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半导体物理课件1-7章(第三章)

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半导体物理与器件ppt课件

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2.23
h h K为波数=2π/λ, λ为波长。 2mE 15 P
2.3薛定谔波动方程的应用

2.3.2无限深势阱（变为驻波方程） 与时间无关的波动方程为：
2 x 2m 2 E V x x 0 2 x
2.13
由于E有限，所以区域I和III 中：
课程主要内容
固体晶格结构：第一章 量子力学：第二章~第三章 半导体物理：第四章~第六章 半导体器件：第七章~第十三章

1
绪论

什么是半导体
按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体
表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围 材料 电阻率ρ(Ωcm) 导体 ＜ 10-3 半导体 10-3～109 绝缘体 ＞109
分别求解与时间无关的波动方程、与时间有关的波 动方程可得自由空间中电子的波动方程为：
j j x, t A exp x 2mE Et B exp x 2mE Et




2.22
说明自由空间中的粒子运动表现为行波。 沿方向+x运动的粒子： x, t A exp j kx t
18
2.3薛定谔波动方程的应用

无限深势阱（前４级能量）
随着能量的增加，在任意给 定坐标值处发现粒子的概率 会渐趋一致
19
2.3薛定谔波动方程的应用

2.3.3阶跃势函数
入射粒子能量小于势垒时也有一定概率穿过势垒 （与经典力学不同）

20
2.3薛定谔波动方程的应用

2.3.3阶跃势函数 Ⅰ区域 21 x 2mE 2 1 x 0 2.39 2

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.

半导体器件物理PPT课件

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解
11
练习 假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
12
例1-2 硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
13
29
●允带
允许电子存在的一系列准 连续的能量状态
● 禁带
禁止电子存在的一系列能 量状态
● 满带
被电子填充满的一系列准 连续的能量状态 满带不导电
● 空带
没有电子填充的一系列准 连续的能量状态 空带也不导电
图1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）
30
●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。
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
27
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动；
杂质来源
一）制备半导体的原材料纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污； 三）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。
40
金刚石结构的特点
原子只占晶胞体积的34%，还有66%是空隙， 这些空隙通常称为间隙位置。
杂质的填充方式
一）杂质原子位于晶格 间隙式杂质 原子间的间隙位置， 间隙式杂质/填充；

半导体物理第3章课件

半导体物理第3章课件

9
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
16、某含有一些施主的p型半导体在极低温度 下（即T→0时）电子在各种能级上的分布 情况如何？定性说明随温度升高分布将如 何改变？ 17、什么叫载流子的简并化？试说明其产生 的原因。有一重掺杂半导体，当温度升高 到某一值时，导带中电子开始进入简并。 当温度继续升高时简并能否解除？
14
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
25、已知温度为500K时，硅ni= 4×1014cm-3 ， 如电子浓度为2×1016cm-3，空穴浓度为 2×1014cm-3，该半导体是否处于热平衡状态？
15
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
26、定性说明下图对应的半导体极性和掺杂状况
16
1
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
2、什么叫统计分布函数？费米分布和玻尔兹 曼分布的函数形式有何区别？在怎样的条件 下前者可以过渡为后者？为什么半导体中载 流子分布可以用波尔兹曼分布描述？ 3、说明费米能级EF的物理意义。根据EF位置 如何计算半导体中电子和空穴浓度？如何理 解费米能级EF是掺杂类型和掺杂程度的标志？
13
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
23、定性讨论如下掺杂硅单晶费米能级位置 相对于纯单晶硅材料的改变，及随温度变化 时如何改变： （1）含有1016cm-3的硼； （2）含有1016cm-3的硼和9×1015cm-3的P； （3）含有1015cm-3的硼和9×1015cm-3的P； 24、说明两种测定施主和受主杂质浓度的实 验方法的原理？
10
第三章 半导体中载流子的统计分布 思考题
18、有四块含有不同施主浓度的Ge样品。在 室温下分别为： （1）高电导n-Ge； （2）低电导n-G；（3） 高电导p-Ge； （4）低电导p-Ge；比较四 块样品EF的位置的相对高低。分别说明它们 达到全部杂质电离或本征导电时的温度的高 低？ 杂质浓度愈高，全部电离时的温度将愈高； 相应达到本征激发为主的温度也愈高。

半导体物理课件1-7章(第三章)

半导体物理课件1-7章(第三章)

V
dN 2 2
2mn* 3
2
exp
E EF k0T
E
1
Ec 2 dE
积分
E
' c
导带顶能量
3
n0
dN
V
1 Ec'
Ec 2 2
2mn* 3
2
exp
E EF k0T
E Ec
1
2 dE
热平衡3状2 态下非简并半导体的导带电子浓度n0
3
n0
dN V
1 Ec'
Ec 2 2
3.2费米能级和载流子的统计分布
3.2.1 费米分布函数
⑴把半导体中的电子看作是近独立体系,即认为电子之间的相互 作用很微弱. ⑵大量电子的运动是服从量子力学规律的,用量子态描述它们的 运动状态.电子的能量是量子化的,即其中一个量子态被电子占据, 不影响其他的量子态被电子占据.并且每一能级可以认为是双重 简并的,这对应于自旋的两个容许值. ⑶在量子力学中,认为同一体系中的电子是全同的,不可分辨的. ⑷电子在状态中的分布,要受到泡利不相容原理的限制.
电子在允许的量子态上如何分布的一个统计分布
函数。
f E
1
1 exp( E EF )
k0T
EF：费米能级或费米能量，与温度、半导体材料的导电类
型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。
一个很重要的物理参数
在一定温度下电子在各量子 态上的统计分布完全确定
17
将半导体中大量电子的集体看成一个热力系统， 由统计理论证明，费米能级EF是系统的化学势：
•半导体的导电性受温度影响剧烈。
本章讨论： 1、热平衡情况下载流子在各种能级上的分 布情况 2、计算导带电子和价带空穴的浓度，分析 它们与半导体中杂质含量和温度的关系．

(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。
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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

半导体物理第三章半导体中载流子的统计分布

半导体物理第三章半导体中载流子的统计分布

半导体物理第三章半导体中载流子的统计分布第三章半导体中载流子的统计分布第三章 Part 1 3.1 状态密度 3.2 3 2 费米能级和载流子的统计规律3.3 电子和空穴浓度的一般表达式电子和空穴浓度的般表达式 3.4 本征半导体的载流子浓度3.5 杂质半导体的载流子浓度3.6 杂质补偿半导体 3.7 3 7 简并半导体3.1 状态密度状态密度g(E)dZ(E) g( E ) = dE表示在能带中能量E附近单位能量间隔内的量子态数。

dZ 为E到E+dE内的量子态数计算状态密度的方法：1、k空间的量子态密度 1 k空间的量子态密度2、dZ或Z(E)dZ=k空间量子态密度×能量间隔对应的k空间体积Z(E)=k空间量子态密度×能量为E的等能面在k空间的体积一、导带底附近的状态密度1、k空间的量子态密度对于边长为L的立方晶体，波矢对于边长为L的立方晶体波矢 k 的三个分量为的三个分量为： n n n 即( k x = x ， = y ， z = z ) k ky k x ,k y ,k z L L L 其中 n x , n y , n z 取 0，±1，±2… 每个代表点都与体积为每一个代表点都与体积为 1 = 1 的一个小的个小 L3 V 立方体相联系即 k 空间中，电子的状态密度是V 若考虑电子的自旋，量子态密度是2V。

若考虑电子的自旋量子态密度是2V一、导带底附近的状态密度2、求dZ或Z 2 dZ Z①等能面为球面：1 h2k2 假设导带底在k=0，即 E (k ) = EC + * 2 mn以k 为半径的球面对应E，以 k + d k 为半径的球面对应E+dEdZ = 2V × 4πk dk由 E - k 关系可解得关系可解得：(2m ) ( E - EC ) k= h2n112m dE kdk = 2 hn一、导带底附近的状态密度得到(2m ) dZ = 4π V ( E - EC ) dE h1 23 ? 2 n 3所以(2m ) g ( E ) = 4π V ( E - EC ) h3 ? 2 n 31 2一、导带底附近的状态密度②实际材料：对于Si、Ge来说，在导带底附近等能面为旋转椭球面假设有S个能谷，在每个能谷附近：2 2 ? k x + k y k z2 ? h E( k ) = Ec + + ? ? 2 ? mt ml ? 2将上式变形2 kx2mt ( E ? Ec ) h2态数为+2 ky2mt ( E ? Ec ) h2k z2 2ml ( E ? Ec ) h2=1能量为E的等能面在k空间所围成的s个旋转椭球体积内的量子4 2 mt ( E ? Ec ) [2 ml ( E ? Ec )]1 2 Z ( E ) = 2Vs π 3 h2 h一、导带底附近的状态密度则导带底（附近）状态密度为(8s m ml ) dZ ( E ) gC ( E ) = = 4π V dE h2 2 t 312( E ? Ec)12* mn = mdn = ( s 2 mt2 ml )1 3 令，称 m 为导带底电子状态密度 dn有效质量，则有效质量则(2m ) dZ d (E) = 4π V gC ( E ) = d E h* 32 n 3( E ? Ec)12二、价带顶的状态密度①等能面为球面：①等能面为球面h2k 2 E (k ) = Ev 2m* pg v ( E ) = 4π V ?(2 m * ) 3 2 p h3( Ev - E )1 2②实际材料：价带顶在价带顶在k=0，而且重空穴带(mp)h和轻空穴带 (mp)l在布里渊区而空穴带 ( ( 在布渊区的中心处重合。

大学物理课件半导体基础 共94页PPT资料

大学物理课件半导体基础 共94页PPT资料
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
(1-3)
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时， 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出 的电容是势垒电容。
-N
扩散电容：为了形成正向电流
+
（扩散电流），注入P 区的少子
P
（电子）在P 区有浓度差，越靠
近PN结浓度越大，即在P 区有电
子的积累。同理，在N区有空穴的
积累。正向电流大，积累的电荷
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
(1-8)
二、本征半导体的导电机理 1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。
i
iL
稳压管的技术参数:
UzW10V,Izmax20mA, ui
R
DZ
iZRL uo
Izmin5mA
负载电阻 RL 2k。要求当输入电压由正常值发
生20%波动时，负载电压基本不变。
求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。

《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

《半导体物理学》课件

《半导体物理学》课件
《半导体物理学》PPT课 件
探索半导体物理学的奥秘，了解半导体的基础概念、晶体结构与晶格常数， 以及能带结构与载流子的相关知识。
晶体的奇妙世界
晶体结构
了解晶体的结构和晶格常数， 揭示晶体的秘密。
能带结构
探索半导体中电子在能带中的 行为和载流子的形成机制。
掺杂与输运理论
深入了解掺杂技术和半导体中 的电荷传输现象。
了解半导体材料的制备技术和制备过程中 的关键因素。
揭示浅表面态和接触势在半导体材料中的 作用和应用。
3 色散与激发态
4 NV中心及其应用
探索半导体材料中的色散效应和激发态， 了解它们对器件性能的影响。
深入了解NV中心的特性和应用，揭示量子 信息技术的前沿进展。
小结
深入探索
半导体物理学是一个广阔而 深奥的领域，不断追求知识 的深度。
半导体激光器和光电子器件
半导体激光器
激光二极管
探索半导体激光器的基础理论 和应用，揭示激光技术的魅力。
了解激光二极管的工作原理和 应用，探索光电子学中的新概 念。
集成光电子器件
深入了解集成光电子器件的设 计和制造，揭示光电子学的未 来发展方向。
半导体材料与制备技术
1 材料制备技术
2 浅表面态与接触势
1
量子点与纳米结构
探索量子点和纳米结构在半导体领域的研究和应用质结的特性和优势，探讨它们在电子元件中的重要性。
3
集成光电子元件
探索集成光电子元件的设计和制造技术，展望未来的光电子学发展方向。
4
芯片设计与制造技术
深入了解芯片设计和制造技术，揭示电子器件的前沿研究和应用动向。
半导体器件的魅力
二极管
探索PN结和二极管的原理，了解它们在电子 学领域的应用。

半导体物理ppt课件

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硅、锗基本物理参数
晶格常数 硅：0.543089nm 锗：0.565754nm 原子密度 硅：5.00×1022 锗：4.42×1022 共价半径 硅：0.117nm 锗：0.122nm
2.闪锌矿型结构和混合键
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 结晶学原胞结构特点 两类原子各自组成的面心立方晶格，沿
自由电子运动规律
基本方程
p = m0v
E = ½ |p|2/m0
Φ(r,t) = Aei2π(k·r - vt)
（动量方程） （能量方程） （波方程）
其中k 为波矢，大小等于波长倒数1/λ ，
方向与波面法线平行，即波的传播方向。
自由电子能量和动量与平面波频率和波 矢的关系
E = hν
对于边长为L的立方晶体
共价键夹角：109˚28’
金刚石结构结晶学原胞
两个面心立方沿立方体空间对角线互相 位移了四分之一的空间对角线长度套构 而成。
金刚石结构固体物理学原胞
中心有原子的正四面体结构（相同双原 子复式晶格）
金刚石结构原子在晶胞内的排列情况 顶角八个，贡献1个原子； 面心六个，贡献3个原子； 晶胞内部4个； 共计8个原子。
对于一维情况
uk(x) = uk(x+na) 式中n为整数
与自由电子相比，晶体中的电子在周期性的 势场中运动的波函数与自由电子波函数形式 相似，不过这个波的振幅uk(x)随x作周期性 的变化，且变化周期与晶格周期相同。—— 被调幅的平面波
对于自由电子在空间各点找到电子的几率相 同；而晶体中各点找到电子的几率具有周期 性的变化规律。——电子不再完全局限在某 个原子上，而是进行共有化运动。外层电子 共有化运动强，成为准自由电子。
半导体物理

半导体物理_第三章 ppt课件

半导体物理_第三章 ppt课件
半导体物理_第三章
在正常温度下，将这个施主电子激发到导带上所需的能 量显然要远远低于将共价键中的某个电子激发到导带所需的 能量。施主电子进入导带之后就可以参与导电，而留下带正
电的磷离子则在晶体中形成固定的正电荷中心。 Ed就是施主电子在半导体中引入的能级，叫做施主能级。
施主能级位于禁带中靠近导带底部的位置，通常将其
对于本征半导体材料来说，费米－狄拉克统计分布可 以简化为玻尔兹曼分布函数，即：
半导体物理_第三章
半导体物理_第三章
其中NC称为导带的有效态密度函数，若取 mn*=m0，则当T=300K时， NC=2.5X1019cm-3， 对于大多数半导体材料来说，室温下NC确实是在 1019cm-3的数量级。
5. 掌握热平衡状态下半导体材料中两种载流子 浓度与掺杂之间的函数关系；
6. 熟悉费米能级位置与半导体材料中掺杂浓度 之间的函数关系；
半导体物理_第三章
所谓热平衡状态：不受外加作用力影响的状 态，即半导体材料不受外加电压、电场、磁场、 温度梯度、光照等的影响。此时半导体材料的 各种特性均不随时间变化，即与时间无关。它 是我们分析各种稳态和瞬态问题的起点
半导体物理_第三章
半导体物理_第三章
半导体物理_第三章
其中NV称为价带的有效态密度函数，若取mp*=m0，则 当T=300K时， NV=2.5X1019cm-3以及费米能级的位置。
半导体物理_第三章
在一定温度下，对于给定的半导体材料来 说，NC和NV都是常数。下表给出了室温下（ T=300K）硅、砷化镓锗材料中的导带有效态 密度函数、价带有效态密度函数以及电子和空 穴的有效态密度质量。
半导体物理_第三章
第四章 热平衡状态下的半导体 本章学习要点： 1. 掌握求解热平衡状态下半导体材料中两种载

半导体物理第1章课件

半导体物理第1章课件
39.置于均匀磁场中的半导体中的电子受 到的洛仑兹力FL＝qv×B，式中速度v 是由什么决定的？为什么说回旋共振 实质上也是一种光吸收现象？
40.为什么极值附近的等能面是球面的半 导体，当改变磁场方向时只能观测到 一个共振吸收峰？
13
41.如何理解“回旋共振有效质量m*” 不仅通过mx*、my*和mz*而与能带 给构有关，而且还与磁场和等能面 主轴之间的相对方位有关”。
3h2k 2 m0
m
为电子惯
0
性质
量，
k1＝
1 2a
，
a＝0
.314
nm
求：
（1）禁带宽度；
（2）导带底电子有效质量 ；
（3）价带顶电子有效质量 ；
（4）价带顶电子跃迁到导 带底时准动量的变化。
4
13.原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况 以及运动情况有何不同？原子中内层电子和外 层电子参与共有化运动有何不同？
42.布洛赫函数中的波矢k有什么物理意 义？什么是电子的难动量？它是否 就是布洛赫电子的动量？为什么在 运动方程中外力等于电子准动量的 变化率F＝h(dk/df)，而不等于电子 真实动量的变化率
14
37. 二维平面晶体如图1－3所示。晶格常数已注于图 上。画出第一、第二布里渊区的边界并简耍说明 画法的根据。
12
38.简述Ge、Si和GaAs能带结构的主要特 征．分别画出k空间[100]和[111]方向 的一维能带图，标出导带极小值和价 带极大值在k空间中的位置。分别给出 能带极值附近电子和空穴等能面形状。
32. 有两块硅单晶，其中一块的重量是另一块重量的 二倍。这两块晶体价带中的能级数是否相等？彼 此有何联系？
33. 解释布里渊区边界方程Kn*（k-Kn/2a)的几何意义 和物理意义。
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22
度关系曲线
u一般可以认为，在温度不很高时，能量大于费米 能级的量子态基本上没有被电子占据，而能量小 于费米能级的量子态基本上 为电子所占据，而电 子占据费米能级的概率在各种温度下总是1/2。
E－EF>5k0T, f(E)<0.007;
E－EF<-5k0T, f(E)>0.993
f
E
1
1 exp( E
载流子：导带电子和价带空穴
★载流子的产生过程： •导带电子的来源：本征激发中由价带跃迁 到导带的电子；施主杂质电离，由施主能 级跃迁到导带的电子。 •价带空穴的来源：本征激发；受主杂质电 离，接受价带跃迁到受主能级的电子后， 在价带留下的空穴。
★载流子的复合过程：
导带电子跃迁回到价带空位中，使电子、 空穴同时消失；
EF
)
k0T
E
EF可看成量子态是否被 电子占据的一个界限。
被电子占据
的概率0%
EF
T=0k
T>0K时
E E
EF EF
, 则f (E) 1/ 2 , 则f (E) 1/ 2
E EF , 则f (E) 1/ 2
被电子占据的 概率100%
EF是量子态基本上被电子占
1 f(E)
据或基本上是空的一个标志。 费米分布函数与温
27
• 例题： 当 E EF为 1.5k0T、4k0T、10k0T 时，分别用 费米分布函数和玻尔兹曼分布函数计算电子占据
各该能级的概率。 解：费米分布函数为：
玻尔兹曼分布函数为：
f
(E
)
1
1 exp( E
EF
)
k0T
EEF
fB (E) e k0T
将 E EF = 1.5k0T , 4k0T ,10k0T 代入
u 对价带中的所有量子态来说
被空穴占据的概率，一般都满足 1 f E 1
故其空穴分布可用玻耳兹曼分布函数描写
非简并性系统：服从玻耳兹曼统计律的电子系统
简并性系统：服从费米统计律的电子系统
思考：导带中绝大多数电子分布在导带底附近
价带中绝大多数空穴分布在价带顶附近 26
•非简并半导体和简并半导体 非简并半导体：导带电子或价带空穴数量少，载流 子在能级上的分布可以用波尔兹曼分布描述的半导 体导，带其 底E特c征和是价费带米顶能Ev级。EF处于禁带之中，并且远离 简并半导体：导带电子或价带空穴数量很多，载流 子在能级上的分布只能用费米分布来描述的半导体 ，带其之特 中。征是EF接近于Ec或Ev，或者EF进入导带或价
•同理可得价带顶附近的情况 •价带顶附近E(k)与k关系
E(k)
Ev
2
(k
2 x
k
2 y
2m*p
k
2 z
)
•价带顶附近状态密度也可以写为：
gv (E)
V
2 2
(2m*p ) 32 3
(Ev
E
)
1 2
但对硅、锗这样的半导体，价带是多个能带简并 的，相应的有重和轻两种空穴有效质量，所以公 式中的mp *变化为一种新的形式。
dZ
2V
8 3
4k 2dk
将k用能量E表示
k
2
(2mn* )(E 2
Ec )
kdk
mn*dE 2
k2
(2mn* )(E 2
Ec )
k
(2mn* )1/ 2 (E
Ec )1/ 2
代入k，kdk
mn*dE 2
得到：
dZ
2V
8 3
4k 2dk
V
2 3
(2mn* ) 32 3
(E
1
Ec ) 2 dE
•根据公式，对于各向同性半导体
E
EF E k0T
EF
B e k0T
E
1 f E Be k0T
空穴的玻耳兹曼分布函数
说明:
EF
E
k0T时，
空穴占据能量为E的量子态的概率很小 即这些量子态几乎都被电子所占据了
25
半导体中，EF常位于禁带内，且与导带底或价带顶的距离远大于k0T
u 对导带中的所有量子态来说
被电子占据的概率，一般都满足 f(E)<<1 故其电子分布可用玻耳兹曼分布函数描写
EF
)
k0T
23
§3.2.2 玻耳兹曼分布函数
f
E
1
1 exp( E
EF
)
k0T
量子态被电子占据的概率很小，泡利原理 失去作用，两种统计的结果变成一样了
E EF k0T
在一定T时，电子占据能量为E的量子态的概率
exp
E EF k0T
1
E
由指数因子 e k0T 所决定。
玻耳兹曼分布函数
EEF
半导体物理学
一．半导体中的电子状态 二．半导体中杂质和缺陷能级 三．半导体中载流子的统计分布 四．半导体的导电性 五．非平衡载流子 六．pn结 七．金属和半导体的接触 八．半导体表面与MIS结构
第3章 半导体中载流子的统计分布
l 3.1 状态密度 l 3.2 费米能级和载流子的统计分布 l 3.3 本征半导体的载流子浓度 l 3.4 杂质半导体的载流子浓度 l 3.5 一般情况下的载流子统计分布 l 3.6 简并半导体
EF E
fB E e k0T e k0T e k0T
EF
令 A e k0T
E
fB E Ae k0T
24
玻耳兹曼分布函数
E
fB E Ae k0T
能量为E的量子态被电子占据的概率
1 f E： 能量为E的量子态不被电子占据的概率
也就是量子态被空穴占据的概率
1 f E
1
1
exp
EF k0T
f(E)
电子在量子态中分布
E到E+dE之间被电子占据的量子态f(E)g(E)dE
29
对导带而言：E→E+dE之间，量子态 dZ gc EdE
被电子占据量子态 f EdZ f Egc Ed E
一个被占据量子态对应一个电子
在能量区间求和，即从导带底 到导带顶对f(E)gc(E)dE积分
导带中的
电子浓度
30
除以半导体体积
能带中的电子总数
简单能带
f(E)
g(E) 1 - f(E)
非简并
g(E)f(E)
31
(1)非简并情况下，导带中电子浓度
E→E+dE间的电子数dN dN fB Egc EdE
3
gcE
dZ dE
V
2
2
2mn* 3
2
E
Ec
1 2
f B E
E EF
e k0T
3
dN
V
2
2
电子在允许的量子态上如何分布的一个统计分布
函数。
f
E
1
1 exp( E
EF
)
k0T
EF：费米能级或费米能量，与温度、半导体材料的导电类
型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。
一个很重要的物理参数
在一定温度下电子在各量子 态上的统计分布完全确定
17
将半导体中大量电子的集体看成一个热力系统，
由统计理论证明，费米能级EF是系统的化学势：
EF
F N
T
μ：系统的化学势， F：系统的自由能
意义：当系统处于热平衡状态，也不对外界作功的 情况下，系统中增加一个电子所引起系统自由能的 变化，等于系统的化学势，也就是等于系统的费米 能级。
19
习题
• 计算能量在 E EC 到 E EC 100(h2 / 8mn*L2 )
之间单位体积的量子态数。
计算状态密度的方法：
算出单位k空间中量子态（k空间状态密度）→算出k空间中能量E
到E+dE间所对应的k空间体积，并和k空间的状态密度相乘，求出
dZ→利用
g(E) dZ dE
求出。
dE dZ
k空间
k空间状态密度 k空间体积
3.1.1 k空间中量子态的分布
1.先计算单位k空间的量子态密度
晶体中K的允许值为：
适合上述条件的量子统计,称为费米-狄拉克统计.
(1)费米分布函数 f(E)
一定温度下： 低能量的量子态 电子跃迁 高能量的量子态
单个电子 大量电子
能量时大时小，经常变化
在热平衡状态下，电子按能量 大小具有一定的统计分布规律
电子在不同能量的量子态上 统计分布概率是一定的
15
量子统计理论 服从泡利不相容原理的电子遵循费米统计律。
状态密度与能量的关系
•②对于各向异性，等能面为椭球面的情况：
设导带底共有s个对称状态， 导带底附近状态密度
gc (E)
V
2 2
(2mn* ) 32 3
(E
Ec
)
1 2
对硅、锗等半导体，其中的
•m对d于n称S为i，导导带带底底电有子六状个态对密称度状有态效，质s=量6，。mdn=1.06m0 对于Ge，s=4，mdn =0.56m0
对于能量为E的一个量子态被电子占据的概率为 f(E)为:
f
E
1
1 exp( E
EF
)
k0T
k0 :玻耳兹曼常数，T : 绝对温度
16
在整个能量范围内，状态被占据的数目等于
实际存在的电子总数N。 设与能量Ei相对应的有G(Ei )个量子态，则有
G(Ei ) f (Ei ) N
i
f (E)：电子的费米分布函数，它是描写热平衡状态下，
Z g ( E) dE EC 100( 22 /2mn*L2 )