东南大学电子工程物理基础(4-1)2016选编.ppt

唐洁影 东南大学电子科学与工程学院; ;电子可控;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。;半导体芯片;双极晶体管平面结构图;NMOS; Elemental （元素）;固溶体;常见的半导体材料的应用;Diamond lattice (金刚石晶格) Si、Ge…..; Miller Indices;MOS晶体管结构示意图;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 ;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;第5章 半导体中电子的控制;第4章 半导体中电子的状态;4.1 电子的分布;能量分布;;;;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。;小 结; ;;(1) 导体:能带中一定有不满带;例、典型元素半导体Si、Ge的能带被电子的填充情况;;;*设近满带电流为j（k），则;(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;3. 典型半导体Si、Ge、GaAs的能带结构图;;;Si: Eg=1.17eV;K空间：导带底附近的等能面;;;沿100轴的6个椭球 ？;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;导带极小值在布里渊区中心,等能面 是 面。 1个;;;费米能级的位置;;;分裂;四. 电中性对电子分布的影响;;载流子介电弛豫模型;1.费米能级;2.能带结构~等能面;;与能带结构密切相关;单位能量间隔中的状态数:;;[001] :;各向同性;价带顶部附近的状态密度;（2）分布函数f(E);* 导带电子浓度n0;导带的有效状态密度Nc;*能态密度：;*价带空穴浓度p0;(a) EF 的高低反映了半导体中载流子的填充水平。 EF越靠近导带底，表明导带中的电子浓度越高; EF越靠近价带顶，表明价 带中的空穴浓度越高.;(d) 非平衡载流子与准费米能级的关系;第4章 半导体中电子的状态;热、光、电、磁、声——外部作用;;n0=p0;; Intrinsic carrier concentration ni (本征载流子浓度) ;*从si的共价键平面图看:; 这种束缚比共价键的束缚弱得多,只要很少的能量就可以使它挣脱束缚,成为导带中的自由粒子.这个过程称杂质电离.; 结论: 磷杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心。这种杂质称施主杂质 。掺施主杂质后，导带中的导电电子增多，增强了半导体的导电能力。主要依靠导带电子导电的半导体称n型半导体。;;*从Si的电子能量图看:;半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，它们之间有相互抵消的作用——杂质补偿作用。;2. 特殊掺杂;;当掺杂浓度很高时,会使 EF接近或进入了导带—半导体简并化了.;（a）杂质能带和杂质导电;（2）深能级杂质;类氢原子模型;氢原子;2.电离了的杂质浓度的计算;*施主杂质能级的态密度=所掺施主杂质的浓度ND(E=ED);施主能级被电子占据的概率：;*施主能级上的电子浓度nD;*受主杂质能级的态密度=所掺受主杂质的浓度NA(E=EA)，显然;分析;;公式整理;3. 掺杂半导体载流子浓度和EF的计算;以非简并情况只含施主为例来分析：;两边取对数,并整理;(2)中温强电离区;(本征激发不可忽略);(4)高温本征区;温 区 低温 中温 高温;以中温为例，考察EF~ND;简并情况;类似的;例1.计算含有施主杂质浓度ND＝9×1015cm-3及受主杂质浓度为1.1×1016cm-3的硅在300k时的电子和空穴浓度以及费米能级的位置。（对于硅材料：ND=9×1015cm-3；NA＝1.1×1016cm-3；T＝300k时 ni=1.5×1010cm-3）;②设n型外延层杂质均匀分布，杂质浓度为4.6×1015 cm?3，计算300K时的EF位置和电子空穴浓度。③在外延层中扩散硼后，硼的浓度分布随样品深度变化。设扩散层某一深度处硼的浓度为5.2×1015 cm?3，计算300K时EF位置和电子空穴浓度。④如温度升高到