【文章內(nèi)容簡介】 布 簡并半導(dǎo)體 本章基本要求： 了解 費(fèi)米能級的物理意義和作用，掌握 非簡并半導(dǎo)體中 費(fèi)米能級位置與載流子濃度的關(guān)系。 掌握本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體中 載流子濃度的計算方法和分布特征。 第 4 章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 載流子的漂移運(yùn)動 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)濃度和溫度的關(guān)系 本章基本要求： 了解 半導(dǎo)體中的主要散射機(jī)制和 電導(dǎo)率的主要影響因素 ，掌握 半導(dǎo)體電 導(dǎo)率的計算方法及與 雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系，了解強(qiáng)場效應(yīng)和 耿氏效應(yīng)。 第 5 章 非平衡載流子 非平衡載流子的注入與復(fù)合 非平衡載流子的壽命 準(zhǔn)費(fèi)米能級 復(fù)合理論 陷阱效應(yīng) 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動 載流子的漂移運(yùn)動 愛因斯坦關(guān)系式 連續(xù)性方程式 本章基本要求： 了解準(zhǔn) 費(fèi)米能級的物理意義和作用，掌握 非平衡狀態(tài)下載流子的運(yùn)動 規(guī) 7 律，尤其是連續(xù)性方程式的意義和應(yīng)用。 第 6 章 pn 結(jié) pn 結(jié)及其能帶圖 pn 結(jié)電流電壓特性 pn 結(jié)電容 pn 結(jié)擊穿 pn 結(jié)隧道效應(yīng) 本章基本要求： 了解 pn結(jié)的物理特性以及能帶圖 ，掌握 pn 結(jié)接觸電勢差的計算，理解 pn結(jié)的電流電壓 pn結(jié)電容的意義和計算， 了解 pn結(jié)的擊穿機(jī)制和隧道效應(yīng) 第 7 章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級圖 金屬半導(dǎo)體接觸整流理論 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸 本章基本要求： 了解 金屬半導(dǎo)體接觸的物理特 性和能帶圖 ，掌握 金屬半導(dǎo)體接觸電勢差的計算，了解金屬半導(dǎo)體接觸整流理論， 掌握 歐姆接觸的形成條件。理解肖特基勢壘二極管的工作原理以及與 pn結(jié)二極管的異同 第 8 章 半導(dǎo)體表面與 MIS 結(jié)構(gòu) 表面態(tài) 表面電場效應(yīng) MIS 結(jié)構(gòu)的電容 電壓特性 硅 二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì) 表面電導(dǎo)及遷移率 本章基本要求： 了解 表面態(tài)的形成機(jī)制和表面電場效應(yīng)、 掌握 表面勢和表面電導(dǎo)的計算方法 ，理解 MIS結(jié)構(gòu)的電容 電壓特性， 了解 表面電場對 pn結(jié)特性的影響。 第 9 章 異質(zhì)結(jié) 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)及 其能帶圖 半導(dǎo)體異質(zhì) pn 結(jié)電流電壓特性 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)量子阱、電子能態(tài) 本章基本要求： 了解 異質(zhì)結(jié) 的形成和能帶圖、 掌握異質(zhì)結(jié)接觸 表面勢、勢壘電容和勢壘區(qū)寬 度的計算方法， 了解 異質(zhì)結(jié)電流電壓特性及注入特性 ， 理解量子阱、超晶格的物理意義和作用， 了解 應(yīng)變 異質(zhì)結(jié)的形成方法和意義， 了解 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)激光器的工作原理和特點(diǎn) 。 教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) 重點(diǎn)： 晶體結(jié)構(gòu)、能帶、有效質(zhì)量；雜質(zhì)種類、缺陷種類；狀態(tài)密度、 統(tǒng)計分布、費(fèi)米能級 、載流子濃度；電導(dǎo)率、 漂移速度、遷移率、散射機(jī)制、平均自由時間 、散射概率； 準(zhǔn)費(fèi)米能級、陷阱效應(yīng)、注入與復(fù)合、擴(kuò)散與漂移、愛因斯坦關(guān)系式、連續(xù)性方程式；空間電荷區(qū)、 pn結(jié)接觸電勢差、載流子分布、電流電壓特性、結(jié)電容、擊穿機(jī)制、隧道效應(yīng)；功函數(shù)、金屬半導(dǎo)體接觸電勢差、肖特基勢壘、擴(kuò)散理論、歐姆接觸；表面態(tài)、表面勢、 MIS結(jié)構(gòu)、電容電壓特性、表面電導(dǎo)、硅 二氧化硅系統(tǒng)； 異質(zhì)結(jié) 、能帶圖、接觸電勢差、電流電壓特性、應(yīng)變 異質(zhì)結(jié)、 量子阱、超晶格； 直接躍遷 、間接 躍遷 、本征吸收、光電導(dǎo) 、電致發(fā)光、光生伏特效應(yīng) 、 pn 結(jié)激光原理； 塞貝克效應(yīng) 、 珀爾帖效應(yīng) 、 湯姆遜效應(yīng) 、 溫差電動勢率、熱導(dǎo) 8 率； 霍爾效應(yīng) 、 磁阻效應(yīng) 、 磁光效應(yīng) 、 量子化霍爾效應(yīng)、熱磁效應(yīng)、光生伏特效應(yīng) 、 壓阻效應(yīng)。 難點(diǎn)： 能帶與有效質(zhì)量；缺陷與位錯； 費(fèi)米能級與 載流子濃度；電導(dǎo)率與 散射機(jī)制的關(guān)系； 準(zhǔn) 費(fèi)米能級、 連續(xù)性方程式；電流電壓特性、結(jié)電容；肖特基勢壘；電容 電壓特性、表面電導(dǎo)；異質(zhì)結(jié) 電流 電壓特性及注入特性；光電導(dǎo)的馳豫、發(fā)光光譜和發(fā)光效率； 溫差電動勢率； 量子化霍爾效應(yīng)。 學(xué)時安排 教學(xué)內(nèi)容和學(xué)時安排 序號 章目名稱 學(xué)時分配 序號 章目名稱 學(xué)時分配 講授 實(shí)驗(yàn) 講授 實(shí)驗(yàn) 1 第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 6 8 第八章 半導(dǎo)體表面與 MIS 6 2 第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷 2 9 第九章 半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu) 2 3 第三章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計 6 10 總結(jié)與復(fù)習(xí) 2 4 第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 6 11 5 第五章 非平衡載流子 8 12 6 第六章 pn結(jié) 6 7 第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸 4 9 學(xué)院 教師姓名 課程名稱 學(xué)分 /學(xué)時 課程性質(zhì) 課次 /學(xué)時 學(xué)年 /學(xué)期 物電學(xué)院 劉杰 半導(dǎo)體物理學(xué) 3/48 專業(yè)必修 1/2 20202017 /2 教學(xué)目標(biāo)： 半導(dǎo)體的幾種常見晶體結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體中能帶的形成，半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)和能帶特點(diǎn) 教學(xué)內(nèi)容： 知識點(diǎn)： 常見半導(dǎo)體的 3種晶體結(jié)構(gòu) 常見半導(dǎo)體的 2種化合鍵 電子的共有化運(yùn)動， .導(dǎo)帶、價帶、禁帶的形成 周期性波函數(shù) 導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶與導(dǎo)電性能的差異 重點(diǎn)： 晶體結(jié)構(gòu)、能帶 教學(xué)實(shí)施過程及教學(xué)方法 教學(xué)過程及教學(xué)方法（結(jié)合 ppt講述法） 1. 金剛石型結(jié)構(gòu)和共價鍵 重要的半導(dǎo)體材料 Si、 Ge 都屬于金剛石型結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：每個原子周圍都有四個最近鄰的原子，與它形成四個共價鍵，組成一個如圖 1（ a）所示的正四面體結(jié)構(gòu)，其配位數(shù)為 4。 金剛石型結(jié)構(gòu)的結(jié)晶學(xué)原胞，是立方對稱的晶胞如圖 1（ b）圖所示。它是由兩個相同原子的面心立方晶胞沿立方體的空間對角線滑移了 1/4 空間對角線長度套構(gòu)成的。立方體頂角和面心上的原子與這四個原子周圍情況不同，所以它是由相同原子構(gòu)成的復(fù)式晶格。其固體物理學(xué)原胞和面心立方晶格的取法相同，但前者含兩個原子，后者只含一個原子。 原子間通過 共價鍵結(jié)合。共價鍵的特點(diǎn)：飽和性、方向性。 10 2. 閃 鋅礦結(jié)構(gòu)和混合鍵 IIIV 族化合物半導(dǎo)體絕大多數(shù)具有閃鋅礦型結(jié)構(gòu)。閃鋅礦結(jié)構(gòu)由兩類原子各自組成的面心立方晶胞沿立方體的空間對角線滑移了 1/4 空間對角線長度套構(gòu)成的。每個原子被四個異族原子包圍。 兩類原子間除了依靠共價鍵結(jié)合外，還有一定的離子鍵成分，但共價鍵結(jié)合占優(yōu)勢。 在垂直于 [111]方向，閃鋅礦結(jié)構(gòu)是由一系列 III 族原子層和 V 族原子層構(gòu)成的雙原子層堆積起來的。 3. 纖鋅礦型結(jié)構(gòu) 纖鋅礦型結(jié)構(gòu)和閃鋅礦型結(jié)構(gòu)相接近，它也是以正四面體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)成的，但是它具有六方對稱性，而不是立方對稱性，圖 2 為纖鋅礦型結(jié)構(gòu)示意圖，它是由兩類原子各自組成 的六方排列的雙原子層堆積而成。兩類原子的結(jié)合為混合鍵，但離子鍵結(jié)合占優(yōu)勢。 電子共有化運(yùn)動： 由于相鄰原子的“相似”電子殼層發(fā)生交疊，電子不再局限在某一個原子上而在整個晶體中的相似殼層間運(yùn)動，引起相應(yīng)的共有化運(yùn)動。 能級的分裂： n個原子尚未結(jié)合成 晶體時，每個能級都是 n度簡并的，當(dāng)它們靠近結(jié)合成晶體后，每個電子都受到周圍原子勢場的作用，每個 n 度簡并的能級都分裂成 n 個彼此相距很近的能級。 允帶、禁帶的形成： 同一能級分裂的 n個彼此相近的能級組成一個能帶，稱為允帶，允帶之間因沒有允許能級， 稱為禁帶。 5. 半導(dǎo)體中的電子的狀態(tài)和能帶 自由電子具有波粒二象性，遵守定態(tài)薛定諤方程； 0mkhv ??＝ （ 11） ?? khp＝ （ 12） 0222mkhE? （ 13） 晶體中的電子運(yùn)動的波函數(shù) 11 kxikk exux ?? 2)()( ? （ 14） 其中 )(xuk 是與晶格周期相同的周期性函數(shù)，即 uk(x)= uk(x+na) （ 15） 所以 )()( ** xuxu kkkk ??? 周期性變化，說明電子可以移動到其它晶胞的對應(yīng)點(diǎn)，這就是共有化運(yùn)動。不同 k 標(biāo)志著不同的共有化運(yùn)動。 能量不連續(xù)，形 成一系列的允帶和禁帶。允帶出現(xiàn)在布里淵區(qū) aanka 21221 ???? 中，禁帶出現(xiàn)在 ank 2? 處，即布里淵區(qū)邊界上。 能量是 k的周期函數(shù)： ? ? ?????? ?? ankEkE 。 、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶 部分占滿的能帶，如金屬的價電子能帶，才能導(dǎo)電。半導(dǎo)體禁帶寬度較小，價帶少量電子獲得外界能量脫離共價鍵躍遷到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)帶導(dǎo)電的電子，并在價帶產(chǎn)生導(dǎo)帶空穴，這個過程就是本征激發(fā)。絕緣體由于禁帶較大，價帶電子躍遷困難，所以導(dǎo)電性差。 (a) 絕緣體 (b) 半導(dǎo)體 (c)導(dǎo)體 課堂提問： 作業(yè)和課后反思： 參考資料： P110 相關(guān)閱讀材料及頁碼： 劉恩科《半導(dǎo)體物理學(xué)》 P１ P1７ 作業(yè)安排： 劉恩科《半導(dǎo)體物理學(xué)》，復(fù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容 導(dǎo)帶 價帶 導(dǎo)帶 價帶 半滿帶 價帶 禁帶 禁帶 禁帶 12 學(xué)院 教師姓名 課程名稱 學(xué)分 /學(xué)時 課程性質(zhì) 課次 /學(xué)時 學(xué)年 /學(xué)期 物電學(xué)院 劉杰 半導(dǎo)體物理學(xué) 3/48 專業(yè)必修 2/2 20202017 /2 教學(xué)目標(biāo)： 了解 半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動時，引入了有效質(zhì)量的概念。 闡述本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)，引入了空穴散射的概念 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)內(nèi)容： 知識點(diǎn)： 有效質(zhì)量的意義和計算 半導(dǎo)體 平均速度和加速度 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu) 空穴的特點(diǎn) 重點(diǎn)： 有效質(zhì)量 難點(diǎn)：有效質(zhì)量 教學(xué)實(shí)施過程及教學(xué)方法 教學(xué)過程及教學(xué)方法（結(jié)合 ppt講述法） 1. 有效質(zhì)量： 有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用，使得在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運(yùn)動規(guī)律時，可以不涉及內(nèi)部作用而直接應(yīng)用牛頓第二定律。 設(shè)能帶底位于 0?k 處，將 )(kE 在 0?k 附近按二階泰勒級數(shù)展開，得： ? ? ? ? 2022210 kdx EdEkEk ??????????? （ 16） 令 *0222 11 nk mdx Edh ?????????? （ 17） 其中 *nm 為能帶底附近電子的有效質(zhì)量。可見，能帶底 *nm 是正值。同樣可得，能帶頂附近電子的有效質(zhì)量，它是負(fù)值。 2. 電子的平均速度 電子速度與能量的關(guān)系： dkdEhv 1? （ 18） 能帶極值附近，電子速度 *nmhkv?，能帶底附近電子的速度與波矢符號相同，能帶頂附近電子的速 13 度與波矢符號相反。 v k 曲線如下圖。 3. 電子的加速度 由于 dtdkhf ? ，電子在外力 f 作用下，波矢不斷改變，其變 化率與外力成正比； 引進(jìn)電子有效質(zhì)量 *nm 后，半導(dǎo)體中電子所受的外力與加速度的關(guān)系可以采用和牛頓第二運(yùn)動定律類似的形式 *nmfa? （ 18） 因而，在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運(yùn)動規(guī)律，可不涉及內(nèi)部勢場的作用，這就使問題簡化。 ，這正是半導(dǎo)體同金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的最大差異。 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)：導(dǎo)帶電子和等量的價帶空穴同時參與導(dǎo)電。 空穴是一種準(zhǔn)粒子，是價帶中空著的狀態(tài)的假想的粒子，具有如下特點(diǎn)： (a) 一個空穴 帶有一個單位的 +q電荷； (b) 空穴也有有效質(zhì)量 ** np mm ?? ； (c) 外場作用下，空穴 k 狀態(tài)的變化規(guī)律和電子的相同 ； (d) 空穴的加速度為 *pmEqa?。 相關(guān)閱讀材料及頁碼： 劉恩科《半導(dǎo)體物理學(xué)》 P１ 7P22 作業(yè)安排： 劉恩科《半導(dǎo)體物理學(xué)》，復(fù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容 )()( kvkv np ? 14