半导体物理基础

物理与电子工程学院半导体物理基础物理与电子工程学院半导体物理基础教材:•半导体物理季振国浙江大学出版社参考书：《半导体物理学》（第八版），刘恩科著，电子工业出版社《半导体物理学基础教程》，冯文修等著，国防工业出版社物理与电子工程学院课程考核办法:本课采用开卷笔试的考核办法。总评成绩构成比例为：平时成绩20%；课外阅读·10%；期末考试70%半导体物理基础物理与电子工程学院一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结半导体物理基础物理与电子工程学院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:半导体物理基础物理与电子工程学院微电子学研究领域•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、生物芯片半导体物理基础物理与电子工程学院固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体什么是半导体？半导体及其基本特性物理与电子工程学院物理与电子工程学院一．半导体中的电子状态二．半导体中杂质和缺陷能级三．半导体中载流子的统计分布四．半导体的导电性五．非平衡载流子六．pn结七．金属和半导体的接触八．半导体表面与MIS结构半导体物理基础物理与电子工程学院半导体的纯度和结构纯度极高，杂质1013cm-3结构物理与电子工程学院晶体结构单胞对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的最小单元注：（a）单胞无需是唯一的（b）单胞无需是基本的物理与电子工程学院晶体结构三维立方单胞简立方、体心立方、面立方物理与电子工程学院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物理与电子工程学院半导体有:元素半导体如Si、Ge金刚石晶体结构物理与电子工程学院半导体有: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物理与电子工程学院练习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。物理与电子工程学院原子的能级电子壳层不同支壳层电子1s；2s，2p；3s，2p，3d；…共有化运动物理与电子工程学院+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原子的能级物理与电子工程学院原子的能级的分裂孤立原子的能级4个原子能级的分裂物理与电子工程学院原子的能级的分裂原子能级分裂为能带物理与电子工程学院Si的能带（价带、导带和带隙〕物理与电子工程学院价带：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带价带Eg物理与电子工程学院自由电子的运动微观粒子具有波粒二象性0pmu202pEm()(,)iKrtrtAepKEhv物理与电子工程学院半导体中电子的运动薛定谔方程及其解的形式2220()()()()()()2VxVxsadxVxxExmdx()()()()ikxkkkkxuxeuxuxna布洛赫波函数物理与电子工程学院固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体固体材料的能带图物理与电子工程学院半导体、绝缘体和导体物理与电子工程学院半导体的能带本征激发物理与电子工程学院练习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。物理与电子工程学院半导体中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220021()(0)()()....2kkdEdEEkEkkdkdk0kk()Ek0k22021()(0)()2kdEEkEkdk物理与电子工程学院半导体中E（K）与K的关系22021()(0)()2kdEEkEkdk令代入上式得2022*11()kndEdkm22*()(0)2nkEkEm物理与电子工程学院自由电子的能量微观粒子具有波粒二象性0pmu202pEm()(,)iKrtrtAepKEhv2202kEm物理与电子工程学院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dvudk1dEudk22*()(0)2nhkEkEm*nkumEhv物理与电子工程学院自由电子的速度微观粒子具有波粒二象性0pmu202pEm()(,)iKrtrtAepKEhv0kum物理与电子工程学院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dEfdsfudt1dEudkfdEdEdtdkdkfdt2222211()duddEdEdkfdEadtdtdkdkdtdk物理与电子工程学院半导体中电子的加速度令即2*2211ndEmdk*nfam2*22nmdEdk物理与电子工程学院有效质量的意义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）物理与电子工程学院空穴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）物理与电子工程学院K空间等能面在k=0处为能带极值22*()(0)2nkEkEm22*()(0)2pkEkEm导带底附近价带顶附近物理与电子工程学院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xk2222xyzkkkkykzkkkk2222*()(0)()2xyznEkEkkkm物理与电子工程学院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，在这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）()Ek(,,)xyzkkk2222*()(0)()2xyznEkEkkkm