第一章半导体材料的物理基础10.16更新教材

合集下载

第一章 物理基础

第一章 物理基础
直拉法(CZ) :将多晶硅熔融 后,再利用硅晶种慢慢拉 出单晶硅晶棒。一支85公分长,重76.6公斤的 8寸 硅 晶棒,约需 2天半时间长成。
区熔(FZ) 法:将多晶硅棒逐段熔融并凝固的过程。
直拉法生长硅单晶示意图
晶棒(boule)
直拉法长单晶硅工艺过程
1. 籽晶浸入:通过电阻加热,将装在石英坩埚中的多晶硅 熔化,并保持略高于硅熔点的温度,将籽晶浸入熔体, 然后以一定速度向上提拉籽晶并同时旋转引出晶体;
除生成SiHCl3外,还可能生成SiH4、SiH3Cl、SiH2Cl2、 SiCl4等各种氯化硅烷,其中主要的副反应是
2Si十7HCl=SiHCl3十SiCl4十3H2
SiHCl3性质 又称硅氯仿,结构与SiCl4相似,为四面体 型。SiHCl3稳定性稍差,易水解
SiHCl3十2H2O==SiO2十3HCl十H2 注意要点
1.1 硅材料浅谈
1.1.1 重要的半导体材料——硅
硅的原子最外层有四个电子,每个原子和邻近的四个 原子以共价键结合,组成一个正四面体。每个硅原子 可以看成是四面体的中心(金刚石结构)。
金刚石结构
硅材料是当代电子工业中应用最多的半导体材料,它还 是目前可获得的纯度最高的材料之一,其实验室纯度可达12 个“9”的本征级,工业化大生产也能达到7~11个“9”的高 纯度。
精馏提纯后的SiHCl3用高纯氢气还原得到多晶硅 SiHCl3十H2==Si十3HCl
上述反应是生成SiHCl3的逆反应。反应得到的多晶硅还不 能直接用于生产电子元器件,必须将它制成单晶体并在单晶生 长过程中“掺杂”,以获得特定性能的半导体。
3、单晶硅的制备
多晶硅主要产品有棒状和粒状两种。制备单晶硅, 一方面是晶化(让硅原子排成金刚石结构),另一方 面也有提纯作用(分凝效应)。

半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第1章-半导体材料的基本性质

半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第1章-半导体材料的基本性质

简化为
J = pqv p
1.6.4 半导体的电阻率ρ
电阻率是半导体材料的一个重要参数,其值为电导率
的倒数。 1
1
ρ= =
σ nqμn + pqμ p
对于强P型和强N型半导体业有相应的简化。
从上面的公式可以看出,半导体电阻率的大小决定于 n, p, μn ,μp的具体数值,而这些参数又与温度有关, 所以电阻率灵敏的依赖于温度,这是半导体的重要 特点之一。
b) P型硅中电子和空穴 的迁移率
载流子的迁移率还要随温度而变化。
硅中载流子迁移率随温度变化的曲线 a) μn b) μp
1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度
设一个晶体样品如图所示, 以单位面积为底,以平 均漂移速度v为长度的矩 形体积。先求出电子电 流密度,设电场E为x方 向,在电场的作用下, 电子应沿着-x方向运动。
不论半导体中的杂质激发还是本征激发,都是依靠吸收 晶格热振动能量而发生的。由于晶格的热振动能量是随 温度变化的,因而载流子的激发也要随温度而变化。
载流子激发随温度的变化 a)温度很低 b)室温临近 c)温度较高 d)温度很高
伴随着温度的升高,半导体的费米能级也相应地发 生变化
杂质半导体费米能级随温度的变化 a)N型半导体 b)P型半导体
a)随机热运动 b) 随机热运动和外加电场作用下的运动合成
随机热运动的结果是没有电荷迁移,不能形成电流。
引入两个概念:
1. 大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值,称为平 均自由程,用λ表示,其典型值为10-5cm;
2. 两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间,用τ表示, 约为1ps;
建立了上述随机热运动的图像后,就可以比较实际地去 分析载流子在外加电场作用下的运动了。

第1章 半导体物理基础

第1章   半导体物理基础

EC EF 令:n N C exp kT
则:
EF EV p NV exp kT
EC EV kT NV EF Ei ln( ) 2 2 NC
在室温下,第二项比禁带宽度小得多。因此,本征半导体的 本征费米能级Ei相当靠近禁带的中央。
图1.4.2 费密能级与 杂质浓度、导电类型 和环境温度的关系
平衡载流子浓度的计算
对非简并半导体
N型半导体: n0 多子:电子
完全电离:
P型半导体: p0 多子:空穴 > n0
> p0
少子:空穴
少子:电子
一般情况 ND≈1015 - 1020cm-3
一般情况 NA≈1015 - 1020cm-3
n0 N D ? ni n0 ? p0 2 n0 p0 ni
施主。由于带负电载流子增加,硅变成n型。
1.3.2
P型半导体
受主和受主能级
受主杂质:在半导体中提供空穴的杂质
• 对于Si而言掺入的受主杂质一般为III族元素,如 B、Ga • NA ≡ 受主杂质浓度 [cm-3] • 一般情况下
NA >> ni
(NA: 1015 - 1020
cm-3 )
• 常温下 受主杂质完全电离
空导带
Eg = 9 eV
填满的价带
半导体:
半导体材料的电导率介于导体和绝缘体之间,且易受温 度、光照、磁场及微量杂质原子的影响,其禁带宽度较小(约 为1eV),如图所示。 在 T =0K时,所有电子都位于价 带,而导带中并无电子,因此半导 体在低温时是不良导体。在室温及 正常气压下,硅的 Eg 值为 1.12eV , 而砷化镓为 1.42eV 。因此在室温下 ,热能 kT 占 Eg 的一定比例,有些电 子可以从价带激发到导带。因为导 带中有许多未被占据的能态,故只 要小的外加能量,就可以轻易移动 这些电子,产生可观的电流。

半导体物理基础第一章课件

半导体物理基础第一章课件
42
1.7.5只有一种杂质的半导体
• 2、P型半导体
• 在杂质饱和电离的温度范围内有:p N a • 导带电子浓度为: n ni2 ni2
p Na
• 费米能级为
EF

EV
KT ln
NV Na
EF

Ei
KT
ln
Na ni
43
1.7.5只有一种杂质的半导体
• 结论:对于P型半导体,在杂质饱和电离 温度范围之内,费米能级位于价带顶之上, 本征费米能级之下。随着掺杂浓度提高, 费米能级接近价带顶;随着温度升高,费 米能级远离价带顶。
成共价键时,将因缺少一个价电子而形 成一个空穴,于是半导体中的空穴数目 大量增加。
22
1.6杂质能级
• Acceptor,掺入半导体的杂质原子向半导 体中提供导电的空穴,并成为带负电的 离子。
• 掺入受主杂质的半导体为P(Positive)型 半导体。施主杂质的浓度记为NA。
23
1.6杂质能级
• 受主接受电子称为受主杂 志,提供了一个局域化的 电子态,相应的能级称为 受主能级—Ea。
NV

2 2mdp KT
h3
3 2
• 称为价带有效状态密度
34
1.7.3能带中电子和空穴的浓度
• 导带电子浓度和价带空穴浓度之积
Eg
np Nc NV e KT • 式 把中它E写g为成禁经带验宽关度系。式与E温g 度有E关g0 , 可T以
• 其 时中的Eg值为。禁带宽度温度系数,Eg0为0K
Chap1 半导体物理基础
1
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

半导体器件基础 第1章(第二版)PPT课件

半导体器件基础 第1章(第二版)PPT课件

电 子的浓度是一定的,反向电流在一定
的电压范围内不随外界电压的变化而
子 变化,这时的电流称为反向饱和电流,第
技 以IR(sat) 表示。

术 章



少数载流子的浓度很小,由
子 此而引起的反向饱和电流也很小, 技 但温度的影响很大。表1.2.1是硅 第
管的反向电流随温度的变化情况 一
术 章


三、PN结的伏安特性

术 温度每升高8℃,硅的载流子浓度增加一倍。


+4
+4
+4
+4
+4
+4 自


+4
+4
+4
+4
+4
+4 电

空穴
+4
+4
+4
+4
+4
+4
1.1.3 杂质半导体的导电特性

掺杂后的半导体称为杂质半导体,
子 杂质半导体按掺杂的种类不同,可分为N 第
技 型(电子型)半导体和P型(空穴型)半

术 导体两种。
1.2.1 PN结的形成

当P型半导体和N型半
子 导体相互“接触”后,在
它们的交界面附近便出现

技 了电子和空穴的扩散运动。

术 N区界面附近的多子电子将 基 向P区扩散,并与P区的空
同样,P区界面形章 成一个带负电的薄电
础穴复合,N区界面附近剩下 荷层。于是在两种半 了不能移动的施主正离子, 导体交界面附近便形
成了一个空间电荷区,

(第一章)半导体物理ppt课件

(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

【教学】第一章 半导体物理基础

【教学】第一章 半导体物理基础

16.05.2021
整理课件
14
中国科学技术大学物理系微电子专业
Miller Indices
16.05.2021
整理课件
12=4x+3y
1 1 3 4
Miller indices [4 3]
15
中国科学技术大学物理系微电子专业
Miller Indices
16.05.2021
整理课件
16
中国科学技术大学物理系微电子专业
Miller Indices
(hkl): For a plane that intercepts the x-axis on the negative side of the origin.(100) {hkl}: For planes of equivalent symmetry. (100)(010)(001)(100)(010)(001)
One 3-fold rotation axis
12
16.05.2021
中国科学技术大学物理系微电子专业
—倒格矢:
基本参数: a*, b*, c*
a
2
bc
a•bc
b
2ca
c•
2
a•bc ab
a•bc
(a•a*=2, a •b*=0, etc.)
应用:波矢k空间的布里渊区
整理课件
13
中国科学技术大学物理系微电子专业
abc
2
orthogonal 2-fold
abc
One 4-fold rotation axis
2
abc
Four -3-fold rotation axis
2 (along cube diagonal)

《半导体物理基础》课件

《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

半导体物理 第一章正文ppt

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
*

第1章半导体材料 83页PPT文档

第1章半导体材料 83页PPT文档

CuCr2S3C
稀土氧、硫、硒、碲化合物 EuO EEuS EuSe EuTe
非晶态 半导体
有机 半导体
元素 化合物 芳香族化合物 电荷移动络合物
Ge Si Te Se GeTe As2Te3 Se4Te Se2As3 As2SeTe As2Se2Te 多环芳香族化合物
元素半导体
具备实用价值的元素半导体材料只有硅、锗和硒。硒是 最早使用的,而硅和锗是当前最重要的半导体材料,尤其 是硅材料由于具有许多优良特性,绝大多数半导体器件都 是用硅材料制作的。
n为导带电子浓度,N+d为电离施主浓度,p价带上空穴浓度
nNd p
Nd为电离施主浓度
把n、p代入电中性方程得:
Nd

Nd
12expEF
Ed
kBT
N cex (E p k cB T E F ) 1 2 eN x E dFp E dN vex (E p k F B T E v) kB T
二元化合物半导体
它们由两种元素 组成,主要是有 III-V族化合物半 导体、II-VI族化 合物半导体、IVVI族化合物半导 体、II-IV族化合 物半导体,铅化 合物及氧化物半 导体等。
三元化合物半导体
以A1GaAs相GaAsP为代表的二元化合物半导 体材料,已为人们广泛研究,可制作发光器件;
利用此待性GaAs可以制作转移电子器件。根据实验表 明InP是制作转移器件的更好半导体材料。
2. n型和p型半导体
半导体掺杂——改变半导体的性质、载流子类型……
人工掺杂——半导体材料设计——器件……
掺杂工艺——扩散、离子注入……
掺杂种类:
施主掺杂(n型)——高价元素掺杂,杂质原子提供的价 电子数目多于半导体原子,多余的价电子很容易进入导 带而成为电子载流子,半导体的电导率增加。

《半导体物理第一章》课件

《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。

第01章半导体基础知识-105页精品文档

第01章半导体基础知识-105页精品文档

1.1.2 杂质半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体:自由电子浓度大大增加的杂质半导体, 也称为电子半导体。
P 型半导体:空穴浓度大大增加的杂质半导体, 也称为空穴半导体。
一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 (或锑),晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代,磷原子的最外层有五个价电子, 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键, 必定多出一个电子,这个电子几乎不受束缚, 很容易被激发而成为自由电子,这样磷原子 就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原 子给出一个电子,称为施主原子。
U
死区电压,硅管 0.5V,锗管0.1V。
1、正向特性
只有当加在二极管两端的正向电压超过死区电压值 时,正向电流才明显增大。
2、反向特性
当二极管加上反向电压时,反向电流值很小,当反 向电压超过零点几伏后,反向电流达到饱和值IS 。
当反向电压超过反向击穿电压UBR时,反向电流急 剧增大,发生击穿现象。二极管击穿以后,不再具有单 向导电性。
1.2uiiR U zW 2R 5 10 ——方程1
令输入电压降到下限
i
时,流过稳压管的电
流为Izmin 。
ui
i IzminURZLW10mA
iL
R
DzW 1R 0 1—0—方程2
联立方程1、2,可解得:
ui1.7 8V 5 , R0.5k
内电场越强,就使漂移 运动越强,而漂移使空 间电荷区变薄。
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
---- - - ---- - - ---- - - ---- - -

半导体物理第一章PPT 刘恩科 国防工业出版社(含答案)(教材)

半导体物理第一章PPT  刘恩科 国防工业出版社(含答案)(教材)

[ (k x
k0x )2 m*x

(k y
k0y )2
m
* y

(k z
k0z )2 )] m*z
1 1 2E
m
* x

h2
(
k
2 x
) k0
1 1 2E
m
* y

h2
(
k
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱy
) k0
1 1 2E
m
* z

h2
(
k
2 z
) k0
上式可改写为
(kx k0x )2 2m*x (E Ec )
E hv h
u hk 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
u 1 dE
dE fds fudt h dk dE f dE dt
f h dk
h dk
dt
a

du dt

1 h
d dt
(dE ) dk

▪ 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
E(k
)

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
半导体中E(K)与K的关系
E(k)

E(0)

半导体物理学(第一章)

半导体物理学(第一章)

n=1 2个电子
15
Si 半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
原子的能级的分裂 4个原子能级的分裂 个原子能级的分裂
孤立原子的能级
16
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
大量原子的能级分裂为能带
17
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
Si的能带(价带、导带和带隙) 的能带(价带、导带和带隙)
37
k = kx + k y + kz
2 2 2
2
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
具有确定能量E的全部 点 具有确定能量 的全部k点 的全部
r r r r k = kx + k y + kz
构成一个封闭的曲面, 构成一个封闭的曲面,称为等能面 理想的等能面为k空间的一个球面 理想的等能面为 空间的一个球面
4、无论是自由电子还是晶体材料中的电子,他们 、无论是自由电子还是晶体材料中的电子, 在某处出现的几率是恒定不变的。 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。 的差别。
30
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
与波矢k的关系 三、半导体中能量E与波矢 的关系 半导体中能量 与波矢
gap gap
3
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
硼 铝 锌 镓 镉 铟
碳 硅 锗 锡
氮 氧 磷 硫 砷 硒 锑 碲
4
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
运动的描述
Minkowski空间:
x,y,z,ict px,py,pz,iE/c
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
由于存在规律: (qvin) 0 ,则上式: 满带
JVb (qvin) 空态
同理:导带电子形成的电流:
JCb (qvin)
Cb
(1-1) (1-2)
黄君凯 教授
空穴 价带中的空能态可视为 “ 带正电荷 ” 粒子,用少量
这些粒子,即空穴便可表示整个价带中大量电子的行为。
特点 (1)能带图中空穴能量方向与电子相反; (2)空穴只能同固体一起讨论,在自由空间中空穴失 去意义。
影响 带电微粒在能带上传送
各种传送模式
微电子学原理(第一章)
(第二、三章的微电子学基础)
黄君凯 教授
课程教材与主要参考书
1.集成电路器件电子学(第三版).R.S.Muller等. 电子工业出版社.
2.半导体器件物理基础.李素珍等编.高等教育 出版社.
3.半导体器件物理.孟庆巨等编.科学出版社. 4.半导体物理学(第六版).刘思科等编著.电子
集成电路器件电子学
黄君凯教授 主讲 暨南大学信息学院电子工程系
黄君凯 教授
பைடு நூலகம்
集成电路器件电子学 课程简介
电阻 电容 二极管
晶体管
固体材料
半导体器件
(第四章)
集成电路
结型(双极型)晶体管
(第二章)
器件电子学
场效应(单极型)晶体管
(第三章)
导体
半导体
{ 掺杂、温度、电场、磁场、光照 }
绝缘体
半导体能带
各种能带组合
(n, l, ml , mS )
黄君凯 教授
<例>
H:En
13.6 n2
eV ,
L
l(l 1), Lm ml , Sz ms ,
( h , 普朗克常数 h 6.6251034 J S ) 2
<例> n 壳层上最多可能的量子态数(最多可容纳电子数)
n1
Zn 2(2l 1) 2n2 l0
角动量(动量矩)
s, p, d
决定轨道角
角量子数 l 0,1,(n 1):动量大小及
n个
轨道形状
轨道平面(动量矩)在 外磁场中的取向(分量) 电子自旋方向(动量矩)
量子态
磁量子数 ml 0, 1, l :决定轨道角动量
(2l 1)个 空间取向和大小 1
自旋量子数 mS 2 :决定电子自旋角动 量在空间取向和大小
1.3 杂质和杂质能级(Impurity)
掺杂:在半导体中加入微量的某些其他元素的原子,以改变 半导体的导电能力的方法。
[例] 纯净 Si 材料:Si原子浓度 51022 cm3 ,电阻率 2.14105 cm
掺P Si材料: P原子浓度 51015 cm3 ,电阻率 1 cm
(室温下) 浓度比 107:1
黄君凯 教授
2. 电子分布 泡利原理:原子中每一个量子态最多只能容纳一个电子。 (由一组 n,l, ml 量子数所确定的能级上只能 容纳自旋方向相反的两个电子) 能量最低原理:原子中的电子在不违背泡利原理原则下, 总是先占据能量最低的量子态。
<例> 电子组态 Si14 :1S2 2S2 2P63S23P2
导电比 1: 21.4104
黄君凯 教授
1.3.1 施主杂质和施主能级(Donor)
键模型 施主杂质:能施放电子的 V 族杂质。
浓度为 ND ,单位:原子/cm-3
特征 能带结构类似绝缘体,但禁带宽度
较绝缘体窄很多;常温下满带(价带) 电子可跃迁至上面空带(导带)中 形成电流。
能带表示
(禁带)Eg
EC (导带底) EV (价带顶)
黄君凯 教授
1.2 空穴
1.2.1 能带模型中的空穴
物理过程 半导体中当价带电子激发到导带时,便在价带留下空的
能态,在外场作用下,其附近电子能够移进空能态形成电流。
导电条件 从能带图上看,需有空的允许状态存在。
黄君凯 教授
二、绝缘体(Insulators)
特征 价电子完全充满下面一个允许能带,
上面一个允许能带完全空的;禁带宽度 较大,价带的满带电子无法跃迁至上面 的空带形成电流。
规律 满带电子在外电场作用下无法形成电流。
黄君凯 教授
三、半导体(Semiconductors)
数学描述
设每个电子的平均速率为 vi ,电量为 q, 则除空能态之外
所有价带电子形成的电流 JVb为
JVb (qvin)
(1-1)
Vb
式中n 为价带电子浓度, 为除去空能态之外对所有价带电
Vb
子求和。
黄君凯 教授
由数学上的补偿法,便有:
JVb (qvin) (qvin)
满带
空态
空态中电荷形成的电流
电子电路类课程的基础和拓展
黄君凯 教授
第一章 半导体材料的物理基础
1.1 固体的能带模型
1.1.1 固体能带的形成 一、孤立原子中的电子状态
1. 电子状态 孤立原子中的电子能级: 壳层结构 分裂能级
黄君凯 教授
电子状态(量子态)描述:
物理量
量子数
K, L,
能量(电子分布的壳层) 主量子数 n 1, 2, :决定电子能量大小
黄君凯 教授
1.2.2 键模型中的空穴 键模型 以共价键键合及断裂分析 半导体中自由电子及空穴的形 成过程的模型。
电子流( JCb)形成
温度升高 键断裂 自由电子 外场下逆向运动 导带中电流
空穴流( JVb)形成
键断裂 空位(空键) 外场下空位正向运动
电子共有化运动补位 价带中的空穴电流
黄君凯 教授
工业出版社. 5.微电子学概论.张兴等编.北京大学出版社.
黄君凯 教授
课程地位
信息科学技术 支柱学科:微电子、计算机、通信、软件。 关系:微电子是基础,计算机和通信是载体,软件是核 心。它们相辅相成,共同培育了知识经济。
信息科学技术的基础主干课程 《微电子学概论》、《集成电路原理与设计》等课程为北 大计算机系基础主干课程。
黄君凯 教授
二、固体能带的形成
1.两个原子的情况 原子相距很远:电子形态如同孤立原子 原子相距较近:电子波函数交叠 共有化运动
能级再分裂
2.N个原子形成固体的情况 能带及禁带:N个分裂密集能级形成能量连续的能带;相邻 的允许能带用禁带隔开;比较宽的能带对应于 外层高能电子。
黄君凯 教授
黄君凯 教授
1.1.2 导体、绝缘体、半导体的能带结构
一、导体(Conductors) 特征
价电子能带不满,半满带 顶部,电子极容易从外电场 获得能量,移至上半部空的 能态而成为近自由电子。
黄君凯 教授
导电要求 电子与外场交换能量: 电子能否从能带中某个状态,跃 迁到另一个空的允许状态而使能量变化。
电子与外场交换能量 电子能量跃迁 能量差 电势差 电流
相关文档
最新文档