半导体物理学(第七版)PPT-通用课件

,单击此处编辑母版标题样式,半导体器件,单击此处编辑母版标题样式,*,半导体物理学,任课老师：刘城芳,办公地点：教五,-101,电子邮箱：,iamcfliu,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,、,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,、,Walter,Brattain,制作出第一个晶体管。,半导体概要,集成电路,1958,年,9,月,Texas Instrument(TI) 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,10,8-9,个，尔,1946,年,2,月世界首台电子数值积分计算机占地,100m,2,，重,30,吨，也只有,18000,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能量差,半导体的能带结构,导 带,价 带,E,g,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-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,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），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、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,N,型半导体,半导体的掺杂,施主能级,P,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,B,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,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。,态密度的概念,能带中能量 附近每单位能量间隔内的量子态数。,能带中能量为 无限小的能量间隔内有 个量子态，则状态密度 为,态密度的计算,状态密度的计算,单位 空间的量子态数,能量 在 空间中所对应的体积,前两者相乘得状态数,根据定义公式求得态密度,空间中的量子态,在 空间中，电子的允许能量状态密度为 ，考虑电子的自旋情况，电子的允许量子态密度为 ，每个量子态最多只能容纳,一个电子,。,代表点在空间均匀分布。每个代表点都和体积为,的一个立方体相联系。这些立方体之间紧密连接且没有重叠地填充,k,空间。,态密度,导带底附近状态密度（理想情况）,态密度,（导带底）,（价带顶）,费米能级,根据量子统计理论，服从泡利不相容原理的电子遵循费米统计律,对于能量为,E,的一个量子态被一个电子占据的概率 为,称为电子的费米分布函数,空穴的费米分布函数？,物理意义：是描写热平衡状态下，电子在允许的量子态上如何分布的一个统计分布规律,。,费米分布函数,称为费米能级或费米能量,温度,导电类型,杂质含量,能量零点的选取,处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级,只要知道了,E,F,，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分布也就完全确定了,费米分布函数,当 时,若 ，则,若 ，则,在热力学温度为,0,度时，费米能级 可看成量子态是否被电子占据的一个界限,当 时,若 ，则,若 ，则,若 ，则,费米能级是量子态基本上被,电子占据或基本上是空的一,个标志,费米能级,玻尔兹曼分布函数,当 时,，由于 ，所以,费米分布函数转化为,称为电子的玻尔兹曼分布函数,玻尔兹曼分布函数,空穴的玻尔兹曼分布函数,玻尔兹曼分布函数,玻尔兹曼分布函数,玻尔兹曼分布函数,导带中电子分布可用电子的玻尔兹曼分布函数描写（,绝大多数电子分布在导带底,）；价带中的空穴分布可用空穴的玻尔兹曼分布函数描写（,绝大多数空穴分布在价带顶,）,服从,费米统计律,的电子系统称为,简并性系统,；服从,玻尔兹曼统计律,的电子系统称为,非简并性系统,费米统计律与玻尔兹曼统计律的主要差别：,前者受泡利不相容原理的限制,练习,1,、空穴占据费米能级的概率在各种温度下总是,1/2,。,（ ）,2,、费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子。 （ ）,3,、能量为,E,的一个量子态被一个空穴占据的概率为 （ ）。,4,、为什么电子分布在导带底，空穴分布在价带顶？,导带中的电子浓度,导带中的电子浓度,中间变量,导带中的电子浓度,导带宽度的典型值一般 ， ，所以 ，因此， ，积分上限改为 并不影响结果。由此可得导带中电子浓度为,N,c,为导带的有效状态密度,价带中的空穴浓度,同理得价带中的空穴浓度,N,v,为价带的有效状态密度,能带中的载流子浓度,能带中的载流子浓度,能带中的载流子浓度,载流子浓度乘积,热平衡状态下的非简并半导体中， 只依赖于,温度,和,半导体材料,的种类（有效质量和禁带宽度）；,在一定的温度下，对于确定的半导体材料，乘积 是一定的，如果电子浓度增大，空穴浓度就会减小；反之亦然,本征半导体载流子浓度,本征半导体,无任何杂质和缺陷的半导体,半导体载流子浓度和费米能级,半导体载流子浓度和费米能级,电中性方程,本征费米能级,电中性方程,对于,Si,，,Ge,，,GaAs,，在室温（,300k,）,下，第二项可以忽略。,可以认为本征费米能级位于禁带的中央：,本征费米能级,本征载流子浓度,（适用于本征半导体）,本征半导体的载流子浓度与半导体本身的,能带结构,和,温度,有关。,本征载流子浓度,2.,半导体材料的,n,i,随温度的升高而迅速增加。,1.,不同的半导体材料，在一定温度下，,E,g,越大，,n,i,越小。,本征载流子浓度,3.,每一种半导体材料制成的器件有一定的极限工作温度，超过这一温度后，器件就失效了。,杂质半导体载流子浓度,一个能级能容纳自旋方向相反的两个电子,杂质能级只能是下面两种情况之一,被一个有任一自旋方向的电子占据,不接受电子,杂质半导体载流子浓度,杂质半导体载流子浓度,施主能级上的电子浓度（没电离的施主浓度）,受主能级上的电子浓度（没电离的受主浓度）,杂质半导体载流子浓度,电离施主浓度,电离受主浓度,n,型半导体的载流子浓度,n,型半导体的载流子浓度,n,型半导体的载流子浓度,n,型半导体的载流子浓度,n,型半导体的载流子浓度,n,型半导体的载流子浓度,n,型半导体的载流子浓度,n,型半导体的载流子浓度,n,型半导体的载流子浓度,n,型半导体的载流子浓度,n,型半导体的载流子浓度,n,型半导体的载流子浓度,n,型半导体的载流子浓度,n,和,p,的其他变换公式,本征半导体时，,费米能级,对掺杂半导体，,费米能级,接近室温时,费米能级,简并半导体,简并半导体与非简并半导体的区别：,简并半导体,简并半导体的载流子浓度,通过费米能级相对于带边的位置判断是否简并,简并化条件,查出,简并化条件,在室温下，简并半导体中的,杂质只有很少一部分电离,。,简并化条件,禁带变窄效应,小结,小结,小结,小结,小结,练习,练习,练习,n,0,N,c,练习,练习,练习,练习,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,300 K,时，,以杂质电离为主的饱和区掺杂质的浓度范围？,练习,练习,练习,练习,练习,练习,练习,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,载流子输运,半导体中载流子的输运有三种形式：,漂移,扩散,产生和复合,欧姆定律,金属导体外加电压 ，电流强度为,电流密度为,欧姆定律,均匀导体外加电压 ，电场强度为,电流密度为,欧姆定律的微分形式,漂移电流,漂移运动,当外加电压时，导体内部的自由电子受到电场力的作用而沿电场的反方向作定向运动（定向运动的速度称为漂移速度）,电流密度,漂移速度,漂移速度,半导体的电导率和迁移率,半导体中的导电作用为电子导电和空穴导电的总和,当电场强度不大时，满足 ，故可得半导体中电导率为,半导体的电导率和迁移率,N,型半导体,P,型半导体,本征半导体,Question,导体在外加电场作用下，导体内载流子的漂移电流有两种表达形式,恒定,不断增大,热运动,在无电场作用下，载流子永无停息地做着无规则的、杂乱无章的运动，称为热运动,晶体中的碰撞和散射引起,净速度为零，并且净电流为零,平均自由时间为,热运动,当有外电场作用时，载流子既受电场力的作用，同时不断发生散射,载流子在外电场的作用下为,热运动,和,漂移运动,的叠加，因此电流密度是恒定的,散射的原因,载流子在半导体内发生撒射的,根本原因,是,周期性势场遭到破坏,附加势场,使得能带中的电子在不同 状态间跃迁，并使得载流子的运动速度及方向均发生改变，发生散射行为。,电离杂质的散射,杂质电离的带电离子破坏了杂质附近的周期性势场，它就是使载流子散射的附加势场,散射概率 代表单位时间内一个载流子受到散射的次数,电离施主散射,电离受主散射,晶格振动的散射,格波,形成原子振动的基本波动,格波波矢,对应于某一,q,值的格波数目不定，一个晶体中,格波的总数取决于原胞中所含的原子数,Si,、,Ge,半导体的原胞含有两个原子，对应于每一个,q,就有六个不同的格波，频率,低,的,三,个格波称为声,学波,，频率,高,的,三,个为,光学波,长声学波（声波）振动,在散射前后电子能量基本不变，称为,弹性散射,；,光学波振动,在散射前后电子能量有较大的改变，称为,非弹性散射,晶格振动的散射,声学波散射,在能带具有单一极值的半导体中起主要散射作用的是长波,在长声学波中，只有纵波在散射中起主要作用，它会引起能带的波形变化,声学波散射概率,光学波散射,在低温时不起作用，随着温度的升高，光学波的散射概率迅速增大,练习,1,、载流子的热运动在半导体内会构成电流,。（ ）,2,、在半导体中，载流子的三种输运方式为（ ）、 （ ）和（ ）。,3,、载流子在外电场的作用下是（ ）和（ ）两种运动的叠加，因此电流密度大小（ ）。,4,、什么是散射,与 的关系,N,个电子以速度 沿某方向运动，在 时刻未遭到散射的电子数为 ，则在 时间内被散射的电子数为,因此,与 的关系,上式的解为,则 被散射的电子数为,与 的关系,在 时间内被散射的所有电子的自由时间为 ，这些电子自由时间的总和为,，则 个电子的平均自由时间可表示为,、 与 的关系,平均漂移速度为,、 与 的关系,N,型半导体,P,型半导体,本征半导体,与 及 的关系,电离杂质散射,声学波散射,光学波散射,与 及 的关系,电离杂质散射,声学波散射,光学波散射,影响迁移率的因素,与散射有关,晶格散射,电离杂质散射,N,型半导体,P,型半导体,本征半导体,电阻率,电阻率与掺杂的关系,N,型半导体,P,型半导体,电阻率与温度的关系,本征半导体,本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降,杂质半导体,（区别于金属）,速度饱和,在低电场作用下，载流子在半导体中的平均漂移速度,v,与外加电场强度,E,呈线性关系；随着外加电场的不断增大，两者呈非线性关系，并最终平均漂移速度达到一饱和值，不随,E,变化。,n-Ge:,耿氏效应,耿氏效应,n-GaAs,外加电场强度超过 时，半导体内的电流以 的频率发生振荡,练习,一、判断,1,、在半导体中，原子最外层电子的共有化运动最显著。 （ ）,2,、不同的,k,值可标志自由电子的不同状态，但它不可标志晶体中电子的共有化状态。 （ ）,3,、空位表现为施主作用，间隙原子表现为受主作用。 （ ）,4,、半导体中两种载流子数目相同的为高纯半导体。 （ ）,练习,二、填空,1,、半导体材料结构可分为（ ）、（ ）、（ ），应用最为广泛的是（ ）。,2,、金刚石型单胞的基础结构为（ ），金刚石型为（ ）对称性，闪锌矿型结构为（ ）对称性，纤锌矿型为（ ）对称性。,3,、导带和价带间间隙称为（ ），,Si,的禁带宽度为（ ），,Ge,为（ ），,GaAs,为（ ）。,4,、固体按其导电性可分为（ ）、（ ）、（ ）。,练习,5,、杂质总共可分为两大类（ ）和（ ），施主杂质为（ ），受主杂质为（ ）。,6,、施主杂质向（ ）带提供（ ）成为（ ）电中心；受主杂质向（ ）带提供（ ）成为（ ）电中心。,7,、,热平衡时，能级,E,处的空穴浓度为（ ）。,8,、,在半导体中，载流子的三种输运方式为（ ）、 （ ）和（ ）。,练习,三、简答,1,、单胞的概念及两大注意点？,2,、三种立方单胞的名称？,3,、引入有效质量的原因及意义？,4,、 的物理含义？,5,、费米分布函数与玻耳兹曼分布函数的最大区别？,6,、在外加电场,E,作用下，为什么半导体内载流子的漂移电流恒定，试从载流子的运动角度说明。,7,、在室温下，热平衡时，,Si,半导体中 ，,，求半导体中的电子和空穴浓度。,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,平衡载流子,在某以热平衡状态下的载流子称为平衡载流子,非简并半导体处于热平衡状态的判据式,（只受温度,T,影响）,由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子，也称为非平衡载流子,过剩载流子,非平衡载流子的光注入,平衡载流子满足费米狄拉克统计分布,过剩载流子不满足费米狄拉克统计分布,且公式,不成立,载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程,过剩载流子,过剩载流子和电中性,平衡时 过剩载流子,电中性：,小注入条件,小注入条件,：注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小的多,N,型材料,P,型材料,小注入条件,例：室温下一受到微扰的掺杂硅，,判断其是否满足小注入条件？,解：,满足小注入条件！（ ）,注：（,1,）即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子浓度还是可以比平衡少数载流子浓度大的多,（,2,）非平衡少数载流子起重要作用，非平衡载流子都指非平衡少数载流子,非平衡载流子寿命,假定光照产生 和 ，如果光突然关闭， 和 将随时间逐渐衰减直至,0,，衰减的时间常数称为寿命,，,也常称为少数载流子寿命,单位时间内非平衡载流子的复合概率,非平衡载流子的复合率,复合,n,型材料中的空穴,当 时， ，故寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的,1/e,所经历的时间；寿命越短，衰减越快,费米能级,热平衡状态下的非简并半导体中有统一的费米能级,统一的费米能级是热平衡状态的标志,准费米能级,当半导体的热平衡状态被打破时，新的热平衡状态可通过,热跃迁,实现，但导带和价带间的热跃迁较稀少,导带和价带各自处于平衡态，因此存在导带费米能级和价带费米能级，称其为“,准费米能级,”,准费米能级,注： 非平衡载流子越多，准费米能级偏离 就越远。,在非平衡态时，一般情况下，少数载流子的准费米能级偏离费米能级较大,准费米能级,注： 两种载流子的准费米能级偏离的情况反映了半导体偏离热平衡状态的程度,产生和复合,产生,电子和空穴（载流子）被创建的过程,产生率（,G,）,：单位时间单位体积内所产生的电子,空穴对数,复合,电子和空穴（载流子）消失的过程,复合率（,R,）,：单位时间单位体积内复合掉的电子,空穴对数,产生和复合会改变载流子的浓度，从而间接地影响电流,复合,直接复合 间接复合,Auger,复合,（禁带宽度小的半导体材料）,（窄禁带半导体及高温情况下）,（具有深能级杂质的半导体材料）,产生,直接产生,R-G,中心产生 载流子产生,与碰撞电离,练习,1,、一般情况下，满足小注入条件的非平衡载流子浓度比平衡载流子浓度小。 （ ）,2,、寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的（ ）所经历的时间。,3,、简述小注入条件,4,、处于非平衡态的,p,型半导体中， 和 哪个距 近？为什么？,陷阱效应,当半导体处于非平衡态时，杂质能级具有积累非平衡载流子的作用，即具有一定的,陷阱效应,所有杂质能级都具有陷阱效应,具有显著陷阱效应的杂质能级称为,陷阱,；相应的杂质和缺陷称为,陷阱中心,杂质能级与平衡时的费米能级重合时，最有利于陷阱作用,扩散,粒子从高浓度向低浓度区域运动,扩散电流,半导体内总电流,扩散,+,漂移,扩散系数和迁移率的关系,考虑非均匀半导体,爱因斯坦关系,在平衡态时，净电流为,0,连续性方程,举例,掺杂浓度分别为,(a),和 的硅中的电子和空穴浓度？,(b),再掺杂 的,N,a,又是多少？,( ),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,PN,结杂质分布,PN,结是同一块半导体晶体内,P,型区和,N,型区之间的边界,PN,结是各种半导体器件的基础，了解它的工作原理有助于更好地理解器件,典型制造过程,合金法,扩散法,PN,结杂质分布,下面两种分布在实际器件中最常见也最容易进行物理分析,突变结,:,线性缓变结,:,浅结、重掺杂（,3um,）,或外延的,PN,结,PN,结的形成,PN,结中的能带,PN,内建电势,内建电势,PN,结的内建电势决定于掺杂浓度,N,D,、,N,A,、材料禁带宽度以及工作温度,能带,内建电势,电场,V,A,0,条件下的突变结,外加电压全部降落在耗尽区，,V,A,大于,0,时，使耗尽区势垒下降，反之上升。即耗尽区两侧电压为,V,bi,-V,A,反偏,PN,结,反偏电压能改变耗尽区宽度吗？,准费米能级,理想二极管方程,PN,结正偏时,理想二极管方程,PN,结反偏时,定量方程,基本假设,P,型区及,N,型区掺杂均匀分布，是突变结。,电中性区宽度远大于扩散长度。,冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流子在,PN,结中一维流动。,空间电荷区宽度远小于少子扩散长度,不考虑空间电荷区的产生,复合作用。,P,型区和,N,型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上。,准中性区的载流子运动情况,稳态时,假设,G,L,=0,边界条件,:,图,6.4,欧姆接触边界,耗尽层边界,边界条件,欧姆接触边界,耗尽层边界,(pn,结定律,),耗尽层边界,P,型一侧,P,N,耗尽层边界,(,续,),N,型一侧,耗尽层边界处非平衡载流子浓度与,外加电压有关,准中性区载流子浓度,理想二极管方程,求解过程,准中性区少子扩散方程,求,J,p,(x,n,),求,J,n,(-x,p,),J= J,p,(x,n,)+ J,n,(-x,p,),理想二极管方程,(1),新的坐标,:,边界条件,:,-x,p,x,n,0,x,X,空穴电流,一般解,电子电流,P,型侧,PN,结电流,PN,结电流与温度的关系,与理想情况的偏差,大注入效应,空间电荷区的复合,空间电荷区的产生与复合,正向有复合电流,反向有产生电流,空间电荷区的产生与复合,-1,反向偏置时,正向偏置时,计算比较复杂,V,A,愈低，,I,R-G,愈是起支配作用,V,A,V,bi,时的大电流现象,串联电阻效应,q/kT,Log(I),V,A,V,A,V,bi,时的大电流现象,-1,大注入效应,大注入是指正偏工作时注入载流子密度等于或高于平衡态多子密度的工作状态。,p,n,n,no,V,A,V,bi,时的大电流现象,-2,V,A,V,bi,时的大电流现象,-3,V,A,越大,电流上升变缓,反向击穿,电流急剧增加,可逆,雪崩倍增,齐纳过程,不可逆,热击穿,雪崩倍增,齐纳过程,产生了隧穿效应,E,隧道穿透几率,P,：,隧道长度,:,隧道击穿,:,V,B,6E,g,/q,PN,结二极管的等效电路,小信号加到,PN,结上,+ -,v,a,V,A,+ -,P,N,Rs,G,C,反向偏置结电容,也称势垒电容或过渡区电容,反向偏置结电容,-1,反向偏置结电容,-2,耗尽近似下线性缓变结的空间电荷区电荷总量,参数提取和杂质分布,CV,测量系统,V,A,1/C,2,V,bi,扩散电容,扩散电容,-1,表现为电容形式,扩散电容,-2,扩散电容与正向电流成正比,练习,1,、为什么,pn,结在反偏压下有一小的饱和电流,2,、试分别描述势垒电容和扩散电容的由来,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,金属和半导体的接触,金属和半导体的功函数,金属和半导体的接触,金属和半导体的接触,整流理论,金属和,N,型半导体的接触,扩散理论,对于,N,型阻挡层，当势垒的宽度比电子的平均自由程大地多时，电子通过势垒区要发生多次碰撞，这样的阻挡层称为厚阻挡层。,扩散理论适用于厚阻挡,肖特基势垒二极管与二极管的比较,相同点,单向导电性,不同点,正向导通时，,pn,结正向电流由少数载流子的扩散运动形成，而肖特基势垒二极管的正向电流由半导体的多数载流子发生漂移运动直接进入金属形成，因此后者比前者具有更好的高频特性,肖特基势垒二极管的势垒区只存在于半导体一侧,肖特基势垒二极管具有较低的导通电压，一般为,0.3V,，,pn,结一般为,0.7V,欧姆接触,欧姆接触,不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变，为非整流接触,若 ，金属和,n,型半导体接触可形成反阻挡层； 时，金属和,p,型半导体接触也能形成反阻挡层，反阻挡层没有整流作用，可实现欧姆接触,实际生产中利用,隧道效应,的原理，把半导体一侧重掺杂形成,金属,n+n,或,金属,p+p,结构，从而得到理想的欧姆接触,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,MIS,结构,能带图,能带图,-1,无偏压时,MOS,结构中由于功函数差引起的表面能带弯曲,MIS,结构,理想情况,金属与半导体间功函数差为零,绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电,绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态,积累,耗尽,耗尽,-1,（边界条件）,反型,反型,-1,耗尽层电荷,:,外加偏置,Q,s,s,s,=0, Qs=0,=0,flat band,s,0, accumulation,s,0, Qs0, Qs2,F, Strong inversion,MIS,结构的基本公式,MOS,结构的基本公式,-1,总电势差,:,平带,Flat Band Voltage,MIS,电容,MIS,电容,电容的定义,:,MIS,电容,-2,积累态,:,耗尽态,:,