半导体物理第2章课件
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尼曼-半导体物理与器件@第四版@对应PPT@第二章
• 波粒二相性是利用波理论描述晶体中电子运动和 状态的基础。
例2.2：计算一个粒子的德布罗意波长，电子的运动速度为 107cm/s。
解：电子动量
p mv 9.111031 105 9.111026 kg m s
德布罗意波长为
h 6.6251034 7.27 109 m 72.7 A
• 量子力学的波理论是半导体物理 学理论的基础。
• 量子力学的三个基本原理
– 能量量子化原理 – 波粒二相性原理 – 不确定原理
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2
半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Reamen
2.811015 J
2.811015 1.6 1019
1.75104 eV
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3
半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Reamen
（2）波粒二相性原理
• 1924，德布罗意，物质波：p=h/λ→λ=h/p
本章内容
1. 量子力学的基本原理
2. 薛定谔波动方程
3. 薛定谔波动方程的应用
4.原子波动理论的延伸
5. 小结
资源整合，共享知识
1
半导体物理与器件 第四版对应课件 Semiconductor Physics and Devices Basic Principles by Reamen
2.1 量子力学的基本原理
（1）能量量子化原理
• 1900，普朗克，量子概念，量子能量E=hν ； • 1905，爱因斯坦，光波由分立的粒子组成，解释
半导体物理第二章ppt课件
引进有效质量，半导体中的电子所受的外力与
加速的关系和牛顿第二定律类似。
3、引进有效质量的意义：
由
a= f
m
* n
可以看出有效质量概括了半导体内
部势场的作用，使得在解决半导体中电子在
外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导
体内部势场的作用。
课堂练习：习题3（P58)
2.6.3 状态密度、态密度有效质量、电导有效质量
近出现了一些空的量子状态，在外电场的作用下， 停留在价带中的电子也能够起导电的作用，把价带 中这种导电作用等效于把这些空的量子状态看做带 正电荷的准粒子的导电作用，常称这些空的量子状 态为空穴
2.3.2 金属、半导体、绝缘体的能带
2.4 半导体的带隙结构
间接能隙结构—即价带的最高 点与导带的最低点处于K空间 的不同点
3、 测不准关系
当微观粒子处于某一状态时，它的力学量（坐 标、动量、能量等）一般不具有确定的数值。
如： p g xh 同 一 粒 子 不 可 能 同 时 确 定 其 坐 标 和 动 量
测不准原理告诉我们,对微观粒子运动状态分 析，需用统计的方法。
4、 波函数
波函数 r ,t 描述量子力学的状态
= hk m
h2k 2 E
2m
对于波矢为k的运动状态，自由电子的能量E和动
量P，速度v均有确定的数值，因此，波矢量 k可
用以描述自由电子的运动状态，不同的k值标致
自由电子的不同状态。
6、 单原子电子
电子的运动服从量子力学，处于一系列特定的 运动状态---量子态，要完全描述原子中的一个电 子的运动状态，需要四个量子数。
氧的电子组态表示的意思：第一主轨道上有两个电子 ，这两个电子的亚轨道为s，（第一亚层）；第二主轨 道有6个电子，其中有2个电子分布在s 亚（第一亚层） 轨道上，有4个电子分布在p亚轨道上（第二亚层）
半导体器件物理2精品PPT课件
线性缓变结：在线性区 N (x) ax
2.1 热平衡PN结
2.1 热平衡PN结
p
EC
EF EV
n
EC EF EV
p
漂移
p
扩散
n
E
扩散 q0
EC
n
EF
Ei
EV 漂移
（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图 图2-3
（b）接触后的能带图
2.1 热平衡PN结
p 型电中性区
边界层
边界层
耗尽区
n 型电中性区
• 由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接 触）所形成的结构叫做PN结。
• 任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结 （junction）,有时也叫做接触（contact）.
引言
• 由同种物质构成的结叫做同质结（如硅），由不同 种物质构成的结叫做异质结（如硅和锗）。由同种 导电类型的物质构成的结叫做同型结（如P-硅和P型硅、P-硅和P-型锗），由不同种导电类型的物质 构成的结叫做异型结（如P-硅和N-硅、P-硅和N－ 锗）。因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型 同质结和异型异质结之分。广义地说，金属和半导 体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它们 叫做金属－半导体接触或金属－半导体结（M-S结）。
2.2 加偏压的 P-N 结
2.2 加偏压的 P-N 结
• 2.2.1加偏压的结的能带图
能量 （E ）
P
N
W
（a ）
q 0 EC EF
（a）热平衡，耗尽层宽 度为 W
W
P
N
V
+
能量
（E ）
E Fn
E Fp
（b ）
第二章 半导体及其本征特征解读
3、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载 流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。 两种载流子
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
导带底与价带顶之间的能量差半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子但与真空中的自由粒子不同考虑了晶格作用后的等效粒子有效质量可正可负取决于与晶格的作用受主掺杂施主掺杂二杂质半导体杂质半导体主要靠多数载流子导电
第二章 半导体物理和器件物理基础
Recap:
主要知识点和阅读章节
• • • • • • 1、半导体材料基本特性 2、pn结 3、双极晶体管 4、场效应管 阅读教材第二章 阅读康华光《电子技术基础-模拟部分（第 五版）》第1、2、3、4、5章.
• 参考教材： • [1] 童诗白,华成英(著).模拟电子技术基础 (第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006. • [2] 康华光(著).电子技术基础:模拟部分(第 五版))[M].北京:高等教育出版社,2010.
第一讲 半导体物理基础
• 2.1 半导体及其基本性质
• 2.2 半导体中的载流子
在非本征情形:
np n
2 i
n p
N型半导体：n大于p
P型半导体：p大于n
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
7. 电中性条件: 正负电荷之和为0
p + N d – n – Na = 0
施主和受主可以相互补偿
p = n + Na – Nd n = p + N d – Na
最新半导体物理1-2章总结PPT课件
❖所处位置不同：替位式杂质、间隙式杂质
▲ 1.浅杂质能级
1、n 型半导体
➢ 施主杂质电离，施放电子到导带而 产生导电电子并形成正电中心
➢ 有△ED《Eg
2、p 型半导体
➢ 特征：受主杂质电离，接受电子成 为负电中心并产生空穴在价带；
➢ 有 △EA《Eg
半导体物理
2.浅能级杂质电离能的计算
E mp *q4
第一 ： 1 k 1
2a
2a
第二 ： 1 k 1 ,
第三 ：
a
2a
3 k1,
2a
a
1 k1
2a
a
1k 3
a
2a
E(k)随晶体中周期性变化 势场影响形式复杂
半导体物理
3. ▲导体、绝缘体和半导体的能带
(a) 绝缘体
(b) 半导体
(c) 导体
半导体物理
1.3－1.4节
1.半导体中的电子运动
1.半导体中E(k)与k的关系
1 2
dd2kE2 k0
1 mn*
EkE0
2k2 2mn*
（能带极值附近）
2.半导体中电子的平均速度
1 dE dk
k
m
* n
（能带极值附近）
3.半导体中电子的加速度
f dk q|E| a f
dt
m
* n
（能带极值附近）
▲
4.空穴－－－正电荷＋q和正有效质量
m
* p
半导体物理
2. ▲有效质量的意义：
补充习题
半导体物理 ▲
补充习题
半导体物理
补充习题
3.右图为能量曲线E(k)的形状，试回答：
Ⅲ
（1）在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个带中，哪
▲ 1.浅杂质能级
1、n 型半导体
➢ 施主杂质电离，施放电子到导带而 产生导电电子并形成正电中心
➢ 有△ED《Eg
2、p 型半导体
➢ 特征：受主杂质电离，接受电子成 为负电中心并产生空穴在价带；
➢ 有 △EA《Eg
半导体物理
2.浅能级杂质电离能的计算
E mp *q4
第一 ： 1 k 1
2a
2a
第二 ： 1 k 1 ,
第三 ：
a
2a
3 k1,
2a
a
1 k1
2a
a
1k 3
a
2a
E(k)随晶体中周期性变化 势场影响形式复杂
半导体物理
3. ▲导体、绝缘体和半导体的能带
(a) 绝缘体
(b) 半导体
(c) 导体
半导体物理
1.3－1.4节
1.半导体中的电子运动
1.半导体中E(k)与k的关系
1 2
dd2kE2 k0
1 mn*
EkE0
2k2 2mn*
（能带极值附近）
2.半导体中电子的平均速度
1 dE dk
k
m
* n
（能带极值附近）
3.半导体中电子的加速度
f dk q|E| a f
dt
m
* n
（能带极值附近）
▲
4.空穴－－－正电荷＋q和正有效质量
m
* p
半导体物理
2. ▲有效质量的意义：
补充习题
半导体物理 ▲
补充习题
半导体物理
补充习题
3.右图为能量曲线E(k)的形状，试回答：
Ⅲ
（1）在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个带中，哪
半导体物理第二章
**理解微观粒子两种运动形式的辩证统一。
2.1 量子态和能级
2.1.1 原子中电子的量子态和能级
讨论电子的统计分布，最重要的是量子态的能 量。
能级图：用一系列高低不同的水平横线来表示各个量 子态所能取的能量。量子态的能量只能取特定的值。
通常情况下，具有同一个能量的几个量子态统称为一 个能级。为了阐述的方便，我们将把每一个量子态称为一 个能级。如果有几个量子态具有相同的能量，就看成是几 个能级重叠在一起。
2.2.1 电子-空穴对的产生和复合
N型半导体中，电子是多子（多数载流子）；空穴是少子（少数 载流子）。P型半导体中，空穴是多子；电子是少子。
为什么电子和空穴总是同时存在于半导体中的呢？ 根本原因在于晶格的热振动促使电子不断地发生从价带到导带的热 跃迁。要注意的是，热运动的特点是：不论运动的方向或者是运动 的强弱，都不是整齐划一的，而是极不规则的。原子的振动可以去 各个方向，振动的能量有大有小，kT只代表一个平均值。 总有少量原子的能量远远大于kT！！
费米能虽然不能一目了然地表明电子填充能带的情形，但是可以 确切地反映电子填充能带的水平。
注意：费米能级一般画在能级图上，它和量子态的能级一样，描 述的是一个能量的高低。通常用 EF来表示。
但是它不代表电子的量子态 ，而只是反映电子填充能带情况的一个 参数。 很明显，费米能级的高低与载流子（电子、空穴）的浓度有密切关 系，那他们之间到底是怎样的关系呢？
对于施主浓度为ND的n型半导体，室温下施主可以认为全部是电离的。 正电荷有ND个电离施主和p个空穴，负电荷是n个电子。
在一般器件使用的温度范围内， 掺杂浓度总是远远大于本征载流 子浓度；此时，少子的浓度也是 远远小于掺杂浓度。因此，p相 对于ND可以忽略不计。n= ND . 故：p=ni2/ND
2.1 量子态和能级
2.1.1 原子中电子的量子态和能级
讨论电子的统计分布，最重要的是量子态的能 量。
能级图：用一系列高低不同的水平横线来表示各个量 子态所能取的能量。量子态的能量只能取特定的值。
通常情况下，具有同一个能量的几个量子态统称为一 个能级。为了阐述的方便，我们将把每一个量子态称为一 个能级。如果有几个量子态具有相同的能量，就看成是几 个能级重叠在一起。
2.2.1 电子-空穴对的产生和复合
N型半导体中，电子是多子（多数载流子）；空穴是少子（少数 载流子）。P型半导体中，空穴是多子；电子是少子。
为什么电子和空穴总是同时存在于半导体中的呢？ 根本原因在于晶格的热振动促使电子不断地发生从价带到导带的热 跃迁。要注意的是，热运动的特点是：不论运动的方向或者是运动 的强弱，都不是整齐划一的，而是极不规则的。原子的振动可以去 各个方向，振动的能量有大有小，kT只代表一个平均值。 总有少量原子的能量远远大于kT！！
费米能虽然不能一目了然地表明电子填充能带的情形，但是可以 确切地反映电子填充能带的水平。
注意：费米能级一般画在能级图上，它和量子态的能级一样，描 述的是一个能量的高低。通常用 EF来表示。
但是它不代表电子的量子态 ，而只是反映电子填充能带情况的一个 参数。 很明显，费米能级的高低与载流子（电子、空穴）的浓度有密切关 系，那他们之间到底是怎样的关系呢？
对于施主浓度为ND的n型半导体，室温下施主可以认为全部是电离的。 正电荷有ND个电离施主和p个空穴，负电荷是n个电子。
在一般器件使用的温度范围内， 掺杂浓度总是远远大于本征载流 子浓度；此时，少子的浓度也是 远远小于掺杂浓度。因此，p相 对于ND可以忽略不计。n= ND . 故：p=ni2/ND
半导体物理课件 第2章2
晶 体 Si Ge
杂
B
0.045 0.01
质
Ga
0.065 0.011
Al
0.057 0.01
In
0.16 0.011
Si、Ge而言，施主通常是III族元素。电离能较小。 Si、Ge而言，施主通常是III族元素。电离能较小。 而言 III族元素 In在Si中是个例外 中是个例外。 但In在Si中是个例外。
图2-4 施主能级和施主电离
电离能∆E 电离能 应主要关注的参数： 施主杂质电离能 D
硅锗中常见施主杂质及电离能∆ED
表2-1 硅锗中常见杂质电离能(单位:ev) 硅锗中常见杂质电离能(单位:ev)
晶 体 Si Ge
杂
P
0.044 0.0126
质
As
0.049 0.0127
Sb
0.039 0.0096
2.3缺陷、位错能级
2.3.1 点缺陷
热缺陷（由温度决定） 1. 热缺陷（由温度决定）
晶格原子吸收热能后挤入晶格间隙 挤入晶格间隙，产生间隙原子和空位。 挤入晶格间隙 同时也存在反过程，两者最终达热平衡状态。
(a).弗伦克尔缺陷 (a).弗伦克尔缺陷
成对出现的间隙原子和空位。
(b).肖特基缺陷 (b).肖特基缺陷
对Si、Ge而言，深能级杂质通常为 非III、V族元 素（图2-9）。
金是 I 族元素 (目前无完善的理论能够说明，只能定性)
故可失去一个电子，施主能级略高于价带顶； 也可得到三个电子，形成稳定的共价键结构。 实际中，Au在Si：一受主、一施主能级。 一受主、一施主 实际中 一受主 在Ge中：三受主，一施主能级。
思考： 思考：重掺杂时，禁带变窄的原因？
半导体物理-第二章-2012解析
施主杂质 施主能级
电离时，P原子能够提供导电电子并形成正电
中心，——施主杂质。
被施主杂质束缚的电子 的能量比导带底Ec低，
称为施主能级，ED。
施主杂质少，原子间相
互作用可以忽略，施主
能级是具有相同能量的
孤立能级．
ED
施主浓度：ND （单位为1/cm3 ）
施主电离能
施主电离能△ED = 弱束缚的电子摆脱杂质原子束缚成为晶格中 自由运动的电子（导带中的电子）所需要的
第二章 半导体中的 杂质和缺陷
一定温度下，价带顶附近的电子受激跃迁到导带底附近，此时 导带底电子和价带中剩余的大量电子都处于半满带当中，在外 电场的作用下，它们都要参与导电。
对于价带中电子跃迁出现空态后所剩余的大量电子的导电作用， 可以等效为少量空穴的导电作用。
空穴具有以下的特点：(1)带有与电子电荷量相等但符号相反的 +q电荷；(2)空穴的浓度就是价带顶附近空态的浓度；(3)空穴的 共有化运动速度就是价带顶附近空态中电子的共有化运动速度； (4)空穴的有效质量是一个正常数mp* ，它与价带顶附近空态的 电子有效质量mn*大小相等，符号相反，即mp*＝－mn*
无任何杂质和缺陷。由本征激发提供载流子。
实际半导体：
1、总是有杂质、缺陷，使周期场破坏，在杂质或缺陷周围 引起局部性的量子态——对应的能级常常处在禁带中， 对半导体的性质起着决定性的影响。
2、杂质电离提供载流子。
杂质半导体
主要内容
§2-1 元素半导体中的杂质能级
1. 浅能级杂质能级和杂质电离； 2. 浅能级杂质电离能的计算； 3. 杂质补偿作用 4. 深能级杂质的特点和作用
含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要是电子——N型 半导体，或电子型半导体
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4
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
16.杂质能级为什么位于禁带之中？能带图上 如何表示中性和电离杂质？杂质电离后在 半导体中产生些什么？ 17.把不同种类的施掺入到不同的半导体材 料中（例如Ge或Si）．杂质的电离能和轨 道半径又是否都相同？
1
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
5、举例说明杂质补偿的作用。 6、说明类氢模型的优点和不足 7、InSb的Eg＝0.18eV，εr=17，电子有效质 量0.015m0，求（1）施主杂质电离能；（2） 施主的弱束缚电子基态轨道半径；（3）施 主杂质相互作用时的浓度。
2
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
3
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
12.现有两块外观完全相同的硅单晶．其中 一块是高纯度的本征硅，另一块是含有 深、浅施主和受主能级完全补偿的半导 体．举出两种能识别它们的实验方法， 并说明实验原理． 13.说明掺杂对半导体导电性能的影响。 14.说明半导体中浅能级杂质和深能级杂质 的作用有何不同？ 15.什么叫杂质补偿？什么叫高度补偿的半 导体？杂质补偿有何实际应用？
第一章 半导体中的电子状态 思考题与练习题
1、实际半导体与理想半导体的区别是什么？ 2、以As掺入Ge中为例，说明什么是施主杂质、 施主杂质电离过程和n型半导体。 3、以Ga掺入Ge中为例，说明什么是受主杂质、 受主杂质电离过程和p型半导体。 4、以Si在GaAs中的行为为例，说明Ⅳ族元素 在Ⅲ－Ⅴ族化合物中可能出现的双性行为。
8. GaP的Eg＝2.26eV，εr=11.1，空穴有效质量0.86m0， 求（1）受主杂质电离能；（2）受主的弱束缚电子基 态轨道半径；（3）受主杂质相互作用时的浓度。 9. 说明类氢杂质能级以及电离能的物理意义．为什么受 主、施主能级分别位于价带之上或导带之下，而且电 离能的数值较小？ 10.分析化合物半导休PbS中S的问隙原子和缺陷在理论 上各形成施主还是受主？根据你的回咎，说明半导体 材料自补偿效应的物理意义？ 11.纯Ge、Si中挂入3族或5族元素后，为什么使半导体导 电性能有很大的改变？杂质半导体p型或n型应用很 广，但为什么我们很强调对半导体材料的提纯？
5
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
18.何谓深能级杂质？它们电离以后有什么特 点？ 19.为什么金元素在Ge或Si中电离后可以引入 多个施主或受主能级？ 20.现有两块外观完全相同的硅单晶．其中一 块是高纯度的本征硅，另一块是含有深、 浅施主和受主能级完全补偿的半导体．举 出两种能识别它们的实验方法，井说明实 验原理． 6
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
16.杂质能级为什么位于禁带之中？能带图上 如何表示中性和电离杂质？杂质电离后在 半导体中产生些什么？ 17.把不同种类的施掺入到不同的半导体材 料中（例如Ge或Si）．杂质的电离能和轨 道半径又是否都相同？
1
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
5、举例说明杂质补偿的作用。 6、说明类氢模型的优点和不足 7、InSb的Eg＝0.18eV，εr=17，电子有效质 量0.015m0，求（1）施主杂质电离能；（2） 施主的弱束缚电子基态轨道半径；（3）施 主杂质相互作用时的浓度。
2
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
3
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
12.现有两块外观完全相同的硅单晶．其中 一块是高纯度的本征硅，另一块是含有 深、浅施主和受主能级完全补偿的半导 体．举出两种能识别它们的实验方法， 并说明实验原理． 13.说明掺杂对半导体导电性能的影响。 14.说明半导体中浅能级杂质和深能级杂质 的作用有何不同？ 15.什么叫杂质补偿？什么叫高度补偿的半 导体？杂质补偿有何实际应用？
第一章 半导体中的电子状态 思考题与练习题
1、实际半导体与理想半导体的区别是什么？ 2、以As掺入Ge中为例，说明什么是施主杂质、 施主杂质电离过程和n型半导体。 3、以Ga掺入Ge中为例，说明什么是受主杂质、 受主杂质电离过程和p型半导体。 4、以Si在GaAs中的行为为例，说明Ⅳ族元素 在Ⅲ－Ⅴ族化合物中可能出现的双性行为。
8. GaP的Eg＝2.26eV，εr=11.1，空穴有效质量0.86m0， 求（1）受主杂质电离能；（2）受主的弱束缚电子基 态轨道半径；（3）受主杂质相互作用时的浓度。 9. 说明类氢杂质能级以及电离能的物理意义．为什么受 主、施主能级分别位于价带之上或导带之下，而且电 离能的数值较小？ 10.分析化合物半导休PbS中S的问隙原子和缺陷在理论 上各形成施主还是受主？根据你的回咎，说明半导体 材料自补偿效应的物理意义？ 11.纯Ge、Si中挂入3族或5族元素后，为什么使半导体导 电性能有很大的改变？杂质半导体p型或n型应用很 广，但为什么我们很强调对半导体材料的提纯？
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第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
18.何谓深能级杂质？它们电离以后有什么特 点？ 19.为什么金元素在Ge或Si中电离后可以引入 多个施主或受主能级？ 20.现有两块外观完全相同的硅单晶．其中一 块是高纯度的本征硅，另一块是含有深、 浅施主和受主能级完全补偿的半导体．举 出两种能识别它们的实验方法，井说明实 验原理． 6