半导体物理学ppt刘恩科.ppt

半半导体物理学体物理学刘恩科半导体物理学•教材教材:–《《半半导体物理学体物理学》》(第六版第六版)，刘恩科等，刘恩科等编著，著，电子工子工业出版社出版社•参考参考书：：–《《半半导体物理与器件体物理与器件》》（第三版），（第三版），Donald A.Neamen著，著，电子工子工业出版社出版社 •课程考核程考核办法法 :–本本课采用开卷笔采用开卷笔试的考核的考核办法第九周安排法第九周安排一次期中考一次期中考试–总评成成绩构成比例构成比例为：平：平时成成绩10%；； 期期中考中考试45%；期末考；期末考试45%半导体物理学1 1半半导体中的体中的电子状子状态2 2半半导体中体中杂质和缺陷能和缺陷能级3 3半半导体中体中载流子的流子的统计分布分布4半半导体的体的导电性性5非平衡非平衡载流子流子6pn结7金属和半金属和半导体的接触体的接触8半半导体表面与体表面与MIS结构构半导体物理学固态电子学分支之一微电子学光电子学研究在固体（主要是半导体〕材料上构成的微小型化器件、电路、及系统的电子学分支学科微电子学简介:半半导体概要体概要微电子学研究领域•半导体器件物理•集成电路工艺•集成电路设计和测试微电子学发展的特点向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方向发展与其它学科互相渗透，形成新的学科领域： 光电集成、MEMS、生物芯片半导体概要固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体什么是半导体？半半导体及其基本特性体及其基本特性1 1半半导体中的体中的电子状子状态2 2半半导体中体中杂质和缺陷能和缺陷能级3 3半半导体中体中载流子的流子的统计分布分布4半半导体的体的导电性性5非平衡非平衡载流子流子6pn结7金属和半金属和半导体的接触体的接触8半半导体表面与体表面与MIS结构构半导体物理学半半导体的体的纯度和度和结构构•纯度度–极高，杂质<1013cm-3•结构构晶体晶体结构构•单胞胞–对于任何于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体定的晶体，可以用来形成其晶体结构的构的最小最小单元元注：（a）单胞无需是唯一的 （ b）单胞无需是基本的晶体晶体结构构•三三维立方立方单胞胞– 简立方、立方、 体心立方、体心立方、 面面立方立方金刚石晶体结构金刚石结构原子结合形式：共价键形成的晶体结构： 构成一个正四面体，具有 金 刚 石 晶 体 结 构半 导 体 有: 元 素 半 导 体 如Si、Ge 金刚石晶体结构半 导 体 有: 化 合 物 半 导 体 如GaAs、InP、ZnS闪锌矿晶体结构金刚石型 闪锌矿型练习1、单胞是基本的、不唯一的单元。

）2、按半导体结构来分，应用最为广泛的是（ ）3、写出三种立方单胞的名称，并分别计算单胞中所含的原子数4、计算金刚石型单胞中的原子数原子的能原子的能级•电子壳子壳层•不同支壳层电子–1s；2s，2p；3s，2p，3d；…•共有化运共有化运动+14•电子的能级是量子化的n=3四个电子n=28个电子n=12个电子SiHSi原子的能原子的能级原子的能级的分裂§孤立原子的能级 4个原子能级的分裂 原子的能级的分裂§原子能级分裂为能带 Si的的能能带 （（价价带、、导带和和带隙隙〕 〕价带：0K条件下被电子填充的能量的能带导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导导 带带价价 带带E Eg g自由电子的运动§微观粒子具有波粒二象性 半导体中电子的运动§薛定谔方程及其解的形式 布洛赫波函数固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体固体材料的能固体材料的能带图半半导体、体、绝缘体和体和导体体半半导体的能体的能带§本征激发 练习1、什么是共有化运动？2、画出Si原子结构图（画出s态和p态并注明该能级层上的电子数）3、电子所处能级越低越稳定。

（ ）4、无论是自由电子还是晶体材料中的电子，他们在某处出现的几率是恒定不变的 （ ）5、分别叙述半导体与金属和绝缘体在导电过程中的差别半导体中E（K）与K的关系§在导带底部，波数 ，附近 值很小，将 在 附近泰勒展开 半导体中E（K）与K的关系令 代入上式得自由电子的能量§微观粒子具有波粒二象性 半导体中电子的平均速度§在周期性势场内，电子的平均速度u可表示为波包的群速度 自由电子的速度§微观粒子具有波粒二象性 半导体中电子的加速度§半导体中电子在一强度为 E的外加电场作用下，外力对电子做功为电子能量的变化半导体中电子的加速度令 即有效质量的意义§自由电子只受外力作用；半导体中的电子不仅受到外力的作用，同时还受半导体内部势场的作用§意义：有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得研究半导体中电子的运动规律时更为简便（有效质量可由试验测定）空穴§只有非满带电子才可导电§导带电子和价带空穴具有导电特性；电子带负电-q（导带底），空穴带正电+q（价带顶）K空间等能面§在k=0处为能带极值导带底附近价带顶附近K空间等能面§以 、 、 为坐标轴构成 空间， 空间任一矢量代表波矢§导带底附近K空间等能面§对应于某一 值，有许多组不同的 ，这些组构成一个封闭面，在着个面上能量值为一恒值，这个面称为等能量面，简称等能面。

§等能面为一球面（理想）1 1半半导体中的体中的电子状子状态2 2半半导体中体中杂质和缺陷能和缺陷能级3 3半半导体中体中载流子的流子的统计分布分布4半半导体的体的导电性性5非平衡非平衡载流子流子6pn结7金属和半金属和半导体的接触体的接触8半半导体表面与体表面与MIS结构构半导体物理学与理想情况的偏离§晶格原子是振动的§材料含杂质§晶格中存在缺陷Ø点缺陷（空位、间隙原子）Ø线缺陷（位错）Ø面缺陷（层错）与理想情况的偏离的影响§极微量的杂质和缺陷，会对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响，同时也严重影响半导体器件的质量Ø1个B原子/ 个Si原子 在室温下电导率提高 倍ØSi单晶位错密度要求低于与理想情况的偏离的原因§理论分析认为，杂质和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，并在禁带中引入了能级，允许电子在禁带中存在，从而使半导体的性质发生改变硅、锗晶体中的杂质能级例：如图所示为一晶格常数为a的Si晶胞，求： （a）Si原子半径 （b）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比解：（a）（b）间隙式杂质、替位式杂质§杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂质称为间隙式杂质。

Ø间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂（0.068nm）§杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质称为替位式杂质Ø替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构要求与被取代的晶格原子相近如Ⅲ、Ⅴ族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质间隙式杂质、替位式杂质§单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度练习1、实际情况下k空间的等能面与理想情况下的等能面分别是如何形状的？它们之间有差别的原因？2、实际情况的半导体材料与理想的半导体材料有何不同？3、杂质和缺陷是如何影响半导体的特性的？施主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的电子，￿￿￿￿￿￿并成为带正电的离子如Si中的P 和As N型半导体As半半导体的体的掺杂施主能级受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴，￿￿￿￿￿￿并成为带负电的离子如Si中的BP型半导体B半半导体的体的掺杂受主能级半半导体的体的掺杂§Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶高 ，施主能级比导带底低 ，均为浅能级，这两种杂质称为浅能级杂质。

§杂质处于两种状态：中性态和离化态当处于离化态时，施主杂质向导带提供电子成为正电中心；受主杂质向价带提供空穴成为负电中心§半导体中同时存在施主和受主杂质，且 N型半导体N型半导体§半导体中同时存在施主和受主杂质，且 P型半导体P型半导体杂质的的补偿作用作用§半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是N型还是P型由杂质的浓度差决定§半导体中净杂质浓度称为有效杂质浓度（有效施主浓度；有效受主浓度）§杂质的高度补偿（ ）点缺陷点缺陷§弗仓克耳缺陷Ø间隙原子和空位成对出现§肖特基缺陷Ø只存在空位而无间隙原子§间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较大，为热缺陷，它们不断产生和复合，直至达到动态平衡，总是同时存在的§空位表现为受主作用；间隙原子表现为施主作用点缺陷点缺陷§替位原子（化合物半导体）位位错§位错是半导体中的一种缺陷，它严重影响材料和器件的性能位位错施主情况 受主情况练习1、Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中为深能级杂质 （ ）2、受主杂质向价带提供空穴成为正电中心。

）3、杂质处于两种状态：（ ）和（ ）4、空位表现为（ ）作用，间隙原子表现为（ ）作用5、以Si在GaAs中的行为为例，说明Ⅳ族杂质在Ⅲ—Ⅴ化合物中可能出现的双性行为1 1半半导体中的体中的电子状子状态2 2半半导体中体中杂质和缺陷能和缺陷能级3 3半半导体中体中载流子的流子的统计分布分布4半半导体的体的导电性性5非平衡非平衡载流子流子6pn结7金属和半金属和半导体的接触体的接触8半半导体表面与体表面与MIS结构构半导体物理学热平衡状平衡状态•在一定温度下，在一定温度下，载流子的流子的产生生和和载流子的复流子的复合合建立起一建立起一动态平衡，平衡，这时的的载流子称流子称为热平衡平衡载流子流子•半半导体的体的热平衡状平衡状态受受温度温度影响，某一特定影响，某一特定温度温度对应某一特定的某一特定的热平衡状平衡状态•半半导体的体的导电性性受受温度温度影响影响剧烈态密度的概念密度的概念•能能带中能量中能量 附近每附近每单位能量位能量间隔内的量子隔内的量子态数•能能带中能量中能量为 无限小的能量无限小的能量间隔内隔内有有 个量子个量子态，，则状状态密度密度 为态密度的密度的计算算•状状态密度的密度的计算算–单位位 空空间的量子的量子态数数–能量能量 在在 空空间中所中所对应的体的体积–前两者相乘得状前两者相乘得状态数数–根据定根据定义公式求得公式求得态密度密度空空间中的量子中的量子态•在在 空空间中，中，电子的允子的允许能量状能量状态密度密度为 ，，考考虑电子的自旋情况，子的自旋情况，电子的允子的允许量子量子态密度密度为 ，每个量子，每个量子态最多只能容最多只能容纳一个一个电子子。

态密度密度•导带底附近状底附近状态密度（理想情况）密度（理想情况）态密度密度（导带底）（价带顶）练习1、推导价带顶附近状态密度费米能米能级•根据量子根据量子统计理理论，服从泡利不相容原理的，服从泡利不相容原理的电子遵循子遵循费米米统计律律•对于能量于能量为E E的一个量子的一个量子态被一个被一个电子占据的概子占据的概率率 为• 称称为电子的子的费米分布函数米分布函数•空穴的空穴的费米分布函数？米分布函数？费米分布函数米分布函数• 称称为费米能米能级或或费米能量米能量–温度温度–导电类型型–杂质含量含量–能量零点的能量零点的选取取•处于于热平衡状平衡状态的的电子系子系统有有统一的一的费米能米能级费米分布函数米分布函数•当当 时–若若 ，，则–若若 ，，则l在在热力学温度力学温度为0 0度度时，，费米能米能级 可看成量子可看成量子态是否被是否被电子占据的一个界限子占据的一个界限 •当当 时–若若 ，，则–若若 ，，则–若若 ，，则l费米能米能级是量子是量子态基本上被基本上被 电子占据或基本上是空的一子占据或基本上是空的一 个个标志志玻玻尔兹曼分布函数曼分布函数•当当 时，由于，由于 ，，所以所以费米分布函数米分布函数转化化为• 称称为电子的玻子的玻尔兹曼分布函数曼分布函数玻玻尔兹曼分布函数曼分布函数•空穴的玻空穴的玻尔兹曼分布函数曼分布函数玻玻尔兹曼分布函数曼分布函数•导带中中电子分布可用子分布可用电子的玻子的玻尔兹曼分布函数曼分布函数描写（描写（绝大多数大多数电子分布在子分布在导带底底）；价）；价带中中的空穴分布可用空穴的玻的空穴分布可用空穴的玻尔兹曼分布函数描写曼分布函数描写（（绝大多数空穴分布在价大多数空穴分布在价带顶））•服从服从费米米统计律律的的电子系子系统称称为简并性系并性系统；；服从服从玻玻尔兹曼曼统计律律的的电子系子系统称称为非非简并性并性系系统•费米米统计律与玻律与玻尔兹曼曼统计律的主要差律的主要差别：：前前者受泡利不相容原理的限制者受泡利不相容原理的限制练习1、空穴占据费米能级的概率在各种温度下总是1/2。

（ ）2、费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子 （ ） 3、能量为E的一个量子态被一个空穴占据的概率为 （ ）4、为什么电子分布在导带底，空穴分布在价带顶？导带中的中的电子子浓度度•在在导带上的上的 间有有 个个电子子•从从导带底到底到导带顶对 进行行积分，分，得到能得到能带中的中的电子子总数，除以半数，除以半导体体体体积，，就得到了就得到了导带中的中的电子子浓度度 导带中的中的电子子浓度度导带中的中的电子子浓度度§导带宽度的典型值一般 ， ，所以 ，因此， ，积分上限改为 并不影响结果。

由此可得导带中电子浓度为价价带中的空穴中的空穴浓度度§同理得价带中的空穴浓度载流子流子浓度乘度乘积§同理得价带中的空穴浓度§热平衡状态下的非简并半导体中，在一定的温度下，乘积 是一定的，如果电子浓度增大，空穴浓度就会减小；反之亦然本征半本征半导体体载流子流子浓度度§本征半导体Ø无任何杂质和缺陷的半导体本征本征费米能米能级本征本征载流子流子浓度度（既适用于本征半导体，也适用于非简并的杂志半导体）杂质半半导体体载流子流子浓度度§一个能级能容纳自旋方向相反的两个电子§杂质能级只能是下面两种情况之一Ø被一个有任一自旋方向的电子占据Ø不接受电子杂质半半导体体载流子流子浓度度§施主能级上的电子浓度（没电离的施主浓度）§受主能级上的电子浓度（没电离的受主浓度）杂质半半导体体载流子流子浓度度§电离施主浓度§电离受主浓度n和p的其他变换公式•本征半导体时， 费米能米能级•对掺杂半导体，费米能米能级•接近室温时EF-Ei=kTln(ND/ni)练习1 1半半导体中的体中的电子状子状态2 2半半导体中体中杂质和缺陷能和缺陷能级3 3半半导体中体中载流子的流子的统计分布分布4半半导体的体的导电性性5非平衡非平衡载流子流子6pn结7金属和半金属和半导体的接触体的接触8半半导体表面与体表面与MIS结构构半导体物理学载流子流子输运运•半导体中载流子的输运有三种形式：–漂移–扩散–产生和复合欧姆定律•金属导体外加电压 ，电流强度为•电流密度为欧姆定律•均匀导体外加电压 ，电场强度为•电流密度为•欧姆定律的微分形式漂移电流•漂移运动–当外加电压时，导体内部的自由电子受到电场力的作用而沿电场的反方向作定向运动（定向运动的速度称为漂移速度）§电流密度 漂移速度•漂移速度 半导体的电导率和迁移率•半导体中的导电作用为电子导电和空穴导电的总和 •当电场强度不大时，满足 ，故可得半导体中电导率为半导体的电导率和迁移率•N型半导体•P型半导体•本征半导体Question•导体在外加电场作用下，导体内载流子的漂移电流有两种表达形式恒定不断增大热运动•在无电场作用下，载流子永无停息地做着无规则的、杂乱无章的运动，称为热运动•晶体中的碰撞和散射引起•净速度为零，并且净电流为零•平均自由时间为热运动•当有外电场作用时，载流子既受电场力的作用，同时不断发生散射•载流子在外电场的作用下为热运动和漂移运动的叠加，因此电流密度是恒定的散射的原因•载流子在半导体内发生撒射的根本原因是周期性势场遭到破坏•附加势场 使得能带中的电子在不同 状态间跃迁，并使得载流子的运动速度及方向均发生改变，发生散射行为。

电离杂质的散射•杂质电离的带电离子破坏了杂质附近的周期性势场，它就是使载流子散射的附加势场•散射概率 代表单位时间内一个载流子受到散射的次数电离施主散射电离受主散射晶格振动的散射•格波–形成原子振动的基本波动–格波波矢 –对应于某一q值的格波数目不定，一个晶体中格波的总数取决于原胞中所含的原子数–Si、Ge半导体的原胞含有两个原子，对应于每一个q就有六个不同的格波，频率低的三个格波称为声学波，频率高的三个为光学波–长声学波（声波）振动在散射前后电子能量基本不变，称为弹性散射；光学波振动在散射前后电子能量有较大的改变，称为非弹性散射晶格振动的散射•声学波散射–在能带具有单一极值的半导体中起主要散射作用的是长波–在长声学波中，只有纵波在散射中起主要作用，它会引起能带的波形变化–声学波散射概率•光学波散射–在低温时不起作用，随着温度的升高，光学波的散射概率迅速增大练习1、载流子的热运动在半导体内会构成电流 ） 2、在半导体中，载流子的三种输运方式为（ ）、 （ ）和（ ） 3、载流子在外电场的作用下是（ ）和（ ）两种运动的叠加，因此电流密度大小（ ）。

4、什么是散射  与 的关系•N个电子以速度 沿某方向运动，在 时刻未遭到散射的电子数为 ，则在 时间内被散射的电子数为因此 与 的关系上式的解为则 被散射的电子数为 与 的关系•在 时间内被散射的所有电子的自由时间为 ，这些电子自由时间的总和为 ，则 个电子的平均自由时间可表示为 、 与 的关系§平均漂移速度为 、 与 的关系§N型半导体§P型半导体§本征半导体 与 及 的关系•电离杂质散射•声学波散射•光学波散射 与 及 的关系•电离杂质散射•声学波散射•光学波散射影响迁移率的因素•与散射有关与散射有关–晶格散射晶格散射–电离离杂质散射散射•N型半导体•P型半导体•本征半导体电阻率电阻率与掺杂的关系•N型半型半导体体•P型半型半导体体电阻率与温度的关系•本征半本征半导体体–本征半本征半导体体电阻率随温度增加而阻率随温度增加而单调地下降地下降•杂质半半导体体（区别于金属）速度饱和•在低在低电场作用下，作用下，载流子在半流子在半导体中的平均漂移体中的平均漂移速度速度v与外加与外加电场强度度E呈呈线性关系；随着外加性关系；随着外加电场的不断增大，两者呈非的不断增大，两者呈非线性关系，并最性关系，并最终平均平均漂移速度达到一漂移速度达到一饱和和值，不随，不随E变化。

化–n-Ge:耿氏效应•耿氏效耿氏效应–n-GaAs外加外加电场强度超度超过￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿时，半，半导体内体内的的电流以流以￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿的的频率率发生振生振荡练习一、判断1、在半导体中，原子最外层电子的共有化运动最显著 （ ）2、不同的k值可标志自由电子的不同状态，但它不可标志晶体中电子的共有化状态 （ ）3、空位表现为施主作用，间隙原子表现为受主作用 （ ）4、半导体中两种载流子数目相同的为高纯半导体 （ ）练习二、填空1、半导体材料结构可分为（ ）、（ ）、（ ），应用最为广泛的是（ ）2、金刚石型单胞的基础结构为（ ），金刚石型为（ ）对称性，闪锌矿型结构为（ ）对称性，纤锌矿型为（ ）对称性。

3、导带和价带间间隙称为（ ），Si的禁带宽度为（ ），Ge为（ ），GaAs为（ ）4、固体按其导电性可分为（ ）、（ ）、（ ）练习5、杂质总共可分为两大类（ ）和（ ），施主杂质为（ ），受主杂质为（ ）6、施主杂质向（ ）带提供（ ）成为（ ）电中心；受主杂质向（ ）带提供（ ）成为（ ）电中心7 、热平衡时，能级E处的空穴浓度为（ ）8 、在半导体中，载流子的三种输运方式为（ ）、 （ ）和（ ）练习三、简答1、单胞的概念及两大注意点？2、三种立方单胞的名称？3、引入有效质量的原因及意义？4、 的物理含义？5、费米分布函数与玻耳兹曼分布函数的最大区别？ 6、在外加电场E作用下，为什么半导体内载流子的漂移电流恒定，试从载流子的运动角度说明7、在室温下，热平衡时，Si半导体中 ， ，求半导体中的电子和空穴浓度。

1 1半半导体中的体中的电子状子状态2 2半半导体中体中杂质和缺陷能和缺陷能级3 3半半导体中体中载流子的流子的统计分布分布4半半导体的体的导电性性5非平衡非平衡载流子流子6pn结7金属和半金属和半导体的接触体的接触8半半导体表面与体表面与MIS结构构半导体物理学平衡载流子•在某以在某以热平衡状平衡状态下的下的载流子称流子称为平衡平衡载流子流子–非非简并半并半导体体处于于热平衡状平衡状态的判据式的判据式（只受温度T影响）由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子，也称为非平衡载流子过剩剩载流子流子非平衡载流子的光注入平衡载流子满足费米－狄拉克统计分布过剩载流子不满足费米－狄拉克统计分布且公式不成立载流子的产生和复合：电子和空穴增加和消失的过程过剩剩载流子流子过剩载流子和电中性平衡时 过剩载流子电中性：小注入条件小注入条件：注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小的多N型材料P型材料小注入条件例：室温下一受到微扰的掺杂硅， 判断其是否满足小注入条件？解：满足小注入条件！（ ）注：（1）即使在小注入的情况下，非平衡少数载流子浓度还是可以比平衡少数载流子浓度大的多（2）非平衡少数载流子起重要作用，非平衡载流子都指非平衡少数载流子非平衡非平衡载流子寿命流子寿命•假定光照假定光照产生生￿￿￿￿￿￿￿￿和和￿￿￿￿￿￿，如果光突然关，如果光突然关闭，，￿￿￿￿￿￿和和￿￿￿￿￿￿将随将随时间逐逐渐衰减直至衰减直至0，衰减的，衰减的时间常数常数称称为寿命寿命 ，也常称也常称为少数少数载流子寿命流子寿命• 单位位时间内非平衡内非平衡载流子的复合概率流子的复合概率• 非平衡非平衡载流子的复合率流子的复合率复合复合n型材料中的空穴当￿￿￿￿￿￿时，￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿，故寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e所经历的时间；寿命越短，衰减越快费米能级热平衡状态下的非简并半导体中有统一的费米能级统一的费米能级是热平衡状态的标志准费米能级 当半导体的热平衡状态被打破时，新的热平衡状态可通过热跃迁实现，但导带和价带间的热跃迁较稀少 导带和价带各自处于平衡态，因此存在导带费米能级和价带费米能级，称其为“准费米能级”准费米能级 注： 非平衡载流子越多，准费米能级偏离 就越远。

在非平衡态时，一般情况下，少数载流子的准费米能级偏离费米能级较大准费米能级 注： 两种载流子的准费米能级偏离的情况反映了半导体偏离热平衡状态的程度产生和复合生和复合•产生生–电子和空穴（子和空穴（载流子）被流子）被创建的建的过程程–产生率（生率（G））：：单位位时间单位体位体积内所内所产生的生的电子子—空空穴穴对数数•复合复合–电子和空穴（子和空穴（载流子）消失的流子）消失的过程程–复合率（复合率（R））：：单位位时间单位体位体积内复合掉的内复合掉的电子子—空空穴穴对数数产生和复合会改生和复合会改变载流子的流子的浓度，从而度，从而间接地影响接地影响电流流复合复合直接复合 间接复合 Auger复合（禁带宽度小的半导体材料）（窄禁带半导体及高温情况下）（具有深能级杂质的半导体材料）产生生直接产生 R-G中心产生 载流子产生 与碰撞电离练习1、一般情况下，满足小注入条件的非平衡载流子浓度比平衡载流子浓度小。

（ ）2、寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的（ ）所经历的时间3、简述小注入条件4、处于非平衡态的p型半导体中， 和 哪个距 近？为什么？陷阱效陷阱效应•当半当半导体体处于非平衡于非平衡态时，，杂质能能级具有具有积累非平衡累非平衡载流子的作用，即具有一定的流子的作用，即具有一定的陷阱陷阱效效应–所有所有杂质能能级都具有陷阱效都具有陷阱效应–具有具有显著陷阱效著陷阱效应的的杂质能能级称称为陷阱陷阱；相；相应的的杂质和缺陷称和缺陷称为陷阱中心陷阱中心–杂质能能级与平衡与平衡时的的费米能米能级重合重合时，最有利，最有利于陷阱作用于陷阱作用扩散•粒子从高粒子从高浓度向低度向低浓度区域运度区域运动扩散电流半导体内总电流•扩散+漂移扩散系数和迁移率的关系散系数和迁移率的关系•考虑非均匀半导体爱因斯坦关系因斯坦关系•在平衡态时，净电流为0连续性方程性方程举例•掺杂浓度分别为(a) 和 的硅中的电子和空穴浓度？(b) 再掺杂 的Na又是多少？( ) 1 1半半导体中的体中的电子状子状态2 2半半导体中体中杂质和缺陷能和缺陷能级3 3半半导体中体中载流子的流子的统计分布分布4半半导体的体的导电性性5非平衡非平衡载流子流子6pn结7金属和半金属和半导体的接触体的接触8半半导体表面与体表面与MIS结构构半导体物理学PN结杂质分布分布•PN结是同一是同一块半半导体晶体内体晶体内P型区和型区和N型区之型区之间的的边界界•PN结是各种半是各种半导体器件的基体器件的基础，了解它的工作原，了解它的工作原理有助于更好地理解器件理有助于更好地理解器件•典型制造典型制造过程程–合金法合金法–扩散法散法PN结杂质分布分布•下面两种分布在实际器件中最常见也最容易进行物理分析 突变结: 线性缓变结:浅结、重掺杂（<1um） 深结（>3um） 或外延的PN结PN结的形成的形成PN结中的能带•PN内建内建电势内建内建电势PN结的内建电势决定于掺杂浓度ND、NA、材料禁带宽度以及工作温度能带内建电势电场VA 0条件下的突条件下的突变结•外加外加电压全部降落在耗尽区，全部降落在耗尽区，VA大于大于0时，使耗，使耗尽区尽区势垒下降，反之上升。

即耗尽区两下降，反之上升即耗尽区两侧电压为Vbi-VA反偏反偏PN结•反偏电压能改变耗尽区宽度吗？准费米能级理想二极管方程•PN结正偏时理想二极管方程•PN结反偏时定量方程•基本假设ØP P型区及型区及N N型区掺杂均匀分布，是突变结型区掺杂均匀分布，是突变结Ø电中性区宽度远大于扩散长度电中性区宽度远大于扩散长度Ø冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流冶金结为面积足够大的平面，不考虑边缘效应，载流子在子在PNPN结中一维流动结中一维流动Ø空间电荷区宽度远小于少子扩散长度空间电荷区宽度远小于少子扩散长度, , 不考虑空间电不考虑空间电荷区的产生荷区的产生—复合作用复合作用ØP P型区和型区和N N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落在过渡区上在过渡区上准中性区的准中性区的载流子运流子运动情况情况•稳态时, 假假设GL=0•边界条件界条件:–图6.4–欧姆接触欧姆接触边界界–耗尽耗尽层边界界边界条件•欧姆接触边界•耗尽层边界(pn结定律)耗尽耗尽层边界界•P型一型一侧PN耗尽耗尽层边界界(续)•N型一侧耗尽层边界处非平衡载流子浓度与外加电压有关准中性区准中性区载流子流子浓度度理想二极管方程理想二极管方程•求解求解过程程–准中性区少子准中性区少子扩散方程散方程–求求Jp(xn)–求求Jn(-xp)–J= Jp(xn)+ Jn(-xp)理想二极管方程理想二极管方程(1)•新的坐新的坐标:•边界条件界条件:-xp xn0xX’空穴空穴电流流•一般解一般解电子子电流流•P型型侧PN结电流流PN结电流与温度的关系流与温度的关系与理想情况的偏差与理想情况的偏差Ø大注入效大注入效应Ø空空间电荷区的复合荷区的复合空空间电荷区的荷区的产生与复合生与复合•正向有复合正向有复合电流流•反向有反向有产生生电流流空空间电荷区的荷区的产生与复合生与复合-1•反向偏置反向偏置时,•正向偏置正向偏置时, 计算比算比较复复杂VA愈低，IR-G愈是起支配作用VAVbi时的大的大电流流现象象•串串联电阻效阻效应q/kTLog(I)VAVAVbi时的大的大电流流现象象-1•大注入效大注入效应大注入是指正偏工作时注入载流子密度等于或高于平衡态多子密度的工作状态。

pn≥nnoVAVbi时的大的大电流流现象象-2VAVbi时的大的大电流流现象象-3VA越大, 电流上升变缓反向反向击穿穿•电流急流急剧增加增加•可逆可逆–雪崩倍增雪崩倍增–齐纳过程程•不可逆不可逆–热击穿穿雪崩倍增雪崩倍增齐纳过程程•产生了隧穿效生了隧穿效应E隧道穿透几率P：隧道长度:隧道击穿: VB<4Eg/q雪崩击穿：VB>6Eg/qPN结二极管的等效二极管的等效电路路•小信号加到小信号加到PN结上上~+ -vaVA+ -PNRsGC反向偏置反向偏置结电容容•也称也称势垒电容或容或过渡区渡区电容容反向偏置反向偏置结电容容-1反向偏置反向偏置结电容容-2•耗尽近似下耗尽近似下线性性缓变结的空的空间电荷区荷区电荷荷总量量参数提取和参数提取和杂质分布分布•CV测量系量系统VA1/C2Vbi扩散散电容容扩散散电容容-1•表表现为电容形式容形式扩散散电容容-2•扩散散电容与正向容与正向电流流成正比成正比练习1、为什么pn结在反偏压下有一小的饱和电流2、试分别描述势垒电容和扩散电容的由来1 1半半导体中的体中的电子状子状态2 2半半导体中体中杂质和缺陷能和缺陷能级3 3半半导体中体中载流子的流子的统计分布分布4半半导体的体的导电性性5非平衡非平衡载流子流子6pn结7金属和半金属和半导体的接触体的接触8半半导体表面与体表面与MIS结构构半导体物理学金属和半金属和半导体的接触体的接触•金属和半金属和半导体的功函数体的功函数金属和半金属和半导体的接触体的接触•金属和半金属和半导体的接触体的接触整流理整流理论•金属和金属和N型半型半导体的接触体的接触扩散理散理论•对于于N型阻型阻挡层，当，当势垒的的宽度比度比电子的平均自由子的平均自由程大地多程大地多时，，电子通子通过势垒区要区要发生多次碰撞，生多次碰撞，这样的阻的阻挡层称称为厚阻厚阻挡层。

•扩散理散理论适用于厚阻适用于厚阻挡肖特基肖特基势垒二极管与二极管的比二极管与二极管的比较•相同点相同点–单向向导电性性•不同点不同点–正向正向导通通时，，pn结正向正向电流由少数流由少数载流子的流子的扩散运散运动形成，而肖特基形成，而肖特基势垒二极管的正向二极管的正向电流由半流由半导体的多数体的多数载流子流子发生漂移运生漂移运动直接直接进入金属形成，因此后者比前入金属形成，因此后者比前者具有更好的高者具有更好的高频特性特性–肖特基肖特基势垒二极管的二极管的势垒区只存在于半区只存在于半导体一体一侧–肖特基肖特基势垒二极管具有二极管具有较低的低的导通通电压，一般，一般为0.3V，，pn结一般一般为0.7V欧姆接触欧姆接触•欧姆接触欧姆接触–不不产生明生明显的附加阻抗，而且不会使半的附加阻抗，而且不会使半导体内部的体内部的平衡平衡载流子流子浓度度发生生显著的改著的改变，，为非整流接触非整流接触–若若 ，金属和，金属和n型半型半导体接触可形成反阻体接触可形成反阻挡层；； 时，金属和，金属和p型半型半导体接触也能形成反阻体接触也能形成反阻挡层，反阻，反阻挡层没有整流作用，可没有整流作用，可实现欧姆接触欧姆接触–实际生生产中利用中利用隧道效隧道效应的原理，把半的原理，把半导体一体一侧重重掺杂形成形成金属金属—n+n或或金属金属—p+p结构，从而得到理构，从而得到理想的欧姆接触想的欧姆接触1 1半半导体中的体中的电子状子状态2 2半半导体中体中杂质和缺陷能和缺陷能级3 3半半导体中体中载流子的流子的统计分布分布4半半导体的体的导电性性5非平衡非平衡载流子流子6pn结7金属和半金属和半导体的接触体的接触8半半导体表面与体表面与MIS结构构半导体物理学MIS结构构能能带图能能带图-1•无偏无偏压时MOS结构中构中由于功函数差由于功函数差引起的表面能引起的表面能带弯曲弯曲MIS结构构•理想情况理想情况–金属与半金属与半导体体间功函数差功函数差为零零–绝缘层内没有任何内没有任何电荷且荷且绝缘层完全不完全不导电–绝缘体与半体与半导体界面体界面处不存在任何界面不存在任何界面态•积累耗尽耗尽耗尽耗尽-1（边界条件） 反型反型反型反型-1•耗尽层电荷:外加偏置外加偏置Qsss =0, Qs=0, =0, flat bands <0, Qs>0, accumulations >0, Qs<0, depletions >0, Qs<0, weak inversions =2 F, the onset of strong inversions >2 F, Strong inversionMIS结构的基本公式构的基本公式MOS结构的基本公式构的基本公式-11总电势差差:平平带Flat Band VoltageMIS电容容MIS电容容•电容的定义:MIS电容容-2•积累态:•耗尽态:MIS电容容-3•反型实验结果果深耗尽深耗尽•从耗尽从耗尽扫描到反型描到反型时, 需要少子需要少子。