固体电子学教程

课程基本内容
1、掌握晶体的基本结构以及晶体结合方式及其电子的运动特征（能带）。理解有效质量的意义。 2、理解施主、受主杂质能级的概念，深刻理解费米能级的意义。 3、理解非平衡载流子的注入与复合、寿命。掌握载流子的扩散、漂移运动以及连续性方程。 4、掌握 pn 结能带图、pn 结电流电压特性、pn 结电容。 5、理解表面电场效应及空间电荷层的电场、电势和电容。理解 MOS 结构的电容-电压特性。掌握 MOSFET 的结构、沟道形成原理、栅极阈值电压和工作特性，CMOS 反向器的构成和特点。 6、了解金属半导体的欧姆接触和肖特基接触，MESFET 的结构和工作特点。 7、了解微波高速器件的结构特点和性能特征，进一步加深对半导体中载流子运动规律的理解。 8、熟悉光电子器件对材料的要求、光电特性及相关的先进半导体工艺。 成绩：考核方式——闭卷；平时 20％，期末考试 80％
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1.4 载流子的散射 载流子在运动过程中与晶体中的原子或杂质粒子碰撞，改变了原有的运动状态，做无规则的运动。 平均自由时间（驰豫时间）τ：载流子在两次受到散射的平均时间间隔。
1.5 载流子的输运
1.5.1 漂移运动、迁移率和电导率（参考书上 p38）
载流子在外电场的作用下沿一定方向作有规则的运动称为漂移运动。
直接带隙半导体：右图为砷化镓的动量-能量关系 曲线，其价带顶部与导带最低处发生在相同动量处(p＝ 0)。因此，当电子从价带转换到导带时，不需要动量转 换。这类半导体称为直接带隙半导体。 间接带隙半导体：
对硅而言，其动量-能量曲线中价带顶部发生在 p ＝0 时，但导带的最低处则发生在 p ≠ 0。因此当电子从 硅的价带顶部转换到导带最低点时，要保持能量和动量 守恒，不仅需要能量转换，也需要动量转换。这类半导 体称为间接带隙半导体。
本课程是微电子,电子科学与技术等专业的主干专业基础课,它的前期准备课程是普通物理和高等数学, 也是 后续课程模拟电子技术、微电子技术、高频电子电路、微波技术和光电子技术等专业课的基础。 固体电子学是电子器件－电路模块－电子系统的第一个环节，是现代电子技术的基础； 它尤其是微电子产业的技术基础； 电子工业中的一大支柱产业就是电子元器件产业和半导体加工业，主要技术也属于固体电子学的范围； 现代光电子技术与固体电子学密切相关； 该课程是电子信息专业由基础课到专业课过渡的桥梁。
固体电子学
Solid-state electronics
课程介绍
1 什么是电子学？
是研究电子等带电粒子运动规律的科学，研究与学习对象主要是带电粒子在非金属导体中的运动及有关 现象。
It is distinct from electrical science and technology, which deal with the flow of electrons and other charge carriers through metal conductors such as copper. This distinction started around 1906 with the invention of the triode. Until 1950 this field was called "radio technology" because its principal application was the design and theory of radio transmitters, receivers and vacuum tubes.
电子在真空、气体、液体、固体和等离子体中运动时产生的许多物理现象，电磁波在这些介质中传播时 发生的许多物理效应，以及电子和电磁波的相互作用的物理规律，合起来构成电子学的基础研究的主要内容， 基于这些研究成果已经发展起来的这门学科也是电子信息相关专业学习的核心内容。
2 什么是固体电子学？
solid n. 固体；adj. 固体的、牢固一体、坚实的。 固态电子设备就是完全由固化材料制成、电子或其它载流子运动完全限制在这些固化材料中的器件和电
Examples of non-solid-state electronic components are vacuum tubes and cathode-ray tubes (CRTs).
3 教学目的
通过本课程的学习，掌握半导体中载流子运动的基本规律和基本的半导体器件结构及工作原理，为以后 的专业课打下基础。
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参考书目：
1 施敏，半导体器件物理与工艺，苏州大学出版社，2002 2 刘恩科，半导体物理学，国防工业出版社，2005 3 刘树林、张华曹、柴常春，半导体器件物理，电子工业出版社，2005 4 Robert F. Pierret 著，黄如等译，半导体器件基础，电子工业出版社，2004 5 R. M. Warner，B. L. Grung 著，吕长志等译，半导体器件电子学，电子工业出版社，2005
2 费米分布函数(Feimi distribution function)和费米能级：一个电子占据能量 E 能态的几率。
f
(E)
=
1
+
1 exp( E
−
EF
)
kT
其中 k 是玻尔兹曼常数，EF 是费米能级，是电子占有率 为 1/2 时的能量。
1.2.2 本征半导体和杂质半导体的载流子浓度
本征半导体：没有杂质和缺陷，载流子密度：ni = pi
漂移运动的速度：v ＝ －qτnE/mn* mn*为电子的有效质量，µn = τnE/mn* 称为电子迁移率：
v ＝ －µn E
电导率与载流子迁移率的关系（参考书上 p39）
1.5.2 扩散运动： 若载流子的浓度有一个空间上的变化，则这些载流子倾向于从高浓度的区域
移往低浓度的区域，这个电流成分即为扩散电流。 电子的扩散系数：j = - q Dn▽n 1.5.4 非均匀半导体的自建电场
1.1.6 杂质和缺陷能级（参考教科书） 1 施主杂质和施主能级，N 型半导体 能够向导带提供电子的杂质，其能级位置处于禁带中略低于导带低。 2 受主杂质和受主能级、P 型半导体 能够从价带中接受电子的杂质，其位置位于价带顶略高处于禁带中的位置。 3 III-V 族半导体的杂质 4 深能级杂质： 能级位置处于禁带中央附近，起到加速电子－空穴复合的作用。 5 缺陷能级：在禁带之间，起到俘获载流子的作用
在一定方向的电场作用下，能带会沿着电场相反方向朝下倾斜。 爱因斯坦关系（参考书上 p42）。
1.6 非平衡载流子
在外界作用下载流子浓度高于平衡状态：n＝n0 + ∆n, p = p0 + ∆p
1.6.1 非平衡载流子的产生与复合： 1 产生的原因： （1）光注入——由于光照射引起电子从价带吸收光子后跃迁到导带； （2）电注入——由外加电源分别从正负极连接 p、n 区注入空穴和电子。 2 复合机制： （1）直接复合——当电子和空穴在空间位置上相遇时发生复合，电子填入空穴，电子从导带跃迁到价带。 复合速率（单位时间内复合的电子－空穴对数目）R ＝ r n p —— r 是复合系数，n、p 分别为电子、空穴浓度。 （2）通过复合中心的复合：电子（或空穴）先被禁带中缺陷或杂质能级俘获，然后这些能级再俘获空穴（或 电子），这样电子－空穴的复合通过禁带间的中间能级发生，几率远比直接复合的大。 （3）表面复合：半导体表面由于是晶体结构的边缘，有大量的缺陷（表面态），这些缺陷的能级处在禁带之 间，是载流子产生间接复合。
路，而固体电子学就是研究这些固态电子器件或电路的学科。这些材料可以是晶体、多晶或非晶等材料构成 的导体、绝缘体和半导体。固态电子通常指一体化的、也就是做在单一衬底上的器件或电路：如单个电子器 件（二极管、晶体管、CMOS 和集成电路）
While solid-state can include crystalline, polycrystalline and amorphous solids and refer to electrical conductors, insulators and semi-conductors, the building material is most often crystalline semiconductor. Common solid-state devices include transistors, microprocessor chips, and DRAM. The expression became prevalent in the 1950s and the 1960s, during the transition from vacuum tube technology to semiconductor diodes and transistors. More recently, the integrated circuit (IC), the light-emitting diode (LED), and the liquid-crystal display (LCD) have evolved as further examples of solid-state devices. In a solid-state component, the current is confined to solid elements and compounds engineered specifically to switch and amplify it. Current flow can be understood in two forms: as negatively-charged electrons, and as positively-charged electron deficiencies called "holes". Both the electron and the hole are called charge carriers.