1、半導體物理基礎第1頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二Conductor 104105 scm-1Insulator 10-18 10-10 scm-1Semiconductor 10-10 104 scm-1（1） 電導率介于導體與絕緣體之間(Chapter 1 Basic Semiconductor Properties)第一章 半導體的一般特性1 導電性第2頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二（3）與溫度、光照、濕度等密切相關（2） 兩種載流子參于導電（4） 與摻雜有關第3頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二2 Semic

2、onductor Materials Elemental （元素） Compounds （化合物） Alloys （合金）指兩種或多種金屬混合，形成某種化合物（1）classified as第4頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二（2） Crystal structureDiamond lattice(金剛石晶格)Si、Ge.Zincblende lattice (閃鋅礦晶格)ZnS、GaAs、InP、CuF、SiC、CuCl、AlP、GaP、ZnSe、AlAs、CdS、InSb和AgI第5頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二（3） Miller I

3、ndices第6頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二(2 3 6) B：(1 0 1) A: (2 0 1)或 (2 0 1)第7頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二等效晶面第8頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二第9頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二（5）the angle between h1k1l1 and h2k2l2:（4）Interplanar spacinga Lattice constant（hkl）planes：第10頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二3 Ener

4、gy Band Theory Nearly free electron model(1) General Consideration Tight-binding model第11頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二對稱性 E（k）=E（-k）第12頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二周期性第13頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二（2 ） Constant-Energy Surface 第14頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二（3）Brillouin Zones第15頁，共78頁，2022年，5月20日，

5、17點39分，星期二First Brillouin zones for materials crystallizing in the diamond and zineblende lattices.第16頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二(4) Ge, Si, and GaAs Energy Band Cyclotron resonance experiments測 m* m* 能帶結構（回旋共振實驗）第17頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二第18頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二Bvfv/vr電子的初速度為v ,在恒定磁

6、場（B）中：第19頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二第20頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二若等能面是橢球面，沿kx、ky、kz方向有效質量分別為：設B沿kx、ky、kz軸的方向余弦分別為：第21頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二那么：其中：第22頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二以硅為例：（1）B沿111方向，觀察到一個吸收峰。（2）B沿110方向，觀察到兩個吸收峰。（3）B沿100方向，觀察到兩個吸收峰。（4）B沿任意軸方向，觀察到三個吸收峰。硅導帶底附近等能面是沿100方向的旋轉橢球面。第23

7、頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二硅導帶底附近等能面是方向的旋轉橢球面。第24頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二分析：設：Bk1 k2 k3 001適當選取坐標，使B位于k1-k2平面內：=sin =0 =cos 第25頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二則：=sin =0 =cos 第26頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二Bk1 k2 k3 第27頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二Constant-Energy Surface （等能面 ） Ge、Si、GaAs第28頁，共7

8、8頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二E-k 關系圖（Ge、Si） 鍺：Eg=0.74eV硅: Eg=1.17eV1-Heavy holes2-Light holesHeavy holes？Light holes？T=0 K第29頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二E-k 關系圖（GaAs）GaAs:Eg=1.16 eV第30頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二第31頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二本征半導體: 是指一塊沒有雜質和缺陷的半導體.本征激發: T0K時,電子從價帶激發到導帶,同時價 帶中產生空穴. n

9、0=p0 =ni n0 p0 =ni 2 ni -本征載流子濃度1. Intrinsic Semiconductor（本征半導體）第二章 半導體中雜質和缺陷能級第32頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二第33頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二*從si的共價鍵平面圖看: P15:1S22S22P63S23P3 這種束縛比共價鍵的束縛弱得多,只要很少的能量就可以使它掙脫束縛,成為導帶中的自由粒子.這個過程稱雜質電離.Doped /extrinsic Semiconductor（摻雜/非本征半導體）(1) Donor（施主雜質 ） n型半導體 族元素硅、

10、鍺中摻族元素,如P:第34頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二*從Si的電子能量圖看: 結論: 磷雜質在硅、鍺中電離時，能夠釋放電子而產生導電電子并形成正電中心。這種雜質稱施主雜質 。摻施主雜質后，導帶中的導電電子增多，增強了半導體的導電能力。主要依靠導帶電子導電的半導體稱n型半導體。電離能的計算:氫原子第35頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二（2） Acceptor (受主雜質) p型半導體族元素硅、鍺中摻族元素,如硼（B）:*從si的共價鍵平面圖看:B13:1S22S22P63S23P1小結：純凈半導體中摻入受主雜質后，受主雜質電離，使價帶中的

11、導電空穴增多，增強了半導體的導電能力。主要依靠價帶空穴導電的半導體稱p型半導體。第36頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二*從Si的電子能量圖看:第37頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二（3）雜質的補償作用半導體中同時存在施主雜質和受主雜質時，它們之間有相互抵消的作用雜質補償作用。*當ND NA時，n= ND- NA ND 半導體是n型*當NDNA時， p= NA- ND NA 半導體是p型*當ND NA時， 雜質的高度補償ND施主雜質濃度 NA受主雜質濃度 n導帶電子濃度 p價帶空穴濃度第38頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星

12、期二第三章 半導體中載流子的統計分布 （Carrier Statistics）載流子濃度=(狀態密度g(E) 分布函數f(E)dE)/V狀態密度g(E)單位能量間隔中的量子態數（能級數）分布函數f(E)能量為E的量子態被一個粒子占據的幾率.第39頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二*狀態密度(Density of states)：金屬自由電子g(E) 半導體導帶電子gc(E)1. Electorn concentration (導帶中的電子濃度)第40頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二對于Si, Ge其中:Ge:s: the number of e

13、llipsoidal surfaces lying within the first Brillouin導帶底電子狀態密度有效質量Si:s=6s=(1/2)8=4第41頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二*分布函數f(E)半導體導帶中的電子按能量的分布服從費米統計分布。玻爾茲曼分布fermi function非簡并半導體（nondegenerated semiconductor）簡并半導體（degenerated semiconductor）第42頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二*導帶電子濃度n令 Etop 則top 第43頁，共78頁，2022

14、年，5月20日，17點39分，星期二導帶的有效狀態密度Nc電子占據量子態Ec的幾率第44頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二*狀態密度：2. Hole concentration (價帶中的空穴濃度)*分布函數fV(E）fV(E）表示空穴占據能態E的幾率，即能態E不被電子占據的幾率。第45頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二*價帶空穴濃度p0價帶的有效狀態密度Nv價帶頂部EV態被空穴占據的幾率第46頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二3.施主能級上的電子濃度*狀態密度=所摻施主雜質的濃度ND(E=ED)*分布函數fD(E）: 施

15、主雜質能級與導帶中的能級不同,只能是以下兩種情況之一: (1) 被一個有任一自旋方向的電子所占據; (2) 不接受電子第47頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二*施主能級上的電子濃度nD電離了的施主濃度( ionized donors )第48頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二4.受主能級上的空穴濃度*狀態密度=所摻受主雜質的濃度NA(E=EA)*受主能級上的空穴濃度PA：*分布函數fA(E）（空穴占據受主能級的幾率）:第49頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二電離了的受主雜質濃度( ionized acceptors )第5

16、0頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二分析：n0 、p0的大小 與 T、 EF有關 EF 的高低反映了半導體的摻雜水平。2 n0 與p0的乘積與EF無關即與摻雜無關。4.電中性關系( Charge Neutrality Relationship)第51頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二1. intrinsic semiconductor2.3 Carrier concentration and EF Calculations 本征半導體的電中性方程: n0=p0 = ni兩邊取對數并整理,得:（載流子濃度和EF的計算）第52頁，共78頁，2022年

17、，5月20日，17點39分，星期二結論:本征半導體的費米能級Ei基本位于禁帶中央.本征半導體的費米能級EF一般用Ei表示第53頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二Intrinsic carrier concentration ni ：(本征載流子濃度) 結論:本征載流子濃度ni隨溫度升高而增加. lnni1/T基 本是直線關系.第54頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二電中性方程: 以只含施主為例來分析：分溫區討論：(1)低溫弱電離區電中性方程 2. extrinsic semiconductor (非本征/雜質半導體)Freeze-out第55頁，

18、共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二兩邊取對數并整理,得:ED起了本征情況下EV的作用載流子濃度:第56頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二(2)中溫強電離區電中性方程 兩邊取對數并整理,得:載流子濃度:第57頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二(本征激發不可忽略)電中性方程 (3)過渡區n0-多數載流子 p0-少數載流子第58頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二(4)高溫本征區(本征激發產生的載流子遠多于雜質電離產生的載流子)電中性方程 載流子濃度:第59頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二溫 區 低溫 中溫 高溫 費米能級 載流子濃度第60頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二（1）n T分析、討論第61頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二（2）EF T第62頁，共78頁，2022年，5月20日，17點39分，星期二（3）EF 摻雜（T一定，則NC也一定）T一定，ND越大，EF越靠近EC（低溫： ND NC 時 , ND (ln ND -ln2 NC) ND