半导体物理学(第七版)ppt-2016-5

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1、半导体物理学,任课老师：刘城芳办公地点：教五-101电子邮箱：,半导体物理学,教材: 半导体物理学(第七版)，刘恩科等编著，电子工业出版社 参考书： 半导体物理与器件（第三版），Donald A.Neamen著，电子工业出版社,课程考核办法 :本课程采用闭卷考试方式。总评成绩由平时成绩和期末成绩组成。平时成绩占总评的30%，期末成绩占总评的70%。平时成绩从作业、上课出勤率等方面进行考核。,半导体物理学,半导体物理课程是电子科学与技术学科的核心专业基础课程。 半导体物理知识是一把开启电子材料与器件、光电子材料与器件的钥匙。 半导体物理课程也是一门有趣的课程，它可以像魔术师般把电、热、声、光、磁

2、、力等物理现象有机联系在一起。,半导体概要,半导体的发展史,半导体概要,金属半导体接触 1874年Braun发现了金属(如铜、铁)与半导体接触时电流传导的非对称性，用于早期的收音机检波器材； 1906年Pickard制作了硅点接触检波器； 1907年Pierce向半导体上溅射金属时发现了二极管整流特性； 1935年硒整流器和点接触二极管大量应用； 1942年Bethe提出热离子发射理论； 1947年12月贝尔实验室William Shockley、John Bardeen、WalterBrattain制作出第一个晶体管。,半导体概要,集成电路 1958年9月Texas Instrument(T

3、I) Jack Kilby 在锗上实现了第一块集成电路； 与此同时，Fairchild仙童半导体公司Robert Noyce用平面技术在硅上实现了集成电路；(双极晶体管) 上世纪60年代中期MOS晶体管集成电路开发出来，尤其是CMOS技术； 摩尔定律：集成电路的集成度和存储器的容量平均每18个月增长一倍 (Moor, 1965); 集成电路制造水平基本按照该速度发展： 目前12英寸 0.18um已经规模生产，正向0.15um、0.11um、90nm和65 nm等深亚微米过渡。一个芯片所集成的晶体管数目高达108-9个，尔1946年2月世界首台电子数值积分计算机占地100m2，重30吨，也只有1

4、8000个电子管。,半导体器件有哪些？,半导体概要,二极管,半导体器件有哪些？,三极管,半导体概要,半导体器件有哪些？,半导体集成电路,半导体概要,半导体概要,半导体器件无处不在？日常生活：衣、食、住、行；学习、工作与娱乐；其他。,半导体概要,制热,制冷,衣,半导体概要,食,半导体概要,住,行,半导体概要,半导体概要,其 他,固体材料分成：导体、半导体、绝缘体,什么是半导体？,半导体及其基本特性,半导体中的电子状态 半导体中杂质和缺陷能级 半导体中载流子的统计分布 半导体的导电性 非平衡载流子 pn结 金属和半导体的接触 半导体表面与MIS结构,半导体物理学,半导体的纯度和结构,纯度 极高，杂

5、质极少。结构,晶体结构,单胞 对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元,注：（a）单胞无需是唯一的,（ b）单胞无需是基本的,晶体结构,三维立方单胞简立方、 体心立方、 面立方,金刚石晶体结构,金刚石结构,原子结合形式：共价键 形成的晶体结构：构成一个正四面体，具有 金 刚 石 晶 体 结 构,半 导 体 有: 元 素 半 导 体 如Si、Ge,半 导 体 有: 元 素 半 导 体 如Si、Ge,金刚石晶体结构,半 导 体 有: 化 合 物 半 导 体 如GaAs、InP、ZnS,闪锌矿晶体结构,金刚石型 闪锌矿型,练习,1、按半导体结构来分，应用最为广泛的是（ ）。 2、写出三种

6、立方单胞的名称，并分别计算单胞中所含的原子数。 3、计算金刚石型单胞中的原子数。,原子中电子的状态和能级,原子中电子的状态和能级,原子中电子的状态和能级,单个电子中，电子的状态是：总是局限在原子和周围的局部化量子态，其 能级取一系列分立的值。,原子中电子的状态和能级,原子的能级分裂,两个原子的情况：,原子的能级分裂,孤立原子的能级 4个原子能级的分裂,原子的能级分裂,原子能级分裂为能带,原子外壳层交叠程度最大，共有化运动显著，能级分裂得很厉害，能带很宽。,Si的能带 （价带、导带和带隙,价带：0K条件下被电子填充的能量的能带 导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带 带隙：导带底与价带顶之间的

7、能量差,半导体的能带结构,导 带,价 带,Eg,自由电子的运动,微观粒子具有波粒二象性,平面波的波矢可描述自由电子的运动状态。,自由电子的运动,自由电子能量和波矢的关系,半导体中电子的运动,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，这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格周期相同。,半导体中电子的运动,薛定谔方程及其解的形式,布洛赫波函数,布洛赫已经证明，该方程的解为：,与晶格同周期的周期性函数,求解一维条件下晶体中电子的薛定谔方程，可以得到如图所示晶体中电子的E(k)k关系：,半导体中电子的运动,半导体中电子的运动,晶体中电子E-

8、k关系和自由电子E-k关系对比,半导体中电子的运动,固体材料分成：导体、半导体、绝缘体,固体材料的能带图,半导体、绝缘体和导体,半导体的能带,本征激发：价带电子激发成为导带电子的过程。,练习,1、什么是共有化运动？ 2、画出Si原子结构图（画出s态和p态并注明该能级层上的电子数） 3、电子所处能级越低越稳定。 （ ） 4、无论是自由电子还是晶体材料中的电子，他们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。,半导体中E（K）与K的关系,在导带底部，波数 ，附近 值很小，将 在 附近泰勒展开,半导体中E（K）与K的关系,令 代入上式得,自由电子的能量

9、,微观粒子具有波粒二象性,自由电子的速度,微观粒子具有波粒二象性,半导体中电子的平均速度,在周期性势场内，电子的平均速度u可表示为波包的群速度,半导体中电子的速度,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,半导体中电子的加速度,令 即,有效质量的意义,自由电子只受外力作用；半导体中的电子不仅受到外力的作用，同时还受半导体内部势场的作用 意义：有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得研究半导体中电子的运动规律时更为简便（有效质量可由试验测定）,有效质量的性质,空穴,只有非满带电子才可导电导带电子和价带空穴具有导电特性；电子带负电-q（导带底

10、），空穴带正电+q（价带顶）,K空间等能面,在k=0处为能带极值,导带底附近,价带顶附近,K空间等能面,以 、 、 为坐标轴构成 空间， 空间任一矢量代表波矢导带底附近,K空间等能面,对应于某一 值，有许多组不同的 ，这些组构成一个封闭面，在着个面上能量值为一恒值，这个面称为等能量面，简称等能面。 等能面为一球面（理想）,练习,练习,解：(1),练习,3.,练习,半导体中的电子状态 半导体中杂质和缺陷能级 半导体中载流子的统计分布 半导体的导电性 非平衡载流子 pn结 金属和半导体的接触 半导体表面与MIS结构,半导体物理学,与理想情况的偏离,晶格原子是振动的 材料含杂质 晶格中存在缺陷 点缺

11、陷（空位、间隙原子） 线缺陷（位错） 面缺陷（层错）,与理想情况的偏离的影响,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/ 个Si原子 在室温下电导率提高 倍 Si单晶位错密度要求低于,与理想情况的偏离的原因,理论分析认为，杂质和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，并在禁带中引入了能级，允许电子在禁带中存在，从而使半导体的性质发生改变。,硅、锗晶体中的杂质能级,例：如图所示为一晶格常数为a的Si晶胞，求：（a）Si原子半径（b）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比,解：（a）,（b）,间隙式杂质、

12、替位式杂质,杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂质称为间隙式杂质。 间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。 杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质称为替位式杂质。 替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构要求与被取代的晶格原子相近。如、族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。,间隙式杂质、替位式杂质,单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度,练习,1、实际情况的半导体材料与理想的半导体材料有何不同？2、杂质和缺陷是如何影响半导体的特性的？,杂质的类型,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,

13、N型半导体,半导体的掺杂,施主能级,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,半导体的掺杂,、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。,浅能级杂质电离能的计算,杂质的补偿作用,半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是N型还是P型由杂质的浓度差决定 半导体中净杂质浓度称为有

14、效杂质浓度（有效施主浓度；有效受主浓度） 杂质的高度补偿（ ）,半导体中同时存在施主和受主杂质，且 。,N型半导体,N型半导体,半导体中同时存在施主和受主杂质，且 。,P型半导体,P型半导体,杂质的补偿作用,深能级杂质,深能级杂质,锗晶体中的深能级,深能级杂质,以GaAs为例，按周期表各元素讨论如下：,-族化合物中的杂质能级,等电子杂质,杂质的 双性行为,点缺陷,弗仓克耳缺陷 间隙原子和空位成对出现 肖特基缺陷 只存在空位而无间隙原子 间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大，为热缺陷，它们不断产生和复合，直至达到动态平衡，总是同时存在的。 空位表现为受主作用；间隙原子表现为施主作用,点缺陷,

15、在化合物半导体中，如果成分偏离正常化学比，也会出现间隙原子和空位， 还可能形成反结构缺陷。,位错,位错是半导体中的一种缺陷，它严重影响材料和器件的性能。,位错,施主情况 受主情况,位错周围的晶格发生畸变，引起能带结构的变化。,练习,1、族杂质在Si、Ge晶体中为深能级杂质。（ ） 2、受主杂质向价带提供空穴成为正电中心。（ ）3、杂质处于两种状态：（ ）和（ ）。4、以Si在GaAs中的行为为例，说明族杂质在化合物中可能出现的双性行为。,5.以As掺入Ge中为例，说明什么是施主杂质、施主杂质电离过程和n型半导体。,练习,6.,练习,半导体中的电子状态 半导体中杂质和缺陷能级 半导体中载流子的统计分布 半导体的导电性 非平衡载流子 pn结 金属和半导体的接触 半导体表面与MIS结构,半导体物理学,热平衡状态,在一定温度下，载流子的产生和载流子的复合建立起一动态平衡，这时的载流子称为热平衡载流子。半导体的热平衡状态受温度影响，某一特定温度对应某一特定的热平衡状态。半导体的导电性受温度影响剧烈。,