半导体物理课件1-7章(第二章)
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半导体物理与器件ppt课件
2.23
h h K为波数=2π/λ, λ为波长。 2mE 15 P
2.3薛定谔波动方程的应用
2.3.2无限深势阱（变为驻波方程） 与时间无关的波动方程为：
2 x 2m 2 E V x x 0 2 x
2.13
由于E有限，所以区域I和III 中：
课程主要内容
固体晶格结构：第一章 量子力学：第二章~第三章 半导体物理：第四章~第六章 半导体器件：第七章~第十三章
1
绪论
什么是半导体
按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体
表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围 材料 电阻率ρ(Ωcm) 导体 ＜ 10-3 半导体 10-3～109 绝缘体 ＞109
分别求解与时间无关的波动方程、与时间有关的波 动方程可得自由空间中电子的波动方程为：
j j x, t A exp x 2mE Et B exp x 2mE Et
2.22
说明自由空间中的粒子运动表现为行波。 沿方向+x运动的粒子： x, t A exp j kx t
18
2.3薛定谔波动方程的应用
无限深势阱（前４级能量）
随着能量的增加，在任意给 定坐标值处发现粒子的概率 会渐趋一致
19
2.3薛定谔波动方程的应用
2.3.3阶跃势函数
入射粒子能量小于势垒时也有一定概率穿过势垒 （与经典力学不同）
20
2.3薛定谔波动方程的应用
2.3.3阶跃势函数 Ⅰ区域 21 x 2mE 2 1 x 0 2.39 2
《半导体物理》课件
半导体器件
半导体应用
探索各种半导体器件，如二极管、 晶体管和集成电路的工作原理。
了解半导体在电子通信、计算机 和能源技术等领域中的应用。
晶体物理基础
本节将介绍晶体物理学的基本原理及晶格结构。了解晶体的性质和结构对于理解半导体物理至关重要。
晶体结构
探索晶体的结晶结构和晶格参数。
布拉维格子
了解布拉维格子及其在晶体物理中的重要性。
PN结与二极管
深入了解PN结和二极管的工作原理和特性。探索PN结在电子器件中的重要性和应用。
PN结形成
了解PN结的形成过程和材料特性。
正向偏置
介绍正向偏置情况下PN结的导电性能和电流行为。
反向偏置
研究反向偏置情况下PN结的特性和电流行为。
场效应晶体管
本节将深入研究场效应晶体管的工作原理和应用。了解场效应晶体管作为重要的电子器件的优势和特性。
晶体缺陷
研究晶体中的缺陷和杂质对材料性能的影响。
晶体生长
了解晶体的生长原理和方法。
晶体缺陷与扩散
本节将深入研究晶体缺陷和扩散现象。了解这些关键概念对于半导体器件设计和制造至关重要。
1
缺陷类型
介绍晶体缺陷的种类，如点缺陷和线缺
扩散过程
2
陷。
详细了解扩散现象的原理和应用，包括
掺杂和控制扩散速率。
3
热扩散
1
原理介绍
详细了解场效应晶体管的基本物理原理和工作机制。
2
பைடு நூலகம்
MOSFET
研究金属氧化物半导体场效应晶体管的结构和特性。
3
JFET
了解结型场效应晶体管的结构和特点。
集成电路基础
在本节中，我们将介绍集成电路的基本概念和设计原则。了解集成电路的演变和应用。
半导体物理第二章ppt课件
引进有效质量，半导体中的电子所受的外力与
加速的关系和牛顿第二定律类似。
3、引进有效质量的意义：
由
a= f
m
* n
可以看出有效质量概括了半导体内
部势场的作用，使得在解决半导体中电子在
外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导
体内部势场的作用。
课堂练习：习题3（P58)
2.6.3 状态密度、态密度有效质量、电导有效质量
近出现了一些空的量子状态，在外电场的作用下， 停留在价带中的电子也能够起导电的作用，把价带 中这种导电作用等效于把这些空的量子状态看做带 正电荷的准粒子的导电作用，常称这些空的量子状 态为空穴
2.3.2 金属、半导体、绝缘体的能带
2.4 半导体的带隙结构
间接能隙结构—即价带的最高 点与导带的最低点处于K空间 的不同点
3、 测不准关系
当微观粒子处于某一状态时，它的力学量（坐 标、动量、能量等）一般不具有确定的数值。
如： p g xh 同 一 粒 子 不 可 能 同 时 确 定 其 坐 标 和 动 量
测不准原理告诉我们,对微观粒子运动状态分 析，需用统计的方法。
4、 波函数
波函数 r ,t 描述量子力学的状态
= hk m
h2k 2 E
2m
对于波矢为k的运动状态，自由电子的能量E和动
量P，速度v均有确定的数值，因此，波矢量 k可
用以描述自由电子的运动状态，不同的k值标致
自由电子的不同状态。
6、 单原子电子
电子的运动服从量子力学，处于一系列特定的 运动状态---量子态，要完全描述原子中的一个电 子的运动状态，需要四个量子数。
氧的电子组态表示的意思：第一主轨道上有两个电子 ，这两个电子的亚轨道为s，（第一亚层）；第二主轨 道有6个电子，其中有2个电子分布在s 亚（第一亚层） 轨道上，有4个电子分布在p亚轨道上（第二亚层）
半导体器件物理2精品PPT课件
线性缓变结：在线性区 N (x) ax
2.1 热平衡PN结
2.1 热平衡PN结
p
EC
EF EV
n
EC EF EV
p
漂移
p
扩散
n
E
扩散 q0
EC
n
EF
Ei
EV 漂移
（a）在接触前分开的P型和N型硅的能带图 图2-3
（b）接触后的能带图
2.1 热平衡PN结
p 型电中性区
边界层
边界层
耗尽区
n 型电中性区
• 由P型半导体和N型半导体实现冶金学接触（原子级接 触）所形成的结构叫做PN结。
• 任何两种物质（绝缘体除外）的冶金学接触都称为结 （junction）,有时也叫做接触（contact）.
引言
• 由同种物质构成的结叫做同质结（如硅），由不同 种物质构成的结叫做异质结（如硅和锗）。由同种 导电类型的物质构成的结叫做同型结（如P-硅和P型硅、P-硅和P-型锗），由不同种导电类型的物质 构成的结叫做异型结（如P-硅和N-硅、P-硅和N－ 锗）。因此PN结有同型同质结、同型异质结、异型 同质结和异型异质结之分。广义地说，金属和半导 体接触也是异质结，不过为了意义更明确，把它们 叫做金属－半导体接触或金属－半导体结（M-S结）。
2.2 加偏压的 P-N 结
2.2 加偏压的 P-N 结
• 2.2.1加偏压的结的能带图
能量 （E ）
P
N
W
（a ）
q 0 EC EF
（a）热平衡，耗尽层宽 度为 W
W
P
N
V
+
能量
（E ）
E Fn
E Fp
（b ）
半导体物理学第二章-PPT
大家好
9
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
N型半导体
半导体的掺杂
施主能级
大家好
10
2.1.3 受主杂质 受主能级
在硅中掺入3价的硼B，硼原子有3个价电子，与周围四个硅原子形成共价鍵，缺少一个电子，必须从周围获得一个电子，成为负电中心B-。硼的能级距价带能级顶部很近，容易得到电子。负电中心B-不能移动；而价带顶的空穴易于被周围电子填充，形成空穴的移动，即“导电空穴”。这种能够接受电子的杂质称之为“受主杂质”，或P型杂质。受主杂质获得电子的过程称之为“受主电离”；受主束缚电子的能量状态称之为“受主能级EA”；受主能级比价带顶EV高“电离能EA” 。
大家好
11
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
P型半导体
半导体的掺杂
受主能级
大家好
12
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 ，施主能级比导带底低 ，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。
大家好
30
杂质在GaAs中的位置
替代Ⅲ族时，周围是四个Ⅴ族原子替代Ⅴ族时，周围是四个Ⅲ族原子
大家好
31
IV族元素碳、硅、锗等掺入III-V族化合物中，若取代III族元素起施主作用；若取代V族元素起受主作用。总效果是施主还是受主与掺杂条件有关。
例如，硅在砷化镓中引入一个浅的施主能级，即硅起施主作用，向导带提供电子。当硅杂质浓度达到一定程度后，导带电子浓度趋向饱和，杂质的有效浓度反而降低。
9
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
N型半导体
半导体的掺杂
施主能级
大家好
10
2.1.3 受主杂质 受主能级
在硅中掺入3价的硼B，硼原子有3个价电子，与周围四个硅原子形成共价鍵，缺少一个电子，必须从周围获得一个电子，成为负电中心B-。硼的能级距价带能级顶部很近，容易得到电子。负电中心B-不能移动；而价带顶的空穴易于被周围电子填充，形成空穴的移动，即“导电空穴”。这种能够接受电子的杂质称之为“受主杂质”，或P型杂质。受主杂质获得电子的过程称之为“受主电离”；受主束缚电子的能量状态称之为“受主能级EA”；受主能级比价带顶EV高“电离能EA” 。
大家好
11
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
P型半导体
半导体的掺杂
受主能级
大家好
12
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 ，施主能级比导带底低 ，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。
大家好
30
杂质在GaAs中的位置
替代Ⅲ族时，周围是四个Ⅴ族原子替代Ⅴ族时，周围是四个Ⅲ族原子
大家好
31
IV族元素碳、硅、锗等掺入III-V族化合物中，若取代III族元素起施主作用；若取代V族元素起受主作用。总效果是施主还是受主与掺杂条件有关。
例如，硅在砷化镓中引入一个浅的施主能级，即硅起施主作用，向导带提供电子。当硅杂质浓度达到一定程度后，导带电子浓度趋向饱和，杂质的有效浓度反而降低。
半导体器件物理教案课件
半导体器件物理教案课件PPT第一章：半导体物理基础知识1.1 半导体的基本概念介绍半导体的定义、特点和分类解释n型和p型半导体的概念1.2 能带理论介绍能带的概念和能带结构解释导带和价带的概念讲解半导体的导电机制第二章：半导体材料与制备2.1 半导体材料介绍常见的半导体材料，如硅、锗、砷化镓等解释半导体材料的制备方法，如拉晶、外延等2.2 半导体器件的制备工艺介绍半导体器件的制备工艺，如掺杂、氧化、光刻等解释各种制备工艺的作用和重要性第三章：半导体器件的基本原理3.1 晶体管的基本原理介绍晶体管的结构和工作原理解释n型和p型晶体管的概念讲解晶体管的导电特性3.2 半导体二极管的基本原理介绍半导体二极管的结构和工作原理解释PN结的概念和特性讲解二极管的导电特性第四章：半导体器件的特性与测量4.1 晶体管的特性介绍晶体管的主要参数，如电流放大倍数、截止电流等解释晶体管的转移特性、输出特性和开关特性4.2 半导体二极管的特性介绍半导体二极管的主要参数，如正向压降、反向漏电流等解释二极管的伏安特性、温度特性和频率特性第五章：半导体器件的应用5.1 晶体管的应用介绍晶体管在放大电路、开关电路和模拟电路中的应用解释晶体管在不同应用电路中的作用和性能要求5.2 半导体二极管的应用介绍半导体二极管在整流电路、滤波电路和稳压电路中的应用解释二极管在不同应用电路中的作用和性能要求第六章：场效应晶体管（FET）6.1 FET的基本结构和工作原理介绍FET的结构类型，包括MOSFET、JFET等解释FET的工作原理和导电机制讲解FET的输入阻抗和输出阻抗6.2 FET的特性介绍FET的主要参数，如饱和电流、跨导、漏极电流等解释FET的转移特性、输出特性和开关特性分析FET的静态和动态特性第七章：双极型晶体管（BJT）7.1 BJT的基本结构和工作原理介绍BJT的结构类型，包括NPN型和PNP型解释BJT的工作原理和导电机制讲解BJT的输入阻抗和输出阻抗7.2 BJT的特性介绍BJT的主要参数，如放大倍数、截止电流、饱和电流等解释BJT的转移特性、输出特性和开关特性分析BJT的静态和动态特性第八章：半导体存储器8.1 动态随机存储器（DRAM）介绍DRAM的基本结构和工作原理解释DRAM的存储原理和读写过程分析DRAM的性能特点和应用领域8.2 静态随机存储器（SRAM）介绍SRAM的基本结构和工作原理解释SRAM的存储原理和读写过程分析SRAM的性能特点和应用领域第九章：半导体集成电路9.1 集成电路的基本概念介绍集成电路的定义、分类和特点解释集成电路的制造工艺和封装方式9.2 集成电路的设计与应用介绍集成电路的设计方法和流程分析集成电路在电子设备中的应用和性能要求第十章：半导体器件的测试与故障诊断10.1 半导体器件的测试方法介绍半导体器件测试的基本原理和方法解释半导体器件测试仪器和测试电路10.2 半导体器件的故障诊断介绍半导体器件故障的类型和原因讲解半导体器件故障诊断的方法和步骤第十一章：功率半导体器件11.1 功率二极管和晶闸管介绍功率二极管和晶闸管的结构、原理和特性分析功率二极管和晶闸管在电力电子设备中的应用11.2 功率MOSFET和IGBT介绍功率MOSFET和IGBT的结构、原理和特性分析功率MOSFET和IGBT在电力电子设备中的应用第十二章：光电器件12.1 光电二极管和太阳能电池介绍光电二极管和太阳能电池的结构、原理和特性分析光电二极管和太阳能电池在光电子设备中的应用12.2 光电晶体管和光开关介绍光电晶体管和光开关的结构、原理和特性分析光电晶体管和光开关在光电子设备中的应用第十三章：半导体传感器13.1 温度传感器和压力传感器介绍温度传感器和压力传感器的结构、原理和特性分析温度传感器和压力传感器在电子测量中的应用13.2 光传感器和磁传感器介绍光传感器和磁传感器的结构、原理和特性分析光传感器和磁传感器在电子测量中的应用第十四章：半导体器件的可靠性14.1 半导体器件的可靠性基本概念介绍半导体器件可靠性的定义、指标和分类解释半导体器件可靠性的重要性14.2 半导体器件可靠性的影响因素分析半导体器件可靠性受材料、工艺、封装等因素的影响14.3 提高半导体器件可靠性的方法介绍提高半导体器件可靠性的设计和工艺措施第十五章：半导体器件的发展趋势15.1 纳米晶体管和新型存储器介绍纳米晶体管和新型存储器的研究进展和应用前景15.2 新型半导体材料和器件介绍石墨烯、碳纳米管等新型半导体材料和器件的研究进展和应用前景15.3 半导体器件技术的未来发展趋势分析半导体器件技术的未来发展趋势和挑战重点和难点解析重点：1. 半导体的基本概念、分类和特点。
《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 。
半导体物理课件
结论:磷杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而 产生导电电子并形成正电中心。这种杂质称施主杂 质 。掺施主杂质后，导带中的导电电子增多，增 强了半导体的导电能力。
主要依靠导带电子导电的半导体称n型半导体。
*从Si的电子能量图看:
电离能的计算:
氢原子
En
mq4
(4 0 )2 22
1 n
（2）受主杂质 (Acceptor) p型半导体 Ⅳ族元素硅、锗中掺Ⅲ族元素,如硼（B）: *从si的共价键平面图看:
两边取对数并整理,得:
EF
1 2
EC ED
1 2
k0T
ln(
ND 2NC
)
ED起了本征EV 的作用
载流子浓度:
EC EF
EC
EF
n0 NCe k0T NCe k0T e k0T
ND NC
1
2
EC ED
e 2k0T
ND NC
1 2
ED
e 2k0T
2
2
(2)中温强电离区
N
D
n0 ND
（2）EF ~T
（3）EF ~掺杂（T一定，则NC也一定）
T一定，ND越大，EF越靠近EC（低温： ND > NC 时 , ND
(ln ND -ln2 NC)
ND < NC 时, ND
|ln ND -ln2 NC| 中温：由于T的升高， NC增加，使ND < NC ， ND
B13:1S22S22P63S23P1 B有三个价电子,当它与周围的四
个Si原子形成共价键时，必须从别 处的硅原子中夺取一个价电子,共价 键中缺少一个价电子，产生空穴。 硼原子接受一个电子后，成为带负 电的硼离子。 B- —负电中心.
半导体器件物理PPT课件
解
11
练习 假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
12
例1-2 硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
13
29
●允带
允许电子存在的一系列准 连续的能量状态
● 禁带
禁止电子存在的一系列能 量状态
● 满带
被电子填充满的一系列准 连续的能量状态 满带不导电
● 空带
没有电子填充的一系列准 连续的能量状态 空带也不导电
图1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）
30
●导带
有电子能够参与导电的能带， 但半导体材料价电子形成的高 能级能带通常称为导带。
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
27
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动；
杂质来源
一）制备半导体的原材料纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污； 三）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。
40
金刚石结构的特点
原子只占晶胞体积的34%，还有66%是空隙， 这些空隙通常称为间隙位置。
杂质的填充方式
一）杂质原子位于晶格 间隙式杂质 原子间的间隙位置， 间隙式杂质/填充；
11
练习 假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
12
例1-2 硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
13
29
●允带
允许电子存在的一系列准 连续的能量状态
● 禁带
禁止电子存在的一系列能 量状态
● 满带
被电子填充满的一系列准 连续的能量状态 满带不导电
● 空带
没有电子填充的一系列准 连续的能量状态 空带也不导电
图1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）
30
●导带
有电子能够参与导电的能带， 但半导体材料价电子形成的高 能级能带通常称为导带。
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
27
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动；
杂质来源
一）制备半导体的原材料纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污； 三）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。
40
金刚石结构的特点
原子只占晶胞体积的34%，还有66%是空隙， 这些空隙通常称为间隙位置。
杂质的填充方式
一）杂质原子位于晶格 间隙式杂质 原子间的间隙位置， 间隙式杂质/填充；
半导体物理第二章能带和载流子课件
自由电子能量和动量的关系：E=P2/2m0 （m0为自由电子质量）
E=P2/2mn （p为动量 ， mn为电子有效质量）
抛物线 表示：
E
P
注意：电子有效质量由半导体特性决定，但可以由E对P的二次
微分算出：mn=（d2E/dp2）-1
由此得：曲率越小，二次微分越大，有效质量越小
18
第十八页，本课件共有49页
间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置；一般原子比较 小。 替位式杂质：杂质原子取代晶格原子位于晶格处。要求替位式杂质 的大小与被取代的晶格原子的大小相近。
36
第三十六页，本课件共有49页
施主杂质(donor)
37
第三十七页，本课件共有49页
V族： P, As
V族元素取代Si原子后，形成 一个正电中心和一个多余的 价电子。
数
计算值 测量值
e
0.67
0.56m0 0.37m0 1.05x1019 5.7x1018
2.0x1013 2.4x1013
1.12 1.08m0 0.59m0 2.86x1019 2.66x1019 7.8x109 9.65x109
aAs 1.42 0.068m0 0.47m0 4.7x1017 7x1018
金刚石
导电
较高
(热激发 e,h)
导电
低
(n ~1022 cm-3)
导电
金属< 半金属< 半导体
Si, Ge, GaAs
Na: 1s22s2 2p63s1
Mg: 1s22s2 2p63s2
V族 Bi, Sb, As
§2.6 本征载流子浓度
热平衡状态 本征激发与本征半导体 费米分布函数与玻尔慈曼分布函数 本征载流子浓度
E=P2/2mn （p为动量 ， mn为电子有效质量）
抛物线 表示：
E
P
注意：电子有效质量由半导体特性决定，但可以由E对P的二次
微分算出：mn=（d2E/dp2）-1
由此得：曲率越小，二次微分越大，有效质量越小
18
第十八页，本课件共有49页
间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置；一般原子比较 小。 替位式杂质：杂质原子取代晶格原子位于晶格处。要求替位式杂质 的大小与被取代的晶格原子的大小相近。
36
第三十六页，本课件共有49页
施主杂质(donor)
37
第三十七页，本课件共有49页
V族： P, As
V族元素取代Si原子后，形成 一个正电中心和一个多余的 价电子。
数
计算值 测量值
e
0.67
0.56m0 0.37m0 1.05x1019 5.7x1018
2.0x1013 2.4x1013
1.12 1.08m0 0.59m0 2.86x1019 2.66x1019 7.8x109 9.65x109
aAs 1.42 0.068m0 0.47m0 4.7x1017 7x1018
金刚石
导电
较高
(热激发 e,h)
导电
低
(n ~1022 cm-3)
导电
金属< 半金属< 半导体
Si, Ge, GaAs
Na: 1s22s2 2p63s1
Mg: 1s22s2 2p63s2
V族 Bi, Sb, As
§2.6 本征载流子浓度
热平衡状态 本征激发与本征半导体 费米分布函数与玻尔慈曼分布函数 本征载流子浓度
(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
大学物理课件半导体基础 共94页PPT资料
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。
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：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。
《半导体物理学》课件
《半导体物理学》PPT课 件
探索半导体物理学的奥秘，了解半导体的基础概念、晶体结构与晶格常数， 以及能带结构与载流子的相关知识。
晶体的奇妙世界
晶体结构
了解晶体的结构和晶格常数， 揭示晶体的秘密。
能带结构
探索半导体中电子在能带中的 行为和载流子的形成机制。
掺杂与输运理论
深入了解掺杂技术和半导体中 的电荷传输现象。
了解半导体材料的制备技术和制备过程中 的关键因素。
揭示浅表面态和接触势在半导体材料中的 作用和应用。
3 色散与激发态
4 NV中心及其应用
探索半导体材料中的色散效应和激发态， 了解它们对器件性能的影响。
深入了解NV中心的特性和应用，揭示量子 信息技术的前沿进展。
小结
深入探索
半导体物理学是一个广阔而 深奥的领域，不断追求知识 的深度。
半导体激光器和光电子器件
半导体激光器
激光二极管
探索半导体激光器的基础理论 和应用，揭示激光技术的魅力。
了解激光二极管的工作原理和 应用，探索光电子学中的新概 念。
集成光电子器件
深入了解集成光电子器件的设 计和制造，揭示光电子学的未 来发展方向。
半导体材料与制备技术
1 材料制备技术
2 浅表面态与接触势
1
量子点与纳米结构
探索量子点和纳米结构在半导体领域的研究和应用质结的特性和优势，探讨它们在电子元件中的重要性。
3
集成光电子元件
探索集成光电子元件的设计和制造技术，展望未来的光电子学发展方向。
4
芯片设计与制造技术
深入了解芯片设计和制造技术，揭示电子器件的前沿研究和应用动向。
半导体器件的魅力
二极管
探索PN结和二极管的原理，了解它们在电子 学领域的应用。
探索半导体物理学的奥秘，了解半导体的基础概念、晶体结构与晶格常数， 以及能带结构与载流子的相关知识。
晶体的奇妙世界
晶体结构
了解晶体的结构和晶格常数， 揭示晶体的秘密。
能带结构
探索半导体中电子在能带中的 行为和载流子的形成机制。
掺杂与输运理论
深入了解掺杂技术和半导体中 的电荷传输现象。
了解半导体材料的制备技术和制备过程中 的关键因素。
揭示浅表面态和接触势在半导体材料中的 作用和应用。
3 色散与激发态
4 NV中心及其应用
探索半导体材料中的色散效应和激发态， 了解它们对器件性能的影响。
深入了解NV中心的特性和应用，揭示量子 信息技术的前沿进展。
小结
深入探索
半导体物理学是一个广阔而 深奥的领域，不断追求知识 的深度。
半导体激光器和光电子器件
半导体激光器
激光二极管
探索半导体激光器的基础理论 和应用，揭示激光技术的魅力。
了解激光二极管的工作原理和 应用，探索光电子学中的新概 念。
集成光电子器件
深入了解集成光电子器件的设 计和制造，揭示光电子学的未 来发展方向。
半导体材料与制备技术
1 材料制备技术
2 浅表面态与接触势
1
量子点与纳米结构
探索量子点和纳米结构在半导体领域的研究和应用质结的特性和优势，探讨它们在电子元件中的重要性。
3
集成光电子元件
探索集成光电子元件的设计和制造技术，展望未来的光电子学发展方向。
4
芯片设计与制造技术
深入了解芯片设计和制造技术，揭示电子器件的前沿研究和应用动向。
半导体器件的魅力
二极管
探索PN结和二极管的原理，了解它们在电子 学领域的应用。
哈工大--课件半导体物理(第二章)模板
故
ED
mn* m0
E0
2 r
0.1213.6 0.00637eV 162
对于Si，ml＝0.98m0 , mt =0.19m0, r =12 代入可得mn* 0.26m0
故
ED
mn* m0
E0
2 r
பைடு நூலகம்
0.26 13.6 122
0.025eV
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.3 杂质的补偿作用
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.4 深能级杂质
深能级的形成
Ⅵ族杂质.多于两个价电子被两个正电荷的杂质中心束缚， 类似于一个氦原子，其每个电子平均受到大于一电子电荷 的正电中心的作用，从而深能级杂质的电离能比浅能级杂 质要大。在电离出一个电子后，带有两个正电荷的杂质中 心使第二个电子电离需要更大能量，对应更深的能级，所 以Ⅵ族杂质在硅锗中一般产生两重施主能级，如锗中的硒、 碲。
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.1 硅锗晶体中的杂质能级
浅能级杂质：电离能小的杂质称为浅能级杂质。
所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主 能级靠近价带顶。
室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂 质几乎可以可以全部电离。五价元素磷（P）、 锑（Sb）在硅、锗中是浅受主杂质，三价元 素硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In） 在硅、锗中为浅受主杂质。
杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受 主杂质时，它们的共同作用会使载流子 减少，这种作用称为杂质补偿。在制造 半导体器件的过程中，通过采用杂质补 偿的方法来改变半导体某个区域的导电 类型或电阻率。
§2.1半导体中的杂质能级
§2.1.3 杂质的补偿作用
1）ND NA ： 受主能级低于施主能级，剩余杂质 ND NA
《半导体物理第一章》课件
3
1.3.3 pn结的I-V特性
详细解释pn结的I-V特性曲线，包括正向和反向电流的变化。
1.4 光电应及其在太 阳能电池中的应用。
2 1.4.2 光电二极管
阐述光电二极管的原理 及其在通信和显示技术 中的应用。
3 1.4.3 光电池
讨论光电池的构造、工 作原理和应用领域。
1.5 半导体器件的制作技术
晶体生长
介绍半导体晶体生长方法和技 术，如Czochralski法和液相外 延。
晶体制备
讨论半导体晶体的切割、抛光 和清洗等制备工艺。
制作半导体器件
概述半导体器件制作的关键步 骤，包括光刻、扩散和金属沉 积等工艺。
1.6 总结与展望
1.6.1 半导体物理的应用前景
评估半导体物理在电子技术、通信和能源领域 的未来发展。
1.1 半导体材料的基本性质
半导体的定义
介绍半导体的定义，以及其与导体和绝缘体的区别。
半导体的基本性质
探讨半导体的导电性、禁带宽度、载流子等基本特性。
半导体的能带结构
解释能带理论，讨论导带与禁带之间的能量差异对电子行为的影响。
1.2 掺杂半导体
1.2.1 掺杂的概念
介绍半导体掺杂的概念，包 括n型和p 型半导体的区别。
《半导体物理第一章》 PPT课件
An engaging and comprehensive introduction to the fundamental properties of semiconductor materials and their applications in electronic devices.
1.2.2 正、负离子掺 杂
说明正、负离子掺杂对半导 体电子结构的影响。
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n NA ND ND（n型半导体）
基态（T=0K）
电离态 (T=300K)
B、弱补偿 NA ND 施主向受主能级发射电子，填充部分受主能级，
剩余的受主杂质向价带发射空穴。 若杂质全部电离，有效杂质浓度， p NA ND NA （P型半导体）
ED Ec EA E
C、高度补偿 NA ND
Ⅲ、Ⅴ族元素掺入Ⅳ族的Si或Ge中形成替位式杂质，用单 位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质 含量多少，单位为cm-3 。
★两种杂质特点：
•间隙式杂质：杂质原子小于晶体原子，如：锂离 子，0.068nm
•替位式杂质：
1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比 较相近
2）价电子壳层结构比较相近，如：III、V族元素 在硅、锗中均为替位式杂质
故
ED
mn* m0
E0
2 r
0.12 13.6 162
0.00637eV
对于Si，ml＝0.98m0 , mt =0.19m0, r =12 代入可得mn* 0.26m0
故
ED
mn* m0
E0
2 r
0.26 13.6 122
0.025eV
•Si、Ge和GaAs的能带结构 •第二章、硅和锗中的杂质能级 •杂质的种类：间隙式/替位式 •施主/受主杂质、施主/受主能级 •n型半导体/p型半导体
存在着各种形式的缺陷，点缺陷，线缺陷，面缺 陷；
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。
1个B原子/105个Si原子，在室温下电导率提 高 103 倍
Si单晶器件的位错密度要求低于 103cm2
1、杂质和缺陷破坏周期场，在杂质或缺陷周 围引起局部性的量子态——对应的能级常常处 在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。 2、杂质电离提供载流子。
(3)、III族元素和V族元素 III族、V族元素掺入不是由其本身形成的III-V
族化合物半导体时，III族原子替代III族格点原子， V族原子替代V族格点原子，一般为电中性态，不产 生杂质能级。
★等电子杂质效应： 杂质原子替代同族原子（等电子杂质）后，再
俘获电子或空穴带电，称为等电子效应，形成的 带（负/正）电中心称为等电子陷阱。
半导体物理
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
第2章、半导体中杂质和缺陷能级
★理想状ห้องสมุดไป่ตู้下
1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格 结构。
2、晶体中无杂质，无缺陷。 3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁
• 被施主杂质束缚的电子（●）能量状态称为施主能级，ED。 • 使多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的最小能量称为 施主电离能，施主电离能为ΔED • 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导 带提供更多电子，形成电子导电的n型半导体。
施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离
含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要 是电子——N型半导体，或电子型半导体
带——电子能量只能处在允带中的能级上，禁 带中无能级。由本征激发提供载流子
本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶 格结构，无任何杂质和缺陷。
★实际情况
• 实际半导体中原子并不是静止在具有严格周期性 的晶格位置上，而是在平衡位置附近的热振动；
• 实际半导体并不是纯净的，而是含有杂质的； • 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是
Ec
Ec
ED
ED
EA
EA
E
E
施主释放的电子基本全部填充受主能级，导带电子
浓度和价带空穴浓度很低。
有效杂质浓度，N NA ND 0 ,为赝本征半导体。
利用杂质补偿，通过半导体工艺，选择性改变半导体 芯片局部区域导电类型或导电能力，制作半导体器件。
2.1.6 深能级杂质
深能级杂质：非Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge的禁带 中产生的施主能级远离导带底，受主能级远离 价带顶。
Ga
Ga
P
Ga
Zn、O原子处于相邻格点时， Zn-O络合物俘获电子带负电， 称为等电子络合物。
Ga
O替代Ｐ
负电性：P=2.1，O=3.5，Zn=1.6，Ga=1.6，As=2.0
(4)、IV族元素碳、硅、锗、锡、铅
例、GaAs掺杂Si
Si
Si As
Ga
Ⅳ族杂质. 既可以取代Ⅲ族晶格原子起施主作用，又 可以取代Ⅴ族晶格原子起受主作用。硅、锗和锡在砷 化镓中，硅在磷化镓中均表现出这种双性行为。
★杂质原子的空间位置：
Ⅲ族或V族原子
Ⅲ族或V族原子
杂质原子
T
替位式
间隙式
★相关实验结果（以GaAs为例）：
(1)、I族元素 I族元素（Au，Ag，Cu，Li等），一般在砷化
镓中引入受主能级，起受主作用。
(2)、II族元素 II族元素（Be，Mg，Zn，Cd）比III族镓原子
少1个价电子，倾向替位取代镓原子，获得一个电 子形成共价键，产生浅受主能级(电离能较小)，所 以II族元素是III-V族化合物半导体的P型掺杂剂。
2、一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级 也产生受主能级。
3、能级位置利于促进载流子的复合，其复合作 用比浅能级杂质强，使少数载流子寿命降低， 称这些杂质为复合中心杂质。（在第五章详 细讨论）。
4、深能级杂质电离后对载流子起散射作用，使 载流子迁移率减少，导电性能下降。
2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质
EA
E
★多能级杂质：
杂质多次电离，每次电离相应一个能级，称为 多能级杂质。
EA3
Ec
EA2
Ei
EA1
E
★双性杂质：
同种杂质在同一半导体的晶格位置上，既可释放电子 形成施主能级，又可接受电子形成受主能级。
EA3
Ec
EA2
Ei
EA1
ED E
★深能级的形成： •Ⅵ族杂质： 两个价电子被两个正电荷的杂质中心 束缚，类似于一个氦原子，其每个电子平均受到大 于一电子电荷的正电中心的作用，从而深能级杂质 的电离能比浅能级杂质要大。Ⅵ族杂质在硅锗中一 般产生两重甚至多重施主能级，如：锗中的硒、碲, 各产生两个受主能级。
束缚空穴 B-
B-
这时B原子就成为多了一个价电子的磷离子B－（●），它是 一个不能移动的负电中心。 空穴束缚在负电中心B－的周围。空穴只要很少能量就可挣脱 束缚，成为导电空穴在晶格中自由运动
受主杂质释放空穴的过程称为受主电离 使空穴（〇），挣脱束缚成为导电空穴（〇）所需要 的最小能量称为受主电离能，记为ΔEA 空穴被受主杂质束缚时的能量状态称为受主能级，EA
2.1.3 受主杂质 受主能级
•★受主杂质
III族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而 产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质 为受主杂质或p型杂质。
2.1.3 受主杂质、受主能级
★以硅中掺硼B为例：（替位式） B原子占据硅原子的位置。硼原子有三个价电子。与周围的 四个硅原于形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子， 这就在Si形成了一个空穴。
En
m0q4
2(40 )2
2n2
E0 E E1 13.6V
施主杂质电离能表示为
电子有效质量
1 ＝1[ 1 2 ] mn* 3 ml mt
ED
mn*q4
32
2
02
2 r
2
mn* m0
E0
r2
ml , mt分别表示纵向和横向有效质量
对于Ge，ml＝1.64m0 , mt =0.0819m0, r =16 代入可得mn* 0.12m0
•室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几 乎可以全部电离。五价元素磷（P）、锑（Sb）在 硅、锗中是浅受主杂质，三价元素硼（B）、铝 （Al）、镓（Ga）、铟（In）在硅、锗中为浅受主 杂质。
2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算
•★利用类氢原子模型，以锗、硅为例，计算施主杂 质电离能
解：氢原子基态电离能
•Ⅱ族杂质：与Ⅵ族杂质情况类似，可以产生两重或 者多重受主能级。如：铍、锌、汞在锗中，产生两 个受主能级，镉在锗中产生两个施主能级，在硅中 产生4个受主能级。
•Ⅰ族杂质. 一方面可以失去唯一价电子产生 一个施主能级，另一方面也能依次接受三个 电子与周围四个近邻原子形成共价键，相应 产生三个由浅到深的受主深能级。
•原则上Ⅰ族杂质能产生三重受主能级，但是 较深的受主能级有可能处于允带之中，某些 Ⅰ族杂质受主能级少于三个。
★金在锗半导体的能级：
电中性的金原子的一个价电子可以电离释放到导带，形 成施主能级ED,形成带一个正电荷单重电离的金离子；
中性金原子与周围四个锗原子形成共价键，还可以依次 由价带再接受三个电子，形成EA1，EA2，EA3三个受主能级，由 于电子之间存在库伦斥力相互作用， EA1>EA2>EA3
2.1.5 杂质的补偿作用
杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受主杂质 时，它们的共同作用会使载流子减少，这种作 用称为杂质补偿。在制造半导体器件的过程中， 通过采用杂质补偿的方法来改变半导体某个区 域的导电类型或电阻率。 杂质补偿的种类： 弱补偿： 高度补偿：
A、弱补偿 ND NA
施主释放的电子填满全部受主能级，余下的电 子跃迁到导带。若杂质全部电离，半导体有效杂 质浓度，
杂质电离能大，能够产生多次电离，每次 电离都对应着一个特定的能级。在禁带中引入 多个能级。
具有两重性，既能电离提供电子又能电离 提供空穴，所以既能引入施主能级又能引入受 主能级。
基态（T=0K）
电离态 (T=300K)
B、弱补偿 NA ND 施主向受主能级发射电子，填充部分受主能级，
剩余的受主杂质向价带发射空穴。 若杂质全部电离，有效杂质浓度， p NA ND NA （P型半导体）
ED Ec EA E
C、高度补偿 NA ND
Ⅲ、Ⅴ族元素掺入Ⅳ族的Si或Ge中形成替位式杂质，用单 位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质 含量多少，单位为cm-3 。
★两种杂质特点：
•间隙式杂质：杂质原子小于晶体原子，如：锂离 子，0.068nm
•替位式杂质：
1）杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比 较相近
2）价电子壳层结构比较相近，如：III、V族元素 在硅、锗中均为替位式杂质
故
ED
mn* m0
E0
2 r
0.12 13.6 162
0.00637eV
对于Si，ml＝0.98m0 , mt =0.19m0, r =12 代入可得mn* 0.26m0
故
ED
mn* m0
E0
2 r
0.26 13.6 122
0.025eV
•Si、Ge和GaAs的能带结构 •第二章、硅和锗中的杂质能级 •杂质的种类：间隙式/替位式 •施主/受主杂质、施主/受主能级 •n型半导体/p型半导体
存在着各种形式的缺陷，点缺陷，线缺陷，面缺 陷；
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。
1个B原子/105个Si原子，在室温下电导率提 高 103 倍
Si单晶器件的位错密度要求低于 103cm2
1、杂质和缺陷破坏周期场，在杂质或缺陷周 围引起局部性的量子态——对应的能级常常处 在禁带中，对半导体的性质起着决定性的影响。 2、杂质电离提供载流子。
(3)、III族元素和V族元素 III族、V族元素掺入不是由其本身形成的III-V
族化合物半导体时，III族原子替代III族格点原子， V族原子替代V族格点原子，一般为电中性态，不产 生杂质能级。
★等电子杂质效应： 杂质原子替代同族原子（等电子杂质）后，再
俘获电子或空穴带电，称为等电子效应，形成的 带（负/正）电中心称为等电子陷阱。
半导体物理
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
第2章、半导体中杂质和缺陷能级
★理想状ห้องสมุดไป่ตู้下
1、原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格 结构。
2、晶体中无杂质，无缺陷。 3、电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁
• 被施主杂质束缚的电子（●）能量状态称为施主能级，ED。 • 使多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需要的最小能量称为 施主电离能，施主电离能为ΔED • 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导 带提供更多电子，形成电子导电的n型半导体。
施主杂质的电离能小，在常温下基本上电离
含有施主杂质的半导体，其导电的载流子主要 是电子——N型半导体，或电子型半导体
带——电子能量只能处在允带中的能级上，禁 带中无能级。由本征激发提供载流子
本征半导体——晶体具有完整的（完美的）晶 格结构，无任何杂质和缺陷。
★实际情况
• 实际半导体中原子并不是静止在具有严格周期性 的晶格位置上，而是在平衡位置附近的热振动；
• 实际半导体并不是纯净的，而是含有杂质的； • 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而是
Ec
Ec
ED
ED
EA
EA
E
E
施主释放的电子基本全部填充受主能级，导带电子
浓度和价带空穴浓度很低。
有效杂质浓度，N NA ND 0 ,为赝本征半导体。
利用杂质补偿，通过半导体工艺，选择性改变半导体 芯片局部区域导电类型或导电能力，制作半导体器件。
2.1.6 深能级杂质
深能级杂质：非Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge的禁带 中产生的施主能级远离导带底，受主能级远离 价带顶。
Ga
Ga
P
Ga
Zn、O原子处于相邻格点时， Zn-O络合物俘获电子带负电， 称为等电子络合物。
Ga
O替代Ｐ
负电性：P=2.1，O=3.5，Zn=1.6，Ga=1.6，As=2.0
(4)、IV族元素碳、硅、锗、锡、铅
例、GaAs掺杂Si
Si
Si As
Ga
Ⅳ族杂质. 既可以取代Ⅲ族晶格原子起施主作用，又 可以取代Ⅴ族晶格原子起受主作用。硅、锗和锡在砷 化镓中，硅在磷化镓中均表现出这种双性行为。
★杂质原子的空间位置：
Ⅲ族或V族原子
Ⅲ族或V族原子
杂质原子
T
替位式
间隙式
★相关实验结果（以GaAs为例）：
(1)、I族元素 I族元素（Au，Ag，Cu，Li等），一般在砷化
镓中引入受主能级，起受主作用。
(2)、II族元素 II族元素（Be，Mg，Zn，Cd）比III族镓原子
少1个价电子，倾向替位取代镓原子，获得一个电 子形成共价键，产生浅受主能级(电离能较小)，所 以II族元素是III-V族化合物半导体的P型掺杂剂。
2、一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级 也产生受主能级。
3、能级位置利于促进载流子的复合，其复合作 用比浅能级杂质强，使少数载流子寿命降低， 称这些杂质为复合中心杂质。（在第五章详 细讨论）。
4、深能级杂质电离后对载流子起散射作用，使 载流子迁移率减少，导电性能下降。
2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质
EA
E
★多能级杂质：
杂质多次电离，每次电离相应一个能级，称为 多能级杂质。
EA3
Ec
EA2
Ei
EA1
E
★双性杂质：
同种杂质在同一半导体的晶格位置上，既可释放电子 形成施主能级，又可接受电子形成受主能级。
EA3
Ec
EA2
Ei
EA1
ED E
★深能级的形成： •Ⅵ族杂质： 两个价电子被两个正电荷的杂质中心 束缚，类似于一个氦原子，其每个电子平均受到大 于一电子电荷的正电中心的作用，从而深能级杂质 的电离能比浅能级杂质要大。Ⅵ族杂质在硅锗中一 般产生两重甚至多重施主能级，如：锗中的硒、碲, 各产生两个受主能级。
束缚空穴 B-
B-
这时B原子就成为多了一个价电子的磷离子B－（●），它是 一个不能移动的负电中心。 空穴束缚在负电中心B－的周围。空穴只要很少能量就可挣脱 束缚，成为导电空穴在晶格中自由运动
受主杂质释放空穴的过程称为受主电离 使空穴（〇），挣脱束缚成为导电空穴（〇）所需要 的最小能量称为受主电离能，记为ΔEA 空穴被受主杂质束缚时的能量状态称为受主能级，EA
2.1.3 受主杂质 受主能级
•★受主杂质
III族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而 产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质 为受主杂质或p型杂质。
2.1.3 受主杂质、受主能级
★以硅中掺硼B为例：（替位式） B原子占据硅原子的位置。硼原子有三个价电子。与周围的 四个硅原于形成共价键时还缺一个电子，就从别处夺取价电子， 这就在Si形成了一个空穴。
En
m0q4
2(40 )2
2n2
E0 E E1 13.6V
施主杂质电离能表示为
电子有效质量
1 ＝1[ 1 2 ] mn* 3 ml mt
ED
mn*q4
32
2
02
2 r
2
mn* m0
E0
r2
ml , mt分别表示纵向和横向有效质量
对于Ge，ml＝1.64m0 , mt =0.0819m0, r =16 代入可得mn* 0.12m0
•室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几 乎可以全部电离。五价元素磷（P）、锑（Sb）在 硅、锗中是浅受主杂质，三价元素硼（B）、铝 （Al）、镓（Ga）、铟（In）在硅、锗中为浅受主 杂质。
2.1.4 浅能级杂质电离能的简单计算
•★利用类氢原子模型，以锗、硅为例，计算施主杂 质电离能
解：氢原子基态电离能
•Ⅱ族杂质：与Ⅵ族杂质情况类似，可以产生两重或 者多重受主能级。如：铍、锌、汞在锗中，产生两 个受主能级，镉在锗中产生两个施主能级，在硅中 产生4个受主能级。
•Ⅰ族杂质. 一方面可以失去唯一价电子产生 一个施主能级，另一方面也能依次接受三个 电子与周围四个近邻原子形成共价键，相应 产生三个由浅到深的受主深能级。
•原则上Ⅰ族杂质能产生三重受主能级，但是 较深的受主能级有可能处于允带之中，某些 Ⅰ族杂质受主能级少于三个。
★金在锗半导体的能级：
电中性的金原子的一个价电子可以电离释放到导带，形 成施主能级ED,形成带一个正电荷单重电离的金离子；
中性金原子与周围四个锗原子形成共价键，还可以依次 由价带再接受三个电子，形成EA1，EA2，EA3三个受主能级，由 于电子之间存在库伦斥力相互作用， EA1>EA2>EA3
2.1.5 杂质的补偿作用
杂质补偿：半导体中存在施主杂质和受主杂质 时，它们的共同作用会使载流子减少，这种作 用称为杂质补偿。在制造半导体器件的过程中， 通过采用杂质补偿的方法来改变半导体某个区 域的导电类型或电阻率。 杂质补偿的种类： 弱补偿： 高度补偿：
A、弱补偿 ND NA
施主释放的电子填满全部受主能级，余下的电 子跃迁到导带。若杂质全部电离，半导体有效杂 质浓度，
杂质电离能大，能够产生多次电离，每次 电离都对应着一个特定的能级。在禁带中引入 多个能级。
具有两重性，既能电离提供电子又能电离 提供空穴，所以既能引入施主能级又能引入受 主能级。