半导体物理器件课件.ppt

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1、第一章半导体物理基础●半导体中的电子状态●载流子的统计分布●简并半导体●载流子的散射●载流子的输运●非平衡载流子1、本课程的主要内容研究由不同半导体材料组成半导体器件时，载流子的运动规律和电压-电流等电学特性。方法：1）分析半导体器件时，应先将整个器件分为若干个区。2）给出边界条件。3）求解出各个区中的少子浓度分布、少子浓度梯度分布、电场分布、电势分布、电流密度分布等，最终求得器件的各个端电流。2、本课程的考核方式、答疑时间概述1.1半导体中的电子状态●半导体中电子的波函数和能量谱值●能带●有效质量●导带电子和

2、价带空穴●Si/Ge/GaAs的能带结构●杂质和缺陷能级请复习《半导体物理基础》相关知识点！1.2载流子的统计分布●导带电子浓度（1-57）其中称为导带有效状态密度●价带空穴密度（1-60）其中称为价带有效状态密度1.2载流子的统计分布●导带电子浓度和价带空穴浓度之积（1-64）式中为禁带宽度。与温度有关，可以把它写成经验关系式：其中为常数得：（1-66）1.2载流子的统计分布●本征半导体于是：（1-70）（1-68）（1-69）即：参照得：习题1.2载流子的统计分布●只有一种杂质的半导体☆N型半导体在杂质饱和

3、电离的温度范围内：而：温度升高，费米能级逐渐远离导带底。（1-76）1.2载流子的统计分布●只有一种杂质的半导体☆P型半导体在杂质饱和电离的温度范围内：导带电子浓度为：费米能级：（1-80）1.2载流子的统计分布●杂质补偿半导体相应的费米能级为：在的半导体中：（1-84）1.2载流子的统计分布相应的费米能级为：在的半导体中：（1-88）●杂质补偿半导体1.3简并半导体●载流子浓度费米积分：（1-91）●发生简并化的条件或习题1.4载流子的散射1.格波与声子2.载流子的散射1）平均自由时间与驰豫时间2）散射机构○

4、晶格振动散射○电离杂质散射声学波特点：相邻两种不同原子的振幅都有相同的正号或负号，即对于声学波，相邻原子都是沿着同一方向振动，当波长很长时，声学波实际上代表原胞质心的振动。光学波特点：对于光学波，相邻两种不同原子的振动方向是相反的。原胞的质心保持不动，由此也可以定性的看出，波长很长的光学波（长光学波）代表原胞中两个原子的相对振动。1.格波与声子晶格振动能量的量子化---声子2.载流子的散射1）平均自由时间与驰豫时间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称为自由时间，取极多次而求平均值，则称之为

5、载流子的平均自由时间，常用τ表示。平均自由时间与散射几率互为倒数。2）散射机构○晶格振动散射○电离杂质散射1.5载流子的输运1.漂移运动迁移率和电导率电子迁移率：空穴迁移率：电子漂移电流密度：（1-114）电子电导率：（1-118）——N型半导体的电导率空穴电导率：——P型半导体的电导率电子和空穴共同作用电导率：1.5载流子的输运2.扩散运动和扩散电流电子扩散电流密度D——扩散系数（1-129）空穴扩散电流密度3.流密度在漂移和扩散同时存在的情况下，空穴和电子的流密度分别为：（1-133）1.5载流子的输运4.

6、电流密度空穴和电子的电流密度分别为：（1-135）在一维情况下，空穴和电子的电流分别为：（1-137）式中A为电流垂直流过的面积1.5载流子的输运5.非均匀半导体中的自建电场1）半导体中的静电场和势电场定义为电势的负梯度：电势与电子势能的关系为：可以把电场表示为（一维）：——静电势——费米势（1-140）1.5载流子的输运（1-144）于是：——热电势在热平衡情况下，费米势为常数，可以把它取为零基准，于是：（1-146）2）爱因斯坦关系电子：空穴：1.5载流子的输运对于N型半导体，有（取EF为零基准）：（1-1

7、51）对于P型半导体，有：（1-153）3）非均匀半导体自建电场1.6非平衡载流子非平衡载流子：比平衡态多出来的部分载流子小注入：非平衡载流子浓度<<热平衡多数载流子浓度1.非平衡载流子的产生与复合——非平衡载流子1.6非平衡载流子2.准费米能级（1-162）（1-163）式中和分别称为电子和空穴的准费米能级，和分别为相应的准费米势：1.6非平衡载流子3.修正的欧姆定律其中：分别称为电子和空穴的等效电导率。修正欧姆定律虽然在形式上和欧姆定律一致，但它包括了载流子的漂移和扩散的综合效应。从修正欧姆定律可以看出，费

8、米能级恒定（即）是电流为零的条件。处于热平衡的半导体，费米能级恒定。或者说，热平衡系统具有统一的费米能级。1.6非平衡载流子4.复合机制净复合率：寿命：（1-171）1）直接复合小注入：本征半导体：杂质半导体：1.6非平衡载流子2）通过复合中心的复合为简单计，假设复合中心对电子和空穴的俘获系数相等。净复合率可写成或3）表面复合率（1-210）1.6非平衡载流子5.半导体中的基本控制方程