半导体物理学 刘恩科 第七版ppt课件
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(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
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。
半导体物理学刘恩科第七版第4章导电性
q描述格波的波长及其传播方向，大小：|q|=2/,方 向：格波传播的方向。
q和关系称为色散关系。
(3)格波的数量：相同q的格波的数量。 一个晶体原胞中有一个原子， 每一原子对应一个q, 对 应每一q有3个格波.
对锗、硅及III-V族化合物半导体，原胞中含有 2个原子，对应一个q有6个不同的格波。6个格 波的频率和振动方式完全不同。
未电离杂质散射（重掺杂时）：
散射： 晶格散射＋掺杂＋温度
若存在多种散射机制，显然，τ将发生变化，即迁移 率将发生变化（被加速时间变化）。
散射几率：
P P1 P2 P3
P 1 1 1 1 1
1 2 3
除以q/mn*, 得到
1 1 1 1 ......
1 2 3
1、2、3表示只有一种散射机制存在时载流子的迁移率
离子晶体的两个正、负离子振动位移相反，形成疏密 相同的区域。正离子的疏(密)区和负离子的密(疏)区 重合，对载流子产生附加的散射势场。
离子晶体中光学波对载流子的散射几率：
3
P0
(hvl ) 2
1
(k0T ) 2
1 [ exp( hvl
k0T
)
] 1
f
1 ( hvl k0T
)
光学波频率较高，声子能量较大。电子和光学 声子发生作用时，电子吸收或发射一个声子， 能量也改变一个h。
★格波与电子作用中，长波起重要作用。
★长声学波中，纵波起重要作用。
长声学波中，纵波对散射起主要作用。通过原子 间距发生疏密变化，体变产生附加势场。
特点：能量变化低。
一般而言（非绝对），长声学波由于能量较小， 散射前后电子的能量基本不变，为弹性散射。 光学波能量较高，为非弹性散射。
q和关系称为色散关系。
(3)格波的数量：相同q的格波的数量。 一个晶体原胞中有一个原子， 每一原子对应一个q, 对 应每一q有3个格波.
对锗、硅及III-V族化合物半导体，原胞中含有 2个原子，对应一个q有6个不同的格波。6个格 波的频率和振动方式完全不同。
未电离杂质散射（重掺杂时）：
散射： 晶格散射＋掺杂＋温度
若存在多种散射机制，显然，τ将发生变化，即迁移 率将发生变化（被加速时间变化）。
散射几率：
P P1 P2 P3
P 1 1 1 1 1
1 2 3
除以q/mn*, 得到
1 1 1 1 ......
1 2 3
1、2、3表示只有一种散射机制存在时载流子的迁移率
离子晶体的两个正、负离子振动位移相反，形成疏密 相同的区域。正离子的疏(密)区和负离子的密(疏)区 重合，对载流子产生附加的散射势场。
离子晶体中光学波对载流子的散射几率：
3
P0
(hvl ) 2
1
(k0T ) 2
1 [ exp( hvl
k0T
)
] 1
f
1 ( hvl k0T
)
光学波频率较高，声子能量较大。电子和光学 声子发生作用时，电子吸收或发射一个声子， 能量也改变一个h。
★格波与电子作用中，长波起重要作用。
★长声学波中，纵波起重要作用。
长声学波中，纵波对散射起主要作用。通过原子 间距发生疏密变化，体变产生附加势场。
特点：能量变化低。
一般而言（非绝对），长声学波由于能量较小， 散射前后电子的能量基本不变，为弹性散射。 光学波能量较高，为非弹性散射。
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：
半导体物理学-第七版
❖ 对于非简并材料
n(x)
4
E(x)
2(mn* )32
3
exp( EF E )[E k0T
1
E(x)] 2 dE
❖ 令 Z [E E(x)] /(k0T )
❖ 则上式变为
n(x) 4
2(mn* )32
3
(k0T )32 exp( EF
E(x)) k0T
Z 12eZ dZ
0
n(x)
第六章 pn结
6.1pn结及能带图
6.1.1 pn结的形成和杂质分布
❖ p-n结的形成 ♦ 控 制 同 一 块 半 导 体 的 掺 杂 , 形 成 pn 结 (合金法; 扩散法等)
♦在p(n)型半导体上外延生长n(p)型半导体
❖ 同质结和异质结 ♦由导电类型相反的同一种半导体单晶材 料组成的pn结--同质结
流非平衡子电注入形成少子扩散区. (外加正向偏压增大, 非平衡子电注入增加) ♦边界处的载流子浓度为:
eV
eV
♦稳态时,扩散区n(内x少p ) 子 n分p0e布kT也，是p(x稳n )定 的pn0.e kT
电流:
♦在体内,电流是多子漂移电流
♦在少子扩散区,多子电流主要是漂移电流;少子 电流是扩散电流
将两种载流子的扩散密度相加，得到理想pn结模 型的电流电压方程式
❖ p区载流子浓度与准费米能级的关系
，
np
ni
exp(
EFn k0T
Ei
)
pp
ni
exp( Ei EFp k0T
)
np pp
ni2
exp(
EFn EFp k0T
)
❖ pp’处，x=-xp，EFn-EFp=qV，因而
n(x)
4
E(x)
2(mn* )32
3
exp( EF E )[E k0T
1
E(x)] 2 dE
❖ 令 Z [E E(x)] /(k0T )
❖ 则上式变为
n(x) 4
2(mn* )32
3
(k0T )32 exp( EF
E(x)) k0T
Z 12eZ dZ
0
n(x)
第六章 pn结
6.1pn结及能带图
6.1.1 pn结的形成和杂质分布
❖ p-n结的形成 ♦ 控 制 同 一 块 半 导 体 的 掺 杂 , 形 成 pn 结 (合金法; 扩散法等)
♦在p(n)型半导体上外延生长n(p)型半导体
❖ 同质结和异质结 ♦由导电类型相反的同一种半导体单晶材 料组成的pn结--同质结
流非平衡子电注入形成少子扩散区. (外加正向偏压增大, 非平衡子电注入增加) ♦边界处的载流子浓度为:
eV
eV
♦稳态时,扩散区n(内x少p ) 子 n分p0e布kT也，是p(x稳n )定 的pn0.e kT
电流:
♦在体内,电流是多子漂移电流
♦在少子扩散区,多子电流主要是漂移电流;少子 电流是扩散电流
将两种载流子的扩散密度相加，得到理想pn结模 型的电流电压方程式
❖ p区载流子浓度与准费米能级的关系
，
np
ni
exp(
EFn k0T
Ei
)
pp
ni
exp( Ei EFp k0T
)
np pp
ni2
exp(
EFn EFp k0T
)
❖ pp’处，x=-xp，EFn-EFp=qV，因而
《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
半导体物理学第七版刘恩科编著
? 间隙式杂质
? 杂质原子小于晶体原子
? 杂质浓度：单位体积内的杂质原子数
1 杂质存在的方式
(1)间隙式→杂质位于组成半导体的元 素或离子的格点之间的间隙位置。
? 间隙式原子的半径一般比较小。
2r ? 1 a ? 3 ? r= 3 a
4
8
43
8? ? r
?
3 a3
? 0.34
?在金刚石型晶体中，一个晶胞内的原子只占晶 胞体积的 34%，空隙占 66%。 ?Li +在硅、锗、砷化镓中是间隙式杂质。
离价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。 ? 深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。
Impurity-doped Silicon
Ec ED
EEvA
Ec
△E D
E Ev
DE
D
（1）浅能级杂质
△E D<<Eg △E A<<Eg
（2）深能级杂质
△EA EA EA
△E D≮Eg
△EA≮Eg
到导带Ec成为导带电子，该杂质电离后成为正电 中心（正离子）。这种杂质称为施主杂质。
施主杂质
束缚态：杂质未电离，中性
离化态：杂质电离成为正电 中心，释放电子
杂质电离能：△ E D=E C-E D
△ED=EC-ED
ED
EC
Eg
EV
2.1.3受主杂质、受主能级 Acceptor impurity and acceptor level
???
(2)
Impurity-doped Silicon
正、负电荷所处介质的介电常数为：? ? ? 0 ? r
电势能 U(r) ? ? q 2
? 杂质原子小于晶体原子
? 杂质浓度：单位体积内的杂质原子数
1 杂质存在的方式
(1)间隙式→杂质位于组成半导体的元 素或离子的格点之间的间隙位置。
? 间隙式原子的半径一般比较小。
2r ? 1 a ? 3 ? r= 3 a
4
8
43
8? ? r
?
3 a3
? 0.34
?在金刚石型晶体中，一个晶胞内的原子只占晶 胞体积的 34%，空隙占 66%。 ?Li +在硅、锗、砷化镓中是间隙式杂质。
离价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。 ? 深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。
Impurity-doped Silicon
Ec ED
EEvA
Ec
△E D
E Ev
DE
D
（1）浅能级杂质
△E D<<Eg △E A<<Eg
（2）深能级杂质
△EA EA EA
△E D≮Eg
△EA≮Eg
到导带Ec成为导带电子，该杂质电离后成为正电 中心（正离子）。这种杂质称为施主杂质。
施主杂质
束缚态：杂质未电离，中性
离化态：杂质电离成为正电 中心，释放电子
杂质电离能：△ E D=E C-E D
△ED=EC-ED
ED
EC
Eg
EV
2.1.3受主杂质、受主能级 Acceptor impurity and acceptor level
???
(2)
Impurity-doped Silicon
正、负电荷所处介质的介电常数为：? ? ? 0 ? r
电势能 U(r) ? ? q 2
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
半导体物理学
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）
K空间等能面
在k=0处为能带极值
E(k)E(0) 2k2 2mn*
导带底附近
2k2 E(k)E(0) 2mp*
价带顶附近
K空间等能面
以 间任k 一x 、矢k y 量、k代z 表为波坐矢k标轴构成 k 空间，k 空
金刚石型
闪锌矿型
半 导 体 有: 化 合 物 半 导 体 如GaAs、InP、ZnS
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。
电子壳层
原子的能级
不同支壳层电子
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
u dv dk
E hv u 1 d E dk
E(k)
E(0)
h2k2 2mn*
u
k
m
* n
自由电子的速度
微观粒子具有波粒二象性
p m0u
E p2 2m0
(r,t)Aei(Krt)
p K
E hv
u k m0
半导体中电子的加速度
半导体物理学
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
半导体物理学
课程考核办法 :
本课采用开卷笔试的考核办法。 总评成绩构比例为：平时成绩10%； 期末
考试90%
2、实际情况的半导体材料与理想的半导体材料有 何不同？
K空间等能面
在k=0处为能带极值
E(k)E(0) 2k2 2mn*
导带底附近
2k2 E(k)E(0) 2mp*
价带顶附近
K空间等能面
以 间任k 一x 、矢k y 量、k代z 表为波坐矢k标轴构成 k 空间，k 空
金刚石型
闪锌矿型
半 导 体 有: 化 合 物 半 导 体 如GaAs、InP、ZnS
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。
电子壳层
原子的能级
不同支壳层电子
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
u dv dk
E hv u 1 d E dk
E(k)
E(0)
h2k2 2mn*
u
k
m
* n
自由电子的速度
微观粒子具有波粒二象性
p m0u
E p2 2m0
(r,t)Aei(Krt)
p K
E hv
u k m0
半导体中电子的加速度
半导体物理学
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
半导体物理学
课程考核办法 :
本课采用开卷笔试的考核办法。 总评成绩构比例为：平时成绩10%； 期末
考试90%
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ppt-刘恩科共224页文档
半导体物理学ppt-刘恩科
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
•
27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
•
28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
谢谢！
224
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可—卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
•
26、我们像鹰一样，生来就是自由的 ，但是 为了生 存，我 们不得 不为自 己编织 一个笼 子，然 后把自 己关在 里面。 ——博 莱索
•
27、法律如果不讲道理，即使延续时 间再长 ，也还 是没有 制约力 的。— —爱·科 克
•
28、好法律是由坏风俗创造出来的。 ——马 克罗维 乌斯
谢谢！
224
•
29、在一切能够接受法律支配的人类 的状态 中，哪 里没有 法律， 那里就 没有自 由。— —洛克
•
30、风俗可以造就法律，也可以废除 法律。 ——塞·约翰逊
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可—卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
半导体物理学刘恩科第七版 第七章 金半接触
2. 对于相同的势垒高度，肖特基势垒二极管有的JsD或 JsT比Js大得多。 肖特基势垒二极管正向导通电亚较低，约0.3V左右
3.肖特基势垒二极管的应用 应用于高速集成电路、微波技术中， 如Si TTL电路，雪崩二极管，肖特基势垒栅场效 应晶体管等。
7. 3 少数载流子的注入和欧姆接触
实际中，少数载流子的影响也比较显著。 对n阻挡层，体内电子为n0, 界面处电子浓度
半导体中， 使内部电子从半导体逸出 成为自由电子所需要的最小能量为：
Ws为半导体的功函数
表示半导体导带底的电子逸出体外 需要的最小能量。
Ws=+Ec-EF= + En
若一块金属和一块n型半导体，具有共同的真空静止能级， 且（金属功函数）Wm>Ws （半导体功函数）。
接触前：
接触后：
特征：
特征：1)接触后，半导体中
)d x
qns qV A T exp( ) exp( ) k0T k0T
* 2
A* (
h
3
)
A*称为有效理查逊常数，热电子向真空中发射 A*=120A/(cm2K)
J s m A*T 2 exp(
qns qV ) exp( ) k0T k0T
由于从金属到半导体的势垒高度不随外加电压变化， 从金属到半导体的电子流Jms为一常数。 应与热平衡下(V=0)时的Jsm相等。
qV J J sD exp( 1) k0T J sD qV [ (VD V )]exp( ) r 0 k0T qV J J sD exp( ) k0T 2qND
V>0, qV>>k0T
V<0, qV >>k0T
J J sD
半导体物理学第七版
▪ 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 ）
半导体物理学第七版
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
半导体物理学第七版
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）
半导体物理学第七版
K空间等能面
▪ 在k=0处为能带极值
E(k)E(0) 2k2 2mn*
导带底附近
E(k)E(0) 2k2 2mp*
价带顶附近
半导体物理学第七版
半导体物理学第七版
半导体中电子的运动
▪ 薛定谔方程及其解的形式
V(x)V(xsa)
2
2m0
d2d x2(x)V(x)(x)E(x)
k (x) uk (x)eikx
布洛赫波函数
uk (x) uk (x na)
半导体物理学第七版
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
半导体物理学第七版
半导体物理学第七版
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
N型半导体
施主能级
半导体物理学第七版
EC ED
EV
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
▪ 杂质的高度补偿（ NA ND ）
半导体物理学第七版
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
半导体物理学第七版
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）
半导体物理学第七版
K空间等能面
▪ 在k=0处为能带极值
E(k)E(0) 2k2 2mn*
导带底附近
E(k)E(0) 2k2 2mp*
价带顶附近
半导体物理学第七版
半导体物理学第七版
半导体中电子的运动
▪ 薛定谔方程及其解的形式
V(x)V(xsa)
2
2m0
d2d x2(x)V(x)(x)E(x)
k (x) uk (x)eikx
布洛赫波函数
uk (x) uk (x na)
半导体物理学第七版
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
半导体物理学第七版
半导体物理学第七版
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
N型半导体
施主能级
半导体物理学第七版
EC ED
EV
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
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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
半导体器件
半导体物理学
课程考核办法 :
本课采用开卷笔试的考核办法。 总评成绩构比例为：平时成绩10%； 期末考
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
微电子学发展的特点
向高集成度、低功耗、 高性能高可靠性电路方 向发展
与其它学科互相渗透， 形成新的学科领域： 光电集成、MEMS、生物 芯片
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
电子壳层
原子的能级
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=3 四个电子
n=2 8个电子
+14
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 分裂
4个原子能级的
半导体器件
原子的能级的分裂
原子能级分裂为能带
半导体器件
Si的能带 （价带、导带和带隙〕
半导体器件
半导体的能带结构
导带
Eg
价带
价带：0K条件下被电子填充的能量的能带 导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
2
mn* d 2E
dk 2
半导体器件
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）
原子结合形式：共价键 形成的晶体结构： 构成一个正四 面体，具有 金 刚 石 晶 体 结 构
半导体器件
金刚石结构
金刚石晶体结构
半 导 体 有: 元 素 半 导 体 如Si、Ge
半导体器件
闪锌矿晶体结构
金刚石型 矿型
闪锌
半 导 体 有: 化 合 物 半 导 体 如GaAs、InP、 ZnS
半导体器件
半导体器件
半导体及其基本特性
什么是半导体？ 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
)
E(0)
(
dE dk
)k
0
k
1 2
(
d2E dk 2
)k 0
k
2
....
E(k)
E(0)
1 2
(
d2E dk 2
)k
0
k
2
半导体器件
半导体中E（K）与K的关系
E(k)
E(0)
1 2
(
d2E dk 2
)k
0
k
2
1 d2E 令入上式2得( dk 2 )k0
1 mn*
代
E(k)
u 1 dE dk
dE fds fudt
f dk dt
dE f dE dt dk
a du 1 d ( dE ) 1 d 2E dk f d 2E
dt dt dk
dk 2 dt 2 dk 2
半导体器件
半导体中电子的加速度
令 即
1 mn*
1
2
d2E dk 2
a
f mn*
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 的半差导体别器。件
半导体中E（K）与K的关系
在导带底部，波数 k 0 ，附k 近 值
很小E，(k将) k 0 在
附近泰勒
展开
E(k
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
（ b）单胞无需是基本的 半导体器件
晶体结构
三维立方单胞
简立方、 面立方
体心立方、
半导体器件
金刚石晶体结构
dk
dk
E(k)
E(0)
h 2k2 2mn*
u
k mn*
半导体器件
自由电子的速度
微观粒子具有波粒二象性
p m0u
p2 E
2m0
(r, t) Aei(Krt)
半导体器件
p K
E hv
u k m0
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
试90%
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 九．半导体异质结构
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
E(0)
2k 2 2mn*
半导体器件
自由电子的能量
微观粒子具有波粒二象性
p m0u
p2 E
2m0
(r, t) Aei(Krt)
半导体器件
p K
E hv
E 2k2 2m0
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
u dv E hv u 1 dE
半导体器件
自由电子的运动
微观粒子具有波粒二象性
p m0u
p2 E
2m0
(r, t) Aei(Krt)
p K
E hv
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)
2
2m0
d 2(x) dx2
V (x)(x)
E(x)
k (x) uk (x)eikx
布洛赫波函数
uk (x) uk (x na)
半导体器件
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
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
半导体器件
半导体物理学
课程考核办法 :
本课采用开卷笔试的考核办法。 总评成绩构比例为：平时成绩10%； 期末考
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
微电子学发展的特点
向高集成度、低功耗、 高性能高可靠性电路方 向发展
与其它学科互相渗透， 形成新的学科领域： 光电集成、MEMS、生物 芯片
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
电子壳层
原子的能级
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=3 四个电子
n=2 8个电子
+14
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 分裂
4个原子能级的
半导体器件
原子的能级的分裂
原子能级分裂为能带
半导体器件
Si的能带 （价带、导带和带隙〕
半导体器件
半导体的能带结构
导带
Eg
价带
价带：0K条件下被电子填充的能量的能带 导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
2
mn* d 2E
dk 2
半导体器件
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）
原子结合形式：共价键 形成的晶体结构： 构成一个正四 面体，具有 金 刚 石 晶 体 结 构
半导体器件
金刚石结构
金刚石晶体结构
半 导 体 有: 元 素 半 导 体 如Si、Ge
半导体器件
闪锌矿晶体结构
金刚石型 矿型
闪锌
半 导 体 有: 化 合 物 半 导 体 如GaAs、InP、 ZnS
半导体器件
半导体器件
半导体及其基本特性
什么是半导体？ 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
)
E(0)
(
dE dk
)k
0
k
1 2
(
d2E dk 2
)k 0
k
2
....
E(k)
E(0)
1 2
(
d2E dk 2
)k
0
k
2
半导体器件
半导体中E（K）与K的关系
E(k)
E(0)
1 2
(
d2E dk 2
)k
0
k
2
1 d2E 令入上式2得( dk 2 )k0
1 mn*
代
E(k)
u 1 dE dk
dE fds fudt
f dk dt
dE f dE dt dk
a du 1 d ( dE ) 1 d 2E dk f d 2E
dt dt dk
dk 2 dt 2 dk 2
半导体器件
半导体中电子的加速度
令 即
1 mn*
1
2
d2E dk 2
a
f mn*
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 的半差导体别器。件
半导体中E（K）与K的关系
在导带底部，波数 k 0 ，附k 近 值
很小E，(k将) k 0 在
附近泰勒
展开
E(k
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
（ b）单胞无需是基本的 半导体器件
晶体结构
三维立方单胞
简立方、 面立方
体心立方、
半导体器件
金刚石晶体结构
dk
dk
E(k)
E(0)
h 2k2 2mn*
u
k mn*
半导体器件
自由电子的速度
微观粒子具有波粒二象性
p m0u
p2 E
2m0
(r, t) Aei(Krt)
半导体器件
p K
E hv
u k m0
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
试90%
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 九．半导体异质结构
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
E(0)
2k 2 2mn*
半导体器件
自由电子的能量
微观粒子具有波粒二象性
p m0u
p2 E
2m0
(r, t) Aei(Krt)
半导体器件
p K
E hv
E 2k2 2m0
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
u dv E hv u 1 dE
半导体器件
自由电子的运动
微观粒子具有波粒二象性
p m0u
p2 E
2m0
(r, t) Aei(Krt)
p K
E hv
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)
2
2m0
d 2(x) dx2
V (x)(x)
E(x)
k (x) uk (x)eikx
布洛赫波函数
uk (x) uk (x na)
半导体器件
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）