半导体物理学 刘恩科 七版

半导体物理学
半导体器件
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
半导体器件
半导体物理学
课程考核办法 :
本课采用开卷笔试的考核办法。 总评成绩构比例为：平时成绩10%； 期末考
研究在固体（主要是半导体〕材料上构成 的微小型化器件、电路、及系统的电子学 分支学科
半导体器件
半导体概要
微电子学研究领域
•半导体器件物理 •集成电路工艺 •集成电路设计和测试
微电子学发展的特点
向高集成度、低功耗、 高性能高可靠性电路方 向发展
与其它学科互相渗透， 形成新的学科领域： 光电集成、MEMS、生物 芯片
练习
1、单胞是基本的、不唯一的单元。
（
）
2、按半导体结构来分，应用最为广泛的是
（
）。
3、写出三种立方单胞的名称，并分别计算 单胞中所含的原子数。
4、计算金刚石型单胞中的原子数。
半导体器件
电子壳层
原子的能级
不同支壳层电子
1s；2s，2p；3s，2p，3d；…
共有化运动
半导体器件
Si原子的能级
电子的能级是量子化的
n=3 四个电子
n=2 8个电子
+14
H 半导体器件
n=1 2个电子
Si
原子的能级的分裂
孤立原子的能级 分裂
4个原子能级的
半导体器件
原子的能级的分裂
原子能级分裂为能带
半导体器件
Si的能带 （价带、导带和带隙〕

2 2 2 E (k ) E (0) (k x k y k z ) * 2mn
半导体器件
2
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
半导体器件
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
半导体器件
晶体结构
三维立方单胞

简立方、
体心立方、
面立方
半导体器件
金刚石晶体结构
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
金刚石结构
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Ⅲ、Ⅴ 族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。
半导体器件
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
半导体器件
练习
1、实际情况下k空间的等能面与理想情况下的等 能面分别是如何形状的？它们之间有差别的原因？ 2、实际情况的半导体材料与理想的半导体材料有 何不同？
半导体器件
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。
半导体器件
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

7 （ .1 ）根据N c 2( N v 2( k 0Tm p 2
2 3 3 k 0Tmn ) 2 2 2
) 2得
2
2 2 N c 3 31 mn 0.56m0 5.1 10 kg k 0T 2 2 2 N v2 3 m 时的N 、N 0.29m0 2.6 10 31 kg （2） 77 K C 2 k 0T V ' ' N（ C 77 K） 3 T N（ T C 300K）
没有全部电离全部电离小于质数的百分比未电离施主占总电离杂全部电离的上限求出硅中施主在室温下不成立不成立成立17181617161702619026180261610101010cm成立全电离全电离10261002617141702619026102210221005100510cm即有效掺杂浓度为的掺杂浓度范围的本征浓度电离的部分在室温下不能掺杂浓度超过杂质全部电离的掺杂上以下室温的电离能上限上限上限12
p
' NC NC （
1
77 3 77 3 ） 1.05 1019 （ ） 1.37 1018 / cm 3 300 300
' NV NV （
77 3 77 3 ） 3.9 1018 （ ） 5.08 1017 / cm 3 300 300
10. 以施主杂质电离 90%作为强电离的标准，求掺砷的 n 型锗在 300K 时，以杂质电离为主的饱和区掺 杂质的浓度范围。
10.解 As的电离能E D 0.0127eV , N C 1.05 1019 / cm 3 室温300K以下，As 杂质全部电离的掺杂上 限 D 2N D E exp( D ) NC k 0T 2N D 0.0127 exp NC 0.026

第一章习题1．设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E V (k)分别为：E c =0220122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V -=-+ 0m 。

试求：为电子惯性质量，nm a ak 314.0,1==π（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 解：（1）eVm k E k E E E k m dk E d k m kdk dE Ec k k m m m dk E d k k m k k m k V C g V V V c 64.012)0()43(0,060064338232430)(2320212102220202020222101202==-==<-===-==>=+===-+ 因此：取极大值处，所以又因为得价带：取极小值处，所以：在又因为：得：由导带：043222*83)2(1m dk E d mk k C nC===sN k k k p k p m dk E d mk k k k V nV/1095.7043)()()4(6)3(25104300222*11-===⨯=-=-=∆=-== 所以：准动量的定义：2. 晶格常数为0.25nm 的一维晶格，当外加102V/m ，107 V/m 的电场时，试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。

解：根据：tkhqE f ∆∆== 得qE k t -∆=∆sat sat 137192821911027.810106.1)0(1027.810106.1)0(----⨯=⨯⨯--=∆⨯=⨯⨯--=∆ππ补充题1分别计算Si （100），（110），（111）面每平方厘米内的原子个数，即原子面密度（提示：先画出各晶面内原子的位置和分布图）Si 在（100），（110）和（111）面上的原子分布如图1所示：（a ）(100)晶面 （b ）(110)晶面（c ）(111)晶面补充题2一维晶体的电子能带可写为)2cos 81cos 87()22ka ka ma k E +-= （， 式中a 为 晶格常数，试求（1）布里渊区边界； （2）能带宽度；（3）电子在波矢k 状态时的速度；（4）能带底部电子的有效质量*n m ；（5）能带顶部空穴的有效质量*p m解：（1）由0)(=dk k dE 得 an k π= （n=0，±1，±2…） 进一步分析an k π)12(+= ，E （k ）有极大值，214221422142822/1083.7342232212414111/1059.92422124142110/1078.6)1043.5(224141100cm atom a a a cm atom a a a cm atom a a ⨯==⨯+⨯+⨯⨯==⨯⨯+⨯+⨯=⨯==⨯+-）：（）：（）：（222)mak E MAX=（ ank π2=时，E （k ）有极小值所以布里渊区边界为an k π)12(+=(2)能带宽度为222)()ma k E k E MIN MAX =-（ (3）电子在波矢k 状态的速度)2sin 41(sin 1ka ka ma dk dE v -== （4）电子的有效质量)2cos 21(cos 222*ka ka mdkEd m n-==能带底部 an k π2=所以m m n 2*= (5)能带顶部 an k π)12(+=， 且**n p m m -=，所以能带顶部空穴的有效质量32*mm p =。