大，价带顶附近，空穴能量越高，状态密度越大。导带的状态密度随着电子能量的增加按着抛物线关系增大，导带底附近，电子能量越高，状态密度越大。状态密度与有效质量有关,有效质量大的能带,状态密度也大。第七页，共32页。费米狄拉克统计1.电子占据能量为E的给定能态的几率占据几率占据几率第八页，共32页。2.电子占据能量为E的给定能态的几率在电子、空穴占据能量为E的给定能态的几率的费米狄拉克统计中，如果指数项远大于1，则：什么情况下可以使用波尔兹曼近似？将远大于定义为10倍，即室温条件下，，即：第九页，共32页。1.7载流子的统计分布导带电子浓度价带空穴浓度导带（底）的有效状态密度价带（顶）的有效状态密度第十页，共32页。1.7载流子的统计分布经验公式，为禁带宽度的温度系数；外推到0K时的禁带宽度。本征半导体（Intrinsicsemiconductor）所谓本征半导体，就是完全没有杂质和缺陷的半导体。导带中的电子都是由价带激发得到的，（只有导带和价带，禁带中没有杂质能级)，即半导体中共价键是饱和的、完整的。T>0K时，电子从价带激发到导带，称为本征激发。若要求电子总数不变，必须导带中的电子浓度等于价带中的空穴浓度，即在任何温度下,要求半导体保持电中性条件,同保持电子总数不变的条件是一致的。第十一页，共32页。表示本征半导体的费米能级。当,Ei恰好位于禁带中央.实际上NC和NV并不相等,是1的数量级.所以Ei在禁带中央上下约为kT的范围之内.第十二页，共32页。1.7载流子的统计分布质量作用定律第十三页，共32页。1.7载流子的统计分布N型半导体第十四页，共32页。P型半导体第十五页，共32页。本征半导体

n＝p（1-7-24）于是

（1-7-25）

（1-7-26）（1-7-27）称为质量作用定律。利用和，也可以把电子和空穴浓度写成下面的形式（1-7-28）（1-7-29）第十六页，共32页。只含有一种杂质的半导体1.7载流子的统计分布N型半导体在杂质饱和电离的温度范围内，导带电子浓度等于施主浓度温度升高，费米能级逐渐远离导带底。·○·○·○··○·○·

只含一种施主杂质的半导体ECEdEV第十七页，共32页。只有一种杂质的半导体N型半导体在杂质饱和电离的温度范围内，导带电子浓度等于施主浓度（1-7-30）而（1-7-31）（1-7-32）或（1-7-33）温度升高，费米能级逐渐远离导带底。

第十八页，共32页。P型半导体在杂质饱和电离的温度范围内，（1-7-34）导带电子浓度为（1-7-35）费米能级

（1-7-36）（1-7-37）

第十九页，共32页。杂质补偿半导体在的半导体中，（1-7-38）

（1-7-39）相应的费米能级为（1-7-40）和（1-7-41）第二十页，共32页。杂质补偿半导体在的半导体中（1-7-42）（1-7-43）相应的费米能级为（1-7-44）（1-7-45）第二十一页，共32页。1.9.3流密度和电流密度在漂移和扩散同时存在的情况下，空穴和电子的流密度分别为电流密度分别为在一维情况下，空穴和电子的电流分别为式中A为电流垂直流过的面积。（1-9-25）

（1-9-22）

（1-9-23）

（1-9-24）

（1-9-26）

（1-9-27）

第二十二页，共32页。1.10非均匀半导体中的自建场半导体中的静电场和势非均匀半导体和自建电场第二十三页，共32页。电场定义为电势的负梯度电势与电子势能的关系为（1-10-2）可以把电场表示为（一维）取表示静电势。与此类似，定义为费米势。(1-10-1)

（1-10-3）

（1-10-4）

（1-10-5）

第二十四页，共32页。于是式中称为热电势.在热平衡情况下，费米势为常数，可以把它取为零基准，于是

（1-10-9）

（1-10-10）

（1-10-6）

（1-10-7）

第二十五页，共32页。非均匀的杂质分布会在半导体中引起电场，称为自建电场。在热平衡情况下，由

对于N型半导体，有对于P型半导体，有

(1－10-9）（1-10-10）

（1-10-14）

（1-10-15）

（1-10-16）

（1-10-17）

第二十六页，共32页。1.12准费米能级在非平衡状态下可以定义和两个量以代替，使得式中和分别称为电子和空穴的准费米能级，和分别为相应的准费米势：（1-12-1）

（1-12-2）

第二十七页，共32页。修正的欧姆定律

（1-12-5）式和（1-12-6）式称为修正的欧姆定律，其中分别称为电子和空穴的等效电导率。修正欧姆定律虽然在形式上和欧姆定律一致，但它包括了载流子的漂移和扩散的综合效应。从修正欧姆定律可以看出，费米能级恒定（即）是电流为零的条件。处于热平衡的半导体，费米能级恒定。或者说，热平衡系统具有统一的费米能级。（1-12-5）

（1-12-6）

第二十八页，共32页。1.13.2通过复合中心的复合:为简单计，假设复合中心对电子和空穴的俘获系数相等。净复合率可写成或1.14表面复合和表面复合速度（1-13-38）

（1-13-39）

（1-14-1）

（1-4-2）

第二十九页，共32页。1.15半导体中的基本控制方程连续性方程利用电流密度表达式，（1-15-1）式和（1-15-2）式可以分别写成在一维情况下，（1-15-1）

（1-15-2）

（1-15-7）（1-15-8）（1-15-9）（1