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【精品】半导体物理(SEMICONDUCTOR PHYSICS )PPT课件

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• 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力
如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜,无光照时的暗电阻为几十 MΩ,当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ
• 此外,半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变
• 本课程的内容安排
以元素半导体硅(Si)和锗(Ge)为对象: • 介绍了半导体的晶体结构和缺陷,定义了晶向和晶面 • 讨论了半导体中的电子状态与能带结构,介绍了杂质半导体及其 杂质能级 • 在对半导体中载流子统计的基础上分析了影响因素,讨论了非平 衡载流子的产生与复合 • 对半导体中载流子的漂移运动和半导体的导电性进行了讨论,介 绍了载流子的扩散运动,建立了连续性方程 • 简要介绍了半导体表面的相关知识
• 化学比偏离还可能形成所谓反结构缺陷,如GaAs晶体中As 的成份偏多,不仅形成Ga空位,而且As原子还可占据Ga空 位,称为反结构缺陷。
• 此外高能粒子轰击半导体时,也会使原子脱离正常格点位 置,形成间隙原子、空位以及空位聚积成的空位团等。
• 位错是晶体中的另一种缺陷,它是一种线缺陷。
• 半导体单晶制备和器件生产的许多步骤都在高温下进行,因而在 晶体中会产生一定应力。
共价键方向是四面体对称的,即共价键是从正四面体中心原子出 发指向它的四个顶角原子,共价键之间的夹角为109°28´,这种正四面 体称为共价四面体。
图中原子间的二条连线表示共有一对价电子,二条
线的方向表示共价键方向。
共价四面体中如果把原子粗
略看成圆球并且最近邻的原
子彼此相切,圆球半径就称 为共价四面体半径。
图1.6 两种不同的晶列
• 晶列的取向称为晶向。 • 为表示晶向,从一个格点O沿某个晶向到另一格点P作位移 矢量R,如图1.7,则
R=l1a+l2b+l3c • 若l1:l2:l3不是互质的,通过

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。

半导体物理学第二章-PPT

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。

半导体器件物理教案课件

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。

半导体物理基楚信息功能材料ppt课件

半导体物理基楚信息功能材料ppt课件
在一块纯净的半导体晶 片上,采用特殊的掺杂工艺, 在两侧分别掺入三价元素和 五价元素。一侧形成P型半 导体,另一侧形成N型半导 体,在结合面的两侧分别留 下了不能移动的正负离子, 呈现出一个空间电荷区。这 个空间电荷区就称为p-n结。
图1-5基本结构示意图
图1-6 p-n结的形成
12
❖ 单纯的p型或n型半导体,仅仅是导电能力增强而 已,还不具备半导体器件所要求的各种特性。但如 果形成一个p-n结。 当p型半导体和n型半导体“结 合”在一起时,由于p型半导体的空穴浓的高,自 由电子的浓度低;而n型半导体的自由电子浓度高, 空穴浓度低,所以交界面两侧的载流子在浓度上形 成了很大的差别。于是就在交界面附近产生了多数 载流子的扩散运动。
9
3、 杂质的补偿作用
❖ 实际的半导体中既有施主杂质(浓度nd), 又有受主杂质(浓度na),两种杂质有补偿 作用:
❖ 若nd na——为n型(施主) ❖ 若nd na——为p型(受主) ❖ 利用杂质的补偿作用,可以制成 p-n 结。
10
综上所述
Ⅲ族元素 Ⅴ族元素
掺入半导体, 分别成为
受主杂质 施主杂质
7
❖ 1、N型半导体
❖ 四价的本征半导体 Si 、Ge等,掺入少量五价的杂质元素 (如P、As等)形成电子型半导体,称 n 型半导体。
❖ 量子力学表明,这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠 空带处, 杂质电离能∆ED~10-2eV,极易形成电子导电。该 能级称为施主能级。
在n型半导体中,电子是多数载流子而空穴是少数载流子
在禁带中引入了 新的能级,分别为
常温下,杂质都 处于离化态
受主能级:比价带顶高ΔEA 施主能级:比导带底低ΔED
受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心 施主杂质向导带提供电子而成为正电中心

《半导体物理学》课件

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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 。

半导体物理课件

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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.

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§1.2.4电子在周期场中的运动——能带论
2、电子在周期场中的运动
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)ei2 kx
(1-14)
式中k为波矢,uk (x)是一个与晶格同周期的周期性函数, 即:
uk (x) uk (x na)
式中n为整数。
§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
2、电子在周期场中的运动 式(1-13)具有式(1-14)形式的解,这一结论称为布洛赫
定理。具有式(1-14)形式的波函数称为布洛赫波函数 晶体中的电子运动服从布洛赫定理:
晶体中的电子是以调幅平面波在晶体中传播。 这个波函数称为布洛赫波函数。
§1.1 晶体结构预备知识,半导体晶体结构 2.几种晶格结构
如果只考虑晶格的周期性,可用固体物理学原胞表示:
简立方原胞:与晶胞相同,含一个原子。

体心立方原胞:为棱长
3 2
a
的简立方,含一个原子。

面心立方原胞:为棱长
2 2
a
的菱立方,由面心立方体对
角线的;两个原子和六个面心原子构成,含一个原子。
§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、自由电子的运动状态 对于波矢为k的运动状态,自由电子的能
量E,动量p,速度v均有确定的数值。 波矢k可用以描述自由电子的运动状态,
不同的k值标志自由电子的不同状态 自由电子的E和k的关系曲线,呈抛物线
形状。 由于波矢k的连续变化,自由电子的能量
(e)(100)面上的投影
§1.1 晶体结构预备知识,半导体晶体结构 4.闪锌矿型结构

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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

半导体物理.ppt

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2
[ U (r)] (x) E (r)
(1 1)
2m0
(2) 布洛赫波: (r) eikr Uk (r) 其中 eikr 为自由电子波函数
而平移矢量 Uk (r) Uk (r al )
(1 2)
(1 3)
al 为晶格矢量
特点:1, U (r) 表明布洛赫波的振幅受到晶格周期势场的调制
,
(n
0,
1,
2……
)→能量不连续
如图P.13 F.1-10(a)和(c) 能量不连续变化,形成禁带
b, 允带:能量可取值的区域,又称为布里渊区
包括第一布里渊区:-1/2a<k<1/2a;
又称为简约布区如右图,长为1/a倒格矢 简约布里渊区中的波矢为简约波矢
3. E(k)是 k 的周期函数,周期为1/a,即 E(k) = E(k+n/a) 即 k 和 k+n/a 代表格波的相同状态 ∴考虑能带结构时,只需考虑第一布区即 -1/2a < k < 1/2a
(
x)
eikx
U
k
(
x)
i(k
e
2 nx a
)
U
k
(
i
x)e
2 nx a
先求解一维薛定谔方程
2
2m o
d 2 (x)
dx2
V (x) (x)
E (x)
(1 4)
可得P.13 Fig1-10(a)的E~k关系
1, k 可取实数,k不同,晶内电子能量不同 E(k)
2, 禁带和允带:
a,
禁带:k
n 2a
(1)单电子近似:对选定的电子,所有其它电子对它的作用简化为在原子 实构成的周期性势场上叠加的一个等效平均场,即把晶体中价电 子运动当作是相互独立的,所有其他电子的作用近似为:

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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

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目录 Contents
• 半导体器件物理概述 • 半导体材料的基本性质 • 半导体器件的基本结构与工作原理 • 半导体器件的特性分析 • 半导体器件的制造工艺 • 半导体器件的发展趋势与展望
01
半导体器件物理概述
半导体器件物理的定义
半导体器件物理是研究半导体材料和器件中电子和空穴的行为,以及它们与外部因 素相互作用的一门学科。
可以分为隧道器件、热电子器件、异质结器 件等。
半导体器件的应用
01
通信领域
用于制造手机、卫星通信、光纤通 信等设备中的关键元件。
能源领域
用于制造太阳能电池、风力发电系 统中的传感器和控制器等。
03
02
计算机领域
用于制造计算机处理器、存储器、 集成电路等。
医疗领域
用于制造医疗设备中的检测器和治 疗仪器等。
04
02
半导体材料的基本性质
半导体材料的能带结构
总结词
能带结构是描述固体中电子状态的模 型,它决定了半导体的导电性能。
详细描述
半导体的能带结构由价带和导带组成 ,它们之间存在一个禁带。当电子从 价带跃迁到导带时,需要吸收或释放 能量,这决定了半导体的光电性能。
载流子的输运过程
总结词
载流子输运过程描述了电子和空穴在 半导体中的运动和相互作用。
•·
场效应晶体管分为N沟道 和P沟道两种类型,其结 构包括源极、漏极和栅极 。
场效应晶体管在放大、开 关、模拟电路等中应用广 泛,具有功耗低、稳定性 高等优点。
当栅极电压变化时,导电 沟道的开闭状态会相应改 变,从而控制漏极电流的 大小。
04
半导体器件的特性分析
半导体器件的I-V特性

《半导体物理基础》课件

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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
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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
若B沿[1 0 0]方向,则:
同理可知,磁场沿[110]晶轴方向,也能观 察到两个吸收峰
当磁场对晶轴任意取向,三个晶轴上的椭 球结不等效时,可以观察到三个吸收峰
半导体物理 Semiconductor Physics
锗的导带结构
锗的导带极小值则在 <111>方向的简约布里渊 区边界上(L点),共有 八个等价点。但每一点在 简约布里渊区内只有半个 能谷,合起来共有四个等 价谷。
半导体物理 Semiconductor Physics
锗和硅导带能谷的共同特点是沿等能面
椭球旋转轴的方向的有效质量ml大于横向 有效质量mt,它们分别为
ml/m0
mt/m0
Ge 1.64
0.082
Si 0.98
0.19
半导体物理 Semiconductor Physics
在锗中,导带除了在 <111>方向的能谷以 外,在k=0和<100>方 向还有较高的能谷。 其中k=0的能谷只比 <111>能谷高0.13eV, <100>谷则比Γ能谷高 0.18eV。在较高的温 度下k=0和<100>谷都 可有一定的电子分布。
常见半导体的能带结构
庞智勇
山东大学物理学院
本幻灯片参照刘恩科等所编著教材《半导体物理学》编写
半导体物理 Semiconductor Physics
硅和锗的导带结构
半导体物理 Semiconductor Physics
硅的导带结构
硅导带极小值在k空 间<100>方向,能谷 (通常把导带极小值 附近的能带形象地称 为能谷)中心与Γ点 (k=0)的距离约为Γ 点与X点(<100>方向 布里渊区边界)之间 距离的5/6。共有六个 等价的能谷。通常把 这些能谷称为卫星能 谷。
半导体物理 Semiconductor Physics
砷化镓价带也具有一个重空穴带V1,一个轻空 穴带V2和由于自旋-轨道耦合分裂出来的第三个 能带V3,重空穴带极大值稍微偏离布里源区中 心。
第三个能带的裂距为0.34eV。
室温下禁带宽度1.424eV。
禁带宽度随温度变化。
Eg
(T
)
Eg
(0)
T
T
对于[0 1 0]轴上的两个椭 球与[0 0 1]轴上的两个椭 球来讲,其横轴对应的方 向余弦α或β其中之一等于 1,其余等于零。
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt ml
两个有效质量值,对应两个共振频率,有两个 吸收峰!
半导体物理 Semiconductor Physics
2
E Ak 2 2m0
价带中这三个带来自原子中的p态。由于自 旋-轨道耦合,分裂为总角动量为J=3/2和1/2 的p3/2和p1/2态,上面的两个带与p3/2相对应, 下面的一个带则和p1/2相对应。
半导体物理 Semiconductor Physics
硅和锗能带的一 个重要特点是导 带底和价带顶不 在k空间的相同点。 具有这种类型能 带的半导体称为 间接禁带半导体。
半导体物理 Semiconductor Physics
重空穴带和轻空穴带在k=0附近的E-k关系 可表示为
2
1
E
EV
2m0
{Ak 2
[B2k 4
C
2
(kx2k
2 y
k
k2 2
yz
kz2k
2 x
)]2
}
在k=0处,两者能量简并。取+号,得到有 效质量较大的空穴,称为重空穴;取-号, 得到有效质量较小的空穴,称为轻空穴。
半导体物理 Semiconductor Physics
禁带宽度是随温度变化的,通常随 温度的升高而降低。
Eg
(T
)
Eg
(0)
T
T
2
半导体物理 Semiconductor Physics
砷化镓的能带结构
半导体物理 Semiconductor Physics
砷化镓导带极小值位于布里源
区中心k=0的Γ点处。等能面是
半导体物理 Semiconductor Physics
对于具有六个等价能谷且等能面为旋转椭球面 的硅导带结构,当进行回旋共振实验时,磁场 的方向不同,观察到的吸收峰数量也不同,即
mn*
qB
c
m*xm*y m*z
mx* 2 m*y 2 m*z 2
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
球面,导带底电子有效质量为 0.067m0。
在[111]和[100]方向布里源区边 界L和X处还各有一个极小值, 电子的有效质量分别为0.55m0 和0.85m0。
室温下, Γ、 L、X三个极小
值与价带顶的能量差本别为 1.424eV,1.708eV和1.900eV。 L极小值的能量比布里源区中 心极小值约高0.29eV。
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