半导体物理学第九章

《半导体物理学》课程教案大纲一、课程说明（一）课程名称：《半导体物理学》所属专业：物理学（电子材料和器件工程方向）课程性质：专业课学分：学分（二）课程简介、目标与任务：《半导体物理学》是物理学专业（电子材料和器件工程方向）本科生的一门必修课程。

通过学习本课程，使学生掌握半导体物理学中的基本概念、基本理论和基本规律，培养学生分析和应用半导体各种物理效应解决实际问题的能力，同时为后继课程的学习奠定基础。

本课程的任务是从微观上解释发生在半导体中的宏观物理现象，研究并揭示微观机理；重点学习半导体中的电子状态及载流子的统计分布规律，学习半导体中载流子的输运理论及相关规律；学习载流子在输运过程中所发生的宏观物理现象；学习半导体的基本结构及其表面、界面问题。

（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接：本课程的先修课程包括热力学与统计物理学、量子力学和固体物理学，学生应掌握这些先修课程中必要的知识。

通过本课程的学习为后继《半导体器件》、《晶体管原理》等课程的学习奠定基础。

（四）教材与主要参考书：［］刘恩科，朱秉升，罗晋生. 半导体物理学（第版）［］. 北京：电子工业出版社. .［］黄昆,谢希德. 半导体物理学［］. 北京：科学出版社. .［］叶良修.半导体物理学（第版）［］. 上册. 北京：高等教育出版社. .［］. . , ( .), , , .二、课程内容与安排第一章半导体中的电子状态第一节半导体的晶格结构和结合性质第二节半导体中的电子状态和能带第三节半导体中电子的运动有效质量第四节本征半导体的导电机构空穴第五节回旋共振第六节硅和锗的能带结构第七节族化合物半导体的能带结构第八节族化合物半导体的能带结构第九节合金的能带第十节宽禁带半导体材料（一）教案方法与学时分配课堂讲授，大约学时。

限于学时，第节可不讲授，学生可自学。

（二）内容及基本要求本章将先修课程《固体物理学》中所学的晶体结构、单电子近似和能带的知识应用到半导体中，要求深入理解并重点掌握半导体中的电子状态（导带、价带、禁带及其宽度）；掌握有效质量、空穴的概念以及硅和砷化镓的能带结构；了解回旋共振实验的目的、意义和原理。

半导体物理与器件习题目录半导体物理与器件习题 (1)一、第一章固体晶格结构 (2)二、第二章量子力学初步 (2)三、第三章固体量子理论初步 (2)四、第四章平衡半导体 (3)五、第五章载流子输运现象 (5)六、第六章半导体中的非平衡过剩载流子 (5)七、第七章pn结 (6)八、第八章pn结二极管 (6)九、第九章金属半导体和半导体异质结 (7)十、第十章双极晶体管 (7)十一、第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 (8)十二、第十二章MOSFET概念的深入 (9)十三、第十三章结型场效应晶体管 (9)一、第一章固体晶格结构1．如图是金刚石结构晶胞，若a 是其晶格常数，则其原子密度是。

2．所有晶体都有的一类缺陷是：原子的热振动，另外晶体中常的缺陷有点缺陷、线缺陷。

3．半导体的电阻率为10-3～109Ωcm。

4．什么是晶体？晶体主要分几类？5．什么是掺杂？常用的掺杂方法有哪些？答：为了改变导电性而向半导体材料中加入杂质的技术称为掺杂。

常用的掺杂方法有扩散和离子注入。

6．什么是替位杂质？什么是填隙杂质？7．什么是晶格？什么是原胞、晶胞？二、第二章量子力学初步1．量子力学的三个基本原理是三个基本原理能量量子化原理、波粒二相性原理、不确定原理。

2．什么是概率密度函数？3．描述原子中的电子的四个量子数是：、、、。

三、第三章固体量子理论初步1．能带的基本概念◼能带（energy band）包括允带和禁带。

◼允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范围。

◼禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范围。

◼允带又分为空带、满带、导带、价带。

◼空带（empty band）：不被电子占据的允带。

◼满带（filled band）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。

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。

价带:由价电子形成的能带，但半导体材料价电子形成的低能级能带通常称为价带。

第9章半导体异质结构第6章讨论的是由同一种半导体材料构成的p-n结，结两侧禁带宽度相同，通常称之为同质结。

本章介绍异质结，即两种不同半导体单晶材料的结合。

虽然早在1951年就已经提出了异质结的概念，并进行了一定的理论分析工作，但是由于工艺水平的限制，一直没有实际制成。

直到气相外延生长技术开发成功，异质结才在1960年得以实现。

1969年发表了第一个用异质结制成激光二极管的报告之后，半导体异质结的研究和应用才日益广泛起来。

§9.1 异质结及其能带图一、半导体异质结异质结是由两种不同的半导体单晶材料结合而成的，在结合部保持晶格的连续性，因而这两种材料至少要在结合面上具有相近的晶格结构。

根据这两种半导体单晶材料的导电类型，异质结分为以下两类：(1)反型异质结反型异质结是指由导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料所形成的异质结。

例如由p型Ge与n型Si构成的结即为反型异质结，并记为pn-Ge/Si或记为p-Ge/n-Si。

如果异质结由n型Ge 与p型Si形成，则记为np-Ge/Si或记为n-Ge/p-Si。

已经研究过许多反型异质结，如pn-Ge/Si；pn-Si/GaAs；pn-Si/ZnS；pn-GaAs/GaP；np-Ge/GaAs；np-Si/GaP等等。

(2)同型异质结同型异质结是指由导电类型相同的两种不同的半导体单晶材料所形成的异质结。

例如。

在以上所用的符号中，一般都是把禁带宽度较小的材料名称写在前面。

二、异质结的能带结构异质结的能带结构取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和能、禁带宽度、导电类型、掺杂浓度和界面态等多种因素，因此不能像同质结那样直接从费米能级推断其能带结构的特征。

1、理想异质结的能带图界面态使异质结的能带结构有一定的不确定性，但一个良好的异质结应有较低的界面态密度，因此在讨论异质结的能带图时先不考虑界面态的影响。

(1)突变反型异质结能带图图9-1(a)表示禁带宽度分别为E g1和E g2的p型半导体和n型半导体在形成异质pn结前的热平衡能带图，E g1 E g2。

《半导体物理》课程考试大纲一、适用专业：集成电路工程二、参考书目：1．刘恩科朱秉升编，半导体物理学，国防工业出版社三、考试内容与基本要求：第一章绪论[考试要求]本章要求学生掌握本课程研究的对象和内容，了解半导体材料及器件的应用，了解本课程的基本要求；了解与半导体晶体相关的概念，重点掌握倒格子、布里渊区的概念，重点了结晶体中的缺陷、晶格振动和晶体中的电子运动。

[考试内容]①晶格、格点、基矢、布里渊区、倒格子等概念②晶体中的缺陷、晶格振动③晶体中的电子运动第二章半导体中的电子状态[考试要求]本章要求学生掌握电子、空穴和有效质量的概念，重点了解和掌握半导体的能带结构，了解半导体中的杂质和缺陷能级。

[考试内容]①电子、空穴和有效质量的概念②能带论，并用能带理论解释半导体物理学中的一些现象③常用半导体的能带结构④半导体中的杂质和缺陷第三章热平衡状态下载流子的统计分布[考试要求]本章要求学生掌握状态密度及费米能级的概念，掌握热平衡状态下本征半导体及杂质半导体的载流子浓度，了解非简并情况下费米能级和载流子浓度随温度的变化。

[考试内容]①状态密度及费米能级的概念以及它们的表达式②热平衡状态下本征及杂质半导体的载流子浓度③非简并情况下费米能级和载流子浓度随温度的变化④简并半导体第四章载流子的漂移和扩散[考试要求]本章要求学生掌握半导体中载流子的各种散射机制，了解电阻率和迁移率与杂质浓度和温度的关系，掌握载流子的扩散和漂移运动、爱因斯坦关系。

[考试内容]①半导体中载流子的各种散射机制②电导率和迁移率③电阻率和迁移率与杂质浓度和温度的关系④载流子的扩散和漂移运动，爱因斯坦关系⑤强电场效应，热载流子第五章非平衡载流子[考试要求]本章要求学生掌握非平衡载流子的注入与复合，了解各种复合理论，连续性方程。

[考试内容]①非平衡载流子的注入与复合②各种复合理论③连续性方程第六章p-n结[考试要求]本章要求学生掌握p-n结概念及其能带图，掌握理想p-n结的电流电压关系，了解p-n 结电容，了解实际p-n结的电流电压关系、p-n结击穿、p-n结隧道效应等。

第四部分PN结和金属-半导体接触一、热平衡状态下的PN结PN结是很多半导体器件的核心，掌握PN结的性质是分析这些器件特性的基础。

PN结的性质集中反映了半导体导电性能的特点：存在两种载流子；载流子有漂移、扩散和产生-复合三种基本运动形式等。

因此，PN结做为半导体特有的物理现象，一直受到人们的重视。

我们主要结合较为简单的模型，着重分析PN结中的物理过程。

在一块半导体材料中，如果一部分是N型区，一部分是P型区，在N型区和P型区的交界面处就形成PN结。

一种简单的情况：N型区；P型均匀的掺有施主杂质，杂质浓度为ND区均匀的掺有受主杂质，杂质浓度为N；A在P型区和N型区交界面处，杂质分布有一突变，(如左图)，这种情况称为突变结．因为这种杂质分布比较简单，我们主要就结合突变结进行分析，得到的结论绝大部分对于其他类型的杂质分布情况同样是适用的。

实际PN结制作方法通常采用下面两种方法中的任意一种制作：1) 给P型半导体的一部分掺加施主原子(或者相反，在n型中掺加受主原子)。

施主浓度超过受主浓度的部分即转变为n型，从而制成PN结。

制作工艺有：合金法、扩散法、离子注入法等。

图合金法制造PN结过程用合金法制成的PN结就是突变结。

图扩散法制造PN结过程图扩散结的杂质分布(a)扩数结，(b)线性缓变结近似，(c)突变结近似2) 在P型半导体上生长新的n型半导体(或相反)制作工艺有：外延生长法等。

1、PN 结的接触电位差在研究不同半导体间相互连接(PN 结)或同一半导体内各处的不均匀问题时，费米能级的概念是特别有用的。

因为在这样的问题中，费米能级的高低直接决定着电子的流动或平衡。

如果各处费米能级高低不一，就表示电子是不平衡的，电子要从费米能级高的地方流向费米能级低的地方。

只有当各处的费米能级高低相同，各处电子处于相对平衡时，才没有电流的流动。

下面我们应用费米能级来讨论PN 结的接触电位差。

在半导体的PN 结中，由于两边的材料内电子和空穴的浓度不相同，电子通过扩散进入P 区，留下失去电子的施主正离子，PN 结中靠近N 区一侧有正电荷；同理，P 区一侧有负电荷，因而形成一个空间电荷区。

第九章异质结9．1 理论概要与重点分析(1)由两种不同的半导体材料形成的结，称为异质结。

异质结是同质结的引申和发展，而同质结是异质结的特殊情况。

异质结分为同型异质结(如n-nGe—GaAs，p—pGe-Si，等)和反型异质结(如p—nGe—GaAs，p—nGe—Si等)。

另外，根据结处两种材料原子过渡的陡、缓情况，可分为突变和缓变异质结。

通常形成异质结的两种材料沿界面有相近的结构，因而界面仍保持晶格连续。

(2)研究异质结的特性时，异质结的能带图起着重要作用。

在不考虑界面态的情况下，任何异质结能带图都取决于两侧半导体材料的电子亲和能、禁带宽度、功函数(随掺杂类型及浓度而异)三个因素。

然而平衡异质结内具有统一费米能级仍然是画能带图的重要依据。

由于禁带宽度和电子亲和能不同，两种半导体的Ec 、Ev，在交界面处出现不连续而发生突变，其突变量：由于晶格失配，必然在界面处存在悬挂键而引入界面态，晶格失配越严重，悬挂键密度越高，界面态密度越大。

不同晶面相接触形成异质结其悬挂键密度是不同的，经推算，几个主要面形成异质结后的悬挂键密度△Ns分别为如果界面态的密度很大(1013／cm2以上)，表面处的费米能级在表面价带以上禁带宽度的1/3处。

对n型半导体，界面态起受主作用，界面态接受体内电子，界面带负电，半导体表面带正电，使能带上弯。

对p型半导体，界面态起施主作用，界面态向体内施放电子，界面带正电，半导体表面带负电，使能带下弯。

总之高界面态的存在，使异质结的能带图与理想情况相比有较大的变化。

(4)因为异质结在结处能带不连续，存在势垒尖峰和势阱，而且还有不同程度的界面态和缺陷，使异质结的电流传输问题比同质结要复杂得多。

不存在一种在多数情况下起主导作用的电流传输机制，根据结的实际情况发展了多种电流传输模型。

这些模型是：扩散模型、发射模型、发射复合模型、隧道一复合模型等。

分别或联合使用这些模型计算的结果，可使不同异质结的伏安特性有较好的解释。

半导体物理第九章(总7页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除第9章半导体异质结构第6章讨论的是由同一种半导体材料构成的p-n结，结两侧禁带宽度相同，通常称之为同质结。

本章介绍异质结，即两种不同半导体单晶材料的结合。

虽然早在1951年就已经提出了异质结的概念，并进行了一定的理论分析工作，但是由于工艺水平的限制，一直没有实际制成。

直到气相外延生长技术开发成功，异质结才在1960年得以实现。

1969年发表了第一个用异质结制成激光二极管的报告之后，半导体异质结的研究和应用才日益广泛起来。

§异质结及其能带图一、半导体异质结异质结是由两种不同的半导体单晶材料结合而成的，在结合部保持晶格的连续性，因而这两种材料至少要在结合面上具有相近的晶格结构。

根据这两种半导体单晶材料的导电类型，异质结分为以下两类：(1)反型异质结反型异质结是指由导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料所形成的异质结。

例如由p型Ge与n型Si构成的结即为反型异质结，并记为pn-Ge/Si或记为p-Ge/n-Si。

如果异质结由n型Ge与p型Si形成，则记为np-Ge/Si或记为n-Ge/p-Si。

已经研究过许多反型异质结，如pn-Ge/Si；pn-Si/GaAs；pn-Si/ZnS；pn-GaAs/GaP；np-Ge/GaAs；np-Si/GaP等等。

(2)同型异质结同型异质结是指由导电类型相同的两种不同的半导体单晶材料所形成的异质结。

例如。

在以上所用的符号中，一般都是把禁带宽度较小的材料名称写在前面。

二、异质结的能带结构异质结的能带结构取决于形成异质结的两种半导体的电子亲和能、禁带宽度、导电类型、掺杂浓度和界面态等多种因素，因此不能像同质结那样直接从费米能级推断其能带结构的特征。

1、理想异质结的能带图界面态使异质结的能带结构有一定的不确定性，但一个良好的异质结应有较低的界面态密度，因此在讨论异质结的能带图时先不考虑界面态的影响。