第一章 半导体物理基础解析
半导体物理(第一章)概要
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
与自由电子相比，晶体中的电子在周期性的势场中 运动的波函数与自由电子波函数形式相似，不过这 个波的振幅uk(x)随x作周期性的变化，且变化周期 与晶格周期相同。——被调幅的平面波
对于自由电子在空间各点找到电子的几率相同；而 晶体中各点找到电子的几率具有周期性的变化规 律。——电子不再完全局限在某个原子上，而是进 行共有化运动。外层电子共有化运动强，称为准自 由电子。
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.1晶体中的电子状态
下面的能带填满了电子，它们相应于共价键上的电 子，这个带通常称为满带（或价带）；上面一个能 带是空的没有电子（或含少量电子）称为导带。 注意：通常能带图的画法。
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
⒈电子的运动状态 （1）孤立原子中的电子是在其原子核和其它电子的势场
⒋在考虑能带结构时，只需考虑简约布里渊区，在该 区域，能量是波矢的多值函数，必须用En(k)标明是 第几个能带。
⒌ 对于有边界的晶体，需考虑边界条件，根据周期性 边界条件，波矢只能取分立的数值，每一个能带中的 能级数（简约波矢数）与固体物理学原胞数N相等。 每一个能级可容纳2个电子。
⒍能量越高的能带，其能级间距越大。
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.1晶体中的电子状态
共有化状态数---每一个能带包含的能级数。与 孤立原子的简并度有关。 s能级分裂为N个能级（N个共有化状态）； p能级本身是三度简并，分裂为3N 能级（3N 个共有化状态）。 但并不是所有的能带都一一对应着原子中的电 子轨道，我们来观察一下金刚石型结构的价电 子能带示意图。
1-半导体基础知识
刘布民
讨论二：利用Multisim测试晶体管的输出特性
32
刘布民
讨论三
• 利用Multisim分析图示 电路在V2小于何值时晶 体管截止、大于何值时 晶体管饱和。 以V2作为输入、以节 点1作为输出，采用直流 扫描的方法可得！
约小于0.5V时 截止
描述输出电压与输出电 压之间函数关系的曲线， 称为电压传输特性。
刘布民
从二极管的伏安特性可以反映出：
1. 单向导电性
正向特性为 指数曲线
u
i IS(eUT 1)
u
若正向电压u UT，则i ISeUT
若反向电压u UT，则i IS
2. 伏安特性受温度影响 反向特性为横轴的平行线
T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑，U(BR) ↓ 增大1倍/10℃
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到相当程度时才可能导 电。 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。
当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极 管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。
ui=0时直流电源作用
根据电流方程，rd
uD iD
UT ID
18
小信号作用
Q点越高，rd越小。
静态电流
刘布民
四、二极管的主要参数
• 最大整流电流IF：最大平均值 • 最大反向工作电压UR：最大瞬时值 • 反向电流 IR：即IS • 最高工作频率fM：因PN结有电容效应
4第一章半导体物理基础
半导体器件物理
• 若漂移和扩散同时存在： d p J p pq p E qDp dx d n J n nq n E qDn dx
k 0T VT q
称为半导体的热电势
19
安徽大学物理与材料科学学院
半导体器件物理
1.11 非平衡载流子
20
安徽大学物理与材料科学学院
• 在饱和电离的情况下，电荷密度为：
• 设空间电荷所形成的电势分布为Φ ，则Φ 与ρ之间满足泊松方程：
q p ND n NA
2
37
安徽大学物理与材料科学学院
半导体器件物理
31
安徽大学物理与材料科学学院
半导体器件物理
1.13 复合机制
1.13.1 直接复合
32
安徽大学物理与材料科学学院
半导体器件物理
1.13.2 通过复合中心的复合（间接复合）
1 U 0 np n i2
n p 2n i cosh
Et Ei k T 0
半导体器件物理
2
安徽大学物理与材料科学学院
半导体器件物理
3
安徽大学物理与材料科学学院
半导体器件物理
4
安徽大学物理与材料科学学院
半导体器件物理
5
安徽大学物理与材料科学学院
半导体器件物理
6
安徽大学物理与材料科学学院
半导体器件物理
7
安徽大学物理与材料科学学院
半导体器件物理 只考虑对散射 有影响作用的 不同点。
半导体器件物理
21
安徽大学物理与材料科学学院
半导体器件物理
若注入过量载流子浓度可以和热平衡多子浓度相比较，则称为大注入。
半导体物理学第一章PPT课件
简立方(SC)
体心立方(BCC) 面心立方(FCC)
16
17
18
19
1.金刚石型结构和共价键
Si，Ge都是第四周期的 元素，即外层有四个价 电子。硅、锗的结合依 靠共价键结合，组成金 刚石型结构。结构特点： 每一个原子周围有四个 最邻近的原子，这四个 原子分别处在四个顶角 上，任一顶角的原子和 中心原子各贡献一个价 电子为两个原子所共有。
25
2.闪锌矿型结构和离子键
由三族元素Al、Ga，铟和五族元素P、As组 成的三五族化合物，它们大都是闪锌矿型结 构。 闪锌矿结构：与金刚石型结构类似，由两 类原子组成，双原子复式格子。
以共价键为主，但有一定的离子键成分。
26
27
3.纤锌矿型结构
二－六族化合物，如锌、铬、汞和硫、 硒、碲等组成的化合物大部分具有闪 锌矿型结构，但其中有些也可具有纤 锌矿型结构。 离子键
28
29
30
1.2半导体中的电子状态和能带
半导体材料大都是单晶体。单晶体是 由靠得很紧密的原子周期性重复排列 而成，相邻原子之间间距在nm量级， 因此半导体中电子状态肯定和单原子 的电子状态有所不同。
31
电子的共有化运动
32
共有化运动的能量
33
原子能级分裂为能带的示意图
34
金刚石型结构价电子能带示意图 导带 价带 禁带
20
四面体的结合
21
结晶学原胞
两个面心立方沿立方 体的空间对角线互相 位移了空间对角线四 分之一的长度套构而 成。
8个原子在角顶，6个 在面中心，晶胞内部 有4个原子，顶角和 面心与这4个原子周 围不同，是相同原子 构成的复式格子。
01.半导体物理基础知识
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.4硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子 的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有 电子对就称为“共价键”。如图1.2-2所示。
图1.2-2
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.5硅晶体的金刚石结构 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称 晶格，最小的晶格叫晶胞。图1.2-3表示一些重要的 晶胞。
1.9平衡载流子和非平衡载流子
一块半导体材料处于某一均匀的温度中，且不 受光照等外界因素的作用，即这块半导体处于平衡状 态，此时半导体中的载流子称为平衡态载流子。 半导体一旦受到外界因素作用（如光照，电流 注入或其它能量传递形式）时，它内部载流子浓度就 多于平衡状态下的载流子浓度。半导体就从平衡状态 变为非平衡状态，人们把处于非平衡状态时，比平衡 状态载流子增加出来的一部分载流子成为非平衡载流 子。
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.2晶体结构 固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规 则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子 规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非 晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐 软化。 1.2.3单晶和多晶 在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列， 称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排 列在一起的固体称为多晶。
1.1导体，绝缘体和半导体
物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来 衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。 表1-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的 大致范围
物体 电阻率 Ω·CM
导体 <10e-4
半导体 10e3~10e9
绝缘体 >10e9
表1-1
第一章半导体物理基础.
Physics of Semiconductor Devices
前言：
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间(电阻率)。
10 3 cm ~ 10 9 cm
10 3 cm
10 9 cm
半导体
导体
绝缘体
半导体一些重要特性：
1、电阻率具有温度效应； 2、掺杂可改变电阻率； 3、适当波长的光照可改变导电能力； 4、其导电能力随电场、磁场的作用而改变。
References
S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd Ed, Wiley, 1981 Y. Taur & T. K. Ning, Fundamentals of Modern VLSI Devices, Cambridge Univ. Press, 1998 M. Shur, Introduction to Electronic Devices, John Wiley, 1996 Robert F. Pierret, Advanced Semiconductor Fundamentals, 2nd Ed, Prentice Hall, 2002 刘树林，半导体器件物理，电 子工业出版社，2005 曹培栋，微电子技术基础—双 级、场效应晶体管原理，电子 工业出版社，2001 陈星弼，唐茂成，晶体管原理 与设计，成都电讯工程学院出 版社，1987 张屏英，周佑谟，晶体管原理， 上海科学技术出版社，1985
概括的说：半导体的特性受到温度、光照、磁场、电场和
微量杂质含量的影响而改变
Physics of Semiconductor Devices
Physics of Semiconductor ces
02-第一章-半导体物理基础
0, 0, 1
1,1,1 222
0, 1 , 1 22
＋4 Ga
2
1 , 0, 0 2
1,1,1 444
0, 1 , 0 2
＋4
＋4
＋4
Ga
As
Ga
＋4 Ga
ZnS是离子键结合。
第18页，共117页。
载流子：低温时，电子分别被束缚在四面体晶格中，因此无法作电 的传导。但在高温时，热振动可以打断共价键。当一些键被打断时 ，所产生的自由电子可以参与电的传导。而一个自由电子产生时， 会在原处产生一个空缺。此空缺可由邻近的一个电子填满，从而产 生空缺位置的移动，并可被看作与电子运动方向相反的正电荷，称
<hkl>：代表等效方向的所有方向组，如<100>代表[100]、 [010]、[001]、 、 、 六个等效方向的族群。
例 如图所示平面在沿着三个坐标轴的方向有
z
三个截距a、3a、2a，其的倒数分别为1/a、
2a
1/3a和1/2a。它们的最简单整数比为6:2:3(每
个分数乘6a所得)。因此这个平面可以表示为
共价键产生在两个相同元素的原子 间，或具有相似外层电子结构的不同元 素原子之间，每个原子核拥有每个电子 的时间相同。然而这些电子大部分的时 间是存在两个原子核间。原子核对电子 的吸引力使得两个原子结合在一起。
0, 0, 1 2
1,1,1 222
0, 1 , 1 22
1 , 0, 0 2
1,1,1 444
＋4
0, 1 , 0 2
＋4
＋4
＋4
＋4
第17页，共117页。
砷化镓为四面体闪锌矿结构，其主要结合也是共价键，但在 砷化镓中存在微量离子键成分，即Ga＋离子与其四个邻近As－离子
半导体物理基础
1第一章 半导体物理基础半导体物理知识是学习半导体器件物理课程的基础。
为了方便学过半导体物理的学生使用本书时对半导体物理的有关知识进行回顾和查阅，也为了给没有学过半导体物理的读者提供必要的参考，我们在本章简明地介绍半导体的基本性质。
其主要内容包括半导体能带论的主要结果，半导体中载流子浓度的统计分布，费米能级的计算，载流子的输运以及半导体中的基本控制方程等。
半导体表面和半导体光学性质等是半导体物理中的重要内容。
为不使本章的内容过于冗长，更为了学习相关器件物理的方便，分别把它们放在有关章节（第六、七章）予以介绍。
相信上述内容可为读者学习半导体器件物理提供足够的预备知识。
如果有些读者觉得本书所介绍的内容尚不够全面深入和详尽，可参阅标准的半导体物理和固体物理等教材。
1.1 半导体中的电子状态1.1.1半导体中电子的波函数和能量谱值 布洛赫定理电子状态亦称为量子态，指的是电子的运动状态。
晶体是由规则的周期性排列起来的原子所组成的。
每个原子又包含有原子核和核外电子。
原子核和电子之间、电子和电子之间存在着库仑作用。
因此，它们的运动不是彼此无关的，应该把它们作为一个体系统一地加以考虑。
也就是说，所遇到的是一个多体问题。
为使问题简化，近似地把每个电子的运动单独地加以考虑，即在研究一个电子的运动时，把在晶体中各处的其它电子和原子核对这个电子的库仑作用，按照它们的几率分布，被平均地加以考虑，这种近似称为单电子近似。
这样，一个电子所受的库仑作用仅随它自己的位置的变化而变化。
于是它的运动便由下面仅包含这个电子的坐标的波动方程式所决定()()()r E r r V m vv v h ψψ=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+∇−222 （1-1） 式中2222∇−mh —— 电子的动能算符 )(r V v——电子的势能算符，它具有晶格的周期性E ——电子的能量()r vψ ——电子的波函数π2h =h ，h 为普朗克常数，h 称为约化普朗克常数如果势函数)(r V v有晶格的周期性，即)()(r V R r V m vv v =+ （1-2）则方程（1-1）的解)(r vψ具有如下形式)()(r u e r k rk i kv v r vv v ⋅=ψ （1-3） 式中)(r u kvv 为一与晶格具有同样周期性的周期性函数，即 ()()r u R r u k m kvv v v v =+ （1-4）（1-2）和（1-4）式中的m R v称为晶格平移矢量：332211a m a m a m R m vv v v ++= （1-5）式中1a v 、2a v 、3a v为晶格的一组基矢量，1m 、2m 、3m 为三个任意整数。
01.第一章 半导体物理基础2
1000 500 200 100 50 20 10000 5000 2000 1000 500 200 100
1 0
1 4
20 10 5
µ p, Dp
1 0
1 5
2 1
1 0
1 6
1 0
1 7
GaAs
200 100 50
µ n , Dn
µ p , Dp
20 10 5
1018 1019 10 20
半导体物理基础 第一章 半导体物理基础
载流子漂移
和
J p = qpµ p E
vx = µ p E
JP E y = ( ) Bz = RH J P Bz . qp 1 称为霍耳系数 RH ≡ . qp
J P Bz ( I / A) Bz IBzW 1 p= = = = . qRH qE y q(VH / W ) qVH A
其中方程式右边的所有量皆可被测量出。可见，载流子浓度及 半导体的导电类型均可直接从霍耳效应测量中获得。 对n型半导体而言，亦可获得类似 的结果，但其霍耳系数为负
E y = vx Bz
I +
V
-
时达到平衡，在y方向产生一电势差。这一现象称为霍耳效应 霍耳效应。 霍耳效应
半导体物理基础 第一章 半导体物理基础
载流子漂移
霍耳效应的意义
可直接测量载流子浓度 判别半导体导电类型 证实空穴以带电载流子方式存在的最令人信服的方法之一。
半导体物理基础 第一章 半导体物理基础 理论依据 根据 所以 其中 因此
1
N-GaAs N-Si
10-1
10-2
10-3
10-4
12 10
13 10
14 10
(整理)半导体器件物理教学内容和要点
教学内容和要点第一章半导体物理基础第二节载流子的统计分布一、能带中的电子和空穴浓度二、本征半导体三、只有一种杂质的半导体四、杂质补偿半导体第三节简并半导体一、载流子浓度二、发生简并化的条件第四节载流子的散射一、格波与声子二、载流子散射三、平均自由时间与弛豫时间四、散射机构第五节载流子的输运一、漂移运动迁移率电导率二、扩散运动和扩散电流三、流密度和电流密度四、非均匀半导体中的自建场第六节非平衡载流子一、非平衡载流子的产生与复合二、准费米能级和修正欧姆定律三、复合机制四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程第二章PN结第一节热平衡PN结一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体结突变结、缓变结、线性缓变结二、硅PN结平面工艺流程（多媒体演示图2.1）三、空间电荷区、内建电场与电势四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势及PN结空间电荷区两侧的内建电势差六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差和空间电荷区宽度（利用耗尽近似）第二节加偏压的NP 结一、画出热平衡和正、反偏压下PN结的能带图，定性说明PN结的单向导电性二、导出空间电荷区边界处少子的边界条件，解释PN结的正向注入和反向抽取现象第三节理想NP-结的直流电流-电压特性一、解扩散方程导出理想PN结稳态少子分布表达式，电流分布表达式，电流－电压关系二、说明理想PN结中反向电流产生的机制（扩散区内热产生载流子电流）第四节空间电荷区的复合电流和产生电流一、复合电流二、产生电流第五节隧道电流一、隧道电流产生的条件二、隧道二极管的基本性质（多媒体演示 Fig2.12）第六节VI-特性的温度依赖关系一、反向饱和电流和温度的关系二、VI-特性的温度依赖关系第七节耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管一、PN结C-V特性二、过渡电容的概念及相关公式推导求杂质分布的程序（多媒体演示 Fig2.19）三、变容二极管第八节小讯号交流分析一、交流小信号条件下求解连续性方程，导出少子分布，电流分布和总电流公式二、扩散电容与交流导纳三、交流小信号等效电路第九节电荷贮存和反响瞬变一、反向瞬变及电荷贮存效应τ二、利用电荷控制方程求解s三、阶跃恢复二极管基本理论第十节P-Ｎ结击穿一、PN结击穿二、两种击穿机制，PN结雪崩击穿基本理论的推导三、计算机辅助计算例题2－3及相关习题第三章双极结型晶体管第一节双极结型晶体管的结构一、了解晶体管发展的历史过程二、BJT的基本结构和工艺过程（多媒体图3.1）概述第二节基本工作原理一、理想BJT的基本工作原理二、四种工作模式三、放大作用（多媒体Fig3.6）四、电流分量（多媒体Fig3.7）五、电流增益（多媒体Fig3.8 3.9）第三节理想双极结型晶体管中的电流传输一、理想BJT中的电流传输：解扩散方程求各区少子分布和电流分布二、正向有源模式三、电流增益～集电极电流关系第四节爱拜耳斯-莫尔（MollEbers-）方程一、四种工作模式下少子浓度边界条件及少子分布二、E-M模型等效电路三、E-M方程推导第五节缓变基区晶体管一、基区杂质浓度梯度引起的内建电场及对载流子的漂移作用二、少子浓度推导三、电流推导四、基区输运因子推导第六节基区扩展电阻和电流集聚一、基区扩展电阻二、电流集聚效应第七节基区宽度调变效应一、基区宽度调变效应（EARLY效应）二、hFE 和ICE0的改变第八节晶体管的频率响应一、基本概念：小信号共基极与共射极电流增益（α，h fe），共基极截止频率和共射极截止频率（Wɑ,Wß）,增益－频率带宽或称为特征频率（WT），二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推导三、影响截止频率的四个主要因素：τB 、τE、τC、τD及相关推导四、Kirk效应第九节混接π型等效电路一、参数：gm 、gbe、CD的推导二、等效电路图（图3－23）三、证明公式（3－85）、（3－86）第十节晶体管的开关特性一、开关作用二、影响开关时间的四个主要因素：td 、tr、tf、ts三、解电荷控制方程求贮存时间ts 第十一节击穿电压一、两种击穿机制二、计算机辅助计算：习题阅读§3.12 、§3.13 、§3.14第四章金属—半导体结第一节肖特基势垒一、肖特基势垒的形成二、加偏压的肖特基势垒三、M－S结构的C-V特性及其应用第二节界面态对势垒高度的影响一、界面态二、被界面态钳制的费米能级第三节镜像力对势垒高度的影响一、镜像力二、肖特基势垒高度降低第四节肖特基势垒二极管的电流电压特性一、热电子发射二、理查德-杜师曼方程第五节肖特基势垒二极管的结构一、简单结构二、金属搭接结构三、保护环结构第六节金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管一、基本结构二、工作原理第七节肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较一、开启电压二、反向电流三、温度特性第八节肖特基势垒二极管的应用一、肖特基势垒检波器或混频器二、肖特基势垒钳位晶体管第九节欧姆接触一、欧姆接触的定义和应用二、形成欧姆接触的两种方法第五章结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管第一节JFET的基本结构和工作过程一、两种N沟道JFET二、工作原理第二节理想JFET的I-V特性一、基本假设二、夹断电压三、I-V特性第三节静态特性一、线性区二、饱和区第四节小信号参数和等效电路一、参数：gl gmlgmCG二、JFET小信号等效电路图第五节JFET的截止频率一、输入电流和输出电流二、截止频率第六节夹断后的JFET性能一、沟道长度调制效应二、漏极电阻第七节金属-半导体场效应晶体管一、基本结构二、阈值电压和夹断电压三、I-V特性第八节JFET和MESFET的类型一、N—沟增强型 N—沟耗尽型二、P—沟增强型 P—沟耗尽型阅读§5.8 §5.9第六章金属-氧化物-场效应晶体管第一节理想MOS结构的表面空间电荷区一、MOSFET的基本结构（多媒体演示Fig6-1）二、半导体表面空间电荷区的形成三、利用电磁场边界条件导出电场与电荷的关系公式（6－1）四、载流子的积累、耗尽和反型五、载流子浓度表达式六、三种情况下MOS结构能带图七、反型和强反型条件，MOSFET工作的物理基础第二节理想MOS电容器一、基本假设二、C～V特性：积累区，平带情况，耗尽区，反型区三、沟道电导与阈值电压：定义公式（6－53）和（6－55）的推导第三节沟道电导与阈值电压一、定义二、公式（6－53）和（6－55）的推导第四节实际MOS的电容—电压特性一、 M-S功函数差引起的能带弯曲以及相应的平带电压，考虑到M-S 功函数差，MOS结构的能带图的画法二、平带电压的概念三、界面电荷与氧化层内电荷引起的能带弯曲以及相应的平带电压四、四种电荷以及特性平带电压的计算五、实际MOS的阈值电压和C～V曲线第五节MOS场效应晶体管一、基本结构和工作原理二、静态特性第六节 等效电路和频率响应一、参数：g d g m r d 二、等效电路 三、截止频率第七节 亚阈值区一、亚阈值概念二、MOSFET 的亚阈值概念第九节 MOS 场效应晶体管的类型一、 N —沟增强型 N —沟耗尽型 二、 P —沟增强型 P —沟耗尽型第十节 器件尺寸比例MOSFET 制造工艺 一、P 沟道工艺 二、N 沟道工艺 三、硅栅工艺 四、离子注入工艺第七章 太阳电池和光电二极管 第一节半导体中光吸收一、两种光吸收过程 二、吸收系数 三、吸收限第二节 PN 结的光生伏打效应一、利用能带分析光电转换的物理过程（多媒体演示）二、光生电动势，开路电压，短路电流，光生电流（光电流）第三节 太阳电池的I-V 特性一、理想太阳电池的等效电路二、根据等效电路写出I-V 公式，I-V 曲线图（比较：根据电流分量写出I-V 公式）三、实际太阳能电池的等效电路四、根据实际电池的等效电路写出I-V 公式 五、R S 对I-V 特性的影响第四节 太阳电池的效率一、计算 V mp I mp P m二、效率的概念%100⨯=inLOC P I FFV η 第五节 光产生电流和收集效率一、“P 在N 上”结构，光照，x O L e G αα-Φ=少子满足的扩散方程 二、例1－1，求少子分布，电流分布 三、计算光子收集效率：On pt col G J J Φ=η讨论：波长长短对吸收系数的影响少子扩散长度和吸收系数对收集效率的影响 理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意义第六节 提高太阳能电池效率的考虑一、光谱考虑 (多媒体演示) 二、最大功率考虑 三、串联电阻考虑 四、表面反射的影响 五、聚光作用第七节 肖特基势垒和MIS 太阳电池一、基本结构和能带图二、工作原理和特点 阅读 §7.8第九节 光电二极管一、基本工作原理 二、P-I-N 光电二极管 三、雪崩光电二极管四、金属－半导体光电二极管第十节 光电二极管的特性参数一、量子效率和响应度 二、响应速度三、噪声特性、信噪比、噪声等效功率（NEP ） 四、探测率（D ）、比探测率（D *）第八章 发光二极管与半导体激光器 第一节辐射复合与非辐射复合一、辐射复合：带间辐射复合，浅施主和主带之间的复合，施主－受主对（D-A 对）复合，深能级复合，激子复合，等电子陷阱复合 二、非辐射复合：多声子跃迁，俄歇过程（多媒体演示），表面复合第二节 LED 的基本结构和工作过程一、基本结构二、工作原理（能带图）第三节 LED 的特性参数一、I-V 特性二：量子效率：注射效率γ、辐射效率r η、内量子效率i η ，逸出概率o η、外量子效率三、提高外量子效率的途径，光学窗口四、光谱分布 ，峰值半高宽 FWHM,峰值波长 ，主波长 ，亮度第四节 可见光LED一、GaP LED 二、GaAs 1-x P x LED 三、GaN LED第五节 红外 LED一 、性能特点二、 应用 光隔离器 阅读§8.6 , §8.7 , §8.8 , §8.9 , §8.10(不做作业和考试要求)第九章集成器件第十章电荷转移器件第一节电荷转移一、CCD基本结构和工作过程二、电荷转移第二节深耗尽状态和表面势阱一、深耗尽状态—非热平衡状态二、公式（10-8）的导出第三节MOS电容的瞬态特性深耗尽状态的能带图一、热弛豫时间二、信号电荷的影响第四节信息电荷的输运转换效率一、电荷转移的三个因素二、转移效率、填充速率和排空率第五节电极排列和CCD制造工艺一、三相CCD二、二相CCD第六节体内（埋入）沟道CCD一、表面态对转移损耗和噪声特性的影响二、体内（埋入）沟道CCD的基本结构和工作原理第七节电荷的注入、检测和再生一、电注入与光注入二、电荷检测电荷读出法三、电荷束的周期性再生或刷新第八节集成斗链器件一、BBD的基本结构二、工作原理三、性能第九节电荷耦合图象器件一、行图象器二、面图象器三、工作原理和应用主要参考书目孟庆巨、刘海波、孟庆辉编著《半导体器件物理》，科学出版社，2005第二次印刷。
大学物理课件半导体基础 共94页PPT资料
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
(1-3)
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时， 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出 的电容是势垒电容。
-N
扩散电容：为了形成正向电流
+
（扩散电流），注入P 区的少子
P
（电子）在P 区有浓度差，越靠
近PN结浓度越大，即在P 区有电
子的积累。同理，在N区有空穴的
积累。正向电流大，积累的电荷
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
(1-8)
二、本征半导体的导电机理 1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。
i
iL
稳压管的技术参数:
UzW10V,Izmax20mA, ui
R
DZ
iZRL uo
Izmin5mA
负载电阻 RL 2k。要求当输入电压由正常值发
生20%波动时，负载电压基本不变。
求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。
《半导体物理基础》课件
04 半导体中的载流子输运
CHAPTER
载流子的产生与复合
载流子的产生
当半导体受到外界能量（如光、热、电场等）的作用时，其 内部的电子和空穴的分布状态会发生改变，导致电子和空穴 从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
06 半导体物理的应用与发展趋势
CHAPTER
半导体物理在电子器件中的应用
01
02
03
晶体管
利用半导体材料制成的晶 体管是现代电子设备中的 基本元件，用于放大、开 关和整流信号。
集成电路
集成电路是将多个晶体管 和其他元件集成在一块芯 片上，实现特定的电路功 能。
太阳能电池
利用半导体的光电效应将 光能转化为电能，太阳Hale Waihona Puke 电池是可再生能源的重要 应用之一。
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
– 在能带中，能量E附近单位能量间隔内的量子 态数
g(E) dZ/dE
在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态
费米－狄拉克统计分布规律
• 温度为T（绝对温度）的热平衡态下，半导体中电子占据能量为E
的量子态的几率是
f (E)
1
exp( E EF ) 1
kT
– k是玻尔兹曼常数，EF是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。 – 当E-EF>>kT时，f（E）=0，说明高于EF几个kT以上的能级都是空的；而当E-EF<<kT
• 平均自由时间愈长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少， 载流子的迁 移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平均自由时间和有 效质量不同。
Hall效应
• 当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时， 则在半导体的两侧产生一横向电势差，其方向同时垂直 于电流和磁场，这种现象称为半导体的Hall效应。
简化能带图
1.3 半导体中的载流子
• 导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子， 是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。
满带
E
当电子从原来状态转移 到另一状态时，另一电子 必作相反的转移。没有额 外的定向运动。满带中电 子不能形成电流。
半（不）满带
E
半满带的电子可在外 场作用下跃迁到高一 级的能级形成电流。
能带结构：
(“施主能级”)
空带 施主能级 施主能级与上
空带下能级的
Eg
能级间隔称“
ED 施主杂质电离
满带
能”( ED )
导电机制：
空带
Eg
满带
施主能级
这种杂质可提 供导电电子故
ED 称为施主杂质
由于 ED 较小,施主能级中的电子很容易激发到
空带而在施主能级上留下不可移动的空穴.此称 “杂质激发”,当然也存在本征激发.
Ge
+4 +4 +4 +4 +4
AS
+4 +4 +4 ++54 +4
AS
+4 ++54 +4 +4 +4
掺入AS以后，五个
价电子中，有四个电子 与周围的Ge组成共价键 晶体，还多余一个电子， 此电子处于特殊的能级。
理论证明:掺入这种
+4 +4 +4 +4 +4
杂质后电子处于靠近空
带下沿处的一个能级中
导电机制：
空带
施主能级
Eg
满带
这种杂质可提 供导电电子故
ED 称为施主杂质
总之,跃入空带中的电子数等于满带及施主 能级中的空穴数,由于施主能级中的空穴不能移 动,故在常温下,能导电的空穴数远小于电子数, 导电作用主要靠跃入空带中的电子.（多数载流 子）
故n型半导体又称电子型半导体
1.4 态密度与费米能级
掺杂半导体能带图
本征半导体的费米能级叫本征费米能级 N型半导体的费米能级在本征费米能级上面，随着掺杂浓度ND的增加， 费米能级更加靠近导带底 ；p型半导体费米能级靠近价带顶
1.5 载流子的传输
• 载流子输运类型：漂移、扩散和产生-复合 • 载流子的扩散
– 由于浓度差而产生的，浓度高的向浓度低的方向扩散
– 单晶：整个晶体由单一的晶格连续组成。 – 多晶：晶体由相同结构的很多小晶粒无规则地堆积而成
• 非晶：固体中存在许多小区域，每个小区域的原子排列不同于其 它小区域的原子排列
• 硅晶体是金刚石结构, 均为四面体结构，并向空间无限伸展成空 间网状结构。
按照构成固体的粒子在空间的排列情况，可以讲固体分为：
• 漂移运动：由电场作用而产生的、沿电场力方向的运动（电子和空穴漂移运 动方向相反）。
• 漂移速度：定向运动的速度。 • 漂移电流：载流子的漂移运动所引起的电流。
载流子的漂移迁移率（μ）
• 指载流子（电子和空穴）在单位电场作用下的平均漂移速度，即载流子在 电场作用下运动速度的快慢的量度，运动得越快，迁移率越大；运动得慢 ，迁移率小。 单位是cm2／V·s
能带论
•在一般的原子中，内层电子的能级是被 电子填满的。当原子组成晶体后，与这 些原子的内层电子能级相对应的那些能 带也是被电子所填满的。其中能级较高 的被电子填满的能带称为价带，价带以 上的能带未被填满，称为导带，导带和 价带间的能隙叫禁带
原子能级分裂成能带的示意图
电
子
Ec
能
量
导带
Eg=带隙
Ev 价带
第一章 半导体物理基础
1.1 半导体结构 1.2 半导体能带模型 1.3 半导体中的载流子 1.4 态密度与费米能级
1.5 载流子的传输 1.6 PN结 1.7 金属—半导体接触 1.8 MOS FET器件基础
1.1 半导体结构
• 一切晶体，不论外形如何，其内部质点（原子、离子、离子团
或分子）都是有规律排列的。即晶体内部相同质点在三维空间均 呈周期性重复。可分成单晶体和多晶体
• 漂移：带电粒子在外电场作用下的运动
载流子热运动示意图
外电场作用下电子的加电场作用时 – 载流子热运动是无规则的，运动速度各向同性，不引起宏观迁移，从而不 会产生电流。
• 外加电场作用时 – 载流子沿电场方向的速度分量比其它方向大，将会引起载流子的宏观迁移 ，从而形成电流。
1. 本征半导体
---不含杂质的半导体
导电机制： （本征导电）
E
-e -e
Ie
-e -e
空
穴 空带
电
本征激发 流
禁带
满带
IP
本征导电中的载流子是电子和空穴
2. 杂质半导体 ---含有少量杂质的半导体 n型半导体（施主杂质半导体） 在纯净半导中掺入少量可提供导电电子的
杂质所形成的半导体。
例在四价硅（Si）元素半导体中掺入五价砷（AS） 所形成的半导体
时，f（E）＝1，说明低于EF几个kT以下的能级被电子填满。特别是在绝对零度时 ，E<EF的能级全被填满，E>EF的能级全是空的, EF是电子所占据的最高量子态的能 量。
– EF反应了半导体中被电子填满了的能级水平，费米能级的物理意义是，该能级上 的一个状态被电子占据的几率是1/2。费米能级是理论上引入的虚构的能级
硅的晶体结构
• 硅晶体中任何一原子都有4个最近邻的原子与之形成共 价键。一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共 价的原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面 体。
1.2 半导体能带模型
E
2p
禁带
能带
禁带
2s
1s
o
原子间距
当有N个相同的自由原子时，每个原子内的电子有相同的分立的能 级，它们是N重简并的，当这N个原子逐渐靠近时，原来束缚在单 原子的中的电子，不能在一个能级上存在（违反泡利不相容原则） 从而只能分裂成N个非常靠近的能级（10-22ev）