蒋玉龙教授-半导体物理ppt-7
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半导体器件的基础知识幻灯片PPT
将而要施主出杂现质电因子失数去一大个于价空电穴子数成为或正空离穴子数。大而在于这电种子半数导。体 把 数中目载多流的子载主流要子是称自多数由 载电流子子，，自数由目电少子的带载负流子电 称荷少 数〔载Ne流ga子tiv。e〕是，自故由命电名为子N为型多半数导体还。是于空是穴用为这样多的数示，意取图 决 于表掺示。杂物质。少数载流子的浓度取决本征激发。
2. P型半导体
+4
+4
+4
+4
++43
+4
P型
+4
+4
+4
受主杂质
受主杂质容易获得一个价电子成为负离子，而在这种半 导体中载流子主要是空穴，空穴带正电荷〔Positive〕故命 名为P型半导体。于是用这样的示意图表示。
P型半导体中的多数载流子为空穴，少数载流子 为自由电子
1.1.4 PN结
1.PN结的形成
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体， 这类材料大都是三、四、五价元素,主要有：硅、锗、磷、
硼、在砷这、铟里等，，我他们们的的电目阻的率不在是10研-3～究10半7欧导.厘体米材。料 ， 而是借助半导体材料的特性来建立一些概念和术 语半，导体如材多料数的、广少泛数应用载，流并子不，是P因型为半它导们的体导、电N能型力半介 于导导体体与，绝P缘N体结之，间载，而流是子它的们扩具散有一与些漂重移要运特动性：， PN 结1〕的当正半反导偏体置受，到外PN界结光的和热导的通激与发截〔止本等征。激发〕时，
2.PN结的单向导电性
1〕PN结的电阻
2〕由导于通空的间含电义荷区中的载流子极少，故PN结 改 的的的降3在〕厚导截变外电多落实P止度通和 加P阻，在N用N。越，控 电P很 假结结中N厚是制 压大 设的电结，电指电，， 在偏阻上为P阻此阻P与 两置。的N了的称越P端结大区改大为大加呈小和变小给电，现与N、。P压反区低N空控常，之结的电间制在可越设体阻电P认P小电置NN值荷为。结阻偏结，区其所N的相置上的反电谓厚比电加厚之压P要度压上度，N全大，一，有结 称部定简以关的 为， 称偏置。
2. P型半导体
+4
+4
+4
+4
++43
+4
P型
+4
+4
+4
受主杂质
受主杂质容易获得一个价电子成为负离子，而在这种半 导体中载流子主要是空穴，空穴带正电荷〔Positive〕故命 名为P型半导体。于是用这样的示意图表示。
P型半导体中的多数载流子为空穴，少数载流子 为自由电子
1.1.4 PN结
1.PN结的形成
导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体， 这类材料大都是三、四、五价元素,主要有：硅、锗、磷、
硼、在砷这、铟里等，，我他们们的的电目阻的率不在是10研-3～究10半7欧导.厘体米材。料 ， 而是借助半导体材料的特性来建立一些概念和术 语半，导体如材多料数的、广少泛数应用载，流并子不，是P因型为半它导们的体导、电N能型力半介 于导导体体与，绝P缘N体结之，间载，而流是子它的们扩具散有一与些漂重移要运特动性：， PN 结1〕的当正半反导偏体置受，到外PN界结光的和热导的通激与发截〔止本等征。激发〕时，
2.PN结的单向导电性
1〕PN结的电阻
2〕由导于通空的间含电义荷区中的载流子极少，故PN结 改 的的的降3在〕厚导截变外电多落实P止度通和 加P阻，在N用N。越，控 电P很 假结结中N厚是制 压大 设的电结，电指电，， 在偏阻上为P阻此阻P与 两置。的N了的称越P端结大区改大为大加呈小和变小给电，现与N、。P压反区低N空控常，之结的电间制在可越设体阻电P认P小电置NN值荷为。结阻偏结，区其所N的相置上的反电谓厚比电加厚之压P要度压上度，N全大，一，有结 称部定简以关的 为， 称偏置。
半导体物理基础第一章课件
2020/7/15
1.7.4本征半导体
• 本征载流子浓度ni和pi：
ni pi NCN V12exp2E K gT(169)
npni2(170)
• 称为质量作用定律。在非本征半导体情况 下同样适用。在热平衡情况下，已知ni和 一种载流子的浓度，可以求得另外一种载 流子的浓度
2020/7/15
1.7.4本征半导体
• 受主杂质很容易从价带接 收一个电子——受主电离 能很小，因此受主能级位 于价带之上，并距离很近 。
2020/7/15
1.6杂质能级
• 受主杂质电离的另外一种表述：把中性 的受主杂质看成带负电的硼离子在它周 围束缚一个带正点的空穴，把受主杂质 从价带接收一个电子的电离过程，看做 被硼离子束缚的空穴被激发的导带的过 程。
2020/7/15
1.2 能带
一、能带的形成 • 能级：电子所处的能量状态。 • 当原子结合成晶体时，原子最外层的价
电子实际上是被晶体中所有原子所共有 ，称为共有化。 • 共有化导致电子的能量状态发生变化， 产生了密集能级组成的准连续能带---能 级分裂。
2020/7/15
• 右图为硅 晶体的原 子间相互 作用示意 图
1.2 能带
si
si
si
si
si
si
si
si
si
2020/7/15
1.2 能带
• 二、能带结构与原子间距的关系 • 随着原子间距的缩小，能带结构发生的
变化依次为各能级分立、出现能级分裂 、合并为一个能带、再次出现能级分裂 等过程。 • 在“实际硅晶体原子间距”位置，共分 裂为两个能带，较低的能带被价电子填 满，较高的能带是空的。
2020/7/15
1.7载流子的统计分布
1.7.4本征半导体
• 本征载流子浓度ni和pi：
ni pi NCN V12exp2E K gT(169)
npni2(170)
• 称为质量作用定律。在非本征半导体情况 下同样适用。在热平衡情况下，已知ni和 一种载流子的浓度，可以求得另外一种载 流子的浓度
2020/7/15
1.7.4本征半导体
• 受主杂质很容易从价带接 收一个电子——受主电离 能很小，因此受主能级位 于价带之上，并距离很近 。
2020/7/15
1.6杂质能级
• 受主杂质电离的另外一种表述：把中性 的受主杂质看成带负电的硼离子在它周 围束缚一个带正点的空穴，把受主杂质 从价带接收一个电子的电离过程，看做 被硼离子束缚的空穴被激发的导带的过 程。
2020/7/15
1.2 能带
一、能带的形成 • 能级：电子所处的能量状态。 • 当原子结合成晶体时，原子最外层的价
电子实际上是被晶体中所有原子所共有 ，称为共有化。 • 共有化导致电子的能量状态发生变化， 产生了密集能级组成的准连续能带---能 级分裂。
2020/7/15
• 右图为硅 晶体的原 子间相互 作用示意 图
1.2 能带
si
si
si
si
si
si
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si
2020/7/15
1.2 能带
• 二、能带结构与原子间距的关系 • 随着原子间距的缩小，能带结构发生的
变化依次为各能级分立、出现能级分裂 、合并为一个能带、再次出现能级分裂 等过程。 • 在“实际硅晶体原子间距”位置，共分 裂为两个能带，较低的能带被价电子填 满，较高的能带是空的。
2020/7/15
1.7载流子的统计分布
半导体物理基础知识 ppt课件
原子最外层的电子称为价电子，有几个 价电子就称它为几族元素。 若原子失去一个电子，称这个原子为正 离子，若原子得到一个电子，则成为一个带负电的 负离子。原子变成离子的过程称为电离。
ppt课件
4
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。
ppt课件 17
1.6半导体的导电原理
1.6半导体的导电原理
导带
E (禁带宽)
g
价带
ppt 课件 1.6-1 图
18
1.6半导体的导电原理
1.6.2产生和复合 由于热或光激发而成对地产生电子空穴对，这种过程 称为“产生”。空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中与 空穴相遇时，自由电子就可能回到价键的空位上来，而同时消 失了一对电子和空穴，这就是“复合”。在一定温度下，又没 有光照射等外界影响时，产生和复合的载流子数相等，半导体 中将在产生和复合的基础上形成热平衡。此时，电子和空穴的 浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的发生。 1.6.3杂质和杂质半导体 纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子，那么， 这些其它元素的原子就称为半导体材料中的杂质原子。对硅的 导电性能有决定影响的主要是三族和五族元素原子。还有些杂 质如金，铜，镍，锰，铁等，在硅中起着复合中心的作用，影 响寿命，产生缺陷，有着许多有害的作用。
ppt课件
11
1.2半导体材料硅的晶体结构
ppt课件
4
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。
ppt课件 17
1.6半导体的导电原理
1.6半导体的导电原理
导带
E (禁带宽)
g
价带
ppt 课件 1.6-1 图
18
1.6半导体的导电原理
1.6.2产生和复合 由于热或光激发而成对地产生电子空穴对，这种过程 称为“产生”。空穴是共价键上的空位，自由电子在运动中与 空穴相遇时，自由电子就可能回到价键的空位上来，而同时消 失了一对电子和空穴，这就是“复合”。在一定温度下，又没 有光照射等外界影响时，产生和复合的载流子数相等，半导体 中将在产生和复合的基础上形成热平衡。此时，电子和空穴的 浓度保持稳定不变，但是产生和复合仍在持续的发生。 1.6.3杂质和杂质半导体 纯净的半导体材料中若含有其它元素的原子，那么， 这些其它元素的原子就称为半导体材料中的杂质原子。对硅的 导电性能有决定影响的主要是三族和五族元素原子。还有些杂 质如金，铜，镍，锰，铁等，在硅中起着复合中心的作用，影 响寿命，产生缺陷，有着许多有害的作用。
ppt课件
11
1.2半导体材料硅的晶体结构
半导体物理学ppt课件
在电场
②当电流密度一定时, dEF/dx与载流子浓
度成反比 ③上述讨论也适用于电子子系及空穴子系
(用准费米能级取代费米能级):
J =n
dEF dx
J =p
dEF dx
35
36
★ 正向偏压下的p-n结
①势垒: ♦ 外电压主要降落
于势垒区 ♦ 加正向偏压V, 势
垒高度下降为 e(VD-V),
荷区的产生—复合作用。 P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落
在过渡区上。
57
准中性区的载流子运动情况
稳态时, 假设GL=0
0
DN
d 2np dx2
n p
n
......x
xp
0
DP
d 2pn dx2
边界条件:
pn
p
......x
xn
图6.4
欧姆接触边界
以及工作温度
24
③接触电势差:
♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD
♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
VD
kT e
ln nn0 np0
kT e
ln
NDNA ni2
♦ VD与二边掺杂有关,
与Eg有关
25
电势
图6-8
电子势能(能带)
26
④平衡p-n结的载流子浓度分布: ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
52
53
54
理想二极管方程
PN结正偏时
55
理想二极管方程
PN结反偏时
②当电流密度一定时, dEF/dx与载流子浓
度成反比 ③上述讨论也适用于电子子系及空穴子系
(用准费米能级取代费米能级):
J =n
dEF dx
J =p
dEF dx
35
36
★ 正向偏压下的p-n结
①势垒: ♦ 外电压主要降落
于势垒区 ♦ 加正向偏压V, 势
垒高度下降为 e(VD-V),
荷区的产生—复合作用。 P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落
在过渡区上。
57
准中性区的载流子运动情况
稳态时, 假设GL=0
0
DN
d 2np dx2
n p
n
......x
xp
0
DP
d 2pn dx2
边界条件:
pn
p
......x
xn
图6.4
欧姆接触边界
以及工作温度
24
③接触电势差:
♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD
♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
VD
kT e
ln nn0 np0
kT e
ln
NDNA ni2
♦ VD与二边掺杂有关,
与Eg有关
25
电势
图6-8
电子势能(能带)
26
④平衡p-n结的载流子浓度分布: ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
52
53
54
理想二极管方程
PN结正偏时
55
理想二极管方程
PN结反偏时
[理学]半导体工艺-复旦大学-蒋玉龙-Chapter07
![[理学]半导体工艺-复旦大学-蒋玉龙-Chapter07](https://img.taocdn.com/s3/m/1f6a4eb8dc3383c4bb4cf7ec4afe04a1b071b04e.png)
compound ¾ Solvent
(2-3% in negative resist; ~20% in positive resist)
For ideal transfer:
Imin ≈ 0 → M = 1
*MTF of an exposure system
MTF
=
M im M mask
≈ M im
M mask ≈ 1
Spatial frequency – lines/mm (Cutoff)
ν = 1000 = 1000 2b 0.61λ / NA
母版 1X光刻版 对准，曝光 光刻硅片
电子束系统
分步重复投影曝光
Contact/Proximity Scanning Projection
DSW
Direct Writing
Ⅲ. Optical alignment and exposure system
(1) Contact printing
k1 is a complex factor of several variables in the photolithography process such as the quality of the photoresist and the use of resolution enhancement techniques such as phase shift masks, off-axis illumination and optical proximity correction.
¾Feature size resolution is determined by MTF of optical system and MTF of resist (MTF – 光学传递函 数)
(2-3% in negative resist; ~20% in positive resist)
For ideal transfer:
Imin ≈ 0 → M = 1
*MTF of an exposure system
MTF
=
M im M mask
≈ M im
M mask ≈ 1
Spatial frequency – lines/mm (Cutoff)
ν = 1000 = 1000 2b 0.61λ / NA
母版 1X光刻版 对准，曝光 光刻硅片
电子束系统
分步重复投影曝光
Contact/Proximity Scanning Projection
DSW
Direct Writing
Ⅲ. Optical alignment and exposure system
(1) Contact printing
k1 is a complex factor of several variables in the photolithography process such as the quality of the photoresist and the use of resolution enhancement techniques such as phase shift masks, off-axis illumination and optical proximity correction.
¾Feature size resolution is determined by MTF of optical system and MTF of resist (MTF – 光学传递函 数)
(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
[物理]半导体器件物理ppt
![[物理]半导体器件物理ppt](https://img.taocdn.com/s3/m/4aaa424c7375a417866f8ffb.png)
V 0
(3) 当V > 0 且较大时，能带 E F 向下弯曲更严重．使表面Ei < EF。 在SiO2-Si的界面处形成负载流子 (电子)的堆积．
EC
Ei EF
Qm 0
x
EV
0
(b ) 耗 尽 时
qN AW
EC
Qm
np ni expEF (kTEi )
V 0
Ei EF
0
x
0
EV
qN AW
EF
xi
(c) 反 型 时
当半导体耗尽区宽度达到W时，半导体内的电荷为ρs= -qNAW，积分泊松方
程式可得距离x的函数的表面耗尽区的静电势分布：
Ψ
Ψs
1
x W
2
半导体表面 EC
表面电势Ψs为
Ψs
qNAW 2
2 s
此电势分布与单边的n+-p结相同。
q S
q
( S 0)
氧化层 xi
Eg
q B
Ei
EF
EV 半导体
当Ψs=ΨB时， ns＝ps＝ni ，可看作表面开始发生反型 当Ψs>ΨB时， ns > ps ，表面处于反型
表面载流子密度为：
半导体表面
ns ni ex pq(Ψk s TΨB
q S
q
( S 0)
ps ni ex p q(ΨB k T Ψs) 氧化层
xi
EC
Eg
q B
Ei
EF
EV 半导体
天津工业大学
现代半导体器件物理
MOSFET及相关器件 8
MOS二极管
对表面电势可以区分为以下几种情况： Ψs<0： 空穴积累(能带向上弯曲)； Ψs =0： 平带情况； ΨB>Ψs>0：空穴耗尽(能带向下弯曲)； Ψs=ΨB： 禁带中心，即ns＝ps＝ni(本征浓度)； Ψs>ΨB： 反型(能带向下弯曲超过费米能级)．
半导体物理ppt课件
共有化运动的产生是由于 不同原子的相似壳层的交 叠，如图1—5所示
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.2晶体中的电子状态
2、电子共有化运动使能级分裂为能带
例如：两个原子 相距很远时，如同孤立原子，
每个能级都有两个态与之相应， 是二度简并的 能级如图1-6(a)所示
§1.2半导体中的电子状态和能带
定量理论（量子力学计算）：电子在周期场中运动，其 能量不连续形成能带。
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.4电子在周期场中的运动——能带论
3、能带理论的应用 能带（energy band）包括允带和禁带。
允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范 围。
禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范 围。
半导体物理
Semiconductor Physics
第一章 半导体中的电子状态
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 1.晶体结构的描述（有关的名词） 格点：空间（一维或多维）点阵中的点（结点） 晶列：通过任意两格点所作的（晶列上有一系列格点） 晶向：在坐标系中晶列的方向（确定晶向的方法待定）
分电子。） 价带（valence band）:被价电子占据的允带（低温下
通常被价电子占满）。
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.4电子在周期场中的运动——能带论
1、自由电子的运动 晶体中电子的运动与孤立原子的电子、自由电子的运动不同： 孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中运动 自由电子是在恒定为零的势场中运动 晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动，
单电子近似认为，晶体中的某一个电子是在周期性排列且固 定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运动， 这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格周期相同。
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.2晶体中的电子状态
2、电子共有化运动使能级分裂为能带
例如：两个原子 相距很远时，如同孤立原子，
每个能级都有两个态与之相应， 是二度简并的 能级如图1-6(a)所示
§1.2半导体中的电子状态和能带
定量理论（量子力学计算）：电子在周期场中运动，其 能量不连续形成能带。
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.4电子在周期场中的运动——能带论
3、能带理论的应用 能带（energy band）包括允带和禁带。
允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范 围。
禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范 围。
半导体物理
Semiconductor Physics
第一章 半导体中的电子状态
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 1.晶体结构的描述（有关的名词） 格点：空间（一维或多维）点阵中的点（结点） 晶列：通过任意两格点所作的（晶列上有一系列格点） 晶向：在坐标系中晶列的方向（确定晶向的方法待定）
分电子。） 价带（valence band）:被价电子占据的允带（低温下
通常被价电子占满）。
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.4电子在周期场中的运动——能带论
1、自由电子的运动 晶体中电子的运动与孤立原子的电子、自由电子的运动不同： 孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中运动 自由电子是在恒定为零的势场中运动 晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动，
单电子近似认为，晶体中的某一个电子是在周期性排列且固 定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运动， 这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格周期相同。
《半导体的基本知识》PPT课件
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3
杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小， 但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征
载流子数。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
4.杂质半导体的性质：
1.杂质半导体保持电中性 多子电荷总量=少子+离子电荷总量。
2.载流子仍为自由电子和空穴. 3.掺入杂质后，载流子浓度大大增加,导电能力 增强.多子的浓度主要由掺杂浓度决定,所以受温度影 响小.
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，只有在外电场强到一定程度时才可能导 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。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
• 半导体特性
掺杂特性 掺入杂质则导电率增加几百倍
热敏特性 温度增加使导电率大为增加
半导体器件 热敏器件
光敏特性 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
本小 节的 有关 概念
•本征半导体、杂质半导体 •施主杂质、受主杂质 •N型半导体、P型半导体 •自由电子、空穴 •多数载流子、少数载流子
磷（P）
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
N 型半导体中的载流子是什么？
1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2.本征激发成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以， 自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多 数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少 子）。
# 正离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。
杂质半导体中，尽管掺入的杂质浓度很小， 但通常由杂质原子提供的载流子数却远大于本征
载流子数。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
4.杂质半导体的性质：
1.杂质半导体保持电中性 多子电荷总量=少子+离子电荷总量。
2.载流子仍为自由电子和空穴. 3.掺入杂质后，载流子浓度大大增加,导电能力 增强.多子的浓度主要由掺杂浓度决定,所以受温度影 响小.
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，只有在外电场强到一定程度时才可能导 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。
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
• 半导体特性
掺杂特性 掺入杂质则导电率增加几百倍
热敏特性 温度增加使导电率大为增加
半导体器件 热敏器件
光敏特性 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
本小 节的 有关 概念
•本征半导体、杂质半导体 •施主杂质、受主杂质 •N型半导体、P型半导体 •自由电子、空穴 •多数载流子、少数载流子
磷（P）
整理ppt
1.1.2 杂质半导体
N 型半导体中的载流子是什么？
1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2.本征激发成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以， 自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多 数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少 子）。
# 正离子不能自由运动，不能自由运动参加导电，不是载流子。
《半导体物理基础》课件
当电子从导带回到价带时，会释 放能量并发出光子，这就是发光 效应。发光效应是半导体的一个 重要应用，如发光二极管和激光 器等。
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
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
半导体物理 第一章正文ppt
****无法做出更详细、更统一的描述
5，晶体中结点的不同排列，均是由原子核
及核外电子的相互作用特点所决定的 。
二、量子理论概述
讨论范围：
量子理论的
基本概念（观念）， 基本关系式，
基本结论，
基本做法 。
量子理论的讨论对象适用对象：微观世界的随机过程
本教材、本授课中，处理问题的方法， 基本上是“半经典半量子化的（量子理 论与经典理论结合在一起使用）”，有 时又是“准经典的”，请在学习过程中 加以体会。
电子自旋角动量：
3 2
（4）轨道磁量子数
ml ：
轨道角动量在z轴投影，其大小为：ml
对一个
l
ml l ,(l 1),,0,, (l 1),l
l l l
l 2 l 1
l
取值， ml 有 (2l 1) 个取值：
z
（5）自旋磁量子数
ms：
自旋角动量在z轴投影，其大小： ms 对一个s取值，
定态薛定谔方程：
2 V (r ) (r ) E (r ) 2m
2
量子理论中用波函数描述物理状态，波 函数是“几率函数”，由之可知某物理 量取某值的几率。 E为粒子能量
物理量的平均值： Q
ˆ (r )Q (r )dr
ˆ p p i, i j k (梯度算子) x y z
坐标表象：
ˆ rp L L ˆ ˆ
2 ˆ i V (r ) EH t 2m
2
H=T+V
h 2
p2/2m
物理量的量子化： 物理量的取值觃律
*
5，晶体中结点的不同排列，均是由原子核
及核外电子的相互作用特点所决定的 。
二、量子理论概述
讨论范围：
量子理论的
基本概念（观念）， 基本关系式，
基本结论，
基本做法 。
量子理论的讨论对象适用对象：微观世界的随机过程
本教材、本授课中，处理问题的方法， 基本上是“半经典半量子化的（量子理 论与经典理论结合在一起使用）”，有 时又是“准经典的”，请在学习过程中 加以体会。
电子自旋角动量：
3 2
（4）轨道磁量子数
ml ：
轨道角动量在z轴投影，其大小为：ml
对一个
l
ml l ,(l 1),,0,, (l 1),l
l l l
l 2 l 1
l
取值， ml 有 (2l 1) 个取值：
z
（5）自旋磁量子数
ms：
自旋角动量在z轴投影，其大小： ms 对一个s取值，
定态薛定谔方程：
2 V (r ) (r ) E (r ) 2m
2
量子理论中用波函数描述物理状态，波 函数是“几率函数”，由之可知某物理 量取某值的几率。 E为粒子能量
物理量的平均值： Q
ˆ (r )Q (r )dr
ˆ p p i, i j k (梯度算子) x y z
坐标表象：
ˆ rp L L ˆ ˆ
2 ˆ i V (r ) EH t 2m
2
H=T+V
h 2
p2/2m
物理量的量子化： 物理量的取值觃律
*
【精编】半导体简易原理PPT课件
1fF(E)11exp1EEF
也就是被空穴占据的几率。
kT 16
费米概率函数
• 理想情况，能量小于EF的能级被电子占据的概率为１
fF
(E)
1
1exp EEF
kT
能量 E>Ef E<Ef E=Ef
概率＝０
１
1/2
17
费米能级ＥF
• 有一定温度时 T>0
18
玻尔兹曼分布函数
fF
(E)
1
1exp EEF
间隙式杂质，替位式杂质
• 杂质进入半导体后可以存在于晶格 原子之间的间隙位置上，称为间隙
式杂质，间隙式杂质原子一般较小。
• 也可以取代晶格原子而位于格点上，
图 替位式杂质和间隙式杂质
称为替（代）位式杂质，替位式杂
Ⅲ、Ⅴ族元素掺入Ⅳ族的Si
质通常与被取代的晶格原子大小比 或Ge中形成替位式杂质，用单位 较接近而且电子壳层结构也相似。 体积中的杂质原子数，也就是杂质
满带 =价带
半满 带=导 带
满带与半满带 13
固体中电的传导 能带和键模型
T=0K的半导体能带见图 (a)， 这时半导体的价带是满带，而导带是空带，所以半导体不导电。 当温度升高或在其它外界因素作用下，原先空着的导带变为半
满带，而价带顶附近同时出现了一些空的量子态也成为半满带， 这时导带和价带中的电子都可以参与导电，见图 (b)。 常温下半导体价带中已有不少电子被激发到导带中，因而具备 一定的导电能力。图 (c)是最常用的简化能带图。
• 又因为这些量子态上并不是 全部被电子占据，因此还要 知道能量为E的量子态被电子 占据的几率是多少。
nEgcEfFE
价带空穴的分布
半导体物理课件-PPT精品文档
9. 半导体异质结构
接触现象
10.半导体的光学性质和光电
与发光现象
11.半导体的热电性质
12.半导体磁和压阻效应
特殊效应
13.非晶态半导体
半导体概要1
一、什么是半导体(semiconductor)？
➢ 电阻率
➢ 带隙
半导体概要2
半导体概要3
二、半导体的主要特征：
➢ 杂质对半导体电阻率的影响
➢ 温度对半导体的影响
pm
vE
0
p
2m
2
0
(
r
,
t
)
Ae
i
(
k
r
t
)
pk
Ehv
v
E
k
m0
2k 2
2m0
可以看出，对于波矢
k的运动状态，
自由电子的
E, p, v均有确定值，因
此波矢
k可以描述自由电子运动
状
态。
自由电子的E-k关系
1.2 半导体中的电子状态和能带5
➢ 初级晶胞(原胞)：晶体中最小重复单元
一个初基晶胞是一个体积最小的晶胞
初基晶胞中的原子数目（密度）都是一样的
初基晶胞中只含有一个阵点（平行六面体的8个角隅，1/8共享）
➢ 原胞往往不能反映晶体的对称性, 晶胞一般不是最小的重复单元。其体
积（面积）可以是原胞的数倍
晶胞：a, b, c轴围成的六面体
原胞：a1,a2,a3围成的六面体
大值附近能量Ev(k)分别为：
2
接触现象
10.半导体的光学性质和光电
与发光现象
11.半导体的热电性质
12.半导体磁和压阻效应
特殊效应
13.非晶态半导体
半导体概要1
一、什么是半导体(semiconductor)？
➢ 电阻率
➢ 带隙
半导体概要2
半导体概要3
二、半导体的主要特征：
➢ 杂质对半导体电阻率的影响
➢ 温度对半导体的影响
pm
vE
0
p
2m
2
0
(
r
,
t
)
Ae
i
(
k
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)
pk
Ehv
v
E
k
m0
2k 2
2m0
可以看出，对于波矢
k的运动状态，
自由电子的
E, p, v均有确定值，因
此波矢
k可以描述自由电子运动
状
态。
自由电子的E-k关系
1.2 半导体中的电子状态和能带5
➢ 初级晶胞(原胞)：晶体中最小重复单元
一个初基晶胞是一个体积最小的晶胞
初基晶胞中的原子数目（密度）都是一样的
初基晶胞中只含有一个阵点（平行六面体的8个角隅，1/8共享）
➢ 原胞往往不能反映晶体的对称性, 晶胞一般不是最小的重复单元。其体
积（面积）可以是原胞的数倍
晶胞：a, b, c轴围成的六面体
原胞：a1,a2,a3围成的六面体
大值附近能量Ev(k)分别为：
2
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