【文章內容簡介】 布 簡并半導體 本章基本要求： 了解 費米能級的物理意義和作用，掌握 非簡并半導體中 費米能級位置與載流子濃度的關系。 掌握本征半導體和雜質半導體中 載流子濃度的計算方法和分布特征。 第 4 章 半導體的導電性 載流子的漂移運動 遷移率 載流子的散射 遷移率與雜質濃度和溫 度的關系 電阻率及其與雜質濃度和溫度的關系 本章基本要求： 了解 半導體中的主要散射機制和 電導率的主要影響因素 ，掌握 半導體電 導率的計算方法及與 雜質濃度和溫度的關系，了解強場效應和 耿氏效應。 第 5 章 非平衡載流子 非平衡載流子的注入與復合 非平衡載流子的壽命 準費米能級 復合理論 陷阱效應 載流子的擴散運動 載流子的漂移運動 愛因斯坦關系式 連續(xù)性方程式 本章基本要求： 了解準 費米能級的物理意義和作用，掌握 非平衡狀態(tài)下載流子的運動 規(guī) 7 律，尤其是連續(xù)性方程式的意義和應用。 第 6 章 pn 結 pn 結及其能帶圖 pn 結電流電壓特性 pn 結電容 pn 結擊穿 pn 結隧道效應 本章基本要求： 了解 pn結的物理特性以及能帶圖 ，掌握 pn 結接觸電勢差的計算，理解 pn結的電流電壓 pn結電容的意義和計算， 了解 pn結的擊穿機制和隧道效應 第 7 章 金屬和半導體的接觸 金屬半導體接觸及其能級圖 金屬半導體接觸整流理論 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸 本章基本要求： 了解 金屬半導體接觸的物理特 性和能帶圖 ，掌握 金屬半導體接觸電勢差的計算，了解金屬半導體接觸整流理論， 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結二極管的異同 第 8 章 半導體表面與 MIS 結構 表面態(tài) 表面電場效應 MIS 結構的電容 電壓特性 硅 二氧化硅系統(tǒng)的性質 表面電導及遷移率 本章基本要求： 了解 表面態(tài)的形成機制和表面電場效應、 掌握 表面勢和表面電導的計算方法 ，理解 MIS結構的電容 電壓特性， 了解 表面電場對 pn結特性的影響。 第 9 章 異質結 半導體異質結及 其能帶圖 半導體異質 pn 結電流電壓特性 半導體異質結量子阱、電子能態(tài) 本章基本要求： 了解 異質結 的形成和能帶圖、 掌握異質結接觸 表面勢、勢壘電容和勢壘區(qū)寬 度的計算方法， 了解 異質結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 應變 異質結的形成方法和意義， 了解 半導體異質結激光器的工作原理和特點 。 教學重點、難點 重點： 晶體結構、能帶、有效質量；雜質種類、缺陷種類；狀態(tài)密度、 統(tǒng)計分布、費米能級 、載流子濃度；電導率、 漂移速度、遷移率、散射機制、平均自由時間 、散射概率； 準費米能級、陷阱效應、注入與復合、擴散與漂移、愛因斯坦關系式、連續(xù)性方程式；空間電荷區(qū)、 pn結接觸電勢差、載流子分布、電流電壓特性、結電容、擊穿機制、隧道效應；功函數(shù)、金屬半導體接觸電勢差、肖特基勢壘、擴散理論、歐姆接觸；表面態(tài)、表面勢、 MIS結構、電容電壓特性、表面電導、硅 二氧化硅系統(tǒng)； 異質結 、能帶圖、接觸電勢差、電流電壓特性、應變 異質結、 量子阱、超晶格； 直接躍遷 、間接 躍遷 、本征吸收、光電導 、電致發(fā)光、光生伏特效應 、 pn 結激光原理； 塞貝克效應 、 珀爾帖效應 、 湯姆遜效應 、 溫差電動勢率、熱導 8 率； 霍爾效應 、 磁阻效應 、 磁光效應 、 量子化霍爾效應、熱磁效應、光生伏特效應 、 壓阻效應。 難點： 能帶與有效質量；缺陷與位錯； 費米能級與 載流子濃度；電導率與 散射機制的關系； 準 費米能級、 連續(xù)性方程式；電流電壓特性、結電容；肖特基勢壘；電容 電壓特性、表面電導；異質結 電流 電壓特性及注入特性；光電導的馳豫、發(fā)光光譜和發(fā)光效率； 溫差電動勢率； 量子化霍爾效應。 學時安排 教學內容和學時安排 序號 章目名稱 學時分配 序號 章目名稱 學時分配 講授 實驗 講授 實驗 1 第一章 半導體中的電子狀態(tài) 6 8 第八章 半導體表面與 MIS 6 2 第二章 半導體中的雜質和缺陷 2 9 第九章 半導體異質結構 2 3 第三章 半導體中載流子的統(tǒng)計 6 10 總結與復習 2 4 第四章 半導體的導電性 6 11 5 第五章 非平衡載流子 8 12 6 第六章 pn結 6 7 第七章 金屬和半導體的接觸 4 9 學院 教師姓名 課程名稱 學分 /學時 課程性質 課次 /學時 學年 /學期 物電學院 劉杰 半導體物理學 3/48 專業(yè)必修 1/2 20202017 /2 教學目標： 半導體的幾種常見晶體結構，半導體中能帶的形成，半導體中電子的狀態(tài)和能帶特點 教學內容： 知識點： 常見半導體的 3種晶體結構 常見半導體的 2種化合鍵 電子的共有化運動， .導帶、價帶、禁帶的形成 周期性波函數(shù) 導體、半導體、絕緣體的能帶與導電性能的差異 重點： 晶體結構、能帶 教學實施過程及教學方法 教學過程及教學方法（結合 ppt講述法） 1. 金剛石型結構和共價鍵 重要的半導體材料 Si、 Ge 都屬于金剛石型結構。這種結構的特點是：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）所示的正四面體結構，其配位數(shù)為 4。 金剛石型結構的結晶學原胞，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成的復式晶格。其固體物理學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 共價鍵結合。共價鍵的特點：飽和性、方向性。 10 2. 閃 鋅礦結構和混合鍵 IIIV 族化合物半導體絕大多數(shù)具有閃鋅礦型結構。閃鋅礦結構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合外，還有一定的離子鍵成分，但共價鍵結合占優(yōu)勢。 在垂直于 [111]方向，閃鋅礦結構是由一系列 III 族原子層和 V 族原子層構成的雙原子層堆積起來的。 3. 纖鋅礦型結構 纖鋅礦型結構和閃鋅礦型結構相接近，它也是以正四面體結構為基礎構成的，但是它具有六方對稱性，而不是立方對稱性，圖 2 為纖鋅礦型結構示意圖，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。兩類原子的結合為混合鍵，但離子鍵結合占優(yōu)勢。 電子共有化運動： 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動，引起相應的共有化運動。 能級的分裂： n個原子尚未結合成 晶體時，每個能級都是 n度簡并的，當它們靠近結合成晶體后，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點，這就是共有化運動。不同 k 標志著不同的共有化運動。 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，才能導電。半導體禁帶寬度較小，價帶少量電子獲得外界能量脫離共價鍵躍遷到導帶，形成導帶導電的電子，并在價帶產生導帶空穴，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，所以導電性差。 (a) 絕緣體 (b) 半導體 (c)導體 課堂提問： 作業(yè)和課后反思： 參考資料： P110 相關閱讀材料及頁碼： 劉恩科《半導體物理學》 P１ P1７ 作業(yè)安排： 劉恩科《半導體物理學》，復習相關內容 導帶 價帶 導帶 價帶 半滿帶 價帶 禁帶 禁帶 禁帶 12 學院 教師姓名 課程名稱 學分 /學時 課程性質 課次 /學時 學年 /學期 物電學院 劉杰 半導體物理學 3/48 專業(yè)必修 2/2 20202017 /2 教學目標： 了解 半導體中電子的運動時，引入了有效質量的概念。 闡述本征半導體的導電機構，引入了空穴散射的概念 教學內容 教學內容： 知識點： 有效質量的意義和計算 半導體 平均速度和加速度 本征半導體的導電機構 空穴的特點 重點： 有效質量 難點：有效質量 教學實施過程及教學方法 教學過程及教學方法（結合 ppt講述法） 1. 有效質量： 有效質量概括了半導體內部勢場的作用，使得在解決半導體中電子在外力作用下的運動規(guī)律時，可以不涉及內部作用而直接應用牛頓第二定律。 設能帶底位于 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量?？梢?，能帶底 *nm 是正值。同樣可得，能帶頂附近電子的有效質量，它是負值。 2. 電子的平均速度 電子速度與能量的關系： 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； 引進電子有效質量 *nm 后，半導體中電子所受的外力與加速度的關系可以采用和牛頓第二運動定律類似的形式 *nmfa? （ 18） 因而，在解決半導體中電子在外力作用下的運動規(guī)律，可不涉及內部勢場的作用，這就使問題簡化。 ，這正是半導體同金屬的導電機構的最大差異。 本征半導體的導電機構：導帶電子和等量的價帶空穴同時參與導電。 空穴是一種準粒子，是價帶中空著的狀態(tài)的假想的粒子，具有如下特點： (a) 一個空穴 帶有一個單位的 +q電荷； (b) 空穴也有有效質量 ** 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?。 相關閱讀材料及頁碼： 劉恩科《半導體物理學》 P１ 7P22 作業(yè)安排： 劉恩科《半導體物理學》，復習相關內容 )()( kvkv np ? 14