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物理學(xué)教案模板共1

《半導(dǎo)體物理學(xué)》課程輔導(dǎo)教案

　　關(guān)于教案的幾點(diǎn)說明: 教案的基本內(nèi)容:包括課程的課程重點(diǎn),課程難點(diǎn),基本概念,基本要求,參考資料,思考題和自測(cè)題,教學(xué)進(jìn)度及學(xué)時(shí)分配.教材:采用高等學(xué)校工科電子類(電子信息類)規(guī)劃教材《半導(dǎo)體物理學(xué)》,由劉思科,朱秉升,羅晉生等編寫.本教材多次獲獎(jiǎng),如全國(guó)高等學(xué)校優(yōu)秀教材獎(jiǎng),電子類專業(yè)優(yōu)秀教材特等獎(jiǎng),普通高等學(xué)校教材全國(guó)特等獎(jiǎng).

　　參考資料(書目) 葉良修(北大)《半導(dǎo)體物理學(xué)》 劉文明(吉大)《半導(dǎo)體物理學(xué)》 顧祖毅(清華)《半導(dǎo)體物理學(xué)》

　　格羅夫(美)《半導(dǎo)體器件物理與工藝》 王家驊(南開)《半導(dǎo)體器件物理》 施敏(美)《半導(dǎo)體器件物理》 施敏(美)《現(xiàn)代半導(dǎo)體器件物理》

　　目錄

　　第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)

§ 晶體結(jié)構(gòu)預(yù)備知識(shí),半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu) § 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)

§ 電子在周期場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)——能帶論

§ 半導(dǎo)體中電子(在外力下)的運(yùn)動(dòng),有效質(zhì)量,空穴 § 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu) § 回旋共振 § 硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu) § 化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) 第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí) § 硅,鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) § 化合物半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí) § 半導(dǎo)體中的缺陷能級(jí)(defect levels) 第三章 半導(dǎo)體中熱平衡載流子的統(tǒng)計(jì)分布 § 載流子的統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)及能量狀態(tài)密度 § 導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度 § 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 § 雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度 § 一般情況下地載流子統(tǒng)計(jì)分布 § 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 § 載流子的漂移運(yùn)動(dòng),遷移率 § 載流子的散射

§ 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系 § 電阻率及其與雜質(zhì)濃度的關(guān)系 § 強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng),熱載流子 § 耿氏效應(yīng),多能谷散射 第五章 非平衡載流子 § 非平衡載流子的注入 § 非平衡載流子的復(fù)合和壽命 § 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) § 復(fù)合理論 § 陷阱效應(yīng) § 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

§ 載流子的漂移運(yùn)動(dòng),愛因斯坦關(guān)系 § 連續(xù)性方程及其應(yīng)用 第六章 p–n結(jié)

§ p–n結(jié)及其能帶圖 § p–n結(jié)電流電壓特性 § p–n結(jié)電容 § p–n結(jié)擊穿 §(*) p–n結(jié)隧道效應(yīng)

　　第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) § 晶體結(jié)構(gòu)預(yù)備知識(shí) 半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu) ◆本節(jié)內(nèi)容:

　　14學(xué)時(shí) 微14學(xué)時(shí)）（光 1.晶體結(jié)構(gòu)的描述(有關(guān)的名詞) 格點(diǎn):空間(一維或多維)點(diǎn)陣中的點(diǎn)(結(jié)點(diǎn)) 晶列:通過任意;兩格點(diǎn)所作的(晶列上有一系列格點(diǎn)) 晶向:在坐標(biāo)系中晶列的方向(確定晶向的方法待定)用晶向指數(shù)表示;如[110].晶面:通過格點(diǎn)作的平面.一組平行的晶面是等效的,其中任意兩晶面上的格點(diǎn)排列是相同的,且面間距相等.晶面用晶面指數(shù)(密勒指數(shù))表示,如(111),(100)…… 反映晶體周期性的重復(fù)單元,有兩種選取方法: 在固體物理學(xué)中——選取周期最小的重復(fù)單元,即原胞.在晶體學(xué)中——由對(duì)稱性取選最小的重復(fù)單元,即晶胞(單胞) 基矢:確定原胞(晶胞)大小的矢量.原胞(晶胞)以基矢為周期排列,因此,基矢的大小又成為晶格常數(shù).晶軸:以(布拉菲)原胞(或晶胞)的基矢為坐標(biāo)軸——晶軸 格矢:在固體物理學(xué)中,選某一格點(diǎn)為原點(diǎn)O,任一格點(diǎn)A的格矢 =++,,,為晶軸上的投影,取整數(shù),,,為晶軸上的單位矢量.在結(jié)晶學(xué)中(用的較多),選某一格點(diǎn)為原點(diǎn)O,任一格點(diǎn)A的格矢 =++,,,為對(duì)應(yīng)晶軸上的投影,取有理數(shù),,,為晶軸上的單位矢量.晶列指數(shù)及晶向:格矢在相應(yīng)晶軸上投影的稱作晶列指數(shù),并用以表示晶向,即格矢所在的晶列方向.固體物理學(xué)中,表示為[ ],投影為負(fù)值時(shí),l的數(shù)字上部冠負(fù)號(hào).等效晶向用表示.晶面:通過格點(diǎn)作的平面,用晶面指數(shù)表示.晶面指數(shù):表示晶面的一組數(shù).晶向與晶面的關(guān)系:在正交坐標(biāo)系中,晶面指數(shù)與晶面指數(shù)相同時(shí),晶向垂直于晶面.2.幾種晶格結(jié)構(gòu) 結(jié)晶學(xué)晶胞: 簡(jiǎn)立方:立方體的八個(gè)頂角各有一個(gè)原子.體心立方:簡(jiǎn)立方的中心加進(jìn)一個(gè)原子.面心立方:簡(jiǎn)立方的六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子.金剛石結(jié)構(gòu):同種原子構(gòu)成的兩個(gè)面心立方沿體對(duì)角線相對(duì)位移體對(duì)角線的套構(gòu)而成.每個(gè)晶胞含原子數(shù):8(頂角)+6(面心)+4(體心)=8個(gè) 如果只考慮晶格的周期性,可用固體物理學(xué)原胞表示: 簡(jiǎn)立方原胞:與晶胞相同,含一個(gè)原子.體心立方原胞:為棱長(zhǎng)a的簡(jiǎn)立方,含一個(gè)原子.面心立方原胞:為棱長(zhǎng)a的菱立方,由面心立方體對(duì)角線的;兩個(gè)原子和六個(gè)面心原子構(gòu)成,含一個(gè)原子.金剛石結(jié)構(gòu)原胞:為棱長(zhǎng)a的菱立方,由體對(duì)角線的兩個(gè)原子和六個(gè)面心原子構(gòu)成棱立方,其內(nèi)包含一個(gè)距頂角體對(duì)角線的原子,因此,原胞共含有2個(gè)原子.3.半導(dǎo)體硅,鍺的晶體結(jié)構(gòu)(金剛石型結(jié)構(gòu)) 4.閃鋅礦型結(jié)構(gòu)

◆課程重點(diǎn):半導(dǎo)體硅,鍺的晶體結(jié)構(gòu)(金剛石型結(jié)構(gòu))及其特點(diǎn);半導(dǎo)體的閃鋅礦型結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn).◆課程難點(diǎn): 1.描述晶體的周期性可用原胞和晶胞,要把原胞和晶胞區(qū)分開.在固體物理學(xué)中,只強(qiáng)調(diào)晶格的周期性,其最小重復(fù)單元為原胞,例如金剛石型結(jié)構(gòu)的原胞為棱長(zhǎng)a的菱立方,含有兩個(gè)原子;在結(jié)晶學(xué)中除強(qiáng)調(diào)晶格的周期性外,還要強(qiáng)調(diào)原子分布的對(duì)稱性,例如同為金剛石型結(jié)構(gòu),其晶胞為棱長(zhǎng)為a的正立方體,含有8個(gè)原子.2.閃鋅礦型結(jié)構(gòu)的Ⅲ-Ⅴ族化合物和金剛石型結(jié)構(gòu)一樣,都是由兩個(gè)面心立方晶格套構(gòu)而成,稱這種晶格為雙原子復(fù)式格子.如果選取只反映晶格周期性的原胞時(shí),則每個(gè)原胞中只包含兩個(gè)原子,一個(gè)是Ⅲ族原子,另一個(gè)是Ⅴ族原子.◆基本概念:原胞和晶胞都是用來描述晶體中晶格周期性的最小重復(fù)單元,但二者有所不同.在固體物理學(xué)中,原胞只強(qiáng)調(diào)晶格的周期性;而在結(jié)晶學(xué)中,晶胞還要強(qiáng)調(diào)晶格中原子分布的的對(duì)稱性.◆基本要求:記住晶向與晶面的關(guān)系;熟悉金剛石型結(jié)構(gòu)與閃鋅礦型結(jié)構(gòu)晶胞原子的空間立體分布及硅,鍺,砷化鎵晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn),晶格常數(shù),原子密度數(shù)量級(jí)(個(gè)原子/立方厘米).

§半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) ◆本節(jié)內(nèi)容: 1 原子中的電子狀態(tài) 玻耳的氫原子理論 玻耳氫原子理論的意義

氫原子能級(jí)公式及玻耳氫原子軌道半徑 索末菲對(duì)玻耳理論的發(fā)展 量子力學(xué)對(duì)半經(jīng)典理論的修正 原子能級(jí)的簡(jiǎn)并度 2 晶體中的電子狀態(tài) 電子共有化運(yùn)動(dòng)

電子共有化運(yùn)動(dòng)使能級(jí)分裂為能帶 3 半導(dǎo)體硅,鍺晶體的能帶 硅,鍺原子的電子結(jié)構(gòu) 硅,鍺晶體能帶的形成 半導(dǎo)體(硅,鍺)的能帶特點(diǎn) ◆課程重點(diǎn): 1.氫原子能級(jí)公式 =-,氫原子第一玻耳軌道半徑 =,這兩個(gè)公式還可用于類氫原子(今后用到) 量子力學(xué)認(rèn)為微觀粒子(如電子)的運(yùn)動(dòng)須用波函數(shù)來描述,經(jīng)典意義上的軌道實(shí)質(zhì)上是電子出現(xiàn)幾率最大的地方.電子的狀態(tài)可用四個(gè)量子數(shù)表示.晶體形成能帶的原因是由于電子共有化運(yùn)動(dòng) 半導(dǎo)體(硅,鍺)能帶的特點(diǎn): 存在軌道雜化,失去能級(jí)與能帶的對(duì)應(yīng)關(guān)系.雜化后能帶重新分開為上能帶和下能帶,上能帶稱為導(dǎo)帶,下能帶稱為價(jià)帶

　　低溫下,價(jià)帶填滿電子,導(dǎo)帶全空,高溫下價(jià)帶中的一部分電子躍遷到導(dǎo)帶,使晶體呈現(xiàn)弱導(dǎo)電性.導(dǎo)帶與價(jià)帶間的能隙(Energy gap)稱為禁帶(forbidden band).禁帶寬度取決于晶體種類,晶體結(jié)構(gòu)及溫度.當(dāng)原子數(shù)很大時(shí),導(dǎo)帶,價(jià)帶內(nèi)能級(jí)密度很大,可以認(rèn)為能級(jí)準(zhǔn)連續(xù)

◆課程難點(diǎn):原子能級(jí)的簡(jiǎn)并度為(2l+1),若記入自旋,簡(jiǎn)并度為2(2l+1);注意一點(diǎn),原子是不能簡(jiǎn)并的.◆基本概念:電子共有化運(yùn)動(dòng):原子組成晶體后,由于原子殼層的交疊,電子不再局限在某一個(gè)原子上,可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)原子上去,因而,電子將可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)稱為電子的共有化運(yùn)動(dòng).但須注意,因?yàn)楦髟又邢嗨茪由系碾娮硬庞邢嗤哪芰?電子只能在相似殼層中轉(zhuǎn)移.◆基本要求:掌握氫原子能級(jí)公式和氫原子軌道半徑公式;掌握能帶形成的原因及電子共有化運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn);掌握硅,鍺能帶的特點(diǎn).

§ 電子在周期場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)——能帶論 ◆本節(jié)內(nèi)容: 1.自由電子的運(yùn)動(dòng) 電子在周期場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng) 能帶理論的應(yīng)用 ◆課程重點(diǎn): 熟悉晶體中電子的運(yùn)動(dòng)與孤立原子的電子和自由電子的運(yùn)動(dòng)有何不同:孤立原子中的電子是在該原子的核和其它電子的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),自由電子是在恒定為零的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),而晶體中的電子是在嚴(yán)格周期性重復(fù)排列的原子間運(yùn)動(dòng),單電子近似認(rèn)為,晶體中的某一個(gè)電子是在周期性排列且固定不動(dòng)的原子核的勢(shì)場(chǎng)以及其它大量電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),這個(gè)勢(shì)場(chǎng)也是周期性變化的,而且它的周期與晶格周期相同.自由電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài):對(duì)于波矢為k的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),自由電子的能量E,動(dòng)量p,速度v均有確定的數(shù)值.因此,波矢k可用以描述自由電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),不同的k值標(biāo)志自由電子的不同狀態(tài),自由電子的E和k的關(guān)系曲線,呈拋物線形狀.由于波矢k的連續(xù)變化,自由電子的能量是連續(xù)能譜,從零到無限大的所有能量值都是允許的.晶體中的電子運(yùn)動(dòng)服從布洛赫定理:晶體中的電子是以調(diào)幅平面波在晶體中傳播.這個(gè)波函數(shù)稱為布洛赫波函數(shù).求解薛定諤方程,得到電子在周期場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)其能量不連續(xù),形成一系列允帶和禁帶.一個(gè)允帶對(duì)應(yīng)的K值范圍稱為布里淵區(qū).用能帶理論解釋導(dǎo)帶,半導(dǎo)體,絕緣體的導(dǎo)電性.◆課程難點(diǎn): 布洛赫波函數(shù)的意義:晶體中的電子在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)與自由電子的波函數(shù)形式相似,代表一個(gè)波長(zhǎng)為1/k而在k方向上傳播的平面波,不過這個(gè)波的振幅(x)隨x作周期性的變化,其變化周期與晶格周期相同.所以常說晶體中的電子是以一個(gè)被調(diào)幅的平面波在晶體中傳播.顯然,若令(x)為常數(shù),則在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電子的波函數(shù)就完全變?yōu)樽杂呻娮拥牟ê瘮?shù)了.其次,根據(jù)波函數(shù)的意義,在空間某一點(diǎn)找到電子的幾率與波函數(shù)在該點(diǎn)的強(qiáng)度(即||=)成比例.對(duì)于自由電子,||=A,即在空間各點(diǎn)波函數(shù)的強(qiáng)度相等,故在空間各點(diǎn)找到電子的幾率相同,這反映了電子在空間中的自由運(yùn)動(dòng),而對(duì)于晶體中的電子,||=|(x)(x)|,但(x)是與晶格同周期的函數(shù),在晶體中波函數(shù)的強(qiáng)度也隨晶格周期性變化,所以在晶體中各點(diǎn)找到該電子的幾率也具周期性變化的性質(zhì).這反映了電子不再完全局限在某一個(gè)原子上,而是可以從晶胞中某一點(diǎn)自由地運(yùn)動(dòng)到其它晶胞內(nèi)的對(duì)應(yīng)點(diǎn),因而電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)成為電子在晶體內(nèi)的共有化運(yùn)動(dòng).組成晶體的原子的外層電子共有化運(yùn)動(dòng)較強(qiáng),其行為與自由電子相似,常稱為準(zhǔn)自由電子.而內(nèi)層電子的共有化運(yùn)動(dòng)較弱,其行為與孤立原子中的電子相似.最后,布洛赫波函數(shù)中的波矢k與自由電子波函數(shù)的一樣,它描述晶體中電子的共有化運(yùn)動(dòng)狀態(tài),不同的k的標(biāo)志著不同的共有化運(yùn)動(dòng)狀態(tài).金剛石結(jié)構(gòu)的第一布里淵區(qū)是一個(gè)十四面體,(見講義圖1-11),要注意圖中特殊點(diǎn)的位置.◆基本概念及名詞術(shù)語(yǔ): 能帶產(chǎn)生的原因: 定性理論(物理概念):晶體中原子之間的相互作用,使能級(jí)分裂形成能帶.定量理論(量子力學(xué)計(jì)算):電子在周期場(chǎng)中運(yùn)動(dòng),其能量不連續(xù)形成能帶.能帶(energy band)包括允帶和禁帶.允帶(allowed band):允許電子能量存在的能量范圍.禁帶(forbidden band):不允許電子存在的能量范圍.允帶又分為空帶,滿帶,導(dǎo)帶,價(jià)帶.空帶(empty band):不被電子占據(jù)的允帶.滿帶(filled band):允帶中的能量狀態(tài)(能級(jí))均被電子占據(jù).導(dǎo)帶(conduction band):電子未占滿的允帶(有部分電子.) 價(jià)帶(valence band):被價(jià)電子占據(jù)的允帶(低溫下通常被價(jià)電子占滿).用能帶理論解釋導(dǎo)體,半導(dǎo)體,絕緣體的導(dǎo)電性: 固體按其導(dǎo)電性分為導(dǎo)體,半導(dǎo)體,絕緣體,其機(jī)理可以根據(jù)電子填充能帶的情況來說明.固體能夠?qū)щ?是固體中的電子在外場(chǎng)的作用下定向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果.由于電場(chǎng)力對(duì)電子的加速作用,使電子的運(yùn)動(dòng)速度和能量都發(fā)生了變化.換言之,即電子與外電場(chǎng)間發(fā)生能量交換.從能帶論來看,電子的能量變化,就是電子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)上去.對(duì)于滿帶,其中的能級(jí)已被電子所占滿,在外電場(chǎng)作用下,滿帶中的電子并不形成電流,對(duì)導(dǎo)電沒有貢獻(xiàn),通常原子中的內(nèi)層電子都是占據(jù)滿帶中的能級(jí),因而內(nèi)層電子對(duì)導(dǎo)電沒有貢獻(xiàn).對(duì)于被電子部分占滿的能帶,在外電場(chǎng)作用下,電子可從外電場(chǎng)中吸收能量躍遷到未被電子占據(jù)的的能級(jí)去,起導(dǎo)電作用,常稱這種能帶為導(dǎo)帶.金屬中,由于組成金屬的原子中的價(jià)電子占據(jù)的能帶是部分占滿的,所以金屬是良好的導(dǎo)電體.半導(dǎo)體和絕緣體的能帶類似,即下面是已被價(jià)電子占滿的滿帶(其下面還有為內(nèi)層電子占滿的若干滿帶),亦稱價(jià)帶,中間為禁帶,上面是空帶.因此,在外電場(chǎng)作用下并不導(dǎo)電,但是這只是絕對(duì)溫度為零時(shí)的情況.當(dāng)外界條件發(fā)生變化時(shí),例如溫度升高或有光照時(shí),滿帶中有少量電子可能被激發(fā)到上面的看到中去,使能帶底部附近有了少量電子,因而在外電場(chǎng)作用下,這些電子將參與導(dǎo)電;同時(shí),滿帶中由于少了一些電子,在滿帶頂部附近出現(xiàn)了一些空的量子狀態(tài),滿帶變成了部分占滿的能帶,在外電場(chǎng)作用下,仍留在滿帶中的電子也能夠起導(dǎo)電作用,滿帶電子的這種導(dǎo)電作用等效于把這些空的量子狀態(tài)看作帶正電荷的準(zhǔn)粒子的導(dǎo)電作用,常稱這些空的量子狀態(tài)為空穴.所以在半導(dǎo)體中導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴參與導(dǎo)電,這是與金屬導(dǎo)體的最大差別.絕緣體的禁帶寬度很大,激發(fā)電子需要很大的能量,在通常溫度下,能激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子很少,所以導(dǎo)電性很差.半導(dǎo)體禁帶寬度比較小,數(shù)量級(jí)在1eV左右,在通常溫度下已有不少電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中去,所以具有一定的導(dǎo)電能力,這是絕緣體和半導(dǎo)體的主要區(qū)別.室溫下,金剛石的禁帶寬度為6～7eV,它是絕緣體;硅為,鍺為,砷化鎵為,所以它們都是半導(dǎo)體.共價(jià)鍵理論: 共價(jià)鍵理論能夠比較簡(jiǎn)單,直觀,較好地解釋晶體的某些性質(zhì).⑴共價(jià)鍵理論主要有三點(diǎn): 晶體的化學(xué)鍵是共價(jià)鍵,如 Si,Ge.共價(jià)鍵上的電子處于束縛態(tài),不能參與導(dǎo)電.處于束縛態(tài)的價(jià)電子從外界得到能量,有可能掙脫束縛成為自由電子,參與導(dǎo)電.⑵共價(jià)鍵理論應(yīng)用 解釋半導(dǎo)體摻雜的敏感性

　　例:摻入替位式五價(jià)元素,可提供導(dǎo)電電子; 摻入替位式三價(jià)元素,可提供導(dǎo)電空穴.解釋半導(dǎo)體的熱敏性,光敏性等.⑶兩者理論的比較(能帶理論與共價(jià)鍵理論的對(duì)應(yīng)關(guān)系) 能帶理論 共價(jià)鍵理論 價(jià)帶中電子 共價(jià)鍵上的電子

　　導(dǎo)帶中電子 掙脫共價(jià)鍵的電子(變?yōu)樽杂呻娮? 禁帶寬度 鍵上電子掙脫鍵束縛所需的能量 定量理論 定性理論 (4)本征激發(fā): 共價(jià)鍵上的電子激發(fā)成為準(zhǔn)自由電子,亦即價(jià)帶電子吸收能量被激發(fā)到導(dǎo)帶成為導(dǎo)帶電子的過程,稱為本征激發(fā).這一概念今后經(jīng)常用到.

§ 半導(dǎo)體中電子(在外力下)的運(yùn)動(dòng),有效質(zhì)量,空穴 ◆本節(jié)內(nèi)容: 導(dǎo)帶中E(k)與k的關(guān)系 價(jià)帶頂附近電子的運(yùn)動(dòng) 有效質(zhì)量的意義 ◆課程重點(diǎn): 掌握半導(dǎo)體中求E(k)與k的關(guān)系的方法:晶體中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要比自由電子復(fù)雜得多,要得到它的E(k)表達(dá)式很困難.但在半導(dǎo)體中起作用地是位于導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂附近的電子.因此,可采用級(jí)數(shù)展開的方法研究帶底或帶頂E(k)關(guān)系.電子有效質(zhì)量=/(一維情況),注意,在能帶底是正值,在能帶頂是負(fù)值.電子的速度為v=,注意v可以是正值,也可以是負(fù)值,這取決于能量對(duì)波矢的變化率.引入電子有效質(zhì)量后,半導(dǎo)體中電子所受的外力與加速度的關(guān)系具有牛頓第二定律的形式,即a=f/.可見只是以有效質(zhì)量代換了電子慣性質(zhì)量.空穴的概念:在牛頓第二定律中要求有效質(zhì)量為正值,但價(jià)帶頂電子的有效質(zhì)量為負(fù)值.這在描述價(jià)帶頂電子的加速度遇到困難.為了解決這一問題,引入空穴的概念.價(jià)帶中不被電子占據(jù)的空狀態(tài) 價(jià)帶頂附近空穴有效質(zhì)量 >0 數(shù)值上與該處的電子有效質(zhì)量相同,即=->0 ,空穴帶電荷+q(共價(jià)鍵上少一個(gè)電子,破壞局部電中性,顯正電).③空穴的能量坐標(biāo)與電子的相反,分布服從能量最小原理.有效質(zhì)量的意義:在經(jīng)典牛頓第二定律中a=,式中f是外合力,是慣性質(zhì)量.但半導(dǎo)體中電子在外力作用下,描述電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方程中出現(xiàn)的是有效質(zhì)量,而不是電子的慣性質(zhì)量.這是因?yàn)橥饬并不是電子受力的總和,半導(dǎo)體中的電子即使在沒有外加電場(chǎng)作用時(shí),它也要受到半導(dǎo)體內(nèi)部原子及其它電子的勢(shì)場(chǎng)作用.當(dāng)電子在外力作用下運(yùn)動(dòng)時(shí),它一方面受到外電場(chǎng)力f的作用,同時(shí)還和半導(dǎo)體內(nèi)部原子,電子相互作用著,電子的加速度應(yīng)該是半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)和外電場(chǎng)作用的綜合效果.但是,要找出內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的具體形式并且求得加速度遇到一定的困難,引進(jìn)有效質(zhì)量后可使問題變得簡(jiǎn)單,直接把外力f和電子的加速度聯(lián)系起來,而內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用則由有效質(zhì)量加以概括.因此,引進(jìn)有效質(zhì)量的意義在于它概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用,使得在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),可以不涉及到半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用.特別是可以直接由實(shí)驗(yàn)測(cè)定,因而可以很方便地解決電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.在能帶底部附近,E/d>0,電子的有效質(zhì)量是正值;在能帶頂附近,E/d

　　導(dǎo)電機(jī)構(gòu)(電子導(dǎo)電,空穴導(dǎo)電) ◆課程重點(diǎn): 滿帶中的電子不導(dǎo)電:電子可以在晶體中作共有化運(yùn)動(dòng),但是,這些電子能否導(dǎo)電,還必須考慮電子填充能帶的情況,不能只看單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng).研究發(fā)現(xiàn),如果一個(gè)能帶中所有的狀態(tài)都被電子占滿,那么,即使有外加電場(chǎng),晶體中也沒有電流,即滿帶電子不導(dǎo)電.只有雖包含電子但并未填滿的能帶才有一定的導(dǎo)電性,即不滿的能帶中的電子才可以導(dǎo)電.絕對(duì)溫度為零時(shí),純凈半導(dǎo)體的價(jià)帶被價(jià)電子填滿,導(dǎo)帶是空的.在一定的溫度下,價(jià)帶頂部附近有少量電子被激發(fā)到導(dǎo)帶底部附近,在外電場(chǎng)作用下,導(dǎo)帶中電子便參與導(dǎo)電.因?yàn)檫@些電子在導(dǎo)帶底部附近,所以,它們的有效質(zhì)量是正的.同時(shí),價(jià)帶缺少了一些電子后也呈不滿的狀態(tài),因而價(jià)帶電子也表現(xiàn)出具有導(dǎo)電的特性,它們的導(dǎo)電作用常用空穴導(dǎo)電來描寫.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu):對(duì)本征半導(dǎo)體,導(dǎo)帶中出現(xiàn)多少電子,價(jià)帶中就對(duì)應(yīng)出現(xiàn)多少空穴,導(dǎo)帶上電子參與導(dǎo)電,價(jià)帶上空穴也參與導(dǎo)電,這就是本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu).這一點(diǎn)是半導(dǎo)體同金屬的最大差異,金屬中只有電子一種荷載電流的粒子(稱為載流子),而半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子.正是由于這兩種載流子的作用,使半導(dǎo)體表現(xiàn)出許多奇異的特性,可用來制造形形色色的器件.◆課程難點(diǎn):價(jià)帶電子導(dǎo)電通常用空穴導(dǎo)電來描述.實(shí)踐證明,這樣做是時(shí)分方便的.但是,如何理解空穴導(dǎo)電 設(shè)想價(jià)帶中一個(gè)電子被激發(fā)到價(jià)帶,此時(shí)價(jià)帶為不滿帶,價(jià)帶中電子便可導(dǎo)電.設(shè)電子電流密度密度為J,則 J=價(jià)帶(k狀態(tài)空出)電子總電流

　　可以用下述方法計(jì)算出J的值.設(shè)想以一個(gè)電子填充到空的k狀態(tài),這個(gè)電子的電流等于電子電荷-q乘以k狀態(tài)電子的速度v(k),即 k狀態(tài)電子電流=(-q)v(k) 填入這個(gè)電子后,價(jià)帶又被填滿,總電流應(yīng)為零,即 J+(-q)v(k)=0 因而得到 J=(+q)v(k) 這就是說,當(dāng)價(jià)帶k狀態(tài)空出時(shí),價(jià)帶電子的總電流,就如同一個(gè)正電荷的粒子以k狀態(tài)電子速度v(k)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電流.因此,通常把價(jià)帶中空著的狀態(tài)看成是帶正電的粒子,稱為空穴.引進(jìn)這樣一個(gè)假象的粒子――空穴后,便可以很簡(jiǎn)便地描述價(jià)帶(未填滿)的電流.◆基本概念: 載流子:晶體中荷載電流(或傳導(dǎo)電流)的粒子.金屬中為電子,半導(dǎo)體中有兩種載流子即電子和空穴.◆基本要求:掌握半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu),正確理解空穴的導(dǎo)電機(jī)理.

§ 回旋共振 ◆本節(jié)內(nèi)容: k空間等能面 回旋共振

◆課程重點(diǎn): 利用回旋共振實(shí)驗(yàn)測(cè)量有效質(zhì)量.◆課程難點(diǎn):回旋共振原理及條件.◆基本概念:回旋共振實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)量電子的有效質(zhì)量,以便采用理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法推出半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu).為能觀測(cè)出明顯的共振吸收峰,就要求樣品純度要高,而且實(shí)驗(yàn)一般在低溫下進(jìn)行,交變電磁場(chǎng)的頻率在微波甚至在紅外光的范圍.實(shí)驗(yàn)中常是固定交變電磁場(chǎng)的頻率,改變磁感應(yīng)強(qiáng)度以觀測(cè)吸收現(xiàn)象.磁感應(yīng)強(qiáng)度約為零點(diǎn)幾T.等能面的形狀與有效質(zhì)量密切相關(guān),對(duì)于球形等能面,有效質(zhì)量各向同性,即只有一個(gè)有效質(zhì)量;對(duì)于橢球等能面,有效質(zhì)量各向異性,即在不同的波矢方向?qū)?yīng)不同的有效質(zhì)量(可參考下節(jié)內(nèi)容).◆基本要求:掌握等能面的研究方法:不同的半導(dǎo)體材料,其能帶結(jié)構(gòu)不同,而且往往是各向異性的,即沿不同的波矢方向,E～k關(guān)系不同.E～k關(guān)系可用等能面表示,因此要掌握等能面的研究方法.掌握回旋共振實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)條件.

§ 硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu) ◆本節(jié)內(nèi)容: 硅和鍺的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu) 硅和鍺的價(jià)帶結(jié)構(gòu) ◆課程重點(diǎn): 回旋共振的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),硅,鍺電子有效質(zhì)量各向異性,說明其等能面各向異性.通過分析,硅有六個(gè)橢球等能面,分別分布在晶向的六個(gè)等效晶軸上,電子主要分布在這六個(gè)橢球的中心(極值)附近.僅從回旋共振的實(shí)驗(yàn)還不能決定導(dǎo)帶極值(橢球中心)的確定位置.通過施主電子自旋共振實(shí)驗(yàn)得出,硅的導(dǎo)帶極值位于方向的布里淵區(qū)邊界的倍處.n型鍺的實(shí)驗(yàn)指出,鍺的導(dǎo)電極小值位于方向的布里淵區(qū)邊界上共有八個(gè).極值附近等能面為沿方向旋轉(zhuǎn)的八個(gè)橢球面,每個(gè)橢球面有半個(gè)在布里淵區(qū),因此,在簡(jiǎn)約布里淵區(qū)共有四個(gè)橢球.硅和鍺的價(jià)帶結(jié)構(gòu):有三條價(jià)帶,其中有兩條價(jià)帶的極值在k=0處重合,有兩種空穴有效質(zhì)量與之對(duì)應(yīng),分別為重空穴和輕空穴,還有第三個(gè)價(jià)帶,其帶頂比前兩個(gè)價(jià)帶降低了,對(duì)于硅,=,對(duì)于鍺=,這條價(jià)帶給出了第三種空穴.空穴重要分布在前兩個(gè)價(jià)帶.在價(jià)帶頂附近,等能面接近平面.在硅,鍺的能帶圖中指出導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)奈恢眉敖麕挾?◆課程難點(diǎn):對(duì)E(k)表達(dá)式和回旋共振實(shí)驗(yàn)有效質(zhì)量表達(dá)式的處理.在k空間合理的選取坐標(biāo)系,可是問題得到簡(jiǎn)化.如選取為能量零點(diǎn),以為坐標(biāo)原點(diǎn),取,,為三個(gè)直角坐標(biāo)軸,分別與橢球主軸重合,并使軸沿橢球長(zhǎng)軸方向(即沿方向),則等能面分別為繞軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)橢球面.E(k)表達(dá)式簡(jiǎn)化為E(k)=;如果,軸選取恰當(dāng),計(jì)算可簡(jiǎn)單,選取使磁感應(yīng)強(qiáng)度B位于軸和軸所組成的平面內(nèi),且同軸交角,則在這個(gè)坐標(biāo)系里,B的方向余弦,,分別為=sin,=0,=cos ◆基本概念:橫向有效質(zhì)量沿橢球短軸方向,縱向有效質(zhì)量沿橢球長(zhǎng)軸方向.◆基本要求: 掌握硅,鍺的能帶結(jié)構(gòu),注意它們導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂所處的位置.

§ 化合物半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu) ◆本節(jié)內(nèi)容: 化合物半導(dǎo)體的種類 化合物半導(dǎo)體的共同特性 化合物半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的一般特征 銻化銦的能帶結(jié)構(gòu) 砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu) 磷化鎵和磷化銦的能帶結(jié)構(gòu) 混合晶體的能帶結(jié)構(gòu)

◆課程重點(diǎn):砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu):導(dǎo)帶極小值位于布里淵區(qū)中心k=0處,等能面為球面,導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量為在方向布里淵區(qū)邊界還有一個(gè)導(dǎo)帶極小值,極值附近的曲線的曲率比較小,所以此處電子有效質(zhì)量比較大,約為,它的能量比布里淵區(qū)中心極小值的能量高正是由于這個(gè)能谷的存在,使砷化鎵具有特殊的性能(見第四章).價(jià)帶結(jié)構(gòu)與硅,鍺類似.室溫下禁帶寬度為◆課程難點(diǎn):無

　　說明:半導(dǎo)體的禁帶寬度隨溫度變化,有兩種計(jì)算方法,即 和

　　均為經(jīng)驗(yàn)公式.◆基本概念:直接帶隙半導(dǎo)體是指導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶極大值對(duì)應(yīng)同一波矢;間接帶隙半導(dǎo)體是指導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶極大值對(duì)應(yīng)不同的波矢.◆基本要求:掌握砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu),了解化合物半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的一般特征.

　　第一章思考題與自測(cè)題: 1.原子中的電子和晶體中電子受勢(shì)場(chǎng)作用情況以及運(yùn)動(dòng)情況有何不同 原子中內(nèi)層電子和外層電子參與共有化運(yùn)動(dòng)有何不同

2.晶體體積的大小對(duì)能級(jí)和能帶有什么影響

3.描述半導(dǎo)體中電子運(yùn)動(dòng)為什么要引入"有效質(zhì)量"的概念 用電子的慣性質(zhì)量描述能帶中電子運(yùn)動(dòng)有何局限性

4.一般來說,對(duì)應(yīng)于高能級(jí)的能帶較寬,而禁帶較窄,是否如此 為什么

5.有效質(zhì)量對(duì)能帶的寬度有什么影響 有人說:"有效質(zhì)量愈大,能量密度也愈大,因而能帶愈窄."是否如此 為什么

6.簡(jiǎn)述有效質(zhì)量與能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系

7.對(duì)于自由電子,加速反向與外力作用反向一致,這個(gè)結(jié)論是否適用于布洛赫電子

8.從能帶底到能帶頂,晶體中電子的有效質(zhì)量將如何變化 外場(chǎng)對(duì)電子的作用效果有什么不同

9.試述在周期性勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的電子具有哪些一般屬性

10.以硅的本征激發(fā)為例,說明半導(dǎo)體能帶圖的物理意義及其與硅晶格結(jié)構(gòu)的聯(lián)系 為什么電子從其價(jià)鍵上掙脫出來所需的最小能量就是半導(dǎo)體的禁帶寬度

11.為什么半導(dǎo)體滿帶中的少量空狀態(tài)可以用具有正電荷和一定質(zhì)量的空穴來描述

12.有兩塊硅單晶,其中一塊的重量是另一塊重量的二倍.這兩塊晶體價(jià)帶中的能級(jí)數(shù)是否相等 彼此有何聯(lián)系

13.說明布里淵區(qū)和k空間等能面這兩個(gè)物理概念的不同.14.為什么極值附近的等能面是球面的半導(dǎo)體,當(dāng)改變存儲(chǔ)反向時(shí)只能觀察到一個(gè)共振吸收峰

　　第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí) （光4學(xué)時(shí) 微5學(xué)時(shí)）

　　引言: 理想半導(dǎo)體:1,原子嚴(yán)格地周期性排列,晶體具有完整的晶格結(jié)構(gòu).2,晶體中無雜質(zhì),無缺陷.3電子在周期場(chǎng)中作共有化運(yùn)動(dòng),形成允帶和禁帶——電子能量只能處在允帶中的能級(jí)上,禁帶中無能級(jí).由本征激發(fā)提供載流子

　　晶體具有完整的(完美的)晶格結(jié)構(gòu),無任何雜質(zhì)和缺陷——本征半導(dǎo)體.(純凈半導(dǎo)體中,的位置和載流子的濃度只是由材料本身的本征性質(zhì)決定的) 實(shí)際材料中,1,總是有雜質(zhì),缺陷,使周期場(chǎng)破壞,在雜質(zhì)或缺陷周圍引起局部性的量子態(tài)——對(duì)應(yīng)的能級(jí)常常處在禁帶中,對(duì)半導(dǎo)體的性質(zhì)起著決定性的影響.2,雜質(zhì)電離提供載流子.

§ 硅 鍺晶體中的雜質(zhì)能級(jí) ◆本節(jié)內(nèi)容: 晶體中雜質(zhì)基本情況

雜質(zhì)來源 人為摻雜的目的 摻雜的方法

雜質(zhì)在晶體中的位置(替位和間隙) 雜質(zhì)濃度

　　硅,鍺晶體中的施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)及其電離能 施主雜質(zhì)及其電離能 受主雜質(zhì)及其電離能

　　淺能級(jí)雜質(zhì)電離能計(jì)算——類氫模型 施主雜質(zhì)電離能計(jì)算 受主雜質(zhì)電離能計(jì)算 雜質(zhì)補(bǔ)償作用 深能級(jí)雜質(zhì) 深能級(jí)雜質(zhì)特點(diǎn)

深能級(jí)雜質(zhì)產(chǎn)生多重能級(jí)的原因 深能級(jí)雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響 ◆課程重點(diǎn): 在純凈的半導(dǎo)體中摻入一定的雜質(zhì),可以顯著地控制半導(dǎo)體地導(dǎo)電性質(zhì).根據(jù)摻入雜質(zhì)地分布位置可以分為替位式雜質(zhì)和受主雜質(zhì).施主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶正電的施主離子,同時(shí)向?qū)峁╇娮?使半導(dǎo)體成為電子導(dǎo)電的n型半導(dǎo)體.受主雜質(zhì)電離后成為不可移動(dòng)的帶負(fù)電的受主離子,同時(shí)向價(jià)帶提供空穴,使半導(dǎo)體成為空穴導(dǎo)電的p型半導(dǎo)體.雜質(zhì)元素?fù)饺氚雽?dǎo)體后,由于在晶格勢(shì)場(chǎng)中引入微擾,使能帶極值附近出現(xiàn)分立的能級(jí)——雜質(zhì)能級(jí).V族元素在靠近導(dǎo)帶底的禁帶中引入施主能級(jí),Ⅲ族元素在靠近價(jià)帶頂?shù)慕麕е幸胧苤髂芗?jí).類氫模型對(duì)淺能級(jí)的位置給出了比較滿意的定量描述.經(jīng)過修正后,施主雜質(zhì)的電離能和軌道半徑可以表示為: ,

　　受主雜質(zhì)的電離能可以表示為:

　　式中,為氫原子的基態(tài)電離能;為晶體的相對(duì)介電常數(shù).施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)有相互抵消作用,通常稱為"雜質(zhì)補(bǔ)償"."雜質(zhì)補(bǔ)償"是制造各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ).非Ⅲ,Ⅴ族雜質(zhì)元素在半導(dǎo)體中也可能會(huì)產(chǎn)生能級(jí)或多能級(jí).例如:金Au在硅中電離后產(chǎn)生兩個(gè)能級(jí),一個(gè)在價(jià)帶上面處的施主能級(jí),它在P型硅中起主要作用.另一個(gè)在導(dǎo)帶下面處的受主能級(jí),它在n型硅中起主要作用.6,深能級(jí)雜質(zhì)和晶體缺陷形成的能級(jí)一般作為復(fù)合中心.◆課程難點(diǎn):用類氫模型計(jì)算淺能級(jí)雜質(zhì)的電離能;解釋金在鍺中產(chǎn)生多重能級(jí)的原因:金是Ⅰ族元素,中性金原子(記為)只有一個(gè)價(jià)電子,它取代鍺晶格中的一個(gè)鍺原子而位于晶格點(diǎn)上.金比鍺少三個(gè)價(jià)電子,中性金原子的這一個(gè)價(jià)電子,可以電離而躍遷入導(dǎo)帶,這一施主能級(jí)為,因此,電離能為().因?yàn)榻鸬倪@個(gè)價(jià)電子被共價(jià)鍵所束縛,電離能很大,略小于鍺的禁帶寬度,所以,這個(gè)施主能級(jí)靠近價(jià)帶頂.電離以后,中性金原子接受就稱為帶一個(gè)電子電荷的正電中心.但是,另一方面,中性金原子還可以和周圍的四個(gè)鍺原子形成共價(jià)鍵,在形成共價(jià)鍵時(shí),它可以從價(jià)帶接受三個(gè)電子,形成,,三個(gè)受主能級(jí).金原子接受第一個(gè)電子后變?yōu)?相應(yīng)的受主能級(jí)為,其電離能為(-).接受第二個(gè)電子后,變?yōu)?相應(yīng)的受主能級(jí)為,其電離能為(-).接受第三個(gè)電子后,變?yōu)?相應(yīng)的受主能級(jí)為,其電離能為(-).上述的,,分別表示成為帶一個(gè),兩個(gè),三個(gè)電子電荷的負(fù)電中心.由于電子間的庫(kù)侖排斥作用,金從價(jià)帶接受第二個(gè)電子所需要的電離能比接受第一個(gè)電子時(shí)的大,接受第三個(gè)電子時(shí)的電離能又比接受第二個(gè)電子時(shí)的大,所以,>>.離價(jià)帶頂相對(duì)近一些,但是比Ⅲ族雜質(zhì)引入的淺能級(jí)還是深得多,更深,就幾乎靠近導(dǎo)帶底了.于是金在鍺中一共有,,,,五種荷電狀態(tài),相應(yīng)地存在著,,,四個(gè)孤立能級(jí),它們都是深能級(jí).以上的分析方法,也可以用來說明其它一些在硅,鍺中形成深能級(jí)的雜質(zhì),基本上與實(shí)驗(yàn)情況相一致.◆基本概念: 施主雜質(zhì)(n型雜質(zhì)):雜質(zhì)電離后能夠施放電子而產(chǎn)生自由電子并形成正電中心的雜質(zhì)——施主雜質(zhì).施主雜質(zhì)電離能:雜質(zhì)價(jià)電子掙脫雜質(zhì)原子的束縛成為自由電子所需要的能量——雜質(zhì)電離能,用表示.正電中心:施主電離后的正離子——正電中心

　　施主能級(jí):施主電子被施主雜質(zhì)束縛時(shí)的能量對(duì)應(yīng)的能級(jí)稱為施主能級(jí).對(duì)于電離能小的施主雜質(zhì)的施主能級(jí)位于禁帶中導(dǎo)帶底以下較小底距離.受主雜質(zhì):能夠向(晶體)半導(dǎo)體提供空穴并形成負(fù)電中心底雜質(zhì)——受主雜質(zhì) 受主雜質(zhì)電離能:空穴掙脫受主雜質(zhì)束縛成為導(dǎo)電空穴所需的能量.受主能級(jí):空穴被受主雜質(zhì)束縛時(shí)的能量狀態(tài)對(duì)應(yīng)的能級(jí).淺能級(jí)雜質(zhì):電離能小的雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì).所謂淺能級(jí),是指施主能級(jí)靠近導(dǎo)帶底,受主能級(jí)靠近價(jià)帶頂.室溫下,摻雜濃度不很高底情況下,淺能級(jí)雜質(zhì)幾乎可以可以全部電離.五價(jià)元素磷(P),銻()在硅,鍺中是淺受主雜質(zhì),三價(jià)元素硼(B),鋁(),鎵(),銦()在硅,鍺中為淺受主雜質(zhì).雜質(zhì)補(bǔ)償:半導(dǎo)體中存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí),它們底共同作用會(huì)使載流子減少,這種作用稱為雜質(zhì)補(bǔ)償.在制造半導(dǎo)體器件底過程中,通過采用雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)追椒▉砀淖儼雽?dǎo)體某個(gè)區(qū)域底導(dǎo)電類型或電阻率.高度補(bǔ)償:若施主雜質(zhì)濃度與受主雜質(zhì)濃度相差不大或二者相等,則不能提供電子或空穴,這種情況稱為雜質(zhì)的高等補(bǔ)償.這種材料容易被誤認(rèn)為高純度半導(dǎo)體,實(shí)際上含雜質(zhì)很多,性能很差,一般不能用來制造半導(dǎo)體器件.深能級(jí)雜質(zhì):雜質(zhì)電離能大,施主能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底,受主能級(jí)遠(yuǎn)離價(jià)帶頂.深能級(jí)雜質(zhì)有三個(gè)基本特點(diǎn):一是不容易電離,對(duì)載流子濃度影響不大;二是一般會(huì)產(chǎn)生多重能級(jí),甚至既產(chǎn)生施主能級(jí)也產(chǎn)生受主能級(jí).三是能起到復(fù)合中心作用,使少數(shù)載流子壽命降低(在第五章詳細(xì)討論).四是深能級(jí)雜質(zhì)電離后以為帶電中心,對(duì)載流子起散射作用,使載流子遷移率減少,導(dǎo)電性能下降.◆基本要求:掌握淺能級(jí)雜質(zhì)和深能級(jí)雜質(zhì)的基本特點(diǎn)和在半導(dǎo)體中起的作用,特別注意金在硅中既有施主能級(jí)又有受主能級(jí),它是有效的復(fù)合中心.

§ 化合物半導(dǎo)體中底雜質(zhì)能級(jí) ◆本節(jié)內(nèi)容: 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式

　　各類雜質(zhì)在砷化鎵,磷化鎵中的雜質(zhì)能級(jí).◆課程重點(diǎn):四族元素硅在砷化鎵中的雙性行為,即硅的濃度較低時(shí)主要起施主雜質(zhì)作用,當(dāng)硅的濃度較高時(shí),一部分硅原子將起到受主雜質(zhì)作用.這種雙性行為可作如下解釋:實(shí)驗(yàn)測(cè)得硅在砷化鎵中引入一淺施主能級(jí)(-)ev,硅應(yīng)起施主作用,那么當(dāng)硅雜質(zhì)電離后,每一個(gè)硅原子向?qū)峁┮粋€(gè)導(dǎo)電電子,導(dǎo)帶中的電子濃度應(yīng)隨硅雜質(zhì)濃度的增加而線性增加.但是實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)硅雜質(zhì)濃度上升到一定程度之后,導(dǎo)帶電子濃度趨向飽和,好像施主雜質(zhì)的有效濃度降低了.這種現(xiàn)象的出現(xiàn),是因?yàn)樵诠桦s質(zhì)濃度較高時(shí),硅原子不僅取代鎵原子起著受主雜質(zhì)的作用,而且硅也取代了一部分V族砷原子而起著受主雜質(zhì)的作用,因而對(duì)于取代Ⅲ族原子鎵的硅施主雜質(zhì)起到補(bǔ)償作用,從而降低了有效施主雜質(zhì)的濃度,電子濃度趨于飽和.可見,在這個(gè)粒子中,硅雜質(zhì)的總效果是起施主作用,保持砷化鎵為n型半導(dǎo)體.實(shí)驗(yàn)還表明,砷化鎵單晶體中硅雜質(zhì)濃度為時(shí),取代鎵原子的硅施主濃度與取代砷原子的硅受主濃度之比約為:1.硅取代砷所產(chǎn)生的受主能級(jí)在()ev處.◆課程難點(diǎn):無

◆基本概念:等電子陷阱和等離子雜質(zhì)在某些化合物半導(dǎo)體中,例如磷化鎵中摻入V族元素氮或鉍,氮或鉍將取代磷并在禁帶中產(chǎn)生能級(jí).這個(gè)能級(jí)稱為等離子陷阱.這種效應(yīng)稱為等離子雜質(zhì)效應(yīng).所謂等離子雜質(zhì)是與基質(zhì)晶體原子具有同數(shù)量?jī)r(jià)電子的雜質(zhì)原子,它們替代了格點(diǎn)上的同族原子后,基本上仍是電中性的.但是由于原子序數(shù)不同,這些原子的共價(jià)半徑和電負(fù)性有差別,因而它們能俘獲某種載流子而成為帶電中心.這個(gè)帶電中心就稱為等離子陷阱.是否周期表中同族元素均能形成等離子陷阱呢 只有當(dāng)摻入原子與基質(zhì)晶體原子在電負(fù)性,共價(jià)半徑方面有較大差別時(shí),才能形成等離子陷阱.一般說,同族元素原子序數(shù)越小,電負(fù)性越大,共價(jià)半徑越小.等電子雜質(zhì)電負(fù)性大于基質(zhì)晶體原子的電負(fù)性時(shí),取代后,它便能俘獲電子成為負(fù)電中心.反之,它能俘獲空穴成為正電中心.例如,氮的共價(jià)半徑和電負(fù)性分別為和,磷的共價(jià)半徑和電負(fù)性分別為和,氮取代磷后能俘獲電子成為負(fù)電中心.這個(gè)俘獲中心稱為等離子陷阱.這個(gè)電子的電離能=鉍的共價(jià)半徑和負(fù)電性分別為和,鉍取代磷后能俘獲空穴,它的電離能是=◆基本要求:掌握等電子陷阱和等離子雜質(zhì)的概念.能解釋硅在砷化鎵中的雙性行為.

§ 半導(dǎo)體中的缺陷能級(jí)(defect levels) ◆本節(jié)內(nèi)容: 點(diǎn)缺陷(熱缺陷)point defects/thermaldefects 點(diǎn)缺陷的種類: 弗侖克耳缺陷:原子空位和間隙原子同時(shí)存在 肖特基缺陷:晶體中只有晶格原子空位 間隙原子缺陷:只有間隙原子而無原子空位 點(diǎn)缺陷(熱缺陷)特點(diǎn): 熱缺陷的數(shù)目隨溫度升高而增加

　　熱缺陷中以肖特基缺陷為主(即原子空位為主).原因:三種點(diǎn)缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小.(可參閱劉文明《半導(dǎo)體物理學(xué)》p70～p73,或葉良修《半導(dǎo)體物理學(xué)》p24和p94) 淬火后可以"凍結(jié)"高溫下形成的缺陷.退火后可以消除大部分缺陷.半導(dǎo)體器件生產(chǎn)工藝中,經(jīng)高溫加工(如擴(kuò)散)后的晶片一般都需要進(jìn)行退火處理.離子注入形成的缺陷也用退火來消除. 點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的影響: 缺陷處晶格畸變,周期性勢(shì)場(chǎng)被破壞,致使在禁帶中產(chǎn)生能級(jí).熱缺陷能級(jí)大多為深能級(jí),在半導(dǎo)體中起復(fù)合中心作用,使非平衡載流子濃度和壽命降低.空位缺陷有利于雜質(zhì)擴(kuò)散

　　對(duì)載流子有散射作用,使載流子遷移率和壽命降低.位錯(cuò)(dislocation) 位錯(cuò)形成原因

位錯(cuò)種類:刃位錯(cuò)(橫位錯(cuò))和螺位錯(cuò) 2.棱位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響: 位錯(cuò)線上的懸掛鍵可以接受電子變?yōu)樨?fù)電中心,表現(xiàn)為受主;懸掛鍵上的一個(gè)電子也可以被釋放出來而變?yōu)檎娭行?此時(shí)表現(xiàn)為施主,即不飽和的懸掛鍵具有雙性行為,可以起受主作用,也可以起施主作用.位錯(cuò)線處晶格變形,導(dǎo)致能帶變形 位錯(cuò)線影響雜質(zhì)分布均勻性

　　位錯(cuò)線若接受電子變成負(fù)電中心,對(duì)載流子有散射作用.(第四章) 影響少子壽命,原因:一是能帶變形,禁帶寬度減小,有利于非平衡載流子復(fù)合;二是在禁帶中產(chǎn)生深能級(jí),促進(jìn)載流子復(fù)合.(第五章) 偏離化學(xué)比缺陷:離子晶體或化合物半導(dǎo)體,由于組成晶體的元素偏離正?；瘜W(xué)比而形成的缺陷.◆課程重點(diǎn):點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響(參閱本節(jié)內(nèi)容).◆課程難點(diǎn):無.◆基本要求:掌握點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性能的影響.

　　第二章思考題與自測(cè)題: 1.說明雜質(zhì)能級(jí)以及電離能的物理意義.為什么受主,施主能級(jí)分別位于價(jià)帶之上或?qū)е?而且電離能的數(shù)值較小

2.純鍺,硅中摻入Ⅲ族或Ⅴ族元素后,為什么使半導(dǎo)體電性能有很大的改變 雜質(zhì)半導(dǎo)體(p型或n型)應(yīng)用很廣,但為什么我們很強(qiáng)調(diào)對(duì)半導(dǎo)體材料的提純

3.把不同種類的施主雜質(zhì)摻入同一種半導(dǎo)體材料中,雜質(zhì)的電離能和軌道半徑是否不同 把同一種雜質(zhì)摻入到不同的半導(dǎo)體材料中(例如鍺和硅),雜質(zhì)的電離能和軌道半徑又是否都相同

4.何謂深能級(jí)雜質(zhì) 它們電離以后有說明特點(diǎn)

5.為什么金元素在鍺或硅中電離后可以引入多個(gè)施主或受主能級(jí)

6.說明摻雜對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響.7.說明半導(dǎo)體中淺能級(jí)雜質(zhì)和深能級(jí)雜質(zhì)的作用有何不同

8.什么叫雜質(zhì)補(bǔ)償 什么叫高度補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體 雜質(zhì)補(bǔ)償有何實(shí)際應(yīng)用

　　第三章 半導(dǎo)體中熱平衡載流子的統(tǒng)計(jì)分布

　　引言: 本章的主要任務(wù):計(jì)算本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的熱平衡載流子濃度及費(fèi)米能級(jí)的位置,討論,,與,,的關(guān)系.熱平衡和熱平衡載流子:在一定溫度下,如果沒有其它外界作用半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子和空穴是依靠電子的熱激發(fā)作用而產(chǎn)生的,電子從不斷熱震動(dòng)的晶格中獲得一定的能量,就可能從低能量的量子態(tài)躍遷到高能量的量子態(tài),例如,電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶(這就是本征激發(fā)),形成導(dǎo)電電子和價(jià)帶空穴.電子和空穴也可以通過雜質(zhì)電離方式產(chǎn)生,當(dāng)電子從施主能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)帶電子;當(dāng)電子從價(jià)帶激發(fā)到受主能級(jí)時(shí)產(chǎn)生價(jià)帶空穴等.與此同時(shí),還存在著相反的過程,即電子也可以從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子態(tài),并向晶格放出一定能量,從而使導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴不斷減少,這一過程稱為載流子的復(fù)合.在一定溫度下,這兩個(gè)相反的過程之間將建立起動(dòng)態(tài)的平衡,稱為熱平衡狀態(tài).這時(shí),半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子濃度和空穴濃度都保持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值,這種處于熱平衡狀態(tài)下的導(dǎo)電電子和空穴稱為熱平衡載流子.當(dāng)溫度改變時(shí),破壞了原來的平衡狀態(tài),又重新建立起新的平衡狀態(tài),熱平衡載流子的濃度也將發(fā)生變化,達(dá)到另一穩(wěn)定數(shù)值.解決問題的思路:熱平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡,載流子在各個(gè)能級(jí)之間躍遷,但它們?cè)诿總€(gè)能級(jí)上出現(xiàn)的幾率是不同的.要討論熱平衡載流子的統(tǒng)計(jì)分布,是首先要解決下述問題: ①回顧幾率的概念及幾率的運(yùn)算法則

　　載流子在允許的量子態(tài)上的分布函數(shù)(幾率函數(shù)) 允許的量子態(tài)按能量如何分布——能量狀態(tài)密度g(E) 載流子在允許的量子態(tài)中如何分布 然后討論,,～,,T的關(guān)系

§ 載流子的統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)及能量狀態(tài)密度 (說明:本節(jié)內(nèi)容對(duì)講義§和§進(jìn)行了整合) ◆本節(jié)內(nèi)容: 幾率的基本運(yùn)算法則(簡(jiǎn)要回顧加法和乘法) 分布函數(shù)

Maxwell速率分布函數(shù) Boltzmann能量分布函數(shù)

費(fèi)米(Fermi)分布函數(shù)

　　能量狀態(tài)密度 k空間的狀態(tài)密度 導(dǎo)帶和價(jià)帶能量狀態(tài)密度 ◆課程重點(diǎn): 費(fèi)米分布函數(shù)的意義:它表示能量為E的量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率,它是描寫熱平衡狀態(tài)下電子在允許的量子態(tài)上如何分布的一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布函數(shù);費(fèi)米分布函數(shù)還給出空穴占據(jù)各能級(jí)的幾率,一個(gè)能級(jí)要么被電子占據(jù),否則就是空的,即被空穴占據(jù), 與對(duì)稱于 可以證明:

　　這對(duì)研究電子和空穴的分布很方便.費(fèi)米分布函數(shù)與波耳茲曼分布函數(shù)的關(guān)系: 當(dāng)時(shí),電子的費(fèi)米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為波耳茲曼分布函數(shù).因?yàn)閷?duì)于熱平衡系統(tǒng)和溫度為定值,則,這就是通常見到的波耳茲曼分布函數(shù).同理,當(dāng)時(shí) ,空穴的費(fèi)米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為空穴的波耳茲曼分布函數(shù).在半導(dǎo)體中,最常遇到的情況是費(fèi)米能級(jí)位于價(jià)帶內(nèi),而且與導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂?shù)木嚯x遠(yuǎn)大于,所以,對(duì)導(dǎo)帶中的所有量子態(tài)來說,被電子占據(jù)的幾率,一般都滿足,故半導(dǎo)體電子中的電子分布可以用電子的波耳茲曼分布函數(shù)描寫.由于隨著能量E的增大,f(E)迅速減小,所以導(dǎo)帶中絕大多數(shù)電子分布在導(dǎo)帶底附近.同理,對(duì)半導(dǎo)體價(jià)帶中的所有量子態(tài)來說,被空穴占據(jù)的幾率,一般都滿足,故價(jià)帶中的空穴分布服從空穴的波耳茲曼分布函數(shù).由于隨著能量E的增大,迅速增大,所以價(jià)帶中絕大多數(shù)空穴分布在價(jià)帶頂附近.因而和是討論半導(dǎo)體問題時(shí)常用的兩個(gè)公式.通常把服從波耳茲曼統(tǒng)計(jì)率的電子系統(tǒng)稱為非簡(jiǎn)并性系統(tǒng).費(fèi)米能級(jí):稱為費(fèi)米能級(jí)或費(fèi)米能量,它和溫度,半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型,雜質(zhì)的含量以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān).是一個(gè)很重要的物理參數(shù),只要知道了的數(shù)值,在一定溫度下,電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計(jì)分布就完全確定.它可以由半導(dǎo)體中能帶內(nèi)所以量子態(tài)中被電子占據(jù)的量子態(tài)數(shù)應(yīng)等于電子總數(shù)N這一條件來決定,即,將半導(dǎo)體中大量電子的集體看成一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng),由統(tǒng)計(jì)理論證明,費(fèi)米能級(jí)是系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì),即,代表系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì),F式系統(tǒng)的自由能.上式的意義是:當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài),也不對(duì)外界做功的情況下,系統(tǒng)中增加一個(gè)電子所引起系統(tǒng)自由能的變化,等于系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì),所以處于熱平衡狀態(tài)的電子系統(tǒng)有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí).一般可以認(rèn)為,在溫度不很高時(shí),能量大于費(fèi)米能級(jí)的電子態(tài)基本上沒有被電子占據(jù),而能量小于費(fèi)米能級(jí)的幾率在各溫度下總是1/2,所以費(fèi)米能級(jí)的位置比較直觀的標(biāo)志了電子占據(jù)量子態(tài)的狀況,通常就說費(fèi)米能級(jí)標(biāo)志了電子填充能級(jí)的水平.費(fèi)米能級(jí)位置越高,說明有較多的能量較高的電子態(tài)上有電子.了計(jì)算電子和空穴的濃度,必須對(duì)一個(gè)能帶內(nèi)的所有能量積分,而不只是對(duì)布里淵區(qū)體積積分,為此引入狀態(tài)密度概念即單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù).其表達(dá)式為:.可以通過下述步驟計(jì)算狀態(tài)密度:首先算出單位k空間中的量子態(tài)數(shù),即k空間中的狀態(tài)密度;然后算出k空間中與能量E到E+dE間所對(duì)應(yīng)的k空間體積,并和k空間中的狀態(tài)密度相乘,從而求得在能量E到E+dE間的量子態(tài)數(shù)dE;最后,根據(jù)前式,求得狀態(tài)密度g(E).◆課程難點(diǎn): 能量狀態(tài)密度與k空間量子態(tài)的分布即等能面的形狀有關(guān).在k 空間量子態(tài)的分布是均勻的,量子態(tài)的密度為V(立方晶體的體積).如果計(jì)入自旋,每個(gè)量子態(tài)可以允許兩個(gè)自旋相反的電子占據(jù)一個(gè)量子態(tài).換言之,k空間每個(gè)量子態(tài)實(shí)際上代表自旋方向相反的兩個(gè)量子態(tài),所以,在k空間,電子允許的量子態(tài)密度為2V.注意:這時(shí)每個(gè)量子態(tài)最多容納一個(gè)電子.這樣,與費(fèi)米分布函數(shù)的定義就統(tǒng)一起來了(費(fèi)米分布函數(shù)是能量為E的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率).狀態(tài)密度表達(dá)式的推導(dǎo)過程作為課堂討論的課程重點(diǎn)內(nèi)容之一.◆基本概念:費(fèi)米分布函數(shù),k空間狀態(tài)密度和能量狀態(tài)密度的概念.◆基本要求:掌握費(fèi)米分布函數(shù)和玻耳茲曼分布函數(shù)及費(fèi)米能級(jí)的意義.費(fèi)米能級(jí)是一個(gè)參考能級(jí),不是電子的真實(shí)能級(jí),費(fèi)米能級(jí)的位置標(biāo)志了電子填充能級(jí)的水平.熱平衡條件下費(fèi)米能級(jí)為定值,費(fèi)米能級(jí)的數(shù)值與溫度,半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型,雜質(zhì)濃度及零點(diǎn)的選取有關(guān),它是一個(gè)很重要的物理參數(shù).要求學(xué)習(xí)好的同學(xué)能導(dǎo)出導(dǎo)帶底能量狀態(tài)密度的表達(dá)式.

§ 導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度 ◆本節(jié)內(nèi)容: 導(dǎo)帶電子濃度 價(jià)帶空穴濃度 ◆課程重點(diǎn): 導(dǎo)出導(dǎo)帶電子濃度和帶空穴濃度表達(dá)式

　　理解,掌握電子濃度,空穴濃度表達(dá)式的意義(見基本要求) ◆課程難點(diǎn):導(dǎo)出導(dǎo)帶電子濃度的基本思路是:和計(jì)算狀態(tài)密度是一樣,認(rèn)為能帶中的能級(jí)是連續(xù)分布的,將能帶分成一個(gè)個(gè)很小的能量間隔來處理.對(duì)導(dǎo)帶分為無限多的無限小的能量間隔,則在能量到之間有個(gè)量子態(tài),而電子占據(jù)能量為的量子態(tài)的幾率是,則在到間有個(gè)被電子占據(jù)的量子態(tài),因?yàn)槊總€(gè)被占據(jù)的量子態(tài)上有一個(gè)電子,所以在到間有個(gè)電子.然后把所有能量區(qū)間中的電子數(shù)相加,實(shí)際上是從導(dǎo)帶底到導(dǎo)帶頂對(duì)進(jìn)行積分,就得到了能帶中底電子總數(shù),再除以半導(dǎo)體體積就得到了導(dǎo)帶中的電子濃度.因?yàn)橘M(fèi)米能級(jí)一般在禁帶中,導(dǎo)帶中的能級(jí)遠(yuǎn)高于費(fèi)米能級(jí),即當(dāng)時(shí),計(jì)算導(dǎo)帶電子濃度可用玻耳茲曼分布函數(shù).◆基本概念:電子濃度和空穴濃度的乘積與費(fèi)米能級(jí)無關(guān).對(duì)一定的半導(dǎo)體材料,乘積只決定于溫度,與所含雜質(zhì)無關(guān).而在一定溫度下,對(duì)不同的半導(dǎo)體材料,因禁帶寬度不同,乘積也將不同.這個(gè)關(guān)系式不論是本征半導(dǎo)體還是雜質(zhì)半導(dǎo)體,只要是熱平衡狀態(tài)下的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體,都普遍適用,在討論許多許多實(shí)際問題時(shí)常常引用.對(duì)一定的半導(dǎo)體材料,在一定的溫度下,乘積時(shí)一定的.換言之,當(dāng)半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時(shí),載流子濃度的乘積保持恒定,如果電子濃度增加,空穴濃度就要減小;反之亦然.式和式是熱平衡載流子濃度的普遍表示式.只要確定了費(fèi)米能級(jí),在一定溫度時(shí),半導(dǎo)體導(dǎo)帶中電子濃度,價(jià)帶中空穴濃度就可以計(jì)算出來.◆基本要求:掌握導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度公式: 與分別是導(dǎo)帶與價(jià)帶底有效狀態(tài)密度,相當(dāng)于把導(dǎo)帶中所有量子態(tài)都集中在導(dǎo)帶底,而它的狀態(tài)密度為;同理,相當(dāng)于把價(jià)帶中所有量子態(tài)都集中在價(jià)帶頂,而它的狀態(tài)密度為.上兩式中的指數(shù)部分是具有玻耳茲曼分布函數(shù)形式的幾率函數(shù),前者是電子占據(jù)能量為的量子態(tài)幾率,后者是空穴占據(jù)能量為的量子態(tài)的幾率.則導(dǎo)帶中的電子濃度是中電子占據(jù)的量子態(tài)數(shù),價(jià)帶空穴濃度是中有空穴占據(jù)的量子態(tài)數(shù).

§ 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 ◆本節(jié)內(nèi)容: 本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí) 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 熱平衡條件

◆課程重點(diǎn):利于電中性條件(所謂電中性條件,就是電中性的半導(dǎo)體,其負(fù)電數(shù)與正電荷相等.因?yàn)殡娮訋ж?fù)電,空穴帶正電,所以對(duì)本征半導(dǎo)體,電中性條件是導(dǎo)帶中的電子濃度應(yīng)等于價(jià)帶中的空穴濃度,即=,由此式可導(dǎo)出費(fèi)米能級(jí).)求解本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí):本征半導(dǎo)體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體,在絕對(duì)零度時(shí),價(jià)帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù),而導(dǎo)帶中的量子態(tài)全部空著,也就是說,半導(dǎo)體中共價(jià)鍵是飽和的,完整的.當(dāng)半導(dǎo)體的溫度大于零度時(shí),就有電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶中去,同時(shí)價(jià)帶中產(chǎn)生空穴,這就是所謂的本征激發(fā).由于電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生,導(dǎo)帶中的電子濃度應(yīng)等于價(jià)帶中的空穴濃度,即=.2本征載流子濃度與溫度和價(jià)帶寬度有關(guān).溫度升高時(shí),本征載流子濃度迅速增加;不同的半導(dǎo)體材料,在同一溫度下,禁帶寬度越大,本征載流子濃度越大.3,一定溫度下,任何非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的熱平衡載流子的濃度的乘積對(duì)于該溫度時(shí)的本征載流子的濃度的平方,即,與所含雜質(zhì)無關(guān).因此,它不僅適用于本征半導(dǎo)體材料,而且也適用于非簡(jiǎn)并的雜質(zhì)半導(dǎo)體材料.4,的意義:可作為判斷半導(dǎo)體材料的熱平衡條件.熱平衡條件下,,均為常數(shù),則也為常數(shù),這時(shí)單位時(shí)間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的載流子數(shù)等于單位時(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合掉的載流子數(shù),也就是說產(chǎn)生率大于復(fù)合率.因此,此式可作為判斷半導(dǎo)體材料是否達(dá)到熱平衡的依據(jù)式.◆課程難點(diǎn): 這是一個(gè)容易忽視的問題,即本征半導(dǎo)體中導(dǎo)帶電子濃度等于價(jià)帶空穴濃度,根據(jù)載流子的分布函數(shù)及費(fèi)米年間的意義可知:本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)應(yīng)該位于導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂之間的中間位置,即禁帶中央處.只有這樣,導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴才能對(duì)稱于費(fèi)米能級(jí),分布在導(dǎo)帶和價(jià)帶中,以滿足=.但是由于導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度()和價(jià)帶有效狀態(tài)密度()中分別含有電子狀態(tài)濃度的有效質(zhì)量()和價(jià)帶空穴狀態(tài)有效密度().由于兩者數(shù)值上的差異,使本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)偏離禁帶中央.如果費(fèi)米能級(jí)偏離禁帶中很小,可以認(rèn)為費(fèi)米能級(jí)基本上位于禁帶中央;如果和相差很大,本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)就會(huì)偏離禁帶中央很遠(yuǎn).具體情況可用本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)表達(dá)式分析(參閱講義式(3-30)即該式以下的說明).◆基本概念: 半導(dǎo)體材料制成的器件都有一定的極限工作溫度,這個(gè)工作溫度受本征載流子濃度制約:一般半導(dǎo)體器件中,載流子主要來源于雜質(zhì)電離,而將本征激發(fā)忽略不計(jì).在本征載流子濃度沒有超過雜質(zhì)電離所提供的載流子濃度的溫度范圍,如果雜質(zhì)全部電離,載流子濃度是一定的,器件就能穩(wěn)定工作.但是隨著溫度的升高,本征載流子濃度迅速地增加.例如在室溫附近,純硅的溫度每升高8K左右,本征載流子的濃度就增加約一倍.而純鍺的溫度每升高12K左右,本征載流子的濃度就增加約一倍.當(dāng)溫度足夠高時(shí),本征激發(fā)占主要地位,器件將不能正常工作.因此,每一種半導(dǎo)體材料制成的器件都有一定的極限工作溫度,超過這一溫度后,器件就失效了.例如,一般硅平面管采用室溫電阻率為1·cm左右的原材料,它是由摻入的施主雜質(zhì)銻而制成的.在保持載流子主要來源于雜質(zhì)電離時(shí),要求本征載流子濃度至少比雜質(zhì)濃度低一個(gè)數(shù)量級(jí),即不超過.如果也以本征載流子濃度不超過的話,對(duì)應(yīng)溫度為526K,所以硅器件的極限工作溫度是520K左右.鍺的禁帶寬度比硅小,鍺的器件工作溫度比硅低,約為370K左右.砷化鎵禁帶寬度比硅大,極限工作溫度可高達(dá)720K左右,適宜于制造大功率器件.總之,由于本征載流子濃度隨溫度的迅速變化,用本征材料制作的器件性能很不穩(wěn)定,所以制造半導(dǎo)體器件一般都用含有適當(dāng)雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料.◆基本要求: 能夠?qū)懗霰菊靼雽?dǎo)體的電中性方程,并導(dǎo)出費(fèi)米能級(jí)的表達(dá)式;熟悉半導(dǎo)體半導(dǎo)體載流子濃度與溫度和禁帶寬度的關(guān)系;了解通過測(cè)量不同溫度下本征載流子濃度如何得到絕對(duì)零度時(shí)的禁帶寬度;正確使用熱平衡判斷式.經(jīng)常用到的數(shù)據(jù)最好要記住.例如,300 K時(shí)硅,鍺,砷化鎵的禁帶寬度分別為,,本征載流子濃度分別為,,均為實(shí)驗(yàn)值.

§ 雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度 ◆本節(jié)內(nèi)容: 雜質(zhì)濃度上的電子和空穴 雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度 ◆課程重點(diǎn): 半導(dǎo)體雜質(zhì)能級(jí)被電子占據(jù)的幾率函數(shù)與費(fèi)米分布函數(shù)不同:因?yàn)殡s質(zhì)能級(jí)和能帶中的能級(jí)是有區(qū)別的,在能帶中的能級(jí)可以容納自旋下凡的兩個(gè)電子;而施主能級(jí)只能或者被一個(gè)任意自旋方向的電子占據(jù),或者不接受電子(空的)這兩種情況中的一種,即施主能級(jí)不允許同時(shí)被自旋方向相反的兩個(gè)電子所占據(jù).所以不能用費(fèi)米分布函數(shù)表示電子占據(jù)雜質(zhì)能級(jí)的幾率.分析雜質(zhì)半導(dǎo)體摻雜濃度和溫度對(duì)載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)的影響.摻有某種雜質(zhì)的半導(dǎo)體的載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)由溫度和雜質(zhì)濃度所決定.對(duì)于雜質(zhì)濃度一定的半導(dǎo)體,隨著溫度的升高,載流子則是從以雜質(zhì)電離為主要來源過渡到以本征激發(fā)為主要來源的過程,相應(yīng)地,費(fèi)米能級(jí)則從位于雜質(zhì)能級(jí)附近逐漸移近禁帶中線處.譬如n型半導(dǎo)體,在低溫弱電離區(qū)時(shí),導(dǎo)帶中的電子是從施主雜質(zhì)電離產(chǎn)生的;隨著溫度升高,導(dǎo)帶中的電子濃度也增加,而費(fèi)米能級(jí)則從施主能級(jí)以上往下降到施主能級(jí)以下;當(dāng)下降到以下若干時(shí),施主雜質(zhì)全部電離,導(dǎo)帶中的電子濃度等于施主濃度,處于飽和區(qū);再升高溫度,雜質(zhì)電離已經(jīng)不能增加電子數(shù),但本征激發(fā)產(chǎn)生的電子迅速增加著,半導(dǎo)體進(jìn)入過渡區(qū),這是導(dǎo)帶中的電子由數(shù)量級(jí)相近的本征激發(fā)部分和雜質(zhì)電離部分組成,而費(fèi)米能級(jí)則繼續(xù)下降;當(dāng)溫度再升高時(shí),本征激發(fā)成為載流子的主要來源,載流子濃度急劇上升,而費(fèi)米能級(jí)下降到禁帶中線處這時(shí)就是典型的本征激發(fā).對(duì)于p型半導(dǎo)體,作相似的討論,在受主濃度一定時(shí),隨著溫度升高,費(fèi)米能級(jí)從在受主能級(jí)以下逐漸上升到禁帶中線處,而載流子則從以受主電離為主要來源轉(zhuǎn)化到以本征激發(fā)為主要來源.當(dāng)溫度一定時(shí),費(fèi)米能級(jí)的位置由雜質(zhì)濃度所決定,例如n型半導(dǎo)體,隨著施主濃度的增加,費(fèi)米能級(jí)從禁帶中線逐漸移向?qū)У追较?對(duì)于p型半導(dǎo)體,隨著受主濃度的增加費(fèi)米能級(jí)從禁帶中線逐漸移向價(jià)帶頂附近.這說明,在雜質(zhì)半導(dǎo)體中,費(fèi)米能級(jí)的位置不但反映了半導(dǎo)體導(dǎo)電類型,而且還反映了半導(dǎo)體的摻雜水平.對(duì)于n型半導(dǎo)體,費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中線以上,越大,費(fèi)米能級(jí)位置越高.對(duì)于p型半導(dǎo)體,費(fèi)米能級(jí)位于中線以下,越大,費(fèi)米能級(jí)位置越低.◆課程難點(diǎn): 根據(jù)電中性方程導(dǎo)出各個(gè)溫度區(qū)間的費(fèi)米能級(jí)和載流子濃度表達(dá)式.雜質(zhì)電離程度與溫度,摻雜濃度及雜質(zhì)電離能有關(guān),溫度高,電離能小,有利于雜質(zhì)電離.但雜質(zhì)濃度過高,則雜質(zhì)不能充分電離.通常所說的室溫下雜質(zhì)全部電離,實(shí)際上忽略了雜質(zhì)濃度的限制.◆基本概念: 多數(shù)載流子和少數(shù)載流子(多子和少子):半導(dǎo)體中載流子為電子和空穴,n型半導(dǎo)體以電子導(dǎo)電為主,電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度,故稱電子為n型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子,簡(jiǎn)稱多子,空穴為n型半導(dǎo)體的少數(shù)載流子,簡(jiǎn)稱少子;對(duì)于p型半導(dǎo)體,空穴為多子,電子為少子.平衡少子濃度正比于本征載流子濃度的平方,對(duì)于n型半導(dǎo)體,由可得少子濃度,它強(qiáng)烈的依賴于溫度的變化.◆基本要求: 能夠?qū)懗鲋粨诫s一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體的一般性電中性方程,若只有施主雜質(zhì)時(shí),為,若只有受主雜質(zhì)時(shí)為本征激發(fā)可以忽略的情況下,例如室溫區(qū),電中性條件為;當(dāng)溫度較高,雜質(zhì)全部電離,本征激發(fā)不能忽略時(shí),電中性條件為,在這種情況下,應(yīng)和聯(lián)立,方可解出和.能夠較熟練地計(jì)算室溫下地載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)(n型和p型) 在摻雜濃度一定地情況下,能夠解釋多子濃度隨溫度地變化關(guān)系.

§ 一般情況下地載流子統(tǒng)計(jì)分布 ◆本節(jié)內(nèi)容: 電中性方程的一般形式及費(fèi)米能級(jí) 用解析法求解咋了濃度及費(fèi)米能級(jí) ◆課程重點(diǎn): 一般情況下,半導(dǎo)體既含有施主雜質(zhì),又含有受主雜質(zhì),在熱平衡狀態(tài)下,電中性方程為,此式的意義是:同時(shí)含有一種施主雜質(zhì)和一種受主雜質(zhì)情況下,半導(dǎo)體單位體積內(nèi)的負(fù)電荷數(shù)(導(dǎo)帶電子濃度與電離受主濃度之和)等于單位體內(nèi)的正電荷數(shù)(價(jià)帶空穴濃度與電離施主濃度之和).施主濃度大于受主濃度情況下,分析載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)與溫度的關(guān)系.◆課程難點(diǎn): 在不同的溫度區(qū)間分析載流子密度和費(fèi)米能級(jí)與溫度的關(guān)系溫度區(qū)間的劃分不是我們傳統(tǒng)意義的以溫度的數(shù)值范圍來劃分,而是通過相關(guān)參量的比較,把要討論的整個(gè)溫度范圍劃分為極低溫區(qū),低溫區(qū)……本征激發(fā)區(qū).注意兩個(gè)電中性方程的適用條件:雜質(zhì)全部電離,本征激發(fā)可以忽略,即時(shí),電中性方程為,(原始方程為).雜質(zhì)全部電離,本征激發(fā)不能忽略即摻雜濃度與的數(shù)值相近,或由于溫度升高使數(shù)值增大而導(dǎo)致與相近時(shí),電中性方程為(原始方程為,式中,).使用上述兩個(gè)電中性方程時(shí),關(guān)鍵要判斷是否要考慮本征激發(fā)對(duì)電中性方程的影響.◆基本要求:掌握半導(dǎo)體同時(shí)含有施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)情況下電中性方程的一般表達(dá)式,能較熟練地分析和計(jì)算半導(dǎo)體的載流子濃度和費(fèi)米能級(jí).

§ 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 Degenerate Semiconductor ◆本節(jié)內(nèi)容: 1 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的載流子濃度 導(dǎo)帶電子濃度 價(jià)帶空穴濃度 2 簡(jiǎn)并化條件 簡(jiǎn)并化條件

界簡(jiǎn)并情況下的雜質(zhì)濃度 簡(jiǎn)并化溫度范圍

　　簡(jiǎn)并半導(dǎo)體雜質(zhì)不能充分電離 雜質(zhì)帶導(dǎo)電 ◆課程重點(diǎn): 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的載流子濃度:對(duì)于n型半導(dǎo)體,施主濃度很高,使費(fèi)米能級(jí)接近或進(jìn)入導(dǎo)帶時(shí),導(dǎo)帶底附近底量子態(tài)基本上已被電子占據(jù),導(dǎo)帶中底電子書目很多,的條件不能成立,必須考慮泡利不相容原理的作用.這時(shí),不能再用玻耳茲曼分布函數(shù),必須用費(fèi)米分布函數(shù)來分析導(dǎo)帶中電子的分布問題.這種情況稱為載流子的簡(jiǎn)并化.發(fā)生載流子簡(jiǎn)并化的半導(dǎo)體稱為基本半導(dǎo)體,對(duì)于p型半導(dǎo)體,其費(fèi)米能級(jí)接近價(jià)帶頂或進(jìn)入價(jià)帶,也必須用費(fèi)米分布函數(shù)來分析價(jià)帶中空穴的分布問題.簡(jiǎn)并時(shí)的雜質(zhì)濃度:對(duì)n型半導(dǎo)體,半導(dǎo)體發(fā)生簡(jiǎn)并時(shí),摻雜濃度接近或大于導(dǎo)帶底有效狀態(tài)密度;對(duì)于雜質(zhì)電離能小的雜質(zhì),則雜質(zhì)濃度較小時(shí)就會(huì)發(fā)生簡(jiǎn)并.對(duì)于p型半導(dǎo)體,發(fā)生簡(jiǎn)并的受主濃度接近或大于價(jià)帶頂有效狀態(tài)密度,如果受主電離能較小,受主濃度較小時(shí)就會(huì)發(fā)生簡(jiǎn)并.對(duì)于不同種類的半導(dǎo)體,因?qū)У子行顟B(tài)密度和價(jià)帶頂有效密度各不相同.一般規(guī)律是有效狀態(tài)密度小的材料,其發(fā)生簡(jiǎn)并的雜質(zhì)濃度較小.◆課程難點(diǎn):半導(dǎo)體發(fā)生簡(jiǎn)并對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度范圍:用圖解的方法可以求出半導(dǎo)體發(fā)生簡(jiǎn)并時(shí),對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度范圍.這個(gè)溫度范圍的大小與發(fā)生簡(jiǎn)并時(shí)的雜質(zhì)濃度及雜質(zhì)電離能有關(guān):電離能一定時(shí),雜質(zhì)濃度越大,發(fā)生簡(jiǎn)并的溫度范圍越大;發(fā)生簡(jiǎn)并的雜質(zhì)濃度一定時(shí),雜質(zhì)電離能越小,簡(jiǎn)并溫度范圍越大.◆基本概念: 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中雜質(zhì)不能充分電離:通過分析計(jì)算,室溫下,n型硅摻磷,發(fā)生簡(jiǎn)并的磷雜質(zhì)濃度,經(jīng)計(jì)算,電離施主濃度,因此硅中只有%的雜質(zhì)是電離的,故導(dǎo)帶電子濃度.盡管只有%的雜質(zhì)電離,但摻雜濃度較大,所以電子濃度還是較大.簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中雜質(zhì)不能充分電離的原因:簡(jiǎn)并半導(dǎo)體電子濃度較高,費(fèi)米能級(jí)較低摻雜時(shí),遠(yuǎn)在施主能級(jí)之上,使雜質(zhì)電離程度降低(參閱§ 雜質(zhì)能級(jí)上的電子和空穴) 雜質(zhì)帶導(dǎo)電:在非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中,雜質(zhì)濃度不算很大,雜質(zhì)原子間距離比較遠(yuǎn),它們間的相互作用可以忽略.被雜質(zhì)原子束縛的電子在原子之間沒有共有化運(yùn)動(dòng),因此在禁帶中形成孤立的雜質(zhì)能級(jí).但是在重?fù)诫s的簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中,雜質(zhì)濃度很高,雜質(zhì)原子互相間很靠近,被雜質(zhì)原子束縛的電子的波函數(shù)顯著重疊,雜質(zhì)電子就有可能在雜質(zhì)原子之間產(chǎn)生共有化運(yùn)動(dòng),從而使孤立的雜質(zhì)能級(jí)擴(kuò)展為能帶,通常稱為雜質(zhì)能帶.雜質(zhì)能帶中的雜質(zhì)電子,可以通過雜質(zhì)原子之間的共有化運(yùn)動(dòng)參加導(dǎo)電的現(xiàn)象稱為雜質(zhì)帶導(dǎo)電.簡(jiǎn)并化條件:簡(jiǎn)并化條件是人們的一個(gè)約定,把與的相對(duì)位置作為區(qū)分簡(jiǎn)并化與非簡(jiǎn)并化的標(biāo)準(zhǔn),一般約定: , 非簡(jiǎn)并 , 弱簡(jiǎn)并 , 簡(jiǎn)并

　　注意:學(xué)過本節(jié)之后,在做習(xí)題時(shí),首先要判斷題目中給出的半導(dǎo)體材料是否發(fā)生弱簡(jiǎn)并或簡(jiǎn)并.然后才能確定采用相應(yīng)的有關(guān)公式進(jìn)行解題.◆基本要求: 對(duì)簡(jiǎn)并化半導(dǎo)體有最基本的認(rèn)識(shí),其主要特點(diǎn)是摻雜濃度高,使費(fèi)米能級(jí)接近或進(jìn)入導(dǎo)帶或價(jià)帶.能夠分析半導(dǎo)體是否發(fā)生簡(jiǎn)并化和計(jì)算簡(jiǎn)并化半導(dǎo)體的載流子濃度.了解簡(jiǎn)并化對(duì)能帶的影響及簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的基本應(yīng)用:簡(jiǎn)并化半導(dǎo)體由于雜質(zhì)帶的產(chǎn)生會(huì)使禁帶寬度變小;簡(jiǎn)并化半導(dǎo)體的基本應(yīng)用之一是用來制造隧道二極管,p-n結(jié)兩側(cè),n型材料的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶,p型材料的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入價(jià)帶(可參閱第六章最后一節(jié)).

　　第三章思考題與自測(cè)題: 1.半導(dǎo)體處于怎樣的狀態(tài)才能叫處于熱平衡狀態(tài) 其物理意義如何.2.什么叫統(tǒng)計(jì)分布函數(shù) 費(fèi)米分布和玻耳茲曼分布的函數(shù)形式有何區(qū)別 在怎樣的條件下前者可以過渡到后者 為什么半導(dǎo)體中載流子分布可以用玻耳茲曼分布描述

3.說明費(fèi)米能級(jí)的物理意義.根據(jù)費(fèi)米能級(jí)位置如何計(jì)算半導(dǎo)體中電子和空穴濃度 如何理解費(fèi)米能級(jí)是摻雜類型和摻雜程度的標(biāo)志

4.證明,在時(shí),對(duì)費(fèi)米能級(jí)取什么樣的對(duì)稱形式

5.在半導(dǎo)體計(jì)算中,經(jīng)常應(yīng)用這個(gè)條件把電子從費(fèi)米能級(jí)統(tǒng)計(jì)過渡到玻耳茲曼統(tǒng)計(jì),試說明這種過渡的物理意義.6.寫出半導(dǎo)體的電中性方程.此方程在半導(dǎo)體中有何重要意義 7.若n型硅中摻入受主雜質(zhì),費(fèi)米能級(jí)升高還是降低 若溫度升高當(dāng)本征激發(fā)起作用時(shí),費(fèi)米能級(jí)在什么位置 為什么

8.如何理解分布函數(shù)與狀態(tài)密度的乘積再對(duì)能量積分即可求得電子濃度

9.為什么硅半導(dǎo)體器件比鍺器件的工作溫度高

10.當(dāng)溫度一定時(shí),雜質(zhì)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)主要由什么因素決定 試把強(qiáng)N,弱N型半導(dǎo)體與強(qiáng)P,弱P半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)與本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)比較.11.如果向半導(dǎo)體中重?fù)绞┲麟s質(zhì),就你所知會(huì)出現(xiàn)一些什么效應(yīng)

　　第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性(載流子的輸運(yùn)現(xiàn)象) 引言: 本章主要討論載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律(載流子的輸運(yùn)現(xiàn)象),載流子在電場(chǎng)中的漂移運(yùn)動(dòng),遷移率,電導(dǎo)率,散射機(jī)構(gòu)及強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng).

§ 載流子的漂移運(yùn)動(dòng),遷移率 ◆本節(jié)內(nèi)容: 1 半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)形式 無規(guī)則運(yùn)動(dòng)(熱運(yùn)動(dòng)) 有規(guī)則運(yùn)動(dòng)(定向運(yùn)動(dòng)) 2 載流子的漂移運(yùn)動(dòng) 歐姆定律的微分形式 載流子的遷移率

　　3 半導(dǎo)體中的電位差引起能帶傾斜 ◆課程重點(diǎn): 在半導(dǎo)體中,常遇到電流分布不均勻的情況,即流過不同截面的電流強(qiáng)度不相等.所以,通常用電流密度來描述半導(dǎo)體中的的電流.電流密度是指通過垂直于電流方向的單位面積的電流,根據(jù)熟知的歐姆定律可以得到電流密度.它把通過半導(dǎo)體中某一點(diǎn)的電流密度和該處的電導(dǎo)率及電場(chǎng)強(qiáng)度直接聯(lián)系起來,稱為歐姆定律的微分形式.漂移速度和遷移率:有外加電壓時(shí),導(dǎo)體內(nèi)部的自由電子受到電場(chǎng)力的作用,沿著電場(chǎng)的反方向作定向運(yùn)動(dòng)構(gòu)成電流.電子在電場(chǎng)力的作用下的這種運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng),定向運(yùn)動(dòng)的速度稱為漂移速度.遷移率為單位場(chǎng)強(qiáng)下電子的平均漂移速度.因?yàn)殡娮訋ж?fù)電,所以電子的平均漂移速度的方向一般應(yīng)和電場(chǎng)強(qiáng)度方向相反,但習(xí)慣上遷移率只取正值.◆課程難點(diǎn):無 ◆基本概念: 半導(dǎo)體中的電流是電子電流和空穴電流的總和:一塊均勻半導(dǎo)體,兩端加以電壓,在半導(dǎo)體內(nèi)部就形成電場(chǎng).因?yàn)殡娮訋ж?fù)電,空穴帶正電,所以兩者漂移運(yùn)動(dòng)的方向不同,電子反電場(chǎng)方向漂移,空穴沿電場(chǎng)方向漂移.但是,形成的電流都是沿著電場(chǎng)方向.因而,半導(dǎo)體中的導(dǎo)電作用應(yīng)該是電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電的總和.電子遷移率比空穴遷移率大:遷移率數(shù)值大小可表示載流子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)的難易程度,導(dǎo)電的電子是在導(dǎo)帶中,它們是脫離了共價(jià)鍵可以在半導(dǎo)體中自由運(yùn)動(dòng)的電子;而導(dǎo)電的空穴是在禁帶中,空穴電流實(shí)際上是代表了共價(jià)鍵上的電子在價(jià)鍵間運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的電流.顯然,在相同的電場(chǎng)作用下,兩者的平均漂移速度不會(huì)相同,而且,導(dǎo)帶電子平均漂移速度要大些,就是說,電子遷移率與空穴遷移率不相等,前者要大些.◆基本要求:正確理解并會(huì)運(yùn)用如下簡(jiǎn)單而又重要的基本公式: 一般半導(dǎo)體的總電流: 一般半導(dǎo)體的電導(dǎo)率: n型半導(dǎo)體(n>>p): p型半導(dǎo)體(p>>n): 本征半導(dǎo)體(n=p=):

§ 載流子的散射 ◆本節(jié)內(nèi)容: 散射對(duì)載流子運(yùn)動(dòng)的影響 散射結(jié)構(gòu) 電離雜質(zhì)散射 晶格振動(dòng)散射 等同的能谷間散射

其它散射機(jī)構(gòu)(中性雜質(zhì)散射,位錯(cuò)散射) ◆課程重點(diǎn): 電離雜質(zhì)散射:施主雜質(zhì)電離后是一個(gè)帶正電的離子,受主雜質(zhì)電離后是一個(gè)帶負(fù)電的離子.在電離施主或受主周圍形成一個(gè)庫(kù)侖勢(shì)場(chǎng).這一庫(kù)侖勢(shì)場(chǎng)局部地破壞了雜質(zhì)附近地周期性勢(shì)場(chǎng),它就是使載流子散射地附加勢(shì)場(chǎng).當(dāng)載流子運(yùn)動(dòng)到電離雜質(zhì)附近時(shí),由于庫(kù)侖勢(shì)場(chǎng)地作用,就使載流子運(yùn)動(dòng)地方向發(fā)生改變.電離施主和電離受主對(duì)電子和空穴散射,它們?cè)谏⑸溥^程中的軌跡是以施主或受主為一個(gè)焦點(diǎn)的雙曲線.常以散射幾率P來描述散射地強(qiáng)弱,它代表單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)載流子受到散射的次數(shù).具體的分析發(fā)現(xiàn),濃度為的電離雜質(zhì)對(duì)載流子的散射幾率與溫度的關(guān)系為:.晶格散射:晶格散射主要是長(zhǎng)縱聲學(xué)波和長(zhǎng)縱光學(xué)波.長(zhǎng)縱聲學(xué)波傳播時(shí)荷氣體中的聲波類似,會(huì)造成原子分布的疏密變化,產(chǎn)生體變,即疏處體積膨脹,密處壓縮,如講義圖4-10(a)所示.在一個(gè)波長(zhǎng)中,一半處于壓縮狀態(tài),一半處于膨脹狀態(tài),這種體變表示原子間距的減小或增大.由第一章知道,禁帶寬度隨原子間距變化,疏處禁帶寬度減小,密度增大,使能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生波形起伏.禁帶寬帶的改變反映出導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)纳吆徒档?引起能帶極值的改變.這時(shí),同是處于導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾娮踊蚩昭?在半導(dǎo)體的不同地點(diǎn),其能量就有差別.所以,縱波引起的能帶起伏,就其對(duì)載流子的作用講,如同產(chǎn)生了一個(gè)附加勢(shì)場(chǎng),這一附加勢(shì)場(chǎng)破壞了原來勢(shì)場(chǎng)的嚴(yán)格周期性,就使電子從K狀態(tài)散射到K狀態(tài).長(zhǎng)縱光學(xué)波散射主要發(fā)生在離子晶體中.在離子晶體中,每個(gè)原胞內(nèi)由正負(fù)兩個(gè)離子,它們和縱聲學(xué)波一樣,形成疏密相間的區(qū)域.由于正負(fù)離子位移相反,所以,正離子的密區(qū)和負(fù)離子的疏區(qū)相合,正離子的疏區(qū)和負(fù)離子的密區(qū)相合,從而造成在一半個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)帶正電,另一半個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)帶負(fù)電,帶正負(fù)電的區(qū)域?qū)a(chǎn)生電場(chǎng),對(duì)載流子增加了一個(gè)勢(shì)場(chǎng)的作用,這個(gè)勢(shì)場(chǎng)就是引起載流子散射的附加勢(shì)場(chǎng).◆課程難點(diǎn):晶格散射主要是討論格波與載流子的作用.格波的能量是離子化的,其能量單元稱為聲子,當(dāng)格波能量減少一個(gè)能量子(能量單元),就稱作放出一個(gè)聲子;增加一個(gè)能量子就稱吸收一個(gè)聲子.聲子的說法不僅生動(dòng)地表示出格波能量的量子化特征,而且在分析晶格與物質(zhì)作用時(shí)很方便.例如,電子在晶體中被格波散射便可以看作是電子與聲子的碰撞.◆基本概念:散射幾率:表示單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)載流子受到輻射的次數(shù),其數(shù)值與散射機(jī)構(gòu)有關(guān).◆基本要求:熟悉電離雜質(zhì)散射幾率與電離雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系,聲學(xué)波和光學(xué)波幾率與哪些因素有關(guān).

§ 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系 ◆本節(jié)內(nèi)容: 平均自由時(shí)間和散射幾率的關(guān)系 遷移率與平均自由時(shí)間和有效質(zhì)量的關(guān)系 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系 ◆課程重點(diǎn): 平均自由時(shí)間和散射幾率的關(guān)系:載流子在電場(chǎng)中作漂移運(yùn)動(dòng)時(shí),只有在連續(xù)兩次散射之間的時(shí)間內(nèi)才作加速運(yùn)動(dòng),這段時(shí)間 稱為自由時(shí)間.自由時(shí)間長(zhǎng)短不一,若取極多次而求得其平均值則稱為載流子的平均自由時(shí)間,它與散射幾率互為倒數(shù)的關(guān)系.遷移率與平均自由時(shí)間和有效質(zhì)量的關(guān)系:通過計(jì)算外電場(chǎng)作用下載流子的平均漂移速度,對(duì)于有效質(zhì)量各向同性的電子和空穴,其遷移率分別為 和.對(duì)等能面為旋轉(zhuǎn)橢球的多極值半導(dǎo)體,因?yàn)檠鼐w的不同方向有效質(zhì)量不同,所以遷移率與有效質(zhì)量的關(guān)系稍復(fù)雜些.例如對(duì)于硅:

　　稱為電導(dǎo)遷移率,其值由三個(gè)主軸方向的三個(gè)遷移率的線性組合,即

, 稱為電導(dǎo)有效質(zhì)量,由下式?jīng)Q定:

　　遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系: 對(duì)摻雜的硅,鍺半導(dǎo)體,主要散射結(jié)構(gòu)是電離雜質(zhì)散射和聲學(xué)波散射.電離雜質(zhì)散射特點(diǎn)是隨溫度升高,遷移率增大,隨電離雜質(zhì)增加遷移率減小;聲學(xué)波散射特點(diǎn)是隨溫度升高遷移率下降.同時(shí)存在這兩種散射機(jī)構(gòu)時(shí),就要考慮它們的共同作用對(duì)遷移率的影響.當(dāng)摻雜濃度較低時(shí),可以忽略電離雜質(zhì)的影響.遷移率主要受晶格散射影響,即隨溫度升高遷移率下降;當(dāng)摻雜濃度較高時(shí),低溫時(shí)晶格振動(dòng)較弱,晶格振動(dòng)散射比電離雜質(zhì)散射作用弱,主要是電離雜質(zhì)散射,所以隨溫度升高遷移率緩慢增大;當(dāng)溫度較高時(shí),隨溫度升高,晶格振動(dòng)加劇,晶格散射作用,所以高溫時(shí)遷移率隨溫度升高而降低.◆課程難點(diǎn): 平均自由時(shí)間是統(tǒng)計(jì)平均值.遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系比較復(fù)雜,對(duì)硅,鍺等原子半導(dǎo)體主要是電離雜質(zhì)散射和晶格散射,抓住主要矛盾可對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出較好的解釋(可參考課程重點(diǎn)中的第三條及講義圖4-13的解釋).◆基本概念: 單位電場(chǎng)作用下載流子獲得的平均漂移速度叫做漂移遷移率.在分析硅的六個(gè)能谷中的電子對(duì)電流的貢獻(xiàn)時(shí),又引入了電導(dǎo)遷移率,實(shí)質(zhì)上它是漂移遷移率的線性組合,因此,電導(dǎo)遷移率仍具有漂移遷移率的意義.漂移遷移率可通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)量.對(duì)于補(bǔ)償材料,在雜質(zhì)完全電離情況下,載流子濃度決定于兩種雜質(zhì)濃度之差,但遷移率決定于兩種雜質(zhì)濃度的總和.如果材料中摻有多種施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì),則遷移率決定于所有電離雜質(zhì)濃度之和.總遷移率的倒數(shù)等于各散射機(jī)構(gòu)遷移率的倒數(shù)之和.◆ 基本要求:掌握遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系;能正確地從講義圖4-13和圖4-14查出遷移率.注意:上兩圖中雜質(zhì)為材料所含各種雜質(zhì)之和.對(duì)于摻雜濃度低于的材料,其室溫時(shí)的遷移率可近似用本征材料(較純材料)的遷移率表.能夠熟練地計(jì)算不同導(dǎo)電類型材料的電導(dǎo)率. § 電阻率及其與雜質(zhì)濃度的關(guān)系 ◆本節(jié)內(nèi)容: 電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系 電阻率與溫度的關(guān)系 ◆課程重點(diǎn): 1.電阻率決定于載流子的濃度和遷移率,基本表示式如下: 當(dāng)半導(dǎo)體中電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度時(shí), n型半導(dǎo)體,電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度時(shí), p型半導(dǎo)體,電子濃度遠(yuǎn)小于空穴濃度時(shí), 本征半導(dǎo)體,電子濃度等于空穴濃度時(shí), 2.電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系.3.輕摻雜時(shí)(例如雜質(zhì)濃度小于),室溫下雜質(zhì)全部電離,載流子濃度近似等于雜質(zhì)濃度,而遷移率隨雜質(zhì)濃度地變化不大,與載流子濃度(即雜質(zhì)濃度)的變化相比較,可以認(rèn)為遷移率幾乎為常數(shù),所以隨雜質(zhì)濃度升高電阻率下降,若對(duì)電阻率表達(dá)式取對(duì)數(shù),則電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系是線性的.摻雜濃度較高時(shí)(雜質(zhì)濃度大于),由于室溫下雜質(zhì)不能全部電離,簡(jiǎn)并半導(dǎo)體中電離程度下降更多,使載流子濃度小于雜質(zhì)濃度;又由于雜質(zhì)濃度較高時(shí)遷移率下降較大.這兩個(gè)原因使電阻率隨雜質(zhì)濃度的升高而下降.本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化關(guān)系有很大不同:對(duì)純半導(dǎo)體材料,電阻率主要是由本征載流子濃度決定.隨溫度上升而急劇增加,室溫附近,溫度每增加,硅的本征載流子濃度就增加一倍,因?yàn)檫w移率只稍有下降,所以電阻率將相應(yīng)的降低一半左右;對(duì)鍺來說,溫度每增加,本征載流子濃度增加一倍,電阻率降低一半.本征半導(dǎo)體電阻率隨溫度增加而單調(diào)地下降,這是本征半導(dǎo)體區(qū)別于金屬的一個(gè)重要特征.對(duì)雜質(zhì)半導(dǎo)體由雜質(zhì)電離和本征激發(fā)兩個(gè)因素存在,又有電離雜質(zhì)散射和晶格散射兩種散射機(jī)構(gòu)的存在,因而電阻率隨溫度的變化關(guān)系要復(fù)雜些.一定雜質(zhì)濃度的硅樣品的電阻率和溫度的關(guān)系曲線大致分為三個(gè)溫度區(qū)段: 低溫區(qū)段溫度很低,本征激發(fā)可忽略,載流子主要由雜質(zhì)電離提供,它隨溫度升高而增加;散射主要由雜質(zhì)電離決定,遷移率也隨溫度升高而增大,所以,電阻率隨溫度升高而下降.電離飽和區(qū)段,溫度繼續(xù)升高(包括室溫),雜質(zhì)已全部電離,本征激發(fā)還不十分顯著,載流子基本上不隨溫度變化,晶格振動(dòng)散射上升為主要矛盾,遷移率隨溫度升高而降低,所以,電阻率隨溫度升高而增大.本征激發(fā)區(qū)段,溫度繼續(xù)升高,本征激發(fā)很快增加,大量本征載流子的產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過遷移率的減小對(duì)電阻率的影響,這時(shí),本征激發(fā)成為矛盾的主要方面,雜質(zhì)半導(dǎo)體的電阻率將隨溫度的升高而急劇地下降,表現(xiàn)出同本征半導(dǎo)體相似的特性.◆課程難點(diǎn):電阻率與載流子濃度和遷移率有關(guān).在分析電阻率與溫度的關(guān)系時(shí),要注意載流子濃度和遷移率都與溫度有關(guān).在考慮載流子濃度對(duì)電阻率的影響時(shí),溫度對(duì)載流子濃度的影響可參考第三章圖3-11.◆基本概念:可以用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量半導(dǎo)體樣品的電阻率,對(duì)于非補(bǔ)償和輕補(bǔ)償?shù)牟牧?其電阻率可以反映出它的雜質(zhì)濃度(基本上就是載流子濃度).對(duì)于高度補(bǔ)償?shù)牟牧?因?yàn)檩d流子濃度很小,電阻率很高,并無真正說明材料很純,而是這種材料雜質(zhì)很多,遷移率很小,不能用于制造器件.◆基本要求:掌握電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系及電阻率與溫度的關(guān)系,能熟練地計(jì)算不同導(dǎo)電類型半導(dǎo)體的電阻率,并注意雜質(zhì)和溫度這兩個(gè)因素對(duì)電阻率的影響.講義圖4-15是鍺,硅,砷化鎵300K時(shí)電阻率與溫度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)曲線,適用于非補(bǔ)償與輕度補(bǔ)償?shù)牟牧?

§ (本節(jié)不作要求) § 強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng),熱載流子 ◆本節(jié)內(nèi)容: 歐姆定律的偏離

　　平均漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系

◆課程重點(diǎn):定向解釋強(qiáng)電場(chǎng)下歐姆定律發(fā)生偏離的原因:主要可以從載流子與晶格振動(dòng)散射時(shí)的能量交換過程來說明.在沒有外加電場(chǎng)情況下,載流子和晶格散射時(shí),強(qiáng)吸收聲子或發(fā)射聲子與晶格交換動(dòng)量和能量,交換的凈能量為零載流子的平均能量與晶格的相同,兩者處于熱平衡狀態(tài).有電場(chǎng)存在時(shí),載流子從電場(chǎng)中獲得能量,隨后又以發(fā)射聲子的形式將能量傳給晶格,這時(shí),平均的說,載流子發(fā)射的聲子數(shù)多于 吸收的聲子數(shù).到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),單位時(shí)間載流子從電場(chǎng)中獲得的能量同給予晶格的能量相同.但是,在強(qiáng)電場(chǎng)情況下,載流子從電場(chǎng)中獲得的能量很多,載流子的平均能量比熱平衡狀態(tài)時(shí)的大,因而載流子和晶格系統(tǒng)不再處于熱平衡狀態(tài).溫度是平均動(dòng)能的量度,既然載流子的能量大于晶格系統(tǒng)的能量,人們便引進(jìn)載流子的有效溫度來描述語(yǔ)晶格系統(tǒng)不處于熱平衡狀態(tài)的載流子,并稱這種狀態(tài)的載流子為熱載流子.所以,在強(qiáng)電場(chǎng)情況下,載流子溫度比晶格溫度高,載流子的平均能量比晶格的大.熱載流子與晶格散射時(shí),由于熱載流子能量高,速度大于熱平衡狀態(tài)下的速度,由看出,在平均自由程保持不變得情況下,平均自由時(shí)間減小,因而遷移率降低.當(dāng)電場(chǎng)不是很強(qiáng)時(shí),載流子主要和聲學(xué)波散射,遷移率有所降低.當(dāng)電場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng),載流子能量高到可以和光學(xué)波聲子能量相比時(shí),散射時(shí)可以發(fā)射光學(xué)波聲子,于是載流子獲得的能量大部分又消失,因而平均漂移速度可以達(dá)到飽和.◆課程難點(diǎn): 計(jì)算平均漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系:電場(chǎng)較弱時(shí),平均漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度成線性關(guān)系,即歐姆定律成立;當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí),平均漂移速度按電場(chǎng)強(qiáng)度的二分之一次方增大,即開始便離歐姆定律;當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度再增大,使電子能量已高到和光學(xué)聲子能量相比擬時(shí),電子和晶格散射時(shí)便可以發(fā)射聲學(xué)光子.穩(wěn)態(tài)時(shí),平均漂移速度與電場(chǎng)無關(guān),達(dá)到飽和.◆基本概念: 熱載流子:在強(qiáng)電場(chǎng)情況下,載流子從電場(chǎng)中獲得的能量很多,載流子的平均能量比熱平衡狀態(tài)時(shí)的大,因而載流子和晶格系統(tǒng)不再處于熱平衡狀態(tài).溫度是平均動(dòng)能的量度,既然載流子的能量大于晶格系統(tǒng)的能量,人們便引進(jìn)載流子的有效溫度來描述語(yǔ)晶格系統(tǒng)不處于熱平衡狀態(tài)的載流子,并稱這種狀態(tài)的載流子為熱載流子.所以,在強(qiáng)電場(chǎng)情況下,載流子溫度比晶格溫度高,載流子的平均能量比晶格的大.,此式任何情況下均成立,形式上看,平均漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比,但是遷移率與場(chǎng)強(qiáng)有關(guān).弱電場(chǎng)時(shí)遷移率為常數(shù),強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)遷移率不是常數(shù),利用講義圖4-17可以求出不同場(chǎng)強(qiáng)下的遷移率.◆基本要求:能夠定性解釋強(qiáng)電場(chǎng)下歐姆定律的偏離原因.

§ 耿氏效應(yīng),多能谷散射 ◆本節(jié)內(nèi)容: 耿氏器件伏安特性和速場(chǎng)特性 n-GaAs負(fù)阻效應(yīng)解釋 ◆課程重點(diǎn): 耿氏效應(yīng):n型砷化鎵兩端電極上加以電壓.當(dāng)電壓高到某一值時(shí),半導(dǎo)體電流便以很高頻率振蕩,這個(gè)效應(yīng)稱為耿氏效應(yīng).耿氏效應(yīng)與半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)有關(guān):砷化鎵導(dǎo)帶最低能谷1位于布里淵區(qū)中心,在布里淵區(qū)邊界L處還有一個(gè)能谷2,它比能谷1高出當(dāng)溫度不太高時(shí),電場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí),導(dǎo)帶電子大部分位于能谷1.能谷1曲率大,電子有效質(zhì)量小.能谷2曲率小,電子有效質(zhì)量大() .由于能谷2有效質(zhì)量大,所以能谷2的電子遷移率比能谷1的電子遷移率小,即.當(dāng)電場(chǎng)很弱時(shí),電子位于能谷1,平均漂移速度為.當(dāng)電場(chǎng)很強(qiáng)時(shí),電子從電場(chǎng)獲得較大能量由能谷1 躍遷到能谷2,平均漂移速度為,由于,所以在速場(chǎng)特性上表現(xiàn)為不同的變化速率(實(shí)際上和是速場(chǎng)特性的兩個(gè)斜率.即低電場(chǎng)時(shí),高電場(chǎng)時(shí)).在遷移率由變化到的過程中經(jīng)過一個(gè)負(fù)阻區(qū).在負(fù)阻區(qū),遷移率為負(fù)值.這一特性也稱為負(fù)阻效應(yīng).其意義是隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增大而電流密度減小.◆課程難點(diǎn):耿氏器件負(fù)阻效應(yīng)解釋可參閱《半導(dǎo)體物理學(xué)》§中高場(chǎng)疇及耿氏振蕩.◆基本概念: 盡區(qū)或耗盡層:半導(dǎo)體內(nèi)某一區(qū)域內(nèi)的載流子濃度比其他區(qū)域小很多或缺失載流子,就稱該區(qū)域的載流子耗盡了,該區(qū)域稱為耗盡區(qū)或耗盡層.例如,n型樣品的某區(qū)域電子濃度比其他區(qū)域小很多很多或缺失電子,就稱該區(qū)域?yàn)殡娮雍谋M區(qū)或電子耗盡層.耗盡層這一概念在半導(dǎo)體物理及相關(guān)課程中出現(xiàn)頻率較高.電荷:是指半導(dǎo)體中任一點(diǎn)附近的電荷,可以是正電荷,也可以是負(fù)電荷;正電荷可以是空穴,也可以是電離的施主雜質(zhì),負(fù)電荷可以是電子,也可以是電離的受主雜質(zhì).空間電荷密度是半導(dǎo)體中任一點(diǎn)附近單位體積中的靜電荷數(shù),或任一點(diǎn)附近單位體積中各種正負(fù)電荷的代數(shù)和(第三章§) 空間電荷層或空間電荷區(qū):半導(dǎo)體中任一點(diǎn)附近存在空間電荷的區(qū)域稱為空間電荷層或空間電荷區(qū).◆基本要求:掌握產(chǎn)生耿氏效應(yīng)(負(fù)阻效應(yīng))的基本原理及定性描述砷化鎵能帶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn).

　　第四章思考題與自測(cè)題

1.試從經(jīng)典物理和量子理論分別說明散射的物理意義.2.比較并區(qū)別下述物理概念:電導(dǎo)遷移率,霍耳遷移率和漂移遷移率.3.什么是聲子 它對(duì)半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)起什么作用

4.強(qiáng)電場(chǎng)作用下,遷移率的數(shù)值與場(chǎng)強(qiáng)E有關(guān),這時(shí)歐姆定律是否仍然正確 為什么

5.半導(dǎo)體的電阻系數(shù)是正的還是負(fù)的 為什么

6.有一塊本征半導(dǎo)體樣品,試描述用以增加其電導(dǎo)率的兩個(gè)物理過程.7.如果有相同的電阻率的摻雜鍺和硅半導(dǎo)體,問哪一個(gè)材料的少子濃度高 為什么

8.光學(xué)波散射和聲學(xué)波散射的物理機(jī)構(gòu)有何區(qū)別 各在什么樣晶體中起主要作用

9.說明本征鍺和硅中載流子遷移率溫度增加如何變化

10.電導(dǎo)有效質(zhì)量和狀態(tài)密度有何區(qū)別 它們與電子的縱有效質(zhì)量和橫有效質(zhì)量的關(guān)系如何

11.對(duì)于僅含一種雜質(zhì)的鍺樣品,如果要確定載流子符號(hào),濃度,遷移率和有效質(zhì)量,應(yīng)進(jìn)行哪些測(cè)量

12.解釋多能谷散射如何影響材料的導(dǎo)電性.13.為什么要引入熱載流子概念 熱載流子和普通載流子有何區(qū)別

　　第五章 非平衡載流子

§ 非平衡載流子的注入 ◆本節(jié)內(nèi)容: 1 光注入非平衡載流子 2 電注入非平衡載流子 探針注入非平衡載流子 p-n結(jié)注入非平衡載流子 ◆課程重點(diǎn): 非平衡載流子及其產(chǎn)生:處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體,在一定溫度下,載流子濃度時(shí)一定的.這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度,稱為平衡載流子濃度,前面各章討論的都是平衡載流子.用和分別表示平衡電子濃度和空穴濃度,在非簡(jiǎn)并情況下,它們的乘積滿足:.本征載流子濃度只是溫度的函數(shù).在非簡(jiǎn)并情況下,無論摻雜多少,平衡載流子濃度和必定滿足,因而它也是非簡(jiǎn)并導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)式.半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)是相對(duì)的,有條件的.如果對(duì)半導(dǎo)體施加外界作用,破壞了熱平衡的條件,這就迫使它處于與熱平衡狀態(tài)相偏離的狀態(tài),稱為非平衡狀態(tài).處于非平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體,其載流子濃度也不再是和,可以比它們多出一部分.比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子,有時(shí)也稱過剩載流子.在一定溫度下,當(dāng)沒有光照時(shí),半導(dǎo)體中電子和空穴濃度分別為和.假設(shè)是n型半導(dǎo)體,.當(dāng)用適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射該半導(dǎo)體時(shí),只要光子的能量大于該半導(dǎo)體的禁帶寬度,那么光子就能把價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去,產(chǎn)生電子-空穴對(duì),使導(dǎo)帶比平衡時(shí)多出一部分電子,價(jià)帶比平衡時(shí)多出一部分空穴.和就是非平衡載流子濃度.這時(shí)把非平衡電子稱為非平衡多數(shù)載流子,而把非平衡空穴稱為非平衡少數(shù)載流子.對(duì)p型材料則相反.用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子的方法,稱為非平衡載流子的光注入.光注入時(shí).產(chǎn)生非平衡載流子的方法除光注入外,還可以用其他方法產(chǎn)生非平衡載流子,例如電注入或高能粒子輻照等.◆課程難點(diǎn):小注入:在一般情況下,注入的非平衡載流子濃度比平衡時(shí)的多數(shù)載流子濃度小的多.對(duì)n型材料,,,滿足這個(gè)條件的注入稱為小注入.即使在小注入的情況下,非平衡少數(shù)載流子濃度還是可以比平衡少數(shù)載流子濃度大的多,它的影響就顯得十分重要了,而相對(duì)來說非平衡多數(shù)載流子的影響可以忽略.所以實(shí)際上往往是非平衡少數(shù)載流子起著重要作用,通常說的非平衡載流子都是指非平衡少數(shù)載流子.◆基本概念: 非平衡狀態(tài):當(dāng)半導(dǎo)體受外界(光或電的)作用,熱平衡狀態(tài)被破壞,載流子濃度偏離熱平衡載流子濃度.這種情況稱為非平衡狀態(tài).要使光產(chǎn)生非平衡載流子,要求光子的能量大于或者等于半導(dǎo)體的禁帶寬度.光產(chǎn)生非平衡載流子的特點(diǎn)是產(chǎn)生電子-空穴對(duì),價(jià)帶電子受光激發(fā)躍遷到導(dǎo)帶,在價(jià)帶留下空穴,因此產(chǎn)生的非平衡電子濃度等于價(jià)帶非平衡空穴濃度,即.光注入產(chǎn)生非平衡載流子,導(dǎo)致半導(dǎo)體電導(dǎo)率增加,即引起附加電導(dǎo)率(有的參考書稱為光電導(dǎo)率):.◆基本要求:熟悉以下要點(diǎn):光注入條件:光子能量大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度.光注入產(chǎn)生非平衡載流子的特點(diǎn),;光注入使半導(dǎo)體產(chǎn)生附加電導(dǎo)率,同理:其它注入方式也產(chǎn)生附加電導(dǎo)率.光注入非平衡載流子的現(xiàn)象可通過實(shí)驗(yàn)來觀測(cè).

§ 非平衡載流子的復(fù)合和壽命 ◆本節(jié)內(nèi)容: 凈復(fù)合率

　　非平衡載流子的衰減規(guī)律 非平衡載流子的壽命(少子壽命) ◆課程重點(diǎn): 非平衡載流子復(fù)合:以光注入為例,光照時(shí),價(jià)帶電子被光激發(fā)到導(dǎo)帶,產(chǎn)生電子-空穴對(duì).光照停止后,注入的非平衡載流子并不能一直存在下去,也就是原來激發(fā)到導(dǎo)帶的電子又回到價(jià)帶,電子和空穴又成對(duì)的消失了,使半導(dǎo)體由非平衡態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài).非平衡載流子逐漸消失這一過程稱為非平衡載流子的復(fù)合.單位時(shí)間單位體積內(nèi)凈復(fù)合消失的電子-空穴對(duì)數(shù)稱為非平衡載流子的凈復(fù)合率.類似有:單位時(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合消失的電子-空穴對(duì)數(shù)稱為非平衡載流子的復(fù)合率;單位時(shí)間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)稱為非平衡載流子的產(chǎn)生率.載流子的產(chǎn)生和復(fù)合在任何情況下都是存在的.在熱平衡狀態(tài)下也存在著產(chǎn)生與復(fù)合兩個(gè)過程,只不過這個(gè)狀態(tài)下載流子產(chǎn)生的原因是溫度,相應(yīng)的,描述這種產(chǎn)生過程用熱產(chǎn)生率,即單位時(shí)間單位體積內(nèi)熱產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)稱為熱產(chǎn)生率,當(dāng)熱產(chǎn)生率等于復(fù)合率時(shí),半導(dǎo)體就達(dá)到熱平衡狀態(tài).如果復(fù)合率大于熱產(chǎn)生率就存在凈復(fù)合率.凈復(fù)合率的數(shù)值等于復(fù)合率與熱產(chǎn)生率之差(可參考顧祖毅《半導(dǎo)體物理學(xué)》第五章).可以證明凈復(fù)合率為,這里為t時(shí)刻的非平衡載流子濃度,為非平衡載流子壽命.非平衡載流子壽命(少數(shù)載流子壽命,少子壽命,壽命):可以通過實(shí)驗(yàn),觀察光照停止后,非平衡載流子濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律.實(shí)驗(yàn)表明,光照停止后隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律減少.這說明非平衡載流子并不是立刻全部消失,而是有一個(gè)過程即它們?cè)趯?dǎo)帶和價(jià)帶中有一定的生存時(shí)間,有的長(zhǎng)些,有的短些.非平衡載流子的平均生存時(shí)間稱為非平衡載流子的壽命,用表示.由于相對(duì)于非平衡多數(shù)載流子,非平衡少數(shù)載流子的影響處于主導(dǎo)的,決定的地位,因而非平衡載流子的壽命常稱為少數(shù)載流子壽命.簡(jiǎn)稱少子壽命或壽命.◆課程難點(diǎn):證明凈復(fù)合率為 ◆基本概念: 復(fù)合率:單位時(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合消失的電子-空穴對(duì)數(shù).凈復(fù)合率:單位時(shí)間單位體積內(nèi)凈復(fù)合消失的電子-空穴對(duì)數(shù).產(chǎn)生率:單位時(shí)間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)

　　熱產(chǎn)生率:由溫度引起單位時(shí)間單位體積內(nèi)熱產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù) 非平衡載流子的壽命:非平衡載流子平均生存的時(shí)間.由于在半導(dǎo)體材料及各種半導(dǎo)體器件(包括半導(dǎo)體集成電路)中,相對(duì)于非平衡多數(shù)載流子,非平衡少數(shù)載流子起著十分重要的作用,因而非平衡載流子壽命常稱為少數(shù)載流子壽命,簡(jiǎn)稱為少子壽命或壽命.非平衡載流子在復(fù)合過程中按指數(shù)規(guī)律衰減,壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原值的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間.壽命越短,衰減越快.壽命是半導(dǎo)體材料的重要參數(shù),它與材料的種類以及材料所含雜質(zhì)和缺陷的數(shù)量等因素有關(guān).◆基本要求:掌握上述基本概念.§ 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) ◆本節(jié)內(nèi)容: 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的引入

　　準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)與費(fèi)米能級(jí)的關(guān)系 ◆課程重點(diǎn): 電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí):當(dāng)外界的影響破壞了熱平衡,使半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài),就不再存在統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí),因?yàn)榍懊嬷v的費(fèi)米能級(jí)和統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)都是指的熱平衡狀態(tài).事實(shí)上,電子系統(tǒng)的熱平衡狀態(tài)使通過熱躍遷實(shí)現(xiàn)的.在一個(gè)能帶范圍內(nèi),熱躍遷十分頻繁,極短時(shí)間內(nèi)就能導(dǎo)致一個(gè)能帶內(nèi)的熱平衡.然而,電子在兩個(gè)能帶之間,例如導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的熱躍遷就稀少得多,因?yàn)橹虚g還隔著禁帶.當(dāng)半導(dǎo)體得平衡態(tài)遭到破壞而存在非平衡載流子時(shí),由于上述原因,可以認(rèn)為,分別就價(jià)帶和導(dǎo)帶中得電子將,它們各自基本上處于平衡態(tài),而導(dǎo)帶和價(jià)帶之間處于不平衡狀態(tài).因而費(fèi)米能級(jí)和統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)對(duì)導(dǎo)帶和價(jià)帶各自仍然是適用的,可以分別引入導(dǎo)帶費(fèi)米能級(jí)和價(jià)帶費(fèi)米能級(jí),它們都是局部的費(fèi)米能級(jí),稱為"準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)".導(dǎo)帶和價(jià)帶間的不平衡就表現(xiàn)在它們的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)是不重合的.導(dǎo)帶的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)也稱電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí),相應(yīng)地,價(jià)帶地準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)稱為空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí),分別用和表示.非平衡載狀態(tài)下地載流子濃度公式與平衡載流子濃度類似,只是用準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)代替費(fèi)米能級(jí)在平衡載流子濃度公式中地位置.參見講義式(5-9).◆課程難點(diǎn):無

◆基本概念:準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)具有與費(fèi)米能級(jí)類似地功能,即標(biāo)準(zhǔn)著載流子填充能帶地水平.在非平衡狀態(tài)狀態(tài)下,若電子濃度比平衡狀態(tài)時(shí)大,則電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)高于平衡狀態(tài)時(shí)的費(fèi)米能級(jí),同理,如果空穴濃度比平衡狀態(tài)時(shí)大,則空穴費(fèi)米能級(jí)比平衡狀態(tài)時(shí)的費(fèi)米能級(jí)更接近價(jià)帶頂.準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離費(fèi)米能級(jí)的大小,亦即反映了必定偏離熱平衡狀態(tài)的程度.它們偏離越大,說明不平衡情況越顯著;兩者靠得越近平衡態(tài);兩者重合時(shí),形成統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí),半導(dǎo)體處于平衡態(tài).因此引進(jìn)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí),可以更形象地了解非平衡態(tài)地情況.注意:小注入情況下,非平衡少數(shù)載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離費(fèi)米能級(jí)的距離越大,而非平衡多數(shù)載流子的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離費(fèi)米能級(jí)的距離越小,在畫非平衡能帶圖時(shí)應(yīng)考慮它們的差異.◆基本要求:明確下列問題:為什么要引入準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)的意義是什么 對(duì)n型半導(dǎo)體或p型半導(dǎo)體,電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)偏離費(fèi)米能級(jí)的程度有什么不同 并用能帶圖表示出來.

§ 復(fù)合理論 ◆本節(jié)內(nèi)容: 復(fù)合機(jī)構(gòu):直接復(fù)合,間接復(fù)合,表面復(fù)合 直接復(fù)合理論與壽命 間接復(fù)合理論與壽命 ◆課程重點(diǎn): 直接復(fù)合:半導(dǎo)體中的自由電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中會(huì)有一定幾率直接相遇而復(fù)合,使一對(duì)電子和空穴同時(shí)消失.從能帶角度講,就是導(dǎo)帶中的電子直接落入價(jià)帶和空穴復(fù)合.同時(shí),還存在著上述過程的逆過程,即由于熱激發(fā)等原因,價(jià)帶中的電子也有一定幾率躍遷到價(jià)帶中去,產(chǎn)生一對(duì)電子和空穴.這種由電子在導(dǎo)帶與價(jià)帶間直接躍遷哦引起非平衡載流子的復(fù)合過程就是直接復(fù)合.直接復(fù)合壽命:小注入條件下,少子壽命.對(duì)于n型半導(dǎo)體,即,少子壽命為.這說明在小注入條件下,當(dāng)溫度和摻雜一定時(shí),壽命是一個(gè)常數(shù).壽命與平衡多數(shù)載流子濃度成反比,或者說,半導(dǎo)體電導(dǎo)率越高,壽命就越短.大注入情況下,直接復(fù)合壽命,可見,壽命隨非平衡載流子濃度增大而減小,因而,在復(fù)合過程中,壽命不再是常數(shù).一般地說,禁帶寬帶越小,直接復(fù)合的幾率越大.所以,在銻化銦()和碲()等小禁帶寬度的半導(dǎo)體中,直接復(fù)合占優(yōu)勢(shì).實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),砷化鎵的禁帶寬度雖然比較大一些,但直接復(fù)合機(jī)構(gòu)對(duì)壽命有著重要的影響,這和它的具體能帶結(jié)構(gòu)有關(guān).砷化鎵是直接帶隙半導(dǎo)體.然而,把直接復(fù)合理論用于鍺,硅參考,得到的壽命值比實(shí)驗(yàn)結(jié)果大的多.這說明對(duì)于硅,鍺壽命還不是由直接復(fù)合過程所決定,一定有另外的復(fù)合機(jī)構(gòu)起著主要作用,決定著材料的壽命,這就是間接復(fù)合.間接復(fù)合與壽命

　　深能級(jí)雜質(zhì)和缺陷在禁帶中形成深能級(jí),對(duì)非平衡載流子壽命有很大影響.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),這樣的雜質(zhì)和缺陷越多,壽命就越短.這說明雜質(zhì)和缺陷有促進(jìn)復(fù)合的作用.這些促進(jìn)復(fù)合過程的雜質(zhì)和缺陷稱為復(fù)合中心.間接復(fù)合指的是非平衡載流子通過復(fù)合中心的復(fù)合.禁帶中有了復(fù)合中心能級(jí),就好像多了一個(gè)臺(tái)階,電子-空穴的復(fù)合可分為兩步走:第一步,導(dǎo)帶電子落入復(fù)合中心能級(jí);第二步,這個(gè)電子再落入價(jià)帶與空穴復(fù)合.復(fù)合中心恢復(fù)了原來空著的狀態(tài),又可以再去完成下一次的復(fù)合過程.顯然,一定還存在上述兩個(gè)過程的逆過程.所以,間接復(fù)合仍舊是一個(gè)統(tǒng)計(jì)性的過程.相對(duì)于復(fù)合中心而言,共有4個(gè)微觀過程: 甲:俘獲電子過程.復(fù)合中心能級(jí)從導(dǎo)帶俘獲電子,使導(dǎo)帶電子減少.乙:發(fā)射電子過程.復(fù)合中心能級(jí)上的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶(甲的逆過程),使導(dǎo)帶電子增加.丙:俘獲空穴過程.電子由復(fù)合中心能級(jí)落入價(jià)帶與空穴復(fù)合.也可看成復(fù)合中心能級(jí)從價(jià)帶俘獲了一個(gè)空穴,使價(jià)帶空穴減少.丁:發(fā)射空穴過程.價(jià)帶電子被激發(fā)到復(fù)合中心能級(jí)上.也可以看出復(fù)合中心能級(jí)從價(jià)帶俘獲了一個(gè)空穴,使價(jià)帶空穴減少.根據(jù)上述四個(gè)過程的描述,在穩(wěn)定條件下(穩(wěn)定條件是指復(fù)合中心能級(jí)上電子數(shù)不再發(fā)生變化,既不增加也不減少),甲-乙=丙-丁,顯然,等式左端表示單位時(shí)間單位體積內(nèi)導(dǎo)帶減少的電子數(shù),等式右端表示單位時(shí)間單位體積內(nèi)價(jià)帶減少的空穴數(shù).即導(dǎo)帶每損失一個(gè)電子,同時(shí)價(jià)帶也損失一個(gè)空穴,電子和空穴通過復(fù)合中心成對(duì)地復(fù)合.因而上式正是表示電子-空穴對(duì)的凈復(fù)合率,用U表示:

　　用此式可以分析各種情況的間接復(fù)合壽命.表面復(fù)合及有效壽命

　　在此之前研究非平衡載流子的壽命時(shí),只考慮了半導(dǎo)體內(nèi)部的復(fù)合過程.實(shí)際上,少數(shù)載流子壽命在很大程度上受半導(dǎo)體樣品的形狀和表面狀態(tài)的影響.例如,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),經(jīng)過吹砂處理或用金剛砂粗磨的樣品,其壽命很短.而細(xì)磨后再經(jīng)適當(dāng)化學(xué)腐蝕的樣品,壽命要長(zhǎng)的多.實(shí)驗(yàn)還表明,對(duì)于同樣的表面情況,樣品越小,壽命越短.可見,半導(dǎo)體表面確實(shí)有促進(jìn)復(fù)合的作用.表面復(fù)合是指在半導(dǎo)體表面發(fā)生的復(fù)合過程.表面處的雜質(zhì)和表面特有的缺陷也在禁帶形成復(fù)合中心能級(jí),因而,就復(fù)合機(jī)構(gòu)講,表面復(fù)合仍然是間接復(fù)合.所以,間接復(fù)合理論完全可以用來處理表面復(fù)合問題.考慮了表面復(fù)合,實(shí)際測(cè)得的壽命應(yīng)是體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合的綜合結(jié)果.設(shè)這兩種復(fù)合是單獨(dú)平行地發(fā)生的.用表示體內(nèi)復(fù)合壽命,則就是體內(nèi)復(fù)合幾率.若用表示表面復(fù)合壽命,則就表示表面復(fù)合幾率.那么總的復(fù)合幾率就是:

　　式中稱為有效壽命.◆課程難點(diǎn): 在直接復(fù)合理論中用熱平衡狀態(tài)下的復(fù)合率代替非平衡狀態(tài)下的產(chǎn)生率是一種很好的近似,原因如下:在一定溫度下,價(jià)帶中的每個(gè)電子都有一定的幾率被激發(fā)到導(dǎo)帶,從而形成一對(duì)電子和空穴.如果價(jià)帶中本來就缺少一些電子,即存在一些空穴,當(dāng)然產(chǎn)生率就會(huì)相應(yīng)地減少一些.同樣,如果導(dǎo)帶中本來就有一些電子,也會(huì)使產(chǎn)生率相應(yīng)地減少一些.因?yàn)楦鶕?jù)泡里原理,價(jià)帶中的電子不能激發(fā)到導(dǎo)帶中已被電子占據(jù)地狀態(tài)上去.但是,在非簡(jiǎn)并情況下,禁帶中的空穴數(shù)相對(duì)于價(jià)帶中的總狀態(tài)是極起微小的.這樣,可認(rèn)為價(jià)帶基本上是滿的,而導(dǎo)帶基本上是空的,激發(fā)幾率不受載流子濃度n和p的影響.因而產(chǎn)生率在所有非簡(jiǎn)并情況下,即熱平衡和非平衡情況下,基本上是相同的,可以寫為.間接復(fù)合理論中四個(gè)微觀過程的分析以及關(guān)于壽命的討論.◆基本概念: 電子俘獲率:單位體積單位時(shí)間被復(fù)合中心俘獲的電子數(shù) 電子產(chǎn)生率:單位體積單位時(shí)間復(fù)合中心向?qū)Оl(fā)射的電子數(shù) 空穴俘獲率:單位體積單位時(shí)間被復(fù)合中心俘獲的空穴數(shù) 空穴產(chǎn)生率:單位體積單位時(shí)間空的復(fù)合中心向價(jià)帶發(fā)射的空穴數(shù)

　　有效復(fù)合中心:深能級(jí)在禁帶中的位置不同,對(duì)促進(jìn)非平衡載流子,復(fù)合所起的作用也不同,分析表明,復(fù)合中心能級(jí)位于禁帶中央附近時(shí),對(duì)非平衡載流子的復(fù)合作用最大,因此,位于禁帶中央附近的深能級(jí)稱為有效復(fù)合中心.對(duì)于有效復(fù)合中心,其電子俘獲系數(shù)與空穴俘獲系數(shù)相差不大.表面復(fù)合率和表面復(fù)合速度:通常用表面復(fù)合速度來描寫復(fù)合的快慢.把單位時(shí)間內(nèi)通過單位表面積復(fù)合掉的電子-空穴對(duì)數(shù),稱為表面復(fù)合率.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),表面復(fù)合率與表面處非平衡載流子濃度成正比,即

　　比例系數(shù)s表示表面復(fù)合的強(qiáng)弱,顯然,它具有速度的量綱,因而稱為表面復(fù)合速度.可以給它一個(gè)直觀而形象的意義:由于表面復(fù)合而失去的非平衡載流子數(shù)目,就如同表面處的非平衡載流子都以s大小的垂直速度流出了表面.◆基本要求:掌握直接復(fù)合,間接復(fù)合,表面復(fù)合機(jī)理以及各種因素對(duì)非平衡載流子壽命的影響.掌握(如上所述的)基本概念,了解金在硅中起的作用.

§ 陷阱效應(yīng) ◆本節(jié)內(nèi)容: 陷阱效應(yīng)

　　陷阱的復(fù)合中心理論 陷阱效應(yīng)觀測(cè) ◆課程重點(diǎn): 陷阱,陷阱中心,陷阱效應(yīng): 陷阱效應(yīng)也是在有非平衡載流子的情況下發(fā)生的一種效應(yīng).當(dāng)半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時(shí),無論是施主,受主,復(fù)合中心或是任何其它的雜質(zhì)能級(jí)上,都具有一定數(shù)目的電子,它們由平衡時(shí)的費(fèi)米能級(jí)及分布函數(shù)所決定.實(shí)際上能級(jí)中的電子是通過載流子的俘獲和產(chǎn)生過程與載流子之間保持著平衡的.當(dāng)半導(dǎo)體處于非平衡態(tài),出現(xiàn)非平衡載流子時(shí),這種平衡遭到破壞,必然引起雜質(zhì)能級(jí)上電子數(shù)目的改變.如果電子增加,說明能級(jí)具有收容部分非平衡電子的作用;若是電子減少,則可以看成能級(jí)收容空穴的作用.從一般意義上講,雜質(zhì)能級(jí)的這種積累非平衡載流子的作用就稱為陷阱效應(yīng).從這個(gè)角度看,所有雜質(zhì)能級(jí)都有一定的陷阱效應(yīng).而實(shí)際上需要考慮的只是那些有顯著積累非平衡載流子作用的雜質(zhì)能級(jí),例如,它所積累的非平衡載流子的數(shù)目可以與導(dǎo)帶和價(jià)帶中非平衡載流子數(shù)目相比擬.把有顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)稱為陷阱,而把相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心.利用間接復(fù)合理論對(duì)陷阱性質(zhì)的討論.◆課程難點(diǎn):利用間接復(fù)合理論對(duì)陷阱性質(zhì)的討論:陷阱中心與復(fù)合中心的性質(zhì)有很大不同,例如,對(duì)于有效復(fù)合中心,電子俘獲系數(shù)與空穴俘獲系數(shù)的數(shù)值相差不大,而有效陷阱中心兩者相差很大.若,陷阱俘獲電子后,很難俘獲空穴,因?yàn)楸环@的電子往往在復(fù)合前(即落入價(jià)帶前)又被激發(fā)重新釋放回導(dǎo)帶.即落入陷阱中心的電子很難與空穴復(fù)合.這樣的陷阱就是電子陷阱.電子陷阱中的電子要和空穴復(fù)合,它必須重新激發(fā)到導(dǎo)帶,再通過有效復(fù)合中心完成和空穴的復(fù)合.若,陷阱就是空穴陷阱.◆基本概念:通過對(duì)陷阱的討論,可以得到如下幾點(diǎn): 電子陷阱,;空穴陷阱, 陷阱中心非平衡載流子遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過導(dǎo)帶和價(jià)帶中的非平衡載流子時(shí)才有顯著的陷阱效應(yīng).而且陷阱效應(yīng)主要是對(duì)非平衡少數(shù)載流子,而對(duì)非平衡多數(shù)載流子的陷阱作用不顯著.對(duì)電子陷阱而言,陷阱能級(jí)在費(fèi)米能級(jí)之上,且越接近費(fèi)米能級(jí),陷阱效應(yīng)越顯著.◆基本要求:明晰陷阱作用;陷阱中心和復(fù)合中心的區(qū)別;能解釋存在陷阱效應(yīng)時(shí)附加光電導(dǎo)的衰減規(guī)律.

§ 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) ◆本節(jié)內(nèi)容: 擴(kuò)散流密度與擴(kuò)散系數(shù) 非平衡載流子擴(kuò)散方程的建立 穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程及其解 ◆課程重點(diǎn): 擴(kuò)散的概念: ① 擴(kuò)散現(xiàn)象反映微觀粒子在特定條件下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.分子,原子,電子等微觀粒子均可在氣體,液體,固體中產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng).② 產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的原因(或動(dòng)力)是各種因素造成的微觀粒子的濃度梯度,微觀粒子總是由濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散.③ 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)密切相關(guān),使無規(guī)則運(yùn)動(dòng)有序化,產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng).④ 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的快慢與微觀粒子本身的性質(zhì)及其所處的環(huán)境有關(guān),例如:電子和空穴在硅和鍺中的擴(kuò)散系數(shù)各不相同.非平衡載流子的擴(kuò)散與擴(kuò)散密度: 對(duì)于一塊均勻均勻摻雜的半導(dǎo)體,例如n型半導(dǎo)體,電離施主帶正電,電子帶負(fù)電,由于電中性的要求,各處電荷密度為零,所以載流子分布也是均勻的,即沒有濃度差異,因而均勻材料中不會(huì)發(fā)生載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng).如果用適當(dāng)波長(zhǎng)的光均勻照射這塊材料的一面,并且假定在半導(dǎo)體的表面層內(nèi),光大部分被吸收.那么在表面薄層內(nèi)將產(chǎn)生非平衡載流子,而內(nèi)部非平衡載流子卻很少,即半導(dǎo)體表面非平衡載流子濃度比內(nèi)部高,這必然會(huì)引起非平衡載流子自表面向內(nèi)部擴(kuò)散.下面具體分析注入的非平衡少數(shù)載流子——空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng).考慮一維情況,即假定非平衡載流子的濃度只隨x變化,寫成,那么在x方向, 濃度梯度= 通常把單位時(shí)間通過單位面積(垂至于x軸)的粒子數(shù)稱為擴(kuò)散流密度.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),擴(kuò)散流密度與非平衡載流子濃度梯度成正比.若用表示空穴擴(kuò)散流密度,則有

　　比例系數(shù)稱為空穴擴(kuò)散系數(shù),單位是,它反映了非平衡少數(shù)載流子擴(kuò)散本領(lǐng)的大小.式中負(fù)號(hào)表示空穴自濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散.上式描寫了非平衡少數(shù)載流子空穴的擴(kuò)散規(guī)律,稱為擴(kuò)散規(guī)律.一維穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散:一種情況是樣品足夠厚,非平衡少數(shù)載流子從光照表面開始,向樣品內(nèi)部擴(kuò)散過程中也伴隨著復(fù)合,使非平衡少數(shù)載流子濃度按指數(shù)規(guī)律衰減.第二種情況是樣品很薄,非平衡少數(shù)載流子來不及復(fù)合就擴(kuò)散到另一表面,并在此表面突然降為零.在這種情況下,非平衡少數(shù)載流子在擴(kuò)散方向上是線性分布.◆課程難點(diǎn): 非平衡少數(shù)載流子一維非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程的建立,其基本思路:取一個(gè)很小的體積元,計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)該體積元內(nèi)非平衡少數(shù)載流子的變化量可以導(dǎo)出所要求的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程.在考慮非平衡少數(shù)載流子的變化量時(shí),有四個(gè)因素: 因擴(kuò)散,在單位時(shí)間內(nèi)流入體積元的非平衡少數(shù)載流子,對(duì)于n型樣品就是空穴,下同).因光照,在單位時(shí)間內(nèi)體積元中產(chǎn)生的非平衡少數(shù)載流子 因擴(kuò)散,在單位時(shí)間內(nèi)流出體積元的非平衡少數(shù)載流子

　　因復(fù)合,在單位時(shí)間內(nèi)體積元中消失掉的非平衡少數(shù)載流子.顯然,上述四條中,前兩條會(huì)使體積元中非平衡少數(shù)載流子的數(shù)量增加,而后兩條會(huì)使體積元中非平衡少數(shù)載流子的數(shù)量減少.所以前兩條之和減去后兩條之和再除以體積元的體積,就得到單位時(shí)間.單位體積中非平衡載流子的改變量,由此可導(dǎo)出一維非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程,以n型樣品中的空穴為例,所求方程可表示為:

　　式中G為產(chǎn)生率,為體積元在擴(kuò)散方向的線度.方程中右端四項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)上述引起空穴改變量時(shí)四個(gè)因素.如果很小,以致可以取極限,經(jīng)過數(shù)字處理,上式可寫作:

　　該方程的意義,方程右端: 表示由于擴(kuò)散,單位時(shí)間單位體積中積累的空穴數(shù), 表示由于復(fù)合,單位時(shí)間單位體積中消失的空穴數(shù), 表示由于光照,單位時(shí)間單位體積中產(chǎn)生的空穴數(shù), 方程左端則表示了單位時(shí)間單位體積中凈增加的空穴數(shù).◆基本概念

　　擴(kuò)散,擴(kuò)散流密度,擴(kuò)散定律,擴(kuò)散長(zhǎng)度,擴(kuò)散速度,擴(kuò)散電流密度,探針注入比平面注入擴(kuò)散效率高.◆基本要求: 明晰基本概念;擴(kuò)散方程是研究半導(dǎo)體非平衡載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要方程,因此要掌握擴(kuò)散方程及其應(yīng)用;掌握擴(kuò)散電流密度的計(jì)算方法.

§ 載流子的漂移運(yùn)動(dòng),愛因斯坦關(guān)系 ◆本節(jié)內(nèi)容: 載流子的擴(kuò)散與漂移 愛因斯坦關(guān)系

◆課程重點(diǎn):愛因斯坦關(guān)系:通過對(duì)非平衡載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的討論,明顯地看到,遷移率是反映載流子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)難易程度的物理量,而擴(kuò)散系數(shù)反映存在濃度梯度時(shí)載流子運(yùn)動(dòng)的難易程度.愛因斯坦從理論上找到了擴(kuò)散系數(shù)和遷移率之間的定量關(guān)系,即.◆課程難點(diǎn):無

◆基本概念:愛因斯坦關(guān)系表面了非簡(jiǎn)并條件下載流子遷移率和擴(kuò)散消失之間的關(guān)系.雖然愛因斯坦關(guān)系式是針對(duì)平衡載流子推導(dǎo)出來的,但實(shí)驗(yàn)證明,這個(gè)關(guān)系可直接用于非平衡載流子.這說明剛激發(fā)的載流子雖然具有平衡載流子不同的速度和能量,但由于晶格的作用,在比壽命短的多的時(shí)間內(nèi)就取得了與溫度相適應(yīng)的速度分布,因此在復(fù)合前絕大部分時(shí)間中已和平衡載流子沒有什么區(qū)別.◆基本要求:能導(dǎo)出愛因斯坦關(guān)系式并熟練應(yīng)用.

§ 連續(xù)性方程及其應(yīng)用 ◆本節(jié)內(nèi)容: 連續(xù)性方程 連續(xù)性方程的應(yīng)用 ◆課程重點(diǎn): 連續(xù)性方程是非平衡少數(shù)載流子同時(shí)存在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)所遵守的運(yùn)動(dòng)方程.一般情況下,非平衡載流子濃度不僅是位置x的函數(shù),而且也隨時(shí)間變化,以空穴為例,連續(xù)性方程的一般表達(dá)式為: 式中各項(xiàng)的意義,右端: 第一項(xiàng)為由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),單位時(shí)間單位體積中積累的空穴數(shù) 第二,三項(xiàng)為由于漂移運(yùn)動(dòng),單位時(shí)間單位體積中積累的空穴數(shù) 第四項(xiàng)為由于存在復(fù)合過程單位時(shí)間單位體積中復(fù)合消失的空穴數(shù) 第五項(xiàng)為由于某種因素單位時(shí)間單位體積中產(chǎn)生的空穴數(shù)(產(chǎn)生率) 左端則為單位時(shí)間單位體積中空穴的改變量或者說單位體積中空穴隨時(shí)間的變化率.連續(xù)性方程的應(yīng)用:前面給出的連續(xù)性方式為一般表達(dá)式,在不同的條件下,具有不同的晶體形式,例如半導(dǎo)體中電場(chǎng)是均勻的,則含有電場(chǎng)偏導(dǎo)數(shù)的項(xiàng)應(yīng)為零.因此,要根據(jù)具體情況,正確應(yīng)用連續(xù)性方程.◆課程難點(diǎn):少數(shù)載流子脈沖在電場(chǎng)下的漂移運(yùn)動(dòng),通過解連續(xù)性方程并用來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn),可以測(cè)量載流子的遷移率.◆基本概念:牽引長(zhǎng)度:載流子在電場(chǎng)作用下,在壽命時(shí)間內(nèi)漂移的距離.要注意牽引長(zhǎng)度與擴(kuò)散長(zhǎng)度的不同之處.◆基本要求:掌握基本概念,能較熟練地應(yīng)用連續(xù)性方程解決具體問題.

　　第五章思考題與自測(cè)題

1.區(qū)別半導(dǎo)體平衡狀態(tài)和非平衡狀態(tài)有何不同 什么叫非平衡載流子 什么叫非平衡載流子的穩(wěn)定分布

2.摻雜,改變溫度和光照激發(fā)均能改變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率,它們之間有何區(qū)別 試從物理模型上予以說明.3.在平衡情況下,載流子有沒有復(fù)合這種運(yùn)動(dòng)形式 為什么著重討論非平衡載流子的復(fù)合運(yùn)動(dòng)

4.為什么不能用費(fèi)米能級(jí)作為非平衡載流子濃度的標(biāo)準(zhǔn)而要引入準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 費(fèi)米能級(jí)和準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)有何區(qū)別

5.在穩(wěn)定不變的光照下,半導(dǎo)體中電子和空穴濃度也是保持恒定不變的,但為什么說半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)

6.說明直接復(fù)合,間接復(fù)合的物理意義.7.區(qū)別:復(fù)合效應(yīng)和陷阱效應(yīng),復(fù)合中心和陷阱中心,俘獲和復(fù)合,俘獲截面和俘獲幾率.

　　第六章 p–n結(jié)

§ p–n結(jié)及其能帶圖 ◆本節(jié)內(nèi)容: 空間電荷區(qū) 平衡p–n結(jié)地能帶圖 接觸電勢(shì)差 p–n結(jié)內(nèi)載流子分布

◆課程重點(diǎn):平衡p–n結(jié)的能帶圖:p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成p–n結(jié),p區(qū)能帶相對(duì)n區(qū)能帶上移,而n區(qū)能帶相對(duì)p區(qū)下移,直至費(fèi)米能級(jí)處處相等時(shí),能帶才停止相對(duì)位移.能帶相對(duì)位移的原因是p–n結(jié)空間電荷區(qū)中存在內(nèi)建電場(chǎng).內(nèi)建電場(chǎng)地方向由n區(qū)指向p區(qū),即n區(qū)電勢(shì)高,p區(qū)電勢(shì)低.因此p區(qū)電子的電勢(shì)能比n區(qū)高,所以p區(qū)能帶高于n區(qū)能帶.◆課程難點(diǎn):平衡p–n結(jié)中載流子的分布:在p–n結(jié)形成過程中,n區(qū)的電子向p區(qū)擴(kuò)散,p區(qū)的空穴向n區(qū)擴(kuò)散,并伴隨著產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng),當(dāng)p–n結(jié)達(dá)到平衡時(shí),即費(fèi)米能級(jí)處處相等時(shí),在勢(shì)壘區(qū),電子和空穴形成一定的分布,它們都比n區(qū)和p區(qū)的多數(shù)載流子濃度小的多,好像已經(jīng)耗盡了,所以通常也稱勢(shì)壘區(qū)為耗盡層,即認(rèn)為其中的載流子濃度很小,可以忽略,空間電荷密度就等于電離雜質(zhì)濃度.◆基本概念: 空間電荷區(qū)和平衡p–n結(jié): 當(dāng)n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體結(jié)合形成p–n結(jié)時(shí),由于它們之間雜著載流子濃度梯度導(dǎo)致了空穴從p區(qū)到n區(qū),電子從n區(qū)到p區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng).對(duì)于p區(qū),空穴離開后,留下了不可動(dòng)的帶負(fù)電荷的電離受主,這些電離受主,沒有正電荷與之保持電中性.因此,在p–n結(jié)附近p區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)電荷區(qū).同理,在p–n結(jié) 附近n區(qū)一側(cè)出現(xiàn)了由電離施主構(gòu)成的一個(gè)正電荷區(qū),通常就把雜p–n結(jié)附近的這些電離施主和電離受主所帶電荷稱為空間電荷.它們所存在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū).空間電荷區(qū)中的這些電荷產(chǎn)生了從n區(qū)指向p區(qū),即從正電荷指向負(fù)電荷的電場(chǎng),稱為內(nèi)建電場(chǎng).在內(nèi)建電場(chǎng)作用下,載流子作漂移運(yùn)動(dòng).顯然,電子和空穴的漂移運(yùn)動(dòng)方向與它們各自的快擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反.因此,內(nèi)建電場(chǎng)起著阻礙電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散的作用.隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行,空間電荷逐漸增多,空間電荷區(qū)也逐漸擴(kuò)展;同時(shí)內(nèi)建電場(chǎng)逐漸增強(qiáng),載流子的漂移運(yùn)動(dòng)也逐漸加強(qiáng).在無外加電壓的情況下,載流子的擴(kuò)散和漂移最終就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,即從n區(qū)向p區(qū)擴(kuò)散過去多少電子,同時(shí)就將有同樣的多電子在內(nèi)建電場(chǎng)作用下返回n區(qū).因而,電子的擴(kuò)散電流和漂移電流的大小相等,方向相反或互相抵消.對(duì)于空穴,情況完全類似.因此,沒有電流流過p–n結(jié).或者說流過p–n結(jié)的凈電流為零.這時(shí)空間電荷的數(shù)量一定,空間電荷區(qū)不再繼續(xù)擴(kuò)展,保持一定的寬度,其中存在一定的內(nèi)建電場(chǎng).一般稱這種情況為熱平衡狀態(tài)下的p–n結(jié),簡(jiǎn)稱為平衡p–n結(jié).勢(shì)壘區(qū):在p–n結(jié)的空間電荷區(qū)中能帶發(fā)生彎曲,這是空間電荷區(qū)中電勢(shì)能變化的結(jié)果.因能帶彎曲,電子從勢(shì)能低的n區(qū)向勢(shì)能高的p區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí),必須克服這一勢(shì)能"高坡",才能到達(dá)p區(qū);同理,空穴也必須克服這一勢(shì)能"高坡",才能從p區(qū)到達(dá)n區(qū),這一勢(shì)能"高坡"通常稱為p–n結(jié)的勢(shì)壘,故空間電荷區(qū)也叫勢(shì)壘區(qū).◆基本要求:理解p–n結(jié)的形成原因,能夠證明平衡p–n結(jié)中費(fèi)米能級(jí)處處相等,能畫出平衡p–n結(jié)載流子的分布圖.

§ p–n結(jié)電流電壓特性 ◆本節(jié)內(nèi)容: 非平衡p–n結(jié)能帶圖 理解p–n結(jié)伏安特性

　　影響p–n結(jié)伏安特性偏離理想方程的因素 ◆課程重點(diǎn): 1,非平衡p–n結(jié)的能帶圖:非平衡p–n結(jié)的能帶圖與平衡p–n結(jié)有兩點(diǎn)不同,一是勢(shì)壘高度由變?yōu)?二是非平衡p–n結(jié)不再具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí),即產(chǎn)生了電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí).2,理想p–n結(jié)的伏安特性 理想p–n結(jié)條件: 小注入條件 即注入少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小得多; 突變耗盡層條件 即外加電壓和接觸電勢(shì)差都落在耗盡層上,耗盡層中的電荷是由電離施主和電離受主的電荷組成,耗盡層外的半導(dǎo)體是電中性的.因此,注入的少數(shù)載流子在p區(qū)和n區(qū)是純擴(kuò)散運(yùn)動(dòng); 通過耗盡層的電子和空穴電流為常量,不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生及復(fù)合作用; 玻耳茲曼邊界條件 即在耗盡層兩端,載流子分布滿足玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布.求解理想p–n結(jié)伏安特性方程的基本思路: 根據(jù)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)計(jì)算勢(shì)壘區(qū)邊界及處注入的非平衡少數(shù)載流子濃度; 以邊界及處注入的非平衡少數(shù)載流子的分布; 將非平衡少數(shù)載流子的濃度分布代入擴(kuò)散方程,算出擴(kuò)散密度后,再算出少數(shù)載流子的電流密度; 將兩種載流子的擴(kuò)散電流密度相加,得到理想p–n結(jié)模型的電流電壓方程式,即伏安特性方程為: 式中

　　理想p–n結(jié)電流電壓方程式又稱為肖克萊方程.◆課程難點(diǎn):對(duì)影響p–n結(jié)電流電壓特性偏離肖克萊方程的各種因素的分析:①勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生的電流 p–n結(jié)處于熱平衡狀態(tài)時(shí),勢(shì)壘區(qū)內(nèi)通過復(fù)合中心的載流子產(chǎn)生率等于復(fù)合率.當(dāng)p–n結(jié)加反向偏壓時(shí),勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)加強(qiáng),所以再勢(shì)壘區(qū),由于熱激發(fā)的作用,通過復(fù)合中心產(chǎn)生的電子空穴對(duì)來不及復(fù)合就被強(qiáng)電場(chǎng)驅(qū)走了,也就是說勢(shì)壘區(qū)內(nèi)通過復(fù)合中心的載流子產(chǎn)生率大于復(fù)合率,具有凈產(chǎn)生率,從而形成另一部分反向電流,稱為勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生電流.②勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合電流 再正向偏壓下,從n區(qū)注入p區(qū)的電子和從p區(qū)注入n區(qū)的空穴,再勢(shì)壘區(qū)內(nèi)復(fù)合了一部分,構(gòu)成了另一股正向電流,稱為勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流.③大注入情況下,外加電壓的一部分降在空穴擴(kuò)散區(qū),它形成的電場(chǎng)產(chǎn)生空穴漂移電流.所以,在空穴擴(kuò)散區(qū)同時(shí)存在擴(kuò)散電流和漂移電流.◆基本概念: 在正向電壓下p–n結(jié)勢(shì)壘的變化:p–n結(jié)加正向偏壓V(即p區(qū)結(jié)電源正極,n區(qū)結(jié)負(fù)極)時(shí),因勢(shì)壘區(qū)內(nèi)載流子濃度很小,電阻很大,勢(shì)壘區(qū)外的p區(qū)和n區(qū)中產(chǎn)生了與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng),因而減弱了勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)強(qiáng)度,這就表明空間電荷相應(yīng)的減少.故勢(shì)壘區(qū)的寬度也減小,同時(shí)勢(shì)壘高度從下降為.勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)減弱,破壞了載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)之間原有的平衡,削弱了漂移運(yùn)動(dòng),使擴(kuò)散流大于漂移流.所以在加正向偏壓時(shí),產(chǎn)生了的從n區(qū)向p區(qū)以及空穴從p區(qū)向n區(qū)的凈擴(kuò)散流.在反向電壓下p–n結(jié)勢(shì)壘的變化:當(dāng)p–n結(jié)加反向偏壓V時(shí),反向偏壓在勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向一致,勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)增強(qiáng),勢(shì)壘區(qū)也變寬,勢(shì)壘高度由增高為.勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)增強(qiáng),破壞了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的漂移運(yùn)動(dòng)之間的原有平衡,增強(qiáng)了漂移運(yùn)動(dòng),使漂移流大于擴(kuò)散流.在反向電壓下,p–n結(jié)的電流較小并且趨于不變.◆基本要求:掌握非平衡p–n結(jié)能帶圖及其與平衡p–n結(jié)能帶圖的主要不同之處.掌握肖克萊方程.了解影響p–n結(jié)電流電壓特性方程偏離肖克萊方程的方程的原因.

§ p–n結(jié)電容 ◆本節(jié)內(nèi)容: p–n結(jié)電容的來源 1 壘電容 1,2 擴(kuò)散電容 突變結(jié)勢(shì)壘電容

　　2,1突變結(jié)勢(shì)壘電場(chǎng)及其分布 2,2平衡突變結(jié)的勢(shì)壘寬度 2,3平衡突變結(jié)的勢(shì)壘電容

　　線性緩變結(jié)的接觸電勢(shì)差,勢(shì)壘寬度,勢(shì)壘電容 勢(shì)壘電容公式應(yīng)用 4,1用突變結(jié)勢(shì)壘電容測(cè), 4,2利用線性結(jié)勢(shì)壘電容測(cè)雜質(zhì)濃度梯度和 擴(kuò)散電容 ◆課程重點(diǎn): 勢(shì)壘電容:當(dāng)p–n結(jié)加正向偏壓時(shí),勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)隨正向偏壓的增加而減弱,勢(shì)壘區(qū)的寬度變窄,空間電荷數(shù)量減少.因?yàn)榭臻g電荷是由不能移動(dòng)的雜質(zhì)離子組成的,所以空間電荷的減少是由于n區(qū)的電子和p區(qū)的空穴過來中和了勢(shì)壘區(qū)中一部分電離施主和電離受主.這就是說,在外加正向偏壓增加時(shí),將有一部分電子和空穴"存入"勢(shì)壘區(qū).反之當(dāng)正向偏壓減小時(shí),勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)增強(qiáng),勢(shì)壘區(qū)寬度增加,空間電荷數(shù)量增多,這就是有一部分電子和空穴從勢(shì)壘區(qū)中"取出".對(duì)于加反向偏壓的情況,可作類似分析.總之,p–n結(jié)上外加電壓的變化,引起了電子和空穴在勢(shì)壘區(qū)的"存入"和"取出"作用,導(dǎo)致勢(shì)壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化,這和一個(gè)電容器的充放電作用相似.這種p–n結(jié)的電容效應(yīng)稱為勢(shì)壘電容,以表示.對(duì)于突變結(jié)為:

　　對(duì)于線性緩變結(jié):

◆課程難點(diǎn): 擴(kuò)散電容:正向偏壓時(shí),有空穴從p區(qū)注入n區(qū),于是在勢(shì)壘區(qū)與n區(qū)邊界n區(qū)一側(cè)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi),便形成了非平衡空穴和電子的積累,同樣在p區(qū)也有非平衡電子和空穴的積累.當(dāng)正向偏壓增加時(shí),由p區(qū)注入到n區(qū)的空穴增加,注入的空穴一部分?jǐn)U散走了,一部分則增加了n區(qū)的空穴積累,增加了濃度梯度.所以外加電壓變化時(shí),n區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡空穴也增加與它保持電中性的電子相應(yīng)增加.同樣,p區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡電子與它保持電中性的空穴也相應(yīng)增加.這種由于擴(kuò)散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng),稱為p–n結(jié)的擴(kuò)散電容.用符號(hào)表示:

　　擴(kuò)散電容隨頻率增加而減小,所以上式只適用于低頻情況.利用勢(shì)壘電容可以測(cè)量,, ◆基本概念: 因?yàn)榘雽?dǎo)體是電中性的,所以,勢(shì)壘區(qū)內(nèi)電離的受主總數(shù)與電離的施主總數(shù)相等,即勢(shì)壘區(qū)內(nèi)單位面積上的正負(fù)電荷數(shù)相等.單邊突變結(jié)的勢(shì)壘寬度主要在輕摻雜的一邊,外加電壓變化時(shí),勢(shì)壘區(qū)寬度的變化也主要發(fā)生在重?fù)诫s一邊.突變結(jié)和線性結(jié)勢(shì)壘電容均可等效為平板電容器

◆基本要求:明晰p–n結(jié)電容的來源(即產(chǎn)生p–n結(jié)電容的原因),掌握基本概念,能夠計(jì)算勢(shì)壘高度,勢(shì)壘寬度,能導(dǎo)出突變結(jié)電場(chǎng)分布,以及用突變結(jié)勢(shì)壘電容公式,指導(dǎo)測(cè)量輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度和p–n結(jié)接觸電勢(shì)差.

§ p–n結(jié)擊穿 ◆本節(jié)內(nèi)容: 1,p–n結(jié)擊穿現(xiàn)象 研究p–n結(jié)擊穿的意義 擊穿機(jī)理 3,1 雪崩擊穿 3,2 隧道擊穿 3,3 熱電擊穿 ◆課程重點(diǎn): 雪崩擊穿:在反向偏壓下,流過p–n結(jié)的反向電流,主要是由p區(qū)擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)中的電子電流和由n區(qū)擴(kuò)散到勢(shì)壘區(qū)中的空穴電流所組成.當(dāng)反向偏壓很大時(shí),勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)很強(qiáng),在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的電子和空穴由于受到強(qiáng)電場(chǎng)的漂移作用,具有很大的動(dòng)能,它們與勢(shì)壘區(qū)內(nèi)的晶格原子發(fā)生碰撞時(shí),能把價(jià)鍵上的電子碰撞出來,成為導(dǎo)電電子,同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴.從能帶觀點(diǎn)來看,就是高能量的電子和空穴把滿帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶,產(chǎn)生了電子–空穴對(duì).p–n結(jié)結(jié)勢(shì)壘區(qū)中電子1碰撞出來一個(gè)電子2和一個(gè)空穴2,于是一個(gè)載流子變成了三個(gè)載流子.這三個(gè)載流子(電子和空穴)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,向相反的方向運(yùn)動(dòng),還會(huì)繼續(xù)發(fā)生碰撞,產(chǎn)生第三代的電子–空穴對(duì).空穴1也如此產(chǎn)生第二代,第三代的載流子,如此繼續(xù)下去,載流子就大量增加,這種繁殖載流子的方式稱為載流子的倍增效應(yīng).由于倍增效應(yīng),使勢(shì)壘區(qū)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量載流子,迅速增大了反向電流,從而發(fā)生p–n結(jié)擊穿.這就是雪崩擊穿的機(jī)理.雪崩擊穿除了與勢(shì)壘區(qū)中電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)外,還與勢(shì)壘區(qū)的寬度有關(guān),因?yàn)檩d流子動(dòng)能的增加,需要有一個(gè)加速過程,如果勢(shì)壘區(qū)很薄,即使電場(chǎng)很強(qiáng),載流子在勢(shì)壘區(qū)中加速達(dá)不到產(chǎn)生雪崩倍增效應(yīng)所必須的動(dòng)能,就不能hsh雪崩擊穿.熱電擊穿:當(dāng)p–n結(jié)上施加反向電壓時(shí),流過p–n結(jié)的反向電流要引起熱損耗.反向電壓逐漸增大時(shí),對(duì)應(yīng)于一定的反向電流所損耗的功率也增大,這將產(chǎn)生大量的熱能.如果沒有良好的散熱條件使這些熱能及時(shí)傳遞出去,則將引起結(jié)溫上升.反向飽和電流密度隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升,其上升

物理學(xué)教案模板共2

　　物理學(xué)

　　學(xué)科：理學(xué)

　　門類：物理學(xué)類

　　專業(yè)名稱：物理學(xué)

　　業(yè)務(wù)培養(yǎng)目標(biāo)：本專業(yè)培養(yǎng)掌握物理學(xué)的基本理論與方法，具有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)技能，能在物理學(xué)或相關(guān)的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中從事科研、教學(xué)、技術(shù)和相關(guān)的管理工作的高級(jí)專門人才。

　　業(yè)務(wù)培養(yǎng)要求：本專業(yè)學(xué)生主要學(xué)習(xí)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，接受運(yùn)用物理知識(shí)和方法進(jìn)行科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)訓(xùn)練，獲得基礎(chǔ)研究或應(yīng)用基礎(chǔ)研究的初步訓(xùn)練，具備良好的科學(xué)素養(yǎng)和一定的科學(xué)研究與應(yīng)用開發(fā)能力。

　　畢業(yè)生應(yīng)獲得以下幾方面的知識(shí)和能力：

　　1．掌握數(shù)學(xué)的基本理論和基本方法，具有較高的數(shù)學(xué)修養(yǎng)；

　　2．掌握?qǐng)?jiān)實(shí)的、系統(tǒng)的物理學(xué)基礎(chǔ)理論及較廣泛的物理學(xué)基本知識(shí)和基本實(shí)驗(yàn)方法，具有一定的基礎(chǔ)科學(xué)研究能力和應(yīng)用開發(fā)能力；

　　3．了解相近專業(yè)的一般原理和知識(shí)；

　　4．了解物理學(xué)發(fā)展的前沿和科學(xué)發(fā)展的總體趨勢(shì)；

　　5．了解國(guó)家科學(xué)技術(shù)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等有關(guān)政策和法規(guī)；

　　6．掌握資料查詢、文獻(xiàn)檢索及運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)獲取相關(guān)信息的基本方法；具有-定的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件，歸納、整理、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫論文，參與學(xué)術(shù)交流的能力。

　　主干學(xué)科：物理學(xué)

　　主要課程：高等數(shù)學(xué)、普通物理學(xué)、數(shù)學(xué)物理方法、理論力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理、電動(dòng)力學(xué)、量子力學(xué)、固體物理學(xué)、結(jié)構(gòu)和物性、計(jì)算物理學(xué)入門等。

　　主要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)：包括生產(chǎn)實(shí)習(xí)，科研訓(xùn)練，畢業(yè)論文等，一般安排10-20周。

　　修業(yè)年限：四年

　　授予學(xué)位：理學(xué)學(xué)士

　　開設(shè)院校

　　全部高校>> 北京工業(yè)大學(xué) 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 北京交通大學(xué) 中央民族大學(xué) 遼寧大學(xué) 北京大學(xué) 云南大學(xué) 河北工業(yè)大學(xué) 中國(guó)人民大學(xué) 北京師范大學(xué) 內(nèi)蒙古大學(xué) 長(zhǎng)安大學(xué) 武漢大學(xué) 北京航空航天大學(xué) 河北大學(xué) 大連海事大學(xué) 西北大學(xué) 湖南大學(xué) 北京郵電大學(xué) 河北科技大學(xué)

物理學(xué)教案模板共3

1、疏通文意，明確文言實(shí)詞、虛詞在文中的意思。

2、感受文章的內(nèi)容，體會(huì)人物的心情和個(gè)性特點(diǎn)，感受兄弟親情。

一、課堂學(xué)習(xí)

1、你認(rèn)為課文中哪些語(yǔ)句最能表達(dá)子猷與子敬的兄弟之情？“弦既不調(diào)”說明了什么，你理解“人琴俱亡”的含義了嗎？

2、王子猷是一個(gè)怎樣的人？你喜歡這個(gè)人物嗎？

3、課文描寫子猷先是“了不悲” “都不哭”，后又寫他“慟絕良久”，他前后的表現(xiàn)是否矛盾？為什么？

二、課外拓展：結(jié)合材料探究魏晉風(fēng)度

　　材料一：《傷逝十二》郗嘉賓(郗超)喪,左右白郗公:“郎 喪”既聞不悲,因語(yǔ)左右:“殯時(shí)可道?！惫R殯,一慟幾絕。

　　材料二：《雅量謝公》東晉名相謝安的侄子在前線與八十萬秦兵作戰(zhàn)， 這一戰(zhàn)關(guān)乎國(guó)家危亡，大勝后派人急來報(bào)捷。謝安當(dāng)時(shí)正與客人下棋，看完后若無其事的繼續(xù)與客人慢慢下棋，客人問起也只淡淡地說小兒輩破大敵了?！@一戰(zhàn)關(guān)系到國(guó)之興亡、家之存絕，謝安不可能真的無動(dòng)于衷，只是越是激動(dòng)的重要時(shí)刻越平靜，才是超脫的風(fēng)度。

　　明確：《人琴俱亡》是《世說新語(yǔ)傷逝》第十六篇，結(jié)合其余十八篇來看，《人琴俱亡》作為其中一篇還是較為集中的體現(xiàn)了魏晉時(shí)期文人士大夫的某種思想性格特點(diǎn)及其文化特征——在任由性情、不拘矩度、注重情感的個(gè)性表達(dá)的同時(shí)，還故作曠達(dá)追求一種超脫的風(fēng)度，魏晉風(fēng)度。所以子猷的不悲不哭正好體現(xiàn)了魏晉時(shí)代士人獨(dú)特的思想情感追求——他們注重真性情，追求個(gè)性的自由飛揚(yáng)，同時(shí)又力求能擺脫世俗的一切利害得失、榮辱毀譽(yù)，尋求一種超然的風(fēng)度。為此，盡管子敬很悲痛，卻還是要強(qiáng)自抑制。

　　閱讀下面的文言文，完成題目。

（甲）王子猷、子敬俱病篤，而子敬先亡。子猷問左右：“何以都不聞消息？此已喪矣?！闭Z(yǔ)時(shí)了不悲。便索輿來奔喪，都不哭。

　　子敬素好琴，便徑入坐靈床上，取子敬琴?gòu)?，弦既不調(diào)，擲地云：“子敬子敬，人琴俱亡?！币驊Q絕良久。月余亦卒。

（乙）魏武將見匈奴使，自以形陋，不足雄遠(yuǎn)國(guó)，使崔季硅代，帝自捉刀立床頭。既畢，令間諜問曰：“魏王如何？”匈奴使答曰：“魏王雅望非常；然床頭捉刀人，此乃英雄也?！蔽何渎勚?，追殺此使。

1、給下列字注音

　　猷( ) 篤( ) 慟( ) 輿( )

2、解釋加點(diǎn)詞的含義。

　　王子猷、子敬俱病篤 （ ）（ ） 子敬素好琴（ ）

　　何以都不聞消息（ ）（ ） 此乃英雄也（ ）

3、用現(xiàn)代漢語(yǔ)疏通下列句子的意思，加點(diǎn)字的意思要力求譯準(zhǔn)。

（1）語(yǔ)時(shí)了不悲。

　　譯文：____________________________________________________________

（2）便索輿來奔喪。

　　譯文：____________________________________________________________

（3）便徑入坐靈床上。

　　譯文：____________________________________________________________

（4）因慟絕良久，月余亦卒。

　　譯文：____________________________________________________________

4、曹植有一首《七步詩(shī)》，和（甲）文都是寫 的，請(qǐng)你把它工整地寫在下面。

5、（甲）（乙）兩文都選自《世說新語(yǔ)》，（乙）文中的魏武就是曹操。文中的他是怎樣的形象？

物理學(xué)教案模板共4

　　物理學(xué)是研究自然界的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物體間的相互作用和物體運(yùn)動(dòng)最一般規(guī)律的自然科學(xué)。物理學(xué)是自然科學(xué)中最基礎(chǔ)的學(xué)科之一。作為自然科學(xué)的帶頭學(xué)科，物理學(xué)研究大至宇宙，小至基本粒子等一切物質(zhì)最基本的運(yùn)動(dòng)形式和規(guī)律，因此成為其他各自然科學(xué)學(xué)科的研究基礎(chǔ)。它的理論結(jié)構(gòu)充分地運(yùn)用數(shù)學(xué)作為自己的工作語(yǔ)言，以實(shí)驗(yàn)作為檢驗(yàn)理論正確性的唯一標(biāo)準(zhǔn)，它是當(dāng)今最精密的一門自然科學(xué)學(xué)科。 物理學(xué)有五個(gè)基本分支：力學(xué)，熱學(xué)，電磁學(xué)，光線，原子物理學(xué)。

　　你所知道的物理學(xué)家。

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