第一篇：《半导体物理学》课程辅导教案

《半导体物理学》课程辅导教案

关于教案的几点说明: 教案的基本内容:包括课程的课程重点,课程难点,基本概念,基本要求,参考资料,思考题和自测题,教学进度及学时分配.教材:采用高等学校工科电子类(电子信息类)规划教材《半导体物理学》,由刘思科,朱秉升,罗晋生等编写.本教材多次获奖,如全国高等学校优秀教材奖,电子类专业优秀教材特等奖,普通高等学校教材全国特等奖.参考资料(书目)叶良修(北大)《半导体物理学》 刘文明(吉大)《半导体物理学》 顾祖毅(清华)《半导体物理学》

格罗夫(美)A.S.Grove《半导体器件物理与工艺》 王家骅(南开)《半导体器件物理》 施敏(Sze.S.M美)《半导体器件物理》 施敏(Sze.S.M美)《现代半导体器件物理》

目录

第一章 半导体中的电子状态

§1.1 晶体结构预备知识,半导体晶体结构 §1.2 半导体中的电子状态

§1.3 电子在周期场中的运动——能带论

§1.4 半导体中电子(在外力下)的运动,有效质量,空穴 §1.5 半导体的导电机构 §1.6 回旋共振 §1.7 硅和锗的能带结构 §1.8 化合物半导体的能带结构 第二章 半导体中杂质和缺陷能级 §2.1 硅,锗晶体中的杂质能级 §2.2 化合物半导体中的杂质能级 §2.3 半导体中的缺陷能级(defect levels)第三章 半导体中热平衡载流子的统计分布 §3.1 载流子的统计分布函数及能量状态密度 §3.2 导带电子浓度和价带空穴浓度 §3.3 本征半导体的载流子浓度 §3.4 杂质半导体的载流子浓度 §3.5 一般情况下地载流子统计分布 §3.6 简并半导体 第四章 半导体的导电性 §4.1 载流子的漂移运动,迁移率 §4.2 载流子的散射

§4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系 §4.4 电阻率及其与杂质浓度的关系 §4.6 强电场效应,热载流子 §4.7 耿氏效应,多能谷散射 第五章 非平衡载流子 §5.1 非平衡载流子的注入 §5.2 非平衡载流子的复合和寿命 §5.3 准费米能级 §5.4 复合理论 §5.5 陷阱效应 §5.6 载流子的扩散运动

§5.7 载流子的漂移运动,爱因斯坦关系 §5.8 连续性方程及其应用 第六章 p–n结

§6.1 p–n结及其能带图 §6.2 p–n结电流电压特性 §6.3 p–n结电容 §6.4 p–n结击穿 §6.5(*)p–n结隧道效应

第一章 半导体中的电子状态 §1.1 晶体结构预备知识 半导体晶体结构 ◆本节内容:

14学时 微14学时）（光 1.晶体结构的描述(有关的名词)格点:空间(一维或多维)点阵中的点(结点)晶列:通过任意;两格点所作的(晶列上有一系列格点)晶向:在坐标系中晶列的方向(确定晶向的方法待定)用晶向指数表示;如[110].晶面:通过格点作的平面.一组平行的晶面是等效的,其中任意两晶面上的格点排列是相同的,且面间距相等.晶面用晶面指数(密勒指数)表示,如(111),(100)…… 反映晶体周期性的重复单元,有两种选取方法: 在固体物理学中——选取周期最小的重复单元,即原胞.在晶体学中——由对称性取选最小的重复单元,即晶胞(单胞)基矢:确定原胞(晶胞)大小的矢量.原胞(晶胞)以基矢为周期排列,因此,基矢的大小又成为晶格常数.晶轴:以(布拉菲)原胞(或晶胞)的基矢为坐标轴——晶轴 格矢:在固体物理学中,选某一格点为原点O,任一格点A的格矢 =++，,为晶轴上的投影,取整数，,为晶轴上的单位矢量.在结晶学中(用的较多),选某一格点为原点O,任一格点A的格矢 =++，,为对应晶轴上的投影,取有理数，,为晶轴上的单位矢量.晶列指数及晶向:格矢在相应晶轴上投影的称作晶列指数,并用以表示晶向,即格矢所在的晶列方向.固体物理学中,表示为[ ],投影为负值时,l的数字上部冠负号.等效晶向用表示.晶面:通过格点作的平面,用晶面指数表示.晶面指数:表示晶面的一组数.晶向与晶面的关系:在正交坐标系中,晶面指数与晶面指数相同时,晶向垂直于晶面.2.几种晶格结构 结晶学晶胞: 简立方:立方体的八个顶角各有一个原子.体心立方:简立方的中心加进一个原子.面心立方:简立方的六个面的中心各有一个原子.金刚石结构:同种原子构成的两个面心立方沿体对角线相对位移体对角线的套构而成.每个晶胞含原子数:8(顶角)+6(面心)+4(体心)=8个 如果只考虑晶格的周期性,可用固体物理学原胞表示: 简立方原胞:与晶胞相同,含一个原子.体心立方原胞:为棱长a的简立方,含一个原子.面心立方原胞:为棱长a的菱立方,由面心立方体对角线的;两个原子和六个面心原子构成,含一个原子.金刚石结构原胞:为棱长a的菱立方,由体对角线的两个原子和六个面心原子构成棱立方,其内包含一个距顶角体对角线的原子,因此,原胞共含有2个原子.3.半导体硅,锗的晶体结构(金刚石型结构)4.闪锌矿型结构

◆课程重点:半导体硅,锗的晶体结构(金刚石型结构)及其特点;半导体的闪锌矿型结构及其特点.◆课程难点: 1.描述晶体的周期性可用原胞和晶胞,要把原胞和晶胞区分开.在固体物理学中,只强调晶格的周期性,其最小重复单元为原胞,例如金刚石型结构的原胞为棱长a的菱立方,含有两个原子;在结晶学中除强调晶格的周期性外,还要强调原子分布的对称性,例如同为金刚石型结构,其晶胞为棱长为a的正立方体,含有8个原子.2.闪锌矿型结构的Ⅲ-Ⅴ族化合物和金刚石型结构一样,都是由两个面心立方晶格套构而成,称这种晶格为双原子复式格子.如果选取只反映晶格周期性的原胞时,则每个原胞中只包含两个原子,一个是Ⅲ族原子,另一个是Ⅴ族原子.◆基本概念:原胞和晶胞都是用来描述晶体中晶格周期性的最小重复单元,但二者有所不同.在固体物理学中,原胞只强调晶格的周期性;而在结晶学中,晶胞还要强调晶格中原子分布的的对称性.◆基本要求:记住晶向与晶面的关系;熟悉金刚石型结构与闪锌矿型结构晶胞原子的空间立体分布及硅,锗,砷化镓晶体结构特点,晶格常数,原子密度数量级(个原子/立方厘米).§1.2半导体中的电子状态 ◆本节内容: 1 原子中的电子状态 1.1玻耳的氢原子理论 1.2玻耳氢原子理论的意义

1.3氢原子能级公式及玻耳氢原子轨道半径 1.4索末菲对玻耳理论的发展 1.5量子力学对半经典理论的修正 1.6原子能级的简并度 2 晶体中的电子状态 2.1电子共有化运动

2.2电子共有化运动使能级分裂为能带 3 半导体硅,锗晶体的能带 3.1硅,锗原子的电子结构 3.2硅,锗晶体能带的形成 3.3半导体(硅,锗)的能带特点 ◆课程重点: 1.氢原子能级公式 =-,氢原子第一玻耳轨道半径 =,这两个公式还可用于类氢原子(今后用到)量子力学认为微观粒子(如电子)的运动须用波函数来描述,经典意义上的轨道实质上是电子出现几率最大的地方.电子的状态可用四个量子数表示.晶体形成能带的原因是由于电子共有化运动 半导体(硅,锗)能带的特点: 存在轨道杂化,失去能级与能带的对应关系.杂化后能带重新分开为上能带和下能带,上能带称为导带,下能带称为价带

低温下,价带填满电子,导带全空,高温下价带中的一部分电子跃迁到导带,使晶体呈现弱导电性.导带与价带间的能隙(Energy gap)称为禁带(forbidden band).禁带宽度取决于晶体种类,晶体结构及温度.当原子数很大时,导带,价带内能级密度很大,可以认为能级准连续

◆课程难点:原子能级的简并度为(2l+1),若记入自旋,简并度为2(2l+1);注意一点,原子是不能简并的.◆基本概念:电子共有化运动:原子组成晶体后,由于原子壳层的交叠,电子不再局限在某一个原子上,可以由一个原子转移到另一个原子上去,因而,电子将可以在整个晶体中运动,这种运动称为电子的共有化运动.但须注意,因为各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量,电子只能在相似壳层中转移.◆基本要求:掌握氢原子能级公式和氢原子轨道半径公式;掌握能带形成的原因及电子共有化运动的特点;掌握硅,锗能带的特点.§1.3 电子在周期场中的运动——能带论 ◆本节内容: 1.自由电子的运动 电子在周期场中的运动 能带理论的应用 ◆课程重点: 熟悉晶体中电子的运动与孤立原子的电子和自由电子的运动有何不同:孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中运动,自由电子是在恒定为零的势场中运动,而晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动,单电子近似认为,晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运动,这个势场也是周期性变化的,而且它的周期与晶格周期相同.自由电子的运动状态:对于波矢为k的运动状态,自由电子的能量E,动量p,速度v均有确定的数值.因此,波矢k可用以描述自由电子的运动状态,不同的k值标志自由电子的不同状态,自由电子的E和k的关系曲线,呈抛物线形状.由于波矢k的连续变化,自由电子的能量是连续能谱,从零到无限大的所有能量值都是允许的.晶体中的电子运动服从布洛赫定理:晶体中的电子是以调幅平面波在晶体中传播.这个波函数称为布洛赫波函数.求解薛定谔方程,得到电子在周期场中运动时其能量不连续,形成一系列允带和禁带.一个允带对应的K值范围称为布里渊区.用能带理论解释导带,半导体,绝缘体的导电性.◆课程难点: 布洛赫波函数的意义:晶体中的电子在周期性势场中运动的波函数与自由电子的波函数形式相似,代表一个波长为1/k而在k方向上传播的平面波,不过这个波的振幅(x)随x作周期性的变化,其变化周期与晶格周期相同.所以常说晶体中的电子是以一个被调幅的平面波在晶体中传播.显然,若令(x)为常数,则在周期性势场中运动的电子的波函数就完全变为自由电子的波函数了.其次,根据波函数的意义,在空间某一点找到电子的几率与波函数在该点的强度(即||=)成比例.对于自由电子,||=A,即在空间各点波函数的强度相等,故在空间各点找到电子的几率相同,这反映了电子在空间中的自由运动,而对于晶体中的电子,||=|(x)(x)|,但(x)是与晶格同周期的函数,在晶体中波函数的强度也随晶格周期性变化,所以在晶体中各点找到该电子的几率也具周期性变化的性质.这反映了电子不再完全局限在某一个原子上,而是可以从晶胞中某一点自由地运动到其它晶胞内的对应点,因而电子可以在整个晶体中运动,这种运动成为电子在晶体内的共有化运动.组成晶体的原子的外层电子共有化运动较强,其行为与自由电子相似,常称为准自由电子.而内层电子的共有化运动较弱,其行为与孤立原子中的电子相似.最后,布洛赫波函数中的波矢k与自由电子波函数的一样,它描述晶体中电子的共有化运动状态,不同的k的标志着不同的共有化运动状态.金刚石结构的第一布里渊区是一个十四面体,(见讲义图1-11),要注意图中特殊点的位置.◆基本概念及名词术语: 能带产生的原因: 定性理论(物理概念):晶体中原子之间的相互作用,使能级分裂形成能带.定量理论(量子力学计算):电子在周期场中运动,其能量不连续形成能带.能带(energy band)包括允带和禁带.允带(allowed band):允许电子能量存在的能量范围.禁带(forbidden band):不允许电子存在的能量范围.允带又分为空带,满带,导带,价带.空带(empty band):不被电子占据的允带.满带(filled band):允带中的能量状态(能级)均被电子占据.导带(conduction band):电子未占满的允带(有部分电子.)价带(valence band):被价电子占据的允带(低温下通常被价电子占满).用能带理论解释导体,半导体,绝缘体的导电性: 固体按其导电性分为导体,半导体,绝缘体,其机理可以根据电子填充能带的情况来说明.固体能够导电,是固体中的电子在外场的作用下定向运动的结果.由于电场力对电子的加速作用,使电子的运动速度和能量都发生了变化.换言之,即电子与外电场间发生能量交换.从能带论来看,电子的能量变化,就是电子从一个能级跃迁到另一个能级上去.对于满带,其中的能级已被电子所占满,在外电场作用下,满带中的电子并不形成电流,对导电没有贡献,通常原子中的内层电子都是占据满带中的能级,因而内层电子对导电没有贡献.对于被电子部分占满的能带,在外电场作用下,电子可从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的的能级去,起导电作用,常称这种能带为导带.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电体.半导体和绝缘体的能带类似,即下面是已被价电子占满的满带(其下面还有为内层电子占满的若干满带),亦称价带,中间为禁带,上面是空带.因此,在外电场作用下并不导电,但是这只是绝对温度为零时的情况.当外界条件发生变化时,例如温度升高或有光照时,满带中有少量电子可能被激发到上面的看到中去,使能带底部附近有了少量电子,因而在外电场作用下,这些电子将参与导电;同时,满带中由于少了一些电子,在满带顶部附近出现了一些空的量子状态,满带变成了部分占满的能带,在外电场作用下,仍留在满带中的电子也能够起导电作用,满带电子的这种导电作用等效于把这些空的量子状态看作带正电荷的准粒子的导电作用,常称这些空的量子状态为空穴.所以在半导体中导带的电子和价带的空穴参与导电,这是与金属导体的最大差别.绝缘体的禁带宽度很大,激发电子需要很大的能量,在通常温度下,能激发到导带中的电子很少,所以导电性很差.半导体禁带宽度比较小,数量级在1eV左右,在通常温度下已有不少电子被激发到导带中去,所以具有一定的导电能力,这是绝缘体和半导体的主要区别.室温下,金刚石的禁带宽度为6～7eV,它是绝缘体;硅为1.12eV,锗为0.67eV,砷化镓为1.43eV,所以它们都是半导体.共价键理论: 共价键理论能够比较简单,直观,较好地解释晶体的某些性质.⑴共价键理论主要有三点: 晶体的化学键是共价键,如 Si,Ge.共价键上的电子处于束缚态,不能参与导电.处于束缚态的价电子从外界得到能量,有可能挣脱束缚成为自由电子,参与导电.⑵共价键理论应用 解释半导体掺杂的敏感性

例:掺入替位式五价元素,可提供导电电子;掺入替位式三价元素,可提供导电空穴.解释半导体的热敏性,光敏性等.⑶两者理论的比较(能带理论与共价键理论的对应关系)能带理论 共价键理论 价带中电子 共价键上的电子

导带中电子 挣脱共价键的电子(变为自由电子)禁带宽度 键上电子挣脱键束缚所需的能量 定量理论 定性理论(4)本征激发: 共价键上的电子激发成为准自由电子,亦即价带电子吸收能量被激发到导带成为导带电子的过程,称为本征激发.这一概念今后经常用到.§1.4 半导体中电子(在外力下)的运动,有效质量,空穴 ◆本节内容: 导带中E(k)与k的关系 价带顶附近电子的运动 有效质量的意义 ◆课程重点: 掌握半导体中求E(k)与k的关系的方法:晶体中电子的运动状态要比自由电子复杂得多,要得到它的E(k)表达式很困难.但在半导体中起作用地是位于导带底或价带顶附近的电子.因此,可采用级数展开的方法研究带底或带顶E(k)关系.电子有效质量=/(一维情况),注意,在能带底是正值,在能带顶是负值.电子的速度为v=,注意v可以是正值,也可以是负值,这取决于能量对波矢的变化率.引入电子有效质量后,半导体中电子所受的外力与加速度的关系具有牛顿第二定律的形式,即a=f/.可见只是以有效质量代换了电子惯性质量.空穴的概念:在牛顿第二定律中要求有效质量为正值,但价带顶电子的有效质量为负值.这在描述价带顶电子的加速度遇到困难.为了解决这一问题,引入空穴的概念.价带中不被电子占据的空状态 价带顶附近空穴有效质量 >0 数值上与该处的电子有效质量相同,即=->0 ,空穴带电荷+q(共价键上少一个电子,破坏局部电中性,显正电).③空穴的能量坐标与电子的相反,分布服从能量最小原理.有效质量的意义:在经典牛顿第二定律中a=,式中f是外合力,是惯性质量.但半导体中电子在外力作用下,描述电子运动规律的方程中出现的是有效质量,而不是电子的惯性质量.这是因为外力f并不是电子受力的总和,半导体中的电子即使在没有外加电场作用时,它也要受到半导体内部原子及其它电子的势场作用.当电子在外力作用下运动时,它一方面受到外电场力f的作用,同时还和半导体内部原子,电子相互作用着,电子的加速度应该是半导体内部势场和外电场作用的综合效果.但是,要找出内部势场的具体形式并且求得加速度遇到一定的困难,引进有效质量后可使问题变得简单,直接把外力f和电子的加速度联系起来,而内部势场的作用则由有效质量加以概括.因此,引进有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用,使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动运动规律时,可以不涉及到半导体内部势场的作用.特别是可以直接由实验测定,因而可以很方便地解决电子的运动规律.在能带底部附近,E/d>0,电子的有效质量是正值;在能带顶附近,E/d<0,电子的有效质量是负值,这是因为概括了半导体内部的势场作用.有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比,对宽窄不同的各个能带,E(k)随k的变化情况不同,能带越窄,二次微商越小,有效质量越大.内层电子的能带窄,有效质量大;外层电子的能带宽,有效质量小.因而,外层电子,在外力的作用下可以获得较大的加速度.半导体中电子的准动量v=hk.◆课程难点:引入有效质量后,电子的运动可用牛顿第二定律描述,a=.注意,这是一个经典力学方程,f是外合力.半导体中的电子除了外力作用外,还受到半导体内部原子及其它电子势场力的作用,这种作用隐含在有效质量中,这就使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时,可以不涉及半导体内部势场的作用.◆基本概念:半导体中电子的准动量:经典意义上的动量是惯性质量与速度的乘积,即 v.根据讲义式(1-1)和式(1-6),对于自由电子v=hk,这是自由电子的真实动量,而在半导体中hk=v;有效质量与惯性质量有质的区别,前者隐含了晶格势场的作用(虽然有质量的量纲).因为v与v具有相同的形式,因此称v为准动量.◆基本要求:掌握有效质量的意义及计算公式,掌握速度的计算方法,正确理解半导体中电子的加速度与外力及有效质量的关系,正确理解准动量及其计算方法,准动量的变化量应为.§1.5 半导体的导电机构 ◆本节内容: 导电条件:有外加电压,有载流子 载流子产生的途径

导电机构(电子导电,空穴导电)◆课程重点: 满带中的电子不导电:电子可以在晶体中作共有化运动,但是,这些电子能否导电,还必须考虑电子填充能带的情况,不能只看单个电子的运动.研究发现,如果一个能带中所有的状态都被电子占满,那么,即使有外加电场,晶体中也没有电流,即满带电子不导电.只有虽包含电子但并未填满的能带才有一定的导电性,即不满的能带中的电子才可以导电.绝对温度为零时,纯净半导体的价带被价电子填满,导带是空的.在一定的温度下,价带顶部附近有少量电子被激发到导带底部附近,在外电场作用下,导带中电子便参与导电.因为这些电子在导带底部附近,所以,它们的有效质量是正的.同时,价带缺少了一些电子后也呈不满的状态,因而价带电子也表现出具有导电的特性,它们的导电作用常用空穴导电来描写.本征半导体的导电机构:对本征半导体,导带中出现多少电子,价带中就对应出现多少空穴,导带上电子参与导电,价带上空穴也参与导电,这就是本征半导体的导电机构.这一点是半导体同金属的最大差异,金属中只有电子一种荷载电流的粒子(称为载流子),而半导体中有电子和空穴两种载流子.正是由于这两种载流子的作用,使半导体表现出许多奇异的特性,可用来制造形形色色的器件.◆课程难点:价带电子导电通常用空穴导电来描述.实践证明,这样做是时分方便的.但是,如何理解空穴导电 设想价带中一个电子被激发到价带,此时价带为不满带,价带中电子便可导电.设电子电流密度密度为J,则 J=价带(k状态空出)电子总电流

可以用下述方法计算出J的值.设想以一个电子填充到空的k状态,这个电子的电流等于电子电荷-q乘以k状态电子的速度v(k),即 k状态电子电流=(-q)v(k)填入这个电子后,价带又被填满,总电流应为零,即 J+(-q)v(k)=0 因而得到 J=(+q)v(k)这就是说,当价带k状态空出时,价带电子的总电流,就如同一个正电荷的粒子以k状态电子速度v(k)运动时所产生的电流.因此,通常把价带中空着的状态看成是带正电的粒子,称为空穴.引进这样一个假象的粒子――空穴后,便可以很简便地描述价带(未填满)的电流.◆基本概念: 载流子:晶体中荷载电流(或传导电流)的粒子.金属中为电子,半导体中有两种载流子即电子和空穴.◆基本要求:掌握半导体的导电机构,正确理解空穴的导电机理.§1.6 回旋共振 ◆本节内容: k空间等能面 回旋共振

◆课程重点: 利用回旋共振实验测量有效质量.◆课程难点:回旋共振原理及条件.◆基本概念:回旋共振实验的目的是测量电子的有效质量,以便采用理论与实验相结合的方法推出半导体的能带结构.为能观测出明显的共振吸收峰,就要求样品纯度要高,而且实验一般在低温下进行,交变电磁场的频率在微波甚至在红外光的范围.实验中常是固定交变电磁场的频率,改变磁感应强度以观测吸收现象.磁感应强度约为零点几T.等能面的形状与有效质量密切相关,对于球形等能面,有效质量各向同性,即只有一个有效质量;对于椭球等能面,有效质量各向异性,即在不同的波矢方向对应不同的有效质量(可参考下节内容).◆基本要求:掌握等能面的研究方法:不同的半导体材料,其能带结构不同,而且往往是各向异性的,即沿不同的波矢方向,E～k关系不同.E～k关系可用等能面表示,因此要掌握等能面的研究方法.掌握回旋共振实验原理及实验条件.§1.7 硅和锗的能带结构 ◆本节内容: 硅和锗的导带结构 硅和锗的价带结构 ◆课程重点: 回旋共振的实验发现,硅,锗电子有效质量各向异性,说明其等能面各向异性.通过分析,硅有六个椭球等能面,分别分布在晶向的六个等效晶轴上,电子主要分布在这六个椭球的中心(极值)附近.仅从回旋共振的实验还不能决定导带极值(椭球中心)的确定位置.通过施主电子自旋共振实验得出,硅的导带极值位于方向的布里渊区边界的0.85倍处.n型锗的实验指出,锗的导电极小值位于方向的布里渊区边界上共有八个.极值附近等能面为沿方向旋转的八个椭球面,每个椭球面有半个在布里渊区,因此,在简约布里渊区共有四个椭球.硅和锗的价带结构:有三条价带,其中有两条价带的极值在k=0处重合,有两种空穴有效质量与之对应,分别为重空穴和轻空穴,还有第三个价带,其带顶比前两个价带降低了,对于硅,=0.04ev,对于锗=0.29ev,这条价带给出了第三种空穴.空穴重要分布在前两个价带.在价带顶附近,等能面接近平面.在硅,锗的能带图中指出导带底和价带顶的位置及禁带宽度.◆课程难点:对E(k)表达式和回旋共振实验有效质量表达式的处理.在k空间合理的选取坐标系,可是问题得到简化.如选取为能量零点,以为坐标原点,取，为三个直角坐标轴,分别与椭球主轴重合,并使轴沿椭球长轴方向(即沿方向),则等能面分别为绕轴旋转的旋转椭球面.E(k)表达式简化为E(k)=;如果,轴选取恰当,计算可简单,选取使磁感应强度B位于轴和轴所组成的平面内,且同轴交角,则在这个坐标系里,B的方向余弦，分别为=sin,=0,=cos ◆基本概念:横向有效质量沿椭球短轴方向,纵向有效质量沿椭球长轴方向.◆基本要求: 掌握硅,锗的能带结构,注意它们导带底和价带顶所处的位置.§1.8 化合物半导体的能带结构 ◆本节内容: 化合物半导体的种类 化合物半导体的共同特性 化合物半导体能带结构的一般特征 锑化铟的能带结构 砷化镓的能带结构 磷化镓和磷化铟的能带结构 混合晶体的能带结构

◆课程重点:砷化镓的能带结构:导带极小值位于布里渊区中心k=0处,等能面为球面,导带底电子有效质量为0.067.在方向布里渊区边界还有一个导带极小值,极值附近的曲线的曲率比较小,所以此处电子有效质量比较大,约为0.55,它的能量比布里渊区中心极小值的能量高0.29ev.正是由于这个能谷的存在,使砷化镓具有特殊的性能(见第四章).价带结构与硅,锗类似.室温下禁带宽度为1.424ev.◆课程难点:无

说明:半导体的禁带宽度随温度变化,有两种计算方法,即 和

均为经验公式.◆基本概念:直接带隙半导体是指导带极小值与价带极大值对应同一波矢;间接带隙半导体是指导带极小值与价带极大值对应不同的波矢.◆基本要求:掌握砷化镓的能带结构,了解化合物半导体能带结构的一般特征.第一章思考题与自测题: 1.原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同 原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同

2.晶体体积的大小对能级和能带有什么影响

3.描述半导体中电子运动为什么要引入“有效质量”的概念 用电子的惯性质量描述能带中电子运动有何局限性

4.一般来说,对应于高能级的能带较宽,而禁带较窄,是否如此 为什么

5.有效质量对能带的宽度有什么影响 有人说:“有效质量愈大,能量密度也愈大,因而能带愈窄.”是否如此 为什么

6.简述有效质量与能带结构的关系

7.对于自由电子,加速反向与外力作用反向一致,这个结论是否适用于布洛赫电子

8.从能带底到能带顶,晶体中电子的有效质量将如何变化 外场对电子的作用效果有什么不同

9.试述在周期性势场中运动的电子具有哪些一般属性

10.以硅的本征激发为例,说明半导体能带图的物理意义及其与硅晶格结构的联系 为什么电子从其价键上挣脱出来所需的最小能量就是半导体的禁带宽度

11.为什么半导体满带中的少量空状态可以用具有正电荷和一定质量的空穴来描述

12.有两块硅单晶,其中一块的重量是另一块重量的二倍.这两块晶体价带中的能级数是否相等 彼此有何联系

13.说明布里渊区和k空间等能面这两个物理概念的不同.14.为什么极值附近的等能面是球面的半导体,当改变存储反向时只能观察到一个共振吸收峰

第二章 半导体中杂质和缺陷能级（光4学时 微5学时）

引言: 理想半导体:1,原子严格地周期性排列,晶体具有完整的晶格结构.2,晶体中无杂质,无缺陷.3电子在周期场中作共有化运动,形成允带和禁带——电子能量只能处在允带中的能级上,禁带中无能级.由本征激发提供载流子

晶体具有完整的(完美的)晶格结构,无任何杂质和缺陷——本征半导体.(纯净半导体中,的位置和载流子的浓度只是由材料本身的本征性质决定的)实际材料中,1,总是有杂质,缺陷,使周期场破坏,在杂质或缺陷周围引起局部性的量子态——对应的能级常常处在禁带中,对半导体的性质起着决定性的影响.2,杂质电离提供载流子.§2.1 硅 锗晶体中的杂质能级 ◆本节内容: 晶体中杂质基本情况

1.1 杂质来源 1.2 人为掺杂的目的 1.3 掺杂的方法

1.4 杂质在晶体中的位置(替位和间隙)1.5 杂质浓度

硅,锗晶体中的施主杂质和受主杂质及其电离能 2.1 施主杂质及其电离能 2.2 受主杂质及其电离能

浅能级杂质电离能计算——类氢模型 3.1 施主杂质电离能计算 3.2 受主杂质电离能计算 杂质补偿作用 深能级杂质 5.1 深能级杂质特点

5.2深能级杂质产生多重能级的原因 5.3深能级杂质对半导体性能的影响 ◆课程重点: 在纯净的半导体中掺入一定的杂质,可以显著地控制半导体地导电性质.根据掺入杂质地分布位置可以分为替位式杂质和受主杂质.施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子,同时向导带提供电子,使半导体成为电子导电的n型半导体.受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子,同时向价带提供空穴,使半导体成为空穴导电的p型半导体.杂质元素掺入半导体后,由于在晶格势场中引入微扰,使能带极值附近出现分立的能级——杂质能级.V族元素在靠近导带底的禁带中引入施主能级,Ⅲ族元素在靠近价带顶的禁带中引入受主能级.类氢模型对浅能级的位置给出了比较满意的定量描述.经过修正后,施主杂质的电离能和轨道半径可以表示为: ，受主杂质的电离能可以表示为:

式中,为氢原子的基态电离能;为晶体的相对介电常数.施主杂质和受主杂质有相互抵消作用,通常称为“杂质补偿”.“杂质补偿”是制造各种半导体器件的基础.非Ⅲ,Ⅴ族杂质元素在半导体中也可能会产生能级或多能级.例如:金Au在硅中电离后产生两个能级,一个在价带上面0.35ev处的施主能级,它在P型硅中起主要作用.另一个在导带下面0.54ev处的受主能级,它在n型硅中起主要作用.6,深能级杂质和晶体缺陷形成的能级一般作为复合中心.◆课程难点:用类氢模型计算浅能级杂质的电离能;解释金在锗中产生多重能级的原因:金是Ⅰ族元素,中性金原子(记为)只有一个价电子,它取代锗晶格中的一个锗原子而位于晶格点上.金比锗少三个价电子,中性金原子的这一个价电子,可以电离而跃迁入导带,这一施主能级为,因此,电离能为().因为金的这个价电子被共价键所束缚,电离能很大,略小于锗的禁带宽度,所以,这个施主能级靠近价带顶.电离以后,中性金原子接受就称为带一个电子电荷的正电中心.但是,另一方面,中性金原子还可以和周围的四个锗原子形成共价键,在形成共价键时,它可以从价带接受三个电子,形成，三个受主能级.金原子接受第一个电子后变为,相应的受主能级为,其电离能为(-).接受第二个电子后,变为,相应的受主能级为,其电离能为(-).接受第三个电子后,变为,相应的受主能级为,其电离能为(-).上述的，分别表示成为带一个,两个,三个电子电荷的负电中心.由于电子间的库仑排斥作用,金从价带接受第二个电子所需要的电离能比接受第一个电子时的大,接受第三个电子时的电离能又比接受第二个电子时的大,所以,>>.离价带顶相对近一些,但是比Ⅲ族杂质引入的浅能级还是深得多,更深,就几乎靠近导带底了.于是金在锗中一共有，，五种荷电状态,相应地存在着，,四个孤立能级,它们都是深能级.以上的分析方法,也可以用来说明其它一些在硅,锗中形成深能级的杂质,基本上与实验情况相一致.◆基本概念: 施主杂质(n型杂质):杂质电离后能够施放电子而产生自由电子并形成正电中心的杂质——施主杂质.施主杂质电离能:杂质价电子挣脱杂质原子的束缚成为自由电子所需要的能量——杂质电离能,用表示.正电中心:施主电离后的正离子——正电中心

施主能级:施主电子被施主杂质束缚时的能量对应的能级称为施主能级.对于电离能小的施主杂质的施主能级位于禁带中导带底以下较小底距离.受主杂质:能够向(晶体)半导体提供空穴并形成负电中心底杂质——受主杂质 受主杂质电离能:空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需的能量.受主能级:空穴被受主杂质束缚时的能量状态对应的能级.浅能级杂质:电离能小的杂质称为浅能级杂质.所谓浅能级,是指施主能级靠近导带底,受主能级靠近价带顶.室温下,掺杂浓度不很高底情况下,浅能级杂质几乎可以可以全部电离.五价元素磷(P),锑()在硅,锗中是浅受主杂质,三价元素硼(B),铝(),镓(),铟()在硅,锗中为浅受主杂质.杂质补偿:半导体中存在施主杂质和受主杂质时,它们底共同作用会使载流子减少,这种作用称为杂质补偿.在制造半导体器件底过程中,通过采用杂质补偿底方法来改变半导体某个区域底导电类型或电阻率.高度补偿:若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者相等,则不能提供电子或空穴,这种情况称为杂质的高等补偿.这种材料容易被误认为高纯度半导体,实际上含杂质很多,性能很差,一般不能用来制造半导体器件.深能级杂质:杂质电离能大,施主能级远离导带底,受主能级远离价带顶.深能级杂质有三个基本特点:一是不容易电离,对载流子浓度影响不大;二是一般会产生多重能级,甚至既产生施主能级也产生受主能级.三是能起到复合中心作用,使少数载流子寿命降低(在第五章详细讨论).四是深能级杂质电离后以为带电中心,对载流子起散射作用,使载流子迁移率减少,导电性能下降.◆基本要求:掌握浅能级杂质和深能级杂质的基本特点和在半导体中起的作用,特别注意金在硅中既有施主能级又有受主能级,它是有效的复合中心.§2.2 化合物半导体中底杂质能级 ◆本节内容: 杂质在砷化镓中的存在形式

各类杂质在砷化镓,磷化镓中的杂质能级.◆课程重点:四族元素硅在砷化镓中的双性行为,即硅的浓度较低时主要起施主杂质作用,当硅的浓度较高时,一部分硅原子将起到受主杂质作用.这种双性行为可作如下解释:实验测得硅在砷化镓中引入一浅施主能级(-0.002)ev,硅应起施主作用,那么当硅杂质电离后,每一个硅原子向导带提供一个导电电子,导带中的电子浓度应随硅杂质浓度的增加而线性增加.但是实验表明,当硅杂质浓度上升到一定程度之后,导带电子浓度趋向饱和,好像施主杂质的有效浓度降低了.这种现象的出现,是因为在硅杂质浓度较高时,硅原子不仅取代镓原子起着受主杂质的作用,而且硅也取代了一部分V族砷原子而起着受主杂质的作用,因而对于取代Ⅲ族原子镓的硅施主杂质起到补偿作用,从而降低了有效施主杂质的浓度,电子浓度趋于饱和.可见,在这个粒子中,硅杂质的总效果是起施主作用,保持砷化镓为n型半导体.实验还表明,砷化镓单晶体中硅杂质浓度为时,取代镓原子的硅施主浓度与取代砷原子的硅受主浓度之比约为5.3:1.硅取代砷所产生的受主能级在()ev处.◆课程难点:无

◆基本概念:等电子陷阱和等离子杂质在某些化合物半导体中,例如磷化镓中掺入V族元素氮或铋,氮或铋将取代磷并在禁带中产生能级.这个能级称为等离子陷阱.这种效应称为等离子杂质效应.所谓等离子杂质是与基质晶体原子具有同数量价电子的杂质原子,它们替代了格点上的同族原子后,基本上仍是电中性的.但是由于原子序数不同,这些原子的共价半径和电负性有差别,因而它们能俘获某种载流子而成为带电中心.这个带电中心就称为等离子陷阱.是否周期表中同族元素均能形成等离子陷阱呢 只有当掺入原子与基质晶体原子在电负性,共价半径方面有较大差别时,才能形成等离子陷阱.一般说,同族元素原子序数越小,电负性越大,共价半径越小.等电子杂质电负性大于基质晶体原子的电负性时,取代后,它便能俘获电子成为负电中心.反之,它能俘获空穴成为正电中心.例如,氮的共价半径和电负性分别为0.070nm和3.0,磷的共价半径和电负性分别为0.110nm和2.1,氮取代磷后能俘获电子成为负电中心.这个俘获中心称为等离子陷阱.这个电子的电离能=0.008eV.铋的共价半径和负电性分别为0.146nm和1.9,铋取代磷后能俘获空穴,它的电离能是=0.038eV.◆基本要求:掌握等电子陷阱和等离子杂质的概念.能解释硅在砷化镓中的双性行为.§2.3 半导体中的缺陷能级(defect levels)◆本节内容: 点缺陷(热缺陷)point defects/thermaldefects 1.1 点缺陷的种类: 弗仑克耳缺陷:原子空位和间隙原子同时存在 肖特基缺陷:晶体中只有晶格原子空位 间隙原子缺陷:只有间隙原子而无原子空位 1.2 点缺陷(热缺陷)特点: 热缺陷的数目随温度升高而增加

热缺陷中以肖特基缺陷为主(即原子空位为主).原因:三种点缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小.(可参阅刘文明《半导体物理学》p70～p73,或叶良修《半导体物理学》p24和p94)淬火后可以“冻结”高温下形成的缺陷.退火后可以消除大部分缺陷.半导体器件生产工艺中,经高温加工(如扩散)后的晶片一般都需要进行退火处理.离子注入形成的缺陷也用退火来消除.1.3 点缺陷对半导体性质的影响: 缺陷处晶格畸变,周期性势场被破坏,致使在禁带中产生能级.热缺陷能级大多为深能级,在半导体中起复合中心作用,使非平衡载流子浓度和寿命降低.空位缺陷有利于杂质扩散

对载流子有散射作用,使载流子迁移率和寿命降低.位错(dislocation)2.1 位错形成原因

2.2 位错种类:刃位错(横位错)和螺位错 2.棱位错对半导体性能的影响: 位错线上的悬挂键可以接受电子变为负电中心,表现为受主;悬挂键上的一个电子也可以被释放出来而变为正电中心,此时表现为施主,即不饱和的悬挂键具有双性行为,可以起受主作用,也可以起施主作用.位错线处晶格变形,导致能带变形 位错线影响杂质分布均匀性

位错线若接受电子变成负电中心,对载流子有散射作用.(第四章)影响少子寿命,原因:一是能带变形,禁带宽度减小,有利于非平衡载流子复合;二是在禁带中产生深能级,促进载流子复合.(第五章)偏离化学比缺陷:离子晶体或化合物半导体,由于组成晶体的元素偏离正常化学比而形成的缺陷.◆课程重点:点缺陷和位错对半导体性能的影响(参阅本节内容).◆课程难点:无.◆基本要求:掌握点缺陷和位错缺陷对半导体性能的影响.第二章思考题与自测题: 1.说明杂质能级以及电离能的物理意义.为什么受主,施主能级分别位于价带之上或导带之下,而且电离能的数值较小

2.纯锗,硅中掺入Ⅲ族或Ⅴ族元素后,为什么使半导体电性能有很大的改变 杂质半导体(p型或n型)应用很广,但为什么我们很强调对半导体材料的提纯

3.把不同种类的施主杂质掺入同一种半导体材料中,杂质的电离能和轨道半径是否不同 把同一种杂质掺入到不同的半导体材料中(例如锗和硅),杂质的电离能和轨道半径又是否都相同

4.何谓深能级杂质 它们电离以后有说明特点

5.为什么金元素在锗或硅中电离后可以引入多个施主或受主能级

6.说明掺杂对半导体导电性能的影响.7.说明半导体中浅能级杂质和深能级杂质的作用有何不同

8.什么叫杂质补偿 什么叫高度补偿的半导体 杂质补偿有何实际应用

第三章 半导体中热平衡载流子的统计分布

引言: 本章的主要任务:计算本征半导体和杂质半导体的热平衡载流子浓度及费米能级的位置,讨论，与，的关系.热平衡和热平衡载流子:在一定温度下,如果没有其它外界作用半导体中的导电电子和空穴是依靠电子的热激发作用而产生的,电子从不断热震动的晶格中获得一定的能量,就可能从低能量的量子态跃迁到高能量的量子态,例如,电子从价带跃迁到导带(这就是本征激发),形成导电电子和价带空穴.电子和空穴也可以通过杂质电离方式产生,当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子;当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴等.与此同时,还存在着相反的过程,即电子也可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态,并向晶格放出一定能量,从而使导带中的电子和价带中的空穴不断减少,这一过程称为载流子的复合.在一定温度下,这两个相反的过程之间将建立起动态的平衡,称为热平衡状态.这时,半导体中的导电电子浓度和空穴浓度都保持一个稳定的数值,这种处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子.当温度改变时,破坏了原来的平衡状态,又重新建立起新的平衡状态,热平衡载流子的浓度也将发生变化,达到另一稳定数值.解决问题的思路:热平衡是一种动态平衡,载流子在各个能级之间跃迁,但它们在每个能级上出现的几率是不同的.要讨论热平衡载流子的统计分布,是首先要解决下述问题: ①回顾几率的概念及几率的运算法则

载流子在允许的量子态上的分布函数(几率函数)允许的量子态按能量如何分布——能量状态密度g(E)载流子在允许的量子态中如何分布 然后讨论，～，T的关系

§3.1 载流子的统计分布函数及能量状态密度(说明:本节内容对讲义§3.1和§3.2进行了整合)◆本节内容: 几率的基本运算法则(简要回顾加法和乘法)分布函数

2.1 Maxwell速率分布函数 2.2 Boltzmann能量分布函数

2.3 费米(Fermi)分布函数

能量状态密度 3.1 k空间的状态密度 3.2 导带和价带能量状态密度 ◆课程重点: 费米分布函数的意义:它表示能量为E的量子态被一个电子占据的几率,它是描写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;费米分布函数还给出空穴占据各能级的几率,一个能级要么被电子占据,否则就是空的,即被空穴占据, 与对称于 可以证明:

这对研究电子和空穴的分布很方便.费米分布函数与波耳兹曼分布函数的关系: 当时,电子的费米分布函数转化为波耳兹曼分布函数.因为对于热平衡系统和温度为定值,则,这就是通常见到的波耳兹曼分布函数.同理,当时 ,空穴的费米分布函数转化为空穴的波耳兹曼分布函数.在半导体中,最常遇到的情况是费米能级位于价带内,而且与导带底或价带顶的距离远大于,所以,对导带中的所有量子态来说,被电子占据的几率,一般都满足,故半导体电子中的电子分布可以用电子的波耳兹曼分布函数描写.由于随着能量E的增大,f(E)迅速减小,所以导带中绝大多数电子分布在导带底附近.同理,对半导体价带中的所有量子态来说,被空穴占据的几率,一般都满足,故价带中的空穴分布服从空穴的波耳兹曼分布函数.由于随着能量E的增大,迅速增大,所以价带中绝大多数空穴分布在价带顶附近.因而和是讨论半导体问题时常用的两个公式.通常把服从波耳兹曼统计率的电子系统称为非简并性系统.费米能级:称为费米能级或费米能量,它和温度,半导体材料的导电类型,杂质的含量以及能量零点的选取有关.是一个很重要的物理参数,只要知道了的数值,在一定温度下,电子在各量子态上的统计分布就完全确定.它可以由半导体中能带内所以量子态中被电子占据的量子态数应等于电子总数N这一条件来决定,即,将半导体中大量电子的集体看成一个热力学系统,由统计理论证明,费米能级是系统的化学势,即,代表系统的化学势,F式系统的自由能.上式的意义是:当系统处于热平衡状态,也不对外界做功的情况下,系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化,等于系统的化学势,所以处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级.一般可以认为,在温度不很高时,能量大于费米能级的电子态基本上没有被电子占据,而能量小于费米能级的几率在各温度下总是1/2,所以费米能级的位置比较直观的标志了电子占据量子态的状况,通常就说费米能级标志了电子填充能级的水平.费米能级位置越高,说明有较多的能量较高的电子态上有电子.了计算电子和空穴的浓度,必须对一个能带内的所有能量积分,而不只是对布里渊区体积积分,为此引入状态密度概念即单位能量间隔内的量子态数.其表达式为:.可以通过下述步骤计算状态密度:首先算出单位k空间中的量子态数,即k空间中的状态密度;然后算出k空间中与能量E到E+dE间所对应的k空间体积,并和k空间中的状态密度相乘,从而求得在能量E到E+dE间的量子态数dE;最后,根据前式,求得状态密度g(E).◆课程难点: 能量状态密度与k空间量子态的分布即等能面的形状有关.在k 空间量子态的分布是均匀的,量子态的密度为V(立方晶体的体积).如果计入自旋,每个量子态可以允许两个自旋相反的电子占据一个量子态.换言之,k空间每个量子态实际上代表自旋方向相反的两个量子态,所以,在k空间,电子允许的量子态密度为2V.注意:这时每个量子态最多容纳一个电子.这样,与费米分布函数的定义就统一起来了(费米分布函数是能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率).状态密度表达式的推导过程作为课堂讨论的课程重点内容之一.◆基本概念:费米分布函数,k空间状态密度和能量状态密度的概念.◆基本要求:掌握费米分布函数和玻耳兹曼分布函数及费米能级的意义.费米能级是一个参考能级,不是电子的真实能级,费米能级的位置标志了电子填充能级的水平.热平衡条件下费米能级为定值,费米能级的数值与温度,半导体材料的导电类型,杂质浓度及零点的选取有关,它是一个很重要的物理参数.要求学习好的同学能导出导带底能量状态密度的表达式.§3.2 导带电子浓度和价带空穴浓度 ◆本节内容: 导带电子浓度 价带空穴浓度 ◆课程重点: 导出导带电子浓度和带空穴浓度表达式

理解,掌握电子浓度,空穴浓度表达式的意义(见基本要求)◆课程难点:导出导带电子浓度的基本思路是:和计算状态密度是一样,认为能带中的能级是连续分布的,将能带分成一个个很小的能量间隔来处理.对导带分为无限多的无限小的能量间隔,则在能量到之间有个量子态,而电子占据能量为的量子态的几率是,则在到间有个被电子占据的量子态,因为每个被占据的量子态上有一个电子,所以在到间有个电子.然后把所有能量区间中的电子数相加,实际上是从导带底到导带顶对进行积分,就得到了能带中底电子总数,再除以半导体体积就得到了导带中的电子浓度.因为费米能级一般在禁带中,导带中的能级远高于费米能级,即当时,计算导带电子浓度可用玻耳兹曼分布函数.◆基本概念:电子浓度和空穴浓度的乘积与费米能级无关.对一定的半导体材料,乘积只决定于温度,与所含杂质无关.而在一定温度下,对不同的半导体材料,因禁带宽度不同,乘积也将不同.这个关系式不论是本征半导体还是杂质半导体,只要是热平衡状态下的非简并半导体,都普遍适用,在讨论许多许多实际问题时常常引用.对一定的半导体材料,在一定的温度下,乘积时一定的.换言之,当半导体处于热平衡状态时,载流子浓度的乘积保持恒定,如果电子浓度增加,空穴浓度就要减小;反之亦然.式和式是热平衡载流子浓度的普遍表示式.只要确定了费米能级,在一定温度时,半导体导带中电子浓度,价带中空穴浓度就可以计算出来.◆基本要求:掌握导带电子浓度和价带空穴浓度公式: 与分别是导带与价带底有效状态密度,相当于把导带中所有量子态都集中在导带底,而它的状态密度为;同理,相当于把价带中所有量子态都集中在价带顶,而它的状态密度为.上两式中的指数部分是具有玻耳兹曼分布函数形式的几率函数,前者是电子占据能量为的量子态几率,后者是空穴占据能量为的量子态的几率.则导带中的电子浓度是中电子占据的量子态数,价带空穴浓度是中有空穴占据的量子态数.§3.3 本征半导体的载流子浓度 ◆本节内容: 本征半导体费米能级 本征半导体的载流子浓度 热平衡条件

◆课程重点:利于电中性条件(所谓电中性条件,就是电中性的半导体,其负电数与正电荷相等.因为电子带负电,空穴带正电,所以对本征半导体,电中性条件是导带中的电子浓度应等于价带中的空穴浓度,即=,由此式可导出费米能级.)求解本征半导体的费米能级:本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体,在绝对零度时,价带中的全部量子态都被电子占据,而导带中的量子态全部空着,也就是说,半导体中共价键是饱和的,完整的.当半导体的温度大于零度时,就有电子从价带激发到导带中去,同时价带中产生空穴,这就是所谓的本征激发.由于电子和空穴成对产生,导带中的电子浓度应等于价带中的空穴浓度,即=.2本征载流子浓度与温度和价带宽度有关.温度升高时,本征载流子浓度迅速增加;不同的半导体材料,在同一温度下,禁带宽度越大,本征载流子浓度越大.3,一定温度下,任何非简并半导体的热平衡载流子的浓度的乘积对于该温度时的本征载流子的浓度的平方,即,与所含杂质无关.因此,它不仅适用于本征半导体材料,而且也适用于非简并的杂质半导体材料.4,的意义:可作为判断半导体材料的热平衡条件.热平衡条件下，均为常数,则也为常数,这时单位时间单位体积内产生的载流子数等于单位时间单位体积内复合掉的载流子数,也就是说产生率大于复合率.因此,此式可作为判断半导体材料是否达到热平衡的依据式.◆课程难点: 这是一个容易忽视的问题,即本征半导体中导带电子浓度等于价带空穴浓度,根据载流子的分布函数及费米年间的意义可知:本征半导体的费米能级应该位于导带底和价带顶之间的中间位置,即禁带中央处.只有这样,导带电子和价带空穴才能对称于费米能级,分布在导带和价带中,以满足=.但是由于导带有效状态密度()和价带有效状态密度()中分别含有电子状态浓度的有效质量()和价带空穴状态有效密度().由于两者数值上的差异,使本征半导体的费米能级偏离禁带中央.如果费米能级偏离禁带中很小,可以认为费米能级基本上位于禁带中央;如果和相差很大,本征半导体的费米能级就会偏离禁带中央很远.具体情况可用本征半导体费米能级表达式分析(参阅讲义式(3-30)即该式以下的说明).◆基本概念: 半导体材料制成的器件都有一定的极限工作温度,这个工作温度受本征载流子浓度制约:一般半导体器件中,载流子主要来源于杂质电离,而将本征激发忽略不计.在本征载流子浓度没有超过杂质电离所提供的载流子浓度的温度范围,如果杂质全部电离,载流子浓度是一定的,器件就能稳定工作.但是随着温度的升高,本征载流子浓度迅速地增加.例如在室温附近,纯硅的温度每升高8K左右,本征载流子的浓度就增加约一倍.而纯锗的温度每升高12K左右,本征载流子的浓度就增加约一倍.当温度足够高时,本征激发占主要地位,器件将不能正常工作.因此,每一种半导体材料制成的器件都有一定的极限工作温度,超过这一温度后,器件就失效了.例如,一般硅平面管采用室温电阻率为1·cm左右的原材料,它是由掺入的施主杂质锑而制成的.在保持载流子主要来源于杂质电离时,要求本征载流子浓度至少比杂质浓度低一个数量级,即不超过.如果也以本征载流子浓度不超过的话,对应温度为526K,所以硅器件的极限工作温度是520K左右.锗的禁带宽度比硅小,锗的器件工作温度比硅低,约为370K左右.砷化镓禁带宽度比硅大,极限工作温度可高达720K左右,适宜于制造大功率器件.总之,由于本征载流子浓度随温度的迅速变化,用本征材料制作的器件性能很不稳定,所以制造半导体器件一般都用含有适当杂质的半导体材料.◆基本要求: 能够写出本征半导体的电中性方程,并导出费米能级的表达式;熟悉半导体半导体载流子浓度与温度和禁带宽度的关系;了解通过测量不同温度下本征载流子浓度如何得到绝对零度时的禁带宽度;正确使用热平衡判断式.经常用到的数据最好要记住.例如,300 K时硅,锗,砷化镓的禁带宽度分别为1.12ev,0.67ev,1.428ev.本征载流子浓度分别为，均为实验值.§3.4 杂质半导体的载流子浓度 ◆本节内容: 杂质浓度上的电子和空穴 杂质半导体中的载流子浓度 ◆课程重点: 半导体杂质能级被电子占据的几率函数与费米分布函数不同:因为杂质能级和能带中的能级是有区别的,在能带中的能级可以容纳自旋下凡的两个电子;而施主能级只能或者被一个任意自旋方向的电子占据,或者不接受电子(空的)这两种情况中的一种,即施主能级不允许同时被自旋方向相反的两个电子所占据.所以不能用费米分布函数表示电子占据杂质能级的几率.分析杂质半导体掺杂浓度和温度对载流子浓度和费米能级的影响.掺有某种杂质的半导体的载流子浓度和费米能级由温度和杂质浓度所决定.对于杂质浓度一定的半导体,随着温度的升高,载流子则是从以杂质电离为主要来源过渡到以本征激发为主要来源的过程,相应地,费米能级则从位于杂质能级附近逐渐移近禁带中线处.譬如n型半导体,在低温弱电离区时,导带中的电子是从施主杂质电离产生的;随着温度升高,导带中的电子浓度也增加,而费米能级则从施主能级以上往下降到施主能级以下;当下降到以下若干时,施主杂质全部电离,导带中的电子浓度等于施主浓度,处于饱和区;再升高温度,杂质电离已经不能增加电子数,但本征激发产生的电子迅速增加着,半导体进入过渡区,这是导带中的电子由数量级相近的本征激发部分和杂质电离部分组成,而费米能级则继续下降;当温度再升高时,本征激发成为载流子的主要来源,载流子浓度急剧上升,而费米能级下降到禁带中线处这时就是典型的本征激发.对于p型半导体,作相似的讨论,在受主浓度一定时,随着温度升高,费米能级从在受主能级以下逐渐上升到禁带中线处,而载流子则从以受主电离为主要来源转化到以本征激发为主要来源.当温度一定时,费米能级的位置由杂质浓度所决定,例如n型半导体,随着施主浓度的增加,费米能级从禁带中线逐渐移向导带底方向.对于p型半导体,随着受主浓度的增加费米能级从禁带中线逐渐移向价带顶附近.这说明,在杂质半导体中,费米能级的位置不但反映了半导体导电类型,而且还反映了半导体的掺杂水平.对于n型半导体,费米能级位于禁带中线以上,越大,费米能级位置越高.对于p型半导体,费米能级位于中线以下,越大,费米能级位置越低.◆课程难点: 根据电中性方程导出各个温度区间的费米能级和载流子浓度表达式.杂质电离程度与温度,掺杂浓度及杂质电离能有关,温度高,电离能小,有利于杂质电离.但杂质浓度过高,则杂质不能充分电离.通常所说的室温下杂质全部电离,实际上忽略了杂质浓度的限制.◆基本概念: 多数载流子和少数载流子(多子和少子):半导体中载流子为电子和空穴,n型半导体以电子导电为主,电子浓度远大于空穴浓度,故称电子为n型半导体的多数载流子,简称多子,空穴为n型半导体的少数载流子,简称少子;对于p型半导体,空穴为多子,电子为少子.平衡少子浓度正比于本征载流子浓度的平方,对于n型半导体,由可得少子浓度,它强烈的依赖于温度的变化.◆基本要求: 能够写出只掺杂一种杂质的半导体的一般性电中性方程,若只有施主杂质时,为,若只有受主杂质时为本征激发可以忽略的情况下,例如室温区,电中性条件为;当温度较高,杂质全部电离,本征激发不能忽略时,电中性条件为,在这种情况下,应和联立,方可解出和.能够较熟练地计算室温下地载流子浓度和费米能级(n型和p型)在掺杂浓度一定地情况下,能够解释多子浓度随温度地变化关系.§3.5 一般情况下地载流子统计分布 ◆本节内容: 电中性方程的一般形式及费米能级 用解析法求解咋了浓度及费米能级 ◆课程重点: 一般情况下,半导体既含有施主杂质,又含有受主杂质,在热平衡状态下,电中性方程为,此式的意义是:同时含有一种施主杂质和一种受主杂质情况下,半导体单位体积内的负电荷数(导带电子浓度与电离受主浓度之和)等于单位体内的正电荷数(价带空穴浓度与电离施主浓度之和).施主浓度大于受主浓度情况下,分析载流子浓度和费米能级与温度的关系.◆课程难点: 在不同的温度区间分析载流子密度和费米能级与温度的关系温度区间的划分不是我们传统意义的以温度的数值范围来划分,而是通过相关参量的比较,把要讨论的整个温度范围划分为极低温区,低温区……本征激发区.注意两个电中性方程的适用条件:杂质全部电离,本征激发可以忽略,即时,电中性方程为,(原始方程为).杂质全部电离,本征激发不能忽略即掺杂浓度与的数值相近,或由于温度升高使数值增大而导致与相近时,电中性方程为(原始方程为,式中,).使用上述两个电中性方程时,关键要判断是否要考虑本征激发对电中性方程的影响.◆基本要求:掌握半导体同时含有施主杂质和受主杂质情况下电中性方程的一般表达式,能较熟练地分析和计算半导体的载流子浓度和费米能级.§3.6 简并半导体 Degenerate Semiconductor ◆本节内容: 1 简并半导体的载流子浓度 1.1导带电子浓度 1.2 价带空穴浓度 2 简并化条件 2.1 简并化条件

2.2 界简并情况下的杂质浓度 2.3 简并化温度范围

简并半导体杂质不能充分电离 杂质带导电 ◆课程重点: 简并半导体的载流子浓度:对于n型半导体,施主浓度很高,使费米能级接近或进入导带时,导带底附近底量子态基本上已被电子占据,导带中底电子书目很多,的条件不能成立,必须考虑泡利不相容原理的作用.这时,不能再用玻耳兹曼分布函数,必须用费米分布函数来分析导带中电子的分布问题.这种情况称为载流子的简并化.发生载流子简并化的半导体称为基本半导体,对于p型半导体,其费米能级接近价带顶或进入价带,也必须用费米分布函数来分析价带中空穴的分布问题.简并时的杂质浓度:对n型半导体,半导体发生简并时,掺杂浓度接近或大于导带底有效状态密度;对于杂质电离能小的杂质,则杂质浓度较小时就会发生简并.对于p型半导体,发生简并的受主浓度接近或大于价带顶有效状态密度,如果受主电离能较小,受主浓度较小时就会发生简并.对于不同种类的半导体,因导带底有效状态密度和价带顶有效密度各不相同.一般规律是有效状态密度小的材料,其发生简并的杂质浓度较小.◆课程难点:半导体发生简并对应一个温度范围:用图解的方法可以求出半导体发生简并时,对应一个温度范围.这个温度范围的大小与发生简并时的杂质浓度及杂质电离能有关:电离能一定时,杂质浓度越大,发生简并的温度范围越大;发生简并的杂质浓度一定时,杂质电离能越小,简并温度范围越大.◆基本概念: 简并半导体中杂质不能充分电离:通过分析计算,室温下,n型硅掺磷,发生简并的磷杂质浓度,经计算,电离施主浓度,因此硅中只有8.4%的杂质是电离的,故导带电子浓度.尽管只有8.4%的杂质电离,但掺杂浓度较大,所以电子浓度还是较大.简并半导体中杂质不能充分电离的原因:简并半导体电子浓度较高,费米能级较低掺杂时,远在施主能级之上,使杂质电离程度降低(参阅§3.4 杂质能级上的电子和空穴)杂质带导电:在非简并半导体中,杂质浓度不算很大,杂质原子间距离比较远,它们间的相互作用可以忽略.被杂质原子束缚的电子在原子之间没有共有化运动,因此在禁带中形成孤立的杂质能级.但是在重掺杂的简并半导体中,杂质浓度很高,杂质原子互相间很靠近,被杂质原子束缚的电子的波函数显著重叠,杂质电子就有可能在杂质原子之间产生共有化运动,从而使孤立的杂质能级扩展为能带,通常称为杂质能带.杂质能带中的杂质电子,可以通过杂质原子之间的共有化运动参加导电的现象称为杂质带导电.简并化条件:简并化条件是人们的一个约定,把与的相对位置作为区分简并化与非简并化的标准,一般约定: , 非简并 , 弱简并 , 简并

注意:学过本节之后,在做习题时,首先要判断题目中给出的半导体材料是否发生弱简并或简并.然后才能确定采用相应的有关公式进行解题.◆基本要求: 对简并化半导体有最基本的认识,其主要特点是掺杂浓度高,使费米能级接近或进入导带或价带.能够分析半导体是否发生简并化和计算简并化半导体的载流子浓度.了解简并化对能带的影响及简并半导体的基本应用:简并化半导体由于杂质带的产生会使禁带宽度变小;简并化半导体的基本应用之一是用来制造隧道二极管,p-n结两侧,n型材料的费米能级进入导带,p型材料的费米能级进入价带(可参阅第六章最后一节).第三章思考题与自测题: 1.半导体处于怎样的状态才能叫处于热平衡状态 其物理意义如何.2.什么叫统计分布函数 费米分布和玻耳兹曼分布的函数形式有何区别 在怎样的条件下前者可以过渡到后者 为什么半导体中载流子分布可以用玻耳兹曼分布描述

3.说明费米能级的物理意义.根据费米能级位置如何计算半导体中电子和空穴浓度 如何理解费米能级是掺杂类型和掺杂程度的标志

4.证明,在时,对费米能级取什么样的对称形式

5.在半导体计算中,经常应用这个条件把电子从费米能级统计过渡到玻耳兹曼统计,试说明这种过渡的物理意义.6.写出半导体的电中性方程.此方程在半导体中有何重要意义 7.若n型硅中掺入受主杂质,费米能级升高还是降低 若温度升高当本征激发起作用时,费米能级在什么位置 为什么

8.如何理解分布函数与状态密度的乘积再对能量积分即可求得电子浓度

9.为什么硅半导体器件比锗器件的工作温度高

10.当温度一定时,杂质半导体的费米能级主要由什么因素决定 试把强N,弱N型半导体与强P,弱P半导体的费米能级与本征半导体的费米能级比较.11.如果向半导体中重掺施主杂质,就你所知会出现一些什么效应

第四章 半导体的导电性(载流子的输运现象)引言: 本章主要讨论载流子的运动规律(载流子的输运现象),载流子在电场中的漂移运动,迁移率,电导率,散射机构及强电场效应.§4.1 载流子的漂移运动,迁移率 ◆本节内容: 1 半导体中载流子的运动形式 1.1 无规则运动(热运动)1.2 有规则运动(定向运动)2 载流子的漂移运动 2.1 欧姆定律的微分形式 2.2 载流子的迁移率 半导体中的电位差引起能带倾斜 ◆课程重点: 在半导体中,常遇到电流分布不均匀的情况,即流过不同截面的电流强度不相等.所以,通常用电流密度来描述半导体中的的电流.电流密度是指通过垂直于电流方向的单位面积的电流,根据熟知的欧姆定律可以得到电流密度.它把通过半导体中某一点的电流密度和该处的电导率及电场强度直接联系起来,称为欧姆定律的微分形式.漂移速度和迁移率:有外加电压时,导体内部的自由电子受到电场力的作用,沿着电场的反方向作定向运动构成电流.电子在电场力的作用下的这种运动称为漂移运动,定向运动的速度称为漂移速度.迁移率为单位场强下电子的平均漂移速度.因为电子带负电,所以电子的平均漂移速度的方向一般应和电场强度方向相反,但习惯上迁移率只取正值.◆课程难点:无 ◆基本概念: 半导体中的电流是电子电流和空穴电流的总和:一块均匀半导体,两端加以电压,在半导体内部就形成电场.因为电子带负电,空穴带正电,所以两者漂移运动的方向不同,电子反电场方向漂移,空穴沿电场方向漂移.但是,形成的电流都是沿着电场方向.因而,半导体中的导电作用应该是电子导电和空穴导电的总和.电子迁移率比空穴迁移率大:迁移率数值大小可表示载流子在电场作用下运动的难易程度,导电的电子是在导带中,它们是脱离了共价键可以在半导体中自由运动的电子;而导电的空穴是在禁带中,空穴电流实际上是代表了共价键上的电子在价键间运动时所产生的电流.显然,在相同的电场作用下,两者的平均漂移速度不会相同,而且,导带电子平均漂移速度要大些,就是说,电子迁移率与空穴迁移率不相等,前者要大些.◆基本要求:正确理解并会运用如下简单而又重要的基本公式: 一般半导体的总电流: 一般半导体的电导率: n型半导体(n>>p): p型半导体(p>>n): 本征半导体(n=p=):

§4.2 载流子的散射 ◆本节内容: 散射对载流子运动的影响 散射结构 2.1 电离杂质散射 2.2 晶格振动散射 2.3 等同的能谷间散射

2.4 其它散射机构(中性杂质散射,位错散射)◆课程重点: 电离杂质散射:施主杂质电离后是一个带正电的离子,受主杂质电离后是一个带负电的离子.在电离施主或受主周围形成一个库仑势场.这一库仑势场局部地破坏了杂质附近地周期性势场,它就是使载流子散射地附加势场.当载流子运动到电离杂质附近时,由于库仑势场地作用,就使载流子运动地方向发生改变.电离施主和电离受主对电子和空穴散射,它们在散射过程中的轨迹是以施主或受主为一个焦点的双曲线.常以散射几率P来描述散射地强弱,它代表单位时间内一个载流子受到散射的次数.具体的分析发现,浓度为的电离杂质对载流子的散射几率与温度的关系为:.晶格散射:晶格散射主要是长纵声学波和长纵光学波.长纵声学波传播时荷气体中的声波类似,会造成原子分布的疏密变化,产生体变,即疏处体积膨胀,密处压缩,如讲义图4-10(a)所示.在一个波长中,一半处于压缩状态,一半处于膨胀状态,这种体变表示原子间距的减小或增大.由第一章知道,禁带宽度随原子间距变化,疏处禁带宽度减小,密度增大,使能带结构发生波形起伏.禁带宽带的改变反映出导带底和价带顶的升高和降低,引起能带极值的改变.这时,同是处于导带底和价带顶的电子或空穴,在半导体的不同地点,其能量就有差别.所以,纵波引起的能带起伏,就其对载流子的作用讲,如同产生了一个附加势场,这一附加势场破坏了原来势场的严格周期性,就使电子从K状态散射到K状态.长纵光学波散射主要发生在离子晶体中.在离子晶体中,每个原胞内由正负两个离子,它们和纵声学波一样,形成疏密相间的区域.由于正负离子位移相反,所以,正离子的密区和负离子的疏区相合,正离子的疏区和负离子的密区相合,从而造成在一半个波长区域内带正电,另一半个波长区域内带负电,带正负电的区域将产生电场,对载流子增加了一个势场的作用,这个势场就是引起载流子散射的附加势场.◆课程难点:晶格散射主要是讨论格波与载流子的作用.格波的能量是离子化的,其能量单元称为声子,当格波能量减少一个能量子(能量单元),就称作放出一个声子;增加一个能量子就称吸收一个声子.声子的说法不仅生动地表示出格波能量的量子化特征,而且在分析晶格与物质作用时很方便.例如,电子在晶体中被格波散射便可以看作是电子与声子的碰撞.◆基本概念:散射几率:表示单位时间内一个载流子受到辐射的次数,其数值与散射机构有关.◆基本要求:熟悉电离杂质散射几率与电离杂质浓度和温度的关系,声学波和光学波几率与哪些因素有关.§4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系 ◆本节内容:平均自由时间和散射几率的关系 迁移率与平均自由时间和有效质量的关系 迁移率与杂质浓度和温度的关系 ◆课程重点:平均自由时间和散射几率的关系:载流子在电场中作漂移运动时,只有在连续两次散射之间的时间内才作加速运动,这段时间 称为自由时间.自由时间长短不一,若取极多次而求得其平均值则称为载流子的平均自由时间,它与散射几率互为倒数的关系.迁移率与平均自由时间和有效质量的关系:通过计算外电场作用下载流子的平均漂移速度,对于有效质量各向同性的电子和空穴,其迁移率分别为 和.对等能面为旋转椭球的多极值半导体,因为沿晶体的不同方向有效质量不同,所以迁移率与有效质量的关系稍复杂些.例如对于硅:

称为电导迁移率,其值由三个主轴方向的三个迁移率的线性组合,即, 称为电导有效质量,由下式决定:

迁移率与杂质浓度和温度的关系: 对掺杂的硅,锗半导体,主要散射结构是电离杂质散射和声学波散射.电离杂质散射特点是随温度升高,迁移率增大,随电离杂质增加迁移率减小;声学波散射特点是随温度升高迁移率下降.同时存在这两种散射机构时,就要考虑它们的共同作用对迁移率的影响.当掺杂浓度较低时,可以忽略电离杂质的影响.迁移率主要受晶格散射影响,即随温度升高迁移率下降;当掺杂浓度较高时,低温时晶格振动较弱,晶格振动散射比电离杂质散射作用弱,主要是电离杂质散射,所以随温度升高迁移率缓慢增大;当温度较高时,随温度升高,晶格振动加剧,晶格散射作用,所以高温时迁移率随温度升高而降低.◆课程难点:平均自由时间是统计平均值.迁移率与杂质浓度和温度的关系比较复杂,对硅,锗等原子半导体主要是电离杂质散射和晶格散射,抓住主要矛盾可对实验结果作出较好的解释(可参考课程重点中的第三条及讲义图4-13的解释).◆基本概念: 单位电场作用下载流子获得的平均漂移速度叫做漂移迁移率.在分析硅的六个能谷中的电子对电流的贡献时,又引入了电导迁移率,实质上它是漂移迁移率的线性组合,因此,电导迁移率仍具有漂移迁移率的意义.漂移迁移率可通过实验来测量.对于补偿材料,在杂质完全电离情况下,载流子浓度决定于两种杂质浓度之差,但迁移率决定于两种杂质浓度的总和.如果材料中掺有多种施主杂质和受主杂质,则迁移率决定于所有电离杂质浓度之和.总迁移率的倒数等于各散射机构迁移率的倒数之和.◆ 基本要求:掌握迁移率与杂质浓度和温度的关系;能正确地从讲义图4-13和图4-14查出迁移率.注意:上两图中杂质为材料所含各种杂质之和.对于掺杂浓度低于的材料,其室温时的迁移率可近似用本征材料(较纯材料)的迁移率表.能够熟练地计算不同导电类型材料的电导率.§4.4 电阻率及其与杂质浓度的关系 ◆本节内容: 电阻率与杂质浓度的关系 电阻率与温度的关系 ◆课程重点: 1.电阻率决定于载流子的浓度和迁移率,基本表示式如下: 当半导体中电子浓度远大于空穴浓度时, n型半导体,电子浓度远大于空穴浓度时, p型半导体,电子浓度远小于空穴浓度时, 本征半导体,电子浓度等于空穴浓度时, 2.电阻率与杂质浓度的关系.3.轻掺杂时(例如杂质浓度小于),室温下杂质全部电离,载流子浓度近似等于杂质浓度,而迁移率随杂质浓度地变化不大,与载流子浓度(即杂质浓度)的变化相比较,可以认为迁移率几乎为常数,所以随杂质浓度升高电阻率下降,若对电阻率表达式取对数,则电阻率和杂质浓度的关系是线性的.掺杂浓度较高时(杂质浓度大于),由于室温下杂质不能全部电离,简并半导体中电离程度下降更多,使载流子浓度小于杂质浓度;又由于杂质浓度较高时迁移率下降较大.这两个原因使电阻率随杂质浓度的升高而下降.本征半导体和杂质半导体的电阻率随温度的变化关系有很大不同:对纯半导体材料,电阻率主要是由本征载流子浓度决定.随温度上升而急剧增加,室温附近,温度每增加,硅的本征载流子浓度就增加一倍,因为迁移率只稍有下降,所以电阻率将相应的降低一半左右;对锗来说,温度每增加,本征载流子浓度增加一倍,电阻率降低一半.本征半导体电阻率随温度增加而单调地下降,这是本征半导体区别于金属的一个重要特征.对杂质半导体由杂质电离和本征激发两个因素存在,又有电离杂质散射和晶格散射两种散射机构的存在,因而电阻率随温度的变化关系要复杂些.一定杂质浓度的硅样品的电阻率和温度的关系曲线大致分为三个温度区段: 低温区段温度很低,本征激发可忽略,载流子主要由杂质电离提供,它随温度升高而增加;散射主要由杂质电离决定,迁移率也随温度升高而增大,所以,电阻率随温度升高而下降.电离饱和区段,温度继续升高(包括室温),杂质已全部电离,本征激发还不十分显著,载流子基本上不随温度变化,晶格振动散射上升为主要矛盾,迁移率随温度升高而降低,所以,电阻率随温度升高而增大.本征激发区段,温度继续升高,本征激发很快增加,大量本征载流子的产生远远超过迁移率的减小对电阻率的影响,这时,本征激发成为矛盾的主要方面,杂质半导体的电阻率将随温度的升高而急剧地下降,表现出同本征半导体相似的特性.◆课程难点:电阻率与载流子浓度和迁移率有关.在分析电阻率与温度的关系时,要注意载流子浓度和迁移率都与温度有关.在考虑载流子浓度对电阻率的影响时,温度对载流子浓度的影响可参考第三章图3-11.◆基本概念:可以用实验的方法测量半导体样品的电阻率,对于非补偿和轻补偿的材料,其电阻率可以反映出它的杂质浓度(基本上就是载流子浓度).对于高度补偿的材料,因为载流子浓度很小,电阻率很高,并无真正说明材料很纯,而是这种材料杂质很多,迁移率很小,不能用于制造器件.◆基本要求:掌握电阻率与杂质浓度的关系及电阻率与温度的关系,能熟练地计算不同导电类型半导体的电阻率,并注意杂质和温度这两个因素对电阻率的影响.讲义图4-15是锗,硅,砷化镓300K时电阻率与温度关系的实验曲线,适用于非补偿与轻度补偿的材料.§4.5(本节不作要求)§4.6 强电场效应,热载流子 ◆本节内容: 欧姆定律的偏离

平均漂移速度与电场强度的关系

◆课程重点:定向解释强电场下欧姆定律发生偏离的原因:主要可以从载流子与晶格振动散射时的能量交换过程来说明.在没有外加电场情况下,载流子和晶格散射时,强吸收声子或发射声子与晶格交换动量和能量,交换的净能量为零载流子的平均能量与晶格的相同,两者处于热平衡状态.有电场存在时,载流子从电场中获得能量,随后又以发射声子的形式将能量传给晶格,这时,平均的说,载流子发射的声子数多于 吸收的声子数.到达稳定状态时,单位时间载流子从电场中获得的能量同给予晶格的能量相同.但是,在强电场情况下,载流子从电场中获得的能量很多,载流子的平均能量比热平衡状态时的大,因而载流子和晶格系统不再处于热平衡状态.温度是平均动能的量度,既然载流子的能量大于晶格系统的能量,人们便引进载流子的有效温度来描述语晶格系统不处于热平衡状态的载流子,并称这种状态的载流子为热载流子.所以,在强电场情况下,载流子温度比晶格温度高,载流子的平均能量比晶格的大.热载流子与晶格散射时,由于热载流子能量高,速度大于热平衡状态下的速度,由看出,在平均自由程保持不变得情况下,平均自由时间减小,因而迁移率降低.当电场不是很强时,载流子主要和声学波散射,迁移率有所降低.当电场进一步增强,载流子能量高到可以和光学波声子能量相比时,散射时可以发射光学波声子,于是载流子获得的能量大部分又消失,因而平均漂移速度可以达到饱和.◆课程难点: 计算平均漂移速度与电场强度的关系:电场较弱时,平均漂移速度与电场强度成线性关系,即欧姆定律成立;当电场强度较大时,平均漂移速度按电场强度的二分之一次方增大,即开始便离欧姆定律;当电场强度再增大,使电子能量已高到和光学声子能量相比拟时,电子和晶格散射时便可以发射声学光子.稳态时,平均漂移速度与电场无关,达到饱和.◆基本概念: 热载流子:在强电场情况下,载流子从电场中获得的能量很多,载流子的平均能量比热平衡状态时的大,因而载流子和晶格系统不再处于热平衡状态.温度是平均动能的量度,既然载流子的能量大于晶格系统的能量,人们便引进载流子的有效温度来描述语晶格系统不处于热平衡状态的载流子,并称这种状态的载流子为热载流子.所以,在强电场情况下,载流子温度比晶格温度高,载流子的平均能量比晶格的大.,此式任何情况下均成立,形式上看,平均漂移速度与电场强度成正比,但是迁移率与场强有关.弱电场时迁移率为常数,强电场时迁移率不是常数,利用讲义图4-17可以求出不同场强下的迁移率.◆基本要求:能够定性解释强电场下欧姆定律的偏离原因.§4.7 耿氏效应,多能谷散射 ◆本节内容: 耿氏器件伏安特性和速场特性 n-GaAs负阻效应解释 ◆课程重点: 耿氏效应:n型砷化镓两端电极上加以电压.当电压高到某一值时,半导体电流便以很高频率振荡,这个效应称为耿氏效应.耿氏效应与半导体的能带结构有关:砷化镓导带最低能谷1位于布里渊区中心,在布里渊区边界L处还有一个能谷2,它比能谷1高出0.29ev.当温度不太高时,电场不太强时,导带电子大部分位于能谷1.能谷1曲率大,电子有效质量小.能谷2曲率小,电子有效质量大().由于能谷2有效质量大,所以能谷2的电子迁移率比能谷1的电子迁移率小,即.当电场很弱时,电子位于能谷1,平均漂移速度为.当电场很强时,电子从电场获得较大能量由能谷1 跃迁到能谷2,平均漂移速度为,由于,所以在速场特性上表现为不同的变化速率(实际上和是速场特性的两个斜率.即低电场时,高电场时).在迁移率由变化到的过程中经过一个负阻区.在负阻区,迁移率为负值.这一特性也称为负阻效应.其意义是随着电场强度增大而电流密度减小.◆课程难点:耿氏器件负阻效应解释可参阅《半导体物理学》§4.7中高场畴及耿氏振荡.◆基本概念: 尽区或耗尽层:半导体内某一区域内的载流子浓度比其他区域小很多或缺失载流子,就称该区域的载流子耗尽了,该区域称为耗尽区或耗尽层.例如,n型样品的某区域电子浓度比其他区域小很多很多或缺失电子,就称该区域为电子耗尽区或电子耗尽层.耗尽层这一概念在半导体物理及相关课程中出现频率较高.电荷:是指半导体中任一点附近的电荷,可以是正电荷,也可以是负电荷;正电荷可以是空穴,也可以是电离的施主杂质,负电荷可以是电子,也可以是电离的受主杂质.空间电荷密度是半导体中任一点附近单位体积中的静电荷数,或任一点附近单位体积中各种正负电荷的代数和(第三章§3.5)空间电荷层或空间电荷区:半导体中任一点附近存在空间电荷的区域称为空间电荷层或空间电荷区.◆基本要求:掌握产生耿氏效应(负阻效应)的基本原理及定性描述砷化镓能带结构的特点.第四章思考题与自测题

1.试从经典物理和量子理论分别说明散射的物理意义.2.比较并区别下述物理概念:电导迁移率,霍耳迁移率和漂移迁移率.3.什么是声子 它对半导体材料的电导起什么作用

4.强电场作用下,迁移率的数值与场强E有关,这时欧姆定律是否仍然正确 为什么

5.半导体的电阻系数是正的还是负的 为什么

6.有一块本征半导体样品,试描述用以增加其电导率的两个物理过程.7.如果有相同的电阻率的掺杂锗和硅半导体,问哪一个材料的少子浓度高 为什么

8.光学波散射和声学波散射的物理机构有何区别 各在什么样晶体中起主要作用

9.说明本征锗和硅中载流子迁移率温度增加如何变化

10.电导有效质量和状态密度有何区别 它们与电子的纵有效质量和横有效质量的关系如何

11.对于仅含一种杂质的锗样品,如果要确定载流子符号,浓度,迁移率和有效质量,应进行哪些测量

12.解释多能谷散射如何影响材料的导电性.13.为什么要引入热载流子概念 热载流子和普通载流子有何区别

第五章 非平衡载流子

§5.1 非平衡载流子的注入 ◆本节内容: 1 光注入非平衡载流子 2 电注入非平衡载流子 2.1 探针注入非平衡载流子 2.2 p-n结注入非平衡载流子 ◆课程重点: 非平衡载流子及其产生:处于热平衡状态的半导体,在一定温度下,载流子浓度时一定的.这种处于热平衡状态下的载流子浓度,称为平衡载流子浓度,前面各章讨论的都是平衡载流子.用和分别表示平衡电子浓度和空穴浓度,在非简并情况下,它们的乘积满足:.本征载流子浓度只是温度的函数.在非简并情况下,无论掺杂多少,平衡载流子浓度和必定满足,因而它也是非简并导体处于热平衡状态的判据式.半导体的热平衡状态是相对的,有条件的.如果对半导体施加外界作用,破坏了热平衡的条件,这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态,称为非平衡状态.处于非平衡状态的半导体,其载流子浓度也不再是和,可以比它们多出一部分.比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子,有时也称过剩载流子.在一定温度下,当没有光照时,半导体中电子和空穴浓度分别为和.假设是n型半导体,.当用适当波长的光照射该半导体时,只要光子的能量大于该半导体的禁带宽度,那么光子就能把价带电子激发到导带上去,产生电子-空穴对,使导带比平衡时多出一部分电子,价带比平衡时多出一部分空穴.和就是非平衡载流子浓度.这时把非平衡电子称为非平衡多数载流子,而把非平衡空穴称为非平衡少数载流子.对p型材料则相反.用光照使得半导体内部产生非平衡载流子的方法,称为非平衡载流子的光注入.光注入时.产生非平衡载流子的方法除光注入外,还可以用其他方法产生非平衡载流子,例如电注入或高能粒子辐照等.◆课程难点:小注入:在一般情况下,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.对n型材料，,满足这个条件的注入称为小注入.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,它的影响就显得十分重要了,而相对来说非平衡多数载流子的影响可以忽略.所以实际上往往是非平衡少数载流子起着重要作用,通常说的非平衡载流子都是指非平衡少数载流子.◆基本概念: 非平衡状态:当半导体受外界(光或电的)作用,热平衡状态被破坏,载流子浓度偏离热平衡载流子浓度.这种情况称为非平衡状态.要使光产生非平衡载流子,要求光子的能量大于或者等于半导体的禁带宽度.光产生非平衡载流子的特点是产生电子-空穴对,价带电子受光激发跃迁到导带,在价带留下空穴,因此产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度,即.光注入产生非平衡载流子,导致半导体电导率增加,即引起附加电导率(有的参考书称为光电导率):.◆基本要求:熟悉以下要点:光注入条件:光子能量大于或等于半导体的禁带宽度.光注入产生非平衡载流子的特点,;光注入使半导体产生附加电导率,同理:其它注入方式也产生附加电导率.光注入非平衡载流子的现象可通过实验来观测.§5.2 非平衡载流子的复合和寿命 ◆本节内容: 净复合率

非平衡载流子的衰减规律 非平衡载流子的寿命(少子寿命)◆课程重点: 非平衡载流子复合:以光注入为例,光照时,价带电子被光激发到导带,产生电子-空穴对.光照停止后,注入的非平衡载流子并不能一直存在下去,也就是原来激发到导带的电子又回到价带,电子和空穴又成对的消失了,使半导体由非平衡态恢复到平衡态.非平衡载流子逐渐消失这一过程称为非平衡载流子的复合.单位时间单位体积内净复合消失的电子-空穴对数称为非平衡载流子的净复合率.类似有:单位时间单位体积内复合消失的电子-空穴对数称为非平衡载流子的复合率;单位时间单位体积内产生的电子-空穴对数称为非平衡载流子的产生率.载流子的产生和复合在任何情况下都是存在的.在热平衡状态下也存在着产生与复合两个过程,只不过这个状态下载流子产生的原因是温度,相应的,描述这种产生过程用热产生率,即单位时间单位体积内热产生的电子-空穴对数称为热产生率,当热产生率等于复合率时,半导体就达到热平衡状态.如果复合率大于热产生率就存在净复合率.净复合率的数值等于复合率与热产生率之差(可参考顾祖毅《半导体物理学》第五章).可以证明净复合率为,这里为t时刻的非平衡载流子浓度,为非平衡载流子寿命.非平衡载流子寿命(少数载流子寿命,少子寿命,寿命):可以通过实验,观察光照停止后,非平衡载流子浓度随时间变化的规律.实验表明,光照停止后随时间按指数规律减少.这说明非平衡载流子并不是立刻全部消失,而是有一个过程即它们在导带和价带中有一定的生存时间,有的长些,有的短些.非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命,用表示.由于相对于非平衡多数载流子,非平衡少数载流子的影响处于主导的,决定的地位,因而非平衡载流子的寿命常称为少数载流子寿命.简称少子寿命或寿命.◆课程难点:证明净复合率为 ◆基本概念: 复合率:单位时间单位体积内复合消失的电子-空穴对数.净复合率:单位时间单位体积内净复合消失的电子-空穴对数.产生率:单位时间单位体积内产生的电子-空穴对数

热产生率:由温度引起单位时间单位体积内热产生的电子-空穴对数 非平衡载流子的寿命:非平衡载流子平均生存的时间.由于在半导体材料及各种半导体器件(包括半导体集成电路)中,相对于非平衡多数载流子,非平衡少数载流子起着十分重要的作用,因而非平衡载流子寿命常称为少数载流子寿命,简称为少子寿命或寿命.非平衡载流子在复合过程中按指数规律衰减,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.寿命是半导体材料的重要参数,它与材料的种类以及材料所含杂质和缺陷的数量等因素有关.◆基本要求:掌握上述基本概念.§5.3 准费米能级 ◆本节内容: 准费米能级的引入

准费米能级与费米能级的关系 ◆课程重点: 电子准费米能级和空穴准费米能级:当外界的影响破坏了热平衡,使半导体处于非平衡状态,就不再存在统一的费米能级,因为前面讲的费米能级和统计分布函数都是指的热平衡状态.事实上,电子系统的热平衡状态使通过热跃迁实现的.在一个能带范围内,热跃迁十分频繁,极短时间内就能导致一个能带内的热平衡.然而,电子在两个能带之间,例如导带和价带之间的热跃迁就稀少得多,因为中间还隔着禁带.当半导体得平衡态遭到破坏而存在非平衡载流子时,由于上述原因,可以认为,分别就价带和导带中得电子将,它们各自基本上处于平衡态,而导带和价带之间处于不平衡状态.因而费米能级和统计分布函数对导带和价带各自仍然是适用的,可以分别引入导带费米能级和价带费米能级,它们都是局部的费米能级,称为“准费米能级”.导带和价带间的不平衡就表现在它们的准费米能级是不重合的.导带的准费米能级也称电子准费米能级,相应地,价带地准费米能级称为空穴准费米能级,分别用和表示.非平衡载状态下地载流子浓度公式与平衡载流子浓度类似,只是用准费米能级代替费米能级在平衡载流子浓度公式中地位置.参见讲义式(5-9).◆课程难点:无

◆基本概念:准费米能级具有与费米能级类似地功能,即标准着载流子填充能带地水平.在非平衡状态状态下,若电子浓度比平衡状态时大,则电子准费米能级高于平衡状态时的费米能级,同理,如果空穴浓度比平衡状态时大,则空穴费米能级比平衡状态时的费米能级更接近价带顶.准费米能级偏离费米能级的大小,亦即反映了必定偏离热平衡状态的程度.它们偏离越大,说明不平衡情况越显著;两者靠得越近平衡态;两者重合时,形成统一的费米能级,半导体处于平衡态.因此引进准费米能级,可以更形象地了解非平衡态地情况.注意:小注入情况下,非平衡少数载流子的准费米能级偏离费米能级的距离越大,而非平衡多数载流子的准费米能级偏离费米能级的距离越小,在画非平衡能带图时应考虑它们的差异.◆基本要求:明确下列问题:为什么要引入准费米能级 准费米能级的意义是什么 对n型半导体或p型半导体,电子准费米能级和空穴准费米能级偏离费米能级的程度有什么不同 并用能带图表示出来.§5.4 复合理论 ◆本节内容: 复合机构:直接复合,间接复合,表面复合 直接复合理论与寿命 间接复合理论与寿命 ◆课程重点: 直接复合:半导体中的自由电子和空穴在运动中会有一定几率直接相遇而复合,使一对电子和空穴同时消失.从能带角度讲,就是导带中的电子直接落入价带和空穴复合.同时,还存在着上述过程的逆过程,即由于热激发等原因,价带中的电子也有一定几率跃迁到价带中去,产生一对电子和空穴.这种由电子在导带与价带间直接跃迁哦引起非平衡载流子的复合过程就是直接复合.直接复合寿命:小注入条件下,少子寿命.对于n型半导体,即,少子寿命为.这说明在小注入条件下,当温度和掺杂一定时,寿命是一个常数.寿命与平衡多数载流子浓度成反比,或者说,半导体电导率越高,寿命就越短.大注入情况下,直接复合寿命,可见,寿命随非平衡载流子浓度增大而减小,因而,在复合过程中,寿命不再是常数.一般地说,禁带宽带越小,直接复合的几率越大.所以,在锑化铟()和碲()等小禁带宽度的半导体中,直接复合占优势.实验发现,砷化镓的禁带宽度虽然比较大一些,但直接复合机构对寿命有着重要的影响,这和它的具体能带结构有关.砷化镓是直接带隙半导体.然而,把直接复合理论用于锗,硅参考,得到的寿命值比实验结果大的多.这说明对于硅,锗寿命还不是由直接复合过程所决定,一定有另外的复合机构起着主要作用,决定着材料的寿命,这就是间接复合.间接复合与寿命

深能级杂质和缺陷在禁带中形成深能级,对非平衡载流子寿命有很大影响.实验发现,这样的杂质和缺陷越多,寿命就越短.这说明杂质和缺陷有促进复合的作用.这些促进复合过程的杂质和缺陷称为复合中心.间接复合指的是非平衡载流子通过复合中心的复合.禁带中有了复合中心能级,就好像多了一个台阶,电子-空穴的复合可分为两步走:第一步,导带电子落入复合中心能级;第二步,这个电子再落入价带与空穴复合.复合中心恢复了原来空着的状态,又可以再去完成下一次的复合过程.显然,一定还存在上述两个过程的逆过程.所以,间接复合仍旧是一个统计性的过程.相对于复合中心而言,共有4个微观过程: 甲:俘获电子过程.复合中心能级从导带俘获电子,使导带电子减少.乙:发射电子过程.复合中心能级上的电子被激发到导带(甲的逆过程),使导带电子增加.丙:俘获空穴过程.电子由复合中心能级落入价带与空穴复合.也可看成复合中心能级从价带俘获了一个空穴,使价带空穴减少.丁:发射空穴过程.价带电子被激发到复合中心能级上.也可以看出复合中心能级从价带俘获了一个空穴,使价带空穴减少.根据上述四个过程的描述,在稳定条件下(稳定条件是指复合中心能级上电子数不再发生变化,既不增加也不减少),甲-乙=丙-丁,显然,等式左端表示单位时间单位体积内导带减少的电子数,等式右端表示单位时间单位体积内价带减少的空穴数.即导带每损失一个电子,同时价带也损失一个空穴,电子和空穴通过复合中心成对地复合.因而上式正是表示电子-空穴对的净复合率,用U表示:

用此式可以分析各种情况的间接复合寿命.表面复合及有效寿命

在此之前研究非平衡载流子的寿命时,只考虑了半导体内部的复合过程.实际上,少数载流子寿命在很大程度上受半导体样品的形状和表面状态的影响.例如,实验发现,经过吹砂处理或用金刚砂粗磨的样品,其寿命很短.而细磨后再经适当化学腐蚀的样品,寿命要长的多.实验还表明,对于同样的表面情况,样品越小,寿命越短.可见,半导体表面确实有促进复合的作用.表面复合是指在半导体表面发生的复合过程.表面处的杂质和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中心能级,因而,就复合机构讲,表面复合仍然是间接复合.所以,间接复合理论完全可以用来处理表面复合问题.考虑了表面复合,实际测得的寿命应是体内复合和表面复合的综合结果.设这两种复合是单独平行地发生的.用表示体内复合寿命,则就是体内复合几率.若用表示表面复合寿命,则就表示表面复合几率.那么总的复合几率就是:

式中称为有效寿命.◆课程难点: 在直接复合理论中用热平衡状态下的复合率代替非平衡状态下的产生率是一种很好的近似,原因如下:在一定温度下,价带中的每个电子都有一定的几率被激发到导带,从而形成一对电子和空穴.如果价带中本来就缺少一些电子,即存在一些空穴,当然产生率就会相应地减少一些.同样,如果导带中本来就有一些电子,也会使产生率相应地减少一些.因为根据泡里原理,价带中的电子不能激发到导带中已被电子占据地状态上去.但是,在非简并情况下,禁带中的空穴数相对于价带中的总状态是极起微小的.这样,可认为价带基本上是满的,而导带基本上是空的,激发几率不受载流子浓度n和p的影响.因而产生率在所有非简并情况下,即热平衡和非平衡情况下,基本上是相同的,可以写为.间接复合理论中四个微观过程的分析以及关于寿命的讨论.◆基本概念: 电子俘获率:单位体积单位时间被复合中心俘获的电子数 电子产生率:单位体积单位时间复合中心向导带发射的电子数 空穴俘获率:单位体积单位时间被复合中心俘获的空穴数 空穴产生率:单位体积单位时间空的复合中心向价带发射的空穴数

有效复合中心:深能级在禁带中的位置不同,对促进非平衡载流子,复合所起的作用也不同,分析表明,复合中心能级位于禁带中央附近时,对非平衡载流子的复合作用最大,因此,位于禁带中央附近的深能级称为有效复合中心.对于有效复合中心,其电子俘获系数与空穴俘获系数相差不大.表面复合率和表面复合速度:通常用表面复合速度来描写复合的快慢.把单位时间内通过单位表面积复合掉的电子-空穴对数,称为表面复合率.实验发现,表面复合率与表面处非平衡载流子浓度成正比,即

比例系数s表示表面复合的强弱,显然,它具有速度的量纲,因而称为表面复合速度.可以给它一个直观而形象的意义:由于表面复合而失去的非平衡载流子数目,就如同表面处的非平衡载流子都以s大小的垂直速度流出了表面.◆基本要求:掌握直接复合,间接复合,表面复合机理以及各种因素对非平衡载流子寿命的影响.掌握(如上所述的)基本概念,了解金在硅中起的作用.§5.5 陷阱效应 ◆本节内容: 陷阱效应

陷阱的复合中心理论 陷阱效应观测 ◆课程重点: 陷阱,陷阱中心,陷阱效应: 陷阱效应也是在有非平衡载流子的情况下发生的一种效应.当半导体处于热平衡状态时,无论是施主,受主,复合中心或是任何其它的杂质能级上,都具有一定数目的电子,它们由平衡时的费米能级及分布函数所决定.实际上能级中的电子是通过载流子的俘获和产生过程与载流子之间保持着平衡的.当半导体处于非平衡态,出现非平衡载流子时,这种平衡遭到破坏,必然引起杂质能级上电子数目的改变.如果电子增加,说明能级具有收容部分非平衡电子的作用;若是电子减少,则可以看成能级收容空穴的作用.从一般意义上讲,杂质能级的这种积累非平衡载流子的作用就称为陷阱效应.从这个角度看,所有杂质能级都有一定的陷阱效应.而实际上需要考虑的只是那些有显著积累非平衡载流子作用的杂质能级,例如,它所积累的非平衡载流子的数目可以与导带和价带中非平衡载流子数目相比拟.把有显著陷阱效应的杂质能级称为陷阱,而把相应的杂质和缺陷称为陷阱中心.利用间接复合理论对陷阱性质的讨论.◆课程难点:利用间接复合理论对陷阱性质的讨论:陷阱中心与复合中心的性质有很大不同,例如,对于有效复合中心,电子俘获系数与空穴俘获系数的数值相差不大,而有效陷阱中心两者相差很大.若,陷阱俘获电子后,很难俘获空穴,因为被俘获的电子往往在复合前(即落入价带前)又被激发重新释放回导带.即落入陷阱中心的电子很难与空穴复合.这样的陷阱就是电子陷阱.电子陷阱中的电子要和空穴复合,它必须重新激发到导带,再通过有效复合中心完成和空穴的复合.若,陷阱就是空穴陷阱.◆基本概念:通过对陷阱的讨论,可以得到如下几点: 电子陷阱,;空穴陷阱, 陷阱中心非平衡载流子远远超过导带和价带中的非平衡载流子时才有显著的陷阱效应.而且陷阱效应主要是对非平衡少数载流子,而对非平衡多数载流子的陷阱作用不显著.对电子陷阱而言,陷阱能级在费米能级之上,且越接近费米能级,陷阱效应越显著.◆基本要求:明晰陷阱作用;陷阱中心和复合中心的区别;能解释存在陷阱效应时附加光电导的衰减规律.§5.6 载流子的扩散运动 ◆本节内容: 扩散流密度与扩散系数 非平衡载流子扩散方程的建立 稳态扩散方程及其解 ◆课程重点: 扩散的概念: ① 扩散现象反映微观粒子在特定条件下的运动规律.分子,原子,电子等微观粒子均可在气体,液体,固体中产生扩散运动.② 产生扩散运动的原因(或动力)是各种因素造成的微观粒子的浓度梯度,微观粒子总是由浓度高的地方向浓度低的地方扩散.③ 扩散运动与微观粒子的热运动密切相关,使无规则运动有序化,产生定向运动.④ 扩散运动的快慢与微观粒子本身的性质及其所处的环境有关,例如:电子和空穴在硅和锗中的扩散系数各不相同.非平衡载流子的扩散与扩散密度: 对于一块均匀均匀掺杂的半导体,例如n型半导体,电离施主带正电,电子带负电,由于电中性的要求,各处电荷密度为零,所以载流子分布也是均匀的,即没有浓度差异,因而均匀材料中不会发生载流子的扩散运动.如果用适当波长的光均匀照射这块材料的一面,并且假定在半导体的表面层内,光大部分被吸收.那么在表面薄层内将产生非平衡载流子,而内部非平衡载流子却很少,即半导体表面非平衡载流子浓度比内部高,这必然会引起非平衡载流子自表面向内部扩散.下面具体分析注入的非平衡少数载流子——空穴的扩散运动.考虑一维情况,即假定非平衡载流子的浓度只随x变化,写成,那么在x方向, 浓度梯度= 通常把单位时间通过单位面积(垂至于x轴)的粒子数称为扩散流密度.实验发现,扩散流密度与非平衡载流子浓度梯度成正比.若用表示空穴扩散流密度,则有

比例系数称为空穴扩散系数,单位是,它反映了非平衡少数载流子扩散本领的大小.式中负号表示空穴自浓度高的地方向浓度低的地方扩散.上式描写了非平衡少数载流子空穴的扩散规律,称为扩散规律.一维稳态扩散:一种情况是样品足够厚,非平衡少数载流子从光照表面开始,向样品内部扩散过程中也伴随着复合,使非平衡少数载流子浓度按指数规律衰减.第二种情况是样品很薄,非平衡少数载流子来不及复合就扩散到另一表面,并在此表面突然降为零.在这种情况下,非平衡少数载流子在扩散方向上是线性分布.◆课程难点: 非平衡少数载流子一维非稳态扩散方程的建立,其基本思路:取一个很小的体积元,计算单位时间内该体积元内非平衡少数载流子的变化量可以导出所要求的非稳态扩散方程.在考虑非平衡少数载流子的变化量时,有四个因素: 因扩散,在单位时间内流入体积元的非平衡少数载流子,对于n型样品就是空穴,下同).因光照,在单位时间内体积元中产生的非平衡少数载流子 因扩散,在单位时间内流出体积元的非平衡少数载流子

因复合,在单位时间内体积元中消失掉的非平衡少数载流子.显然,上述四条中,前两条会使体积元中非平衡少数载流子的数量增加,而后两条会使体积元中非平衡少数载流子的数量减少.所以前两条之和减去后两条之和再除以体积元的体积,就得到单位时间.单位体积中非平衡载流子的改变量,由此可导出一维非稳态扩散方程,以n型样品中的空穴为例,所求方程可表示为:

式中G为产生率,为体积元在扩散方向的线度.方程中右端四项分别对应上述引起空穴改变量时四个因素.如果很小,以致可以取极限,经过数字处理,上式可写作:

该方程的意义,方程右端: 表示由于扩散,单位时间单位体积中积累的空穴数, 表示由于复合,单位时间单位体积中消失的空穴数, 表示由于光照,单位时间单位体积中产生的空穴数, 方程左端则表示了单位时间单位体积中净增加的空穴数.◆基本概念

扩散,扩散流密度,扩散定律,扩散长度,扩散速度,扩散电流密度,探针注入比平面注入扩散效率高.◆基本要求: 明晰基本概念;扩散方程是研究半导体非平衡载流子运动规律的重要方程,因此要掌握扩散方程及其应用;掌握扩散电流密度的计算方法.§5.7 载流子的漂移运动,爱因斯坦关系 ◆本节内容: 载流子的扩散与漂移 爱因斯坦关系

◆课程重点:爱因斯坦关系:通过对非平衡载流子的漂移运动和扩散运动的讨论,明显地看到,迁移率是反映载流子在电场作用下运动难易程度的物理量,而扩散系数反映存在浓度梯度时载流子运动的难易程度.爱因斯坦从理论上找到了扩散系数和迁移率之间的定量关系,即.◆课程难点:无

◆基本概念:爱因斯坦关系表面了非简并条件下载流子迁移率和扩散消失之间的关系.虽然爱因斯坦关系式是针对平衡载流子推导出来的,但实验证明,这个关系可直接用于非平衡载流子.这说明刚激发的载流子虽然具有平衡载流子不同的速度和能量,但由于晶格的作用,在比寿命短的多的时间内就取得了与温度相适应的速度分布,因此在复合前绝大部分时间中已和平衡载流子没有什么区别.◆基本要求:能导出爱因斯坦关系式并熟练应用.§5.8 连续性方程及其应用 ◆本节内容: 连续性方程 连续性方程的应用 ◆课程重点: 连续性方程是非平衡少数载流子同时存在扩散运动和漂移运动时所遵守的运动方程.一般情况下,非平衡载流子浓度不仅是位置x的函数,而且也随时间变化,以空穴为例,连续性方程的一般表达式为: 式中各项的意义,右端: 第一项为由于扩散运动,单位时间单位体积中积累的空穴数 第二,三项为由于漂移运动,单位时间单位体积中积累的空穴数 第四项为由于存在复合过程单位时间单位体积中复合消失的空穴数 第五项为由于某种因素单位时间单位体积中产生的空穴数(产生率)左端则为单位时间单位体积中空穴的改变量或者说单位体积中空穴随时间的变化率.连续性方程的应用:前面给出的连续性方式为一般表达式,在不同的条件下,具有不同的晶体形式,例如半导体中电场是均匀的,则含有电场偏导数的项应为零.因此,要根据具体情况,正确应用连续性方程.◆课程难点:少数载流子脉冲在电场下的漂移运动,通过解连续性方程并用来指导实验,可以测量载流子的迁移率.◆基本概念:牵引长度:载流子在电场作用下,在寿命时间内漂移的距离.要注意牵引长度与扩散长度的不同之处.◆基本要求:掌握基本概念,能较熟练地应用连续性方程解决具体问题.第五章思考题与自测题

1.区别半导体平衡状态和非平衡状态有何不同 什么叫非平衡载流子 什么叫非平衡载流子的稳定分布

2.掺杂,改变温度和光照激发均能改变半导体的电导率,它们之间有何区别 试从物理模型上予以说明.3.在平衡情况下,载流子有没有复合这种运动形式 为什么着重讨论非平衡载流子的复合运动

4.为什么不能用费米能级作为非平衡载流子浓度的标准而要引入准费米能级 费米能级和准费米能级有何区别

5.在稳定不变的光照下,半导体中电子和空穴浓度也是保持恒定不变的,但为什么说半导体处于非平衡状态

6.说明直接复合,间接复合的物理意义.7.区别:复合效应和陷阱效应,复合中心和陷阱中心,俘获和复合,俘获截面和俘获几率.第六章 p–n结

§6.1 p–n结及其能带图 ◆本节内容: 空间电荷区平衡p–n结地能带图 接触电势差 p–n结内载流子分布

◆课程重点:平衡p–n结的能带图:p型半导体和n型半导体形成p–n结,p区能带相对n区能带上移,而n区能带相对p区下移,直至费米能级处处相等时,能带才停止相对位移.能带相对位移的原因是p–n结空间电荷区中存在内建电场.内建电场地方向由n区指向p区,即n区电势高,p区电势低.因此p区电子的电势能比n区高,所以p区能带高于n区能带.◆课程难点:平衡p–n结中载流子的分布:在p–n结形成过程中,n区的电子向p区扩散,p区的空穴向n区扩散,并伴随着产生内建电场,当p–n结达到平衡时,即费米能级处处相等时,在势垒区,电子和空穴形成一定的分布,它们都比n区和p区的多数载流子浓度小的多,好像已经耗尽了,所以通常也称势垒区为耗尽层,即认为其中的载流子浓度很小,可以忽略,空间电荷密度就等于电离杂质浓度.◆基本概念: 空间电荷区和平衡p–n结: 当n型半导体和p型半导体结合形成p–n结时,由于它们之间杂着载流子浓度梯度导致了空穴从p区到n区,电子从n区到p区的扩散运动.对于p区,空穴离开后,留下了不可动的带负电荷的电离受主,这些电离受主,没有正电荷与之保持电中性.因此,在p–n结附近p区一侧出现了一个负电荷区.同理,在p–n结 附近n区一侧出现了由电离施主构成的一个正电荷区,通常就把杂p–n结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷.它们所存在的区域称为空间电荷区.空间电荷区中的这些电荷产生了从n区指向p区,即从正电荷指向负电荷的电场,称为内建电场.在内建电场作用下,载流子作漂移运动.显然,电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的快扩散运动方向相反.因此,内建电场起着阻碍电子和空穴继续扩散的作用.随着扩散运动的进行,空间电荷逐渐增多,空间电荷区也逐渐扩展;同时内建电场逐渐增强,载流子的漂移运动也逐渐加强.在无外加电压的情况下,载流子的扩散和漂移最终就达到动态平衡,即从n区向p区扩散过去多少电子,同时就将有同样的多电子在内建电场作用下返回n区.因而,电子的扩散电流和漂移电流的大小相等,方向相反或互相抵消.对于空穴,情况完全类似.因此,没有电流流过p–n结.或者说流过p–n结的净电流为零.这时空间电荷的数量一定,空间电荷区不再继续扩展,保持一定的宽度,其中存在一定的内建电场.一般称这种情况为热平衡状态下的p–n结,简称为平衡p–n结.势垒区:在p–n结的空间电荷区中能带发生弯曲,这是空间电荷区中电势能变化的结果.因能带弯曲,电子从势能低的n区向势能高的p区运动时,必须克服这一势能“高坡”,才能到达p区;同理,空穴也必须克服这一势能“高坡”,才能从p区到达n区,这一势能“高坡”通常称为p–n结的势垒,故空间电荷区也叫势垒区.◆基本要求:理解p–n结的形成原因,能够证明平衡p–n结中费米能级处处相等,能画出平衡p–n结载流子的分布图.§6.2 p–n结电流电压特性 ◆本节内容: 非平衡p–n结能带图 理解p–n结伏安特性

影响p–n结伏安特性偏离理想方程的因素 ◆课程重点: 1,非平衡p–n结的能带图:非平衡p–n结的能带图与平衡p–n结有两点不同,一是势垒高度由变为,二是非平衡p–n结不再具有统一的费米能级,即产生了电子准费米能级和空穴准费米能级.2,理想p–n结的伏安特性 理想p–n结条件: 小注入条件 即注入少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多;突变耗尽层条件 即外加电压和接触电势差都落在耗尽层上,耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成,耗尽层外的半导体是电中性的.因此,注入的少数载流子在p区和n区是纯扩散运动;通过耗尽层的电子和空穴电流为常量,不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用;玻耳兹曼边界条件 即在耗尽层两端,载流子分布满足玻耳兹曼统计分布.求解理想p–n结伏安特性方程的基本思路: 根据准费米能级计算势垒区边界及处注入的非平衡少数载流子浓度;以边界及处注入的非平衡少数载流子的分布;将非平衡少数载流子的浓度分布代入扩散方程,算出扩散密度后,再算出少数载流子的电流密度;将两种载流子的扩散电流密度相加,得到理想p–n结模型的电流电压方程式,即伏安特性方程为: 式中

理想p–n结电流电压方程式又称为肖克莱方程.◆课程难点:对影响p–n结电流电压特性偏离肖克莱方程的各种因素的分析:①势垒区产生的电流 p–n结处于热平衡状态时,势垒区内通过复合中心的载流子产生率等于复合率.当p–n结加反向偏压时,势垒区内的电场加强,所以再势垒区,由于热激发的作用,通过复合中心产生的电子空穴对来不及复合就被强电场驱走了,也就是说势垒区内通过复合中心的载流子产生率大于复合率,具有净产生率,从而形成另一部分反向电流,称为势垒区的产生电流.②势垒区的复合电流 再正向偏压下,从n区注入p区的电子和从p区注入n区的空穴,再势垒区内复合了一部分,构成了另一股正向电流,称为势垒区复合电流.③大注入情况下,外加电压的一部分降在空穴扩散区,它形成的电场产生空穴漂移电流.所以,在空穴扩散区同时存在扩散电流和漂移电流.◆基本概念: 在正向电压下p–n结势垒的变化:p–n结加正向偏压V(即p区结电源正极,n区结负极)时,因势垒区内载流子浓度很小,电阻很大,势垒区外的p区和n区中产生了与内建电场方向相反的电场,因而减弱了势垒区中的电场强度,这就表明空间电荷相应的减少.故势垒区的宽度也减小,同时势垒高度从下降为.势垒区电场减弱,破坏了载流子的扩散运动和漂移运动之间原有的平衡,削弱了漂移运动,使扩散流大于漂移流.所以在加正向偏压时,产生了的从n区向p区以及空穴从p区向n区的净扩散流.在反向电压下p–n结势垒的变化:当p–n结加反向偏压V时,反向偏压在势垒区产生的电场与内建电场方向一致,势垒区的电场增强,势垒区也变宽,势垒高度由增高为.势垒区电场增强,破坏了扩散运动的漂移运动之间的原有平衡,增强了漂移运动,使漂移流大于扩散流.在反向电压下,p–n结的电流较小并且趋于不变.◆基本要求:掌握非平衡p–n结能带图及其与平衡p–n结能带图的主要不同之处.掌握肖克莱方程.了解影响p–n结电流电压特性方程偏离肖克莱方程的方程的原因.§6.3 p–n结电容 ◆本节内容: p–n结电容的来源 1 垒电容 1,2 扩散电容 突变结势垒电容

2,1突变结势垒电场及其分布 2,2平衡突变结的势垒宽度 2,3平衡突变结的势垒电容

线性缓变结的接触电势差,势垒宽度,势垒电容 势垒电容公式应用 4,1用突变结势垒电容测, 4,2利用线性结势垒电容测杂质浓度梯度和 扩散电容 ◆课程重点: 势垒电容:当p–n结加正向偏压时,势垒区的电场随正向偏压的增加而减弱,势垒区的宽度变窄,空间电荷数量减少.因为空间电荷是由不能移动的杂质离子组成的,所以空间电荷的减少是由于n区的电子和p区的空穴过来中和了势垒区中一部分电离施主和电离受主.这就是说,在外加正向偏压增加时,将有一部分电子和空穴“存入”势垒区.反之当正向偏压减小时,势垒区的电场增强,势垒区宽度增加,空间电荷数量增多,这就是有一部分电子和空穴从势垒区中“取出”.对于加反向偏压的情况,可作类似分析.总之,p–n结上外加电压的变化,引起了电子和空穴在势垒区的“存入”和“取出”作用,导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化,这和一个电容器的充放电作用相似.这种p–n结的电容效应称为势垒电容,以表示.对于突变结为:

对于线性缓变结:

◆课程难点: 扩散电容:正向偏压时,有空穴从p区注入n区,于是在势垒区与n区边界n区一侧一个扩散长度内,便形成了非平衡空穴和电子的积累,同样在p区也有非平衡电子和空穴的积累.当正向偏压增加时,由p区注入到n区的空穴增加,注入的空穴一部分扩散走了,一部分则增加了n区的空穴积累,增加了浓度梯度.所以外加电压变化时,n区扩散区内积累的非平衡空穴也增加与它保持电中性的电子相应增加.同样,p区扩散区内积累的非平衡电子与它保持电中性的空穴也相应增加.这种由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应,称为p–n结的扩散电容.用符号表示:

扩散电容随频率增加而减小,所以上式只适用于低频情况.利用势垒电容可以测量， ◆基本概念: 因为半导体是电中性的,所以,势垒区内电离的受主总数与电离的施主总数相等,即势垒区内单位面积上的正负电荷数相等.单边突变结的势垒宽度主要在轻掺杂的一边,外加电压变化时,势垒区宽度的变化也主要发生在重掺杂一边.突变结和线性结势垒电容均可等效为平板电容器

◆基本要求:明晰p–n结电容的来源(即产生p–n结电容的原因),掌握基本概念,能够计算势垒高度,势垒宽度,能导出突变结电场分布,以及用突变结势垒电容公式,指导测量轻掺杂一边的杂质浓度和p–n结接触电势差.§6.4 p–n结击穿 ◆本节内容: 1,p–n结击穿现象 研究p–n结击穿的意义 击穿机理 3,1 雪崩击穿 3,2 隧道击穿 3,3 热电击穿 ◆课程重点: 雪崩击穿:在反向偏压下,流过p–n结的反向电流,主要是由p区扩散到势垒区中的电子电流和由n区扩散到势垒区中的空穴电流所组成.当反向偏压很大时,势垒区中的电场很强,在势垒区内的电子和空穴由于受到强电场的漂移作用,具有很大的动能,它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时,能把价键上的电子碰撞出来,成为导电电子,同时产生一个空穴.从能带观点来看,就是高能量的电子和空穴把满带中的电子激发到导带,产生了电子–空穴对.p–n结结势垒区中电子1碰撞出来一个电子2和一个空穴2,于是一个载流子变成了三个载流子.这三个载流子(电子和空穴)在强电场作用下,向相反的方向运动,还会继续发生碰撞,产生第三代的电子–空穴对.空穴1也如此产生第二代,第三代的载流子,如此继续下去,载流子就大量增加,这种繁殖载流子的方式称为载流子的倍增效应.由于倍增效应,使势垒区单位时间内产生大量载流子,迅速增大了反向电流,从而发生p–n结击穿.这就是雪崩击穿的机理.雪崩击穿除了与势垒区中电场强度有关外,还与势垒区的宽度有关,因为载流子动能的增加,需要有一个加速过程,如果势垒区很薄,即使电场很强,载流子在势垒区中加速达不到产生雪崩倍增效应所必须的动能,就不能hsh雪崩击穿.热电击穿:当p–n结上施加反向电压时,流过p–n结的反向电流要引起热损耗.反向电压逐渐增大时,对应于一定的反向电流所损耗的功率也增大,这将产生大量的热能.如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去,则将引起结温上升.反向饱和电流密度随温度按指数规律上升,其上升

第二篇：《半导体物理学》课程教学大纲

《半导体物理学》课程教学大纲

一、课程说明

（一）课程名称：《半导体物理学》

所属专业：物理学（电子材料和器件工程方向）

课程性质：专业课

学 分：4学分

（二）课程简介、目标与任务：

《半导体物理学》是物理学专业（电子材料和器件工程方向）本科生的一门必修课程。通过学习本课程，使学生掌握半导体物理学中的基本概念、基本理论和基本规律，培养学生分析和应用半导体各种物理效应解决实际问题的能力，同时为后继课程的学习奠定基础。

本课程的任务是从微观上解释发生在半导体中的宏观物理现象，研究并揭示微观机理；重点学习半导体中的电子状态及载流子的统计分布规律，学习半导体中载流子的输运理论及相关规律；学习载流子在输运过程中所发生的宏观物理现象；学习半导体的基本结构及其表面、界面问题。

（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接：

本课程的先修课程包括热力学与统计物理学、量子力学和固体物理学，学生应掌握这些先修课程中必要的知识。通过本课程的学习为后继《半导体器件》、《晶体管原理》等课程的学习奠定基础。

（四）教材与主要参考书：

［1］刘恩科，朱秉升，罗晋生.半导体物理学（第7版）［M］.北京：电子工业出版社.202_.［2］黄昆,谢希德.半导体物理学［M］.北京：科学出版社.202_.［3］叶良修.半导体物理学（第2版）［M］.上册.北京：高等教育出版社.202_.［4］S.M.Sze, Physics of Semiconductor Devices(2nd ed.), Wiley, New York, 202_.二、课程内容与安排

第一章 半导体中的电子状态

第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节

半导体的晶格结构和结合性质 半导体中的电子状态和能带

半导体中电子的运动 有效质量 本征半导体的导电机构 空穴 回旋共振

硅和锗的能带结构 第七节 第八节 第九节 第十节 III-V族化合物半导体的能带结构 II-VI族化合物半导体的能带结构 Si1-xGex合金的能带 宽禁带半导体材料

（一）教学方法与学时分配

课堂讲授，大约8-10学时。限于学时，第8-10节可不讲授，学生可自学。

（二）内容及基本要求

本章将先修课程《固体物理学》中所学的晶体结构、单电子近似和能带的知识应用到半导体中，要求深入理解并重点掌握半导体中的电子状态（导带、价带、禁带及其宽度）；掌握有效质量、空穴的概念以及硅和砷化镓的能带结构；了解回旋共振实验的目的、意义和原理。

本章的重点包括单电子近似，半导体的导带、价带、禁带及其宽度，有效质量，空穴，硅、砷化镓的能带结构。难点为能带论，硅、砷化镓能带结构，有效质量。第二章 半导体中杂质和缺陷能级

第一节 第二节 第三节 第四节 硅、锗晶体中的杂质能级 III-V族化合物中的杂质能级

氮化镓、氮化铝、氮化硅中的杂质能级 缺陷、位错能级

（一）教学方法与学时分配

课堂讲授，大约3-4学时。限于学时，第3节可不讲授，学生可自学。

（二）内容及基本要求

本章主要介绍在常见半导体的禁带中引入杂质和缺陷能级的实验观测结果。要求学生根据所引入的杂质能级情况，理解杂质的性质和作用，分清浅能级杂质和深能级杂质；重点掌握施主杂质和n型半导体、受主杂质和p型半导体的概念；掌握杂质电离、电离能、杂质补偿、杂质浓度的概念，了解缺陷、位错能级的特点和作用。

本章的重点包括施主杂质和施主能级，受主杂质和受主能级，浅能级杂质和深能级杂质，n型半导体和p型半导体，杂质补偿作用等。难点为杂质能级，杂质电离过程。第三章 半导体中载流子的统计分布

第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 状态密度

费米能级和载流子的统计分布 本征半导体的载流子浓度 杂质半导体的载流子浓度 一般情况下的载流子统计分布 简并半导体

电子占据杂质能级的概率

（一）教学方法与学时分配 课堂讲授，大约8-10学时。限于学时，第7节可不讲授，学生可自学。

（二）内容及基本要求

本章主要讨论半导体中载流子浓度随温度的变化规律，解决如何计算一定温度下半导体中热平衡载流子浓度的问题。通过本章的学习，要求掌握状态密度、费米分布和玻尔兹曼分布、费米能级、导带和价带有效状态密度的概念；重点掌握应用电中性条件和电中性方程，推导本征半导体的载流子浓度，计算在各种不同杂质浓度和温度下杂质半导体的的费米能级位置和载流子浓度；掌握非简并半导体和简并半导体的概念以及简并化条件。

本章重点包括波矢空间的量子态分布、半导体导带底、价带顶附近的状态密度计算，费米分布函数和玻耳兹曼分布函数及其物理意义，本征半导体、杂质半导体载流子浓度的计算。难点为半导体导带底、价带顶附近的状态密度计算，费米能级和载流子的统计分布，杂质半导体载流子浓度的计算。第四章 半导体的导电性

第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 载流子的漂移运动和迁移率 载流子的散射

迁移率与杂质浓度和温度的关系 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 玻耳兹曼方程、电导率的统计理论 强电场下的效应、热载流子 多能谷散射、耿氏效应

（一）教学方法与学时分配

课堂讲授，大约7-8学时。限于学时，第5节可不讲授，学生可自学。

（二）内容及基本要求

本章主要讨论载流子在外加电场作用下的漂移运动，讨论半导体的迁移率、电导率随温度和杂质浓度的变化规律。要求重点掌握迁移率的概念；掌握电离杂质散射、晶格振动散射的机理、散射几率与杂质浓度及温度的关系；掌握迁移率、电导率（电阻率）与杂质浓度及温度的关系；了解强电场效应以及砷化镓的负微分电导、耿氏效应。

本章重点包括电导率、迁移率概念及相互关系，迁移率、电阻率随温度和杂质浓度的变化规律，强电场效应。难点为载流子的散射机构，电导率与迁移率的关系，强电场效应。

第五章 非平衡载流子

第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节

非平衡载流子的注入与复合 非平衡载流子的寿命 准费米能级 复合理论 陷阱效应

载流子的扩散运动

载流子的漂移运动，爱因斯坦关系式 连续性方程式

硅的少数载流子寿命与扩散长度

（一）教学方法与学时分配

课堂讲授，大约10学时。限于学时，第9节可不讲授，学生可自学。

（二）内容及基本要求

本章主要讨论非平衡载流子的产生、复合及其运动规律。通过学习，要求掌握非平衡载流子的产生、寿命、复合及其复合机构，准费米能级，陷阱效应，载流子的漂移和扩散等概念；掌握非平衡载流子的复合理论；了解爱因斯坦关系；理解并灵活应用电流密度方程和连续性方程。

本章重点包括非平衡载流子的产生、复合，非平衡载流子寿命，载流子的扩散和漂移运动，连续性方程运用等。难点为复合理论，爱因斯坦关系，连续性方程的应用。第六章 pn结

第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 pn结及其能带图 pn结电流电压特性 pn结电容 pn结击穿 pn结隧道效应

（一）教学方法与学时分配

课堂讲授，大约6-7学时。

（二）内容及基本要求

本章主要讨论pn结的性质。通过学习要求掌握pn结的物理特性、能带结构以及接触电势差的计算；掌握I-V特性、结电容的推导；了解pn结的击穿机制和隧道效应。

本章重点包括空间电荷区，pn结接触电势差，载流子分布，I-V特性，结电容，击穿机制，隧道效应等。难点为I-V特性，结电容。第七章 金属和半导体的接触

第一节 金属半导体接触及其能级图 第二节 金属半导体接触整流理论 第三节 少数载流子的注入和欧姆接触

（一）教学方法与学时分配

课堂讲授，大约3-4学时。

（二）内容及基本要求

本章主要讨论金属半导体接触。通过本章学习，要求掌握理想和实际的金-半接触的能带图；对其电流传输理论的几种模型的建立、表达式的推导和应用有所了解；掌握实现良好欧姆接触和整流接触的原理和方法。

本章的重点包括金属和半导体接触的能带弯曲过程分析及简图画法。难点为金属和半导体接触的能带弯曲过程分析，热电子发射理论。第八章 半导体表面与MIS结构 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 表面态

表面电场效应

MIS结构的C-V特性 硅-二氧化硅系统的性质 表面电导及迁移率

表面电场对pn结特性的影响

（一）教学方法与学时分配

课堂讲授，大约4学时。限于学时，第5、6节可不讲授，学生可自学。

（二）内容及基本要求

本章主要讨论半导体的表面现象及其相关的理论，侧重于实际的半导体表面。通过学习，要求学生了解表面状态；掌握理想MIS结构的表面电场效应、电容电压特性；学会对实际MIS结构中出现的各种情况进行分析；掌握如何用C-V法来研究半导体的表面状况；了解Si-SiO2系统的性质。

本章的重点包括半导体表面电场效应，MIS结构的C-V特性。难点为Si-SiO2系统的性质。

第九章 半导体异质结构

第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 半导体异质结及其能带图

半导体异质pn结的电流电压特性及注入特性 半导体异质结量子阱结构及其电子能态与特性 半导体应变异质结构 GaN基半导体异质结构 半导体超晶格

（一）教学方法与学时分配

课堂讲授，大约5-6学时。限于学时，第4-5节可不讲授，学生可自学。

（二）内容及基本要求

本章主要讨论半导体异质结的能带结构、异质pn结的I-V特性与注入特性及各种半导体量子阱结构及其电子能态等。通过学习要求学生重点掌握各种理想异质结能带结构及其画法；了解异质pn结的I-V特性和注入特性；了解异质结几种电流传输模型和重要应用；了解异质结的调制掺杂、高迁移率特性、二维电子气、应变异质结、半导体量子阱和超晶格在现代半导体器件中的应用。

本章的重点是理想异质结能带结构及其画法，半导体量子阱和超晶格结构的特性及其在现代半导体器件中的应用。难点为异质结能带图的画法。第十章 半导体的光学性质和光电与发光现象

第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节

半导体的光学常数 半导体的光吸收 半导体的光电导

半导体的光生伏特效应 半导体发光 半导体激光

半导体异质结在光电子器件中的应用

（一）教学方法与学时分配

课堂讲授，大约7-8学时。限于学时，第6、7节可不讲授，学生可自学。

（二）内容及基本要求

本章主要讨论光和半导体相互作用的一般规律，重点讨论光的吸收、光电导和发光等效应。通过学习，要求学生重点掌握半导体的光吸收和光电导特性；掌握光生伏特效应和太阳电池、半导体发光和LED的机理及其应用；了解各种光敏器件和半导体激光器等。

本章的重点包括半导体的光吸收及发光现象，半导体光电导，光生伏特效应，半导体激光等。难点为光电导效应，电致发光机构。

第十一章 半导体的热电性质

第一节 热电效应的一般描述 第二节 半导体的温差电动势率 第三节 半导体的珀尔帖效应 第四节 半导体的汤姆逊效应 第五节 半导体的热导率 第六节 半导体热电效应的应用

（一）教学方法与学时分配

限于学时，本章可不讲授，学生可自学。

（二）内容及基本要求

本章主要讨论由温度梯度及电流同时存在时引起的现象，介绍产生这些现象的物理机理。通过学习，要求了解半导体的热电效应的种类、应用和物理机制；掌握半导体温差电动势率的计算和影响因素。

本章的重点包括塞贝克效应，珀尔帖效应，汤姆逊效应，开耳芬关系，温差电动势率和热导率。难点为温差电动势率。第十二章 半导体磁和压阻效应

第一节 霍耳效应 第二节 磁阻效应 第三节 磁光效应 第四节 量子化霍耳效应 第五节 热磁效应 第六节 光磁电效应 第七节 压阻效应

（一）教学方法与学时分配

课堂讲授，大约3学时。限于学时，第3-7节可不讲授，学生可自学。

（二）内容及基本要求

本章扼要讲述半导体在磁场中发生的各种效应以及对半导体施加压力时产生的压阻效应。通过学习，要求掌握半导体霍耳效应物理机制和应用；了解磁阻效应、磁光效应、量子化霍耳效应、热磁效应、光磁电效应、压阻效应等。

本章重点包括霍耳效应，磁阻效应，热磁效应，光磁电效应，压阻效应。难点为量子化霍耳效应。

第十三章 非晶态半导体

第一节 非晶态半导体的结构 第二节 非晶态半导体中的电子态

第三节 非晶态半导体中的缺陷、隙态与掺杂效应 第四节 非晶态半导体中的电学性质 第五节 非晶态半导体中的光学性质 第六节 a-Si:H的pn结与金-半接触特性

（一）教学方法与学时分配

限于学时，本章可不讲授，学生可自学。

（二）内容及基本要求

本章主要讨论非晶态半导体的基本特性。通过学习要求了解非晶态半导体的结构、电子态的特征，理解迁移率边、带隙态与掺杂效应的物理意义；掌握非晶态半导体光学、电学性质的特点以及应用。

本章的重点包括非晶态半导体的能带结构，迁移率边，带隙态与掺杂效应，非晶态半导体的导电机制和光电导，SW效应等。难点为非晶态半导体的迁移率边，带隙态与掺杂效应。

制定人：贺德衍

审定人： 批准人： 日 期：

第三篇：半导体物理学课程教学大纲

半导体物理学 课程教学大纲

一、课程说明

（一）课程名称、所属专业、课程性质、学分； 课程名称：半导体物理学 所属专业：微电子科学与工程 课程性质：专业基础课 学 分：4

（二）课程简介、目标与任务；

本课程是微电子科学与工程专业本科生必修的专业基础课。该课程的主要内容可分为三大部分。第1-5章是晶体半导体的基本知识和性质的阐述；第6-9章为半导体的接触现象；第10章介绍半导体的一些特殊效应。本课程的任务是揭示和研究半导体的微观机构，从微观的角度解释发生在半导体中的宏观物理现象。通过该课程的学习使学生熟练掌握半导体物理方面的基本概念、知识和理论及半导体物理的基本模型和分析方法，为进一步学习微电子科学的其他课程提供理论依据。此外，半导体物理学是半导体材料、半导体工艺、半导体器件及半导体集成电路等相关研究领域的专业基础课，是微电子学与固体电子学专业方向硕士、博士研究生入学考试必考科目。在微电子科学与工程专业教学中占有重要地位。

该课程的目的是使学生全面地了解和掌握半导体物理的基本知识和基本理论，重视理论与实践的结合，能够利用所学知识解决实际问题，为学生将来从事半导体物理方面的理论研究和相关后续课程的学习打好基础。

（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接； 先修课程：量子力学、固体物理、热力学统计物理

本课程的学习需要掌握量子力学、固体物理及热力学统计物理的基本物理概念、模型及理论。需要了解微观物质的基本运动规律、固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态、相互关系以及统计物理的基本概念。这几门课程分别为本课程的学习提供最基本的理论支持。同时半导体物理学也是后续相关课程如：半导体材 料、半导体工艺、器件及集成电路等课程的基本理论基础。

（四）教材与主要参考书。

教材：

刘恩科、朱秉升、罗晋生编，《半导体物理学》，电子工业出版社，202_，第七版。主要参考书：

1.钱佑华、徐至中，《半导体物理学》，高等教育出版社，1999，第一版

2.Semiconductor Physics and Devices Basic Principle(3rd Edition)，Donald A.Neamen, McGraw-Hill Co.202_(清华大学出版社 影印版，202_.12)《半导体物理与器件》》(第三版)国外电子与通信教材系列作者：A.Neamen，电子工业出版社，202_。

二、课程内容与安排

第一章 半导体中的电子状态 第一节 半导体的晶格结构和结合性质 第二节 半导体中的电子状态和能带 第三节 半导体中的电子的运动、有效质量 第四节 本征半导体的导电机构、空穴 第五节 回旋共振 第六节 硅和锗的能带结构

第七节 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构 第二章 半导体中的杂质和缺陷能级 第一节 硅、锗晶体中的杂质能级 第二节 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级 第三节 缺陷、位错能级

第三章 半导体中载流子的统计分布 第一节 状态密度

第二节 费米能级和载流子的统计分布 第三节 本征半导体的载流子浓度 第四节 杂质半导体的载流子浓度 第五节 一般情况下的载流子统计分布 第六节 简并半导体 第四章 半导体的导电性

第一节 载流子的漂移运动 和迁移率

(美)Donald

第二节 载流子的散射

第三节 迁移率及其杂质浓度及温度的关系 第四节 电阻率及其杂质浓度和温度的关系 第五节 强电场下的效应、热载流子 第六节 多能谷散射、耿氏效应 第五章 非平衡载流子

第一节 非平衡载流子的注入与复合 第二节 非平衡载流子的寿命 第三节 第四节 第五节 第六节 第八节 第九节 第六章 第一节 p-n第二节 p-n第三节 p-n第四节 p-n第五节 p-n第七章 第一节 第二节 第三节 第八章 第一节 第二节 第三节 MIS第四节 第五节 第九章 第一节 准费米能级 复合理论 陷阱效应

非平衡载流子的扩散运动 连续性方程

硅的少数载流子寿命与扩散长度 p-n结 结及其能带 结电压电流特性 结电容 结击穿 结隧道效应 金属和半导体接触 金属半导体接触及其能级图 金属半导体接触整流理论 少数载流子的注入和欧姆接触 半导体表面与MIS结构 表面态 表面电场效应

（MOS）结构的电容-电压特性 硅-二氧化硅系统的性质 表面电导及迁移率 半导体异质结构 半导体异质结及其能带图 第二节 半导体异质pn结的电流电压特性及注入特性 第三节 半导体异质结量子阱结构及其电子能态与特性 第四节 半导体超晶格 第十章 半导体霍尔效应 第一节 一种载流子的霍尔效应 第二节 两种载流子的霍尔效应 第三节 霍尔效应的应用

（一）教学方法与学时分配

1、教学方法：（1）课堂教学

采用传统板书与多媒体课件相结合的课堂教学方法。对重点、难点部分等，尽可能采用黑板书写，而对于一般性的文字叙述和图片资料，则采用多媒体教学。课后布置一定数量的习题，让学生加深理解，巩固所学的核心知识点。作业批改量达到100%。对作业中出现的错误明确指出存在的主要问题，共性问题则在答疑时集中讲解。组织若干次习题课，让学生全面系统地加深和巩固本课程的知识体系。

（2）课后答疑

每学期安排若干次答疑，及时了解学生的学习情况和对关键知识的掌握程度。

2、学时分配：

第一章 半导体中的电子状态（共8学时）第二章 半导体中的杂质和缺陷能级（共4学时）第三章 半导体中载流子的统计分布（共8学时）第四章 半导体的导电性（共8学时）第五章 非平衡载流子（共10学时）第六章 p-n结（共8学时）

第七章 金属和半导体接触（共8学时）第八章 半导体表面与MIS结构（共8学时）第九章 半导体异质结构（共6学时）第十章 半导体霍尔效应（共4学时）

（二）内容及基本要求

主要内容：该课程主要介绍半导体材料和器件的重要物理现象，阐述半导体物理的理论及有关物理量的实验方法。具体包括：硅、锗、砷化镓等晶体结构和电子状态，杂质和缺陷能级及半导体能带，载流子的统计分布、散射级电导，非平衡载流子的产生、复合及其运动规律，半导体导电性质及霍尔效应，半导体pn结及特性，金属-半导体接触的整流理论和欧姆接触，表面理论及MIS结构、异质结及半导体霍尔效应。

基本要求：通过本课程的教学，让学生掌握能带理论和半导体物理的基本概念；使学生从微观角度了解半导体中载流子的能量状态、统计分布规律和散射及电导规律；了解半导体中非平衡载流子的产生、复合、漂移和扩散等运动规律；了解掺杂和缺陷在半导体物理中的重要作用；了解半导体的特性、半导体内部载流子的基本运动规律；了解半导体的基本物理效应。

【重点掌握】：硅、锗、砷化镓等晶体结构、半导体中的电子运动、有效质量、空穴的概念；施主、受主杂质及能级等概念；浅能级、深能级杂质；杂质补偿作用与缺陷及半导体能带；波矢空间的量子态分布、半导体导带底、价带顶附近的状态密度计算；费米分布函数和玻耳兹曼分布函数及其物理意义；本征半导体、杂质半导体载流子浓度的计算；载流子统计分布、电导率、迁移率概念和相互关系及其随温度和杂质浓度的变化规律；非平衡载流子的寿命、产生、复合、扩散等运动规律；载流子的扩散和漂移运动；pn结物理特性、能带图及接触电势差的计算、载流子分布、电流电压特性、结电容、击穿机制、隧道效应；金属-半导体接触的整流理论和欧姆接触；半导体表面电场效应、MIS结构的电容-电压特性；异质结等物理现象、基本理论和及其分析方法；各种理想异质结能带图的画法；半导体霍尔效应。

【掌握】：主要半导体材料的能带结构；浅杂质能级（施主和受主）和深能级杂质的性质和作用；各种不同杂质浓度和温下的费米能级位置和载流子浓度；主要散射机构的机理、散射几率与杂质浓度及温度的关系；金属-半导体接触的能带弯曲过程分析及简图画法；电流传输理论的几种模型建立、应用和推导；掌握实现良好欧姆接触和整流接触的原理和方法；异质结几种电流传输模型和重要应用；霍耳系数的测定。

【了解】：半导体中的电子状态；回旋共振实验的目的、意义和原理。了解缺陷、位错能级的特点和作用。电流密度方程和连续性方程；实际MIS结构中出现的各种情况，并与理想C-V特性相比较，了解如何用C-V法来了解半导体的表面状况，Si-SiO2系统的性质。了解异质结几种电流传输模型和重要应用。

【一般了解】：半导体在强电场下的效应及耿氏效应，半导体超晶格材料。【难点】：能带论的定性描述和理解；锗、硅、砷化镓能带结构；杂质能级；杂质电离的过程；半导体导带底，价带顶附近的状态密度计算；费米能级和载流子的统计 分布；杂质半导体载流子浓度的计算；载流子的散射机构；电导率与迁移率的关系；强电场效应；复合理论；爱因斯坦关系；连续性方程的应用；电流电压特性、结电容；金属-半导体接触的能带弯曲过程分析；Si-SiO2系统的性质；异质结能带图的画法。（重点掌握、掌握、了解、一般了解四个层次可根据教学内容和对学生的具体要求适当减少，但不得少于两个层次）

制定人：李亚丽

审定人： 批准人： 日 期：

第四篇：半导体材料课程教学大纲

半导体材料 课程教学大纲

一、课程说明

（一）课程名称：半导体材料

所属专业：微电子科学与工程

课程性质：专业限选

学 分： 3

（二）课程简介：本课程重点介绍第一代和第二代半导体材料硅、锗、砷化镓等的制备基本原理、制备工艺和材料特性，介绍第三代半导体材料氮化镓、碳化硅及其他半导体材料的性质及制备方法。

目标与任务：使学生掌握主要半导体材料的性质以及制备方法，了解半导体材料最新发展情况、为将来从事半导体材料科学、半导体器件制备等打下基础。

（三）先修课程要求：《固体物理学》、《半导体物理学》、《热力学统计物理》；

本课程中介绍半导体材料性质方面需要《固体物理学》、《半导体物理学》中晶体结构、能带理论等章节作为基础。同时介绍材料生长方面知识时需要《热力学统计物理》中关于自由能等方面的知识。

（四）教材：杨树人《半导体材料》

主要参考书：褚君浩、张玉龙《半导体材料技术》

陆大成《金属有机化合物气相外延基础及应用》

二、课程内容与安排

第一章 半导体材料概述 第一节 半导体材料发展历程 第二节 半导体材料分类 第三节 半导体材料制备方法综述 第二章 硅和锗的制备 第一节 硅和锗的物理化学性质 第二节 高纯硅的制备 第三节 锗的富集与提纯 第三章

区熔提纯

第一节 分凝现象与分凝系数

第二节

区熔原理 第三节

锗的区熔提纯 第四章

晶体生长

第一节 晶体生长理论基础

第二节 熔体的晶体生长

第三节 硅、锗单晶生长

第五章

硅、锗晶体中的杂质和缺陷

第一节 硅、锗晶体中杂质的性质

第二节 硅、锗晶体的掺杂

第三节 硅、锗单晶的位错

第四节 硅单晶中的微缺陷

第六章

硅外延生长

第一节 硅的气相外延生长

第二节 硅外延生长的缺陷及电阻率控制

第三节 硅的异质外延

第七章

化合物半导体的外延生长

第一节 气相外延生长（VPE）

第二节 金属有机物化学气相外延生长（MOCVD）

第三节 分子束外延生长（MBE）

第四节 其他外延生长技术

第八章

化合物半导体材料

（一）：第二代半导体材料

第一节 GaAs、InP等III-V族化合物半导体材料的特性

第二节 GaAs单晶的制备及应用

第三节 GaAs单晶中杂质控制及掺杂

第四节 InP、GaP等的制备及应用

第九章

化合物半导体材料

（二）：第三代半导体材料

第一节 氮化物半导体材料特性及应用

第二节 氮化物半导体材料的外延生长 第三节 碳化硅材料的特性及应用

第十章

其他半导体材料 第一节 半导体金刚石的制备及应用 第二节 低维半导体材料及应用

第三节 有机半导体材料

（一）教学方法与学时分配

按照教材中的内容，通过板书和ppt进行讲解。并进行课后辅导与答疑。以学生掌握主要半导体材料制备为主，辅助半导体物理和器件知识，使学生了解材料的用途，激发学生的学习兴趣。为将来工作和科研打好基础。

课时分配如下：第一章（2学时）、第二章（4学时）、第三章（8学时）、第四章（8学时）、第五章（6学时）、第六章（6学时）、第七章（6学时）、第八章（6学时）、第九章（4学时）、第十章（4学时）

主要内容：

【重点掌握】：区熔原理、晶体生长基本原理、Si、Ge单晶制备、Si外延制备、Si、Ge材料掺杂与控制。

【掌握】：VPE、MBE、MOCVD等外延方法、晶体中的缺陷、缺陷控制、III-V化合物InP、GaN、SiC等基本性质与制作方法。

【了解】： 半导体金刚石的制备、性质、低维半导体、有机半导体材料的性质及引用

【一般了解】： 半导体材料分类 【难点】：区熔原理、晶体生长基本原理

（重点掌握、掌握、了解、一般了解四个层次可根据教学内容和对学生的具体要求适当减少，但不得少于两个层次）

制定人：刘贵鹏

审定人： 批准人： 日 期：

第五篇：半导体物理课程教学大纲

《半导体物理》课程教学大纲

课程编号：C030001 适用专业：微电子技术，微电子学

学时数：72（实验12）学分数：4．5

先修课程：《热力学与统计物理学》、《量子力学》和《固体物理学》

考核方式：闭卷

执笔者：刘诺

编写日期：202_.5

一、课程性质和任务

《半导体物理学》是面向电子科学与技术方向本科生所开设的微电子技术专业和微电子学专业的一门专业基础课和学位课，是培养方案中的核心课程之一。开设的目的是使学生熟悉半导体物理的基础理论和半导体的主要性质，以适应后续专业课程的学习和将来工作的需要。

二、教学内容和要求

理论教学（60学时）

半导体中的电子状态（8学时）：

理解能带论。掌握半导体中的电子运动、有效质量，本征半导体的导电机构、空穴，锗、硅、砷化镓和锗硅的能带结构。半导体中的杂质和缺陷能级（5学时）：

掌握锗、硅晶体中的杂质能级，Ⅲ-Ⅴ 族化合物半导体的杂质能级。理解缺陷、位错能级。

热平衡时半导体中载流子的统计分布（10学时）：

掌握状态密度，费米能级和载流子的统计分布，本征半导体的载流子浓度，杂质半导体的载流子浓度。理解一般情况下的载流子的统计分布。了解简并半导体。半导体的导电性（8学时）：

掌握载流子的漂移运动，载流子的散射，迁移率与杂质浓度和温度的关系，玻尔兹曼方程。了解电导的统计理论。理解强电场效应，热载流子。

非平衡载流子（8学时）：

掌握非平衡载流子的注人与复合，非平衡载流子的寿命，准费米能级，复合理论，陷阱效应，载流子的扩散运动、爱因斯坦关系，理解连续性方程。

p-n结（0学时）：

了解p-n结及能带图，p-n结的电流电压特性，p-n结电容，p-n结击穿和p-n结隧道效应。

异质结（0学时）：

了解异质结及其能带图和异质结的电流输运机构。金属和半导体的接触（10学时）：

掌握金属和半导体接触的整流理论。理解少数载流子的注人，欧姆接触。

半导体表面理论（10学时）：

掌握表面态、表面电场效应，MIS结构的电容一电压特性，理解硅一二氧化硅系统，表面电导及迁移率。

半导体磁效应（1学时）：

掌握霍耳效应。

为巩固课堂讲授的基本概念和基本理论，培养学生分析问题和解决问题的能力．每章讲完后，需布置一定分量的课外作业。必做题约40道，选做题平均每章3－5题。

2.实验教学（12学时）

“ 半导体物理实验 ” 包括了六个实验，MOS结构高频C－V特性测试、MOS结构准静态C－V特性测试、MOS结构中可动电荷测试、霍尔效应、椭偏法测SiO2 层的厚度及折射率、及参数测试以及高频光电导衰减法测量Si单晶少子寿命。教师根据实验设备数量选做四个实验。

教师在课堂讲解每个实验的基本原理、测试内容及实验要求，交待实验注意事项。•

学生分组做实验，每组2人。要求学生必须自已动手做实验，独立处理实验数据，完成实验报告，回答思考题。

三、建议教材和参考资料

1.教材：（半导体物理学），西安交大刘恩科主编

2.参考资料：

（1）Fundamental of Solid-State Electronics，Chih-Tang Sah（U.S.A.）

（2）《半导体物理学》，叶良修编

（3）《半导体物理学》，顾祖毅编

（4）《半导体物理实验指导书》，自编讲义