半导体物理2

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半导体物理学刘恩科课后习题解答

半导体物理学刘恩科课后习题解答

半导体物理学第二章习题1. 实际半导体与理想半导体间的主要区别是什么?答:(1)理想半导体:假设晶格原子严格按周期性排列并静止在格点位置上,实际半导体中原子不是静止的,而是在其平衡位置附近振动。

(2)理想半导体是纯净不含杂质的,实际半导体含有若干杂质。

(3)理想半导体的晶格结构是完整的,实际半导体中存在点缺陷,线缺陷和面缺陷等。

2. 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。

As有5个价电子,其中的四个价电子与周围的四个Ge原子形成共价键,还剩余一个电子,同时As原子所在处也多余一个正电荷,称为正离子中心,所以,一个As 原子取代一个Ge原子,其效果是形成一个正电中心和一个多余的电子.多余的电子束缚在正电中心,但这种束缚很弱,很小的能量就可使电子摆脱束缚,成为在晶格中导电的自由电子,而As原子形成一个不能移动的正电中心。

这个过程叫做施主杂质的电离过程。

能够施放电子而在导带中产生电子并形成正电中心,称为施主杂质或N型杂质,掺有施主杂质的半导体叫N型半导体。

3. 以Ga掺入Ge中为例,说明什么是受主杂质、受主杂质电离过程和p型半导体。

Ga有3个价电子,它与周围的四个Ge原子形成共价键,还缺少一个电子,于是在Ge 晶体的共价键中产生了一个空穴,而Ga原子接受一个电子后所在处形成一个负离子中心,所以,一个Ga原子取代一个Ge原子,其效果是形成一个负电中心和一个空穴,空穴束缚在Ga原子附近,但这种束缚很弱,很小的能量就可使空穴摆脱束缚,成为在晶格中自由运动的导电空穴,而Ga原子形成一个不能移动的负电中心。

这个过程叫做受主杂质的电离过程,能够接受电子而在价带中产生空穴,并形成负电中心的杂质,称为受主杂质,掺有受主型杂质的半导体叫P型半导体。

4. 以Si在GaAs中的行为为例,说明IV族杂质在III-V族化合物中可能出现的双性行为。

Si取代GaAs中的Ga原子则起施主作用; Si取代GaAs中的As原子则起受主作用。

中国科技大学微电子专业-半导体物理Chapter2

中国科技大学微电子专业-半导体物理Chapter2
• mdn--导带底电子状态密度有效质量
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中国科学技术大学物理系微电子专业
Si, Ge,价带顶附近: (轻,重空穴带)
h 3/ 2 3/ 2 2/ 3 mdp = (mpl + mph )
gv = 4πV
(2mdp )
3
3/ 2
( Ev − E )
图3-6
图3-8
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表3-2 300K下, Ge、Si、GaAs的 能隙宽度-- Eg 态密度有效质量—mn*, mp* 等效(有效)状态密度—NC , NV 本征载流子浓度— ni
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能带
态密度
分布函数
载流子分布
图3-6 本征半导体
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★ 本征载流子浓度

半导体物理第二章概述

半导体物理第二章概述

半导体的导带和价带中,有很多能级存在,间隔 很小,约10-22eV,可以认为是准连续的。
• 状态密度:能带中能量E--E+dE之间有dZ个量子态。
dZ g (E) = dE
即状态密度是能带中能量E附近单位 能量间隔内的量子态数目
怎样理解状态密度?
1、理想晶体的k空间的状态密度
(1):一维晶体(一维单原子链) 设它由N个原子组成,晶格常数为a,晶体的长为L=aN, 起点在x处
一定到达某点,只给出到达各点的统计分布。粒子在
某点出现的几率与波函数的强度
*成正比
2
5、 自由电子波函数 解自由电子薛定谔方程可得自由电子波函数与能量:
( x) Ae 式中k
i ( kx t ) 2

E
k
2
2m0
2

,m0 为电子惯性质量,ห้องสมุดไป่ตู้角频率
自由电子速度
·
· 2
L
·
0
· 2
L
·
k
(2).三维立方晶体
设晶体的边长为L,L=N× a,体积为V=L3
K空间中的状态分布
kz
kx
• • • • • • 2 • • L • • • • •• •• • • • • • • • • • • • • • • •
3
• • • • • • • • • • • • • •
* 0 。 2、对于能带底,E(k)>E(0),顾 mn
半导体中的电子
k2 E (k ) E (0) * 2mn
1 d 2E 1 * 2 2 dk k 0 mn
2
自由电子能量:
k2 E 2m

半导体物理器件Chapter2-

半导体物理器件Chapter2-

势垒高度增加至 q(y0 VR) ,增高的势垒阻挡载流子通过PN结扩散,通
过PN结的电流非常小,结的阻抗很高。耗尽层宽度(突变结):
1
W

2k0

y0 VR
qNd
2

(2-23)
PN结
2.2加偏压的PN结
4)根据能带图和修正欧姆定律分析结的单向导电性
在电子扩散区和空穴扩散区,
区间电势差 y 0 。
未形成PN结之前的N区(P区)的电子(空穴)浓度为:
nN dnie(E F nE i)/K T
pNani(EiEFp)/KT
可以得到分别的费米能级为:
EFnEi
KTlnNd ni
EFp
Ei
KTln
Na ni
再由热电势
VT

KT q
,得: y01 q(EFnEFp)VTlnNn diN 2a
耗尽区
n 型电中性区
(c) 与(b)相对应的空间电荷分布
PN结
2.1热平衡PN结
3.几个概念
耗尽近似:在空间电荷区,与电离杂质浓度相比,自由
载流子浓度可以忽略,这种近似称为耗尽近似。因此空间电 荷区也称为耗尽区(又称为耗尽层)。在完全耗尽的区域, 自由载流子密度为零。
中性近似:假设耗尽区以外,在杂质饱和电离情况下,
单边突变结(一侧的杂质浓度远远大于另一侧的质浓度的突变结)
PN结
NaNd
引言
4.突变结与线性缓变结 2)线性缓变结: 两区之间杂质过渡是渐变的
adNDNA常数
dx
- ax
xj 0
x
ND NA
0
x
在线性区: N(x)a(xxj)

半导体第二章习题解析

半导体第二章习题解析

等m效0玻尔半径
(Ge: ,Si:
)试,计基r 算质16G相e对r,S价i浅h电施q2常2r主rm数n*0的12束缚
2-2
硅中掺入某种施主杂质,设其电子有效质
量 mn* ,0计.2算6m电0 离能为多少?若
,其电
离能又m为n* 多 0少.4?m0这两种值中哪一种更接近实验值?
解答:利用类氢原子模型:
E Di
mn* m0
E0
2 r
E0 13.6eV , 对Si : r 12
mn*
0.26m0 , Eni
第二章
PowerPoint2003
《半导体物理》第二章
2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-5(2)
2-6 2-6(2) 2-7 2-8 2-8(2)
2-1
掺入锗,硅晶体中的杂质通常有磷,铟,锑,硼, 砷,铝,镓,铋,
其中哪些是施主杂质? 哪些是受主杂质?
解答:
磷,砷,铋,锑为Ⅴ族元素,为施主杂质 硼,铝,镓,铟为Ⅲ族元素,为受主杂质。
解答: 施主能级和受主能级分别以D和A表示: 如下图:
硅晶体中(eV)
锗晶体中(eV)
类型
Au D A
Ag D A
Cu A Fe D Zn A Cd A Ni A
位置
类型
EV 0.35
D
EC 0.54
A
EV 0.32
A
EC 0.29
A EV 0.24, EV 0.37, EV 0.52
E1
a
Z
2 e ff
25 128
5 4
Z eff
E2
aZ
2 eff
将 E2 0.055 2.475 2 0.3365 eV EAi2

半导体物理 习题练习2参考答案

半导体物理 习题练习2参考答案
z B y c L W a x h I
y E
C
Ei EF E
V
x
Nd= Ne-ax,则电子为主要载流子 n(x)=ni+Nd=ni+ Ne-ax
y E EF Ei
C
Eห้องสมุดไป่ตู้
V
x
• 4. 某半导体硅样品中含磷浓度为1016/cm3, 含硼的浓度为2X1015/cm3,已知在T=260K时, 本征载流子浓度为ni = 2X109/cm3, 且费米 能级EF与ED重合,试求: • (1)未电离的施主浓度; • (2)多子浓度和少子浓度 • (3)设un= 1300cm2/(v.s),up = • 500cm2/(v.s), 求此样品电导率
练习二(参考答案)
1。Zn在Si中是一双重受主,即每一个Zn原子 可在EA1(EA1-EV=0.31eV),能级接受1个电 子,在较高能级EA2(EA2-Ev=0.55eV)上接受 第2个电子。为了完全补偿1个Nd=1016cm-3的 n-Si样品,需要掺入Zn的密度是多少?(设 Eg=1.12eV)。
Ec
EA2-Ev=0.55ev
1.12ev
EF=Ei
EA1-Ev=0.31ev
Ev
1。如图所示的硅样品,尺寸为h=1.0mm, W=4.0mm, L=8.0mm.在霍尔效应实验中, I=1mA, B=4000 (0.4T), 实验中测出在77K~ 400K的温度范围内霍尔电势差不变,其数值 为Vac= Va-Vc =-5.0mV。在300K测得Vx= 200mV 200mV。

半导体物理_第2讲

半导体物理_第2讲

导带
禁带
价带
严谨严格求实求是
原子能级和晶体的能带
(5) 能带的特点 1. 允带的宽窄由晶体的晶格常数决定(原子间距) 外层能带宽,内层能带窄。晶格常数越小,能级 分裂程度越大,共有化运动显著。 2. 带宽与原子数目N无关,N只决定了能级的密集程度。 3. 原子能级与能带不全是一一对应的。若能级分裂程度 较大,能带有可能交叠,且发生轨道杂化。
严谨严格求实求是
严谨严格求实求是
电子的近似 • 单电子近似:
设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场 及其它电子的平均势场中运动。该势场是具有与晶格 同周期的周期性势场,则多电子可近似为单个电子。
近似地把其它电子对某一电子的相互作用简单看成是叠 加在原子核的周期势场上的等效平均势场。也就是说, 把电子的运动看作是相互独立的,所有其它的电子对某 一电子的作用只归结为产生一个固定的电荷分布和与之 相联系的附加势场。
严谨严格求实求是
电子的近似
从两个角度来研究电子的状态
孤立原子的能级:晶体的能带及电子的共有化运动。 能带论:电子在固定势场V0中运动,周期性势场为微扰, 简化真实能带情况。
严谨严格求实求是
原子的能级和晶体的能带
孤立原子的能级
也就是相应的电子壳层:1s;2s,2p等。如Si原子轨道: 1s22s22p63s23p2
严谨严格求实求是
半导体中的电子状态
3.能带论 (1)布洛赫定理
– 自由电子薛定谔方程: 2 d ( x)2 . E ( x) 2
2m0 dx
– 单电子近似薛定谔方程:
2 d ( x)2 . V ( x) ( x) E ( x) 2 2m0 dx
V(x)=V(x+Sa) S为整数。V(x)是晶格位置为X的势能, 反映了周期性势场的特性。

半导体物理学名词解释 2

半导体物理学名词解释 2

半导体物理学名词解释1、直接复合:电子在导带与价带间直接跃迁而引起非平衡载流子的复合。

2、间接复合:指的是非平衡载流子通过复合中心的复合。

3、俄歇复合:载流子从高能级向低能级跃迁发生电子-空穴复合时,把多余的能量传给另一个载流子,使这个载流子被激发到能量更高的能级上去,当它重新跃迁回到低能级时,多余的能量常以声子的形式放出,这种复合称为俄歇复合,显然这是一种非辐射复合。

4、施主杂质:V族杂质在硅、锗中电离时,能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心,称它们为施主杂质或n型杂质。

5、受主杂质:Ⅲ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴,并形成负点中心,所以称它们为受主杂质或p型杂质。

6、多数载流子:半导体材料中有电子和空穴两种载流子。

在N 型半导体中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。

在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。

7、能谷间散射:8、本征半导体:本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。

9、准费米能级:半导体中的非平衡载流子,可以认为它们都处于准平衡状态(即导带所有的电子和价带所有的空穴分别处于准平衡状态)。

对于处于准平衡状态的非平衡载流子,可以近似地引入与Fermi能级相类似的物理量——准Fermi能级来分析其统计分布;当然,采用准Fermi能级这个概念,是一种近似,但确是一种较好的近似。

基于这种近似,对于导带中的非平衡电子,即可引入电子的准Fermi能级;对于价带中的非平衡空穴,即可引入空穴的准Fermi能级。

10、禁带:能带结构中能态密度为零的能量区间。

11、价带:半导体或绝缘体中,在绝对零度下能被电子沾满的最高能带。

12、导带:导带是自由电子形成的能量空间,即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。

13、束缚激子:等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心,这一中心由于库仑作用又能俘获另一种带电符号相反的载流子从而成为定域激子,称为束缚激子。

14、浅能级杂质:在半导体中、其价电子受到束缚较弱的那些杂质原子,往往就是能够提供载流子(电子或空穴)的施主、受主杂质,它们在半导体中形成的能级都比较靠近价带顶或导带底,因此称其为浅能级杂质。

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• We may consider this deficiency as a particle similar to an electron. • This fictitious particle is called hole
Wen Chang Huang chapter 2 19
Energy levels of isolated atoms
• For an isolated, the electron an have discrete energy level
– Ex: an isolated hydrogen atom are given by the Bohr model
E H m o q / 8 o h n 13 . 6 / n eV
– Find the intercepts of the plane on the three Cartesian coordinates in terms of the lattice constant – Take the reciprocals of these numbers and reduce them to the smallest three integers having the same ratio – Enclose the result in parentheses (hkl) as the miller indices for a single plane
chapter 2 4
Wen Chang Huang
Compound semiconductors
Wen Chang HuangΒιβλιοθήκη chapter 25
Basic crystal structure
• Single crystal
– The atoms are arranged in three dimensional periodic fashion
• The element semiconductors
– Silicon and germanium – Belongs to fcc crystal family
• Two interpenetrating fcc sublattices with one sublattice displaced from the other by one-quarter of the distance along the body diagonal of the cubic • A displacement of a 3 / 4
• SiC+SiO2(sand)→Si(solid)+Si O(gas)+CO(gas)
– 98% pure
• Si(solid)+3HCl(gas)→SiHCl3( gas)+H2(gas) • SiHCl3(gas)+H2(gas)→Si(solid )+3HCl(gas)
– Polycrystalline silicon
• Body centered cubic
– Additional an atom at the center – Each atom has eight nearestneighbor atoms – Sodium, tungsten
• Face-centered cubic
– Additional an atom at each face – Each atom has 12 nearestneighbor atoms – Aluminum, copper, gold and platinum
– Zincblende lattice
• One fcc sublattice fas column III atoms and the other has column V atoms
Wen Chang Huang
chapter 2
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Example 2
Wen Chang Huang
chapter 2
– A unit cell of a diamond lattice consists of a tetrahedron
• Each atom is surrounded by four equidistant nearest neighbors
• III-V compound semiconductor
Wen Chang Huang chapter 2 20
Isolated silicon atom
• Has 14 electrons
– 10 electrons occupy deeplying energy level – The four remaining valence electron
• • • • • • • Semiconductor materials Basic crystal structure Basic crystal growth technique Valence bands Energy bands Intrinsic carrier concentration Donors and acceptors
Wen Chang Huang chapter 2 14
Example 3
Wen Chang Huang
chapter 2
15
Miller indices, some other convention
Wen Chang Huang
chapter 2
16
Basic crystal growth technique
Wen Chang Huang chapter 2 6
Unit cell
• R=na+nb+pc • R: lattice point
Wen Chang Huang
chapter 2
7
Basic cubic-unit cells
• Simple cubic
– Has an atom at each corner – Each atom has six equidistant nearest-neighbor atoms – Lattice constant: a – Polonium 釙
• As N isolated atoms are brought together to form a solid
– N separate but closely spaced level are formed – As N is large continuous band of energy – The parameter a: the equilibrium interatomic distance of the crystal
Chapter 2
Energy bands and carrier concentration in thermal equilibrium
Wen Chang Huang chapter 2 1
Energy bands and carrier concentration in thermal equilibrium
Conduction electron and hole
• At low temperature
– Not available for conduction
• At higher temperature
– Thermal vibrations break the covalent bonds a free electron results participle in current conduction – A electron deficiency is left in the covalent bond
• Weakly bound • Involved in chemical reactions • The 3s sushell has two allowed quantum states per atom
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Wen Chang Huang
chapter 2
Simple cubic
Wen Chang Huang
chapter 2
9
FCC
Wen Chang Huang
chapter 2
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example1
Wen Chang Huang
chapter 2
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The diamond structures
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Crystal planes and miller indices
• The crystal properties along different planes are different • The electrical and other device characteristics can be dependent on the crystal orientation • Miller indices
• Lattice
– The periodic arrangement of atoms in a crystal – In a crystal, an atom never strays far from a single, fixed position
• Unit cell
– Is representative of the entire lattice
4 2 2 2 2
– The discrete energy level
• Consider two identical atoms
– Far apart
• Both atoms have the same energy
– Brought closer
• The doubly degenerate energy levels will spilt into two level by the interaction between the atoms
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