半导体物理总结-讲义
55页1、第-章 半导体中的基本性质,半导体的晶格结构,什么是半导体 晶体、多晶和非晶 晶体的周期性和对称性 晶体的晶向和晶面 Si、Ge晶体的金刚石结构 化合物半导体和闪锌矿结构,非晶体的内部组成是原子无规则的均匀排列,Si晶体的金刚石结构,半导体的晶格结构,Si、Ge等元素半导体结合形成晶体时,具有金刚石结构形式,它以四面体结构为基础构成。由两个面心立方套构而成,位于不同面心立方中的Si原子的性质并不等价,因此,金刚石结构,由复式格子组成。半导体Si晶体的这种晶体结构与其原子结合形成晶体时的结合方式有关。,半导体中的基本性质,2.2.1 固体的结合和化学键 2.2.2 Si原子结构和Si晶体的共价键结合 2.2.3 Si晶体的四面体结构,晶体的结构通常与原子结合形成晶体时的结合方式有关,本节将讨论固体结合形成晶体的结合方式和性质,半导体的结合性质,固体结合的化学键包括: 离子键 (Ionic Bonding) 金属键 (Metallic Bonding) 共价键 (Covalent Bonding) 范德瓦耳斯键 (van der Waals Bonding), 2.2 半导体的结合性质,2
2、.2.1 固体的结合和化学键,共价键 (Covalent Bonding),2.2.3 Si晶体结合的四面体结构,薛定谔方程和原子的能级,半导体的能带,布洛赫定理和晶体的能带,固体的能带和K空间,存在半满的能带,金属的价带与导带重叠,没有禁带,电子占据能带或是全满或是全空,金属、半导体、绝缘体的能带,第一章 半导体中的基本性质,半导体中电子的状态 有效质量近似 半导体导电的能带论解释半导体的导电 半导体的导电载流子,有效质量近似及其意义,有效质量概括了晶体势场对电子运动的影响,半导体中的导电载流子,半导体的导带和电子载流子,半导体的价带和空穴载流子,杂质:在半导体晶体中引入的新的原子或离子 缺陷:晶体按周期性排列的结构受到破坏,半导体中的掺杂和杂质能级,1. 施主杂质和施主能级,3施主电离:施主向导带释放电子的过程。,电离能,2. 受主杂质和受主能级,1)受主杂质(从能带论的角度),3. 施主和受主的特征,受主电离:施主向导带释放电子的过程。,电离能,4. N型半导体和P型半导体,本征半导体和本征费米能级,半导体能带的状态密度 半导体载流子的分布函数 本征半导体和本征载流子的浓度 本征
3、费米能级,第三章 半导体中载流子浓度,第三章 半导体中载流子的统计分布,半导体载流子的分布函数,电子和空穴的浓度,电子浓度,空穴浓度,其中,1. 本征载流子浓度,其中Ei是本征半导体的费米能级,2. 本征费米能级,热 平 衡 时,非本征半导体载流子浓度,其中,随掺杂浓度在禁带中上下变化 随施主杂质浓度增加费米能级向导带靠近电子数增加 随受主杂质浓度增加费米能级向价带靠近空穴数增加 随温度变化,费米能级表现出不同的变化趋势,非本征费米能级,费米能级的变化,是电荷守恒原理的具体表达式,1) 施主掺杂ND,2) 受主掺杂NA,3) 施主掺杂ND和受主掺杂NA,电中性条件,所有电子来自于价带和施主能级 0K时,价带和施主能级全部占据,所有电子来自于价带 0K时,价带全满,受主能级和导带全空,所有电子来自于价带和施主能级 0K时,价带全满,导带全空,施主、受主能级发生补偿,非本征载流子浓度与温度的关系,费米能级的温度变化关系,重掺杂半导体,简并半导体和非简并半导体,第四章 半导体中载流子的运动规律,4.1.1 载流子的热运动和散射机制 4.1.2 电场作用下的定向漂移运动和漂移电流 4.1.3
4、半导体的电导和电阻率 4.1.4 载流子迁移率 4.1.5 载流子的速度饱和, 4.1 载流子的漂移运动和漂移电流, 4.1 载流子的漂移运动和漂移电流,4.1.1 载流子的热运动(Thermal motion)和散射机制,在热平衡条件下,半导体中导带中的电子或价带中的空穴将做随机的热运动。按照统计物理规律,其热能(Thermal Energy)3/2kT,电子的动能满足:,其中,Vth107 cm/sec. 300K,热平衡时,载流子的运动是完全随机的,因此,净电流为零。 其中在运动过程中,将遭遇各种散射机制的散射。,半导体中载流子的散射机制,晶格散射(Lattice scattering)或声子(Phonon)散射:晶格振动引起的散射 电离杂质(Ionized impurity)散射:在高掺杂时重要 中性杂质( Neutral impurity)散射:可忽略 电子电子或电子空穴散射:在高载流子浓度情形时重要 晶格缺陷散射(Crystal defects):在多晶时重要 表面散射效应(Surface scattering effects):在MOS器件中重要, 4.1 载流子的漂移运
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