第一篇：半導(dǎo)體物理學(xué)課程教學(xué)大綱

半導(dǎo)體物理學(xué) 課程教學(xué)大綱

一、課程說(shuō)明

（一）課程名稱、所屬專業(yè)、課程性質(zhì)、學(xué)分； 課程名稱：半導(dǎo)體物理學(xué) 所屬專業(yè)：微電子科學(xué)與工程 課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課 學(xué) 分：4

（二）課程簡(jiǎn)介、目標(biāo)與任務(wù)；

本課程是微電子科學(xué)與工程專業(yè)本科生必修的專業(yè)基礎(chǔ)課。該課程的主要內(nèi)容可分為三大部分。第1-5章是晶體半導(dǎo)體的基本知識(shí)和性質(zhì)的闡述；第6-9章為半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象；第10章介紹半導(dǎo)體的一些特殊效應(yīng)。本課程的任務(wù)是揭示和研究半導(dǎo)體的微觀機(jī)構(gòu)，從微觀的角度解釋發(fā)生在半導(dǎo)體中的宏觀物理現(xiàn)象。通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生熟練掌握半導(dǎo)體物理方面的基本概念、知識(shí)和理論及半導(dǎo)體物理的基本模型和分析方法，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)微電子科學(xué)的其他課程提供理論依據(jù)。此外，半導(dǎo)體物理學(xué)是半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體工藝、半導(dǎo)體器件及半導(dǎo)體集成電路等相關(guān)研究領(lǐng)域的專業(yè)基礎(chǔ)課，是微電子學(xué)與固體電子學(xué)專業(yè)方向碩士、博士研究生入學(xué)考試必考科目。在微電子科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)中占有重要地位。

該課程的目的是使學(xué)生全面地了解和掌握半導(dǎo)體物理的基本知識(shí)和基本理論，重視理論與實(shí)踐的結(jié)合，能夠利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，為學(xué)生將來(lái)從事半導(dǎo)體物理方面的理論研究和相關(guān)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

（三）先修課程要求，與先修課與后續(xù)相關(guān)課程之間的邏輯關(guān)系和內(nèi)容銜接； 先修課程：量子力學(xué)、固體物理、熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理

本課程的學(xué)習(xí)需要掌握量子力學(xué)、固體物理及熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理的基本物理概念、模型及理論。需要了解微觀物質(zhì)的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律、固體物質(zhì)的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、構(gòu)成物質(zhì)的各種粒子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)、相互關(guān)系以及統(tǒng)計(jì)物理的基本概念。這幾門課程分別為本課程的學(xué)習(xí)提供最基本的理論支持。同時(shí)半導(dǎo)體物理學(xué)也是后續(xù)相關(guān)課程如：半導(dǎo)體材 料、半導(dǎo)體工藝、器件及集成電路等課程的基本理論基礎(chǔ)。

（四）教材與主要參考書。

教材：

劉恩科、朱秉升、羅晉生編，《半導(dǎo)體物理學(xué)》，電子工業(yè)出版社，2011，第七版。主要參考書：

1.錢佑華、徐至中，《半導(dǎo)體物理學(xué)》，高等教育出版社，1999，第一版

2.Semiconductor Physics and Devices Basic Principle(3rd Edition)，Donald A.Neamen, McGraw-Hill Co.2000(清華大學(xué)出版社 影印版，2003.12)《半導(dǎo)體物理與器件》》(第三版)國(guó)外電子與通信教材系列作者：A.Neamen，電子工業(yè)出版社，2005。

二、課程內(nèi)容與安排

第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 第一節(jié) 半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì) 第二節(jié) 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶 第三節(jié) 半導(dǎo)體中的電子的運(yùn)動(dòng)、有效質(zhì)量 第四節(jié) 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)、空穴 第五節(jié) 回旋共振 第六節(jié) 硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)

第七節(jié) Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí) 第一節(jié) 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) 第二節(jié) Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級(jí) 第三節(jié) 缺陷、位錯(cuò)能級(jí)

第三章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布 第一節(jié) 狀態(tài)密度

第二節(jié) 費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)計(jì)分布 第三節(jié) 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 第四節(jié) 雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度 第五節(jié) 一般情況下的載流子統(tǒng)計(jì)分布 第六節(jié) 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

第一節(jié) 載流子的漂移運(yùn)動(dòng) 和遷移率

(美)Donald

第二節(jié) 載流子的散射

第三節(jié) 遷移率及其雜質(zhì)濃度及溫度的關(guān)系 第四節(jié) 電阻率及其雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系 第五節(jié) 強(qiáng)電場(chǎng)下的效應(yīng)、熱載流子 第六節(jié) 多能谷散射、耿氏效應(yīng) 第五章 非平衡載流子

第一節(jié) 非平衡載流子的注入與復(fù)合 第二節(jié) 非平衡載流子的壽命 第三節(jié) 第四節(jié) 第五節(jié) 第六節(jié) 第八節(jié) 第九節(jié) 第六章 第一節(jié) p-n第二節(jié) p-n第三節(jié) p-n第四節(jié) p-n第五節(jié) p-n第七章 第一節(jié) 第二節(jié) 第三節(jié) 第八章 第一節(jié) 第二節(jié) 第三節(jié) MIS第四節(jié) 第五節(jié) 第九章 第一節(jié) 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 復(fù)合理論 陷阱效應(yīng)

非平衡載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 連續(xù)性方程

硅的少數(shù)載流子壽命與擴(kuò)散長(zhǎng)度 p-n結(jié) 結(jié)及其能帶 結(jié)電壓電流特性 結(jié)電容 結(jié)擊穿 結(jié)隧道效應(yīng) 金屬和半導(dǎo)體接觸 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖 金屬半導(dǎo)體接觸整流理論 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸 半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu) 表面態(tài) 表面電場(chǎng)效應(yīng)

（MOS）結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性 硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì) 表面電導(dǎo)及遷移率 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)及其能帶圖 第二節(jié) 半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性及注入特性 第三節(jié) 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱結(jié)構(gòu)及其電子能態(tài)與特性 第四節(jié) 半導(dǎo)體超晶格 第十章 半導(dǎo)體霍爾效應(yīng) 第一節(jié) 一種載流子的霍爾效應(yīng) 第二節(jié) 兩種載流子的霍爾效應(yīng) 第三節(jié) 霍爾效應(yīng)的應(yīng)用

（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配

1、教學(xué)方法：（1）課堂教學(xué)

采用傳統(tǒng)板書與多媒體課件相結(jié)合的課堂教學(xué)方法。對(duì)重點(diǎn)、難點(diǎn)部分等，盡可能采用黑板書寫，而對(duì)于一般性的文字?jǐn)⑹龊蛨D片資料，則采用多媒體教學(xué)。課后布置一定數(shù)量的習(xí)題，讓學(xué)生加深理解，鞏固所學(xué)的核心知識(shí)點(diǎn)。作業(yè)批改量達(dá)到100%。對(duì)作業(yè)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤明確指出存在的主要問(wèn)題，共性問(wèn)題則在答疑時(shí)集中講解。組織若干次習(xí)題課，讓學(xué)生全面系統(tǒng)地加深和鞏固本課程的知識(shí)體系。

（2）課后答疑

每學(xué)期安排若干次答疑，及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和對(duì)關(guān)鍵知識(shí)的掌握程度。

2、學(xué)時(shí)分配：

第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)（共8學(xué)時(shí)）第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)（共4學(xué)時(shí)）第三章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布（共8學(xué)時(shí)）第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性（共8學(xué)時(shí)）第五章 非平衡載流子（共10學(xué)時(shí)）第六章 p-n結(jié)（共8學(xué)時(shí)）

第七章 金屬和半導(dǎo)體接觸（共8學(xué)時(shí)）第八章 半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)（共8學(xué)時(shí)）第九章 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)（共6學(xué)時(shí)）第十章 半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)（共4學(xué)時(shí)）

（二）內(nèi)容及基本要求

主要內(nèi)容：該課程主要介紹半導(dǎo)體材料和器件的重要物理現(xiàn)象，闡述半導(dǎo)體物理的理論及有關(guān)物理量的實(shí)驗(yàn)方法。具體包括：硅、鍺、砷化鎵等晶體結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)，雜質(zhì)和缺陷能級(jí)及半導(dǎo)體能帶，載流子的統(tǒng)計(jì)分布、散射級(jí)電導(dǎo)，非平衡載流子的產(chǎn)生、復(fù)合及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，半導(dǎo)體導(dǎo)電性質(zhì)及霍爾效應(yīng)，半導(dǎo)體pn結(jié)及特性，金屬-半導(dǎo)體接觸的整流理論和歐姆接觸，表面理論及MIS結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)及半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)。

基本要求：通過(guò)本課程的教學(xué)，讓學(xué)生掌握能帶理論和半導(dǎo)體物理的基本概念；使學(xué)生從微觀角度了解半導(dǎo)體中載流子的能量狀態(tài)、統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律和散射及電導(dǎo)規(guī)律；了解半導(dǎo)體中非平衡載流子的產(chǎn)生、復(fù)合、漂移和擴(kuò)散等運(yùn)動(dòng)規(guī)律；了解摻雜和缺陷在半導(dǎo)體物理中的重要作用；了解半導(dǎo)體的特性、半導(dǎo)體內(nèi)部載流子的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律；了解半導(dǎo)體的基本物理效應(yīng)。

【重點(diǎn)掌握】：硅、鍺、砷化鎵等晶體結(jié)構(gòu)、半導(dǎo)體中的電子運(yùn)動(dòng)、有效質(zhì)量、空穴的概念；施主、受主雜質(zhì)及能級(jí)等概念；淺能級(jí)、深能級(jí)雜質(zhì)；雜質(zhì)補(bǔ)償作用與缺陷及半導(dǎo)體能帶；波矢空間的量子態(tài)分布、半導(dǎo)體導(dǎo)帶底、價(jià)帶頂附近的狀態(tài)密度計(jì)算；費(fèi)米分布函數(shù)和玻耳茲曼分布函數(shù)及其物理意義；本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度的計(jì)算；載流子統(tǒng)計(jì)分布、電導(dǎo)率、遷移率概念和相互關(guān)系及其隨溫度和雜質(zhì)濃度的變化規(guī)律；非平衡載流子的壽命、產(chǎn)生、復(fù)合、擴(kuò)散等運(yùn)動(dòng)規(guī)律；載流子的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)；pn結(jié)物理特性、能帶圖及接觸電勢(shì)差的計(jì)算、載流子分布、電流電壓特性、結(jié)電容、擊穿機(jī)制、隧道效應(yīng)；金屬-半導(dǎo)體接觸的整流理論和歐姆接觸；半導(dǎo)體表面電場(chǎng)效應(yīng)、MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性；異質(zhì)結(jié)等物理現(xiàn)象、基本理論和及其分析方法；各種理想異質(zhì)結(jié)能帶圖的畫法；半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)。

【掌握】：主要半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)；淺雜質(zhì)能級(jí)（施主和受主）和深能級(jí)雜質(zhì)的性質(zhì)和作用；各種不同雜質(zhì)濃度和溫下的費(fèi)米能級(jí)位置和載流子濃度；主要散射機(jī)構(gòu)的機(jī)理、散射幾率與雜質(zhì)濃度及溫度的關(guān)系；金屬-半導(dǎo)體接觸的能帶彎曲過(guò)程分析及簡(jiǎn)圖畫法；電流傳輸理論的幾種模型建立、應(yīng)用和推導(dǎo)；掌握實(shí)現(xiàn)良好歐姆接觸和整流接觸的原理和方法；異質(zhì)結(jié)幾種電流傳輸模型和重要應(yīng)用；霍耳系數(shù)的測(cè)定。

【了解】：半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)；回旋共振實(shí)驗(yàn)的目的、意義和原理。了解缺陷、位錯(cuò)能級(jí)的特點(diǎn)和作用。電流密度方程和連續(xù)性方程；實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的各種情況，并與理想C-V特性相比較，了解如何用C-V法來(lái)了解半導(dǎo)體的表面狀況，Si-SiO2系統(tǒng)的性質(zhì)。了解異質(zhì)結(jié)幾種電流傳輸模型和重要應(yīng)用。

【一般了解】：半導(dǎo)體在強(qiáng)電場(chǎng)下的效應(yīng)及耿氏效應(yīng)，半導(dǎo)體超晶格材料。【難點(diǎn)】：能帶論的定性描述和理解；鍺、硅、砷化鎵能帶結(jié)構(gòu)；雜質(zhì)能級(jí)；雜質(zhì)電離的過(guò)程；半導(dǎo)體導(dǎo)帶底，價(jià)帶頂附近的狀態(tài)密度計(jì)算；費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)計(jì) 分布；雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度的計(jì)算；載流子的散射機(jī)構(gòu)；電導(dǎo)率與遷移率的關(guān)系；強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)；復(fù)合理論；愛(ài)因斯坦關(guān)系；連續(xù)性方程的應(yīng)用；電流電壓特性、結(jié)電容；金屬-半導(dǎo)體接觸的能帶彎曲過(guò)程分析；Si-SiO2系統(tǒng)的性質(zhì)；異質(zhì)結(jié)能帶圖的畫法。（重點(diǎn)掌握、掌握、了解、一般了解四個(gè)層次可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和對(duì)學(xué)生的具體要求適當(dāng)減少，但不得少于兩個(gè)層次）

制定人：李亞麗

審定人： 批準(zhǔn)人： 日 期：

第二篇：《半導(dǎo)體物理學(xué)》課程教學(xué)大綱

《半導(dǎo)體物理學(xué)》課程教學(xué)大綱

一、課程說(shuō)明

（一）課程名稱：《半導(dǎo)體物理學(xué)》

所屬專業(yè)：物理學(xué)（電子材料和器件工程方向）

課程性質(zhì)：專業(yè)課

學(xué) 分：4學(xué)分

（二）課程簡(jiǎn)介、目標(biāo)與任務(wù)：

《半導(dǎo)體物理學(xué)》是物理學(xué)專業(yè)（電子材料和器件工程方向）本科生的一門必修課程。通過(guò)學(xué)習(xí)本課程，使學(xué)生掌握半導(dǎo)體物理學(xué)中的基本概念、基本理論和基本規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生分析和應(yīng)用半導(dǎo)體各種物理效應(yīng)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，同時(shí)為后繼課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

本課程的任務(wù)是從微觀上解釋發(fā)生在半導(dǎo)體中的宏觀物理現(xiàn)象，研究并揭示微觀機(jī)理；重點(diǎn)學(xué)習(xí)半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)及載流子的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，學(xué)習(xí)半導(dǎo)體中載流子的輸運(yùn)理論及相關(guān)規(guī)律；學(xué)習(xí)載流子在輸運(yùn)過(guò)程中所發(fā)生的宏觀物理現(xiàn)象；學(xué)習(xí)半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)及其表面、界面問(wèn)題。

（三）先修課程要求，與先修課與后續(xù)相關(guān)課程之間的邏輯關(guān)系和內(nèi)容銜接：

本課程的先修課程包括熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、量子力學(xué)和固體物理學(xué)，學(xué)生應(yīng)掌握這些先修課程中必要的知識(shí)。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)為后繼《半導(dǎo)體器件》、《晶體管原理》等課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

（四）教材與主要參考書：

［1］劉恩科，朱秉升，羅晉生.半導(dǎo)體物理學(xué)（第7版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社.2011.［2］黃昆,謝希德.半導(dǎo)體物理學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社.2012.［3］葉良修.半導(dǎo)體物理學(xué)（第2版）［M］.上冊(cè).北京：高等教育出版社.2007.［4］S.M.Sze, Physics of Semiconductor Devices(2nd ed.), Wiley, New York, 2006.二、課程內(nèi)容與安排

第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)

第一節(jié) 第二節(jié) 第三節(jié) 第四節(jié) 第五節(jié) 第六節(jié)

半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì) 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶

半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng) 有效質(zhì)量 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu) 空穴 回旋共振

硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu) 第七節(jié) 第八節(jié) 第九節(jié) 第十節(jié) III-V族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) II-VI族化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) Si1-xGex合金的能帶 寬禁帶半導(dǎo)體材料

（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配

課堂講授，大約8-10學(xué)時(shí)。限于學(xué)時(shí)，第8-10節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章將先修課程《固體物理學(xué)》中所學(xué)的晶體結(jié)構(gòu)、單電子近似和能帶的知識(shí)應(yīng)用到半導(dǎo)體中，要求深入理解并重點(diǎn)掌握半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)（導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶及其寬度）；掌握有效質(zhì)量、空穴的概念以及硅和砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)；了解回旋共振實(shí)驗(yàn)的目的、意義和原理。

本章的重點(diǎn)包括單電子近似，半導(dǎo)體的導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶及其寬度，有效質(zhì)量，空穴，硅、砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)。難點(diǎn)為能帶論，硅、砷化鎵能帶結(jié)構(gòu)，有效質(zhì)量。第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)

第一節(jié) 第二節(jié) 第三節(jié) 第四節(jié) 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) III-V族化合物中的雜質(zhì)能級(jí)

氮化鎵、氮化鋁、氮化硅中的雜質(zhì)能級(jí) 缺陷、位錯(cuò)能級(jí)

（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配

課堂講授，大約3-4學(xué)時(shí)。限于學(xué)時(shí)，第3節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要介紹在常見(jiàn)半導(dǎo)體的禁帶中引入雜質(zhì)和缺陷能級(jí)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果。要求學(xué)生根據(jù)所引入的雜質(zhì)能級(jí)情況，理解雜質(zhì)的性質(zhì)和作用，分清淺能級(jí)雜質(zhì)和深能級(jí)雜質(zhì)；重點(diǎn)掌握施主雜質(zhì)和n型半導(dǎo)體、受主雜質(zhì)和p型半導(dǎo)體的概念；掌握雜質(zhì)電離、電離能、雜質(zhì)補(bǔ)償、雜質(zhì)濃度的概念，了解缺陷、位錯(cuò)能級(jí)的特點(diǎn)和作用。

本章的重點(diǎn)包括施主雜質(zhì)和施主能級(jí)，受主雜質(zhì)和受主能級(jí)，淺能級(jí)雜質(zhì)和深能級(jí)雜質(zhì)，n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體，雜質(zhì)補(bǔ)償作用等。難點(diǎn)為雜質(zhì)能級(jí)，雜質(zhì)電離過(guò)程。第三章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布

第一節(jié) 第二節(jié) 第三節(jié) 第四節(jié) 第五節(jié) 第六節(jié) 第七節(jié) 狀態(tài)密度

費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)計(jì)分布 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度 一般情況下的載流子統(tǒng)計(jì)分布 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體

電子占據(jù)雜質(zhì)能級(jí)的概率

（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配 課堂講授，大約8-10學(xué)時(shí)。限于學(xué)時(shí)，第7節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要討論半導(dǎo)體中載流子濃度隨溫度的變化規(guī)律，解決如何計(jì)算一定溫度下半導(dǎo)體中熱平衡載流子濃度的問(wèn)題。通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，要求掌握狀態(tài)密度、費(fèi)米分布和玻爾茲曼分布、費(fèi)米能級(jí)、導(dǎo)帶和價(jià)帶有效狀態(tài)密度的概念；重點(diǎn)掌握應(yīng)用電中性條件和電中性方程，推導(dǎo)本征半導(dǎo)體的載流子濃度，計(jì)算在各種不同雜質(zhì)濃度和溫度下雜質(zhì)半導(dǎo)體的的費(fèi)米能級(jí)位置和載流子濃度；掌握非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體和簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的概念以及簡(jiǎn)并化條件。

本章重點(diǎn)包括波矢空間的量子態(tài)分布、半導(dǎo)體導(dǎo)帶底、價(jià)帶頂附近的狀態(tài)密度計(jì)算，費(fèi)米分布函數(shù)和玻耳茲曼分布函數(shù)及其物理意義，本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度的計(jì)算。難點(diǎn)為半導(dǎo)體導(dǎo)帶底、價(jià)帶頂附近的狀態(tài)密度計(jì)算，費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)計(jì)分布，雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度的計(jì)算。第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

第一節(jié) 第二節(jié) 第三節(jié) 第四節(jié) 第五節(jié) 第六節(jié) 第七節(jié) 載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和遷移率 載流子的散射

遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系 電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系 玻耳茲曼方程、電導(dǎo)率的統(tǒng)計(jì)理論 強(qiáng)電場(chǎng)下的效應(yīng)、熱載流子 多能谷散射、耿氏效應(yīng)

（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配

課堂講授，大約7-8學(xué)時(shí)。限于學(xué)時(shí)，第5節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要討論載流子在外加電場(chǎng)作用下的漂移運(yùn)動(dòng)，討論半導(dǎo)體的遷移率、電導(dǎo)率隨溫度和雜質(zhì)濃度的變化規(guī)律。要求重點(diǎn)掌握遷移率的概念；掌握電離雜質(zhì)散射、晶格振動(dòng)散射的機(jī)理、散射幾率與雜質(zhì)濃度及溫度的關(guān)系；掌握遷移率、電導(dǎo)率（電阻率）與雜質(zhì)濃度及溫度的關(guān)系；了解強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)以及砷化鎵的負(fù)微分電導(dǎo)、耿氏效應(yīng)。

本章重點(diǎn)包括電導(dǎo)率、遷移率概念及相互關(guān)系，遷移率、電阻率隨溫度和雜質(zhì)濃度的變化規(guī)律，強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)。難點(diǎn)為載流子的散射機(jī)構(gòu)，電導(dǎo)率與遷移率的關(guān)系，強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)。

第五章 非平衡載流子

第一節(jié) 第二節(jié) 第三節(jié) 第四節(jié) 第五節(jié) 第六節(jié) 第七節(jié) 第八節(jié) 第九節(jié)

非平衡載流子的注入與復(fù)合 非平衡載流子的壽命 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 復(fù)合理論 陷阱效應(yīng)

載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，愛(ài)因斯坦關(guān)系式 連續(xù)性方程式

硅的少數(shù)載流子壽命與擴(kuò)散長(zhǎng)度

（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配

課堂講授，大約10學(xué)時(shí)。限于學(xué)時(shí)，第9節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要討論非平衡載流子的產(chǎn)生、復(fù)合及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過(guò)學(xué)習(xí)，要求掌握非平衡載流子的產(chǎn)生、壽命、復(fù)合及其復(fù)合機(jī)構(gòu)，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，陷阱效應(yīng)，載流子的漂移和擴(kuò)散等概念；掌握非平衡載流子的復(fù)合理論；了解愛(ài)因斯坦關(guān)系；理解并靈活應(yīng)用電流密度方程和連續(xù)性方程。

本章重點(diǎn)包括非平衡載流子的產(chǎn)生、復(fù)合，非平衡載流子壽命，載流子的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)，連續(xù)性方程運(yùn)用等。難點(diǎn)為復(fù)合理論，愛(ài)因斯坦關(guān)系，連續(xù)性方程的應(yīng)用。第六章 pn結(jié)

第一節(jié) 第二節(jié) 第三節(jié) 第四節(jié) 第五節(jié) pn結(jié)及其能帶圖 pn結(jié)電流電壓特性 pn結(jié)電容 pn結(jié)擊穿 pn結(jié)隧道效應(yīng)

（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配

課堂講授，大約6-7學(xué)時(shí)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要討論pn結(jié)的性質(zhì)。通過(guò)學(xué)習(xí)要求掌握pn結(jié)的物理特性、能帶結(jié)構(gòu)以及接觸電勢(shì)差的計(jì)算；掌握I-V特性、結(jié)電容的推導(dǎo)；了解pn結(jié)的擊穿機(jī)制和隧道效應(yīng)。

本章重點(diǎn)包括空間電荷區(qū)，pn結(jié)接觸電勢(shì)差，載流子分布，I-V特性，結(jié)電容，擊穿機(jī)制，隧道效應(yīng)等。難點(diǎn)為I-V特性，結(jié)電容。第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸

第一節(jié) 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖 第二節(jié) 金屬半導(dǎo)體接觸整流理論 第三節(jié) 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸

（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配

課堂講授，大約3-4學(xué)時(shí)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要討論金屬半導(dǎo)體接觸。通過(guò)本章學(xué)習(xí)，要求掌握理想和實(shí)際的金-半接觸的能帶圖；對(duì)其電流傳輸理論的幾種模型的建立、表達(dá)式的推導(dǎo)和應(yīng)用有所了解；掌握實(shí)現(xiàn)良好歐姆接觸和整流接觸的原理和方法。

本章的重點(diǎn)包括金屬和半導(dǎo)體接觸的能帶彎曲過(guò)程分析及簡(jiǎn)圖畫法。難點(diǎn)為金屬和半導(dǎo)體接觸的能帶彎曲過(guò)程分析，熱電子發(fā)射理論。第八章 半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu) 第一節(jié) 第二節(jié) 第三節(jié) 第四節(jié) 第五節(jié) 第六節(jié) 表面態(tài)

表面電場(chǎng)效應(yīng)

MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性 硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì) 表面電導(dǎo)及遷移率

表面電場(chǎng)對(duì)pn結(jié)特性的影響

（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配

課堂講授，大約4學(xué)時(shí)。限于學(xué)時(shí)，第5、6節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要討論半導(dǎo)體的表面現(xiàn)象及其相關(guān)的理論，側(cè)重于實(shí)際的半導(dǎo)體表面。通過(guò)學(xué)習(xí)，要求學(xué)生了解表面狀態(tài)；掌握理想MIS結(jié)構(gòu)的表面電場(chǎng)效應(yīng)、電容電壓特性；學(xué)會(huì)對(duì)實(shí)際MIS結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的各種情況進(jìn)行分析；掌握如何用C-V法來(lái)研究半導(dǎo)體的表面狀況；了解Si-SiO2系統(tǒng)的性質(zhì)。

本章的重點(diǎn)包括半導(dǎo)體表面電場(chǎng)效應(yīng)，MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性。難點(diǎn)為Si-SiO2系統(tǒng)的性質(zhì)。

第九章 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)

第一節(jié) 第二節(jié) 第三節(jié) 第四節(jié) 第五節(jié) 第六節(jié) 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)及其能帶圖

半導(dǎo)體異質(zhì)pn結(jié)的電流電壓特性及注入特性 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱結(jié)構(gòu)及其電子能態(tài)與特性 半導(dǎo)體應(yīng)變異質(zhì)結(jié)構(gòu) GaN基半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體超晶格

（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配

課堂講授，大約5-6學(xué)時(shí)。限于學(xué)時(shí)，第4-5節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要討論半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)、異質(zhì)pn結(jié)的I-V特性與注入特性及各種半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)及其電子能態(tài)等。通過(guò)學(xué)習(xí)要求學(xué)生重點(diǎn)掌握各種理想異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)及其畫法；了解異質(zhì)pn結(jié)的I-V特性和注入特性；了解異質(zhì)結(jié)幾種電流傳輸模型和重要應(yīng)用；了解異質(zhì)結(jié)的調(diào)制摻雜、高遷移率特性、二維電子氣、應(yīng)變異質(zhì)結(jié)、半導(dǎo)體量子阱和超晶格在現(xiàn)代半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用。

本章的重點(diǎn)是理想異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)及其畫法，半導(dǎo)體量子阱和超晶格結(jié)構(gòu)的特性及其在現(xiàn)代半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用。難點(diǎn)為異質(zhì)結(jié)能帶圖的畫法。第十章 半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和光電與發(fā)光現(xiàn)象

第一節(jié) 第二節(jié) 第三節(jié) 第四節(jié) 第五節(jié) 第六節(jié) 第七節(jié)

半導(dǎo)體的光學(xué)常數(shù) 半導(dǎo)體的光吸收 半導(dǎo)體的光電導(dǎo)

半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng) 半導(dǎo)體發(fā)光 半導(dǎo)體激光

半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)在光電子器件中的應(yīng)用

（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配

課堂講授，大約7-8學(xué)時(shí)。限于學(xué)時(shí)，第6、7節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要討論光和半導(dǎo)體相互作用的一般規(guī)律，重點(diǎn)討論光的吸收、光電導(dǎo)和發(fā)光等效應(yīng)。通過(guò)學(xué)習(xí)，要求學(xué)生重點(diǎn)掌握半導(dǎo)體的光吸收和光電導(dǎo)特性；掌握光生伏特效應(yīng)和太陽(yáng)電池、半導(dǎo)體發(fā)光和LED的機(jī)理及其應(yīng)用；了解各種光敏器件和半導(dǎo)體激光器等。

本章的重點(diǎn)包括半導(dǎo)體的光吸收及發(fā)光現(xiàn)象，半導(dǎo)體光電導(dǎo)，光生伏特效應(yīng)，半導(dǎo)體激光等。難點(diǎn)為光電導(dǎo)效應(yīng)，電致發(fā)光機(jī)構(gòu)。

第十一章 半導(dǎo)體的熱電性質(zhì)

第一節(jié) 熱電效應(yīng)的一般描述 第二節(jié) 半導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì)率 第三節(jié) 半導(dǎo)體的珀?duì)柼?yīng) 第四節(jié) 半導(dǎo)體的湯姆遜效應(yīng) 第五節(jié) 半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率 第六節(jié) 半導(dǎo)體熱電效應(yīng)的應(yīng)用

（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配

限于學(xué)時(shí)，本章可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要討論由溫度梯度及電流同時(shí)存在時(shí)引起的現(xiàn)象，介紹產(chǎn)生這些現(xiàn)象的物理機(jī)理。通過(guò)學(xué)習(xí)，要求了解半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)的種類、應(yīng)用和物理機(jī)制；掌握半導(dǎo)體溫差電動(dòng)勢(shì)率的計(jì)算和影響因素。

本章的重點(diǎn)包括塞貝克效應(yīng)，珀?duì)柼?yīng)，湯姆遜效應(yīng)，開(kāi)耳芬關(guān)系，溫差電動(dòng)勢(shì)率和熱導(dǎo)率。難點(diǎn)為溫差電動(dòng)勢(shì)率。第十二章 半導(dǎo)體磁和壓阻效應(yīng)

第一節(jié) 霍耳效應(yīng) 第二節(jié) 磁阻效應(yīng) 第三節(jié) 磁光效應(yīng) 第四節(jié) 量子化霍耳效應(yīng) 第五節(jié) 熱磁效應(yīng) 第六節(jié) 光磁電效應(yīng) 第七節(jié) 壓阻效應(yīng)

（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配

課堂講授，大約3學(xué)時(shí)。限于學(xué)時(shí)，第3-7節(jié)可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章扼要講述半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中發(fā)生的各種效應(yīng)以及對(duì)半導(dǎo)體施加壓力時(shí)產(chǎn)生的壓阻效應(yīng)。通過(guò)學(xué)習(xí)，要求掌握半導(dǎo)體霍耳效應(yīng)物理機(jī)制和應(yīng)用；了解磁阻效應(yīng)、磁光效應(yīng)、量子化霍耳效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、光磁電效應(yīng)、壓阻效應(yīng)等。

本章重點(diǎn)包括霍耳效應(yīng)，磁阻效應(yīng)，熱磁效應(yīng)，光磁電效應(yīng)，壓阻效應(yīng)。難點(diǎn)為量子化霍耳效應(yīng)。

第十三章 非晶態(tài)半導(dǎo)體

第一節(jié) 非晶態(tài)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu) 第二節(jié) 非晶態(tài)半導(dǎo)體中的電子態(tài)

第三節(jié) 非晶態(tài)半導(dǎo)體中的缺陷、隙態(tài)與摻雜效應(yīng) 第四節(jié) 非晶態(tài)半導(dǎo)體中的電學(xué)性質(zhì) 第五節(jié) 非晶態(tài)半導(dǎo)體中的光學(xué)性質(zhì) 第六節(jié) a-Si:H的pn結(jié)與金-半接觸特性

（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配

限于學(xué)時(shí)，本章可不講授，學(xué)生可自學(xué)。

（二）內(nèi)容及基本要求

本章主要討論非晶態(tài)半導(dǎo)體的基本特性。通過(guò)學(xué)習(xí)要求了解非晶態(tài)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)、電子態(tài)的特征，理解遷移率邊、帶隙態(tài)與摻雜效應(yīng)的物理意義；掌握非晶態(tài)半導(dǎo)體光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)的特點(diǎn)以及應(yīng)用。

本章的重點(diǎn)包括非晶態(tài)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，遷移率邊，帶隙態(tài)與摻雜效應(yīng)，非晶態(tài)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制和光電導(dǎo)，SW效應(yīng)等。難點(diǎn)為非晶態(tài)半導(dǎo)體的遷移率邊，帶隙態(tài)與摻雜效應(yīng)。

制定人：賀德衍

審定人： 批準(zhǔn)人： 日 期：

第三篇：《半導(dǎo)體物理學(xué)》課程輔導(dǎo)教案

《半導(dǎo)體物理學(xué)》課程輔導(dǎo)教案

關(guān)于教案的幾點(diǎn)說(shuō)明: 教案的基本內(nèi)容:包括課程的課程重點(diǎn),課程難點(diǎn),基本概念,基本要求,參考資料,思考題和自測(cè)題,教學(xué)進(jìn)度及學(xué)時(shí)分配.教材:采用高等學(xué)校工科電子類(電子信息類)規(guī)劃教材《半導(dǎo)體物理學(xué)》,由劉思科,朱秉升,羅晉生等編寫.本教材多次獲獎(jiǎng),如全國(guó)高等學(xué)校優(yōu)秀教材獎(jiǎng),電子類專業(yè)優(yōu)秀教材特等獎(jiǎng),普通高等學(xué)校教材全國(guó)特等獎(jiǎng).參考資料(書目)葉良修(北大)《半導(dǎo)體物理學(xué)》 劉文明(吉大)《半導(dǎo)體物理學(xué)》 顧祖毅(清華)《半導(dǎo)體物理學(xué)》

格羅夫(美)A.S.Grove《半導(dǎo)體器件物理與工藝》 王家驊(南開(kāi))《半導(dǎo)體器件物理》 施敏(Sze.S.M美)《半導(dǎo)體器件物理》 施敏(Sze.S.M美)《現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理》

目錄

第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)

§1.1 晶體結(jié)構(gòu)預(yù)備知識(shí),半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu) §1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)

§1.3 電子在周期場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)——能帶論

§1.4 半導(dǎo)體中電子(在外力下)的運(yùn)動(dòng),有效質(zhì)量,空穴 §1.5 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu) §1.6 回旋共振 §1.7 硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu) §1.8 化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí) §2.1 硅,鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) §2.2 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) §2.3 半導(dǎo)體中的缺陷能級(jí)(defect levels)第三章 半導(dǎo)體中熱平衡載流子的統(tǒng)計(jì)分布 §3.1 載流子的統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)及能量狀態(tài)密度 §3.2 導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度 §3.3 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 §3.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度 §3.5 一般情況下地載流子統(tǒng)計(jì)分布 §3.6 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 §4.1 載流子的漂移運(yùn)動(dòng),遷移率 §4.2 載流子的散射

§4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系 §4.4 電阻率及其與雜質(zhì)濃度的關(guān)系 §4.6 強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng),熱載流子 §4.7 耿氏效應(yīng),多能谷散射 第五章 非平衡載流子 §5.1 非平衡載流子的注入 §5.2 非平衡載流子的復(fù)合和壽命 §5.3 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) §5.4 復(fù)合理論 §5.5 陷阱效應(yīng) §5.6 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

§5.7 載流子的漂移運(yùn)動(dòng),愛(ài)因斯坦關(guān)系 §5.8 連續(xù)性方程及其應(yīng)用 第六章 p–n結(jié)

§6.1 p–n結(jié)及其能帶圖 §6.2 p–n結(jié)電流電壓特性 §6.3 p–n結(jié)電容 §6.4 p–n結(jié)擊穿 §6.5(*)p–n結(jié)隧道效應(yīng)

第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) §1.1 晶體結(jié)構(gòu)預(yù)備知識(shí) 半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu) ◆本節(jié)內(nèi)容:

14學(xué)時(shí) 微14學(xué)時(shí)）（光 1.晶體結(jié)構(gòu)的描述(有關(guān)的名詞)格點(diǎn):空間(一維或多維)點(diǎn)陣中的點(diǎn)(結(jié)點(diǎn))晶列:通過(guò)任意;兩格點(diǎn)所作的(晶列上有一系列格點(diǎn))晶向:在坐標(biāo)系中晶列的方向(確定晶向的方法待定)用晶向指數(shù)表示;如[110].晶面:通過(guò)格點(diǎn)作的平面.一組平行的晶面是等效的,其中任意兩晶面上的格點(diǎn)排列是相同的,且面間距相等.晶面用晶面指數(shù)(密勒指數(shù))表示,如(111),(100)…… 反映晶體周期性的重復(fù)單元,有兩種選取方法: 在固體物理學(xué)中——選取周期最小的重復(fù)單元,即原胞.在晶體學(xué)中——由對(duì)稱性取選最小的重復(fù)單元,即晶胞(單胞)基矢:確定原胞(晶胞)大小的矢量.原胞(晶胞)以基矢為周期排列,因此,基矢的大小又成為晶格常數(shù).晶軸:以(布拉菲)原胞(或晶胞)的基矢為坐標(biāo)軸——晶軸 格矢:在固體物理學(xué)中,選某一格點(diǎn)為原點(diǎn)O,任一格點(diǎn)A的格矢 =++，,為晶軸上的投影,取整數(shù)，,為晶軸上的單位矢量.在結(jié)晶學(xué)中(用的較多),選某一格點(diǎn)為原點(diǎn)O,任一格點(diǎn)A的格矢 =++，,為對(duì)應(yīng)晶軸上的投影,取有理數(shù)，,為晶軸上的單位矢量.晶列指數(shù)及晶向:格矢在相應(yīng)晶軸上投影的稱作晶列指數(shù),并用以表示晶向,即格矢所在的晶列方向.固體物理學(xué)中,表示為[ ],投影為負(fù)值時(shí),l的數(shù)字上部冠負(fù)號(hào).等效晶向用表示.晶面:通過(guò)格點(diǎn)作的平面,用晶面指數(shù)表示.晶面指數(shù):表示晶面的一組數(shù).晶向與晶面的關(guān)系:在正交坐標(biāo)系中,晶面指數(shù)與晶面指數(shù)相同時(shí),晶向垂直于晶面.2.幾種晶格結(jié)構(gòu) 結(jié)晶學(xué)晶胞: 簡(jiǎn)立方:立方體的八個(gè)頂角各有一個(gè)原子.體心立方:簡(jiǎn)立方的中心加進(jìn)一個(gè)原子.面心立方:簡(jiǎn)立方的六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子.金剛石結(jié)構(gòu):同種原子構(gòu)成的兩個(gè)面心立方沿體對(duì)角線相對(duì)位移體對(duì)角線的套構(gòu)而成.每個(gè)晶胞含原子數(shù):8(頂角)+6(面心)+4(體心)=8個(gè) 如果只考慮晶格的周期性,可用固體物理學(xué)原胞表示: 簡(jiǎn)立方原胞:與晶胞相同,含一個(gè)原子.體心立方原胞:為棱長(zhǎng)a的簡(jiǎn)立方,含一個(gè)原子.面心立方原胞:為棱長(zhǎng)a的菱立方,由面心立方體對(duì)角線的;兩個(gè)原子和六個(gè)面心原子構(gòu)成,含一個(gè)原子.金剛石結(jié)構(gòu)原胞:為棱長(zhǎng)a的菱立方,由體對(duì)角線的兩個(gè)原子和六個(gè)面心原子構(gòu)成棱立方,其內(nèi)包含一個(gè)距頂角體對(duì)角線的原子,因此,原胞共含有2個(gè)原子.3.半導(dǎo)體硅,鍺的晶體結(jié)構(gòu)(金剛石型結(jié)構(gòu))4.閃鋅礦型結(jié)構(gòu)

◆課程重點(diǎn):半導(dǎo)體硅,鍺的晶體結(jié)構(gòu)(金剛石型結(jié)構(gòu))及其特點(diǎn);半導(dǎo)體的閃鋅礦型結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn).◆課程難點(diǎn): 1.描述晶體的周期性可用原胞和晶胞,要把原胞和晶胞區(qū)分開(kāi).在固體物理學(xué)中,只強(qiáng)調(diào)晶格的周期性,其最小重復(fù)單元為原胞,例如金剛石型結(jié)構(gòu)的原胞為棱長(zhǎng)a的菱立方,含有兩個(gè)原子;在結(jié)晶學(xué)中除強(qiáng)調(diào)晶格的周期性外,還要強(qiáng)調(diào)原子分布的對(duì)稱性,例如同為金剛石型結(jié)構(gòu),其晶胞為棱長(zhǎng)為a的正立方體,含有8個(gè)原子.2.閃鋅礦型結(jié)構(gòu)的Ⅲ-Ⅴ族化合物和金剛石型結(jié)構(gòu)一樣,都是由兩個(gè)面心立方晶格套構(gòu)而成,稱這種晶格為雙原子復(fù)式格子.如果選取只反映晶格周期性的原胞時(shí),則每個(gè)原胞中只包含兩個(gè)原子,一個(gè)是Ⅲ族原子,另一個(gè)是Ⅴ族原子.◆基本概念:原胞和晶胞都是用來(lái)描述晶體中晶格周期性的最小重復(fù)單元,但二者有所不同.在固體物理學(xué)中,原胞只強(qiáng)調(diào)晶格的周期性;而在結(jié)晶學(xué)中,晶胞還要強(qiáng)調(diào)晶格中原子分布的的對(duì)稱性.◆基本要求:記住晶向與晶面的關(guān)系;熟悉金剛石型結(jié)構(gòu)與閃鋅礦型結(jié)構(gòu)晶胞原子的空間立體分布及硅,鍺,砷化鎵晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn),晶格常數(shù),原子密度數(shù)量級(jí)(個(gè)原子/立方厘米).§1.2半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) ◆本節(jié)內(nèi)容: 1 原子中的電子狀態(tài) 1.1玻耳的氫原子理論 1.2玻耳氫原子理論的意義

1.3氫原子能級(jí)公式及玻耳氫原子軌道半徑 1.4索末菲對(duì)玻耳理論的發(fā)展 1.5量子力學(xué)對(duì)半經(jīng)典理論的修正 1.6原子能級(jí)的簡(jiǎn)并度 2 晶體中的電子狀態(tài) 2.1電子共有化運(yùn)動(dòng)

2.2電子共有化運(yùn)動(dòng)使能級(jí)分裂為能帶 3 半導(dǎo)體硅,鍺晶體的能帶 3.1硅,鍺原子的電子結(jié)構(gòu) 3.2硅,鍺晶體能帶的形成 3.3半導(dǎo)體(硅,鍺)的能帶特點(diǎn) ◆課程重點(diǎn): 1.氫原子能級(jí)公式 =-,氫原子第一玻耳軌道半徑 =,這兩個(gè)公式還可用于類氫原子(今后用到)量子力學(xué)認(rèn)為微觀粒子(如電子)的運(yùn)動(dòng)須用波函數(shù)來(lái)描述,經(jīng)典意義上的軌道實(shí)質(zhì)上是電子出現(xiàn)幾率最大的地方.電子的狀態(tài)可用四個(gè)量子數(shù)表示.晶體形成能帶的原因是由于電子共有化運(yùn)動(dòng) 半導(dǎo)體(硅,鍺)能帶的特點(diǎn): 存在軌道雜化,失去能級(jí)與能帶的對(duì)應(yīng)關(guān)系.雜化后能帶重新分開(kāi)為上能帶和下能帶,上能帶稱為導(dǎo)帶,下能帶稱為價(jià)帶

低溫下,價(jià)帶填滿電子,導(dǎo)帶全空,高溫下價(jià)帶中的一部分電子躍遷到導(dǎo)帶,使晶體呈現(xiàn)弱導(dǎo)電性.導(dǎo)帶與價(jià)帶間的能隙(Energy gap)稱為禁帶(forbidden band).禁帶寬度取決于晶體種類,晶體結(jié)構(gòu)及溫度.當(dāng)原子數(shù)很大時(shí),導(dǎo)帶,價(jià)帶內(nèi)能級(jí)密度很大,可以認(rèn)為能級(jí)準(zhǔn)連續(xù)

◆課程難點(diǎn):原子能級(jí)的簡(jiǎn)并度為(2l+1),若記入自旋,簡(jiǎn)并度為2(2l+1);注意一點(diǎn),原子是不能簡(jiǎn)并的.◆基本概念:電子共有化運(yùn)動(dòng):原子組成晶體后,由于原子殼層的交疊,電子不再局限在某一個(gè)原子上,可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子上去,因而,電子將可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)稱為電子的共有化運(yùn)動(dòng).但須注意,因?yàn)楦髟又邢嗨茪由系碾娮硬庞邢嗤哪芰?電子只能在相似殼層中轉(zhuǎn)移.◆基本要求:掌握氫原子能級(jí)公式和氫原子軌道半徑公式;掌握能帶形成的原因及電子共有化運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn);掌握硅,鍺能帶的特點(diǎn).§1.3 電子在周期場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)——能帶論 ◆本節(jié)內(nèi)容: 1.自由電子的運(yùn)動(dòng) 電子在周期場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 能帶理論的應(yīng)用 ◆課程重點(diǎn): 熟悉晶體中電子的運(yùn)動(dòng)與孤立原子的電子和自由電子的運(yùn)動(dòng)有何不同:孤立原子中的電子是在該原子的核和其它電子的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),自由電子是在恒定為零的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),而晶體中的電子是在嚴(yán)格周期性重復(fù)排列的原子間運(yùn)動(dòng),單電子近似認(rèn)為,晶體中的某一個(gè)電子是在周期性排列且固定不動(dòng)的原子核的勢(shì)場(chǎng)以及其它大量電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),這個(gè)勢(shì)場(chǎng)也是周期性變化的,而且它的周期與晶格周期相同.自由電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài):對(duì)于波矢為k的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),自由電子的能量E,動(dòng)量p,速度v均有確定的數(shù)值.因此,波矢k可用以描述自由電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),不同的k值標(biāo)志自由電子的不同狀態(tài),自由電子的E和k的關(guān)系曲線,呈拋物線形狀.由于波矢k的連續(xù)變化,自由電子的能量是連續(xù)能譜,從零到無(wú)限大的所有能量值都是允許的.晶體中的電子運(yùn)動(dòng)服從布洛赫定理:晶體中的電子是以調(diào)幅平面波在晶體中傳播.這個(gè)波函數(shù)稱為布洛赫波函數(shù).求解薛定諤方程,得到電子在周期場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)其能量不連續(xù),形成一系列允帶和禁帶.一個(gè)允帶對(duì)應(yīng)的K值范圍稱為布里淵區(qū).用能帶理論解釋導(dǎo)帶,半導(dǎo)體,絕緣體的導(dǎo)電性.◆課程難點(diǎn): 布洛赫波函數(shù)的意義:晶體中的電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)與自由電子的波函數(shù)形式相似,代表一個(gè)波長(zhǎng)為1/k而在k方向上傳播的平面波,不過(guò)這個(gè)波的振幅(x)隨x作周期性的變化,其變化周期與晶格周期相同.所以常說(shuō)晶體中的電子是以一個(gè)被調(diào)幅的平面波在晶體中傳播.顯然,若令(x)為常數(shù),則在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電子的波函數(shù)就完全變?yōu)樽杂呻娮拥牟ê瘮?shù)了.其次,根據(jù)波函數(shù)的意義,在空間某一點(diǎn)找到電子的幾率與波函數(shù)在該點(diǎn)的強(qiáng)度(即||=)成比例.對(duì)于自由電子,||=A,即在空間各點(diǎn)波函數(shù)的強(qiáng)度相等,故在空間各點(diǎn)找到電子的幾率相同,這反映了電子在空間中的自由運(yùn)動(dòng),而對(duì)于晶體中的電子,||=|(x)(x)|,但(x)是與晶格同周期的函數(shù),在晶體中波函數(shù)的強(qiáng)度也隨晶格周期性變化,所以在晶體中各點(diǎn)找到該電子的幾率也具周期性變化的性質(zhì).這反映了電子不再完全局限在某一個(gè)原子上,而是可以從晶胞中某一點(diǎn)自由地運(yùn)動(dòng)到其它晶胞內(nèi)的對(duì)應(yīng)點(diǎn),因而電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)成為電子在晶體內(nèi)的共有化運(yùn)動(dòng).組成晶體的原子的外層電子共有化運(yùn)動(dòng)較強(qiáng),其行為與自由電子相似,常稱為準(zhǔn)自由電子.而內(nèi)層電子的共有化運(yùn)動(dòng)較弱,其行為與孤立原子中的電子相似.最后,布洛赫波函數(shù)中的波矢k與自由電子波函數(shù)的一樣,它描述晶體中電子的共有化運(yùn)動(dòng)狀態(tài),不同的k的標(biāo)志著不同的共有化運(yùn)動(dòng)狀態(tài).金剛石結(jié)構(gòu)的第一布里淵區(qū)是一個(gè)十四面體,(見(jiàn)講義圖1-11),要注意圖中特殊點(diǎn)的位置.◆基本概念及名詞術(shù)語(yǔ): 能帶產(chǎn)生的原因: 定性理論(物理概念):晶體中原子之間的相互作用,使能級(jí)分裂形成能帶.定量理論(量子力學(xué)計(jì)算):電子在周期場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),其能量不連續(xù)形成能帶.能帶(energy band)包括允帶和禁帶.允帶(allowed band):允許電子能量存在的能量范圍.禁帶(forbidden band):不允許電子存在的能量范圍.允帶又分為空帶,滿帶,導(dǎo)帶,價(jià)帶.空帶(empty band):不被電子占據(jù)的允帶.滿帶(filled band):允帶中的能量狀態(tài)(能級(jí))均被電子占據(jù).導(dǎo)帶(conduction band):電子未占滿的允帶(有部分電子.)價(jià)帶(valence band):被價(jià)電子占據(jù)的允帶(低溫下通常被價(jià)電子占滿).用能帶理論解釋導(dǎo)體,半導(dǎo)體,絕緣體的導(dǎo)電性: 固體按其導(dǎo)電性分為導(dǎo)體,半導(dǎo)體,絕緣體,其機(jī)理可以根據(jù)電子填充能帶的情況來(lái)說(shuō)明.固體能夠?qū)щ?是固體中的電子在外場(chǎng)的作用下定向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果.由于電場(chǎng)力對(duì)電子的加速作用,使電子的運(yùn)動(dòng)速度和能量都發(fā)生了變化.換言之,即電子與外電場(chǎng)間發(fā)生能量交換.從能帶論來(lái)看,電子的能量變化,就是電子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)上去.對(duì)于滿帶,其中的能級(jí)已被電子所占滿,在外電場(chǎng)作用下,滿帶中的電子并不形成電流,對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有貢獻(xiàn),通常原子中的內(nèi)層電子都是占據(jù)滿帶中的能級(jí),因而內(nèi)層電子對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有貢獻(xiàn).對(duì)于被電子部分占滿的能帶,在外電場(chǎng)作用下,電子可從外電場(chǎng)中吸收能量躍遷到未被電子占據(jù)的的能級(jí)去,起導(dǎo)電作用,常稱這種能帶為導(dǎo)帶.金屬中,由于組成金屬的原子中的價(jià)電子占據(jù)的能帶是部分占滿的,所以金屬是良好的導(dǎo)電體.半導(dǎo)體和絕緣體的能帶類似,即下面是已被價(jià)電子占滿的滿帶(其下面還有為內(nèi)層電子占滿的若干滿帶),亦稱價(jià)帶,中間為禁帶,上面是空帶.因此,在外電場(chǎng)作用下并不導(dǎo)電,但是這只是絕對(duì)溫度為零時(shí)的情況.當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí),例如溫度升高或有光照時(shí),滿帶中有少量電子可能被激發(fā)到上面的看到中去,使能帶底部附近有了少量電子,因而在外電場(chǎng)作用下,這些電子將參與導(dǎo)電;同時(shí),滿帶中由于少了一些電子,在滿帶頂部附近出現(xiàn)了一些空的量子狀態(tài),滿帶變成了部分占滿的能帶,在外電場(chǎng)作用下,仍留在滿帶中的電子也能夠起導(dǎo)電作用,滿帶電子的這種導(dǎo)電作用等效于把這些空的量子狀態(tài)看作帶正電荷的準(zhǔn)粒子的導(dǎo)電作用,常稱這些空的量子狀態(tài)為空穴.所以在半導(dǎo)體中導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴參與導(dǎo)電,這是與金屬導(dǎo)體的最大差別.絕緣體的禁帶寬度很大,激發(fā)電子需要很大的能量,在通常溫度下,能激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子很少,所以導(dǎo)電性很差.半導(dǎo)體禁帶寬度比較小,數(shù)量級(jí)在1eV左右,在通常溫度下已有不少電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中去,所以具有一定的導(dǎo)電能力,這是絕緣體和半導(dǎo)體的主要區(qū)別.室溫下,金剛石的禁帶寬度為6～7eV,它是絕緣體;硅為1.12eV,鍺為0.67eV,砷化鎵為1.43eV,所以它們都是半導(dǎo)體.共價(jià)鍵理論: 共價(jià)鍵理論能夠比較簡(jiǎn)單,直觀,較好地解釋晶體的某些性質(zhì).⑴共價(jià)鍵理論主要有三點(diǎn): 晶體的化學(xué)鍵是共價(jià)鍵,如 Si,Ge.共價(jià)鍵上的電子處于束縛態(tài),不能參與導(dǎo)電.處于束縛態(tài)的價(jià)電子從外界得到能量,有可能掙脫束縛成為自由電子,參與導(dǎo)電.⑵共價(jià)鍵理論應(yīng)用 解釋半導(dǎo)體摻雜的敏感性

例:摻入替位式五價(jià)元素,可提供導(dǎo)電電子;摻入替位式三價(jià)元素,可提供導(dǎo)電空穴.解釋半導(dǎo)體的熱敏性,光敏性等.⑶兩者理論的比較(能帶理論與共價(jià)鍵理論的對(duì)應(yīng)關(guān)系)能帶理論 共價(jià)鍵理論 價(jià)帶中電子 共價(jià)鍵上的電子

導(dǎo)帶中電子 掙脫共價(jià)鍵的電子(變?yōu)樽杂呻娮?禁帶寬度 鍵上電子掙脫鍵束縛所需的能量 定量理論 定性理論(4)本征激發(fā): 共價(jià)鍵上的電子激發(fā)成為準(zhǔn)自由電子,亦即價(jià)帶電子吸收能量被激發(fā)到導(dǎo)帶成為導(dǎo)帶電子的過(guò)程,稱為本征激發(fā).這一概念今后經(jīng)常用到.§1.4 半導(dǎo)體中電子(在外力下)的運(yùn)動(dòng),有效質(zhì)量,空穴 ◆本節(jié)內(nèi)容: 導(dǎo)帶中E(k)與k的關(guān)系 價(jià)帶頂附近電子的運(yùn)動(dòng) 有效質(zhì)量的意義 ◆課程重點(diǎn): 掌握半導(dǎo)體中求E(k)與k的關(guān)系的方法:晶體中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要比自由電子復(fù)雜得多,要得到它的E(k)表達(dá)式很困難.但在半導(dǎo)體中起作用地是位于導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂附近的電子.因此,可采用級(jí)數(shù)展開(kāi)的方法研究帶底或帶頂E(k)關(guān)系.電子有效質(zhì)量=/(一維情況),注意,在能帶底是正值,在能帶頂是負(fù)值.電子的速度為v=,注意v可以是正值,也可以是負(fù)值,這取決于能量對(duì)波矢的變化率.引入電子有效質(zhì)量后,半導(dǎo)體中電子所受的外力與加速度的關(guān)系具有牛頓第二定律的形式,即a=f/.可見(jiàn)只是以有效質(zhì)量代換了電子慣性質(zhì)量.空穴的概念:在牛頓第二定律中要求有效質(zhì)量為正值,但價(jià)帶頂電子的有效質(zhì)量為負(fù)值.這在描述價(jià)帶頂電子的加速度遇到困難.為了解決這一問(wèn)題,引入空穴的概念.價(jià)帶中不被電子占據(jù)的空狀態(tài) 價(jià)帶頂附近空穴有效質(zhì)量 >0 數(shù)值上與該處的電子有效質(zhì)量相同,即=->0 ,空穴帶電荷+q(共價(jià)鍵上少一個(gè)電子,破壞局部電中性,顯正電).③空穴的能量坐標(biāo)與電子的相反,分布服從能量最小原理.有效質(zhì)量的意義:在經(jīng)典牛頓第二定律中a=,式中f是外合力,是慣性質(zhì)量.但半導(dǎo)體中電子在外力作用下,描述電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方程中出現(xiàn)的是有效質(zhì)量,而不是電子的慣性質(zhì)量.這是因?yàn)橥饬并不是電子受力的總和,半導(dǎo)體中的電子即使在沒(méi)有外加電場(chǎng)作用時(shí),它也要受到半導(dǎo)體內(nèi)部原子及其它電子的勢(shì)場(chǎng)作用.當(dāng)電子在外力作用下運(yùn)動(dòng)時(shí),它一方面受到外電場(chǎng)力f的作用,同時(shí)還和半導(dǎo)體內(nèi)部原子,電子相互作用著,電子的加速度應(yīng)該是半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)和外電場(chǎng)作用的綜合效果.但是,要找出內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的具體形式并且求得加速度遇到一定的困難,引進(jìn)有效質(zhì)量后可使問(wèn)題變得簡(jiǎn)單,直接把外力f和電子的加速度聯(lián)系起來(lái),而內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用則由有效質(zhì)量加以概括.因此,引進(jìn)有效質(zhì)量的意義在于它概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用,使得在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),可以不涉及到半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用.特別是可以直接由實(shí)驗(yàn)測(cè)定,因而可以很方便地解決電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.在能帶底部附近,E/d>0,電子的有效質(zhì)量是正值;在能帶頂附近,E/d<0,電子的有效質(zhì)量是負(fù)值,這是因?yàn)楦爬税雽?dǎo)體內(nèi)部的勢(shì)場(chǎng)作用.有效質(zhì)量與能量函數(shù)對(duì)于k的二次微商成反比,對(duì)寬窄不同的各個(gè)能帶,E(k)隨k的變化情況不同,能帶越窄,二次微商越小,有效質(zhì)量越大.內(nèi)層電子的能帶窄,有效質(zhì)量大;外層電子的能帶寬,有效質(zhì)量小.因而,外層電子,在外力的作用下可以獲得較大的加速度.半導(dǎo)體中電子的準(zhǔn)動(dòng)量v=hk.◆課程難點(diǎn):引入有效質(zhì)量后,電子的運(yùn)動(dòng)可用牛頓第二定律描述,a=.注意,這是一個(gè)經(jīng)典力學(xué)方程,f是外合力.半導(dǎo)體中的電子除了外力作用外,還受到半導(dǎo)體內(nèi)部原子及其它電子勢(shì)場(chǎng)力的作用,這種作用隱含在有效質(zhì)量中,這就使得在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),可以不涉及半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用.◆基本概念:半導(dǎo)體中電子的準(zhǔn)動(dòng)量:經(jīng)典意義上的動(dòng)量是慣性質(zhì)量與速度的乘積,即 v.根據(jù)講義式(1-1)和式(1-6),對(duì)于自由電子v=hk,這是自由電子的真實(shí)動(dòng)量,而在半導(dǎo)體中hk=v;有效質(zhì)量與慣性質(zhì)量有質(zhì)的區(qū)別,前者隱含了晶格勢(shì)場(chǎng)的作用(雖然有質(zhì)量的量綱).因?yàn)関與v具有相同的形式,因此稱v為準(zhǔn)動(dòng)量.◆基本要求:掌握有效質(zhì)量的意義及計(jì)算公式,掌握速度的計(jì)算方法,正確理解半導(dǎo)體中電子的加速度與外力及有效質(zhì)量的關(guān)系,正確理解準(zhǔn)動(dòng)量及其計(jì)算方法,準(zhǔn)動(dòng)量的變化量應(yīng)為.§1.5 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu) ◆本節(jié)內(nèi)容: 導(dǎo)電條件:有外加電壓,有載流子 載流子產(chǎn)生的途徑

導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(電子導(dǎo)電,空穴導(dǎo)電)◆課程重點(diǎn): 滿帶中的電子不導(dǎo)電:電子可以在晶體中作共有化運(yùn)動(dòng),但是,這些電子能否導(dǎo)電,還必須考慮電子填充能帶的情況,不能只看單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng).研究發(fā)現(xiàn),如果一個(gè)能帶中所有的狀態(tài)都被電子占滿,那么,即使有外加電場(chǎng),晶體中也沒(méi)有電流,即滿帶電子不導(dǎo)電.只有雖包含電子但并未填滿的能帶才有一定的導(dǎo)電性,即不滿的能帶中的電子才可以導(dǎo)電.絕對(duì)溫度為零時(shí),純凈半導(dǎo)體的價(jià)帶被價(jià)電子填滿,導(dǎo)帶是空的.在一定的溫度下,價(jià)帶頂部附近有少量電子被激發(fā)到導(dǎo)帶底部附近,在外電場(chǎng)作用下,導(dǎo)帶中電子便參與導(dǎo)電.因?yàn)檫@些電子在導(dǎo)帶底部附近,所以,它們的有效質(zhì)量是正的.同時(shí),價(jià)帶缺少了一些電子后也呈不滿的狀態(tài),因而價(jià)帶電子也表現(xiàn)出具有導(dǎo)電的特性,它們的導(dǎo)電作用常用空穴導(dǎo)電來(lái)描寫.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu):對(duì)本征半導(dǎo)體,導(dǎo)帶中出現(xiàn)多少電子,價(jià)帶中就對(duì)應(yīng)出現(xiàn)多少空穴,導(dǎo)帶上電子參與導(dǎo)電,價(jià)帶上空穴也參與導(dǎo)電,這就是本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu).這一點(diǎn)是半導(dǎo)體同金屬的最大差異,金屬中只有電子一種荷載電流的粒子(稱為載流子),而半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子.正是由于這兩種載流子的作用,使半導(dǎo)體表現(xiàn)出許多奇異的特性,可用來(lái)制造形形色色的器件.◆課程難點(diǎn):價(jià)帶電子導(dǎo)電通常用空穴導(dǎo)電來(lái)描述.實(shí)踐證明,這樣做是時(shí)分方便的.但是,如何理解空穴導(dǎo)電 設(shè)想價(jià)帶中一個(gè)電子被激發(fā)到價(jià)帶,此時(shí)價(jià)帶為不滿帶,價(jià)帶中電子便可導(dǎo)電.設(shè)電子電流密度密度為J,則 J=價(jià)帶(k狀態(tài)空出)電子總電流

可以用下述方法計(jì)算出J的值.設(shè)想以一個(gè)電子填充到空的k狀態(tài),這個(gè)電子的電流等于電子電荷-q乘以k狀態(tài)電子的速度v(k),即 k狀態(tài)電子電流=(-q)v(k)填入這個(gè)電子后,價(jià)帶又被填滿,總電流應(yīng)為零,即 J+(-q)v(k)=0 因而得到 J=(+q)v(k)這就是說(shuō),當(dāng)價(jià)帶k狀態(tài)空出時(shí),價(jià)帶電子的總電流,就如同一個(gè)正電荷的粒子以k狀態(tài)電子速度v(k)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電流.因此,通常把價(jià)帶中空著的狀態(tài)看成是帶正電的粒子,稱為空穴.引進(jìn)這樣一個(gè)假象的粒子――空穴后,便可以很簡(jiǎn)便地描述價(jià)帶(未填滿)的電流.◆基本概念: 載流子:晶體中荷載電流(或傳導(dǎo)電流)的粒子.金屬中為電子,半導(dǎo)體中有兩種載流子即電子和空穴.◆基本要求:掌握半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu),正確理解空穴的導(dǎo)電機(jī)理.§1.6 回旋共振 ◆本節(jié)內(nèi)容: k空間等能面 回旋共振

◆課程重點(diǎn): 利用回旋共振實(shí)驗(yàn)測(cè)量有效質(zhì)量.◆課程難點(diǎn):回旋共振原理及條件.◆基本概念:回旋共振實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)量電子的有效質(zhì)量,以便采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法推出半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu).為能觀測(cè)出明顯的共振吸收峰,就要求樣品純度要高,而且實(shí)驗(yàn)一般在低溫下進(jìn)行,交變電磁場(chǎng)的頻率在微波甚至在紅外光的范圍.實(shí)驗(yàn)中常是固定交變電磁場(chǎng)的頻率,改變磁感應(yīng)強(qiáng)度以觀測(cè)吸收現(xiàn)象.磁感應(yīng)強(qiáng)度約為零點(diǎn)幾T.等能面的形狀與有效質(zhì)量密切相關(guān),對(duì)于球形等能面,有效質(zhì)量各向同性,即只有一個(gè)有效質(zhì)量;對(duì)于橢球等能面,有效質(zhì)量各向異性,即在不同的波矢方向?qū)?yīng)不同的有效質(zhì)量(可參考下節(jié)內(nèi)容).◆基本要求:掌握等能面的研究方法:不同的半導(dǎo)體材料,其能帶結(jié)構(gòu)不同,而且往往是各向異性的,即沿不同的波矢方向,E～k關(guān)系不同.E～k關(guān)系可用等能面表示,因此要掌握等能面的研究方法.掌握回旋共振實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)條件.§1.7 硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu) ◆本節(jié)內(nèi)容: 硅和鍺的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu) 硅和鍺的價(jià)帶結(jié)構(gòu) ◆課程重點(diǎn): 回旋共振的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),硅,鍺電子有效質(zhì)量各向異性,說(shuō)明其等能面各向異性.通過(guò)分析,硅有六個(gè)橢球等能面,分別分布在晶向的六個(gè)等效晶軸上,電子主要分布在這六個(gè)橢球的中心(極值)附近.僅從回旋共振的實(shí)驗(yàn)還不能決定導(dǎo)帶極值(橢球中心)的確定位置.通過(guò)施主電子自旋共振實(shí)驗(yàn)得出,硅的導(dǎo)帶極值位于方向的布里淵區(qū)邊界的0.85倍處.n型鍺的實(shí)驗(yàn)指出,鍺的導(dǎo)電極小值位于方向的布里淵區(qū)邊界上共有八個(gè).極值附近等能面為沿方向旋轉(zhuǎn)的八個(gè)橢球面,每個(gè)橢球面有半個(gè)在布里淵區(qū),因此,在簡(jiǎn)約布里淵區(qū)共有四個(gè)橢球.硅和鍺的價(jià)帶結(jié)構(gòu):有三條價(jià)帶,其中有兩條價(jià)帶的極值在k=0處重合,有兩種空穴有效質(zhì)量與之對(duì)應(yīng),分別為重空穴和輕空穴,還有第三個(gè)價(jià)帶,其帶頂比前兩個(gè)價(jià)帶降低了,對(duì)于硅,=0.04ev,對(duì)于鍺=0.29ev,這條價(jià)帶給出了第三種空穴.空穴重要分布在前兩個(gè)價(jià)帶.在價(jià)帶頂附近,等能面接近平面.在硅,鍺的能帶圖中指出導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)奈恢眉敖麕挾?◆課程難點(diǎn):對(duì)E(k)表達(dá)式和回旋共振實(shí)驗(yàn)有效質(zhì)量表達(dá)式的處理.在k空間合理的選取坐標(biāo)系,可是問(wèn)題得到簡(jiǎn)化.如選取為能量零點(diǎn),以為坐標(biāo)原點(diǎn),取，為三個(gè)直角坐標(biāo)軸,分別與橢球主軸重合,并使軸沿橢球長(zhǎng)軸方向(即沿方向),則等能面分別為繞軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)橢球面.E(k)表達(dá)式簡(jiǎn)化為E(k)=;如果,軸選取恰當(dāng),計(jì)算可簡(jiǎn)單,選取使磁感應(yīng)強(qiáng)度B位于軸和軸所組成的平面內(nèi),且同軸交角,則在這個(gè)坐標(biāo)系里,B的方向余弦，分別為=sin,=0,=cos ◆基本概念:橫向有效質(zhì)量沿橢球短軸方向,縱向有效質(zhì)量沿橢球長(zhǎng)軸方向.◆基本要求: 掌握硅,鍺的能帶結(jié)構(gòu),注意它們導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂所處的位置.§1.8 化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) ◆本節(jié)內(nèi)容: 化合物半導(dǎo)體的種類 化合物半導(dǎo)體的共同特性 化合物半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的一般特征 銻化銦的能帶結(jié)構(gòu) 砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu) 磷化鎵和磷化銦的能帶結(jié)構(gòu) 混合晶體的能帶結(jié)構(gòu)

◆課程重點(diǎn):砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu):導(dǎo)帶極小值位于布里淵區(qū)中心k=0處,等能面為球面,導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量為0.067.在方向布里淵區(qū)邊界還有一個(gè)導(dǎo)帶極小值,極值附近的曲線的曲率比較小,所以此處電子有效質(zhì)量比較大,約為0.55,它的能量比布里淵區(qū)中心極小值的能量高0.29ev.正是由于這個(gè)能谷的存在,使砷化鎵具有特殊的性能(見(jiàn)第四章).價(jià)帶結(jié)構(gòu)與硅,鍺類似.室溫下禁帶寬度為1.424ev.◆課程難點(diǎn):無(wú)

說(shuō)明:半導(dǎo)體的禁帶寬度隨溫度變化,有兩種計(jì)算方法,即 和

均為經(jīng)驗(yàn)公式.◆基本概念:直接帶隙半導(dǎo)體是指導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶極大值對(duì)應(yīng)同一波矢;間接帶隙半導(dǎo)體是指導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶極大值對(duì)應(yīng)不同的波矢.◆基本要求:掌握砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu),了解化合物半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的一般特征.第一章思考題與自測(cè)題: 1.原子中的電子和晶體中電子受勢(shì)場(chǎng)作用情況以及運(yùn)動(dòng)情況有何不同 原子中內(nèi)層電子和外層電子參與共有化運(yùn)動(dòng)有何不同

2.晶體體積的大小對(duì)能級(jí)和能帶有什么影響

3.描述半導(dǎo)體中電子運(yùn)動(dòng)為什么要引入“有效質(zhì)量”的概念 用電子的慣性質(zhì)量描述能帶中電子運(yùn)動(dòng)有何局限性

4.一般來(lái)說(shuō),對(duì)應(yīng)于高能級(jí)的能帶較寬,而禁帶較窄,是否如此 為什么

5.有效質(zhì)量對(duì)能帶的寬度有什么影響 有人說(shuō):“有效質(zhì)量愈大,能量密度也愈大,因而能帶愈窄.”是否如此 為什么

6.簡(jiǎn)述有效質(zhì)量與能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系

7.對(duì)于自由電子,加速反向與外力作用反向一致,這個(gè)結(jié)論是否適用于布洛赫電子

8.從能帶底到能帶頂,晶體中電子的有效質(zhì)量將如何變化 外場(chǎng)對(duì)電子的作用效果有什么不同

9.試述在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電子具有哪些一般屬性

10.以硅的本征激發(fā)為例,說(shuō)明半導(dǎo)體能帶圖的物理意義及其與硅晶格結(jié)構(gòu)的聯(lián)系 為什么電子從其價(jià)鍵上掙脫出來(lái)所需的最小能量就是半導(dǎo)體的禁帶寬度

11.為什么半導(dǎo)體滿帶中的少量空狀態(tài)可以用具有正電荷和一定質(zhì)量的空穴來(lái)描述

12.有兩塊硅單晶,其中一塊的重量是另一塊重量的二倍.這兩塊晶體價(jià)帶中的能級(jí)數(shù)是否相等 彼此有何聯(lián)系

13.說(shuō)明布里淵區(qū)和k空間等能面這兩個(gè)物理概念的不同.14.為什么極值附近的等能面是球面的半導(dǎo)體,當(dāng)改變存儲(chǔ)反向時(shí)只能觀察到一個(gè)共振吸收峰

第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)（光4學(xué)時(shí) 微5學(xué)時(shí)）

引言: 理想半導(dǎo)體:1,原子嚴(yán)格地周期性排列,晶體具有完整的晶格結(jié)構(gòu).2,晶體中無(wú)雜質(zhì),無(wú)缺陷.3電子在周期場(chǎng)中作共有化運(yùn)動(dòng),形成允帶和禁帶——電子能量只能處在允帶中的能級(jí)上,禁帶中無(wú)能級(jí).由本征激發(fā)提供載流子

晶體具有完整的(完美的)晶格結(jié)構(gòu),無(wú)任何雜質(zhì)和缺陷——本征半導(dǎo)體.(純凈半導(dǎo)體中,的位置和載流子的濃度只是由材料本身的本征性質(zhì)決定的)實(shí)際材料中,1,總是有雜質(zhì),缺陷,使周期場(chǎng)破壞,在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)——對(duì)應(yīng)的能級(jí)常常處在禁帶中,對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的影響.2,雜質(zhì)電離提供載流子.§2.1 硅 鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) ◆本節(jié)內(nèi)容: 晶體中雜質(zhì)基本情況

1.1 雜質(zhì)來(lái)源 1.2 人為摻雜的目的 1.3 摻雜的方法

1.4 雜質(zhì)在晶體中的位置(替位和間隙)1.5 雜質(zhì)濃度

硅,鍺晶體中的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)及其電離能 2.1 施主雜質(zhì)及其電離能 2.2 受主雜質(zhì)及其電離能

淺能級(jí)雜質(zhì)電離能計(jì)算——類氫模型 3.1 施主雜質(zhì)電離能計(jì)算 3.2 受主雜質(zhì)電離能計(jì)算 雜質(zhì)補(bǔ)償作用 深能級(jí)雜質(zhì) 5.1 深能級(jí)雜質(zhì)特點(diǎn)

5.2深能級(jí)雜質(zhì)產(chǎn)生多重能級(jí)的原因 5.3深能級(jí)雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響 ◆課程重點(diǎn): 在純凈的半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì),可以顯著地控制半導(dǎo)體地導(dǎo)電性質(zhì).根據(jù)摻入雜質(zhì)地分布位置可以分為替位式雜質(zhì)和受主雜質(zhì).施主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶正電的施主離子,同時(shí)向?qū)峁╇娮?使半導(dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體.受主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶負(fù)電的受主離子,同時(shí)向價(jià)帶提供空穴,使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體.雜質(zhì)元素?fù)饺氚雽?dǎo)體后,由于在晶格勢(shì)場(chǎng)中引入微擾,使能帶極值附近出現(xiàn)分立的能級(jí)——雜質(zhì)能級(jí).V族元素在靠近導(dǎo)帶底的禁帶中引入施主能級(jí),Ⅲ族元素在靠近價(jià)帶頂?shù)慕麕е幸胧苤髂芗?jí).類氫模型對(duì)淺能級(jí)的位置給出了比較滿意的定量描述.經(jīng)過(guò)修正后,施主雜質(zhì)的電離能和軌道半徑可以表示為: ，受主雜質(zhì)的電離能可以表示為:

式中,為氫原子的基態(tài)電離能;為晶體的相對(duì)介電常數(shù).施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)有相互抵消作用,通常稱為“雜質(zhì)補(bǔ)償”.“雜質(zhì)補(bǔ)償”是制造各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ).非Ⅲ,Ⅴ族雜質(zhì)元素在半導(dǎo)體中也可能會(huì)產(chǎn)生能級(jí)或多能級(jí).例如:金Au在硅中電離后產(chǎn)生兩個(gè)能級(jí),一個(gè)在價(jià)帶上面0.35ev處的施主能級(jí),它在P型硅中起主要作用.另一個(gè)在導(dǎo)帶下面0.54ev處的受主能級(jí),它在n型硅中起主要作用.6,深能級(jí)雜質(zhì)和晶體缺陷形成的能級(jí)一般作為復(fù)合中心.◆課程難點(diǎn):用類氫模型計(jì)算淺能級(jí)雜質(zhì)的電離能;解釋金在鍺中產(chǎn)生多重能級(jí)的原因:金是Ⅰ族元素,中性金原子(記為)只有一個(gè)價(jià)電子,它取代鍺晶格中的一個(gè)鍺原子而位于晶格點(diǎn)上.金比鍺少三個(gè)價(jià)電子,中性金原子的這一個(gè)價(jià)電子,可以電離而躍遷入導(dǎo)帶,這一施主能級(jí)為,因此,電離能為().因?yàn)榻鸬倪@個(gè)價(jià)電子被共價(jià)鍵所束縛,電離能很大,略小于鍺的禁帶寬度,所以,這個(gè)施主能級(jí)靠近價(jià)帶頂.電離以后,中性金原子接受就稱為帶一個(gè)電子電荷的正電中心.但是,另一方面,中性金原子還可以和周圍的四個(gè)鍺原子形成共價(jià)鍵,在形成共價(jià)鍵時(shí),它可以從價(jià)帶接受三個(gè)電子,形成，三個(gè)受主能級(jí).金原子接受第一個(gè)電子后變?yōu)?相應(yīng)的受主能級(jí)為,其電離能為(-).接受第二個(gè)電子后,變?yōu)?相應(yīng)的受主能級(jí)為,其電離能為(-).接受第三個(gè)電子后,變?yōu)?相應(yīng)的受主能級(jí)為,其電離能為(-).上述的，分別表示成為帶一個(gè),兩個(gè),三個(gè)電子電荷的負(fù)電中心.由于電子間的庫(kù)侖排斥作用,金從價(jià)帶接受第二個(gè)電子所需要的電離能比接受第一個(gè)電子時(shí)的大,接受第三個(gè)電子時(shí)的電離能又比接受第二個(gè)電子時(shí)的大,所以,>>.離價(jià)帶頂相對(duì)近一些,但是比Ⅲ族雜質(zhì)引入的淺能級(jí)還是深得多,更深,就幾乎靠近導(dǎo)帶底了.于是金在鍺中一共有，，五種荷電狀態(tài),相應(yīng)地存在著，,四個(gè)孤立能級(jí),它們都是深能級(jí).以上的分析方法,也可以用來(lái)說(shuō)明其它一些在硅,鍺中形成深能級(jí)的雜質(zhì),基本上與實(shí)驗(yàn)情況相一致.◆基本概念: 施主雜質(zhì)(n型雜質(zhì)):雜質(zhì)電離后能夠施放電子而產(chǎn)生自由電子并形成正電中心的雜質(zhì)——施主雜質(zhì).施主雜質(zhì)電離能:雜質(zhì)價(jià)電子掙脫雜質(zhì)原子的束縛成為自由電子所需要的能量——雜質(zhì)電離能,用表示.正電中心:施主電離后的正離子——正電中心

施主能級(jí):施主電子被施主雜質(zhì)束縛時(shí)的能量對(duì)應(yīng)的能級(jí)稱為施主能級(jí).對(duì)于電離能小的施主雜質(zhì)的施主能級(jí)位于禁帶中導(dǎo)帶底以下較小底距離.受主雜質(zhì):能夠向(晶體)半導(dǎo)體提供空穴并形成負(fù)電中心底雜質(zhì)——受主雜質(zhì) 受主雜質(zhì)電離能:空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)電空穴所需的能量.受主能級(jí):空穴被受主雜質(zhì)束縛時(shí)的能量狀態(tài)對(duì)應(yīng)的能級(jí).淺能級(jí)雜質(zhì):電離能小的雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì).所謂淺能級(jí),是指施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底,受主能級(jí)靠近價(jià)帶頂.室溫下,摻雜濃度不很高底情況下,淺能級(jí)雜質(zhì)幾乎可以可以全部電離.五價(jià)元素磷(P),銻()在硅,鍺中是淺受主雜質(zhì),三價(jià)元素硼(B),鋁(),鎵(),銦()在硅,鍺中為淺受主雜質(zhì).雜質(zhì)補(bǔ)償:半導(dǎo)體中存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí),它們底共同作用會(huì)使載流子減少,這種作用稱為雜質(zhì)補(bǔ)償.在制造半導(dǎo)體器件底過(guò)程中,通過(guò)采用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)追椒▉?lái)改變半導(dǎo)體某個(gè)區(qū)域底導(dǎo)電類型或電阻率.高度補(bǔ)償:若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差不大或二者相等,則不能提供電子或空穴,這種情況稱為雜質(zhì)的高等補(bǔ)償.這種材料容易被誤認(rèn)為高純度半導(dǎo)體,實(shí)際上含雜質(zhì)很多,性能很差,一般不能用來(lái)制造半導(dǎo)體器件.深能級(jí)雜質(zhì):雜質(zhì)電離能大,施主能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底,受主能級(jí)遠(yuǎn)離價(jià)帶頂.深能級(jí)雜質(zhì)有三個(gè)基本特點(diǎn):一是不容易電離,對(duì)載流子濃度影響不大;二是一般會(huì)產(chǎn)生多重能級(jí),甚至既產(chǎn)生施主能級(jí)也產(chǎn)生受主能級(jí).三是能起到復(fù)合中心作用,使少數(shù)載流子壽命降低(在第五章詳細(xì)討論).四是深能級(jí)雜質(zhì)電離后以為帶電中心,對(duì)載流子起散射作用,使載流子遷移率減少,導(dǎo)電性能下降.◆基本要求:掌握淺能級(jí)雜質(zhì)和深能級(jí)雜質(zhì)的基本特點(diǎn)和在半導(dǎo)體中起的作用,特別注意金在硅中既有施主能級(jí)又有受主能級(jí),它是有效的復(fù)合中心.§2.2 化合物半導(dǎo)體中底雜質(zhì)能級(jí) ◆本節(jié)內(nèi)容: 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式

各類雜質(zhì)在砷化鎵,磷化鎵中的雜質(zhì)能級(jí).◆課程重點(diǎn):四族元素硅在砷化鎵中的雙性行為,即硅的濃度較低時(shí)主要起施主雜質(zhì)作用,當(dāng)硅的濃度較高時(shí),一部分硅原子將起到受主雜質(zhì)作用.這種雙性行為可作如下解釋:實(shí)驗(yàn)測(cè)得硅在砷化鎵中引入一淺施主能級(jí)(-0.002)ev,硅應(yīng)起施主作用,那么當(dāng)硅雜質(zhì)電離后,每一個(gè)硅原子向?qū)峁┮粋€(gè)導(dǎo)電電子,導(dǎo)帶中的電子濃度應(yīng)隨硅雜質(zhì)濃度的增加而線性增加.但是實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)硅雜質(zhì)濃度上升到一定程度之后,導(dǎo)帶電子濃度趨向飽和,好像施主雜質(zhì)的有效濃度降低了.這種現(xiàn)象的出現(xiàn),是因?yàn)樵诠桦s質(zhì)濃度較高時(shí),硅原子不僅取代鎵原子起著受主雜質(zhì)的作用,而且硅也取代了一部分V族砷原子而起著受主雜質(zhì)的作用,因而對(duì)于取代Ⅲ族原子鎵的硅施主雜質(zhì)起到補(bǔ)償作用,從而降低了有效施主雜質(zhì)的濃度,電子濃度趨于飽和.可見(jiàn),在這個(gè)粒子中,硅雜質(zhì)的總效果是起施主作用,保持砷化鎵為n型半導(dǎo)體.實(shí)驗(yàn)還表明,砷化鎵單晶體中硅雜質(zhì)濃度為時(shí),取代鎵原子的硅施主濃度與取代砷原子的硅受主濃度之比約為5.3:1.硅取代砷所產(chǎn)生的受主能級(jí)在()ev處.◆課程難點(diǎn):無(wú)

◆基本概念:等電子陷阱和等離子雜質(zhì)在某些化合物半導(dǎo)體中,例如磷化鎵中摻入V族元素氮或鉍,氮或鉍將取代磷并在禁帶中產(chǎn)生能級(jí).這個(gè)能級(jí)稱為等離子陷阱.這種效應(yīng)稱為等離子雜質(zhì)效應(yīng).所謂等離子雜質(zhì)是與基質(zhì)晶體原子具有同數(shù)量?jī)r(jià)電子的雜質(zhì)原子,它們替代了格點(diǎn)上的同族原子后,基本上仍是電中性的.但是由于原子序數(shù)不同,這些原子的共價(jià)半徑和電負(fù)性有差別,因而它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心.這個(gè)帶電中心就稱為等離子陷阱.是否周期表中同族元素均能形成等離子陷阱呢 只有當(dāng)摻入原子與基質(zhì)晶體原子在電負(fù)性,共價(jià)半徑方面有較大差別時(shí),才能形成等離子陷阱.一般說(shuō),同族元素原子序數(shù)越小,電負(fù)性越大,共價(jià)半徑越小.等電子雜質(zhì)電負(fù)性大于基質(zhì)晶體原子的電負(fù)性時(shí),取代后,它便能俘獲電子成為負(fù)電中心.反之,它能俘獲空穴成為正電中心.例如,氮的共價(jià)半徑和電負(fù)性分別為0.070nm和3.0,磷的共價(jià)半徑和電負(fù)性分別為0.110nm和2.1,氮取代磷后能俘獲電子成為負(fù)電中心.這個(gè)俘獲中心稱為等離子陷阱.這個(gè)電子的電離能=0.008eV.鉍的共價(jià)半徑和負(fù)電性分別為0.146nm和1.9,鉍取代磷后能俘獲空穴,它的電離能是=0.038eV.◆基本要求:掌握等電子陷阱和等離子雜質(zhì)的概念.能解釋硅在砷化鎵中的雙性行為.§2.3 半導(dǎo)體中的缺陷能級(jí)(defect levels)◆本節(jié)內(nèi)容: 點(diǎn)缺陷(熱缺陷)point defects/thermaldefects 1.1 點(diǎn)缺陷的種類: 弗侖克耳缺陷:原子空位和間隙原子同時(shí)存在 肖特基缺陷:晶體中只有晶格原子空位 間隙原子缺陷:只有間隙原子而無(wú)原子空位 1.2 點(diǎn)缺陷(熱缺陷)特點(diǎn): 熱缺陷的數(shù)目隨溫度升高而增加

熱缺陷中以肖特基缺陷為主(即原子空位為主).原因:三種點(diǎn)缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小.(可參閱劉文明《半導(dǎo)體物理學(xué)》p70～p73,或葉良修《半導(dǎo)體物理學(xué)》p24和p94)淬火后可以“凍結(jié)”高溫下形成的缺陷.退火后可以消除大部分缺陷.半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝中,經(jīng)高溫加工(如擴(kuò)散)后的晶片一般都需要進(jìn)行退火處理.離子注入形成的缺陷也用退火來(lái)消除.1.3 點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的影響: 缺陷處晶格畸變,周期性勢(shì)場(chǎng)被破壞,致使在禁帶中產(chǎn)生能級(jí).熱缺陷能級(jí)大多為深能級(jí),在半導(dǎo)體中起復(fù)合中心作用,使非平衡載流子濃度和壽命降低.空位缺陷有利于雜質(zhì)擴(kuò)散

對(duì)載流子有散射作用,使載流子遷移率和壽命降低.位錯(cuò)(dislocation)2.1 位錯(cuò)形成原因

2.2 位錯(cuò)種類:刃位錯(cuò)(橫位錯(cuò))和螺位錯(cuò) 2.棱位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響: 位錯(cuò)線上的懸掛鍵可以接受電子變?yōu)樨?fù)電中心,表現(xiàn)為受主;懸掛鍵上的一個(gè)電子也可以被釋放出來(lái)而變?yōu)檎娭行?此時(shí)表現(xiàn)為施主,即不飽和的懸掛鍵具有雙性行為,可以起受主作用,也可以起施主作用.位錯(cuò)線處晶格變形,導(dǎo)致能帶變形 位錯(cuò)線影響雜質(zhì)分布均勻性

位錯(cuò)線若接受電子變成負(fù)電中心,對(duì)載流子有散射作用.(第四章)影響少子壽命,原因:一是能帶變形,禁帶寬度減小,有利于非平衡載流子復(fù)合;二是在禁帶中產(chǎn)生深能級(jí),促進(jìn)載流子復(fù)合.(第五章)偏離化學(xué)比缺陷:離子晶體或化合物半導(dǎo)體,由于組成晶體的元素偏離正常化學(xué)比而形成的缺陷.◆課程重點(diǎn):點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響(參閱本節(jié)內(nèi)容).◆課程難點(diǎn):無(wú).◆基本要求:掌握點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性能的影響.第二章思考題與自測(cè)題: 1.說(shuō)明雜質(zhì)能級(jí)以及電離能的物理意義.為什么受主,施主能級(jí)分別位于價(jià)帶之上或?qū)е?而且電離能的數(shù)值較小

2.純鍺,硅中摻入Ⅲ族或Ⅴ族元素后,為什么使半導(dǎo)體電性能有很大的改變 雜質(zhì)半導(dǎo)體(p型或n型)應(yīng)用很廣,但為什么我們很強(qiáng)調(diào)對(duì)半導(dǎo)體材料的提純

3.把不同種類的施主雜質(zhì)摻入同一種半導(dǎo)體材料中,雜質(zhì)的電離能和軌道半徑是否不同 把同一種雜質(zhì)摻入到不同的半導(dǎo)體材料中(例如鍺和硅),雜質(zhì)的電離能和軌道半徑又是否都相同

4.何謂深能級(jí)雜質(zhì) 它們電離以后有說(shuō)明特點(diǎn)

5.為什么金元素在鍺或硅中電離后可以引入多個(gè)施主或受主能級(jí)

6.說(shuō)明摻雜對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響.7.說(shuō)明半導(dǎo)體中淺能級(jí)雜質(zhì)和深能級(jí)雜質(zhì)的作用有何不同

8.什么叫雜質(zhì)補(bǔ)償 什么叫高度補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體 雜質(zhì)補(bǔ)償有何實(shí)際應(yīng)用

第三章 半導(dǎo)體中熱平衡載流子的統(tǒng)計(jì)分布

引言: 本章的主要任務(wù):計(jì)算本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的熱平衡載流子濃度及費(fèi)米能級(jí)的位置,討論，與，的關(guān)系.熱平衡和熱平衡載流子:在一定溫度下,如果沒(méi)有其它外界作用半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子和空穴是依靠電子的熱激發(fā)作用而產(chǎn)生的,電子從不斷熱震動(dòng)的晶格中獲得一定的能量,就可能從低能量的量子態(tài)躍遷到高能量的量子態(tài),例如,電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶(這就是本征激發(fā)),形成導(dǎo)電電子和價(jià)帶空穴.電子和空穴也可以通過(guò)雜質(zhì)電離方式產(chǎn)生,當(dāng)電子從施主能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)帶電子;當(dāng)電子從價(jià)帶激發(fā)到受主能級(jí)時(shí)產(chǎn)生價(jià)帶空穴等.與此同時(shí),還存在著相反的過(guò)程,即電子也可以從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子態(tài),并向晶格放出一定能量,從而使導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴不斷減少,這一過(guò)程稱為載流子的復(fù)合.在一定溫度下,這兩個(gè)相反的過(guò)程之間將建立起動(dòng)態(tài)的平衡,稱為熱平衡狀態(tài).這時(shí),半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子濃度和空穴濃度都保持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值,這種處于熱平衡狀態(tài)下的導(dǎo)電電子和空穴稱為熱平衡載流子.當(dāng)溫度改變時(shí),破壞了原來(lái)的平衡狀態(tài),又重新建立起新的平衡狀態(tài),熱平衡載流子的濃度也將發(fā)生變化,達(dá)到另一穩(wěn)定數(shù)值.解決問(wèn)題的思路:熱平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡,載流子在各個(gè)能級(jí)之間躍遷,但它們?cè)诿總€(gè)能級(jí)上出現(xiàn)的幾率是不同的.要討論熱平衡載流子的統(tǒng)計(jì)分布,是首先要解決下述問(wèn)題: ①回顧幾率的概念及幾率的運(yùn)算法則

載流子在允許的量子態(tài)上的分布函數(shù)(幾率函數(shù))允許的量子態(tài)按能量如何分布——能量狀態(tài)密度g(E)載流子在允許的量子態(tài)中如何分布 然后討論，～，T的關(guān)系

§3.1 載流子的統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)及能量狀態(tài)密度(說(shuō)明:本節(jié)內(nèi)容對(duì)講義§3.1和§3.2進(jìn)行了整合)◆本節(jié)內(nèi)容: 幾率的基本運(yùn)算法則(簡(jiǎn)要回顧加法和乘法)分布函數(shù)

2.1 Maxwell速率分布函數(shù) 2.2 Boltzmann能量分布函數(shù)

2.3 費(fèi)米(Fermi)分布函數(shù)

能量狀態(tài)密度 3.1 k空間的狀態(tài)密度 3.2 導(dǎo)帶和價(jià)帶能量狀態(tài)密度 ◆課程重點(diǎn): 費(fèi)米分布函數(shù)的意義:它表示能量為E的量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率,它是描寫熱平衡狀態(tài)下電子在允許的量子態(tài)上如何分布的一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布函數(shù);費(fèi)米分布函數(shù)還給出空穴占據(jù)各能級(jí)的幾率,一個(gè)能級(jí)要么被電子占據(jù),否則就是空的,即被空穴占據(jù), 與對(duì)稱于 可以證明:

這對(duì)研究電子和空穴的分布很方便.費(fèi)米分布函數(shù)與波耳茲曼分布函數(shù)的關(guān)系: 當(dāng)時(shí),電子的費(fèi)米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為波耳茲曼分布函數(shù).因?yàn)閷?duì)于熱平衡系統(tǒng)和溫度為定值,則,這就是通常見(jiàn)到的波耳茲曼分布函數(shù).同理,當(dāng)時(shí) ,空穴的費(fèi)米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為空穴的波耳茲曼分布函數(shù).在半導(dǎo)體中,最常遇到的情況是費(fèi)米能級(jí)位于價(jià)帶內(nèi),而且與導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂?shù)木嚯x遠(yuǎn)大于,所以,對(duì)導(dǎo)帶中的所有量子態(tài)來(lái)說(shuō),被電子占據(jù)的幾率,一般都滿足,故半導(dǎo)體電子中的電子分布可以用電子的波耳茲曼分布函數(shù)描寫.由于隨著能量E的增大,f(E)迅速減小,所以導(dǎo)帶中絕大多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底附近.同理,對(duì)半導(dǎo)體價(jià)帶中的所有量子態(tài)來(lái)說(shuō),被空穴占據(jù)的幾率,一般都滿足,故價(jià)帶中的空穴分布服從空穴的波耳茲曼分布函數(shù).由于隨著能量E的增大,迅速增大,所以價(jià)帶中絕大多數(shù)空穴分布在價(jià)帶頂附近.因而和是討論半導(dǎo)體問(wèn)題時(shí)常用的兩個(gè)公式.通常把服從波耳茲曼統(tǒng)計(jì)率的電子系統(tǒng)稱為非簡(jiǎn)并性系統(tǒng).費(fèi)米能級(jí):稱為費(fèi)米能級(jí)或費(fèi)米能量,它和溫度,半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型,雜質(zhì)的含量以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān).是一個(gè)很重要的物理參數(shù),只要知道了的數(shù)值,在一定溫度下,電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計(jì)分布就完全確定.它可以由半導(dǎo)體中能帶內(nèi)所以量子態(tài)中被電子占據(jù)的量子態(tài)數(shù)應(yīng)等于電子總數(shù)N這一條件來(lái)決定,即,將半導(dǎo)體中大量電子的集體看成一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng),由統(tǒng)計(jì)理論證明,費(fèi)米能級(jí)是系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì),即,代表系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì),F式系統(tǒng)的自由能.上式的意義是:當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài),也不對(duì)外界做功的情況下,系統(tǒng)中增加一個(gè)電子所引起系統(tǒng)自由能的變化,等于系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì),所以處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí).一般可以認(rèn)為,在溫度不很高時(shí),能量大于費(fèi)米能級(jí)的電子態(tài)基本上沒(méi)有被電子占據(jù),而能量小于費(fèi)米能級(jí)的幾率在各溫度下總是1/2,所以費(fèi)米能級(jí)的位置比較直觀的標(biāo)志了電子占據(jù)量子態(tài)的狀況,通常就說(shuō)費(fèi)米能級(jí)標(biāo)志了電子填充能級(jí)的水平.費(fèi)米能級(jí)位置越高,說(shuō)明有較多的能量較高的電子態(tài)上有電子.了計(jì)算電子和空穴的濃度,必須對(duì)一個(gè)能帶內(nèi)的所有能量積分,而不只是對(duì)布里淵區(qū)體積積分,為此引入狀態(tài)密度概念即單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù).其表達(dá)式為:.可以通過(guò)下述步驟計(jì)算狀態(tài)密度:首先算出單位k空間中的量子態(tài)數(shù),即k空間中的狀態(tài)密度;然后算出k空間中與能量E到E+dE間所對(duì)應(yīng)的k空間體積,并和k空間中的狀態(tài)密度相乘,從而求得在能量E到E+dE間的量子態(tài)數(shù)dE;最后,根據(jù)前式,求得狀態(tài)密度g(E).◆課程難點(diǎn): 能量狀態(tài)密度與k空間量子態(tài)的分布即等能面的形狀有關(guān).在k 空間量子態(tài)的分布是均勻的,量子態(tài)的密度為V(立方晶體的體積).如果計(jì)入自旋,每個(gè)量子態(tài)可以允許兩個(gè)自旋相反的電子占據(jù)一個(gè)量子態(tài).換言之,k空間每個(gè)量子態(tài)實(shí)際上代表自旋方向相反的兩個(gè)量子態(tài),所以,在k空間,電子允許的量子態(tài)密度為2V.注意:這時(shí)每個(gè)量子態(tài)最多容納一個(gè)電子.這樣,與費(fèi)米分布函數(shù)的定義就統(tǒng)一起來(lái)了(費(fèi)米分布函數(shù)是能量為E的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率).狀態(tài)密度表達(dá)式的推導(dǎo)過(guò)程作為課堂討論的課程重點(diǎn)內(nèi)容之一.◆基本概念:費(fèi)米分布函數(shù),k空間狀態(tài)密度和能量狀態(tài)密度的概念.◆基本要求:掌握費(fèi)米分布函數(shù)和玻耳茲曼分布函數(shù)及費(fèi)米能級(jí)的意義.費(fèi)米能級(jí)是一個(gè)參考能級(jí),不是電子的真實(shí)能級(jí),費(fèi)米能級(jí)的位置標(biāo)志了電子填充能級(jí)的水平.熱平衡條件下費(fèi)米能級(jí)為定值,費(fèi)米能級(jí)的數(shù)值與溫度,半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型,雜質(zhì)濃度及零點(diǎn)的選取有關(guān),它是一個(gè)很重要的物理參數(shù).要求學(xué)習(xí)好的同學(xué)能導(dǎo)出導(dǎo)帶底能量狀態(tài)密度的表達(dá)式.§3.2 導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度 ◆本節(jié)內(nèi)容: 導(dǎo)帶電子濃度 價(jià)帶空穴濃度 ◆課程重點(diǎn): 導(dǎo)出導(dǎo)帶電子濃度和帶空穴濃度表達(dá)式

理解,掌握電子濃度,空穴濃度表達(dá)式的意義(見(jiàn)基本要求)◆課程難點(diǎn):導(dǎo)出導(dǎo)帶電子濃度的基本思路是:和計(jì)算狀態(tài)密度是一樣,認(rèn)為能帶中的能級(jí)是連續(xù)分布的,將能帶分成一個(gè)個(gè)很小的能量間隔來(lái)處理.對(duì)導(dǎo)帶分為無(wú)限多的無(wú)限小的能量間隔,則在能量到之間有個(gè)量子態(tài),而電子占據(jù)能量為的量子態(tài)的幾率是,則在到間有個(gè)被電子占據(jù)的量子態(tài),因?yàn)槊總€(gè)被占據(jù)的量子態(tài)上有一個(gè)電子,所以在到間有個(gè)電子.然后把所有能量區(qū)間中的電子數(shù)相加,實(shí)際上是從導(dǎo)帶底到導(dǎo)帶頂對(duì)進(jìn)行積分,就得到了能帶中底電子總數(shù),再除以半導(dǎo)體體積就得到了導(dǎo)帶中的電子濃度.因?yàn)橘M(fèi)米能級(jí)一般在禁帶中,導(dǎo)帶中的能級(jí)遠(yuǎn)高于費(fèi)米能級(jí),即當(dāng)時(shí),計(jì)算導(dǎo)帶電子濃度可用玻耳茲曼分布函數(shù).◆基本概念:電子濃度和空穴濃度的乘積與費(fèi)米能級(jí)無(wú)關(guān).對(duì)一定的半導(dǎo)體材料,乘積只決定于溫度,與所含雜質(zhì)無(wú)關(guān).而在一定溫度下,對(duì)不同的半導(dǎo)體材料,因禁帶寬度不同,乘積也將不同.這個(gè)關(guān)系式不論是本征半導(dǎo)體還是雜質(zhì)半導(dǎo)體,只要是熱平衡狀態(tài)下的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體,都普遍適用,在討論許多許多實(shí)際問(wèn)題時(shí)常常引用.對(duì)一定的半導(dǎo)體材料,在一定的溫度下,乘積時(shí)一定的.換言之,當(dāng)半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時(shí),載流子濃度的乘積保持恒定,如果電子濃度增加,空穴濃度就要減小;反之亦然.式和式是熱平衡載流子濃度的普遍表示式.只要確定了費(fèi)米能級(jí),在一定溫度時(shí),半導(dǎo)體導(dǎo)帶中電子濃度,價(jià)帶中空穴濃度就可以計(jì)算出來(lái).◆基本要求:掌握導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度公式: 與分別是導(dǎo)帶與價(jià)帶底有效狀態(tài)密度,相當(dāng)于把導(dǎo)帶中所有量子態(tài)都集中在導(dǎo)帶底,而它的狀態(tài)密度為;同理,相當(dāng)于把價(jià)帶中所有量子態(tài)都集中在價(jià)帶頂,而它的狀態(tài)密度為.上兩式中的指數(shù)部分是具有玻耳茲曼分布函數(shù)形式的幾率函數(shù),前者是電子占據(jù)能量為的量子態(tài)幾率,后者是空穴占據(jù)能量為的量子態(tài)的幾率.則導(dǎo)帶中的電子濃度是中電子占據(jù)的量子態(tài)數(shù),價(jià)帶空穴濃度是中有空穴占據(jù)的量子態(tài)數(shù).§3.3 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 ◆本節(jié)內(nèi)容: 本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí) 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 熱平衡條件

◆課程重點(diǎn):利于電中性條件(所謂電中性條件,就是電中性的半導(dǎo)體,其負(fù)電數(shù)與正電荷相等.因?yàn)殡娮訋ж?fù)電,空穴帶正電,所以對(duì)本征半導(dǎo)體,電中性條件是導(dǎo)帶中的電子濃度應(yīng)等于價(jià)帶中的空穴濃度,即=,由此式可導(dǎo)出費(fèi)米能級(jí).)求解本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí):本征半導(dǎo)體就是沒(méi)有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體,在絕對(duì)零度時(shí),價(jià)帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù),而導(dǎo)帶中的量子態(tài)全部空著,也就是說(shuō),半導(dǎo)體中共價(jià)鍵是飽和的,完整的.當(dāng)半導(dǎo)體的溫度大于零度時(shí),就有電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶中去,同時(shí)價(jià)帶中產(chǎn)生空穴,這就是所謂的本征激發(fā).由于電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生,導(dǎo)帶中的電子濃度應(yīng)等于價(jià)帶中的空穴濃度,即=.2本征載流子濃度與溫度和價(jià)帶寬度有關(guān).溫度升高時(shí),本征載流子濃度迅速增加;不同的半導(dǎo)體材料,在同一溫度下,禁帶寬度越大,本征載流子濃度越大.3,一定溫度下,任何非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的熱平衡載流子的濃度的乘積對(duì)于該溫度時(shí)的本征載流子的濃度的平方,即,與所含雜質(zhì)無(wú)關(guān).因此,它不僅適用于本征半導(dǎo)體材料,而且也適用于非簡(jiǎn)并的雜質(zhì)半導(dǎo)體材料.4,的意義:可作為判斷半導(dǎo)體材料的熱平衡條件.熱平衡條件下，均為常數(shù),則也為常數(shù),這時(shí)單位時(shí)間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的載流子數(shù)等于單位時(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合掉的載流子數(shù),也就是說(shuō)產(chǎn)生率大于復(fù)合率.因此,此式可作為判斷半導(dǎo)體材料是否達(dá)到熱平衡的依據(jù)式.◆課程難點(diǎn): 這是一個(gè)容易忽視的問(wèn)題,即本征半導(dǎo)體中導(dǎo)帶電子濃度等于價(jià)帶空穴濃度,根據(jù)載流子的分布函數(shù)及費(fèi)米年間的意義可知:本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)應(yīng)該位于導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂之間的中間位置,即禁帶中央處.只有這樣,導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴才能對(duì)稱于費(fèi)米能級(jí),分布在導(dǎo)帶和價(jià)帶中,以滿足=.但是由于導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度()和價(jià)帶有效狀態(tài)密度()中分別含有電子狀態(tài)濃度的有效質(zhì)量()和價(jià)帶空穴狀態(tài)有效密度().由于兩者數(shù)值上的差異,使本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)偏離禁帶中央.如果費(fèi)米能級(jí)偏離禁帶中很小,可以認(rèn)為費(fèi)米能級(jí)基本上位于禁帶中央;如果和相差很大,本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)就會(huì)偏離禁帶中央很遠(yuǎn).具體情況可用本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)表達(dá)式分析(參閱講義式(3-30)即該式以下的說(shuō)明).◆基本概念: 半導(dǎo)體材料制成的器件都有一定的極限工作溫度,這個(gè)工作溫度受本征載流子濃度制約:一般半導(dǎo)體器件中,載流子主要來(lái)源于雜質(zhì)電離,而將本征激發(fā)忽略不計(jì).在本征載流子濃度沒(méi)有超過(guò)雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度的溫度范圍,如果雜質(zhì)全部電離,載流子濃度是一定的,器件就能穩(wěn)定工作.但是隨著溫度的升高,本征載流子濃度迅速地增加.例如在室溫附近,純硅的溫度每升高8K左右,本征載流子的濃度就增加約一倍.而純鍺的溫度每升高12K左右,本征載流子的濃度就增加約一倍.當(dāng)溫度足夠高時(shí),本征激發(fā)占主要地位,器件將不能正常工作.因此,每一種半導(dǎo)體材料制成的器件都有一定的極限工作溫度,超過(guò)這一溫度后,器件就失效了.例如,一般硅平面管采用室溫電阻率為1·cm左右的原材料,它是由摻入的施主雜質(zhì)銻而制成的.在保持載流子主要來(lái)源于雜質(zhì)電離時(shí),要求本征載流子濃度至少比雜質(zhì)濃度低一個(gè)數(shù)量級(jí),即不超過(guò).如果也以本征載流子濃度不超過(guò)的話,對(duì)應(yīng)溫度為526K,所以硅器件的極限工作溫度是520K左右.鍺的禁帶寬度比硅小,鍺的器件工作溫度比硅低,約為370K左右.砷化鎵禁帶寬度比硅大,極限工作溫度可高達(dá)720K左右,適宜于制造大功率器件.總之,由于本征載流子濃度隨溫度的迅速變化,用本征材料制作的器件性能很不穩(wěn)定,所以制造半導(dǎo)體器件一般都用含有適當(dāng)雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料.◆基本要求: 能夠?qū)懗霰菊靼雽?dǎo)體的電中性方程,并導(dǎo)出費(fèi)米能級(jí)的表達(dá)式;熟悉半導(dǎo)體半導(dǎo)體載流子濃度與溫度和禁帶寬度的關(guān)系;了解通過(guò)測(cè)量不同溫度下本征載流子濃度如何得到絕對(duì)零度時(shí)的禁帶寬度;正確使用熱平衡判斷式.經(jīng)常用到的數(shù)據(jù)最好要記住.例如,300 K時(shí)硅,鍺,砷化鎵的禁帶寬度分別為1.12ev,0.67ev,1.428ev.本征載流子濃度分別為，均為實(shí)驗(yàn)值.§3.4 雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度 ◆本節(jié)內(nèi)容: 雜質(zhì)濃度上的電子和空穴 雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度 ◆課程重點(diǎn): 半導(dǎo)體雜質(zhì)能級(jí)被電子占據(jù)的幾率函數(shù)與費(fèi)米分布函數(shù)不同:因?yàn)殡s質(zhì)能級(jí)和能帶中的能級(jí)是有區(qū)別的,在能帶中的能級(jí)可以容納自旋下凡的兩個(gè)電子;而施主能級(jí)只能或者被一個(gè)任意自旋方向的電子占據(jù),或者不接受電子(空的)這兩種情況中的一種,即施主能級(jí)不允許同時(shí)被自旋方向相反的兩個(gè)電子所占據(jù).所以不能用費(fèi)米分布函數(shù)表示電子占據(jù)雜質(zhì)能級(jí)的幾率.分析雜質(zhì)半導(dǎo)體摻雜濃度和溫度對(duì)載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)的影響.摻有某種雜質(zhì)的半導(dǎo)體的載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)由溫度和雜質(zhì)濃度所決定.對(duì)于雜質(zhì)濃度一定的半導(dǎo)體,隨著溫度的升高,載流子則是從以雜質(zhì)電離為主要來(lái)源過(guò)渡到以本征激發(fā)為主要來(lái)源的過(guò)程,相應(yīng)地,費(fèi)米能級(jí)則從位于雜質(zhì)能級(jí)附近逐漸移近禁帶中線處.譬如n型半導(dǎo)體,在低溫弱電離區(qū)時(shí),導(dǎo)帶中的電子是從施主雜質(zhì)電離產(chǎn)生的;隨著溫度升高,導(dǎo)帶中的電子濃度也增加,而費(fèi)米能級(jí)則從施主能級(jí)以上往下降到施主能級(jí)以下;當(dāng)下降到以下若干時(shí),施主雜質(zhì)全部電離,導(dǎo)帶中的電子濃度等于施主濃度,處于飽和區(qū);再升高溫度,雜質(zhì)電離已經(jīng)不能增加電子數(shù),但本征激發(fā)產(chǎn)生的電子迅速增加著,半導(dǎo)體進(jìn)入過(guò)渡區(qū),這是導(dǎo)帶中的電子由數(shù)量級(jí)相近的本征激發(fā)部分和雜質(zhì)電離部分組成,而費(fèi)米能級(jí)則繼續(xù)下降;當(dāng)溫度再升高時(shí),本征激發(fā)成為載流子的主要來(lái)源,載流子濃度急劇上升,而費(fèi)米能級(jí)下降到禁帶中線處這時(shí)就是典型的本征激發(fā).對(duì)于p型半導(dǎo)體,作相似的討論,在受主濃度一定時(shí),隨著溫度升高,費(fèi)米能級(jí)從在受主能級(jí)以下逐漸上升到禁帶中線處,而載流子則從以受主電離為主要來(lái)源轉(zhuǎn)化到以本征激發(fā)為主要來(lái)源.當(dāng)溫度一定時(shí),費(fèi)米能級(jí)的位置由雜質(zhì)濃度所決定,例如n型半導(dǎo)體,隨著施主濃度的增加,費(fèi)米能級(jí)從禁帶中線逐漸移向?qū)У追较?對(duì)于p型半導(dǎo)體,隨著受主濃度的增加費(fèi)米能級(jí)從禁帶中線逐漸移向價(jià)帶頂附近.這說(shuō)明,在雜質(zhì)半導(dǎo)體中,費(fèi)米能級(jí)的位置不但反映了半導(dǎo)體導(dǎo)電類型,而且還反映了半導(dǎo)體的摻雜水平.對(duì)于n型半導(dǎo)體,費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中線以上,越大,費(fèi)米能級(jí)位置越高.對(duì)于p型半導(dǎo)體,費(fèi)米能級(jí)位于中線以下,越大,費(fèi)米能級(jí)位置越低.◆課程難點(diǎn): 根據(jù)電中性方程導(dǎo)出各個(gè)溫度區(qū)間的費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度表達(dá)式.雜質(zhì)電離程度與溫度,摻雜濃度及雜質(zhì)電離能有關(guān),溫度高,電離能小,有利于雜質(zhì)電離.但雜質(zhì)濃度過(guò)高,則雜質(zhì)不能充分電離.通常所說(shuō)的室溫下雜質(zhì)全部電離,實(shí)際上忽略了雜質(zhì)濃度的限制.◆基本概念: 多數(shù)載流子和少數(shù)載流子(多子和少子):半導(dǎo)體中載流子為電子和空穴,n型半導(dǎo)體以電子導(dǎo)電為主,電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度,故稱電子為n型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子,簡(jiǎn)稱多子,空穴為n型半導(dǎo)體的少數(shù)載流子,簡(jiǎn)稱少子;對(duì)于p型半導(dǎo)體,空穴為多子,電子為少子.平衡少子濃度正比于本征載流子濃度的平方,對(duì)于n型半導(dǎo)體,由可得少子濃度,它強(qiáng)烈的依賴于溫度的變化.◆基本要求: 能夠?qū)懗鲋粨诫s一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體的一般性電中性方程,若只有施主雜質(zhì)時(shí),為,若只有受主雜質(zhì)時(shí)為本征激發(fā)可以忽略的情況下,例如室溫區(qū),電中性條件為;當(dāng)溫度較高,雜質(zhì)全部電離,本征激發(fā)不能忽略時(shí),電中性條件為,在這種情況下,應(yīng)和聯(lián)立,方可解出和.能夠較熟練地計(jì)算室溫下地載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)(n型和p型)在摻雜濃度一定地情況下,能夠解釋多子濃度隨溫度地變化關(guān)系.§3.5 一般情況下地載流子統(tǒng)計(jì)分布 ◆本節(jié)內(nèi)容: 電中性方程的一般形式及費(fèi)米能級(jí) 用解析法求解咋了濃度及費(fèi)米能級(jí) ◆課程重點(diǎn): 一般情況下,半導(dǎo)體既含有施主雜質(zhì),又含有受主雜質(zhì),在熱平衡狀態(tài)下,電中性方程為,此式的意義是:同時(shí)含有一種施主雜質(zhì)和一種受主雜質(zhì)情況下,半導(dǎo)體單位體積內(nèi)的負(fù)電荷數(shù)(導(dǎo)帶電子濃度與電離受主濃度之和)等于單位體內(nèi)的正電荷數(shù)(價(jià)帶空穴濃度與電離施主濃度之和).施主濃度大于受主濃度情況下,分析載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)與溫度的關(guān)系.◆課程難點(diǎn): 在不同的溫度區(qū)間分析載流子密度和費(fèi)米能級(jí)與溫度的關(guān)系溫度區(qū)間的劃分不是我們傳統(tǒng)意義的以溫度的數(shù)值范圍來(lái)劃分,而是通過(guò)相關(guān)參量的比較,把要討論的整個(gè)溫度范圍劃分為極低溫區(qū),低溫區(qū)……本征激發(fā)區(qū).注意兩個(gè)電中性方程的適用條件:雜質(zhì)全部電離,本征激發(fā)可以忽略,即時(shí),電中性方程為,(原始方程為).雜質(zhì)全部電離,本征激發(fā)不能忽略即摻雜濃度與的數(shù)值相近,或由于溫度升高使數(shù)值增大而導(dǎo)致與相近時(shí),電中性方程為(原始方程為,式中,).使用上述兩個(gè)電中性方程時(shí),關(guān)鍵要判斷是否要考慮本征激發(fā)對(duì)電中性方程的影響.◆基本要求:掌握半導(dǎo)體同時(shí)含有施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)情況下電中性方程的一般表達(dá)式,能較熟練地分析和計(jì)算半導(dǎo)體的載流子濃度和費(fèi)米能級(jí).§3.6 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 Degenerate Semiconductor ◆本節(jié)內(nèi)容: 1 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的載流子濃度 1.1導(dǎo)帶電子濃度 1.2 價(jià)帶空穴濃度 2 簡(jiǎn)并化條件 2.1 簡(jiǎn)并化條件

2.2 界簡(jiǎn)并情況下的雜質(zhì)濃度 2.3 簡(jiǎn)并化溫度范圍

簡(jiǎn)并半導(dǎo)體雜質(zhì)不能充分電離 雜質(zhì)帶導(dǎo)電 ◆課程重點(diǎn): 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的載流子濃度:對(duì)于n型半導(dǎo)體,施主濃度很高,使費(fèi)米能級(jí)接近或進(jìn)入導(dǎo)帶時(shí),導(dǎo)帶底附近底量子態(tài)基本上已被電子占據(jù),導(dǎo)帶中底電子書目很多,的條件不能成立,必須考慮泡利不相容原理的作用.這時(shí),不能再用玻耳茲曼分布函數(shù),必須用費(fèi)米分布函數(shù)來(lái)分析導(dǎo)帶中電子的分布問(wèn)題.這種情況稱為載流子的簡(jiǎn)并化.發(fā)生載流子簡(jiǎn)并化的半導(dǎo)體稱為基本半導(dǎo)體,對(duì)于p型半導(dǎo)體,其費(fèi)米能級(jí)接近價(jià)帶頂或進(jìn)入價(jià)帶,也必須用費(fèi)米分布函數(shù)來(lái)分析價(jià)帶中空穴的分布問(wèn)題.簡(jiǎn)并時(shí)的雜質(zhì)濃度:對(duì)n型半導(dǎo)體,半導(dǎo)體發(fā)生簡(jiǎn)并時(shí),摻雜濃度接近或大于導(dǎo)帶底有效狀態(tài)密度;對(duì)于雜質(zhì)電離能小的雜質(zhì),則雜質(zhì)濃度較小時(shí)就會(huì)發(fā)生簡(jiǎn)并.對(duì)于p型半導(dǎo)體,發(fā)生簡(jiǎn)并的受主濃度接近或大于價(jià)帶頂有效狀態(tài)密度,如果受主電離能較小,受主濃度較小時(shí)就會(huì)發(fā)生簡(jiǎn)并.對(duì)于不同種類的半導(dǎo)體,因?qū)У子行顟B(tài)密度和價(jià)帶頂有效密度各不相同.一般規(guī)律是有效狀態(tài)密度小的材料,其發(fā)生簡(jiǎn)并的雜質(zhì)濃度較小.◆課程難點(diǎn):半導(dǎo)體發(fā)生簡(jiǎn)并對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度范圍:用圖解的方法可以求出半導(dǎo)體發(fā)生簡(jiǎn)并時(shí),對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度范圍.這個(gè)溫度范圍的大小與發(fā)生簡(jiǎn)并時(shí)的雜質(zhì)濃度及雜質(zhì)電離能有關(guān):電離能一定時(shí),雜質(zhì)濃度越大,發(fā)生簡(jiǎn)并的溫度范圍越大;發(fā)生簡(jiǎn)并的雜質(zhì)濃度一定時(shí),雜質(zhì)電離能越小,簡(jiǎn)并溫度范圍越大.◆基本概念: 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中雜質(zhì)不能充分電離:通過(guò)分析計(jì)算,室溫下,n型硅摻磷,發(fā)生簡(jiǎn)并的磷雜質(zhì)濃度,經(jīng)計(jì)算,電離施主濃度,因此硅中只有8.4%的雜質(zhì)是電離的,故導(dǎo)帶電子濃度.盡管只有8.4%的雜質(zhì)電離,但摻雜濃度較大,所以電子濃度還是較大.簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中雜質(zhì)不能充分電離的原因:簡(jiǎn)并半導(dǎo)體電子濃度較高,費(fèi)米能級(jí)較低摻雜時(shí),遠(yuǎn)在施主能級(jí)之上,使雜質(zhì)電離程度降低(參閱§3.4 雜質(zhì)能級(jí)上的電子和空穴)雜質(zhì)帶導(dǎo)電:在非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中,雜質(zhì)濃度不算很大,雜質(zhì)原子間距離比較遠(yuǎn),它們間的相互作用可以忽略.被雜質(zhì)原子束縛的電子在原子之間沒(méi)有共有化運(yùn)動(dòng),因此在禁帶中形成孤立的雜質(zhì)能級(jí).但是在重?fù)诫s的簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中,雜質(zhì)濃度很高,雜質(zhì)原子互相間很靠近,被雜質(zhì)原子束縛的電子的波函數(shù)顯著重疊,雜質(zhì)電子就有可能在雜質(zhì)原子之間產(chǎn)生共有化運(yùn)動(dòng),從而使孤立的雜質(zhì)能級(jí)擴(kuò)展為能帶,通常稱為雜質(zhì)能帶.雜質(zhì)能帶中的雜質(zhì)電子,可以通過(guò)雜質(zhì)原子之間的共有化運(yùn)動(dòng)參加導(dǎo)電的現(xiàn)象稱為雜質(zhì)帶導(dǎo)電.簡(jiǎn)并化條件:簡(jiǎn)并化條件是人們的一個(gè)約定,把與的相對(duì)位置作為區(qū)分簡(jiǎn)并化與非簡(jiǎn)并化的標(biāo)準(zhǔn),一般約定: , 非簡(jiǎn)并 , 弱簡(jiǎn)并 , 簡(jiǎn)并

注意:學(xué)過(guò)本節(jié)之后,在做習(xí)題時(shí),首先要判斷題目中給出的半導(dǎo)體材料是否發(fā)生弱簡(jiǎn)并或簡(jiǎn)并.然后才能確定采用相應(yīng)的有關(guān)公式進(jìn)行解題.◆基本要求: 對(duì)簡(jiǎn)并化半導(dǎo)體有最基本的認(rèn)識(shí),其主要特點(diǎn)是摻雜濃度高,使費(fèi)米能級(jí)接近或進(jìn)入導(dǎo)帶或價(jià)帶.能夠分析半導(dǎo)體是否發(fā)生簡(jiǎn)并化和計(jì)算簡(jiǎn)并化半導(dǎo)體的載流子濃度.了解簡(jiǎn)并化對(duì)能帶的影響及簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的基本應(yīng)用:簡(jiǎn)并化半導(dǎo)體由于雜質(zhì)帶的產(chǎn)生會(huì)使禁帶寬度變小;簡(jiǎn)并化半導(dǎo)體的基本應(yīng)用之一是用來(lái)制造隧道二極管,p-n結(jié)兩側(cè),n型材料的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶,p型材料的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入價(jià)帶(可參閱第六章最后一節(jié)).第三章思考題與自測(cè)題: 1.半導(dǎo)體處于怎樣的狀態(tài)才能叫處于熱平衡狀態(tài) 其物理意義如何.2.什么叫統(tǒng)計(jì)分布函數(shù) 費(fèi)米分布和玻耳茲曼分布的函數(shù)形式有何區(qū)別 在怎樣的條件下前者可以過(guò)渡到后者 為什么半導(dǎo)體中載流子分布可以用玻耳茲曼分布描述

3.說(shuō)明費(fèi)米能級(jí)的物理意義.根據(jù)費(fèi)米能級(jí)位置如何計(jì)算半導(dǎo)體中電子和空穴濃度 如何理解費(fèi)米能級(jí)是摻雜類型和摻雜程度的標(biāo)志

4.證明,在時(shí),對(duì)費(fèi)米能級(jí)取什么樣的對(duì)稱形式

5.在半導(dǎo)體計(jì)算中,經(jīng)常應(yīng)用這個(gè)條件把電子從費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)計(jì)過(guò)渡到玻耳茲曼統(tǒng)計(jì),試說(shuō)明這種過(guò)渡的物理意義.6.寫出半導(dǎo)體的電中性方程.此方程在半導(dǎo)體中有何重要意義 7.若n型硅中摻入受主雜質(zhì),費(fèi)米能級(jí)升高還是降低 若溫度升高當(dāng)本征激發(fā)起作用時(shí),費(fèi)米能級(jí)在什么位置 為什么

8.如何理解分布函數(shù)與狀態(tài)密度的乘積再對(duì)能量積分即可求得電子濃度

9.為什么硅半導(dǎo)體器件比鍺器件的工作溫度高

10.當(dāng)溫度一定時(shí),雜質(zhì)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)主要由什么因素決定 試把強(qiáng)N,弱N型半導(dǎo)體與強(qiáng)P,弱P半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)與本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)比較.11.如果向半導(dǎo)體中重?fù)绞┲麟s質(zhì),就你所知會(huì)出現(xiàn)一些什么效應(yīng)

第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性(載流子的輸運(yùn)現(xiàn)象)引言: 本章主要討論載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(載流子的輸運(yùn)現(xiàn)象),載流子在電場(chǎng)中的漂移運(yùn)動(dòng),遷移率,電導(dǎo)率,散射機(jī)構(gòu)及強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng).§4.1 載流子的漂移運(yùn)動(dòng),遷移率 ◆本節(jié)內(nèi)容: 1 半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)形式 1.1 無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)(熱運(yùn)動(dòng))1.2 有規(guī)則運(yùn)動(dòng)(定向運(yùn)動(dòng))2 載流子的漂移運(yùn)動(dòng) 2.1 歐姆定律的微分形式 2.2 載流子的遷移率 半導(dǎo)體中的電位差引起能帶傾斜 ◆課程重點(diǎn): 在半導(dǎo)體中,常遇到電流分布不均勻的情況,即流過(guò)不同截面的電流強(qiáng)度不相等.所以,通常用電流密度來(lái)描述半導(dǎo)體中的的電流.電流密度是指通過(guò)垂直于電流方向的單位面積的電流,根據(jù)熟知的歐姆定律可以得到電流密度.它把通過(guò)半導(dǎo)體中某一點(diǎn)的電流密度和該處的電導(dǎo)率及電場(chǎng)強(qiáng)度直接聯(lián)系起來(lái),稱為歐姆定律的微分形式.漂移速度和遷移率:有外加電壓時(shí),導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子受到電場(chǎng)力的作用,沿著電場(chǎng)的反方向作定向運(yùn)動(dòng)構(gòu)成電流.電子在電場(chǎng)力的作用下的這種運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng),定向運(yùn)動(dòng)的速度稱為漂移速度.遷移率為單位場(chǎng)強(qiáng)下電子的平均漂移速度.因?yàn)殡娮訋ж?fù)電,所以電子的平均漂移速度的方向一般應(yīng)和電場(chǎng)強(qiáng)度方向相反,但習(xí)慣上遷移率只取正值.◆課程難點(diǎn):無(wú) ◆基本概念: 半導(dǎo)體中的電流是電子電流和空穴電流的總和:一塊均勻半導(dǎo)體,兩端加以電壓,在半導(dǎo)體內(nèi)部就形成電場(chǎng).因?yàn)殡娮訋ж?fù)電,空穴帶正電,所以兩者漂移運(yùn)動(dòng)的方向不同,電子反電場(chǎng)方向漂移,空穴沿電場(chǎng)方向漂移.但是,形成的電流都是沿著電場(chǎng)方向.因而,半導(dǎo)體中的導(dǎo)電作用應(yīng)該是電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的總和.電子遷移率比空穴遷移率大:遷移率數(shù)值大小可表示載流子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)的難易程度,導(dǎo)電的電子是在導(dǎo)帶中,它們是脫離了共價(jià)鍵可以在半導(dǎo)體中自由運(yùn)動(dòng)的電子;而導(dǎo)電的空穴是在禁帶中,空穴電流實(shí)際上是代表了共價(jià)鍵上的電子在價(jià)鍵間運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電流.顯然,在相同的電場(chǎng)作用下,兩者的平均漂移速度不會(huì)相同,而且,導(dǎo)帶電子平均漂移速度要大些,就是說(shuō),電子遷移率與空穴遷移率不相等,前者要大些.◆基本要求:正確理解并會(huì)運(yùn)用如下簡(jiǎn)單而又重要的基本公式: 一般半導(dǎo)體的總電流: 一般半導(dǎo)體的電導(dǎo)率: n型半導(dǎo)體(n>>p): p型半導(dǎo)體(p>>n): 本征半導(dǎo)體(n=p=):

§4.2 載流子的散射 ◆本節(jié)內(nèi)容: 散射對(duì)載流子運(yùn)動(dòng)的影響 散射結(jié)構(gòu) 2.1 電離雜質(zhì)散射 2.2 晶格振動(dòng)散射 2.3 等同的能谷間散射

2.4 其它散射機(jī)構(gòu)(中性雜質(zhì)散射,位錯(cuò)散射)◆課程重點(diǎn): 電離雜質(zhì)散射:施主雜質(zhì)電離后是一個(gè)帶正電的離子,受主雜質(zhì)電離后是一個(gè)帶負(fù)電的離子.在電離施主或受主周圍形成一個(gè)庫(kù)侖勢(shì)場(chǎng).這一庫(kù)侖勢(shì)場(chǎng)局部地破壞了雜質(zhì)附近地周期性勢(shì)場(chǎng),它就是使載流子散射地附加勢(shì)場(chǎng).當(dāng)載流子運(yùn)動(dòng)到電離雜質(zhì)附近時(shí),由于庫(kù)侖勢(shì)場(chǎng)地作用,就使載流子運(yùn)動(dòng)地方向發(fā)生改變.電離施主和電離受主對(duì)電子和空穴散射,它們?cè)谏⑸溥^(guò)程中的軌跡是以施主或受主為一個(gè)焦點(diǎn)的雙曲線.常以散射幾率P來(lái)描述散射地強(qiáng)弱,它代表單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)載流子受到散射的次數(shù).具體的分析發(fā)現(xiàn),濃度為的電離雜質(zhì)對(duì)載流子的散射幾率與溫度的關(guān)系為:.晶格散射:晶格散射主要是長(zhǎng)縱聲學(xué)波和長(zhǎng)縱光學(xué)波.長(zhǎng)縱聲學(xué)波傳播時(shí)荷氣體中的聲波類似,會(huì)造成原子分布的疏密變化,產(chǎn)生體變,即疏處體積膨脹,密處壓縮,如講義圖4-10(a)所示.在一個(gè)波長(zhǎng)中,一半處于壓縮狀態(tài),一半處于膨脹狀態(tài),這種體變表示原子間距的減小或增大.由第一章知道,禁帶寬度隨原子間距變化,疏處禁帶寬度減小,密度增大,使能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生波形起伏.禁帶寬帶的改變反映出導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)纳吆徒档?引起能帶極值的改變.這時(shí),同是處于導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾娮踊蚩昭?在半導(dǎo)體的不同地點(diǎn),其能量就有差別.所以,縱波引起的能帶起伏,就其對(duì)載流子的作用講,如同產(chǎn)生了一個(gè)附加勢(shì)場(chǎng),這一附加勢(shì)場(chǎng)破壞了原來(lái)勢(shì)場(chǎng)的嚴(yán)格周期性,就使電子從K狀態(tài)散射到K狀態(tài).長(zhǎng)縱光學(xué)波散射主要發(fā)生在離子晶體中.在離子晶體中,每個(gè)原胞內(nèi)由正負(fù)兩個(gè)離子,它們和縱聲學(xué)波一樣,形成疏密相間的區(qū)域.由于正負(fù)離子位移相反,所以,正離子的密區(qū)和負(fù)離子的疏區(qū)相合,正離子的疏區(qū)和負(fù)離子的密區(qū)相合,從而造成在一半個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)帶正電,另一半個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)帶負(fù)電,帶正負(fù)電的區(qū)域?qū)a(chǎn)生電場(chǎng),對(duì)載流子增加了一個(gè)勢(shì)場(chǎng)的作用,這個(gè)勢(shì)場(chǎng)就是引起載流子散射的附加勢(shì)場(chǎng).◆課程難點(diǎn):晶格散射主要是討論格波與載流子的作用.格波的能量是離子化的,其能量單元稱為聲子,當(dāng)格波能量減少一個(gè)能量子(能量單元),就稱作放出一個(gè)聲子;增加一個(gè)能量子就稱吸收一個(gè)聲子.聲子的說(shuō)法不僅生動(dòng)地表示出格波能量的量子化特征,而且在分析晶格與物質(zhì)作用時(shí)很方便.例如,電子在晶體中被格波散射便可以看作是電子與聲子的碰撞.◆基本概念:散射幾率:表示單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)載流子受到輻射的次數(shù),其數(shù)值與散射機(jī)構(gòu)有關(guān).◆基本要求:熟悉電離雜質(zhì)散射幾率與電離雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系,聲學(xué)波和光學(xué)波幾率與哪些因素有關(guān).§4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系 ◆本節(jié)內(nèi)容:平均自由時(shí)間和散射幾率的關(guān)系 遷移率與平均自由時(shí)間和有效質(zhì)量的關(guān)系 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系 ◆課程重點(diǎn):平均自由時(shí)間和散射幾率的關(guān)系:載流子在電場(chǎng)中作漂移運(yùn)動(dòng)時(shí),只有在連續(xù)兩次散射之間的時(shí)間內(nèi)才作加速運(yùn)動(dòng),這段時(shí)間 稱為自由時(shí)間.自由時(shí)間長(zhǎng)短不一,若取極多次而求得其平均值則稱為載流子的平均自由時(shí)間,它與散射幾率互為倒數(shù)的關(guān)系.遷移率與平均自由時(shí)間和有效質(zhì)量的關(guān)系:通過(guò)計(jì)算外電場(chǎng)作用下載流子的平均漂移速度,對(duì)于有效質(zhì)量各向同性的電子和空穴,其遷移率分別為 和.對(duì)等能面為旋轉(zhuǎn)橢球的多極值半導(dǎo)體,因?yàn)檠鼐w的不同方向有效質(zhì)量不同,所以遷移率與有效質(zhì)量的關(guān)系稍復(fù)雜些.例如對(duì)于硅:

稱為電導(dǎo)遷移率,其值由三個(gè)主軸方向的三個(gè)遷移率的線性組合,即, 稱為電導(dǎo)有效質(zhì)量,由下式?jīng)Q定:

遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系: 對(duì)摻雜的硅,鍺半導(dǎo)體,主要散射結(jié)構(gòu)是電離雜質(zhì)散射和聲學(xué)波散射.電離雜質(zhì)散射特點(diǎn)是隨溫度升高,遷移率增大,隨電離雜質(zhì)增加遷移率減小;聲學(xué)波散射特點(diǎn)是隨溫度升高遷移率下降.同時(shí)存在這兩種散射機(jī)構(gòu)時(shí),就要考慮它們的共同作用對(duì)遷移率的影響.當(dāng)摻雜濃度較低時(shí),可以忽略電離雜質(zhì)的影響.遷移率主要受晶格散射影響,即隨溫度升高遷移率下降;當(dāng)摻雜濃度較高時(shí),低溫時(shí)晶格振動(dòng)較弱,晶格振動(dòng)散射比電離雜質(zhì)散射作用弱,主要是電離雜質(zhì)散射,所以隨溫度升高遷移率緩慢增大;當(dāng)溫度較高時(shí),隨溫度升高,晶格振動(dòng)加劇,晶格散射作用,所以高溫時(shí)遷移率隨溫度升高而降低.◆課程難點(diǎn):平均自由時(shí)間是統(tǒng)計(jì)平均值.遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系比較復(fù)雜,對(duì)硅,鍺等原子半導(dǎo)體主要是電離雜質(zhì)散射和晶格散射,抓住主要矛盾可對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出較好的解釋(可參考課程重點(diǎn)中的第三條及講義圖4-13的解釋).◆基本概念: 單位電場(chǎng)作用下載流子獲得的平均漂移速度叫做漂移遷移率.在分析硅的六個(gè)能谷中的電子對(duì)電流的貢獻(xiàn)時(shí),又引入了電導(dǎo)遷移率,實(shí)質(zhì)上它是漂移遷移率的線性組合,因此,電導(dǎo)遷移率仍具有漂移遷移率的意義.漂移遷移率可通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量.對(duì)于補(bǔ)償材料,在雜質(zhì)完全電離情況下,載流子濃度決定于兩種雜質(zhì)濃度之差,但遷移率決定于兩種雜質(zhì)濃度的總和.如果材料中摻有多種施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì),則遷移率決定于所有電離雜質(zhì)濃度之和.總遷移率的倒數(shù)等于各散射機(jī)構(gòu)遷移率的倒數(shù)之和.◆ 基本要求:掌握遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系;能正確地從講義圖4-13和圖4-14查出遷移率.注意:上兩圖中雜質(zhì)為材料所含各種雜質(zhì)之和.對(duì)于摻雜濃度低于的材料,其室溫時(shí)的遷移率可近似用本征材料(較純材料)的遷移率表.能夠熟練地計(jì)算不同導(dǎo)電類型材料的電導(dǎo)率.§4.4 電阻率及其與雜質(zhì)濃度的關(guān)系 ◆本節(jié)內(nèi)容: 電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系 電阻率與溫度的關(guān)系 ◆課程重點(diǎn): 1.電阻率決定于載流子的濃度和遷移率,基本表示式如下: 當(dāng)半導(dǎo)體中電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度時(shí), n型半導(dǎo)體,電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度時(shí), p型半導(dǎo)體,電子濃度遠(yuǎn)小于空穴濃度時(shí), 本征半導(dǎo)體,電子濃度等于空穴濃度時(shí), 2.電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系.3.輕摻雜時(shí)(例如雜質(zhì)濃度小于),室溫下雜質(zhì)全部電離,載流子濃度近似等于雜質(zhì)濃度,而遷移率隨雜質(zhì)濃度地變化不大,與載流子濃度(即雜質(zhì)濃度)的變化相比較,可以認(rèn)為遷移率幾乎為常數(shù),所以隨雜質(zhì)濃度升高電阻率下降,若對(duì)電阻率表達(dá)式取對(duì)數(shù),則電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系是線性的.摻雜濃度較高時(shí)(雜質(zhì)濃度大于),由于室溫下雜質(zhì)不能全部電離,簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中電離程度下降更多,使載流子濃度小于雜質(zhì)濃度;又由于雜質(zhì)濃度較高時(shí)遷移率下降較大.這兩個(gè)原因使電阻率隨雜質(zhì)濃度的升高而下降.本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化關(guān)系有很大不同:對(duì)純半導(dǎo)體材料,電阻率主要是由本征載流子濃度決定.隨溫度上升而急劇增加,室溫附近,溫度每增加,硅的本征載流子濃度就增加一倍,因?yàn)檫w移率只稍有下降,所以電阻率將相應(yīng)的降低一半左右;對(duì)鍺來(lái)說(shuō),溫度每增加,本征載流子濃度增加一倍,電阻率降低一半.本征半導(dǎo)體電阻率隨溫度增加而單調(diào)地下降,這是本征半導(dǎo)體區(qū)別于金屬的一個(gè)重要特征.對(duì)雜質(zhì)半導(dǎo)體由雜質(zhì)電離和本征激發(fā)兩個(gè)因素存在,又有電離雜質(zhì)散射和晶格散射兩種散射機(jī)構(gòu)的存在,因而電阻率隨溫度的變化關(guān)系要復(fù)雜些.一定雜質(zhì)濃度的硅樣品的電阻率和溫度的關(guān)系曲線大致分為三個(gè)溫度區(qū)段: 低溫區(qū)段溫度很低,本征激發(fā)可忽略,載流子主要由雜質(zhì)電離提供,它隨溫度升高而增加;散射主要由雜質(zhì)電離決定,遷移率也隨溫度升高而增大,所以,電阻率隨溫度升高而下降.電離飽和區(qū)段,溫度繼續(xù)升高(包括室溫),雜質(zhì)已全部電離,本征激發(fā)還不十分顯著,載流子基本上不隨溫度變化,晶格振動(dòng)散射上升為主要矛盾,遷移率隨溫度升高而降低,所以,電阻率隨溫度升高而增大.本征激發(fā)區(qū)段,溫度繼續(xù)升高,本征激發(fā)很快增加,大量本征載流子的產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)遷移率的減小對(duì)電阻率的影響,這時(shí),本征激發(fā)成為矛盾的主要方面,雜質(zhì)半導(dǎo)體的電阻率將隨溫度的升高而急劇地下降,表現(xiàn)出同本征半導(dǎo)體相似的特性.◆課程難點(diǎn):電阻率與載流子濃度和遷移率有關(guān).在分析電阻率與溫度的關(guān)系時(shí),要注意載流子濃度和遷移率都與溫度有關(guān).在考慮載流子濃度對(duì)電阻率的影響時(shí),溫度對(duì)載流子濃度的影響可參考第三章圖3-11.◆基本概念:可以用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量半導(dǎo)體樣品的電阻率,對(duì)于非補(bǔ)償和輕補(bǔ)償?shù)牟牧?其電阻率可以反映出它的雜質(zhì)濃度(基本上就是載流子濃度).對(duì)于高度補(bǔ)償?shù)牟牧?因?yàn)檩d流子濃度很小,電阻率很高,并無(wú)真正說(shuō)明材料很純,而是這種材料雜質(zhì)很多,遷移率很小,不能用于制造器件.◆基本要求:掌握電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系及電阻率與溫度的關(guān)系,能熟練地計(jì)算不同導(dǎo)電類型半導(dǎo)體的電阻率,并注意雜質(zhì)和溫度這兩個(gè)因素對(duì)電阻率的影響.講義圖4-15是鍺,硅,砷化鎵300K時(shí)電阻率與溫度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)曲線,適用于非補(bǔ)償與輕度補(bǔ)償?shù)牟牧?§4.5(本節(jié)不作要求)§4.6 強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng),熱載流子 ◆本節(jié)內(nèi)容: 歐姆定律的偏離

平均漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系

◆課程重點(diǎn):定向解釋強(qiáng)電場(chǎng)下歐姆定律發(fā)生偏離的原因:主要可以從載流子與晶格振動(dòng)散射時(shí)的能量交換過(guò)程來(lái)說(shuō)明.在沒(méi)有外加電場(chǎng)情況下,載流子和晶格散射時(shí),強(qiáng)吸收聲子或發(fā)射聲子與晶格交換動(dòng)量和能量,交換的凈能量為零載流子的平均能量與晶格的相同,兩者處于熱平衡狀態(tài).有電場(chǎng)存在時(shí),載流子從電場(chǎng)中獲得能量,隨后又以發(fā)射聲子的形式將能量傳給晶格,這時(shí),平均的說(shuō),載流子發(fā)射的聲子數(shù)多于 吸收的聲子數(shù).到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),單位時(shí)間載流子從電場(chǎng)中獲得的能量同給予晶格的能量相同.但是,在強(qiáng)電場(chǎng)情況下,載流子從電場(chǎng)中獲得的能量很多,載流子的平均能量比熱平衡狀態(tài)時(shí)的大,因而載流子和晶格系統(tǒng)不再處于熱平衡狀態(tài).溫度是平均動(dòng)能的量度,既然載流子的能量大于晶格系統(tǒng)的能量,人們便引進(jìn)載流子的有效溫度來(lái)描述語(yǔ)晶格系統(tǒng)不處于熱平衡狀態(tài)的載流子,并稱這種狀態(tài)的載流子為熱載流子.所以,在強(qiáng)電場(chǎng)情況下,載流子溫度比晶格溫度高,載流子的平均能量比晶格的大.熱載流子與晶格散射時(shí),由于熱載流子能量高,速度大于熱平衡狀態(tài)下的速度,由看出,在平均自由程保持不變得情況下,平均自由時(shí)間減小,因而遷移率降低.當(dāng)電場(chǎng)不是很強(qiáng)時(shí),載流子主要和聲學(xué)波散射,遷移率有所降低.當(dāng)電場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng),載流子能量高到可以和光學(xué)波聲子能量相比時(shí),散射時(shí)可以發(fā)射光學(xué)波聲子,于是載流子獲得的能量大部分又消失,因而平均漂移速度可以達(dá)到飽和.◆課程難點(diǎn): 計(jì)算平均漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系:電場(chǎng)較弱時(shí),平均漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度成線性關(guān)系,即歐姆定律成立;當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí),平均漂移速度按電場(chǎng)強(qiáng)度的二分之一次方增大,即開(kāi)始便離歐姆定律;當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度再增大,使電子能量已高到和光學(xué)聲子能量相比擬時(shí),電子和晶格散射時(shí)便可以發(fā)射聲學(xué)光子.穩(wěn)態(tài)時(shí),平均漂移速度與電場(chǎng)無(wú)關(guān),達(dá)到飽和.◆基本概念: 熱載流子:在強(qiáng)電場(chǎng)情況下,載流子從電場(chǎng)中獲得的能量很多,載流子的平均能量比熱平衡狀態(tài)時(shí)的大,因而載流子和晶格系統(tǒng)不再處于熱平衡狀態(tài).溫度是平均動(dòng)能的量度,既然載流子的能量大于晶格系統(tǒng)的能量,人們便引進(jìn)載流子的有效溫度來(lái)描述語(yǔ)晶格系統(tǒng)不處于熱平衡狀態(tài)的載流子,并稱這種狀態(tài)的載流子為熱載流子.所以,在強(qiáng)電場(chǎng)情況下,載流子溫度比晶格溫度高,載流子的平均能量比晶格的大.,此式任何情況下均成立,形式上看,平均漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比,但是遷移率與場(chǎng)強(qiáng)有關(guān).弱電場(chǎng)時(shí)遷移率為常數(shù),強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)遷移率不是常數(shù),利用講義圖4-17可以求出不同場(chǎng)強(qiáng)下的遷移率.◆基本要求:能夠定性解釋強(qiáng)電場(chǎng)下歐姆定律的偏離原因.§4.7 耿氏效應(yīng),多能谷散射 ◆本節(jié)內(nèi)容: 耿氏器件伏安特性和速場(chǎng)特性 n-GaAs負(fù)阻效應(yīng)解釋 ◆課程重點(diǎn): 耿氏效應(yīng):n型砷化鎵兩端電極上加以電壓.當(dāng)電壓高到某一值時(shí),半導(dǎo)體電流便以很高頻率振蕩,這個(gè)效應(yīng)稱為耿氏效應(yīng).耿氏效應(yīng)與半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)有關(guān):砷化鎵導(dǎo)帶最低能谷1位于布里淵區(qū)中心,在布里淵區(qū)邊界L處還有一個(gè)能谷2,它比能谷1高出0.29ev.當(dāng)溫度不太高時(shí),電場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí),導(dǎo)帶電子大部分位于能谷1.能谷1曲率大,電子有效質(zhì)量小.能谷2曲率小,電子有效質(zhì)量大().由于能谷2有效質(zhì)量大,所以能谷2的電子遷移率比能谷1的電子遷移率小,即.當(dāng)電場(chǎng)很弱時(shí),電子位于能谷1,平均漂移速度為.當(dāng)電場(chǎng)很強(qiáng)時(shí),電子從電場(chǎng)獲得較大能量由能谷1 躍遷到能谷2,平均漂移速度為,由于,所以在速場(chǎng)特性上表現(xiàn)為不同的變化速率(實(shí)際上和是速場(chǎng)特性的兩個(gè)斜率.即低電場(chǎng)時(shí),高電場(chǎng)時(shí)).在遷移率由變化到的過(guò)程中經(jīng)過(guò)一個(gè)負(fù)阻區(qū).在負(fù)阻區(qū),遷移率為負(fù)值.這一特性也稱為負(fù)阻效應(yīng).其意義是隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增大而電流密度減小.◆課程難點(diǎn):耿氏器件負(fù)阻效應(yīng)解釋可參閱《半導(dǎo)體物理學(xué)》§4.7中高場(chǎng)疇及耿氏振蕩.◆基本概念: 盡區(qū)或耗盡層:半導(dǎo)體內(nèi)某一區(qū)域內(nèi)的載流子濃度比其他區(qū)域小很多或缺失載流子,就稱該區(qū)域的載流子耗盡了,該區(qū)域稱為耗盡區(qū)或耗盡層.例如,n型樣品的某區(qū)域電子濃度比其他區(qū)域小很多很多或缺失電子,就稱該區(qū)域?yàn)殡娮雍谋M區(qū)或電子耗盡層.耗盡層這一概念在半導(dǎo)體物理及相關(guān)課程中出現(xiàn)頻率較高.電荷:是指半導(dǎo)體中任一點(diǎn)附近的電荷,可以是正電荷,也可以是負(fù)電荷;正電荷可以是空穴,也可以是電離的施主雜質(zhì),負(fù)電荷可以是電子,也可以是電離的受主雜質(zhì).空間電荷密度是半導(dǎo)體中任一點(diǎn)附近單位體積中的靜電荷數(shù),或任一點(diǎn)附近單位體積中各種正負(fù)電荷的代數(shù)和(第三章§3.5)空間電荷層或空間電荷區(qū):半導(dǎo)體中任一點(diǎn)附近存在空間電荷的區(qū)域稱為空間電荷層或空間電荷區(qū).◆基本要求:掌握產(chǎn)生耿氏效應(yīng)(負(fù)阻效應(yīng))的基本原理及定性描述砷化鎵能帶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn).第四章思考題與自測(cè)題

1.試從經(jīng)典物理和量子理論分別說(shuō)明散射的物理意義.2.比較并區(qū)別下述物理概念:電導(dǎo)遷移率,霍耳遷移率和漂移遷移率.3.什么是聲子 它對(duì)半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)起什么作用

4.強(qiáng)電場(chǎng)作用下,遷移率的數(shù)值與場(chǎng)強(qiáng)E有關(guān),這時(shí)歐姆定律是否仍然正確 為什么

5.半導(dǎo)體的電阻系數(shù)是正的還是負(fù)的 為什么

6.有一塊本征半導(dǎo)體樣品,試描述用以增加其電導(dǎo)率的兩個(gè)物理過(guò)程.7.如果有相同的電阻率的摻雜鍺和硅半導(dǎo)體,問(wèn)哪一個(gè)材料的少子濃度高 為什么

8.光學(xué)波散射和聲學(xué)波散射的物理機(jī)構(gòu)有何區(qū)別 各在什么樣晶體中起主要作用

9.說(shuō)明本征鍺和硅中載流子遷移率溫度增加如何變化

10.電導(dǎo)有效質(zhì)量和狀態(tài)密度有何區(qū)別 它們與電子的縱有效質(zhì)量和橫有效質(zhì)量的關(guān)系如何

11.對(duì)于僅含一種雜質(zhì)的鍺樣品,如果要確定載流子符號(hào),濃度,遷移率和有效質(zhì)量,應(yīng)進(jìn)行哪些測(cè)量

12.解釋多能谷散射如何影響材料的導(dǎo)電性.13.為什么要引入熱載流子概念 熱載流子和普通載流子有何區(qū)別

第五章 非平衡載流子

§5.1 非平衡載流子的注入 ◆本節(jié)內(nèi)容: 1 光注入非平衡載流子 2 電注入非平衡載流子 2.1 探針注入非平衡載流子 2.2 p-n結(jié)注入非平衡載流子 ◆課程重點(diǎn): 非平衡載流子及其產(chǎn)生:處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體,在一定溫度下,載流子濃度時(shí)一定的.這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度,稱為平衡載流子濃度,前面各章討論的都是平衡載流子.用和分別表示平衡電子濃度和空穴濃度,在非簡(jiǎn)并情況下,它們的乘積滿足:.本征載流子濃度只是溫度的函數(shù).在非簡(jiǎn)并情況下,無(wú)論摻雜多少,平衡載流子濃度和必定滿足,因而它也是非簡(jiǎn)并導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式.半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對(duì)的,有條件的.如果對(duì)半導(dǎo)體施加外界作用,破壞了熱平衡的條件,這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài),稱為非平衡狀態(tài).處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體,其載流子濃度也不再是和,可以比它們多出一部分.比平衡狀態(tài)多出來(lái)的這部分載流子稱為非平衡載流子,有時(shí)也稱過(guò)剩載流子.在一定溫度下,當(dāng)沒(méi)有光照時(shí),半導(dǎo)體中電子和空穴濃度分別為和.假設(shè)是n型半導(dǎo)體,.當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射該半導(dǎo)體時(shí),只要光子的能量大于該半導(dǎo)體的禁帶寬度,那么光子就能把價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去,產(chǎn)生電子-空穴對(duì),使導(dǎo)帶比平衡時(shí)多出一部分電子,價(jià)帶比平衡時(shí)多出一部分空穴.和就是非平衡載流子濃度.這時(shí)把非平衡電子稱為非平衡多數(shù)載流子,而把非平衡空穴稱為非平衡少數(shù)載流子.對(duì)p型材料則相反.用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子的方法,稱為非平衡載流子的光注入.光注入時(shí).產(chǎn)生非平衡載流子的方法除光注入外,還可以用其他方法產(chǎn)生非平衡載流子,例如電注入或高能粒子輻照等.◆課程難點(diǎn):小注入:在一般情況下,注入的非平衡載流子濃度比平衡時(shí)的多數(shù)載流子濃度小的多.對(duì)n型材料，,滿足這個(gè)條件的注入稱為小注入.即使在小注入的情況下,非平衡少數(shù)載流子濃度還是可以比平衡少數(shù)載流子濃度大的多,它的影響就顯得十分重要了,而相對(duì)來(lái)說(shuō)非平衡多數(shù)載流子的影響可以忽略.所以實(shí)際上往往是非平衡少數(shù)載流子起著重要作用,通常說(shuō)的非平衡載流子都是指非平衡少數(shù)載流子.◆基本概念: 非平衡狀態(tài):當(dāng)半導(dǎo)體受外界(光或電的)作用,熱平衡狀態(tài)被破壞,載流子濃度偏離熱平衡載流子濃度.這種情況稱為非平衡狀態(tài).要使光產(chǎn)生非平衡載流子,要求光子的能量大于或者等于半導(dǎo)體的禁帶寬度.光產(chǎn)生非平衡載流子的特點(diǎn)是產(chǎn)生電子-空穴對(duì),價(jià)帶電子受光激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶,在價(jià)帶留下空穴,因此產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價(jià)帶非平衡空穴濃度,即.光注入產(chǎn)生非平衡載流子,導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加,即引起附加電導(dǎo)率(有的參考書稱為光電導(dǎo)率):.◆基本要求:熟悉以下要點(diǎn):光注入條件:光子能量大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度.光注入產(chǎn)生非平衡載流子的特點(diǎn),;光注入使半導(dǎo)體產(chǎn)生附加電導(dǎo)率,同理:其它注入方式也產(chǎn)生附加電導(dǎo)率.光注入非平衡載流子的現(xiàn)象可通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)觀測(cè).§5.2 非平衡載流子的復(fù)合和壽命 ◆本節(jié)內(nèi)容: 凈復(fù)合率

非平衡載流子的衰減規(guī)律 非平衡載流子的壽命(少子壽命)◆課程重點(diǎn): 非平衡載流子復(fù)合:以光注入為例,光照時(shí),價(jià)帶電子被光激發(fā)到導(dǎo)帶,產(chǎn)生電子-空穴對(duì).光照停止后,注入的非平衡載流子并不能一直存在下去,也就是原來(lái)激發(fā)到導(dǎo)帶的電子又回到價(jià)帶,電子和空穴又成對(duì)的消失了,使半導(dǎo)體由非平衡態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài).非平衡載流子逐漸消失這一過(guò)程稱為非平衡載流子的復(fù)合.單位時(shí)間單位體積內(nèi)凈復(fù)合消失的電子-空穴對(duì)數(shù)稱為非平衡載流子的凈復(fù)合率.類似有:單位時(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合消失的電子-空穴對(duì)數(shù)稱為非平衡載流子的復(fù)合率;單位時(shí)間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)稱為非平衡載流子的產(chǎn)生率.載流子的產(chǎn)生和復(fù)合在任何情況下都是存在的.在熱平衡狀態(tài)下也存在著產(chǎn)生與復(fù)合兩個(gè)過(guò)程,只不過(guò)這個(gè)狀態(tài)下載流子產(chǎn)生的原因是溫度,相應(yīng)的,描述這種產(chǎn)生過(guò)程用熱產(chǎn)生率,即單位時(shí)間單位體積內(nèi)熱產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)稱為熱產(chǎn)生率,當(dāng)熱產(chǎn)生率等于復(fù)合率時(shí),半導(dǎo)體就達(dá)到熱平衡狀態(tài).如果復(fù)合率大于熱產(chǎn)生率就存在凈復(fù)合率.凈復(fù)合率的數(shù)值等于復(fù)合率與熱產(chǎn)生率之差(可參考顧祖毅《半導(dǎo)體物理學(xué)》第五章).可以證明凈復(fù)合率為,這里為t時(shí)刻的非平衡載流子濃度,為非平衡載流子壽命.非平衡載流子壽命(少數(shù)載流子壽命,少子壽命,壽命):可以通過(guò)實(shí)驗(yàn),觀察光照停止后,非平衡載流子濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律.實(shí)驗(yàn)表明,光照停止后隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律減少.這說(shuō)明非平衡載流子并不是立刻全部消失,而是有一個(gè)過(guò)程即它們?cè)趯?dǎo)帶和價(jià)帶中有一定的生存時(shí)間,有的長(zhǎng)些,有的短些.非平衡載流子的平均生存時(shí)間稱為非平衡載流子的壽命,用表示.由于相對(duì)于非平衡多數(shù)載流子,非平衡少數(shù)載流子的影響處于主導(dǎo)的,決定的地位,因而非平衡載流子的壽命常稱為少數(shù)載流子壽命.簡(jiǎn)稱少子壽命或壽命.◆課程難點(diǎn):證明凈復(fù)合率為 ◆基本概念: 復(fù)合率:單位時(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合消失的電子-空穴對(duì)數(shù).凈復(fù)合率:單位時(shí)間單位體積內(nèi)凈復(fù)合消失的電子-空穴對(duì)數(shù).產(chǎn)生率:單位時(shí)間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)

熱產(chǎn)生率:由溫度引起單位時(shí)間單位體積內(nèi)熱產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù) 非平衡載流子的壽命:非平衡載流子平均生存的時(shí)間.由于在半導(dǎo)體材料及各種半導(dǎo)體器件(包括半導(dǎo)體集成電路)中,相對(duì)于非平衡多數(shù)載流子,非平衡少數(shù)載流子起著十分重要的作用,因而非平衡載流子壽命常稱為少數(shù)載流子壽命,簡(jiǎn)稱為少子壽命或壽命.非平衡載流子在復(fù)合過(guò)程中按指數(shù)規(guī)律衰減,壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原值的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間.壽命越短,衰減越快.壽命是半導(dǎo)體材料的重要參數(shù),它與材料的種類以及材料所含雜質(zhì)和缺陷的數(shù)量等因素有關(guān).◆基本要求:掌握上述基本概念.§5.3 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) ◆本節(jié)內(nèi)容: 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的引入

準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)的關(guān)系 ◆課程重點(diǎn): 電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí):當(dāng)外界的影響破壞了熱平衡,使半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài),就不再存在統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí),因?yàn)榍懊嬷v的費(fèi)米能級(jí)和統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)都是指的熱平衡狀態(tài).事實(shí)上,電子系統(tǒng)的熱平衡狀態(tài)使通過(guò)熱躍遷實(shí)現(xiàn)的.在一個(gè)能帶范圍內(nèi),熱躍遷十分頻繁,極短時(shí)間內(nèi)就能導(dǎo)致一個(gè)能帶內(nèi)的熱平衡.然而,電子在兩個(gè)能帶之間,例如導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的熱躍遷就稀少得多,因?yàn)橹虚g還隔著禁帶.當(dāng)半導(dǎo)體得平衡態(tài)遭到破壞而存在非平衡載流子時(shí),由于上述原因,可以認(rèn)為,分別就價(jià)帶和導(dǎo)帶中得電子將,它們各自基本上處于平衡態(tài),而導(dǎo)帶和價(jià)帶之間處于不平衡狀態(tài).因而費(fèi)米能級(jí)和統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)對(duì)導(dǎo)帶和價(jià)帶各自仍然是適用的,可以分別引入導(dǎo)帶費(fèi)米能級(jí)和價(jià)帶費(fèi)米能級(jí),它們都是局部的費(fèi)米能級(jí),稱為“準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)”.導(dǎo)帶和價(jià)帶間的不平衡就表現(xiàn)在它們的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)是不重合的.導(dǎo)帶的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)也稱電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí),相應(yīng)地,價(jià)帶地準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)稱為空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí),分別用和表示.非平衡載狀態(tài)下地載流子濃度公式與平衡載流子濃度類似,只是用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)代替費(fèi)米能級(jí)在平衡載流子濃度公式中地位置.參見(jiàn)講義式(5-9).◆課程難點(diǎn):無(wú)

◆基本概念:準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)具有與費(fèi)米能級(jí)類似地功能,即標(biāo)準(zhǔn)著載流子填充能帶地水平.在非平衡狀態(tài)狀態(tài)下,若電子濃度比平衡狀態(tài)時(shí)大,則電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)高于平衡狀態(tài)時(shí)的費(fèi)米能級(jí),同理,如果空穴濃度比平衡狀態(tài)時(shí)大,則空穴費(fèi)米能級(jí)比平衡狀態(tài)時(shí)的費(fèi)米能級(jí)更接近價(jià)帶頂.準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離費(fèi)米能級(jí)的大小,亦即反映了必定偏離熱平衡狀態(tài)的程度.它們偏離越大,說(shuō)明不平衡情況越顯著;兩者靠得越近平衡態(tài);兩者重合時(shí),形成統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí),半導(dǎo)體處于平衡態(tài).因此引進(jìn)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí),可以更形象地了解非平衡態(tài)地情況.注意:小注入情況下,非平衡少數(shù)載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離費(fèi)米能級(jí)的距離越大,而非平衡多數(shù)載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離費(fèi)米能級(jí)的距離越小,在畫非平衡能帶圖時(shí)應(yīng)考慮它們的差異.◆基本要求:明確下列問(wèn)題:為什么要引入準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的意義是什么 對(duì)n型半導(dǎo)體或p型半導(dǎo)體,電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離費(fèi)米能級(jí)的程度有什么不同 并用能帶圖表示出來(lái).§5.4 復(fù)合理論 ◆本節(jié)內(nèi)容: 復(fù)合機(jī)構(gòu):直接復(fù)合,間接復(fù)合,表面復(fù)合 直接復(fù)合理論與壽命 間接復(fù)合理論與壽命 ◆課程重點(diǎn): 直接復(fù)合:半導(dǎo)體中的自由電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中會(huì)有一定幾率直接相遇而復(fù)合,使一對(duì)電子和空穴同時(shí)消失.從能帶角度講,就是導(dǎo)帶中的電子直接落入價(jià)帶和空穴復(fù)合.同時(shí),還存在著上述過(guò)程的逆過(guò)程,即由于熱激發(fā)等原因,價(jià)帶中的電子也有一定幾率躍遷到價(jià)帶中去,產(chǎn)生一對(duì)電子和空穴.這種由電子在導(dǎo)帶與價(jià)帶間直接躍遷哦引起非平衡載流子的復(fù)合過(guò)程就是直接復(fù)合.直接復(fù)合壽命:小注入條件下,少子壽命.對(duì)于n型半導(dǎo)體,即,少子壽命為.這說(shuō)明在小注入條件下,當(dāng)溫度和摻雜一定時(shí),壽命是一個(gè)常數(shù).壽命與平衡多數(shù)載流子濃度成反比,或者說(shuō),半導(dǎo)體電導(dǎo)率越高,壽命就越短.大注入情況下,直接復(fù)合壽命,可見(jiàn),壽命隨非平衡載流子濃度增大而減小,因而,在復(fù)合過(guò)程中,壽命不再是常數(shù).一般地說(shuō),禁帶寬帶越小,直接復(fù)合的幾率越大.所以,在銻化銦()和碲()等小禁帶寬度的半導(dǎo)體中,直接復(fù)合占優(yōu)勢(shì).實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),砷化鎵的禁帶寬度雖然比較大一些,但直接復(fù)合機(jī)構(gòu)對(duì)壽命有著重要的影響,這和它的具體能帶結(jié)構(gòu)有關(guān).砷化鎵是直接帶隙半導(dǎo)體.然而,把直接復(fù)合理論用于鍺,硅參考,得到的壽命值比實(shí)驗(yàn)結(jié)果大的多.這說(shuō)明對(duì)于硅,鍺壽命還不是由直接復(fù)合過(guò)程所決定,一定有另外的復(fù)合機(jī)構(gòu)起著主要作用,決定著材料的壽命,這就是間接復(fù)合.間接復(fù)合與壽命

深能級(jí)雜質(zhì)和缺陷在禁帶中形成深能級(jí),對(duì)非平衡載流子壽命有很大影響.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),這樣的雜質(zhì)和缺陷越多,壽命就越短.這說(shuō)明雜質(zhì)和缺陷有促進(jìn)復(fù)合的作用.這些促進(jìn)復(fù)合過(guò)程的雜質(zhì)和缺陷稱為復(fù)合中心.間接復(fù)合指的是非平衡載流子通過(guò)復(fù)合中心的復(fù)合.禁帶中有了復(fù)合中心能級(jí),就好像多了一個(gè)臺(tái)階,電子-空穴的復(fù)合可分為兩步走:第一步,導(dǎo)帶電子落入復(fù)合中心能級(jí);第二步,這個(gè)電子再落入價(jià)帶與空穴復(fù)合.復(fù)合中心恢復(fù)了原來(lái)空著的狀態(tài),又可以再去完成下一次的復(fù)合過(guò)程.顯然,一定還存在上述兩個(gè)過(guò)程的逆過(guò)程.所以,間接復(fù)合仍舊是一個(gè)統(tǒng)計(jì)性的過(guò)程.相對(duì)于復(fù)合中心而言,共有4個(gè)微觀過(guò)程: 甲:俘獲電子過(guò)程.復(fù)合中心能級(jí)從導(dǎo)帶俘獲電子,使導(dǎo)帶電子減少.乙:發(fā)射電子過(guò)程.復(fù)合中心能級(jí)上的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶(甲的逆過(guò)程),使導(dǎo)帶電子增加.丙:俘獲空穴過(guò)程.電子由復(fù)合中心能級(jí)落入價(jià)帶與空穴復(fù)合.也可看成復(fù)合中心能級(jí)從價(jià)帶俘獲了一個(gè)空穴,使價(jià)帶空穴減少.丁:發(fā)射空穴過(guò)程.價(jià)帶電子被激發(fā)到復(fù)合中心能級(jí)上.也可以看出復(fù)合中心能級(jí)從價(jià)帶俘獲了一個(gè)空穴,使價(jià)帶空穴減少.根據(jù)上述四個(gè)過(guò)程的描述,在穩(wěn)定條件下(穩(wěn)定條件是指復(fù)合中心能級(jí)上電子數(shù)不再發(fā)生變化,既不增加也不減少),甲-乙=丙-丁,顯然,等式左端表示單位時(shí)間單位體積內(nèi)導(dǎo)帶減少的電子數(shù),等式右端表示單位時(shí)間單位體積內(nèi)價(jià)帶減少的空穴數(shù).即導(dǎo)帶每損失一個(gè)電子,同時(shí)價(jià)帶也損失一個(gè)空穴,電子和空穴通過(guò)復(fù)合中心成對(duì)地復(fù)合.因而上式正是表示電子-空穴對(duì)的凈復(fù)合率,用U表示:

用此式可以分析各種情況的間接復(fù)合壽命.表面復(fù)合及有效壽命

在此之前研究非平衡載流子的壽命時(shí),只考慮了半導(dǎo)體內(nèi)部的復(fù)合過(guò)程.實(shí)際上,少數(shù)載流子壽命在很大程度上受半導(dǎo)體樣品的形狀和表面狀態(tài)的影響.例如,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),經(jīng)過(guò)吹砂處理或用金剛砂粗磨的樣品,其壽命很短.而細(xì)磨后再經(jīng)適當(dāng)化學(xué)腐蝕的樣品,壽命要長(zhǎng)的多.實(shí)驗(yàn)還表明,對(duì)于同樣的表面情況,樣品越小,壽命越短.可見(jiàn),半導(dǎo)體表面確實(shí)有促進(jìn)復(fù)合的作用.表面復(fù)合是指在半導(dǎo)體表面發(fā)生的復(fù)合過(guò)程.表面處的雜質(zhì)和表面特有的缺陷也在禁帶形成復(fù)合中心能級(jí),因而,就復(fù)合機(jī)構(gòu)講,表面復(fù)合仍然是間接復(fù)合.所以,間接復(fù)合理論完全可以用來(lái)處理表面復(fù)合問(wèn)題.考慮了表面復(fù)合,實(shí)際測(cè)得的壽命應(yīng)是體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合的綜合結(jié)果.設(shè)這兩種復(fù)合是單獨(dú)平行地發(fā)生的.用表示體內(nèi)復(fù)合壽命,則就是體內(nèi)復(fù)合幾率.若用表示表面復(fù)合壽命,則就表示表面復(fù)合幾率.那么總的復(fù)合幾率就是:

式中稱為有效壽命.◆課程難點(diǎn): 在直接復(fù)合理論中用熱平衡狀態(tài)下的復(fù)合率代替非平衡狀態(tài)下的產(chǎn)生率是一種很好的近似,原因如下:在一定溫度下,價(jià)帶中的每個(gè)電子都有一定的幾率被激發(fā)到導(dǎo)帶,從而形成一對(duì)電子和空穴.如果價(jià)帶中本來(lái)就缺少一些電子,即存在一些空穴,當(dāng)然產(chǎn)生率就會(huì)相應(yīng)地減少一些.同樣,如果導(dǎo)帶中本來(lái)就有一些電子,也會(huì)使產(chǎn)生率相應(yīng)地減少一些.因?yàn)楦鶕?jù)泡里原理,價(jià)帶中的電子不能激發(fā)到導(dǎo)帶中已被電子占據(jù)地狀態(tài)上去.但是,在非簡(jiǎn)并情況下,禁帶中的空穴數(shù)相對(duì)于價(jià)帶中的總狀態(tài)是極起微小的.這樣,可認(rèn)為價(jià)帶基本上是滿的,而導(dǎo)帶基本上是空的,激發(fā)幾率不受載流子濃度n和p的影響.因而產(chǎn)生率在所有非簡(jiǎn)并情況下,即熱平衡和非平衡情況下,基本上是相同的,可以寫為.間接復(fù)合理論中四個(gè)微觀過(guò)程的分析以及關(guān)于壽命的討論.◆基本概念: 電子俘獲率:單位體積單位時(shí)間被復(fù)合中心俘獲的電子數(shù) 電子產(chǎn)生率:單位體積單位時(shí)間復(fù)合中心向?qū)Оl(fā)射的電子數(shù) 空穴俘獲率:單位體積單位時(shí)間被復(fù)合中心俘獲的空穴數(shù) 空穴產(chǎn)生率:單位體積單位時(shí)間空的復(fù)合中心向價(jià)帶發(fā)射的空穴數(shù)

有效復(fù)合中心:深能級(jí)在禁帶中的位置不同,對(duì)促進(jìn)非平衡載流子,復(fù)合所起的作用也不同,分析表明,復(fù)合中心能級(jí)位于禁帶中央附近時(shí),對(duì)非平衡載流子的復(fù)合作用最大,因此,位于禁帶中央附近的深能級(jí)稱為有效復(fù)合中心.對(duì)于有效復(fù)合中心,其電子俘獲系數(shù)與空穴俘獲系數(shù)相差不大.表面復(fù)合率和表面復(fù)合速度:通常用表面復(fù)合速度來(lái)描寫復(fù)合的快慢.把單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位表面積復(fù)合掉的電子-空穴對(duì)數(shù),稱為表面復(fù)合率.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),表面復(fù)合率與表面處非平衡載流子濃度成正比,即

比例系數(shù)s表示表面復(fù)合的強(qiáng)弱,顯然,它具有速度的量綱,因而稱為表面復(fù)合速度.可以給它一個(gè)直觀而形象的意義:由于表面復(fù)合而失去的非平衡載流子數(shù)目,就如同表面處的非平衡載流子都以s大小的垂直速度流出了表面.◆基本要求:掌握直接復(fù)合,間接復(fù)合,表面復(fù)合機(jī)理以及各種因素對(duì)非平衡載流子壽命的影響.掌握(如上所述的)基本概念,了解金在硅中起的作用.§5.5 陷阱效應(yīng) ◆本節(jié)內(nèi)容: 陷阱效應(yīng)

陷阱的復(fù)合中心理論 陷阱效應(yīng)觀測(cè) ◆課程重點(diǎn): 陷阱,陷阱中心,陷阱效應(yīng): 陷阱效應(yīng)也是在有非平衡載流子的情況下發(fā)生的一種效應(yīng).當(dāng)半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時(shí),無(wú)論是施主,受主,復(fù)合中心或是任何其它的雜質(zhì)能級(jí)上,都具有一定數(shù)目的電子,它們由平衡時(shí)的費(fèi)米能級(jí)及分布函數(shù)所決定.實(shí)際上能級(jí)中的電子是通過(guò)載流子的俘獲和產(chǎn)生過(guò)程與載流子之間保持著平衡的.當(dāng)半導(dǎo)體處于非平衡態(tài),出現(xiàn)非平衡載流子時(shí),這種平衡遭到破壞,必然引起雜質(zhì)能級(jí)上電子數(shù)目的改變.如果電子增加,說(shuō)明能級(jí)具有收容部分非平衡電子的作用;若是電子減少,則可以看成能級(jí)收容空穴的作用.從一般意義上講,雜質(zhì)能級(jí)的這種積累非平衡載流子的作用就稱為陷阱效應(yīng).從這個(gè)角度看,所有雜質(zhì)能級(jí)都有一定的陷阱效應(yīng).而實(shí)際上需要考慮的只是那些有顯著積累非平衡載流子作用的雜質(zhì)能級(jí),例如,它所積累的非平衡載流子的數(shù)目可以與導(dǎo)帶和價(jià)帶中非平衡載流子數(shù)目相比擬.把有顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)稱為陷阱,而把相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心.利用間接復(fù)合理論對(duì)陷阱性質(zhì)的討論.◆課程難點(diǎn):利用間接復(fù)合理論對(duì)陷阱性質(zhì)的討論:陷阱中心與復(fù)合中心的性質(zhì)有很大不同,例如,對(duì)于有效復(fù)合中心,電子俘獲系數(shù)與空穴俘獲系數(shù)的數(shù)值相差不大,而有效陷阱中心兩者相差很大.若,陷阱俘獲電子后,很難俘獲空穴,因?yàn)楸环@的電子往往在復(fù)合前(即落入價(jià)帶前)又被激發(fā)重新釋放回導(dǎo)帶.即落入陷阱中心的電子很難與空穴復(fù)合.這樣的陷阱就是電子陷阱.電子陷阱中的電子要和空穴復(fù)合,它必須重新激發(fā)到導(dǎo)帶,再通過(guò)有效復(fù)合中心完成和空穴的復(fù)合.若,陷阱就是空穴陷阱.◆基本概念:通過(guò)對(duì)陷阱的討論,可以得到如下幾點(diǎn): 電子陷阱,;空穴陷阱, 陷阱中心非平衡載流子遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)導(dǎo)帶和價(jià)帶中的非平衡載流子時(shí)才有顯著的陷阱效應(yīng).而且陷阱效應(yīng)主要是對(duì)非平衡少數(shù)載流子,而對(duì)非平衡多數(shù)載流子的陷阱作用不顯著.對(duì)電子陷阱而言,陷阱能級(jí)在費(fèi)米能級(jí)之上,且越接近費(fèi)米能級(jí),陷阱效應(yīng)越顯著.◆基本要求:明晰陷阱作用;陷阱中心和復(fù)合中心的區(qū)別;能解釋存在陷阱效應(yīng)時(shí)附加光電導(dǎo)的衰減規(guī)律.§5.6 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) ◆本節(jié)內(nèi)容: 擴(kuò)散流密度與擴(kuò)散系數(shù) 非平衡載流子擴(kuò)散方程的建立 穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程及其解 ◆課程重點(diǎn): 擴(kuò)散的概念: ① 擴(kuò)散現(xiàn)象反映微觀粒子在特定條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.分子,原子,電子等微觀粒子均可在氣體,液體,固體中產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng).② 產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的原因(或動(dòng)力)是各種因素造成的微觀粒子的濃度梯度,微觀粒子總是由濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散.③ 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)密切相關(guān),使無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)有序化,產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng).④ 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的快慢與微觀粒子本身的性質(zhì)及其所處的環(huán)境有關(guān),例如:電子和空穴在硅和鍺中的擴(kuò)散系數(shù)各不相同.非平衡載流子的擴(kuò)散與擴(kuò)散密度: 對(duì)于一塊均勻均勻摻雜的半導(dǎo)體,例如n型半導(dǎo)體,電離施主帶正電,電子帶負(fù)電,由于電中性的要求,各處電荷密度為零,所以載流子分布也是均勻的,即沒(méi)有濃度差異,因而均勻材料中不會(huì)發(fā)生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng).如果用適當(dāng)波長(zhǎng)的光均勻照射這塊材料的一面,并且假定在半導(dǎo)體的表面層內(nèi),光大部分被吸收.那么在表面薄層內(nèi)將產(chǎn)生非平衡載流子,而內(nèi)部非平衡載流子卻很少,即半導(dǎo)體表面非平衡載流子濃度比內(nèi)部高,這必然會(huì)引起非平衡載流子自表面向內(nèi)部擴(kuò)散.下面具體分析注入的非平衡少數(shù)載流子——空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng).考慮一維情況,即假定非平衡載流子的濃度只隨x變化,寫成,那么在x方向, 濃度梯度= 通常把單位時(shí)間通過(guò)單位面積(垂至于x軸)的粒子數(shù)稱為擴(kuò)散流密度.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),擴(kuò)散流密度與非平衡載流子濃度梯度成正比.若用表示空穴擴(kuò)散流密度,則有

比例系數(shù)稱為空穴擴(kuò)散系數(shù),單位是,它反映了非平衡少數(shù)載流子擴(kuò)散本領(lǐng)的大小.式中負(fù)號(hào)表示空穴自濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散.上式描寫了非平衡少數(shù)載流子空穴的擴(kuò)散規(guī)律,稱為擴(kuò)散規(guī)律.一維穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散:一種情況是樣品足夠厚,非平衡少數(shù)載流子從光照表面開(kāi)始,向樣品內(nèi)部擴(kuò)散過(guò)程中也伴隨著復(fù)合,使非平衡少數(shù)載流子濃度按指數(shù)規(guī)律衰減.第二種情況是樣品很薄,非平衡少數(shù)載流子來(lái)不及復(fù)合就擴(kuò)散到另一表面,并在此表面突然降為零.在這種情況下,非平衡少數(shù)載流子在擴(kuò)散方向上是線性分布.◆課程難點(diǎn): 非平衡少數(shù)載流子一維非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程的建立,其基本思路:取一個(gè)很小的體積元,計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)該體積元內(nèi)非平衡少數(shù)載流子的變化量可以導(dǎo)出所要求的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程.在考慮非平衡少數(shù)載流子的變化量時(shí),有四個(gè)因素: 因擴(kuò)散,在單位時(shí)間內(nèi)流入體積元的非平衡少數(shù)載流子,對(duì)于n型樣品就是空穴,下同).因光照,在單位時(shí)間內(nèi)體積元中產(chǎn)生的非平衡少數(shù)載流子 因擴(kuò)散,在單位時(shí)間內(nèi)流出體積元的非平衡少數(shù)載流子

因復(fù)合,在單位時(shí)間內(nèi)體積元中消失掉的非平衡少數(shù)載流子.顯然,上述四條中,前兩條會(huì)使體積元中非平衡少數(shù)載流子的數(shù)量增加,而后兩條會(huì)使體積元中非平衡少數(shù)載流子的數(shù)量減少.所以前兩條之和減去后兩條之和再除以體積元的體積,就得到單位時(shí)間.單位體積中非平衡載流子的改變量,由此可導(dǎo)出一維非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程,以n型樣品中的空穴為例,所求方程可表示為:

式中G為產(chǎn)生率,為體積元在擴(kuò)散方向的線度.方程中右端四項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)上述引起空穴改變量時(shí)四個(gè)因素.如果很小,以致可以取極限,經(jīng)過(guò)數(shù)字處理,上式可寫作:

該方程的意義,方程右端: 表示由于擴(kuò)散,單位時(shí)間單位體積中積累的空穴數(shù), 表示由于復(fù)合,單位時(shí)間單位體積中消失的空穴數(shù), 表示由于光照,單位時(shí)間單位體積中產(chǎn)生的空穴數(shù), 方程左端則表示了單位時(shí)間單位體積中凈增加的空穴數(shù).◆基本概念

擴(kuò)散,擴(kuò)散流密度,擴(kuò)散定律,擴(kuò)散長(zhǎng)度,擴(kuò)散速度,擴(kuò)散電流密度,探針注入比平面注入擴(kuò)散效率高.◆基本要求: 明晰基本概念;擴(kuò)散方程是研究半導(dǎo)體非平衡載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要方程,因此要掌握擴(kuò)散方程及其應(yīng)用;掌握擴(kuò)散電流密度的計(jì)算方法.§5.7 載流子的漂移運(yùn)動(dòng),愛(ài)因斯坦關(guān)系 ◆本節(jié)內(nèi)容: 載流子的擴(kuò)散與漂移 愛(ài)因斯坦關(guān)系

◆課程重點(diǎn):愛(ài)因斯坦關(guān)系:通過(guò)對(duì)非平衡載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的討論,明顯地看到,遷移率是反映載流子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)難易程度的物理量,而擴(kuò)散系數(shù)反映存在濃度梯度時(shí)載流子運(yùn)動(dòng)的難易程度.愛(ài)因斯坦從理論上找到了擴(kuò)散系數(shù)和遷移率之間的定量關(guān)系,即.◆課程難點(diǎn):無(wú)

◆基本概念:愛(ài)因斯坦關(guān)系表面了非簡(jiǎn)并條件下載流子遷移率和擴(kuò)散消失之間的關(guān)系.雖然愛(ài)因斯坦關(guān)系式是針對(duì)平衡載流子推導(dǎo)出來(lái)的,但實(shí)驗(yàn)證明,這個(gè)關(guān)系可直接用于非平衡載流子.這說(shuō)明剛激發(fā)的載流子雖然具有平衡載流子不同的速度和能量,但由于晶格的作用,在比壽命短的多的時(shí)間內(nèi)就取得了與溫度相適應(yīng)的速度分布,因此在復(fù)合前絕大部分時(shí)間中已和平衡載流子沒(méi)有什么區(qū)別.◆基本要求:能導(dǎo)出愛(ài)因斯坦關(guān)系式并熟練應(yīng)用.§5.8 連續(xù)性方程及其應(yīng)用 ◆本節(jié)內(nèi)容: 連續(xù)性方程 連續(xù)性方程的應(yīng)用 ◆課程重點(diǎn): 連續(xù)性方程是非平衡少數(shù)載流子同時(shí)存在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵守的運(yùn)動(dòng)方程.一般情況下,非平衡載流子濃度不僅是位置x的函數(shù),而且也隨時(shí)間變化,以空穴為例,連續(xù)性方程的一般表達(dá)式為: 式中各項(xiàng)的意義,右端: 第一項(xiàng)為由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),單位時(shí)間單位體積中積累的空穴數(shù) 第二,三項(xiàng)為由于漂移運(yùn)動(dòng),單位時(shí)間單位體積中積累的空穴數(shù) 第四項(xiàng)為由于存在復(fù)合過(guò)程單位時(shí)間單位體積中復(fù)合消失的空穴數(shù) 第五項(xiàng)為由于某種因素單位時(shí)間單位體積中產(chǎn)生的空穴數(shù)(產(chǎn)生率)左端則為單位時(shí)間單位體積中空穴的改變量或者說(shuō)單位體積中空穴隨時(shí)間的變化率.連續(xù)性方程的應(yīng)用:前面給出的連續(xù)性方式為一般表達(dá)式,在不同的條件下,具有不同的晶體形式,例如半導(dǎo)體中電場(chǎng)是均勻的,則含有電場(chǎng)偏導(dǎo)數(shù)的項(xiàng)應(yīng)為零.因此,要根據(jù)具體情況,正確應(yīng)用連續(xù)性方程.◆課程難點(diǎn):少數(shù)載流子脈沖在電場(chǎng)下的漂移運(yùn)動(dòng),通過(guò)解連續(xù)性方程并用來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn),可以測(cè)量載流子的遷移率.◆基本概念:牽引長(zhǎng)度:載流子在電場(chǎng)作用下,在壽命時(shí)間內(nèi)漂移的距離.要注意牽引長(zhǎng)度與擴(kuò)散長(zhǎng)度的不同之處.◆基本要求:掌握基本概念,能較熟練地應(yīng)用連續(xù)性方程解決具體問(wèn)題.第五章思考題與自測(cè)題

1.區(qū)別半導(dǎo)體平衡狀態(tài)和非平衡狀態(tài)有何不同 什么叫非平衡載流子 什么叫非平衡載流子的穩(wěn)定分布

2.摻雜,改變溫度和光照激發(fā)均能改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率,它們之間有何區(qū)別 試從物理模型上予以說(shuō)明.3.在平衡情況下,載流子有沒(méi)有復(fù)合這種運(yùn)動(dòng)形式 為什么著重討論非平衡載流子的復(fù)合運(yùn)動(dòng)

4.為什么不能用費(fèi)米能級(jí)作為非平衡載流子濃度的標(biāo)準(zhǔn)而要引入準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 費(fèi)米能級(jí)和準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)有何區(qū)別

5.在穩(wěn)定不變的光照下,半導(dǎo)體中電子和空穴濃度也是保持恒定不變的,但為什么說(shuō)半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)

6.說(shuō)明直接復(fù)合,間接復(fù)合的物理意義.7.區(qū)別:復(fù)合效應(yīng)和陷阱效應(yīng),復(fù)合中心和陷阱中心,俘獲和復(fù)合,俘獲截面和俘獲幾率.第六章 p–n結(jié)

§6.1 p–n結(jié)及其能帶圖 ◆本節(jié)內(nèi)容: 空間電荷區(qū)平衡p–n結(jié)地能帶圖 接觸電勢(shì)差 p–n結(jié)內(nèi)載流子分布

◆課程重點(diǎn):平衡p–n結(jié)的能帶圖:p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成p–n結(jié),p區(qū)能帶相對(duì)n區(qū)能帶上移,而n區(qū)能帶相對(duì)p區(qū)下移,直至費(fèi)米能級(jí)處處相等時(shí),能帶才停止相對(duì)位移.能帶相對(duì)位移的原因是p–n結(jié)空間電荷區(qū)中存在內(nèi)建電場(chǎng).內(nèi)建電場(chǎng)地方向由n區(qū)指向p區(qū),即n區(qū)電勢(shì)高,p區(qū)電勢(shì)低.因此p區(qū)電子的電勢(shì)能比n區(qū)高,所以p區(qū)能帶高于n區(qū)能帶.◆課程難點(diǎn):平衡p–n結(jié)中載流子的分布:在p–n結(jié)形成過(guò)程中,n區(qū)的電子向p區(qū)擴(kuò)散,p區(qū)的空穴向n區(qū)擴(kuò)散,并伴隨著產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng),當(dāng)p–n結(jié)達(dá)到平衡時(shí),即費(fèi)米能級(jí)處處相等時(shí),在勢(shì)壘區(qū),電子和空穴形成一定的分布,它們都比n區(qū)和p區(qū)的多數(shù)載流子濃度小的多,好像已經(jīng)耗盡了,所以通常也稱勢(shì)壘區(qū)為耗盡層,即認(rèn)為其中的載流子濃度很小,可以忽略,空間電荷密度就等于電離雜質(zhì)濃度.◆基本概念: 空間電荷區(qū)和平衡p–n結(jié): 當(dāng)n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體結(jié)合形成p–n結(jié)時(shí),由于它們之間雜著載流子濃度梯度導(dǎo)致了空穴從p區(qū)到n區(qū),電子從n區(qū)到p區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng).對(duì)于p區(qū),空穴離開(kāi)后,留下了不可動(dòng)的帶負(fù)電荷的電離受主,這些電離受主,沒(méi)有正電荷與之保持電中性.因此,在p–n結(jié)附近p區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)電荷區(qū).同理,在p–n結(jié) 附近n區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了由電離施主構(gòu)成的一個(gè)正電荷區(qū),通常就把雜p–n結(jié)附近的這些電離施主和電離受主所帶電荷稱為空間電荷.它們所存在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū).空間電荷區(qū)中的這些電荷產(chǎn)生了從n區(qū)指向p區(qū),即從正電荷指向負(fù)電荷的電場(chǎng),稱為內(nèi)建電場(chǎng).在內(nèi)建電場(chǎng)作用下,載流子作漂移運(yùn)動(dòng).顯然,電子和空穴的漂移運(yùn)動(dòng)方向與它們各自的快擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反.因此,內(nèi)建電場(chǎng)起著阻礙電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散的作用.隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行,空間電荷逐漸增多,空間電荷區(qū)也逐漸擴(kuò)展;同時(shí)內(nèi)建電場(chǎng)逐漸增強(qiáng),載流子的漂移運(yùn)動(dòng)也逐漸加強(qiáng).在無(wú)外加電壓的情況下,載流子的擴(kuò)散和漂移最終就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,即從n區(qū)向p區(qū)擴(kuò)散過(guò)去多少電子,同時(shí)就將有同樣的多電子在內(nèi)建電場(chǎng)作用下返回n區(qū).因而,電子的擴(kuò)散電流和漂移電流的大小相等,方向相反或互相抵消.對(duì)于空穴,情況完全類似.因此,沒(méi)有電流流過(guò)p–n結(jié).或者說(shuō)流過(guò)p–n結(jié)的凈電流為零.這時(shí)空間電荷的數(shù)量一定,空間電荷區(qū)不再繼續(xù)擴(kuò)展,保持一定的寬度,其中存在一定的內(nèi)建電場(chǎng).一般稱這種情況為熱平衡狀態(tài)下的p–n結(jié),簡(jiǎn)稱為平衡p–n結(jié).勢(shì)壘區(qū):在p–n結(jié)的空間電荷區(qū)中能帶發(fā)生彎曲,這是空間電荷區(qū)中電勢(shì)能變化的結(jié)果.因能帶彎曲,電子從勢(shì)能低的n區(qū)向勢(shì)能高的p區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí),必須克服這一勢(shì)能“高坡”,才能到達(dá)p區(qū);同理,空穴也必須克服這一勢(shì)能“高坡”,才能從p區(qū)到達(dá)n區(qū),這一勢(shì)能“高坡”通常稱為p–n結(jié)的勢(shì)壘,故空間電荷區(qū)也叫勢(shì)壘區(qū).◆基本要求:理解p–n結(jié)的形成原因,能夠證明平衡p–n結(jié)中費(fèi)米能級(jí)處處相等,能畫出平衡p–n結(jié)載流子的分布圖.§6.2 p–n結(jié)電流電壓特性 ◆本節(jié)內(nèi)容: 非平衡p–n結(jié)能帶圖 理解p–n結(jié)伏安特性

影響p–n結(jié)伏安特性偏離理想方程的因素 ◆課程重點(diǎn): 1,非平衡p–n結(jié)的能帶圖:非平衡p–n結(jié)的能帶圖與平衡p–n結(jié)有兩點(diǎn)不同,一是勢(shì)壘高度由變?yōu)?二是非平衡p–n結(jié)不再具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí),即產(chǎn)生了電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí).2,理想p–n結(jié)的伏安特性 理想p–n結(jié)條件: 小注入條件 即注入少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小得多;突變耗盡層條件 即外加電壓和接觸電勢(shì)差都落在耗盡層上,耗盡層中的電荷是由電離施主和電離受主的電荷組成,耗盡層外的半導(dǎo)體是電中性的.因此,注入的少數(shù)載流子在p區(qū)和n區(qū)是純擴(kuò)散運(yùn)動(dòng);通過(guò)耗盡層的電子和空穴電流為常量,不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用;玻耳茲曼邊界條件 即在耗盡層兩端,載流子分布滿足玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布.求解理想p–n結(jié)伏安特性方程的基本思路: 根據(jù)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)計(jì)算勢(shì)壘區(qū)邊界及處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度;以邊界及處注入的非平衡少數(shù)載流子的分布;將非平衡少數(shù)載流子的濃度分布代入擴(kuò)散方程,算出擴(kuò)散密度后,再算出少數(shù)載流子的電流密度;將兩種載流子的擴(kuò)散電流密度相加,得到理想p–n結(jié)模型的電流電壓方程式,即伏安特性方程為: 式中

理想p–n結(jié)電流電壓方程式又稱為肖克萊方程.◆課程難點(diǎn):對(duì)影響p–n結(jié)電流電壓特性偏離肖克萊方程的各種因素的分析:①勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生的電流 p–n結(jié)處于熱平衡狀態(tài)時(shí),勢(shì)壘區(qū)內(nèi)通過(guò)復(fù)合中心的載流子產(chǎn)生率等于復(fù)合率.當(dāng)p–n結(jié)加反向偏壓時(shí),勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)加強(qiáng),所以再勢(shì)壘區(qū),由于熱激發(fā)的作用,通過(guò)復(fù)合中心產(chǎn)生的電子空穴對(duì)來(lái)不及復(fù)合就被強(qiáng)電場(chǎng)驅(qū)走了,也就是說(shuō)勢(shì)壘區(qū)內(nèi)通過(guò)復(fù)合中心的載流子產(chǎn)生率大于復(fù)合率,具有凈產(chǎn)生率,從而形成另一部分反向電流,稱為勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生電流.②勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合電流 再正向偏壓下,從n區(qū)注入p區(qū)的電子和從p區(qū)注入n區(qū)的空穴,再勢(shì)壘區(qū)內(nèi)復(fù)合了一部分,構(gòu)成了另一股正向電流,稱為勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流.③大注入情況下,外加電壓的一部分降在空穴擴(kuò)散區(qū),它形成的電場(chǎng)產(chǎn)生空穴漂移電流.所以,在空穴擴(kuò)散區(qū)同時(shí)存在擴(kuò)散電流和漂移電流.◆基本概念: 在正向電壓下p–n結(jié)勢(shì)壘的變化:p–n結(jié)加正向偏壓V(即p區(qū)結(jié)電源正極,n區(qū)結(jié)負(fù)極)時(shí),因勢(shì)壘區(qū)內(nèi)載流子濃度很小,電阻很大,勢(shì)壘區(qū)外的p區(qū)和n區(qū)中產(chǎn)生了與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng),因而減弱了勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)強(qiáng)度,這就表明空間電荷相應(yīng)的減少.故勢(shì)壘區(qū)的寬度也減小,同時(shí)勢(shì)壘高度從下降為.勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)減弱,破壞了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)之間原有的平衡,削弱了漂移運(yùn)動(dòng),使擴(kuò)散流大于漂移流.所以在加正向偏壓時(shí),產(chǎn)生了的從n區(qū)向p區(qū)以及空穴從p區(qū)向n區(qū)的凈擴(kuò)散流.在反向電壓下p–n結(jié)勢(shì)壘的變化:當(dāng)p–n結(jié)加反向偏壓V時(shí),反向偏壓在勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向一致,勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)增強(qiáng),勢(shì)壘區(qū)也變寬,勢(shì)壘高度由增高為.勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)增強(qiáng),破壞了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的漂移運(yùn)動(dòng)之間的原有平衡,增強(qiáng)了漂移運(yùn)動(dòng),使漂移流大于擴(kuò)散流.在反向電壓下,p–n結(jié)的電流較小并且趨于不變.◆基本要求:掌握非平衡p–n結(jié)能帶圖及其與平衡p–n結(jié)能帶圖的主要不同之處.掌握肖克萊方程.了解影響p–n結(jié)電流電壓特性方程偏離肖克萊方程的方程的原因.§6.3 p–n結(jié)電容 ◆本節(jié)內(nèi)容: p–n結(jié)電容的來(lái)源 1 壘電容 1,2 擴(kuò)散電容 突變結(jié)勢(shì)壘電容

2,1突變結(jié)勢(shì)壘電場(chǎng)及其分布 2,2平衡突變結(jié)的勢(shì)壘寬度 2,3平衡突變結(jié)的勢(shì)壘電容

線性緩變結(jié)的接觸電勢(shì)差,勢(shì)壘寬度,勢(shì)壘電容 勢(shì)壘電容公式應(yīng)用 4,1用突變結(jié)勢(shì)壘電容測(cè), 4,2利用線性結(jié)勢(shì)壘電容測(cè)雜質(zhì)濃度梯度和 擴(kuò)散電容 ◆課程重點(diǎn): 勢(shì)壘電容:當(dāng)p–n結(jié)加正向偏壓時(shí),勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)隨正向偏壓的增加而減弱,勢(shì)壘區(qū)的寬度變窄,空間電荷數(shù)量減少.因?yàn)榭臻g電荷是由不能移動(dòng)的雜質(zhì)離子組成的,所以空間電荷的減少是由于n區(qū)的電子和p區(qū)的空穴過(guò)來(lái)中和了勢(shì)壘區(qū)中一部分電離施主和電離受主.這就是說(shuō),在外加正向偏壓增加時(shí),將有一部分電子和空穴“存入”勢(shì)壘區(qū).反之當(dāng)正向偏壓減小時(shí),勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)增強(qiáng),勢(shì)壘區(qū)寬度增加,空間電荷數(shù)量增多,這就是有一部分電子和空穴從勢(shì)壘區(qū)中“取出”.對(duì)于加反向偏壓的情況,可作類似分析.總之,p–n結(jié)上外加電壓的變化,引起了電子和空穴在勢(shì)壘區(qū)的“存入”和“取出”作用,導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化,這和一個(gè)電容器的充放電作用相似.這種p–n結(jié)的電容效應(yīng)稱為勢(shì)壘電容,以表示.對(duì)于突變結(jié)為:

對(duì)于線性緩變結(jié):

◆課程難點(diǎn): 擴(kuò)散電容:正向偏壓時(shí),有空穴從p區(qū)注入n區(qū),于是在勢(shì)壘區(qū)與n區(qū)邊界n區(qū)一側(cè)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi),便形成了非平衡空穴和電子的積累,同樣在p區(qū)也有非平衡電子和空穴的積累.當(dāng)正向偏壓增加時(shí),由p區(qū)注入到n區(qū)的空穴增加,注入的空穴一部分?jǐn)U散走了,一部分則增加了n區(qū)的空穴積累,增加了濃度梯度.所以外加電壓變化時(shí),n區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡空穴也增加與它保持電中性的電子相應(yīng)增加.同樣,p區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡電子與它保持電中性的空穴也相應(yīng)增加.這種由于擴(kuò)散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng),稱為p–n結(jié)的擴(kuò)散電容.用符號(hào)表示:

擴(kuò)散電容隨頻率增加而減小,所以上式只適用于低頻情況.利用勢(shì)壘電容可以測(cè)量， ◆基本概念: 因?yàn)榘雽?dǎo)體是電中性的,所以,勢(shì)壘區(qū)內(nèi)電離的受主總數(shù)與電離的施主總數(shù)相等,即勢(shì)壘區(qū)內(nèi)單位面積上的正負(fù)電荷數(shù)相等.單邊突變結(jié)的勢(shì)壘寬度主要在輕摻雜的一邊,外加電壓變化時(shí),勢(shì)壘區(qū)寬度的變化也主要發(fā)生在重?fù)诫s一邊.突變結(jié)和線性結(jié)勢(shì)壘電容均可等效為平板電容器

◆基本要求:明晰p–n結(jié)電容的來(lái)源(即產(chǎn)生p–n結(jié)電容的原因),掌握基本概念,能夠計(jì)算勢(shì)壘高度,勢(shì)壘寬度,能導(dǎo)出突變結(jié)電場(chǎng)分布,以及用突變結(jié)勢(shì)壘電容公式,指導(dǎo)測(cè)量輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度和p–n結(jié)接觸電勢(shì)差.§6.4 p–n結(jié)擊穿 ◆本節(jié)內(nèi)容: 1,p–n結(jié)擊穿現(xiàn)象 研究p–n結(jié)擊穿的意義 擊穿機(jī)理 3,1 雪崩擊穿 3,2 隧道擊穿 3,3 熱電擊穿 ◆課程重點(diǎn): 雪崩擊穿:在反向偏壓下,流過(guò)p–n結(jié)的反向電流,主要是由p區(qū)擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)中的電子電流和由n區(qū)擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)中的空穴電流所組成.當(dāng)反向偏壓很大時(shí),勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)很強(qiáng),在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的電子和空穴由于受到強(qiáng)電場(chǎng)的漂移作用,具有很大的動(dòng)能,它們與勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的晶格原子發(fā)生碰撞時(shí),能把價(jià)鍵上的電子碰撞出來(lái),成為導(dǎo)電電子,同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴.從能帶觀點(diǎn)來(lái)看,就是高能量的電子和空穴把滿帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶,產(chǎn)生了電子–空穴對(duì).p–n結(jié)結(jié)勢(shì)壘區(qū)中電子1碰撞出來(lái)一個(gè)電子2和一個(gè)空穴2,于是一個(gè)載流子變成了三個(gè)載流子.這三個(gè)載流子(電子和空穴)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,向相反的方向運(yùn)動(dòng),還會(huì)繼續(xù)發(fā)生碰撞,產(chǎn)生第三代的電子–空穴對(duì).空穴1也如此產(chǎn)生第二代,第三代的載流子,如此繼續(xù)下去,載流子就大量增加,這種繁殖載流子的方式稱為載流子的倍增效應(yīng).由于倍增效應(yīng),使勢(shì)壘區(qū)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量載流子,迅速增大了反向電流,從而發(fā)生p–n結(jié)擊穿.這就是雪崩擊穿的機(jī)理.雪崩擊穿除了與勢(shì)壘區(qū)中電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)外,還與勢(shì)壘區(qū)的寬度有關(guān),因?yàn)檩d流子動(dòng)能的增加,需要有一個(gè)加速過(guò)程,如果勢(shì)壘區(qū)很薄,即使電場(chǎng)很強(qiáng),載流子在勢(shì)壘區(qū)中加速達(dá)不到產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)所必須的動(dòng)能,就不能hsh雪崩擊穿.熱電擊穿:當(dāng)p–n結(jié)上施加反向電壓時(shí),流過(guò)p–n結(jié)的反向電流要引起熱損耗.反向電壓逐漸增大時(shí),對(duì)應(yīng)于一定的反向電流所損耗的功率也增大,這將產(chǎn)生大量的熱能.如果沒(méi)有良好的散熱條件使這些熱能及時(shí)傳遞出去,則將引起結(jié)溫上升.反向飽和電流密度隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升,其上升

第四篇：半導(dǎo)體物理課程教學(xué)大綱

《半導(dǎo)體物理》課程教學(xué)大綱

課程編號(hào)：C030001 適用專業(yè)：微電子技術(shù)，微電子學(xué)

學(xué)時(shí)數(shù)：72（實(shí)驗(yàn)12）學(xué)分?jǐn)?shù)：4．5

先修課程：《熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》、《量子力學(xué)》和《固體物理學(xué)》

考核方式：閉卷

執(zhí)筆者：劉諾

編寫日期：2004.5

一、課程性質(zhì)和任務(wù)

《半導(dǎo)體物理學(xué)》是面向電子科學(xué)與技術(shù)方向本科生所開(kāi)設(shè)的微電子技術(shù)專業(yè)和微電子學(xué)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課和學(xué)位課，是培養(yǎng)方案中的核心課程之一。開(kāi)設(shè)的目的是使學(xué)生熟悉半導(dǎo)體物理的基礎(chǔ)理論和半導(dǎo)體的主要性質(zhì)，以適應(yīng)后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和將來(lái)工作的需要。

二、教學(xué)內(nèi)容和要求

理論教學(xué)（60學(xué)時(shí)）

半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)（8學(xué)時(shí)）：

理解能帶論。掌握半導(dǎo)體中的電子運(yùn)動(dòng)、有效質(zhì)量，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)、空穴，鍺、硅、砷化鎵和鍺硅的能帶結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級(jí)（5學(xué)時(shí)）：

掌握鍺、硅晶體中的雜質(zhì)能級(jí)，Ⅲ-Ⅴ 族化合物半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級(jí)。理解缺陷、位錯(cuò)能級(jí)。

熱平衡時(shí)半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布（10學(xué)時(shí)）：

掌握狀態(tài)密度，費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)計(jì)分布，本征半導(dǎo)體的載流子濃度，雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度。理解一般情況下的載流子的統(tǒng)計(jì)分布。了解簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性（8學(xué)時(shí)）：

掌握載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，載流子的散射，遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系，玻爾茲曼方程。了解電導(dǎo)的統(tǒng)計(jì)理論。理解強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)，熱載流子。

非平衡載流子（8學(xué)時(shí)）：

掌握非平衡載流子的注人與復(fù)合，非平衡載流子的壽命，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，復(fù)合理論，陷阱效應(yīng)，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)、愛(ài)因斯坦關(guān)系，理解連續(xù)性方程。

p-n結(jié)（0學(xué)時(shí)）：

了解p-n結(jié)及能帶圖，p-n結(jié)的電流電壓特性，p-n結(jié)電容，p-n結(jié)擊穿和p-n結(jié)隧道效應(yīng)。

異質(zhì)結(jié)（0學(xué)時(shí)）：

了解異質(zhì)結(jié)及其能帶圖和異質(zhì)結(jié)的電流輸運(yùn)機(jī)構(gòu)。金屬和半導(dǎo)體的接觸（10學(xué)時(shí)）：

掌握金屬和半導(dǎo)體接觸的整流理論。理解少數(shù)載流子的注人，歐姆接觸。

半導(dǎo)體表面理論（10學(xué)時(shí)）：

掌握表面態(tài)、表面電場(chǎng)效應(yīng)，MIS結(jié)構(gòu)的電容一電壓特性，理解硅一二氧化硅系統(tǒng)，表面電導(dǎo)及遷移率。

半導(dǎo)體磁效應(yīng)（1學(xué)時(shí)）：

掌握霍耳效應(yīng)。

為鞏固課堂講授的基本概念和基本理論，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力．每章講完后，需布置一定分量的課外作業(yè)。必做題約40道，選做題平均每章3－5題。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)（12學(xué)時(shí)）

“ 半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn) ” 包括了六個(gè)實(shí)驗(yàn)，MOS結(jié)構(gòu)高頻C－V特性測(cè)試、MOS結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)C－V特性測(cè)試、MOS結(jié)構(gòu)中可動(dòng)電荷測(cè)試、霍爾效應(yīng)、橢偏法測(cè)SiO2 層的厚度及折射率、及參數(shù)測(cè)試以及高頻光電導(dǎo)衰減法測(cè)量Si單晶少子壽命。教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量選做四個(gè)實(shí)驗(yàn)。

教師在課堂講解每個(gè)實(shí)驗(yàn)的基本原理、測(cè)試內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)要求，交待實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。?

學(xué)生分組做實(shí)驗(yàn)，每組2人。要求學(xué)生必須自已動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，獨(dú)立處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，回答思考題。

三、建議教材和參考資料

1.教材：（半導(dǎo)體物理學(xué)），西安交大劉恩科主編

2.參考資料：

（1）Fundamental of Solid-State Electronics，Chih-Tang Sah（U.S.A.）

（2）《半導(dǎo)體物理學(xué)》，葉良修編

（3）《半導(dǎo)體物理學(xué)》，顧祖毅編

（4）《半導(dǎo)體物理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》，自編講義

第五篇：半導(dǎo)體材料課程教學(xué)大綱

半導(dǎo)體材料 課程教學(xué)大綱

一、課程說(shuō)明

（一）課程名稱：半導(dǎo)體材料

所屬專業(yè)：微電子科學(xué)與工程

課程性質(zhì)：專業(yè)限選

學(xué) 分： 3

（二）課程簡(jiǎn)介：本課程重點(diǎn)介紹第一代和第二代半導(dǎo)體材料硅、鍺、砷化鎵等的制備基本原理、制備工藝和材料特性，介紹第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵、碳化硅及其他半導(dǎo)體材料的性質(zhì)及制備方法。

目標(biāo)與任務(wù)：使學(xué)生掌握主要半導(dǎo)體材料的性質(zhì)以及制備方法，了解半導(dǎo)體材料最新發(fā)展情況、為將來(lái)從事半導(dǎo)體材料科學(xué)、半導(dǎo)體器件制備等打下基礎(chǔ)。

（三）先修課程要求：《固體物理學(xué)》、《半導(dǎo)體物理學(xué)》、《熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理》；

本課程中介紹半導(dǎo)體材料性質(zhì)方面需要《固體物理學(xué)》、《半導(dǎo)體物理學(xué)》中晶體結(jié)構(gòu)、能帶理論等章節(jié)作為基礎(chǔ)。同時(shí)介紹材料生長(zhǎng)方面知識(shí)時(shí)需要《熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理》中關(guān)于自由能等方面的知識(shí)。

（四）教材：楊樹人《半導(dǎo)體材料》

主要參考書：褚君浩、張玉龍《半導(dǎo)體材料技術(shù)》

陸大成《金屬有機(jī)化合物氣相外延基礎(chǔ)及應(yīng)用》

二、課程內(nèi)容與安排

第一章 半導(dǎo)體材料概述 第一節(jié) 半導(dǎo)體材料發(fā)展歷程 第二節(jié) 半導(dǎo)體材料分類 第三節(jié) 半導(dǎo)體材料制備方法綜述 第二章 硅和鍺的制備 第一節(jié) 硅和鍺的物理化學(xué)性質(zhì) 第二節(jié) 高純硅的制備 第三節(jié) 鍺的富集與提純 第三章

區(qū)熔提純

第一節(jié) 分凝現(xiàn)象與分凝系數(shù)

第二節(jié)

區(qū)熔原理 第三節(jié)

鍺的區(qū)熔提純 第四章

晶體生長(zhǎng)

第一節(jié) 晶體生長(zhǎng)理論基礎(chǔ)

第二節(jié) 熔體的晶體生長(zhǎng)

第三節(jié) 硅、鍺單晶生長(zhǎng)

第五章

硅、鍺晶體中的雜質(zhì)和缺陷

第一節(jié) 硅、鍺晶體中雜質(zhì)的性質(zhì)

第二節(jié) 硅、鍺晶體的摻雜

第三節(jié) 硅、鍺單晶的位錯(cuò)

第四節(jié) 硅單晶中的微缺陷

第六章

硅外延生長(zhǎng)

第一節(jié) 硅的氣相外延生長(zhǎng)

第二節(jié) 硅外延生長(zhǎng)的缺陷及電阻率控制

第三節(jié) 硅的異質(zhì)外延

第七章

化合物半導(dǎo)體的外延生長(zhǎng)

第一節(jié) 氣相外延生長(zhǎng)（VPE）

第二節(jié) 金屬有機(jī)物化學(xué)氣相外延生長(zhǎng)（MOCVD）

第三節(jié) 分子束外延生長(zhǎng)（MBE）

第四節(jié) 其他外延生長(zhǎng)技術(shù)

第八章

化合物半導(dǎo)體材料

（一）：第二代半導(dǎo)體材料

第一節(jié) GaAs、InP等III-V族化合物半導(dǎo)體材料的特性

第二節(jié) GaAs單晶的制備及應(yīng)用

第三節(jié) GaAs單晶中雜質(zhì)控制及摻雜

第四節(jié) InP、GaP等的制備及應(yīng)用

第九章

化合物半導(dǎo)體材料

（二）：第三代半導(dǎo)體材料

第一節(jié) 氮化物半導(dǎo)體材料特性及應(yīng)用

第二節(jié) 氮化物半導(dǎo)體材料的外延生長(zhǎng) 第三節(jié) 碳化硅材料的特性及應(yīng)用

第十章

其他半導(dǎo)體材料 第一節(jié) 半導(dǎo)體金剛石的制備及應(yīng)用 第二節(jié) 低維半導(dǎo)體材料及應(yīng)用

第三節(jié) 有機(jī)半導(dǎo)體材料

（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配

按照教材中的內(nèi)容，通過(guò)板書和ppt進(jìn)行講解。并進(jìn)行課后輔導(dǎo)與答疑。以學(xué)生掌握主要半導(dǎo)體材料制備為主，輔助半導(dǎo)體物理和器件知識(shí)，使學(xué)生了解材料的用途，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為將來(lái)工作和科研打好基礎(chǔ)。

課時(shí)分配如下：第一章（2學(xué)時(shí)）、第二章（4學(xué)時(shí)）、第三章（8學(xué)時(shí)）、第四章（8學(xué)時(shí)）、第五章（6學(xué)時(shí)）、第六章（6學(xué)時(shí)）、第七章（6學(xué)時(shí)）、第八章（6學(xué)時(shí)）、第九章（4學(xué)時(shí)）、第十章（4學(xué)時(shí)）

主要內(nèi)容：

【重點(diǎn)掌握】：區(qū)熔原理、晶體生長(zhǎng)基本原理、Si、Ge單晶制備、Si外延制備、Si、Ge材料摻雜與控制。

【掌握】：VPE、MBE、MOCVD等外延方法、晶體中的缺陷、缺陷控制、III-V化合物InP、GaN、SiC等基本性質(zhì)與制作方法。

【了解】： 半導(dǎo)體金剛石的制備、性質(zhì)、低維半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體材料的性質(zhì)及引用

【一般了解】： 半導(dǎo)體材料分類 【難點(diǎn)】：區(qū)熔原理、晶體生長(zhǎng)基本原理

（重點(diǎn)掌握、掌握、了解、一般了解四個(gè)層次可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和對(duì)學(xué)生的具體要求適當(dāng)減少，但不得少于兩個(gè)層次）

制定人：劉貴鵬

審定人： 批準(zhǔn)人： 日 期：