第一章 半导体物理基础

半导体器件物理

PhysicsofSemiconductorDevices主讲教师：陈占国电子邮件：czg@办公电话：85168382手机号码公地点：唐敖庆楼D334课程简介《半导体器件物理与实验》

2005年5月吉林大学校级精品课程

2005年8月吉林省省级精品课程

2007年12月教育部国家级精品课程《半导体器件物理》

《半导体器件物理与实验》课程的理论课部分面向专业：

微电子学、光电子学、电子科学与技术课程简介课程地位：

主干专业基础课，硕士研究生入学考试科目。前期课程：

普通物理、结晶学、量子力学、半导体物理学。后续课程：

集成电路，微电子技术，半导体光电子学等。主要内容：

介绍一些常见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等。教学团队课程负责人：

孟庆巨教授，mengqj@程主讲教师：

刘海波教授,

陈占国教授,课程辅导教师：

陈长鸣博士，chencm@材《半导体器件物理》

孟庆巨刘海波孟庆辉

编著

科学出版社出版

2005年1月第一版，第一次印刷

2005年7月第二次印刷

2006年3月第三次印刷

2009年2月第四次印刷

2009年11月第二版，第六次印刷参考资料半导体器件物理课件---ppt《半导体器件物理学习指导》半导体器件物理习题及参考答案半导体器件物理复习纲要《半导体器件物理与实验》国家精品课程网站

吉大网站→校内办公→教学在线→教学资源平台→国家级精品课（第二页）→半导体器件物理→论坛→孟庆巨教授讨论室主要参考书PhysicsofSemiconductorDevices，ThirdEdition,S.M.SzeandKwokK.Ng,PublishedbyJohnWiley&Sons,Inc.in2007.SemiconductorPhysicsandDevices——BasicPrinciples，

ThirdEdition,DonaldA.Neamen，PublishedbyMcGraw-Hill,in2003.《半导体器件基础》，

[美]RobertF.Pierret，电子工业出版社，2004.《现代半导体器件物理》，[美]施敏（S.M.Sze），科学出版社，2001.课程内容（共56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（10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）第一章半导体物理基础

Chapter1

FundamentofSemiconductorPhysics

学习艘目的重点耳知识令回顾能带揪理论袖；载芦流子陷统计翁分布劲；载验流子臭的输只运现满象；污非平肾衡载狗流子尾的产雹生与饥复合男；公式家符号亚衔接补充阳必要笨知识静电删势；惨费米廊势；秆修正捏的欧五姆定题律；李半导鉴体中耳的基催本控使制方短程。ℰ

1.查1—蠢1.陕6能带股理论苦和杂童质能守级（杆自学俘）基本均概念洗与基蒙本原塌理共有笨化运屯动；表电子昆态；瓜周期栗性势乒场；汇布洛戒赫定答理；恩波矢献量；团倒格最矢；槐倒格贪子；声布里何渊区宣；周懂期性炼边界爷条件量；导糊带；枝价带蚀；禁烈带；证晶体第能带秤的性租质；洞有效略质量宾；导宿带电衰子；贷价带柜空穴柳；准甚动量从；电愉子和及空穴敏在外但力作蹦用下捎的运辽动规货律；芹金属既、半众导体辜、绝柿缘体仪的能误带特束征；Si、Ge、Ga炕As等常狠见半恋导体县的能漂带结励构；绘能谷锤；横密向有碑效质旗量；冲纵向豆有效押质量晕；直四接带挥隙；风间接雄带隙合；施阅主杂破质；对受主刘杂质葵；杂立质能争级；N型半丙导体铅；P型半要导体秤；深半能级裳。1.指7载流嘱子的敏统计庆分布1.脂7.演1状态宴密度既（De摆ns僵it大y义of凉S异ta真te债s,材D带OS巴)0.定义朝：单位著体积觉晶体商中单怪位能勉量间担隔内脱的状畏态数际。1.导带辩状态钩密度臭：Ec导带中的状态密度2.价带疫状态闷密度织：1.部7载流捉子的叉统计乔分布1.快7.仔1状态滋密度抽（De喂ns患it性y次of圾S药ta参te演s,拴D灵OS瓶)Ev价带中的状态密度1.厉7载流潜子的症统计声分布导带价带N（E）EEg禁带EcEv状态密度N(E)与能量E的关系1.察7.袭1状态替密度岁（De蒙ns晚it王y屯of画S稻ta稳te恐s,剂D木OS）简单能带图导带价带EEg禁带EcEv1.窜7载流岩子的倾统计狡分布1.迎7.准2费米顽分布霸函数呈和费情米能谋级1.费米帅分布醉函数蠢：电子——费米沃子。一失个能词量为E的电榨子态果被电子占据哭的几流率满鱼足费米-狄拉躁克（Fe冰rm形i-沟Di警ra笋c）统计迅分布羽。k:讲Bo秃lt阅zm临an配n常数四；T:贴Ke无lv选in温度租；EF：Fe尽rm锋i能级圆。1.炼7载流洽子的雁统计皂分布1.歉7.撒2费米乏分布主函数暗和费描米能厘级1.费米看分布晴函数蹈：一个特能量始为E的电会子态未被盖电子骑占据（被空穴占据轧）的拨几率分为：k:若Bo牢lt赖zm东an撒n常数烂；T:容Ke萝lv列in温度肝；EF：Fe先rm迎i能级胃。Ef电子态被电子占据和未被占据的几率分布1.欠7载流踪蝶子的磁统计扔分布1.宽7.凶2费米伶分布冈函数讽和费蜻米能垒级3.费米室能级瘦（Fe乒rm坊i消Le换ve侄l）：（1）在拴一定揉温度脱下，所热平特衡系迫统具顺有恒迅定的酷费米慎能级辆。（2）费接米能主级是袋反映仔电子泪在各摸个能惭级上蹦分布枕情况弱的参钢数。（3）费仍米能肝级是倒电子轿填充佩能级丙水平嗽高低玩的标犯志。4.玻尔哪兹曼燥分布肃：在非牌简并仇半导沉体（行掺杂纺浓度较低，素一般避小于1018cm-3）中规，导萍带电卫子或某价带杀空穴鸭的浓瓜度很多低，驰它们课对电献子态扑的占煌据不跨受Pa雨ul咬i不相研容原奇理的圣限制形，其消分布展几率棚可近霜似为Bo砍lt脉zm藏an碍n分布搬。1.挥7载流披子的紧统计运分布1.朝7.劣3能带蓄中的耍电子香和空建穴浓策度1.导带集电子箱浓度1.酿7载流粱子的汁统计负分布1.魂7.捞3能带您中的谦电子菌和空译穴浓呆度2.价带抽空穴参浓度1.秩7载流供子的稠统计刊分布1.策7.伍3能带复中的榨电子抚和空岸穴浓传度3.np之积一定润温度润下的渗半导袄体，革热平碍衡下揭的np之积摩只与宏有效饮状态礼密度僚和禁锹带宽勉度有舱关，晒而与司掺杂版情况奇和费汗米能仪级无男关。1.雹7载流仔子的席统计坝分布1.业7.珠4本征善半导悦体（In崖tr厉in缘瑞si抛c女Se脖mi馅co违nd筒uc崇to羊r）1.电中马性条询件：2.本征费米能级：3.本征载流子浓度：1.速7载流梦子的餐统计祖分布1.嗽7.盗4本征灶半导唱体（In弹tr端in凶si睬c迟Se肝mi钳co和nd叮uc冷to降r）4.质量嗓作用错公式胃：5.电子和空穴浓度公式的另一种形式：热平耀衡时，双这些公盼式具有爱普适性婚！1.测7载流受子的仆统计舍分布1.版7.挽5只含悄一种编杂质德的半训导体1.电中性条件：3.费米能级：2.载流子浓度：一.剩N型半窜导体疏：（粥饱和肝电离桑）0.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0100200300400500P型N型本征费米能级导带价带10161014101210121014101610181018T/KEiEF-Ei/eVEFEcEvEF硅材料费米能级随杂质浓度和温度的变化曲线施主衡浓度何越高答，N型半泪导体正费米仗能级品越靠碎近导救带底个。随怨着温僻度的慢升高栋，费俯米能恰级逐拜渐远复离导维带底获，接郊近本眠征费驾米能不级。1.广7载流御子的嘉统计检分布1.抽7.产5只含溪一种壳杂质邪的半塑导体1.电中性条件：3.费米能级：2.载流子浓度：二.教P型半林导体鸣：（影饱和掘电离页）0.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0100200300400500P型N型本征费米能级导带价带10161014101210121014101610181018T/KEiEF-Ei/eVEFEcEvEF硅材料费米能级随杂质浓度和温度的变化曲线受主忍浓度搜越高词，P型半颂导体爷费米顺能级骨越靠米近价焦带顶龄。随愚着温霜度的率升高给，费们米能汗级逐秋渐远浇离价躁带顶折，接设近本每征费涌米能牛级。1.妨7载流凭子的狭统计纸分布1.堤7.弹6杂质董补偿搜半导般体1.电中性条件：3.费米能级：2.载流子浓度：一.Nd>Na情况芹（N型）课：（丘饱和悦电离若）1.荒7载流涂子的假统计敌分布1.丛7.虏6杂质杂补偿果半导际体1.电中性条件：3.费米能级：2.载流子浓度：二.跌Na>Nd情况政（P型）保：（容饱和羡电离雾）1.葡7载流津子的移统计妖分布1.糟7.蚕6杂质但补偿挠半导衡体电中性条件和载流子浓度：三.如Na=Nd情况沟：（扭完全荡补偿轰）1.坐7.芽7简并田半导眉体（自缘瑞学）阅读戒教材P3视1-造33，回该答下雁面问窜题：小什么叔是简协并半雨导体油？简钻并发山生的兵条件配是什唯么？1.还8载流支子的闷散射弟（自熔学）阅读油教材P3姿6-原41。需霸要掌鄙握的益概念跟：格跨波；医声子漠；色晒散关罚系；独平均陪自由馅时间泛；弛方豫时违间；往主要糖的散柜射机阁制。几种矛常见董半导碗体的文参数GeSiGaAsEg(eV)0.671.121.43Nc(cm-3)1.04×10192.8×10194.5×1017Nv(cm-3)4.4×10181.04×10197.1×1018Ni(cm-3)2.3×10131.5×10101.1×1071.藏9电荷孙输运舅现象1.粱9.计1漂移嗽运动爹、迁域移率爸与电溪导率电荷差的输细运——载流维子的德漂移润与扩集散运写动。漂移运动:

在外电场存在时，载流子除了做无规则的热运动以外，还要沿一定方向做有规则的定向运动，这种运动称为漂移运动；漂移运动的速度称为漂移速度；漂移运动可引起电荷的定向流动，从而在半导体中产生电流，这就是电导现象；由载流子漂移运动所引起的电流常称为漂移电流。迁移率：

载流子的平均漂移速度与外电场强度成正比，其比例系数称为迁移率。迁移率常用来表示，单位为1.剑9电荷冒输运徒现象1.翼9.差1漂移霸运动撇、迁疮移率仿与电恶导率电子迁移率；空穴迁移率；电子即和空震穴的揪平均赛漂移惨速度锅：前提客条件茎：载防流子孤的有惑效质哭量为闯各向共同性宗！！3.电导率：

外电场在半导体内引起的漂移电流密度与外电场强度成正比，比例系数称为电导率。电导率常用来表示，单位。1.符9电荷谋输运健现象1.漏9.扇1漂移良运动眯、迁获移率暖与电减导率电子电导率；电子踢和空甘穴的默漂移纯电流薄密度息：空穴电导率；总的剑漂移店电流匹密度亦：总的电导率；1.铃9电荷贤输运买现象1.厌9.懂1漂移毁运动珠、迁柜移率亡与电是导率电子迁移率；4.电导季有效谷质量疼：对于兴导带督有多川个对让称能酸谷的慕情形埋，或忍者导伞带底呢附件其的等锈能面描不是碎球面抗的情备形，添需要柿引入粪电导部有效纪质量勒！以Si为例推：导带电子的电导有效质量；1.谦9电荷溪输运交现象1.甘9.腾1漂移场运动朵、迁感移率脸与电能导率空穴迁移率；4.电导智有效庄质量飘：考虑巩到价案带顶按的轻撇、重极空穴杰对电饭导都带有贡全献，诱需要已引入理价带湖空穴毫的电训导有锹效质等量！假设贫价带该顶附谷近轻悔、重准空穴筛的动臣量弛盯豫时榜间相料同，刃则有沸：空穴的电导有效质量；半导体材料Ge0.12m00.23m0Si0.26m00.38m0GaAs0.068m0~0.29m01.辰9电荷帮输运驻现象1.9.2扩散运动和扩散电流扩散运动:

当半导体中载流子浓度分布不均匀时，由于浓度梯度的存在，载流子将由浓度高的区域向浓度低的区域运动，载流子的这种运动称为扩散运动。扩散流密度和扩散系数：

由扩散运动引起的单位时间垂直通过单位面积的载流子数，称为扩散流密度，扩散流密度与载流子浓度梯度成正比，比例系数称为扩散系数。常用来表示，单位为。空穴扩散流密度电子扩散流密度

分别为电子和空穴的扩散系数。1.慨9电荷娇输运球现象1.垒9.茶2扩散耻运动馆和扩求散电撑流3.扩散痰电流:载流闪子是甩带电内的粒姑子，敬载流雀子的遭扩散蚀运动辞也会扁在半池导体真内引窄起电梦流，枯称为扩散怨电流。扩链散流齿密度到与每溉个载鸡流子械所带联电荷今的乘盲积即圾为扩散决电流仆密度。空穴扩散电流密度电子扩散电流密度1.漏9电荷爬输运喜现象1.华9.脚3流密武度、纱电流岛密度附和电怨流方宫程漂移流密度:

漂移流密度等于载流子浓度与它们在电场中的漂移速度的乘积。2.漂移与扩散同时存在时的流密度：

空穴漂移流密度电子漂移流密度空穴流密度：电子流密度：1.故9电荷资输运筐现象1.必9.找3流密猫度、呼电流肉密度熔和电女流方蓬程3.漂移时与扩尖散同题时存厚在时养的电流成密度：电流蓝密度等于伙每个抢载流迹子的丈电荷马与流奋密度碎的乘轧积。4.漂移篮与扩犬散同酷时存澡在时撕的电流脾方程：（破一维麦情形肚）空穴电流密度：电子电流密度：空穴迫电流什方程稿：电子帮电流银方程圈：

为垂直电流的截面积。1.瓦10非均狂匀半源导体姓中的杏自建鹿电场1.浆10押.1半导咽体中魂的静箱电场忙和静长电势如果指半导照体中轮存在泛非均计匀的敢杂质筛分布纽奉，就开会在适半导和体中那引起搅电场绘，常鼓称为自建养电场（bu童il社t-梯in振f痕ie岩ld），巷或内建功电场。电场、电势与电势能的关系:

电场

定义为电势的负梯度，电子的电势能等于电子电荷与电势的乘积。电子的动能空穴的动能导带中电子的最低能量价带中空穴的最低能量Ec（a）无外加电场时EiEvEcEiEv（b）有外加电场时1.搜10非均畅匀半酱导体捕中的草自建督电场1.目10朽.1半导努体中灾的静刺电场转和静迷电势2.静电势与费米势:

设外电场为，在一维情况下，可以用本征费米能级表示为1.扁10非均谜匀半灰导体宿中的松自建墨电场1.垄10途.1半导内体中狗的静习电场鹊和静塑电势热平厌衡时宇，费形米势注为常技数，地可取宁为电渴势零勺基准哥，于愧是：3.用静就电势激与费锅米势康表示赏载流杆子浓帅度:1.然10非均惰匀半双导体车中的垒自建掩电场1.黑10两.2爱因就斯坦荐关系爱因枪斯坦搞关系傲在非硬平衡平情况观下依如然成避立！爱因橡斯坦嚼关系描述煌了载谈流子棵的迁蛋移率骄与扩智散系某数之雅间的搂关系厕。热平狐衡时里，半促导体腿中的珠空穴按电流剖和电娱子电盘流必图须为蓄零，碧即：1.暑10非均姨匀半偏导体啊中的拳自建跨电场1.歇10标.3非均狂匀半啦导体鉴和自扭建电由场0x101010141018Nd(x)/cm-3x=0EcEiEvEF（a）不签均匀您的施健主分割布（b）自爆建电承场造芽成的妙能带势弯曲设：N-貌Si，Nd(x)<翅1018cm-3，即州：非要简并恼情况温。1.哄10非均户匀半明导体动中的些自建围电场1.鼻10温.3非均嗓匀半扫导体弃和自乒建电供场令EF为势虏能零岗点，粪则有贸：同理丙，对跳于p-摔Si，其弦静电猾势和务内建结电场满为：1.堪11纳-1均4非平历衡载扭流子1.访11望.1非平全衡载挑流子慰产生弄后的俯载流甘子浓糖度在外偷界作左用下门，半灾导体仇能带岩中的才载流繁子数刚目将钉偏离欢热平尺衡时家的情请况，旱即产扰生了非平斯衡载漫流子牲，又称贿为过剩兆载流役子。非敏平衡环载流煎子对惭半导怜体器讨件的唤性能射影响表十分烤重要朝。这返里主课要研敏究非突平衡况载流膨子的书产生皆和复挽合机步制以益及它仪们的订运动百规律只。1.兽11害-1看4非平蹲衡载膛流子1.誓11猪.2小注余入时叔的载细流子兄浓度当非判平衡奴载流魔子浓婆度远截小于失热平杨衡多践子浓未度，鹊但远献大于针热平月衡少察子浓脉度时阶，称何为小注伴入，小朱注入有时的心载流任子浓剑度为量：（施以N型半称导体肚为例斩）当非持平衡荣载流猾子浓君度与肥热平辰衡多州子浓妖度相耕当时屠，称馋为大注踢入。1.台11菠.3准费辟米能脆级当非身平衡炮载流管子产末生后湿，体刷系偏稻离了垫热平膨衡态纠，因角而不朗再有活统一路的费怜米能炕级，场但可棵以引开入准费急米能成级描述盲非平怎衡态寸的载圆流子碑浓度去。1.恐11酒-1硬4非平绞衡载婶流子1.胶12眠.1准费瓣米能惩级1.竹11挨-1业4非平防衡载冬流子1.阶12撤.2修正廉的欧拼姆定港律1.车11奥-1胸4非平屑衡载辉流子1.座12质.2修正罢的欧瓜姆定再律修正嚼的欧读姆定红律虽合然在仔形式恐上与未欧姆既定律犹一致搞，但距包括膜了载宽流子饿的漂纯移和拴扩散豪的综茄合效待应。字处于尽热平君衡的果半导桑体，慰具有坊统一弃的费月米能煎级，完因此属电流露为零违。1.浙13城.1非平躺衡载帐流子赖的寿劳命在只庸考虑壤体内塘复合陆的简涌单情贤况下把，单范位时崭间内佣由于斑复合落而引封起的梦非平陈衡载符流子廉浓度习的减隐少率窗与它科们的顶浓度烟成比惠例，蛋即：1.巴11茂-1牺4非平言衡载政流子1.规13维.1非平碧衡载员流子赶的寿切命是非平衡载流子的净复合率，它表示单位时间、单位体积内被复合掉的载流子数。是单位时间内每个非平衡载流子被复合掉的几率。是t=0时的非平衡载流子浓度，是衰减到

的时所经历的时间。每个非平衡载流子的平均存活时间可表示为：可见，是非平衡载流子在被复合前平均存在的时间，称为非平衡载流子的寿命。1.闸11侍-1旦4非平阻衡载考流子1.圾13肃.2直接嘱复合鄙（带流间复埋合）单位翁时间不、单捷位体毁积半丸导体适中复涛合掉俩的电侵子－请空穴真对数唉称为复合兰率，用R表示缴。直接往复合柜；a:电子托－空抄穴对疼的复赶合；b:电子堆－空蒜穴对信的产环生。EvabEc比例语系数r称为眉复合询系数吹。单位雄时间雀、单表位体梢积半叮导体撇中产敏生的好电子贴－空番穴对夫数称扩为产生删率，用G表示碍。1.掀11辰-1陵4非平穗衡载灯流子1.枯13誓.2直接炮复合盖（带天间复锡合）小注烧入条驳件下虑：本征贺半导极体：N型半果导体探：P型半捏导体绿：杂质敞半导栗体中狸非平邻衡少哭子的卸寿命睛比本悟征半扇导体递中的能短；纠同种素半导幻玉体样越品，轰电导百率越剖高，肌非平午衡少秀子的台寿命锡越短睬。1.随11脑-1器4非平意衡载冰流子1.滤13网.3通过辞复合高中心量的复推合（超间接绸复合组）设：顾复合窝中心歪的浓控度为Nt，复起合中挣心能棉级为Et，复裳合中定心对孙电子熟和空卷穴的浪俘获哗系数睬分别散为Cn和Cp，则可永以得妨到净复形合率和寿命吊公式：aa:电子的俘获;b:电子的产生;c:空穴的俘获;d:空穴的产生.通过复合中心的复合bcdEcEv肖克墨利－驱里德顿公式Sh瘦oc猛kl僵ey箭-R石ea肤d填Eq挥ua样ti扭on1.诱11遗-1供4非平让衡载幕流子1.季13筹.3通过凯复合什中心届的复握合（燥间接笨复合已）

分别表示复合中心全空或全满时，对每个电子或空穴的俘获几率。n1

和p1

分别表示费米能级与复合中心能级重合时，导带电子和价带空穴的浓度，即：通过偶比较n0，p0，n1，p1的大