半导体物理-复习(刘恩科)PPT课件
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半导体物理复习课
.
1
半导体物理
第一章 半导体中的电子状态
❖ 晶体结构与共价键 金刚石型结构 闪锌矿型结构 纤锌矿型结构 氯化钠型结构
.
2
半导体物理
能级与能带
电子在原子核势场和 其他电子作用下分列
在不同能级
原子相互接近 形成晶体
❖ 共有化运动：由于电子壳 层的交叠，电子不再完全 局限在某一个原子上，可 以由一个原子转移到相邻 的原子上去，因而，电子 将可以在整个晶体中运动
❖ 费米分布函数：（描述热平衡状态下，电子在允许的量子态上如
何分布）
f E
1
1exp(EEF )
k0T
标志了电子填 充能级的水平
❖ T=0K时，
若EE<-EEF，F则>f>(Ek)=01T
若E>EF，则f (E)=0
.
23
半导体物理
玻尔兹曼分布函数
条件：E-EF>>k0T EEF
fB E e k0T
Ec
除以半导体体积
V
n 0 4(2 m h n 3 * )3 /2(导k 0 T 带)3 电/2子e x 浓p ( 度E nc 0k 0 T E F ) 0x 1 /2 e xd x
.
25
半导体物理
载流子浓度乘积n0p0
❖ 与费米能级无关
❖ ❖ ❖
只适温决用度定于一与热定温平，n度衡0n0pT状p0，0态一与下定所N的含c任N杂何v质e半x无导p关体kE0Tg
fDE112exp1EDk0TEF fAE112exp1EFk0TEA
施主能级上的电子浓度 电离施主浓度
nDNDfD(E)11expN(E DDEF)
2
k0T
nD NDnD
.
28
半导体物理
只含一种杂质的半导体
❖N型半导体 n0=nd++p0
弱电离 杂质电离
饱和电离区
杂质饱和电离——本征过渡区
本征激发区
费米统计分布：受到泡利不相容原理限制 玻尔兹曼分布：泡利原理不起作用
.
24
半导体物理
❖ 导带电子浓度
能量E到E+dE之间的量子态 dZgc(E)dE
电子占据能量为E的量子态几率
f (E )
载流子浓度 是与温度、 杂质数量及 种类有关的 量
将所有能量区间中电子数相加
Ec'
f (E)gc (E)dE
k 2 k 0
❖ 电子速度与能量关系
❖ 电子有效质量
1 h
dE dk
mn*
h2 d2E
dk 2
.
9
半导体物理
有效质量的意义：
f
mn*
a
1、概括了半导体内部势场 的作用 2、a是半导体内部势场和 外电场作用的综合效果 3、直接将外力与电子加速 度联系起来
.
10
半导体物理
❖ 空穴
▪ 正电 ▪ 有效质量为正
Na=Nd的半导体中
完全补偿的半导体
.
34
半导体物理
❖ N型半导体(Nd>Na)
杂质电离情况下：Nd>Na，则受主完全电离，pa=0 由于本征激发可以忽略，则电中性条件为
nN aN dn d
低能量的量子态
热平衡载流子：处于热平衡状态下的导电电子和空穴
.
21
半导体物理
状态密度
❖ 状态密度：能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子 态数。
gE dZ
dE
状态密度的计算：为简单起见，考虑等能面为球面的情况
3
gcEd dE Z4V2m h3 n *2EEc1 2
.
22
半导体物理
费米能级与分布函数
.
11
半导体物理
❖ 回旋共振
▪ 等能面
❖ 电子有效质量可测
.
12
半导体物理
小结
❖ 共有化运动 ❖ Si的能带分布图 ❖ 本征激发 ❖ 电子有效质量的意义
.
13
半导体物理
半导体中的杂质
❖ 所处位置不同：替位式杂质、间隙式杂质 ❖ 所处能级不同：施主杂质、受主杂质
施放电子而 产生导电电 子并形成正
半导体物理
❖离子性强的化合物半导体（M,X）
.
19
半导体物理
小结
❖ 施主杂质——施主能级 ❖ 受主杂质——受主能级 ❖ 杂质补偿 ❖ 深能级（复合中心） ❖ 缺陷及所对应的施主/受主作用
.
20
半导体物理
第三章 半导体中载流子的统计分布
热平衡状态
高能量的量子态
使电子空穴对 不断减少
产生电子空穴对
电中心
接受电子成 为负电中心
.
14
半导体物理
.
15
半导体物理
.
16
半导体物理
❖ 杂质补偿作用
ND NA NA ND
ND ≈ NA
.
17
半导体物理
❖ 深能级
▪ 深能级对半导体中的载流子浓度和导电类型的影响没 有浅能级杂质显著，但对载流子的复合作用比浅能级 杂质强，故这些杂质也称为 复合中心
.
18
❖ 只有外层电子共有化运动 最显著
相邻原子壳 层形成交叠
共有化运动
.
3
半导体物理
能级分裂
.
4
半导体物理
能带形成
导带
满带或价 带
.
5
半导体物理
.
6
半导体物理
❖ 本征激发
常用禁带宽度 硅：1.12eV 锗：0.67eV 砷化镓：
1.43eV
.
7
半导体物理
半导体中电子状态和能带
晶体中的电子 VS
.
29
半导体物理
弱电离
E F E C E C 2 E d k 2 l T n g N d N d C 1 2 E C E d k 2 l T n g N d N d C
1
nNgCN d d2exp2EkIT
.
30
半导体物理
饱和电离
nNd
EF ECkTlnN NC d p ni2 ni2
n Nd
.
31
半ห้องสมุดไป่ตู้体物理
lnn
本征区 饱和区
杂质电离区
1
T
图4.5 N型半导体中电子浓度随温度的变化
.
32
半导体物理
E
EC
EFN型
Ed
Ei
EFP型
EE Va
0
T
图4.6 费米能级随温度的变化
.
33
半导体物理
有杂质补偿的半导体
n Na ndp Nd pa
在Nd>Na的半导体中 n N a p N d n d 在Na>Nd的P型半导体中 p N d n N a p a
自由电子
严格周期性重复排列的原子间运动
恒定为零的势场中运动
单电子近似：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
以及其他大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期变化的， 并且它的周期与晶格周期相同。
.
8
半导体物理
半导体中的电子运动
❖ 半导体中E(k)与k的关系
Ek
E0
1 2
d2E dk 2
Nc：导带有效状态密度 Nv：价带有效状态密度
.
26
半导体物理
本征半导体
电中性条件
np
E iE F1 2E CE V1 2klTn N N V C ni pi NCNV12ex p2E kgT
.
27
半导体物理
杂质半导体中的载流子浓度
电子占据施主能级的几率： 空穴占据受主能级的几率：
.
1
半导体物理
第一章 半导体中的电子状态
❖ 晶体结构与共价键 金刚石型结构 闪锌矿型结构 纤锌矿型结构 氯化钠型结构
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2
半导体物理
能级与能带
电子在原子核势场和 其他电子作用下分列
在不同能级
原子相互接近 形成晶体
❖ 共有化运动：由于电子壳 层的交叠，电子不再完全 局限在某一个原子上，可 以由一个原子转移到相邻 的原子上去，因而，电子 将可以在整个晶体中运动
❖ 费米分布函数：（描述热平衡状态下，电子在允许的量子态上如
何分布）
f E
1
1exp(EEF )
k0T
标志了电子填 充能级的水平
❖ T=0K时，
若EE<-EEF，F则>f>(Ek)=01T
若E>EF，则f (E)=0
.
23
半导体物理
玻尔兹曼分布函数
条件：E-EF>>k0T EEF
fB E e k0T
Ec
除以半导体体积
V
n 0 4(2 m h n 3 * )3 /2(导k 0 T 带)3 电/2子e x 浓p ( 度E nc 0k 0 T E F ) 0x 1 /2 e xd x
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半导体物理
载流子浓度乘积n0p0
❖ 与费米能级无关
❖ ❖ ❖
只适温决用度定于一与热定温平，n度衡0n0pT状p0，0态一与下定所N的含c任N杂何v质e半x无导p关体kE0Tg
fDE112exp1EDk0TEF fAE112exp1EFk0TEA
施主能级上的电子浓度 电离施主浓度
nDNDfD(E)11expN(E DDEF)
2
k0T
nD NDnD
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半导体物理
只含一种杂质的半导体
❖N型半导体 n0=nd++p0
弱电离 杂质电离
饱和电离区
杂质饱和电离——本征过渡区
本征激发区
费米统计分布：受到泡利不相容原理限制 玻尔兹曼分布：泡利原理不起作用
.
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半导体物理
❖ 导带电子浓度
能量E到E+dE之间的量子态 dZgc(E)dE
电子占据能量为E的量子态几率
f (E )
载流子浓度 是与温度、 杂质数量及 种类有关的 量
将所有能量区间中电子数相加
Ec'
f (E)gc (E)dE
k 2 k 0
❖ 电子速度与能量关系
❖ 电子有效质量
1 h
dE dk
mn*
h2 d2E
dk 2
.
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半导体物理
有效质量的意义：
f
mn*
a
1、概括了半导体内部势场 的作用 2、a是半导体内部势场和 外电场作用的综合效果 3、直接将外力与电子加速 度联系起来
.
10
半导体物理
❖ 空穴
▪ 正电 ▪ 有效质量为正
Na=Nd的半导体中
完全补偿的半导体
.
34
半导体物理
❖ N型半导体(Nd>Na)
杂质电离情况下：Nd>Na，则受主完全电离，pa=0 由于本征激发可以忽略，则电中性条件为
nN aN dn d
低能量的量子态
热平衡载流子：处于热平衡状态下的导电电子和空穴
.
21
半导体物理
状态密度
❖ 状态密度：能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子 态数。
gE dZ
dE
状态密度的计算：为简单起见，考虑等能面为球面的情况
3
gcEd dE Z4V2m h3 n *2EEc1 2
.
22
半导体物理
费米能级与分布函数
.
11
半导体物理
❖ 回旋共振
▪ 等能面
❖ 电子有效质量可测
.
12
半导体物理
小结
❖ 共有化运动 ❖ Si的能带分布图 ❖ 本征激发 ❖ 电子有效质量的意义
.
13
半导体物理
半导体中的杂质
❖ 所处位置不同：替位式杂质、间隙式杂质 ❖ 所处能级不同：施主杂质、受主杂质
施放电子而 产生导电电 子并形成正
半导体物理
❖离子性强的化合物半导体（M,X）
.
19
半导体物理
小结
❖ 施主杂质——施主能级 ❖ 受主杂质——受主能级 ❖ 杂质补偿 ❖ 深能级（复合中心） ❖ 缺陷及所对应的施主/受主作用
.
20
半导体物理
第三章 半导体中载流子的统计分布
热平衡状态
高能量的量子态
使电子空穴对 不断减少
产生电子空穴对
电中心
接受电子成 为负电中心
.
14
半导体物理
.
15
半导体物理
.
16
半导体物理
❖ 杂质补偿作用
ND NA NA ND
ND ≈ NA
.
17
半导体物理
❖ 深能级
▪ 深能级对半导体中的载流子浓度和导电类型的影响没 有浅能级杂质显著，但对载流子的复合作用比浅能级 杂质强，故这些杂质也称为 复合中心
.
18
❖ 只有外层电子共有化运动 最显著
相邻原子壳 层形成交叠
共有化运动
.
3
半导体物理
能级分裂
.
4
半导体物理
能带形成
导带
满带或价 带
.
5
半导体物理
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6
半导体物理
❖ 本征激发
常用禁带宽度 硅：1.12eV 锗：0.67eV 砷化镓：
1.43eV
.
7
半导体物理
半导体中电子状态和能带
晶体中的电子 VS
.
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半导体物理
弱电离
E F E C E C 2 E d k 2 l T n g N d N d C 1 2 E C E d k 2 l T n g N d N d C
1
nNgCN d d2exp2EkIT
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30
半导体物理
饱和电离
nNd
EF ECkTlnN NC d p ni2 ni2
n Nd
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31
半ห้องสมุดไป่ตู้体物理
lnn
本征区 饱和区
杂质电离区
1
T
图4.5 N型半导体中电子浓度随温度的变化
.
32
半导体物理
E
EC
EFN型
Ed
Ei
EFP型
EE Va
0
T
图4.6 费米能级随温度的变化
.
33
半导体物理
有杂质补偿的半导体
n Na ndp Nd pa
在Nd>Na的半导体中 n N a p N d n d 在Na>Nd的P型半导体中 p N d n N a p a
自由电子
严格周期性重复排列的原子间运动
恒定为零的势场中运动
单电子近似：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
以及其他大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期变化的， 并且它的周期与晶格周期相同。
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8
半导体物理
半导体中的电子运动
❖ 半导体中E(k)与k的关系
Ek
E0
1 2
d2E dk 2
Nc：导带有效状态密度 Nv：价带有效状态密度
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半导体物理
本征半导体
电中性条件
np
E iE F1 2E CE V1 2klTn N N V C ni pi NCNV12ex p2E kgT
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半导体物理
杂质半导体中的载流子浓度
电子占据施主能级的几率： 空穴占据受主能级的几率：