半导体器件物理第一章课件

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1、第一章半导体物理基础§1-1晶体结构和半导体材料§1-2半导体能带结构§1-3平衡载流子浓度§1-4载流子输运现象§1-5非平衡载流子§1-6半导体的光学性质8/8/20211§1-1晶体结构和半导体材料晶格结构密勒指数载流子的概念半导体器件基础8/8/202128/8/20213固体结构8/8/20214晶体结构硅、锗等半导体都属于金刚石型结构。III-V族化合物（如砷化镓等）大多是属于闪锌矿型结构，与金刚石结构类似。晶格常数是晶体的重要参数。aGe=0.5658nm,aSi=0.5431nm8/8/20215常用半导体材料的

2、晶格结构TwointerveningFCCcellsoffsetby¼ofthecubicdiagonalfromdiamondstructureandzincblendestructure:8/8/20216—倒格矢：基本参数:a*,b*,c*(aa*=2,ab*=0,etc.)应用：波矢k空间的布里渊区8/8/20217—沿晶体的不同方向，晶体的机械、物理特性也是不相同的，这种情况称为晶体的各向异性。用密勒指数表示晶面。—密勒指数（Millerindices)：表示晶面（1）确定某一平面在直角坐标系三个轴上的截点，并以

3、晶格常数为单位测出相应的截距；（2）取截距的倒数，然后约化为三个最小的整数，这就是密勒指数。晶体的各向异性8/8/20218密勒指数密勒指数[43]8/8/20219密勒指数(hkl):Foraplanethatinterceptsthex-axisonthenegativesideoftheorigin.(100){hkl}:Forplanesofequivalentsymmetry.(100)(010)(001)(100)(010)(001):Forafullsetofequivalentdirections.

4、[100][010][001][100][010][001][100][hkl]:Foracrystaldirection8/8/202110价键每个原子有4个最近邻原子以共价键结合，低温时电子被束缚在各自的正四面体晶格内，不参与导电。高温时，热振动使共价键破裂，每打破一个键，就得到一个自由电子，留下一个空穴，即产生一个电子空穴对。8/8/202111单晶硅8/8/202112半导体载流子：电子和空穴8/8/202113半导体器件基础半导体器件是根据半导体中的各种效应制成的。如：利用pn结单向导电效应，光电效应，雪崩倍增效应，隧

5、道效应等，可以制成各种半导体结型器件。利用半导体中载流子的能谷转移效应，可以制成体效应器件。利用半导体与其它材料之间的界面效应，可以制成各种界面器件。半导体中的各种效应是由半导体内部的电子运动产生的，因此需要掌握构成半导体器件物理基础的半导体中的电子运动规律。8/8/202114§1-2半导体能带结构能带的概念有效质量的概念载流子的概念多能谷半导体态密度8/8/202115能带的概念电子的共有化运动能带的概念导体、半导体、绝缘体的能带直接带隙半导体：电子从价带向导带跃迁不需要改变晶体动量的半导体，如GaAs。间接带隙半导体：电子

6、从价带向导带跃迁要改变晶体动量的半导体，如Si。8/8/202116单电子近似单电子近似解法解为Bloch函数:8/8/202117晶体是由大量的原子结合而成的，因此各个原子的电子轨道将有不同程度的交叠。电子不再局限于某个原子，而可能转移到其他原子上去，使电子可能在整个晶体中运动。晶体中电子的这种运动称为电子的共有化。由于晶格是势场的周期性函数，我们有式中V（x）为周期性势场，s为整数，a为晶格常数。势场的周期与晶格周期相同。晶体中的电子在周期性势场中运动的波函数其振幅随x作周期性变化，其变化周期与晶格周期相同，这反映了电子不再

7、局限于某个原子，而是以一个被调幅的平面波在晶体中传播。基本方程为薛定谔方程：8/8/202118电子由一个原子转移到相邻的原子去,因而电子将可以在整个晶体中运动。8/8/202119固体的量子理论认为，当原子凝聚成固体时，由于原子间的相互作用，相应于孤立原子的每个能级加宽成间隔极小（准连续）的分立能级所组成的能带，能带之间隔着宽的禁带。能带之间的间隔不允许电子具有的能量。金刚石结构的晶体形成的能带图如下。n个原子组成晶体，原子间相互作用，n重简并能级分裂，n个连续的分离但挨的很近的能级形成能带。8/8/202120不同材料的能带

8、图(a)绝缘体(b)半导体(c)导体8/8/202121能带温度效应SiGaAs实验结果表明，大多数半导体的禁带宽度随温度的升高而减小，禁带宽度与温度的关系有下面经验公式：8/8/202122直接带隙半导体DirectSemiconductor例如：GaAs,I