半导体物理学ppt-刘恩科
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半导体物理学ppt-刘恩科
2 2
(r, t ) Ae
半导体器件
半导体中电子的平均速度
在周期性势场内，电子的平均速度u可表示 为波包的群速度
dv u dk
h 2k 2 E (k ) E (0) 2mn*
E hv
1 dE u dk
k u * mn
半导体器件
自由电子的速度
微观粒子具有波粒二象性
半导体器件
点缺陷
弗仓克耳缺陷
间隙原子和空位成对出现
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
半导体器件
点缺陷
替位原子（化合物半导体）
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
半导体器件
半导体的纯度和结构
纯度
极高，杂质<1013cm-3
结构
半导体器件
晶体结构
单胞
单胞无需是唯一的
EC
B
EA
EA EV
P型半导体
受主能级
半导体器件
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。
5、以Si在GaAs中的行为为例，说明Ⅳ族杂质在Ⅲ—Ⅴ化合 物中可能出现的双性行为。
(r, t ) Ae
半导体器件
半导体中电子的平均速度
在周期性势场内，电子的平均速度u可表示 为波包的群速度
dv u dk
h 2k 2 E (k ) E (0) 2mn*
E hv
1 dE u dk
k u * mn
半导体器件
自由电子的速度
微观粒子具有波粒二象性
半导体器件
点缺陷
弗仓克耳缺陷
间隙原子和空位成对出现
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
半导体器件
点缺陷
替位原子（化合物半导体）
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
半导体器件
半导体的纯度和结构
纯度
极高，杂质<1013cm-3
结构
半导体器件
晶体结构
单胞
单胞无需是唯一的
EC
B
EA
EA EV
P型半导体
受主能级
半导体器件
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。
5、以Si在GaAs中的行为为例，说明Ⅳ族杂质在Ⅲ—Ⅴ化合 物中可能出现的双性行为。
(推荐)半导体物理学第七版刘恩科编著cha
在磷化镓中，Zn原子代替Ga原子位置，O原子 代替P原子位置，当两个杂质原子处于相邻晶格点 时，形成一个电中性的Zn-O络合物
48
束缚激子
即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后， 又因带电中心的库仑作用又俘获另一种带
电符号的载流子，这就是束缚激子。
49
IV族元素 取代III族起施主杂质作用，取代V族则起受
例：GaP中掺入Ⅴ族的N或Bi b、以替位形式存在于晶体中，基本上是电中 性的。
❖ 等电子杂质（如N）占据本征原子位置（如GaP 中的P位置）后
N
NP
❖ 存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引
一个导带电子（空穴）而变成负(正）离子，前者
就是电子陷阱，后者就是空穴陷阱。
47
等电子陷阱举例
1、N在GaP中：NP 2、C在Si中：CSi 其存在形式可以是 （1）替位式 （2）复合体，如 Zn-O
EC
△E=
EA2
EA1 EV
Au二
42
Impurity-doped Silicon
（5） Au三： Au二 + e
△E=
EC EA3
EA2
EA1 EV
Au三
43
❖ 金是I族元素
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。但
由于库仑力的排斥作用，后获得电子的电离能大 于先获得电子的电离能。即EA3>EA2>EA1。 金在Ge中存在ED、 EA3、EA2、EA1四个孤立能级。
（1）Au+： Au0 – e
EC
Eg
ED
EV
Au+
39
Impurity-doped Silicon
48
束缚激子
即等电子陷阱俘获一种符号的载流子后， 又因带电中心的库仑作用又俘获另一种带
电符号的载流子，这就是束缚激子。
49
IV族元素 取代III族起施主杂质作用，取代V族则起受
例：GaP中掺入Ⅴ族的N或Bi b、以替位形式存在于晶体中，基本上是电中 性的。
❖ 等电子杂质（如N）占据本征原子位置（如GaP 中的P位置）后
N
NP
❖ 存在着由核心力引起的短程作用力，它们可以吸引
一个导带电子（空穴）而变成负(正）离子，前者
就是电子陷阱，后者就是空穴陷阱。
47
等电子陷阱举例
1、N在GaP中：NP 2、C在Si中：CSi 其存在形式可以是 （1）替位式 （2）复合体，如 Zn-O
EC
△E=
EA2
EA1 EV
Au二
42
Impurity-doped Silicon
（5） Au三： Au二 + e
△E=
EC EA3
EA2
EA1 EV
Au三
43
❖ 金是I族元素
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。但
由于库仑力的排斥作用，后获得电子的电离能大 于先获得电子的电离能。即EA3>EA2>EA1。 金在Ge中存在ED、 EA3、EA2、EA1四个孤立能级。
（1）Au+： Au0 – e
EC
Eg
ED
EV
Au+
39
Impurity-doped Silicon
半导体物理学 前言 (2)-PPT精选文档
1960年，MOS场效应管 60年代初，人们在晶体管发展的基础上发明了集成电路， 这是半导体发展中的一次飞跃。 它标志着半导体器件由小型化开始进入集成化时期。 所谓集成电路指的是把二极管、三极管（晶体管）以及电 阻、电容都制做在同一个硅芯片上，使一个片子所完成的 不再是一个晶体管的放大或开关效应，而是具有一个电路 的功能。
照片
伏安特性
I 电流
正向
反向
0
V 电压
5） 光生伏特效应
1876年，英国物理学家亚当斯(W.G. Adams)发现晶体硒和金属接触在光照射 下产生了电动势，这就是半导体光生伏 打效应。
光生伏特效应最重要的应用就是把太阳 能直接转换成电能，称为太阳能电池。
1954年美国贝尔实验室制成了世界上第 一个实用的太阳能电池，效率为4%。
四十年代：制备出了纯度达9个9和10个9的高纯度 元素半导体锗、硅单晶。
P型半导体、N型半导体的制备。 1950年，R. Ohl和肖特莱发明了离子注入工艺； 1956年，S. Fuller发明了扩散工艺；
1960年，H. Loor和E. Castellani发明了光刻工艺
半导体体单晶生长技术
受到限制的主要原因
1. 半导体材料的不纯 半导体材料，先进薄膜沉积技术，半导体 单晶制备技术
2. 半导体物理理论的不完善 半导体物理学
1）半导体材料方面
当时的一个重大任务：如何制备出高纯度的半导体 材料以实现可控的半导体导电类型和导电能力。 因而促使了半导体工艺技术的发展： 半导体提纯技术，真空感应拉制单晶，区域熔 炼等
半导体物理学第一章PPT课件
结晶学中的立方晶系,布喇菲原胞
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。
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
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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。
半导体物理学(第七版)+电子工业出版社++刘恩科等编著+PPT第13章非晶态半导体
第13章非晶态半导体 章非晶态半导体
wsw 100420098
一、非晶态半导体的结构
1.晶体和非晶态固体
晶体特征是其中原子排列具有周期性； 非晶态固体原子排列不具有周期性； 非晶态固体原子排列并非是完全杂乱无章的，在一 个或几个原子范围内有一定排列规律。 例如非晶体硅，每一硅原子周围仍有四个近邻硅原 子，大体保持单晶硅的固体结构，但其键角和键长 发生畸变，键角随机地在109°28’±10°波动。
（3）非晶半导体的能带模型（莫特-CFO模型） 该模型认为由于非晶态的无序，使导带底和价带顶 部分别产生由定域态组成的带尾，它们一直延伸到 禁带中部并互相交叠。费米能级以上带正电，以下 带负电，其本身补钉扎在带隙的中央附近。
图6.能带模型示意图
莫特-CFO模型对于多数非晶半导体是不适合 的，这些材料对红外及部分可见光都是透明 的，说明仍有明确的带隙存在。图6所示的模 6 型一般认为更合理。实际的非晶材料中总是 有缺陷，如杂质、点缺陷处悬挂键及微空洞。
（4）非晶态半导体的化学键结构 非晶固体中，由于微扰作用，成键态能级 分裂为价带，与反键态对应的能级分裂为导 带。 价电子壳层不到半充满时，所有电子可以 不配对，形成的共价键数目与价电子数相等； 价电子壳层中电子超过半满，只有未配对 的电子才能形成共价键，其数目为8-N，N为 价电子数，称为8-N定则。
3.非晶态结构的基本特征 （1）短程有序，长程无序； （2）亚稳性。晶态是自由能最低的状态（平 衡态），用述的两种方法制得的方法自由能 都比晶态的高，不是最稳定状态，但由于动 力学因素，半导体仍能稳定存在称为亚稳态， 并且用第一种方法制备的半导体更稳定。
A，B，C……分别表示构成体系的各种原子，x1，x2， x3……表示各原子所占的百分数。则平均配位数为：
wsw 100420098
一、非晶态半导体的结构
1.晶体和非晶态固体
晶体特征是其中原子排列具有周期性； 非晶态固体原子排列不具有周期性； 非晶态固体原子排列并非是完全杂乱无章的，在一 个或几个原子范围内有一定排列规律。 例如非晶体硅，每一硅原子周围仍有四个近邻硅原 子，大体保持单晶硅的固体结构，但其键角和键长 发生畸变，键角随机地在109°28’±10°波动。
（3）非晶半导体的能带模型（莫特-CFO模型） 该模型认为由于非晶态的无序，使导带底和价带顶 部分别产生由定域态组成的带尾，它们一直延伸到 禁带中部并互相交叠。费米能级以上带正电，以下 带负电，其本身补钉扎在带隙的中央附近。
图6.能带模型示意图
莫特-CFO模型对于多数非晶半导体是不适合 的，这些材料对红外及部分可见光都是透明 的，说明仍有明确的带隙存在。图6所示的模 6 型一般认为更合理。实际的非晶材料中总是 有缺陷，如杂质、点缺陷处悬挂键及微空洞。
（4）非晶态半导体的化学键结构 非晶固体中，由于微扰作用，成键态能级 分裂为价带，与反键态对应的能级分裂为导 带。 价电子壳层不到半充满时，所有电子可以 不配对，形成的共价键数目与价电子数相等； 价电子壳层中电子超过半满，只有未配对 的电子才能形成共价键，其数目为8-N，N为 价电子数，称为8-N定则。
3.非晶态结构的基本特征 （1）短程有序，长程无序； （2）亚稳性。晶态是自由能最低的状态（平 衡态），用述的两种方法制得的方法自由能 都比晶态的高，不是最稳定状态，但由于动 力学因素，半导体仍能稳定存在称为亚稳态， 并且用第一种方法制备的半导体更稳定。
A，B，C……分别表示构成体系的各种原子，x1，x2， x3……表示各原子所占的百分数。则平均配位数为：
《半导体物理学》课件
重要性
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
THANKS
THANK YOU FOR YOUR WATCHING
06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
THANKS
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06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
半导体物理学刘恩科第七版第1章半导体中的电子态解析
电子可处于两个分裂能级上，为两个原子所共有。 能级的分裂与能级的简并度有关。
例如：2P 能级为三重简并的，可分裂为6个能级
19
八个原子互相靠近时能级分裂的情况：每 个能级分裂为八个相距很近的能级（间距 不同、原子壳层不同，原子能级分裂情 况均不一样）。
20
C、能带的形成（能级分裂）
n个原子，n度简并的s能级，形成晶体后分裂为n个十 分靠近的能级。N个能级组成一个能带，电子可 处于这 些能带中---即电子在晶体中作共有化运动。
砷化镓
晶胞：六方对称
共价键＋较强离子 键
硫化铅、硒化铅、 碲化铅等。 （也会形成闪 锌矿结构）
氯化钠
原胞：立方体
其它类型
其它类型结构、非晶、多晶等半导体 12
作业
13
1.2 半导体中的电子状态和能带
与孤立原子的关系：
本质上，半导体晶体是由一系列孤立的原 子按周期性排列组合而成，因而它的电子状态 也与孤立原子有所相同之处。要了解半导体内 的电子状态，有必要先了解孤立原子内的电子 状态。
三个基本步骤： A、孤立原子的能级 B、共有化运动 C、能带的形成（能级分裂）
14
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
A、孤立原子中的能级
玻耳的 氢原子 理论
氢原子能级公式
En
mq4
8
2 0
n2h2
氢原子第一玻耳轨道半径
r1
0h2 m q2
两个公式还可用于类氢原子
更精确求解表明：孤立原子的电子能量不但与主量子数n，也
与角量子数l有关，n、l相同的电子，能量相同，形成所谓电
4. (111)面的堆积与面心立方的密堆积类 似，但其正四面体的中心有一个原子，面 心立方的中心没有原子。
(第一章)半导体物理ppt课件
下这些部分占满的能带中的电子将参与导电。由于绝缘
体的禁带宽度很大，电子从价带激发到导带需要很大能
量，所以通常温度下绝缘体中激发到导带去的电子很少，
导电性差；半导体禁带比较小（数量级为1eV），在通常
温度下有不少电子可以激发到导带中去，所以导电能力
比绝缘体要好。
最新课件
27
§1.3 半导体中电子（在外力下）的运动 及有效质量
§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
⒉波函数
德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性。 自由粒子的波长、频率、动量、能量有如下关系
Eh P h k
即：具有确定的动量和确定能量的自由粒子，相当 于频率为ν和波长为λ的平面波，二者之间的关系 如同光子与光波的关系一样。
书中(1-13)
最新课件
16
§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
布洛赫曾经证明，满足式(1-13)的波函数一定具有 如下形式：
k(x)uk(x)eikx 书中(1-14)
式中k为波数，u k ( x是) 一个与晶格同周期的周期性函 数，即：
uk(x)uk(xna)
1.3.1半导体导带中E(k)与k 的关系
定性关系如图所示 定量关系必须找出E(k)函数带底附近E（k）与k的关 系
用泰勒级数展开可以近似求出极值附近的E(k)与k 的关系，以一维情况为例，设能带底位于k＝0，将 E(k)在E ( kk ＝) 0E 附(0 近) 按(d 泰d勒)E k k 级0k 数 展1 2(开d d 2 ，E 2k )取k 0 至k2 k项2 ，得到
K=0时能量极小，所以(ddEk)k0k ，0因而
半导体物理课件
32
考虑一维情况，根据波函数和薛定谔方程，可 以求得：
v = hk /m0
E = h2k2/2m0
根据上述方程可以看出：对于自由电子能量和 运动状态之间呈抛物线变化关系；即自由电子 的能量可以是0至无限大间的任何值。
33
1.晶体中的薛定谔方程及其解的形式
晶体中电子遵守的薛定谔方程 布洛赫定理及布洛赫波
布洛赫波函数中的波矢k与自由电子波函数 中的一样，描述晶体中电子的共有化运动状 态。
37
2.布里渊区与能带
求解晶体中电子的薛定谔方程，可得如 图1-10(a)所示的E(k)~k关系。
K = n/2a (n = 0, ±1, ±2, …)时能量出 现不连续。
简约布里渊区（图1-10(c)）
38
由于k是分立的，所以布里渊区中的能级 是准连续的。
每个能带最多可以容纳2N个电子。
42
三维晶格布里渊区的做法（略） 参见教材P15-P16
43
1.2.3导体、半导体、绝缘体的能带
44
45
46
47
三者的主要区别： 禁带宽度和导带填充程度
金属导带半满 半导体禁带宽度在1eV左右 绝缘体禁带宽且导带空
规律 领会“结构决定性质” 处理方法 单电子近似——能带论
4
单电子近似 假设每个电子是在周期性排列且固定不
动的原子核势场及其它电子的平均势场 中运动。该势场具有与晶格同周期的周 期性势场。
5
1.1 半导体的晶格结构和结合性质
预备知识 晶体（crystal） 由周期排列的原子构成的物体 重要的半导体晶体 单质：硅、锗 化合物：砷化镓、碳化硅、氮化镓
沿磁场方向做匀速运动，速度
v|| vcos
考虑一维情况，根据波函数和薛定谔方程，可 以求得：
v = hk /m0
E = h2k2/2m0
根据上述方程可以看出：对于自由电子能量和 运动状态之间呈抛物线变化关系；即自由电子 的能量可以是0至无限大间的任何值。
33
1.晶体中的薛定谔方程及其解的形式
晶体中电子遵守的薛定谔方程 布洛赫定理及布洛赫波
布洛赫波函数中的波矢k与自由电子波函数 中的一样，描述晶体中电子的共有化运动状 态。
37
2.布里渊区与能带
求解晶体中电子的薛定谔方程，可得如 图1-10(a)所示的E(k)~k关系。
K = n/2a (n = 0, ±1, ±2, …)时能量出 现不连续。
简约布里渊区（图1-10(c)）
38
由于k是分立的，所以布里渊区中的能级 是准连续的。
每个能带最多可以容纳2N个电子。
42
三维晶格布里渊区的做法（略） 参见教材P15-P16
43
1.2.3导体、半导体、绝缘体的能带
44
45
46
47
三者的主要区别： 禁带宽度和导带填充程度
金属导带半满 半导体禁带宽度在1eV左右 绝缘体禁带宽且导带空
规律 领会“结构决定性质” 处理方法 单电子近似——能带论
4
单电子近似 假设每个电子是在周期性排列且固定不
动的原子核势场及其它电子的平均势场 中运动。该势场具有与晶格同周期的周 期性势场。
5
1.1 半导体的晶格结构和结合性质
预备知识 晶体（crystal） 由周期排列的原子构成的物体 重要的半导体晶体 单质：硅、锗 化合物：砷化镓、碳化硅、氮化镓
沿磁场方向做匀速运动，速度
v|| vcos
半导体物理学刘恩科全部章节ppt
原因： “轨道杂化”（sp3） p 导带 空带
s 价带 满带
禁带
32N
0
电子
2NN
4N
电子
二、半导体中电子的状态和能带
微观粒子的波粒二象性
实验验证：
戴维逊-革末实验：电流出现周期性变化
I
将电子看成粒子则无法解释
电
流
阴级 U
Ni单晶
计
1927年戴维孙和革末用加速后的电子投射到在镍（Ni)晶体 特选晶面上进行电子反射时的干涉实验
二、半导体中电子的状态和能带
➢微观粒子的波粒二象性
– 微观粒子的粒子性：
各种微观粒子都有其独特的特征：如质量、电荷等 同种微观粒子具有等同性
微观粒子的运动表现粒子运动的特性：动量、能量
– 微观粒子的波动性：
微观粒子的运动表现波动的特性：波长、频率 但微观粒子的波动不是电磁波，而是徳布罗意波
➢微观粒子的波粒二象性
由两种原子结构和混合键
– Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体绝大多数具 – 有闪锌矿型结构：
• 闪锌矿型结构和混合键
– 注意几点：
1. 正四面体结构中心也有一个原子，但顶角原子与中心 原子不同，因而其结合方式虽以共价结合为主，但具 有不同程度的离子性，称极性半导体
2. 固体物理学原胞同金刚石型结构，但有2个不同原子
3. 结晶学原胞可以看成两种不同原子的面心立方晶胞沿 立方体空间对角线互相错开1/4长度套构而成，属于双 原子复式晶格
4. 一个晶胞中共有8个原子，两种原子各有4个
纤锌矿型结构
材料: Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体
例: ZnS、ZnSe、CdS、CdSe
– 此时定态薛定谔方程为：
《半导体物理》PPT课件
。
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 1 1]方向， 则与上述六个<100>
方2向的方2 向 余2弦相1/等3：
对于每个旋转椭球来
讲:
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
3ml 2mt ml
大小相等，对应的回旋频率大小相同，因此只有一个吸收峰
半导体物理 Semiconductor Physics
上式代表的等能面不再是球面（只有当 C为零时是球面），而是扭曲的球面， 重空穴带的扭曲比轻空穴带的扭曲更为 显著。
半导体物理 Semiconductor Physics
两个带下面的第三个能带，由于自旋-轨道 耦合作用，使能量降低了Δ，与以上两个能 带分开，具有球形等能面。其能量表示式
半导体物理 Semiconductor Physics
在Si中，其它能 谷比<100>谷高 的多
半导体物理 Semiconductor Physics
硅和锗的价带结构
半导体物理 Semiconductor Physics
硅锗的价带结构是比较复杂的。价带 顶位于k=0。在价带顶附近有三个带， 其中两个最高的带在k=0处简并，分别 对应于重空穴带和轻空穴带（曲率较 大的为轻空穴带），下面还有一个带， 是由于自旋-轨道耦合分裂出来的。
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 0 0]方向，则：
对于[1 0 0] 轴上的两个 椭球来讲，其
2 2 0 2 1
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
半导体物理 Semiconductor Physics
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 1 1]方向， 则与上述六个<100>
方2向的方2 向 余2弦相1/等3：
对于每个旋转椭球来
讲:
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
3ml 2mt ml
大小相等，对应的回旋频率大小相同，因此只有一个吸收峰
半导体物理 Semiconductor Physics
上式代表的等能面不再是球面（只有当 C为零时是球面），而是扭曲的球面， 重空穴带的扭曲比轻空穴带的扭曲更为 显著。
半导体物理 Semiconductor Physics
两个带下面的第三个能带，由于自旋-轨道 耦合作用，使能量降低了Δ，与以上两个能 带分开，具有球形等能面。其能量表示式
半导体物理 Semiconductor Physics
在Si中，其它能 谷比<100>谷高 的多
半导体物理 Semiconductor Physics
硅和锗的价带结构
半导体物理 Semiconductor Physics
硅锗的价带结构是比较复杂的。价带 顶位于k=0。在价带顶附近有三个带， 其中两个最高的带在k=0处简并，分别 对应于重空穴带和轻空穴带（曲率较 大的为轻空穴带），下面还有一个带， 是由于自旋-轨道耦合分裂出来的。
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 0 0]方向，则：
对于[1 0 0] 轴上的两个 椭球来讲，其
2 2 0 2 1
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
半导体物理 Semiconductor Physics
半导体物理学刘恩科第七版第2章杂质和缺陷
p型半导体 依靠价带空穴导电的半导体。
受主杂质电离能ΔEA： 杂质空穴价带空穴所需要的能量。
Si、Ge而言，施主通常是III 族元素。电离能较小，在Si中 约0.045～0.065eV【In是唯一 例外，达0.16eV】，Ge中约 0.01eV。
3、杂质的划分类型3 根据杂质能级位置划分
浅能级杂质 深能级杂质
化合 物半 导体
2. 空位： 由于偏离正常的化学成分比。位置上原子消
失，形成点缺陷。
3. 替位原子(反结构缺陷)：
对AB化合物，A取代B写为AB, 反过来，B取代A的位 置为BA （小写代表位置，大写代表占据该位置的原子）。
点缺陷引入的能级类型
元素 半导 体：
间隙原子有四个电子可以失去，所以倾向于表现出施主 作用(也会起受主作用)。 空位：形成的键不饱和，易于接受电子，所以空位表现 出受主作用；
1、多为替位式杂质； 2、硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底和 价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质；
3、能多次电离，每电离均产生一个对应能 级。
4、含量少，且对载流子浓度影响较小 【两个原因】。复合作用明显，一般作为 复合中心存在【非平衡时】 。
对Si、Ge而言，深能级杂质通常为非III、V族 元素（图2-9）。
2.3.2位错
对半导体材料和器件的性能会产生重要影响。
锗中位错具有受主及施主的作用。与杂质间可能起 补偿作用。
晶格畸变，能带宽度发生变化。
施主能级很接近导带底，受主能级很接近价带顶。 称为浅能级杂质。 室温下，Ⅲ、Ⅴ族杂质基本全部电离。
4、浅能级杂质电离能简单计算
类氢模型
硅、锗中掺入V族的磷原子杂质时，磷原子周围比 硅原子周围多一个束缚着的价电子。好像在硅、锗 晶体中多加了一个“氢原子”。 杂质原子氢原子 多余的价电子氢外层电子
受主杂质电离能ΔEA： 杂质空穴价带空穴所需要的能量。
Si、Ge而言，施主通常是III 族元素。电离能较小，在Si中 约0.045～0.065eV【In是唯一 例外，达0.16eV】，Ge中约 0.01eV。
3、杂质的划分类型3 根据杂质能级位置划分
浅能级杂质 深能级杂质
化合 物半 导体
2. 空位： 由于偏离正常的化学成分比。位置上原子消
失，形成点缺陷。
3. 替位原子(反结构缺陷)：
对AB化合物，A取代B写为AB, 反过来，B取代A的位 置为BA （小写代表位置，大写代表占据该位置的原子）。
点缺陷引入的能级类型
元素 半导 体：
间隙原子有四个电子可以失去，所以倾向于表现出施主 作用(也会起受主作用)。 空位：形成的键不饱和，易于接受电子，所以空位表现 出受主作用；
1、多为替位式杂质； 2、硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底和 价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质；
3、能多次电离，每电离均产生一个对应能 级。
4、含量少，且对载流子浓度影响较小 【两个原因】。复合作用明显，一般作为 复合中心存在【非平衡时】 。
对Si、Ge而言，深能级杂质通常为非III、V族 元素（图2-9）。
2.3.2位错
对半导体材料和器件的性能会产生重要影响。
锗中位错具有受主及施主的作用。与杂质间可能起 补偿作用。
晶格畸变，能带宽度发生变化。
施主能级很接近导带底，受主能级很接近价带顶。 称为浅能级杂质。 室温下，Ⅲ、Ⅴ族杂质基本全部电离。
4、浅能级杂质电离能简单计算
类氢模型
硅、锗中掺入V族的磷原子杂质时，磷原子周围比 硅原子周围多一个束缚着的价电子。好像在硅、锗 晶体中多加了一个“氢原子”。 杂质原子氢原子 多余的价电子氢外层电子
半导体概要PPT课件
c
钎锌矿结构
半导体概要
a
b
六方密堆积结构
1.2 晶体结构
4、Ⅳ-Ⅵ族化合物硫化铅、硒化铅、碲化铅属于NaCl结构
NaCl 结构
半导体概要
CsCl 结构
晶系
三斜 Triclinic
单斜 Monoclinic
正交 Orthorhombic
特征
abc
abc 90
abc 90
布喇菲格子 简单三斜(无转轴)
三、半导体的结构
图1.1 基于原子在固体内的半有导体序概排要 列程度对固体进行分类
1.1 半导体材料的特性
四、半导体材料的原子组成
半导体概要
1.1 半导体材料的特性
• 元素半导体：Si, Ge, Si1-xGex • Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体
GaAs, GaP, GaN,AlN,AlSb,InN,InP,InAs Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体ZnS, ZnSe,ZnTe,CdS,CdSe,CdTe
第一章 半导体概要
• 1.1 半导体材料的特性 • 1.2 晶体结构 • 1.3 晶体生长
半导体概要
1.1 半导体材料的特性
一、 半导体材料的基本性能
导 体： =10-6~10-4 cm 半导体： =10-3~109 cm 绝缘体： >1010cm 1. 半导体材料的电阻率直接影响集成电路的电学性能 2、导电能力随温度上升而迅速增加 3、半导体的导电能力随所含杂质的微量变化而发生显著变化 4、半导体的导电能力随光照而发生显著变化 5、半导体的导电能力随外加电场、磁场的作用而发生显著变
2SiC+SiO2=3Si+2CO 2. 化学提纯：Si+2Cl2=SiCl4
半导体物理学 刘恩科 第七版
半导体器件
f dE dE dt dk
半导体中电子的加速度
1 1 d E 2 * mn dk 2
2
2
令
即
mn
*
f a * mn
半导体器件
d 2E 2 dk
有效质量的意义
自由电子只受外力作用；半导体中的电子 不仅受到外力的作用，同时还受半导体内 部势场的作用 意义：有效质量概括了半导体内部势场的 作用，使得研究半导体中电子的运动规律 时更为简便（有效质量可由试验测定）
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。
替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构
要求与被取代的晶格原子相近。如Ⅲ、Ⅴ 族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。
半导体器件
间隙式杂质、替位式杂质
单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度
半导体器件
练习
1、实际情况下k空间的等能面与理想情况下的等 能面分别是如何形状的？它们之间有差别的原因？ 2、实际情况的半导体材料与理想的半导体材料有 何不同？
1 1 3 a 解：（a） r ( 3a) 2 4 8
4 3 8 r 3 3 （b） 0.34 3 a 16
半导体器件
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）。
半导体物理学
半导体器件
半导体物理学
教材:
《半导体物理学》(第七版)，刘恩科等编著，
电子工业出版社
参考书：
《半导体物理与器件》（第三版），
Donald A.Neamen著，电子工业出版社
f dE dE dt dk
半导体中电子的加速度
1 1 d E 2 * mn dk 2
2
2
令
即
mn
*
f a * mn
半导体器件
d 2E 2 dk
有效质量的意义
自由电子只受外力作用；半导体中的电子 不仅受到外力的作用，同时还受半导体内 部势场的作用 意义：有效质量概括了半导体内部势场的 作用，使得研究半导体中电子的运动规律 时更为简便（有效质量可由试验测定）
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。
替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构
要求与被取代的晶格原子相近。如Ⅲ、Ⅴ 族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。
半导体器件
间隙式杂质、替位式杂质
单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度
半导体器件
练习
1、实际情况下k空间的等能面与理想情况下的等 能面分别是如何形状的？它们之间有差别的原因？ 2、实际情况的半导体材料与理想的半导体材料有 何不同？
1 1 3 a 解：（a） r ( 3a) 2 4 8
4 3 8 r 3 3 （b） 0.34 3 a 16
半导体器件
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）。
半导体物理学
半导体器件
半导体物理学
教材:
《半导体物理学》(第七版)，刘恩科等编著，
电子工业出版社
参考书：
《半导体物理与器件》（第三版），
Donald A.Neamen著，电子工业出版社
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2
p K E hv
k u m0
(r, t ) Ae
半导体器件
半导体中电子的加速度
半导体中电子在一强度为 E的外加电场作用 下，外力对电子做功为电子能量的变化
u
dE fds fudt
1 dE dk
dk f dt 2 2 du 1 d dE 1 d E dk f d E a ( ) 2 2 dt dt dk dk dt dk 2
半导体器件
空穴
只有非满带电子才可导电
导带电子和价带空穴具有导电特性；电子 带负电-q（导带底），空穴带正电+q（价 带顶）
半导体器件
K空间等能面
在k=0处为能带极值
k E (k ) E (0) * 2mn
2 2
导带底附近
k E(k ) E(0) * 2mp
2 2
价带顶附近
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。
替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构
要求与被取代的晶格原子相近。如Ⅲ、Ⅴ 族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。
半导体器件
间隙式杂质、替位式杂质
单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度
半导体器件
练习
1、实际情况下k空间的等能面与理想情况下的等 能面分别是如何形状的？它们之间有差别的原因？ 2、实际情况的半导体材料与理想的半导体材料有 何不同？
半导体物理学
刘恩科
半导体器件
半导体物理学
教材:
《半导体物理学》(第六版)，刘恩科等编著，
电子工业出版社
参考书：
《半导体物理与器件》（第三版），
Donald A.Neamen著，电子工业出版社
半ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ体器件
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
半导体器件
N D N A
半导体中同时存在施主和受主杂质， 且 N D N A 。
N型半导体
半导体器件
N型半导体
N A N D
半导体中同时存在施主和受主杂质， 且 N A N D 。
P型半导体
半导体器件
P型半导体
杂质的补偿作用
半导体中同时存在施主和受主杂质 时，半导体是N型还是P型由杂质的 浓度差决定 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（ N A N D ）
1 1 3 a 解：（a） r ( 3a) 2 4 8
4 3 8 r 3 3 （b） 0.34 3 a 16
半导体器件
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）。
E (k ) E (0)
半导体器件
2
2mn
*
(k x k y k z )
2 2 2
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
半导体器件
与理想情况的偏离
2 2
uk ( x) uk ( x na)
半导体器件
布洛赫波函数
固体材料的能带图
固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体
半导体器件
半导体、绝缘体和导体
半导体器件
半导体的能带
本征激发
半导体器件
练习
1、什么是共有化运动？
2、画出Si原子结构图（画出s态和p态并注明该能 级层上的电子数）
半导体器件
位错
位错是半导体中的一种缺陷，它严重影 响材料和器件的性能。
半导体器件
位错
施主情况 受主情况
半导体器件
练习
1、Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中为深能级杂质。 （ 2、受主杂质向价带提供空穴成为正电中心。（ 3、杂质处于两种状态：（ ）和（ ）。 4、空位表现为（ ）作用，间隙原子表现为（ 用。 ） ） ）作
晶格原子是振动的 材料含杂质 晶格中存在缺陷
点缺陷（空位、间隙原子） 线缺陷（位错） 面缺陷（层错）
半导体器件
与理想情况的偏离的影响
极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料 的物理性质和化学性质产生决定性的影 响，同时也严重影响半导体器件的质量。 5 10 1个B原子/ 个Si原子 3 在室温下电导率提高10 倍 3 2 10 cm Si单晶位错密度要求低于
原子的能级
电子壳层
不同支壳层电子
1s；2s，2p；3s，2p，3d；…
共有化运动
半导体器件
Si原子的能级
电子的能级是量子化的
n=2 8个电子 +14 n=3 四个电子
H 半导体器件
n=1 2个电子 Si
原子的能级的分裂
孤立原子的能级 4个原子能级的分裂
半导体器件
原子的能级的分裂
3、杂质和缺陷是如何影响半导体的特性的？
半导体器件
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
ED
As
ED
EC
EV
N型半导体
半导体器件
施主能级
半导体的掺杂
受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴， 并成为带负电的离子。如Si中的B
半导体器件
f dE dE dt dk
半导体中电子的加速度
1 1 d E 2 * mn dk 2
2
2
令
即
mn
*
f a * mn
半导体器件
d 2E 2 dk
有效质量的意义
自由电子只受外力作用；半导体中的电子 不仅受到外力的作用，同时还受半导体内 部势场的作用 意义：有效质量概括了半导体内部势场的 作用，使得研究半导体中电子的运动规律 时更为简便（有效质量可由试验测定）
3、电子所处能级越低越稳定。 （ ）
4、无论是自由电子还是晶体材料中的电子，他们 在某处出现的几率是恒定不变的。 （ ）
5、分别叙述半导体与金属和绝缘体在导电过程中 的差别。
半导体器件
半导体中E（K）与K的关系
在导带底部，波数 k 0 ，附近 k 值很小， 将 E (k ) 在 k 0 附近泰勒展开
dE 1 d E 2 E (k ) E (0) ( ) k 0 k ( 2 ) k 0 k .... dk 2 dk 1 d E 2 E (k ) E (0) ( 2 ) k 0 k 2 dk
半导体器件
2
2
半导体中E（K）与K的关系
1 d 2E 2 E (k ) E (0) ( 2 ) k 0 k 2 dk
5、以Si在GaAs中的行为为例，说明Ⅳ族杂质在Ⅲ—Ⅴ化合 物中可能出现的双性行为。
半导体器件
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
半导体器件
热平衡状态
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
半导体器件
半导体概要
微电子学简介:
固态电子学分支之一 微电子学 光电子学
研究在固体（主要是半导体〕材料上构成 的微小型化器件、电路、及系统的电子学 分支学科
半导体器件
半导体概要
微电子学研究领域
•半导体器件物理 •集成电路工艺 •集成电路设计和测试
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
半导体器件
半导体的纯度和结构
纯度
极高，杂质<1013cm-3
结构
半导体器件
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
注：（a）单胞无需是唯一的
i ( K r t )
2
p K E hv
(r, t ) Ae
半导体器件
半导体中电子的运动
薛定谔方程及其解的形式
V ( x) V ( x sa) d ( x) V ( x) ( x) E ( x) 2 2m0 dx ikx k ( x ) uk ( x ) e
闪锌矿晶体结构
金刚石型 闪锌矿型
半 导 体 有: 化 合 物 半 导 体 如GaAs、InP、ZnS
半导体器件
练习
1、单胞是基本的、不唯一的单元。（ ）
2、按半导体结构来分，应用最为广泛的是 （ ）。 3、写出三种立方单胞的名称，并分别计算 单胞中所含的原子数。
4、计算金刚石型单胞中的原子数。
半导体器件
半导体器件
K空间等能面
kz 为坐标轴构成 k 空间， 以 kx 、k y 、 k 空间 任一矢量代表波矢 k
k kx k y kz
2 2 2
2
导带底附近
E (k ) E (0)
2
2mn
*
(k x k y k z )
2 2 2
半导体器件
K空间等能面
对应于某一 E ( k ) 值，有许多组不同的 (kx , k y , kz )，这些组构成一个封闭面， 在着个面上能量值为一恒值，这个面称 为等能量面，简称等能面。 等能面为一球面（理想）