[1]半导体技术物理基础-谢孟贤

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1、<<<<半导体器件基础<<半导体器件基础半导体器件基础>>半导体器件基础>>>>>>第第一第一一部分一部分半导体技术物理基础电子⾥ᡔ大学微固学院谢孟贤谢孟贤谢孟贤2013·៤都Ꮦ——目目目录录录——Ǐ1ǐ一ѯ基础概念………………………………………………………………˄2˅Ǐ2ǐ半导体禁带宽度……………………………………………………………˄10˅Ǐ3ǐ热ᑇ衡条ӊ…………………………………………………………………˄14˅Ǐ4ǐ电中性条ӊ…………………………………………………………………˄16˅Ǐ5ǐEinstein关系………………………………………………………………˄

2、17˅Ǐ6ǐ电流密度和电导率…………………………………………………………˄23˅Ǐ7ǐ载流子䖲续性关系…………………………………………………………˄27˅Ǐ8ǐ载流子的热ᑇ衡统计规律…………………………………………………˄31˅Ǐ9ǐFermi能㑻和准Fermi能㑻………………………………………………˄36˅Ǐ10ǐ非ᑇ衡载流子的性质……………………………………………………˄43˅Ǐ11ǐ半导体载流子的Џ要性能খ量˄小结˅………………………………˄53˅Ǐ12ǐ简并半导体的性质………………………………………………………˄55˅Ǐ13ǐ半导体的复合发ܝ特性…………

3、………………………………………˄58˅Ǐ14ǐp-n结的感ܝ特性…………………………………………………………˄60˅Ǐ15ǐ补充知识˖………………………………………………………………˄63˅一些半导体的重要໿质；半导体的晶体结构；Si、Ge和GaAs的能带结构；SiC的晶体结构和໿质；GaN的基本໿质。1半导体技术物理基础半导体技术物理基础半导体技术物理基础晶体管和集៤电路Ꮉ作的物理基础就在于᥻制半导体中载流子的状态及݊䖤ࡼDŽ半导体中的载流子有ϸ种ˈे电子和空穴DŽ载流子的䖤ࡼ有ϸ种形式˖混乱的热䖤ࡼ和݋有一定方向的定向䖤ࡼDŽ载流子的定向䖤ࡼˈ按݊ѻ生的原因可ҹ有

4、漂移䖤ࡼ˄电场所㟈˅ҹ及扩散䖤ࡼ˄浓度ẃ度所㟈˅ϸ种特⅞的形式DŽ载流子定向䖤ࡼ的结果就将ѻ生电流——有漂移电流ҹ及扩散电流ϸ种DŽ半导体器ӊ就是依靠载流子的定向䖤ࡼ来Ꮉ作的DŽ因ℸˈ在ℸ将䞡点说明有关半导体中载流子的基本特性——一ѯ䞡要的数学关系和统计规律DŽℸ外ˈ䖬将简要地说明一ϟ发ܝѠ极管和ܝ电Ѡ极管的Ꮉ作原理DŽ最后ˈ补充一ѯ有关晶体结构和新材料等方面的知识DŽǏǏǏ1ǐǐǐ一ѯ基本概念˄˄˄1˅˅˅热ᑇ衡˅热ᑇ衡热ᑇ衡和热ᑇ衡和和和热涨落热涨落热ᑇ衡就是ϸ个物体处于相同温度的一种状态DŽ因Ў温度温度温度是粒子˄ߚ子ǃ原子˅ᑇ均ࡼ温度能的量度ˈ所ҹ处于热ᑇ衡的ϸ个物体

5、ˈ݊中粒子的ᑇ均ࡼ能相等ˈ它们之间े没有净ࡼ能的转移DŽ而粒子䱣机䖤ࡼǃ通过碰撞把ࡼ能Ң较高温度的物体传递㒭较Ԣ温度的物体ˈ䖭ѯ转移的ᑇ均ࡼ能г就是所谓的热量热量热量DŽ因ℸˈᔧϸ个物体处于热ᑇ衡状态时ˈ它们的温度就必热量然相等ˈ而Ϩ无热量的转移DŽড之ˈ处于温度一定ǃ无能量转移的状态就是热ᑇ衡状态热ᑇ衡状态热ᑇ衡状态DŽ热ᑇ衡状态如果有能使物体中的粒子获得ࡼ能ǃ发生移ࡼ的外界作用时ˈ߭就会有能量的转移ˈҢ而就破ണ了热ᑇ衡状态˗例如外ࡴ电压可使半导体中的载流子ࡴ䗳而ѻ生移ࡼˈ因ℸˈࡴ有电压的半导体就处于非热ᑇ衡状态非热ᑇ衡状态非热ᑇ衡状态˄简⿄Ў非ᑇ衡状态˅DŽ所ҹˈг可

6、ҹ说热ᑇ衡状态就是非热ᑇ衡状态没有任何外界作用的一种稳定状态DŽ但是ˈ热ᑇ衡状态并ϡ是完全静ℶ的状态ˈ而是一种所谓ࡼ态ᑇ衡的状态DŽ因Ў热ᑇ衡时虽然无净能量的转移ˈ然而Ң某一个瞬间来看ˈ由于粒子的䗳度有高ǃ有Ԣ˄服ҢMaxwell䗳率ߚᏗ定律˅ˈ߭ᔧ某个体系的粒子Ϣ঺一个体系的݋有较高䗳度的粒子碰撞时े会获得能量ˈ而ᔧϢ较Ԣ䗳度的粒子碰撞时े会放ߎ能量ˈҢ而在该瞬间就会在ϸ个体系之间ѻ生了ᑇ均ࡼ能˄热量˅的传递˗因ℸˈҢ某一个瞬间来看ैҡ然ᄬ在着能量——热量的传递ˈ䖭种瞬间的热量传递就会䗴៤体系的瞬间的能量或者温度发生波ࡼ˄䍋伏˅ˈ䖭种⦄象就是所谓热涨落热涨落热涨落

7、DŽ热涨落在电路系统中ˈ处于热ᑇ衡状态的载流子体系的热涨落就会导㟈载流子浓度发生涨落˄䍋伏˅ˈ并Ң而ѻ生所谓热噪声热噪声热噪声˄又⿄Ў热噪声Johnson噪声˅DŽᔧ有电流通过一个电阻时ˈ如果ѻ生电流的载流子的浓度ߎ⦄了热涨落ˈ那М就会ѻ生相ᑨ的电压和电流的涨落ˈ䖭种涨落就是所谓噪声噪声噪声电压噪声电压电压和噪声电流电压噪声电流噪声电流DŽ噪声电流˄˄˄2˅˅˅晶体的˅晶体的晶体的能带晶体的能带ӫ所周知ˈ真空中的自由电子没有ফ到任何势场的束缚˄े可认Ў势能Ў0˅ˈ它的能量ব化是䖲续的˗而原子中的电子要ফ到原子芯势场的紧密束缚ˈ它的能量ব化是ϡ䖲续的ˈे处于一系列ߚ立的

8、能㑻状态DŽᇍ于晶体中的电