半导体物理学期末总复习.ppt
复习-半导体器件共92页PPT资料
受主原子。
硼原子
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
(1-15)
三、杂质半导体的示意表示法
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
+ +++++ + +++++ + +++++ + +++++
P 型半导体
N 型半导体
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。
但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。 近似认为多子与杂质浓度相等。
(1-16)
§1.2 PN结及半导体二极管
2.1.1 PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
(1-17)
内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。
漂移运动
P型半导体
内电场E N型半导体
－－－－ － － －－－－ － － －－－－ － － －－－－ － －
(1-3)
1.1.2 本征半导体
一、本征半导体的结构特点
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们 的最外层电子（价电子）都是四个。
Ge
Si
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
(1-4)
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体
点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个 其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临 的原子之间形成共价键，共用一对价电子。
半导体物理总复习
3、禁带宽度1.424eV,直接带隙半导体。
半导体物理总复习
二. 基本公式
有效质量 速度：
m*
h2 d 2E
dk 2
1 dE
h dk
半导体物理总复习
例1、 一维晶体的电子能带可写为，
E （ k)2 (7co ks a1co 2ks)a
图2所示的E-k关系曲线表示出了两种可能的价带， 则价带（ B带 ）对应的空穴有效质量大。
图1
图2 半导体物理总复习
4.空穴：空穴是几乎被电子填满的能带中未被电子占据的 少数空的量子态，这少量的空穴总是处于能带顶附近。是 价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带顶的 电子空位。把半导体中的空穴看成一个带有电荷为+q，并 以该空状态相应的电子速度v(k)运动的粒子，它具有正的 有效质量，价带中大量电子的导电作用可以用少数空穴的 导电作用来描写。
能带形成的定量化关系
E-K关系图
E-K关系图的简约布里渊区
半导体物理总复习
（1）越靠近内壳层 的电子，共有化运动 弱，能带窄。
（2）各分裂能级间 能量相差小，看作准 连续
（3）有些能带被电 子占满（满带），有 些被部分占满（半满 带），未被电子占据 的是空带。
原子能级
半导体物理总复习
能带
2、半导体的导带，价带和禁带宽度
同于电子的惯性质量m0
因为导带底部E(k)有极小值，所以导带底电子的有效质
量为正值。
d 2E 0 dk 2
因为价带顶顶部E(k)有极大值，所以价带顶电子的有效
质量为负值
d 2E dk 2
0
北京邮电大学 微电子学基础 半导体物理期末总复习
微电子基础----总复习2012-12说明：重点总结的请以复习课上为准。
另有答疑时间安排。
以下内容为部分重要的概念供参考。
第1章. 半导体的晶体结构和缺陷概念：晶体和非晶体金刚石结构和闪锌矿结构能带有效质量空穴本征点缺陷代位式杂质间隙式杂质第2章. 半导体中的电子状态2.1.半导体中的电子状态和能带2.1.1.电子的共有化运动2.1.2.允带与禁带2.2.外力作用下的电子运动—---有效质量2.3.导体，半导体，绝缘体2.4.空穴2.5.杂质和缺陷能级2.5.1.施主能级和受主能级2.5.2.浅能级杂质2.5.3.深能级杂质⏹能带图⏹施主,N型半导体⏹受主P型半导体⏹杂质能级,浅能级深能级⏹杂质补偿⏹复合中心第3章. 平衡载流子浓度3.1.态密度3.2.费米分布和玻尔兹曼分布3.3.非简并半导体的载流子浓度◆费米分布函数和波尔兹曼函数公式:◆简并半导体和非简并半导体◆费米能级◆热平衡下,非简并半导体载流子浓度公式:◆热平衡下,本征半导体载流子浓度公式◆热平衡下,非简并半导体载流子浓度积:◆半导体的整体电中性方程◆载流子浓度随温度的变化分析第4章. 弱场下的载流子输运4.1.载流子的散射和迁移率4.2.散射几率和迁移率4.3.半导体中的主要散射机构4.4.迁移率随杂质浓度和温度的变化图4.5.电导和电导率4.6.半导体的散射现象⏹电离杂质散射和晶格散射⏹迁移率⏹电导率(电阻率)公式及各情况:⏹本征:⏹N型:⏹P型⏹补偿:⏹电阻率随温度的变化图第5章. 过剩载流子和载流子的复合5.1.过剩载流子及其寿命5.2.非平衡载流子的运动和空间分布5.3.复合过程与寿命的计算5.4.主要复合机理和实验结果⏹非平衡载流子⏹注入停止后,非平衡载流子浓度随时间衰减规律: ⏹寿命⏹复合几率⏹复合的种类:⏹复合中心理论及简化:⏹准费米能级，能带图：2⏹扩散定律⏹扩散长度⏹爱因斯坦关系⏹半导体器件的基本方程，连续性方程第6章. 同质PN结6.1.热平衡条件下的P-N结，能带图36.2.P-N结直流伏安特性：结论肖克莱方程6.3.P-N结电容：电荷，电场，电压，图，突变结6.4.P-N击穿：3机理特点比较⏹肖克莱方程:⏹简化情况:反向，单边突变结⏹突变结,缓变结⏹平衡PN结,接触电势差和势垒高度:⏹载流子浓度公式⏹PN结扩散流公式⏹简化：P+N结时⏹N+P结时⏹理想和实际的伏安比较和原因分析：（势垒产生流）⏹势垒电容和扩散电容⏹雪崩击穿和隧道击穿第7章. 表面电场效应与MOS物理7.1.半导体表面和硅-二氧化硅界面7.2.表面电场效应⏹表面态，界面态⏹表面势⏹表面积累层,耗尽层,反型层,等6个能带图,临界情况3个⏹表面耗尽层的厚度公式:⏹表面面电荷密度公式⏹表面强反型条件，表达式，费米势⏹硅—二氧化硅界面电荷●金属半导体接触：功函数，能带图●异质结：能带图，阻挡层和非阻挡层，整流效应和欧姆接触第8章. MOS场效应晶体管8.1.结构和分类，4个管子的综合大图：符号结构曲线等8.2.特性曲线⏹NMOS,PMOS, 增强型管,耗尽型管的转移特性曲线和输出特性曲线的区别,⏹NMOS输出特性曲线的分段讨论8.3.阈值电压表达式计算⏹NMOS管:⏹PMOS管:⏹增强型管和耗尽型管的掺杂措施和控制8.4.电流电压特性：电流表达式⏹非饱和区,线性区和非线性区⏹饱和区,临界饱和条件：3：沟道图，电压，电流式⏹考虑有效沟道长度调制效应的饱和漏极电流：2:现象描述和电流式⏹击穿区的讨论8.5.其他电参数⏹阈值电压⏹饱和漏极电流⏹导通电阻⏹穿通电压⏹跨导⏹导电因子和宽长比⏹渡越时间⏹增量电导定义,分段的表达式第9章. 双极型晶体管9.1. 双极型晶体管工作原理1，放大倍数：4个乘积项：发射效率，基区输运系数等4个……定义、表达式、影响因素,2，讨论从工艺制造上提高放大的措施9.2.直流特性和电流增益9.3.反向电流和击穿电压，基极电阻，符号和电路图9.4.频率特性，功率特性1，渡越时间表达式和分析：2，讨论从工艺制造上提高频率的措施。
期末复习半导体材料
12
作业
• 1.什么是分凝现象？平衡分凝系数？有效分凝系 数？
• 2.写出BPS公式及各个物理量的含义，并讨论影响 分凝系数的因素。
• 3.分别写出正常凝固过程、一次区熔过程锭条中 杂质浓度Cs公式,并说明各个物理量的含义。
• 4.说明为什么实际区熔时，最初几次要选择大熔 区后几次用小熔区的工艺条件。
5
半导体材料的分类（按化学组成分类）
• 无机物半导体
– 元素半导体：（Ge, Si） – 化合物半导体
• 三、五族GaAs • 二、六族
• 有机物半导体6 Nhomakorabea能带理论（区别三者导电性）
• 金属中，由于组成金属的原子中的价电子占据的 能带是部分占满的，所以金属是良好的导体。
• 半导体由于禁带宽度比较小，在温度升高或有光 照时，价带顶部的电子会得到能量激发到导带中 去，这样在导带中就有自由电子，在价带中就相 应的缺少电子，等效为带有正电子的空穴，电子 和空穴同时参与导电，使得半导体具有一定的导 电性能。
半导体材料
期末复习
2
考试题型
• 填空30分，每空一分 • 判断题10分，每题一分 • 名词解释20分，每题4分 • 问答题40分，6个题目 • AB卷
3
考试内容
• 前10章，重点前7章 • 课上补充内容 • 作业
4
半导体材料概述
• 从电学性质上讲（主要指电阻率）
– 绝缘体1012—1022 Ω.cm – 半导体10-6—1012 Ω.cm – 良导体≤10-6Ω.cm – 正温度系数（对电导率而言） – 负温度系数（对电阻率而言） – 导体？？？？
14
结晶驱动力
• 结晶通常在恒温恒压下进行，相变向自由能减 小的方向进行，若体积自由能大于表面能，就 是结晶驱动力，若相反，就是熔解驱动力
半导体物理--复习版
2012-9-7
4
2. 多电子原子
对多电子原子，电子能量同样是不连续的。由主量子 数、角量子数、磁量子数、自旋量子数描述。
2012-9-7
5
二、自由电子状态（一维）
一维恒定势场中的自由电子，遵守薛定谔方程
2
0
d ψ(x) dx
2
2
V ψ (x) E ψ (x)
k z
2m
z
E Ec
2
k 0z
2
1
2012-9-7
28
上式是一个椭球方程，各分母等于椭球的各个半轴长的平方，
这种情况下的等能面是环绕极值点k0的一系列的椭球面。其中
1 mx
* 2 1 E 2 2 k x
k0
内层电子占据了比较窄的满带，这些电子的有效质量mn* 比较大，外力作用下不易运动；
而价电子所处的能带较宽，电子的有效质量mn*较小，在
外力的作用下可以获得较大的加速度。
2012-9-7
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六、k空间等能面
不同半导体的E(k)~k关系各不相同。即便对于同一种半 导体，沿不同k方向的E(k)~k关系也不相同。换言之，半 导体的E(k)~k关系可以是各向异性的。
k x k 0x E ( k ) Ec 2 mx
2
2
k
y
k 0y m
y
2
k z
k 0z mz
2即Biblioteka k x2m* x
E Ec
2
半导体物理 ppt课件
• 半导体的EF一般位于位于禁带中。 VS 金属中， EF是一个允许的能级。
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
半导体物理学
10/27/2015
课程大纲
1. 半导体中的电子状态 2. 半导体中杂质和缺陷能级 3. 半导体中载流子的统计分布 4. 半导体的导电性 5. 非平衡载流子
6. p-n结 7. 金属和半导体的接触 8. 半导体表面与MIS结构 9. 半导体异质结构
10.半导体的光学性质和光电 与发光现象
，得到能带中的电子总数，除以半导体体
积，就得到了导带中的电子浓度 n 0
dNfB(E)gc(E)dE
fB ( E ) e x p ( E k 0 T E F ) e g x c p (( E k E 0 )T F ) e d d x E z p ( 2 k V E 0 T 2 ) ( 2 m A h n e 3 * x )3 p /( 2 (E k E 0 T ) E C )1 /2
为
1
f (E)
EEF
1 e k0T
• f ( E ) 称为电子的费米分布函数，在热平衡状态下，电 子在允许的量子态上如何分布的一个统计分布函数
• 1 f (E) 空穴的费米分布函数
费米分布函数
• E F 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
f (E)
1
EEF
半导体物理学PPT课件(共7章)第04章 p-n结
Semiconductor Physics
2022年1月26日星期三
1
4.1 pn结的形成及其平衡态
4.1.1 pn结的形成及其杂质分布 一、 pn结的形成及其杂质分布 二、pn结的杂质分布 4.1.2 热平衡状态下的pn结 一、pn结的空间电荷区与内建电场的形成 二、平衡pn结的能带结构 三、pn结的接触电势差 四、平衡pn结的载流子分布
2022年1月26日星期三
24
4.2.1 广义欧姆定律
对n= n0+n、p= p0+p的一般情况，也可得类似结果：
Jn
nn
dEF dx
Jp
p p
dEF dx
该式表明: 若费米能级随位置变化，则pn结中必有电流；当电流密度一定时，载流子 密度大的地方, EF随位置变化小，而载流子密度小的地方，EF随位置变化较大。
qV x
~ e k0T
2022年1月26日星期三
22
第四章 p-n结
4.1 pn结的形成及其平衡态 4.2 pn结的伏安特性 4.3 pn结电容 4.4 pn结击穿 4.5 pn结的光伏效应 4.6 pn结发光
2022年1月26日星期三
23
4.2 pn结的伏安特性
4.2.1 广义欧姆定律 4.2.2 理想状态下的pn结伏安特性方程 4.2.3 pn结伏安特性对理想方程的偏离
导带
E ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●
C
EF
价带 EV
2022年1月26日星期三
10
1、能带弯曲
电子从费米能级高的n区流向费米能级低的p区，以及空穴从p区流向n区 来实现的。在载流子转移的过程中，EFn下降，EFp上升，直至EFn＝EFp＝ EF时达到平衡。