半导体器件物理PPT文件格式下载.pptx

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费米势；

修正的欧姆定律；

半导体中的基本控制方程。

E,V,第一章半导体物理基础,1.11.6能带理论和杂质能级（自学）,国家级精品课程半导体器件物理与实验,基本概念与基本原理共有化运动；

电子态；

周期性势场；

布洛赫定理；

波矢量；

倒格矢；

倒格子；

布里渊区；

周期性边界条件；

导带；

价带；

禁带；

晶体能带的性质；

有效质量；

导带电子；

价带空穴；

准动量；

电子和空穴在外力作用下的运动规律；

金属、半导体、绝缘体的能带特征；

Si、Ge、GaAs等常见半导体的能带结构；

能谷；

横向有效质量；

纵向有效质量；

直接带隙；

间接带隙；

施主杂质；

受主杂质；

杂质能级；

N型半导体；

P型半导体；

深能级。

第一章半导体物理基础1.7载流子的统计分布1.7.1状态密度（DensityofStates,DOS）0.定义：

单位体积晶体中单位能量间隔内的状态数。

1.导带状态密度：

4（2mdn）E1/23/2Nc（E）h3Ec（174）2/31/3mdnMm1m2m3（175）导带电子状态密度有效质量,1/2,）3/2,dn,h3,EEc,Nc（E）,4（2m,Ec,国家级精品课程半导体器件物理与实验,导带中的状态密度,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布1.7.1状态密度（DensityofStates,DOS）2.价带状态密度：

4（2mdp）1/23/2Nv（E）EvE（174）h33/2m3/2m3/2（175）mdphl价带空穴状态密度有效质量国家级精品课程半导体器件物理与实验,Ev,价带中的状态密度,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布,导带,价带,N（E）,E,Eg,Ec禁带Ev,1.7.1状态密度（DensityofStates,DOS）,简单能带图状态密度N（E）与能量E的关系,导带,价带,E,Eg,禁带,Ec,Ev,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布,费米分布函数和费米能级费米分布函数：

电子费米子。

一个能量为E的电子态被电子占据的几率满足费米-狄拉克（Fermi-Dirac）统计分布。

exp,（179）,1,1EEkT,fE,F,k:

Boltzmann常数；

T:

Kelvin温度；

EF：

Fermi能级。

国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布1.7.2费米分布函数和费米能级1.费米分布函数：

一个能量为E的电子态未被电子占据（被空穴占据）的几率为：

1fE1（1710）EFEexp1kTk:

国家级精品课程半导体器件物理与实验,Ef,电子态被电子占据和未被占据的几率分布,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布,1.7.2费米分布函数和费米能级3.费米能级（FermiLevel）：

在一定温度下，热平衡系统具有恒定的费米能级。

费米能级是反映电子在各个能级上分布情况的参数。

费米能级是电子填充能级水平高低的标志。

4.玻尔兹曼分布：

在非简并半导体（掺杂浓度低，一般小于1018cm-3）中导带电子或价带空穴的浓度很低，它们对电子态的占,据不受Pauli不相容原理的限制，其分布几率可近似为Boltzmann分布。

国家级精品课程半导体器件物理与实验,（1711）,kT,EE,EEkT,f（E）exp,F,F,（1712）,kT,EE,1f（E）exp,EEkT,F,F,（1714）,kT,EE,nNexp,F,c,c,导带底有效状态密度,2,3,（1715）,h3,dn,c,N22mkT,第一章半导体物理基础1.7载流子的统计分布能带中的电子和空穴浓度导带电子浓度,f（E）Nc（E）dE（1713）,nE,c,国家级精品课程半导体器件物理与实验,（1717）,pNexp,EFEvkT,v,价带顶有效状态密度,2,3,（1718）,h3,N22,dp,v,mkT,第一章半导体物理基础1.7载流子的统计分布1.7.3能带中的电子和空穴浓度2.价带空穴浓度,（E）dE（1716）,1f（E）N,p,v,Ev,国家级精品课程半导体器件物理与实验,禁带宽度与温度的关系,（1722）,EgEcEvEg0T,3,kT,E（1723）,npKTexp,1g0,第一章半导体物理基础1.7载流子的统计分布1.7.3能带中的电子和空穴浓度3.np之积,（1721）,npNNexpEkT,cvg,一定温度下的半导体，热平衡下的np之积只与有效状态密度和禁带宽度有关，而与掺杂情况和费米能级无关。

国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础1.7载流子的统计分布1.7.4本征半导体（IntrinsicSemiconductor）,1.电中性条件：

np（1724）,12,（1725）,c,v,i,NN,1EcEvkTln2,E,2.本征费米能级：

1/2,（1726）,2kT,expE,np（np）1/2,g,cv,iiNN,3.本征载流子浓度：

国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布,1.7.4本征半导体（IntrinsicSemiconductor）4.质量作用公式：

npn2（1727）i,（1729）,（1728）,kT,EE,pnexp,kT,EE,nnexp,F,i,i,i,F,i,5.电子和空穴浓度公式的另一种形式：

国家级精品课程半导体器件物理与实验,热平衡时，这些公式具有普适性！

第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布,1.电中性条件：

nNd（1730）,（1732）,EFEckTlnNc/Nd,3.费米能级：

（1731）,nNdpn2Nid,2.载流子浓度：

EFEikTlnNd/ni,（1733）,国家级精品课程半导体器件物理与实验,1.7.5只含一种杂质的半导体一.N型半导体：

（饱和电离）,第一章半导体物理基础,0.60.40.20,-0.2-0.4-0.6-0.8,P型,N型,本征费米能级,导带,价带,1016,1014,101,2,1014,1016,1018,1018,-1.0,米能级。

100,200,300,400,500,T/K,国家级精品课程半导体器件物理与实验,1012Ei,EF-Ei/eV0.8,EF,Ec,Ev,EF,硅材,料费米能级随杂质浓度和温度的变化曲线,施主浓度越高，N型半导体费米能级越靠近导带底。

随着温度的升高，费米能级逐渐远离导带底，接近本征费,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布,1.电中性条件：

pNa（1734）,（1736）,EFEvkTlnNv/Na,3.费米能级：

（1735）,pNann2Nia,2.载流子浓度：

EFEikTlnNa/ni,（1737）,国家级精品课程半导体器件物理与实验,1.7.5只含一种杂质的半导体二.P型半导体：

100,200,300,400,500,T/K,国家级精品课程半导体器件物理与实验,1012Ei,EF-Ei/eV0.8,EF,Ec,Ev,EF,硅材,料费米能级随杂质浓度和温度的变化曲线,受主浓度越高，P型半导体费米能级越靠近价带顶。

随着温度的升高，费米能级逐渐远离价带顶，接近本征费,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布,1.电中性条件：

nNdNa（1738）,（1740）,EFEckTlnNc/（NdNa）,3.费米能级：

（1739）,nNdNapn2（NN）ida,2.载流子浓度：

EFEikTln（NdNa）/ni,（1741）,国家级精品课程半导体器件物理与实验,1.7.6杂质补偿半导体一.NdNa情况（N型）：

（饱和电离）,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布,1.电中性条件：

pNaNd（1742）,（1744）（1745）,EFEvkTlnNv/（NaNd）EFEikTln（NaNd）/ni,3.费米能级：

（1743）,pNaNdnn2（NN）iad,2.载流子浓度：

国家级精品课程半导体器件物理与实验,1.7.6杂质补偿半导体二.NaNd情况（P型）：

（饱和电离）,第一章半导体物理基础,1.7载流子的统计分布,国家级精品课程半导体器件物理与实验,npni,1.7.6杂质补偿半导体三.Na=Nd情况：

（完全补偿）,电中性条件和载流子浓度：

1.7.7简并半导体（自学）,阅读教材P31-33，回答下面问题：

什么是简并半导体？

简并发生的条件是什么？

1.8载流子的散射（自学）阅读教材P36-41。

需要掌握的概念：

格波；

声子；

色散关系；

平均自由时间；

弛豫时间；

主要的散射机制。

第一章半导体物理基础,几种常见半导体的参数,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.9电荷输运现象,电荷的输运载流子的漂移与扩散运动。

1.9.1漂移运动、迁移率与电导率漂移运动:

在外电场存在时，载流子除了做无规则的热运动以外，还要沿一定方向做有规则的定向运动，这种运动称为漂移运动；

漂移运动的速度称为漂移速度；

漂移运动可引起电荷的定向流动，从而在半导体中产生电流，这就是电导现象；

由载流子漂移运动所引起的电流常称为漂移电流。

迁移率：

载流子的平均漂移速度v与外电场强度成正比，其比例系数称为迁移率。

迁移率常用来表示，单位为cm2/Vs,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.9电荷输运现象,（192）,n,n,n,n,q,v,m*,p,p,p,p,m*,q,v,（193）,n,n,n,m*,q,电子迁移率；

p,p,m*,qp,空穴迁移率；

1.9.1漂移运动、迁移率与电导率电子和空穴的平均漂移速度：

前提条件：

载流子的有效质量为各向同性！

3.电导率：

外电场在半导体内引起的漂移电流密度j与外电场强度成正比比例系数称为电导率。

电导率常用来表示，单位1cm。

1,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.9电荷输运现象,jnnqvnnqnn（199）,nnqn,电子电导率；

1.9.1漂移运动、迁移率与电导率电子和空穴的漂移电流密度：

jppqvpnqpp（1910）,pnqp,空穴电导率；

总的漂移电流密度：

jjnjp（np）（1911）,npnqnpqp（1912）,国家级精品课程半导体器件物理与实验,总的电导率；

第一章半导体物理基础,1.9电荷输运现象,n,n,cn,m*,q,（1914）,电子迁移率；

cn,m*,1112,（1915）,3m,m,lt,1.9.1漂移运动、迁移率与电导率4.电导有效质量：

对于导带有多个对称能谷的情形，或者导带底附件的等能面不是球面的情形，需要引入电导有效质量！

以Si为例：

jnnqn（1913）,cn,m*,导带电子的电导有效质量；

国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.9电荷输运现象,p,cp,m*,qp,空穴迁移率；

1.9.1漂移运动、迁移率与电导率4.电导有效质量：

考虑到价带顶的轻、重空穴对电导都有贡献，需要引入价带空穴的电导有效质量！

假设价带顶附近轻、重空穴的动量弛豫时间相同，则有：

phpl,cp,ph,pl,m*,m3/2m3/2,m1/2m1/2,空穴的电导有效质量；

国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.9电荷输运现象,国家级精品课程半导体器件物理与实验,1.9.2扩散运动和扩散电流扩散运动:

当半导体中载流子浓度分布不均匀时，由于浓度梯度的存在，载流子将由浓度高的区域向浓度低的区域运动，载流子的这种运动称为扩散运动。

扩散流密度和扩散系数：

由扩散运动引起的单位时间垂直通过单位面积的载流子数，称为扩散流密度，扩散流密度与载流子浓度梯度成正比，比例系数称为扩散系数。

常用D来表示，单位为cm2/s。

空穴扩散流密度Dpp（1916）,电子扩散流密度Dnn（1917）,Dn和Dp分别为电子和空穴的扩散系数。

第一章半导体物理基础,1.9电荷输运现象,1.9.2扩散运动和扩散电流3.扩散电流:

载流子是带电的粒子，载流子的扩散运动也会在半导体内引起电流，称为扩散电流。

扩散流密度与每个载流子所带电荷的乘积即为扩散电流密度。

空穴扩散电流密度qDpp,（1918）,电子扩散电流密度qDnn,（1919）,pipjpkpxyz,ninjnknxyz,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.9电荷输运现象,1.9.3流密度、电流密度和电流方程1.漂移流密度:

漂移流密度等于载流子浓度与它们在电场中的漂移速度的乘积。

2.漂移与扩散同时存在时的流密度：

空穴漂移流密度pp（1920）,电子漂移流密度nn（1921）,空穴流密度：

SpppDpp（1922）,电子流密度：

SnnnDnp（1923）,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.9电荷输运现象,1.9.3流密度、电流密度和电流方程3.漂移与扩散同时存在时的电流密度：

电流密度等于每个载流子的电荷与流密度的乘积。

4.漂移与扩散同时存在时的电流方程：

（一维情形）,空穴电流密度：

jpqSpqppqDpp,（1924）,电子电流密度：

jnqSnqnnqDnn,（1925）,空穴电流方程：

ppp,pdx,IAjqA（pDdp）,（1926）,电子电流方程：

nnn,ndx,IAjqA（nDdn）,（1927）,A为垂直电流的截面积。

国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.10非均匀半导体中的自建电场,如果半导体中存在非均匀的杂质分布，就会在半导体中引起电场，常称为自建电场（built-infield），或内建电场。

Eq（1102）,1.10.1半导体中的静电场和静电势1.电场、电势与电势能的关系:

电场,电荷与电势的乘积。

定义为电势的负梯度，电子的电势能,E等于电子,（1101）,电子的动能,空穴的动能,导带中电子的最低能量,价带中空穴的最低能量,c,（a）无外加电场时,EE,i,Ev,EcEiEv,国家级精品课程半导体器件物理与实验,（b）有外加电场时,第一章半导体物理基础,1.10非均匀半导体中的自建电场,1.10.1半导体中的静电场和静电势2.静电势与费米势:

设外电场为，在一维情况下，可以用本征费米能级表示为,（1103）,1dEidqdxdx,（1104）静电势,q,Ei,（1105）费米势,q,EF,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.10非均匀半导体中的自建电场,热平衡时，费米势为常数，可取为电势零基准，于是：

（1108）热电势,kTq,V,T,（1107）,（1106）,T,i,iF,i,i,i,nexp,kT,EE,pnexp,nexp,EFEikT,nnexp,TV,V,1.10.1半导体中的静电场和静电势3.用静电势与费米势表示载流子浓度:

（1109）（11010）,iT,pnexp/V,nniexp/VT,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.10非均匀半导体中的自建电场,爱因斯坦关系在非平衡情况下依然成立！

1.10.2爱因斯坦关系爱因斯坦关系描述了载流子的迁移率与扩散系数之间的关系。

热平衡时，半导体中的空穴电流和电子电流必须为零，即：

T,T,V,dxVTdx,dxVdxV,T,dnndn,dppdp,dx,dx,dp0,IqA,nn,n,p,p,p,IqAnDdn0,pD,（11011）,Dp/pVTkT/qDn/nVTkT/q,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.10非均匀半导体中的自建电场,1.10.3非均匀半导体和自建电场,1014,1018,Nd（x）/cm-3,xx=0,E,i,Ev,EcEF,10100（a）不均匀的施主分布,（b）自建电场造成的能带弯曲,设：

N-Si，Nd（x）1018cm-3，即：

非简并情况。

nNd（x）niexpEFEi/kTEFEikTlnNd（x）/ni,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.10非均匀半导体中的自建电场,1.10.3非均匀半导体和自建电场令EF为势能零点，则有：

EikTlnNd（x）/niVTlnNd（x）/ni静电势,内建电场,VTdNd（x）,dxNd（x）dx,d,同理，对于p-Si，其静电势和内建电场为,：

VTlnNa（x）/ni静电势,内建电场,VTdNa（x）Na（x）dx,杂质在半导体中的非均匀分布，会在半导体中引起自建电场（内建电场），从而,国家级精品课程半导体器件物理与实验,可用其改变器件性能。

第一章半导体物理基础,1.11-14非平衡载流子,1.11.1非平衡载流子产生后的载流子浓度,np,pp0p（1111）,nn0n,在外界作用下，半导体能带中的载流子数目将偏离热平衡时的情况，即产生了非平衡载流子，又称为过剩载流子。

非平衡载流子对半导体器件的性能影响十分重要。

这里主要研究非平衡载流子的产生和复合机制以及它们的运动规律。

非平衡载流子浓度,热平衡时的载流子浓度,n0，p0n，p,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.11-14非平衡载流子,（1112）,p0npn0nn0nn0pp0pp,1.11.2小注入时的载流子浓度当非平衡载流子浓度远小于热平衡多子浓度，但远大于热平衡少子浓度时，称为小注入，小注入时的载流子浓度为：

（以N型半导体为例）,国家级精品课程半导体器件物理与实验,当非平衡载流子浓度与热平衡多子浓度相当时，称为大注入。

1.11.3准费米能级当非平衡载流子产生后，体系偏离了热平衡态，因而不再有统一的费米能级，但可以引入准费米能级描述非平衡态的载流子浓度。

T,0iiFpip,/V（1121）,pppnexpEE/kTnexp,nn0nniexpEFnEi/kTniexpn/VT,第一章半导体物理基础1.11-14非平衡载流子1.12.1准费米能级,分别为电子和空穴的准费米势,分别为电子和空穴的准费米能级,pFp,EFp,EFn，,E/q，,nEFn/q，,2,（1122）,ipnT,npnexp/V,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.11-14非平衡载流子,1.12.2修正的欧姆定律,T,n,n,n,nn,n,Dn,dxdx,dx,J,V,dxVdx,T,InA,dnnddn,dx,qnDdnqndDdn,电子电流密度,dx,dx,n,n,n,n,n,d,d,（x）,Jqn（x）,空穴电流密度,dx,dx,p,p,p,p,d,dp,（x）,Jqn（x）,国家级精品课程半导体器件物理与实验,第一章半导体物理基础,1.11-14非平衡载流子,1.12.2修正的欧姆定律,电子的等效电导率空穴的等效电导率,n（x）qn（x）np（x）qp（x）p,修正的欧姆定律虽然在形式上与欧姆定律一致，但包括了载流子的漂移和扩散的综合效应。

处于热平衡的半导体，具有统一的费米能级，因此电流为零。

1.13.1非平衡载流子的寿命在只考虑体内复合的简单