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
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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

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

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

刘诺-半导体物理学- 第二章

UESTC Nuo Liu
受主电离能：△EA=EA-EV
EC
受主电离能（束缚能）受主电离能（束缚能）是使被俘获的空摆脱束缚，束缚，从而可以参与传导电流所需的能量。传导电流所需的能量。空穴浓度 0>电子浓度 0 空穴浓度p 电子浓度电子浓度n
EA EV
UESTC Nuo Liu
半导体物理
SEMICONDUCTOR PHISICS
教案：刘诺教案：刘诺副教授独立制作: 独立制作刘诺副教授
电子科技大学微电子与固体电子学院微电子科学与工程系 Nuo Liu
UESTC
第二章半导体中的杂质和缺陷能级
KEY 1、本征激发与本征半导体的特征、
n0= p0
2、杂质半导体与杂质电离、
（1）施主与型半导体：）施主与n型半导体电子浓度n 空穴浓度电子浓度 0 >空穴浓度 p0 （2）受主与型半导体：）受主与p型半导体电子浓度n 空穴浓度 p0>电子浓度 0 电子浓度
UESTC Nuo Liu
§2.1 Si、Ge晶体中的杂质能级
KEY：1、施主
施主能级施主电离能 2、受主受主能级受主电离能
正、负电荷所处介质： ε = ε0εr 负电荷所处介质：
q2 电势能 U(r) = 4πε0εr r
m q m E0 施电能 ED = 主离 = 2 →(3) m0 εr 8ε ε h
E0 受主电离能 EA = = 2 →(4) m0 εr 8ε ε h m q
* 4 p 2 2 2 0 r
ni——本征载流子浓度 ——本征载流子浓度
UESTC Nuo Liu
（3）n型半导体与p型半导体型半导体与p

半导体物理与材料2

施主原子的轨道上施主电子Bohr氢原子模型. 这个轨道的半径仍用氢原子模型计算,得:
* rd 0 h 2 /(q 2m0 ) 0.53 10 8 ( r / 0 )( m0 / m0 )cm 13 10 8 cm
现在考虑左图的情形,随着施主原子增多,第五个电子的轨道开始交叠,这种情况发生的临界杂质浓度Ncrit可以通过计算体积求出:
100
1015
1019
N
迁移率与掺杂浓度关系
迁移率依赖于温度
1. 低掺杂:晶格散射占优势 3/ 2 温度增加,晶格振动加剧,增加碰撞,因而迁移率减小 T . 2. 高掺杂:电离杂质散射占优势在这种情况下,主要因素是电子保留在电离杂质原子附近的时间长短,时间越长,库仑效应越明显.但电子在高温下运动速度加快,停留在杂质原子 3/ 2 附近的时间变短,散射效应变弱,迁移率增加,理论上有 T .
热平衡状态
热平衡时未掺杂的半导体的载流子浓度由带隙Eg决定. 带隙越大.n0 , p0 就越小.因为在热平衡状态下,粒子的能量只有热能,其量级是kT,而Eg远大于kT,所以只有很少的电子从价带激发到导带.对本征半导体,可以推导出严格解：
n p ni C exp( Eg / 2kT ) C exp( Ei / kT )
空穴电荷，而将多数载流子浓度写为：
nn 0 N D
下标n代表N型材料,0代表热平衡状态.
考虑到电中性：
nn 0 N D pn 0
根据质量作用定律，就可以求出少子浓度：
pn 0 ni2 / N D
同理，对于P型半导体有：
p p 0 N A , p p 0 N A n p 0 , n p 0 ni2 / p p 0 ni2 / N A

半导体物理学第二章ppt课件

B
P型半导体
EA
最新课件
受主能级
EC
EA EV
12
半导体的掺杂
• Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受
主和施主杂质，它们在禁带中引入了能
级；受主能级比价带顶高
E
，施主能级
A
比导带底低 E D ，均为浅能级，这两种
杂质称为浅能级杂质。
• 杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。
（a）Si原子半径
（b）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比
解：（a） r1(1 3a) 3a
24
8
（b）
84r3
3 a3
3
16
0.34
最新课件
6
间隙式杂质、替位式杂质
• 杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂质称为间隙式杂质。
– 间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、 GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。
• V族杂质能够施放(提供)导带电子被称为“施主杂质”或n 型杂质。将施主束缚电子的能量状态称为“施主能级”记为ED。施主能级离导带底Ec的距离为ED。
• 结论：掺磷(5价)，施主，电子导电，n型半导体。
最新课件
9
半导体的掺杂
施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，并成为带正电的离子。如Si中的P 和As
• 2.4 缺陷、位错能级
最新课件
• 中性Au0为与周围四个Ge原子形成共价键，还可以依次由价带再接受三个电子，分别形成EA1，EA2，EA3三个受主能级。价带激发一个电子给Au0，使之成为单重电受主离化态Au-，电离能为EA1-Ev ；从价带再激发一个电子给Au-使之成为二重电受主离化态 Au＝，所需能量为EA2-Ev；从价带激发第三个电子给使之成为三重电受主离化态Au ，所需能量为 EA3-Ev 。

半导体物理学PPT课件

EA EV
半导体的掺杂
Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高 EA，施主能级比导带底低 ED，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。
杂质处于两种状态：中性态和离化态。当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心。
解：（a）
r 1 (1 24
3a)
3a 8
（b）
8 4r3
3 a3

3
16
0.34
间隙式杂质、替位式杂质
杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂质称为间隙式杂质。
间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、 GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。
杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质称为替位式杂质。
半导体物理学
一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构
半导体的纯度和结构
纯度
极高，杂质<1013cm-3
结构
晶体结构
单胞
对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元
半导体中净杂质浓度称为有效杂质浓度（有效施主浓度；有效受主浓度）
杂质的高度补偿（ NA ND ）
现
肖特基缺陷
只存在空位而无间隙原子间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较
大，为热缺陷，它们不断产生和复合，直至达到动态平衡，总是同时存在的。空位表现为受主作用；间隙原子表现为施主作用
E(0)

半导体物理学简明教程 (2)[111页]

《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
40
2.4.2 能带图及其画法
图2.7在简约区能带图的右边画出了使用方便的简化能带图，其纵坐标为电子能量，横坐标通常是没有意义的。这种表示方法简单，直观性强，是经常使用的一种能带图。例如在讨论半导体表面问题和半导体接触现象时，用的都是这种图，并使横坐标也有明确的含义。图中Eg 表示两个能带之间的带隙宽度即禁带宽度。
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
38
2.4.2 能带图及其画法
（2）重复区形式：把每一个能带都按照式 (2.4-3)周期性地重复，在每一个布里渊区中表示出所有的能带。这时E是k的多值函数。
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
39
2.4.2 能带图及其画法
（3）简约区形式：在第一布里渊区中表示出所有能带。这时E是k的多值函数，与每个k值对应的不同能量属于不同的能带，如图2.6所示。在用图形表示晶体的能带结构时经常使用的就是这种形式。
V (r + Rm ) = V (r )
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
3
2.1 周期性势场
上图给出一维周期性势场的示意图。周期性势场可以看做是各个孤立原子的势场的叠加。V1, V2, V3, …分别代表原子1, 2, 3, …的势场，V代表叠加后的晶体势场。
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
11
波矢量k和波矢量 k’= k+Kn标志的两个状态
( n1, n2, n3为任意整数) 为倒格矢。晶格平移矢量 Rm 和倒格矢 Kn 之间满足如下关系 K n Rm 2 ( μ为任意整数) (1.3-5) 所以 iK n Rm (2.2-6) e 1 式(2.2-6)即为式(1.3-4)。利用式(2.2-6)，有

半导体物理第二章能带和载流子课件

该价电子的运动状态：
– 比成键电子自由
– 受到As＋的库仑作用。
As＋：不能移动的正电中心
施主杂质(n型杂质）：能够向晶体提供电子同时自身成为带正电的离子的杂质。
杂质电离(Impurity Ionization)
杂质电离：电子脱离杂质原子的束缚成为导电电子的过程
杂质电离能：使这个多余的价电子挣脱束缚成为
16 第十六页，本课件共有49页
用能带论来区分导体、半导体、绝缘体
价带：电子已占满，在外场作用下，不形成电流。导带：电子被部分占据。电子可以从外电场中吸
收能量跃迁到未被电子占据的能级，形成电流。禁带：最低的空带－导带和价带之间的距离称为
禁带宽度。
17 第十七页，本课件共有49页
能量-动能图
金刚石
导电
较高
(热激发 e,h)
导电
低
(n ~1022 cm-3)
导电
金属< 半金属< 半导体
Si, Ge, GaAs
Na: 1s22s2 2p63s1
Mg: 1s22s2 2p63s2
V族 Bi, Sb, As
§2.6 本征载流子浓度
热平衡状态本征激发与本征半导体费米分布函数与玻尔慈曼分布函数本征载流子浓度
“紧束缚近似”
15
第十五页，本课件共有49页
共有化运动强外层电子（价电子） “近自由电子近似”
能级的分裂和能带的形成
原子能级分裂为能带的示意图
N个原子互相靠近结合成晶体后，每个电子都要受到周围原子势场的作用，其结果是每一个N度简并的能级都分裂成N个彼此相距相近的能级，这N个能级组成一个能带。分裂的每一个能带都称为允带，允带之间因没有能级称为禁带。