东南大学电子工程物理基础(4-1)2016.

唐洁影东南大学电子科学与工程学院概述晶体导体绝缘体半导体Conductor104~105s·cm-1Insulator10-18~10-10s·cm-1Semiconductor10-10~104s·cm-1电导率介于导体与绝缘体之间电子可控温、湿度变化人为掺杂光照外加电、磁场为什么？如何？应用？电荷注入半导体的优势本课程半导体器件的发明和应用深刻地改变了近50年的人类历史发展进程，今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关联。进入21世纪，半导体器件无处不在，成为构筑信息化社会的基石。半导体的优势电子可控温、湿度变化人为掺杂光照外加电、磁场为什么？如何？应用？电荷注入本课程半导体芯片集成分立采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构双极晶体管平面结构图NPN双极晶体管原理图MOS晶体管结构示意图晶体管NMOSNPN双极管材料选择迁移率尺寸确定结构设计加工工艺Elemental（元素）Compounds（化合物）classifiedas半导体材料ⅡⅢⅣⅤⅥ4铍Be5硼B6碳C7氮N8氧O12镁Mg13铝Al14硅Si15磷P16硫S30锌Zn31镓Ga32锗Ge33砷As34硒Se48镉Cd49铟In50锡Sn51锑Sb52碲Te80汞Hg81铊Tl82铅Pb83铋Bi84钋PoAmorphousandliquidsemiconductor（非晶态与液态半导体）包括固溶体材料半导体无机化合物、有机化合物固溶体Si1-xGex锗硅合金AlxGa1-xAs铝镓砷AlxIn1-xAs铝铟砷AlxGa1-xAsySb1-y铝镓砷锑指两种或多种半导体材料利用特定工艺混合，形成新材料。常见的半导体材料的应用元素半导体III-V化合物半导体AIIIBVII-VI化合物半导体AIIBVIIV–化合物半导体/III族氮化物三元混合晶体半导体xAIIICV+(1-x)BIIICVxAIICVI+(1-x)BIICVISiGe主要用于VLSI（VeryLargeScaleIntegration）、大多数半导体器件AlPAlAsAlSbGaPGaAsGaSbInPInAsInSb主要用于高速器件、高速集成电路、发光、激光、红外探测等ZnSZnSeZnTeCdSCdSeCdTe主要用于高速器件、高速集成电路、发光、激光、红外探测等SiCSiGe/GaN新兴的半导体材料，用于高温半导体器件、异质结器件GaAs-PInAb-PGa-InSbGa-InAsGa-InPCd-HgTe主要用于异质结、超晶格和红外探测器Diamondlattice(金刚石晶格)Si、Ge…..Zincblendelattice(闪锌矿晶格)ZnS、GaAs、InP、CuF、SiC、CuCl、AlP、GaP、ZnSe、、AlAs、CdS、InSb和AgI半导体晶体结构（Crystalstructure）GaN，AlNMillerIndices(100)面原子面密度最小，相应的界面态和固定电荷(100)面最低晶体在(111)晶面上的原子分布最均匀对于Si：MOS晶体管结构示意图电子沟道表面器件希望界面态和固定荷电低。从而电子的迁移率较高。热扩散来制作的p-n结，基区由二次扩散形成。为了保证结面平坦，要求原子分布均匀。晶体在(111)晶面上的原子分布最均匀。应用举例(100)晶面双极晶体管平面结构图(111)晶面研究半导体原子状态和电子状态以及各种半导体器件内部电子过程的学科—半导体物理固体物理学的一个分支与其他课程的关系物理基础半导体物理半导体集成电路电子器件二极管，三极管，MOS晶体管，激光器，光电探测器，场效应管......CPU，存储器，运算放大器，模数转换器，音视频处理......能带，费米能级，迁移率，扩散系数，少子寿命，PN结，金半接触......晶体结构，薛定谔方程，能带理论.....微电子光电子……本课程主要参考书《电子工程物理基础》第2版唐洁影宋竞电子工业出版社4-5章《半导体物理学》第6版刘恩科电子工业出版社1-6章，7章部分第4章半导体中电子的状态4.1电子的分布4.2载流子的调节（掺杂）4.3载流子的复合4.4载流子的散射4.5载流子的漂移4.6载流子的扩散4.7载流子的完整运动本课程主要讨论半导体的电学性质。载流子的产生热平衡状态下的分布数量（浓度）载流子的运动规律第5章半导体中电子的控制5.1半导体与外界作用5.2半导体与半导体5.3半导体与金属5.4半导体与绝缘体结构变化，特性不同半导体与其它接触=结构第4章讨论的是单一半导体的一般特性器件第4章半导体中电子的状态4.1电子的分布4.2载流子的调节4.3载流子的复合4.4载流子的散射4.5载流子的漂移4.6载流子的扩散4.7载流子的完整运动4.1电子的分布坐标空间分布能量空间分布坐标空间分布Si的核外电子排布：1s22s22p63s23p2四面体平面投影图一、电子分布概念能量分布定性分析Si的核外电子排布：1s22s22p63s23p2xinnaeVVxV2/0nxinnaeVdxdmH2/2222ˆ准自由电子近似nnnnVTEVTE靠近布里渊区附近，晶格周期势场的作用很强。（E-k关系）定量分析E-K周期性E-X电子主要存在于上能带底空位主要存在于下能带顶E-K能带简化图能量空间分布～坐标空间分布有效质量在能带底部附近大于零，在能带顶部附近小于零。22211()dEdkm010kdkdEkv当电子从外场获得的动量大于电子交给晶格的动量，有效质量大于零，反之，有效质量小于零。准经典粒子Fma外有效质量概括了内部周期势场的作用222kEm小结空间分布能量分布E-XE-K010kdkdEkv22211()dEdkm222kEm二.半导体的能带特点晶体导体绝缘体半导体能带中一定有不满带T=0K，能带中只有满带和空带但禁带宽度较窄,一般小于2ev能带中只有满带和空带电子对能带填充情况不同1.电子对能带的填充情况（a）满带的情况(b)不满带的情况无外场时晶体电子能量E-k图(a)满带(b)不满带有电场时晶体电子的E-k图Adqdtk不导电不导电导电满带不满带不满带满带qv(k)=-qv(-k)qv(k)=-qv(-k)qv(k)和-qv(-k)的电子数不等qv代表每个电子对电流密度的贡献外加电场(1)导体:能带中一定有不满带(2)绝缘体:能带中只有满带和空带(3)半导体:能带中只有满带和空带,但禁带宽度较窄,一般小于2ev.例、典型元素半导体Si、Ge的能带被电子的填充情况Si的核外电子排布：1s22s22p63s23p2假设原子能级与能带一一对应?实际SiT=0（K）P带为不满带Si的核外电子排布：1s22s22p63s23p24N个量子态12N个量子态2.近满带与空穴价带导带0TK近满带与空穴*设近满带电流为j（k），则满带电流=j（k）+[-qv（k’）]即j（k）=qv（k’）近满带电子的运动如同一个带正电荷q的粒子—空穴。=0*假想在空的k’态中放入一个电子，这个电子的电流等于-qv（k’）(1)空穴带正电荷空穴的特点***nnnfqεqεa(k)m(k)m(k)m(k)0m0m价带顶附近mm令*P*n*n*P*P*nmqεmqε)ka(正的.荷的有效质量是受的力.这个正电正电荷在电场中qε恰好代表一个(2)空穴的有效质量为正结论：当满带附近有空状态k’时，整个能带中的电流，以及电流在外场作用下的变化，完全如同存在一个带正电荷q和具有正有效质量|mn*|、速度为v（k’）的粒子的情况一样，这样假想的粒子称为空穴。统称载流子电子空穴导带半导体是两种载流子参于导电。价带3.典型半导体Si、Ge、GaAs的能带结构图22*()2kEkm回旋共振实验测定共性个性理论例如实验半导体中电子的初速度为v,在恒定磁场（B）中：ncmqBBvqfBqvqvBfsin回旋频率原理θfv//v┴rBv电子螺旋前进均匀磁场实验方法ncmqB1.固定B，连续改变或2.固定，连续改变B由共振吸收谱确定cc发生共振吸收Si:Eg=1.17eVGe：Eg=0.74eVGaAs:Eg=1.52eVT=0K2()(0)ggTETETSi、Ge、GaAs的能带结构图1-Heavyholes(mp)h2-Lightholes(mp)l直接带隙半导体间接带隙半导体T=300K1.12eV0.67eV1.42eV导带最小值位置K空间：导带底附近的等能面硅的导带底附近的等能面形状等能面为椭球？6个椭球？中心布里渊区为截角八面体？硅布喇菲格子倒格子第一布里渊区布里渊区为截角八面体?面心立方220()2kEkm22*()2kEkm0002222***()()()()[]2yxzyxzCxyzkkkkkkEkEmmm自由电子晶体中电子各向异性（各向同性）（导带底附近）导带底附近的等能面是椭球面02222***()()[]2yyxzCtltkkkkEkEmmm导带底附近的等能面是旋转椭球面纵向有效质量ml（与椭球长轴对应）横向有效质量mt（与椭球短轴对应）等能面为椭球?沿100轴的6个椭球？对称性在〈100〉六个等效晶向的对应位置都存在能量最小值6个椭球等能面锗的导带底等能面形状，沿111轴的8个椭球,在第一布氏区实际为4个椭球锗111等效晶向为8导带极小值在布里渊区中心,等能面是面。1个球砷化镓1.电子对能级的填充决定了晶体的导电性2.半导体近满带～空穴特征3.统称载流子电子空穴两种载流子参于导电4.比较典型半导体材料的能带图三.能带图和费米能级1.费米能级的引入电子空穴EcEvEgE-KE-x电子主要存在于导带底空穴主要存在于价带顶ECEV费米能级添加费米能级这个参量提供更多信息费米能级的位置011FEEkTfe热平衡Ev（价带顶）Ec（导带底）半导体：费米能级一般位于禁带中n电子=p空穴n电子p空穴n电子p空穴本征半导体n型半导体p型半导体多数载流子少数载流子011FEEkTfe电子空穴0111FEEkTfe费米能级可以描述电子填充能级的水平EcEvEFEFEcEv未通电通电1.为什么能带会倾斜？2.根据能带倾斜的方向，推测加载电压的“+、-”极3.电子在外场作用下加速运动，速度会一直增加吗？为什么？2.费米能级的变化倾斜分裂EcEvEFpEFn外界能量外界能量的注入，产生额外的载流子。体系偏离热平衡状态，统一的费米能级不再存在—非平衡态空穴的准费米能级电子的准费米能级0nnn0ppp非平衡载流子非平衡态费米能级分裂载流子浓度变化T恒定热平衡时有统一的费米能级；非平衡时无统一费米能级，EFn、EFp额外的载流子平衡态四.电中性对电子分布的影响电中性就是指因为库伦力的作用，空间任何位置的带电粒子分布稳定（不随时间变化）时，其正负电荷总量必定相等，对外呈现电中性。载流子非稳定分布载流子稳定分布非电中性电中性弛豫过程，弛豫时间在半导体中，当一种非平衡载流子（过剩载流子）被引入后，恢复电中性的过程—弛豫过程，所需要的时间—弛豫时间。热平衡电中性注入的空穴破坏了空间的电中性导带电子向左移动，经过时间又建立了电中性电中性影响载流子分布的示例载流子介电弛豫模型弛豫时间半导体材料的介电常数半导体材料的电阻率多数载流子的介电弛豫时间对于大多数的实际应用，介电弛豫过程可以看作是在一瞬间发生的，一般可以忽略。例如，介电弛豫时间比半导体器件的开关时间要短。EcEvEFEFEcEv1.费米能级EcEvEFpEFn外界能量小结2.能带结构~等能面3.电中性五.载流子的数量的统计对导电有贡