1、国家级精品课程 半导体器件物理与实验 半导体器件物理 Physics of Semiconductor Devices 主讲教师 ： 陈占国 电子邮件： 办公电话： 85168382 手机号码： 13089136480 办公地点： 唐敖庆楼 D334 半导体器件物理 课程简介 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 课程简介 半导体器件物理与实验 2005 年 5月 吉林大学校级精品课程 2005 年 8月 吉林省省级精品课程 2007 年 12月 教育部国家级精品课程 半导体器件物理 半导体器件物理与实验 课程的理论课部分 面向专业： 微电子学、光电子学、电子科学与技术 半导体器件物理 课程
2、简介 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 课程简介 课程地位： 主干专业基础课，硕士研究生入学考试科目。 前期课程： 普通物理、结晶学、量子力学、半导体物理学。 后续课程： 集成电路，微电子技术，半导体光电子学等。 主要内容： 介绍一些常见半导体器件的基本结构、基本工作原理、基本性能和基本制造工艺等。 半导体器件物理 课程简介 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 教学团队 课程负责人： 孟庆巨 教授， , 13331778341 课程主讲教师： 贾 刚 教授， , 85168382刘海波 教授 , , 18686651588 陈占国 教授 , ,13089136480 课程辅导教师： 陈长
3、鸣 博士， , 13159618561 半导体器件物理 课程简介 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 教材 半导体器件物理 孟庆巨 刘海波 孟庆辉 编著 科学出版社出版 2005年 1月 第一版，第一次印刷 2005年 7月 第二次印刷 2006年 3月 第三次印刷 2009年 2月 第四次印刷 2009年 11月 第二版，第六次印刷 半导体器件物理 课程简介 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 参考资料 半导体器件物理课件 -ppt 半导体器件物理学习指导 半导体器件物理习题及参考答案 半导体器件物理复习纲要 半导体器件物理与实验 国家精品课程网站 吉大网站 校内办公 教学在线 教学资源
4、平台 国家级精品课（第二页） 半导体器件物理 论坛 孟庆巨教授讨论室 半导体器件物理 课程简介 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 主要参考书 1. Physics of Semiconductor Devices， Third Edition, S. M. Sze and Kwok K. Ng, Published by John Wiley & Sons, Inc. in 2007. 2. Semiconductor Physics and Devices Basic Principles， Third Edition, Donald A. Neamen， Published by Mc
5、Graw-Hill, in 2003. 3. 半导体器件基础 ， 美 Robert F. Pierret，电子工业出版社， 2004. 4. 现代半导体器件物理 ， 美 施敏（ S. M. Sze ），科学出版社， 2001. 半导体器件物理 课程简介 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 课程内容（共 56学时） 第一章 半导体物理基础 （ 4学时） 第二章 PN结 （ 12学时） 第三章 双极结型晶体管 （ 10学时） 第四章 金属 -半导体结 （ 5学时） 第五章 结型场效应晶体管和 肖特基势垒场效应晶体管 （ 5学时） 第六章 MOS场效应晶体管 （ 8学时） 第七章 电荷转移器件 （
6、 4学时） 第八章 太阳电池与光电二极管 （ 4学时） 第九章 发光管与半导体激光器 （ 4学时） 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 第一章 半导体物理基础 Chapter 1 Fundament of Semiconductor Physics 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 学习目的 重点知识回顾 能带理论；载流子统计分布；载流子的输运现象；非平衡载流子的产生与复合； qe 公式符号衔接 补充必要知识 静电势；费米势；修正的欧姆定律；半导体中的基本控制方程。 E V第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 1.1 1.6 能带理论和杂质
7、能级（自学） 基本概念与基本原理 共有化运动；电子态；周期性势场；布洛赫定理；波矢量；倒格矢；倒格子；布里渊区；周期性边界条件；导带；价带；禁带；晶体能带的性质；有效质量；导带电子；价带空穴；准动量；电子和空穴在外力作用下的运动规律；金属、半导体、绝缘体的能带特征； Si、 Ge、 GaAs等常见半导体的能带结构；能谷；横向有效质量；纵向有效质量；直接带隙；间接带隙；施主杂质；受主杂质；杂质能级； N型半导体； P型半导体；深能级。 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 1.7 载流子的统计分布 1.7.1 状态密度（ Density of States, DOS) 0
8、. 定义： 单位体积晶体中单位能量间隔内的状态数。 )471()2(4)( 2/132/3 cdnc EEhmEN 1. 导带状态密度： 质量导带电子状态密度有效)571(3/13213/2 mmmMm dn 2/132/3)2(4)( cdnc EEhmEN Ec 导带中的状态密度 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 2. 价带状态密度： 质量价带空穴状态密度有效)571(2/32/32/3 lhdp mmm )471()2(4)( 2/132/3 EEhmEN vdpv1.7 载流子的统计分布 1.7.1 状态密度（ Density of States, DOS)
9、 2/132/3)2(4)( EEhmEN vdpv Ev 价带中的状态密度 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 1.7 载流子的统计分布 导带 价带 N（ E） E Eg 禁带 Ec Ev 状态密度 N(E)与能量 E的关系 1.7.1 状态密度（ Density of States, DOS） 简单能带图 导带 价带 E Eg 禁带 Ec Ev 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 1.7 载流子的统计分布 1.7.2 费米分布函数和费米能级 1. 费米分布函数： 电子 费米子 。一个能量为 E的电子态被 电子 占据的几率满足 费米 -狄拉
10、克（ Fermi-Dirac） 统计分布。 )971(1e x p1 kTEEEfFk: Boltzmann常数； T: Kelvin温度； EF： Fermi能级。 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 1.7 载流子的统计分布 1.7.2 费米分布函数和费米能级 1. 费米分布函数： 一个能量为 E的电子态 未被电子占据 （被 空穴 占据）的几率为： )1071(1e x p11 kTEEEfFk: Boltzmann常数； T: Kelvin温度； EF： Fermi能级。 Ef 电子态被电子占据和未被占据的几率分布 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体
11、器件物理与实验 1.7 载流子的统计分布 1.7.2 费米分布函数和费米能级 3. 费米能级（ Fermi Level）： （ 1）在一定温度下，热平衡系统具有恒定的费米能级。 （ 2）费米能级是反映电子在各个能级上分布情况的参数。 （ 3）费米能级是电子填充能级水平高低的标志。 4. 玻尔兹曼分布： 在非简并半导体（掺杂浓度低，一般小于 1018cm-3）中，导带电子或价带空穴的浓度很低，它们对电子态的占据不受 Pauli不相容原理的限制，其分布几率可近似为 Boltzmann分布。 )1171(e x p)(, kTEEEfkTEE FF)1271(e x p)(1, kTEEEfkTEE
12、 FF第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 )1471(e x p kTEENn Fcc 导带底有效状态密度)1571(22 323 hkTmN dnc 1.7 载流子的统计分布 1.7.3 能带中的电子和空穴浓度 1. 导带电子浓度 )1371()()( dEENEfn cE c第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 )1771(e x p kTEENp vFv 价带顶有效状态密度)1871(22 323 hkTmN dpv 1.7 载流子的统计分布 1.7.3 能带中的电子和空穴浓度 2. 价带空穴浓度 )1671()()(1 dEENEfp
13、vE v第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 禁带宽度与温度的关系)2271(0 TEEEE gvcg )2371(e x p 031 kTETKnp g1.7 载流子的统计分布 1.7.3 能带中的电子和空穴浓度 3. np之积 )2171(e x p kTENNnp gvc一定温度下的半导体，热平衡下的 np之积只与有效状态密度和禁带宽度有关，而与掺杂情况和费米能级无关。 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 1.7 载流子的统计分布 1.7.4 本征半导体（ Intrinsic Semiconductor） 1. 电中性条件： )2471(
14、 pn )2571(ln2121 cvvci NNkTEEE2. 本征费米能级： )2671(2e x p)(2/12/1kTENNnppngvcii3. 本征载流子浓度： 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 1.7 载流子的统计分布 1.7.4 本征半导体（ Intrinsic Semiconductor） 4. 质量作用公式： )2771(2 innp)2971(e x p)2871(e x p kTEEnpkTEEnnFiiiFi5. 电子和空穴浓度公式的另一种形式： 热平衡 时，这 些公式 具有普 适性！ 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理
15、与实验 1.7 载流子的统计分布 1.7.5 只含一种杂质的半导体 1. 电中性条件： )3071( dNn )3371(/ln)3271(/lnidiFdccFnNkTEENNkTEE3. 费米能级： )3171(2didNnpNn2. 载流子浓度： 一 . N型半导体：（饱和电离） 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 100 200 300 400 500 P型 N型 本征费米能级 导带 价带 1016 1014 1012 1012 1014 1016 1018 1018 T/K
16、 Ei EF-Ei/eV EF Ec Ev EF 硅材料费米能级随杂质浓度和温度的变化曲线 施主浓度越高， N型半导体费米能级越靠近导带底。随着温度的升高，费米能级逐渐远离导带底，接近本征费米能级。 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 1.7 载流子的统计分布 1.7.5 只含一种杂质的半导体 1. 电中性条件： )(Np a 3471 )3771(/ln)3671(/lniaiFavvFnNkTEENNkTEE3. 费米能级： )(NnnNpaia 357122. 载流子浓度： 二 . P型半导体：（饱和电离） 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理
17、与实验 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 100 200 300 400 500 P型 N型 本征费米能级 导带 价带 1016 1014 1012 1012 1014 1016 1018 1018 T/K Ei EF-Ei/eV EF Ec Ev EF 硅材料费米能级随杂质浓度和温度的变化曲线 受主浓度越高， P型半导体费米能级越靠近价带顶。随着温度的升高，费米能级逐渐远离价带顶，接近本征费米能级。 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 1.7 载流子的统计分布 1.7.6 杂质补偿半导体 1. 电中性条件： )38
18、71( ad NNn )4171(/)(ln)4071()/(lniadiFadccFnNNkTEENNNkTEE3. 费米能级： )3971()(2adiadNNnpNNn2. 载流子浓度： 一 . NdNa情况（ N型）：（饱和电离） 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 1.7 载流子的统计分布 1.7.6 杂质补偿半导体 1. 电中性条件： )4271( da NNp )4571(/)(ln)4471()/(lnidaiFdavvFnNNkTEENNNkTEE3. 费米能级： )4371()(2daidaNNnnNNp2. 载流子浓度： 二 . NaNd情况（
19、P型）：（饱和电离） 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 1.7 载流子的统计分布 1.7.6 杂质补偿半导体 电中性条件和载流子浓度： inpn 三 . Na=Nd情况：（完全补偿） 1.7.7 简并半导体 （自学） 阅读教材 P31-33，回答下面问题：什么是简并半导体？简并发生的条件是什么？ 1.8 载流子的散射（自学） 阅读教材 P36-41。需要掌握的概念：格波；声子；色散关系；平均自由时间；弛豫时间；主要的散射机制。 第一章 半导体物理基础 国家级精品课程 半导体器件物理与实验 几种常见半导体的参数 Ge Si GaAs Eg (eV) 0.67 1.12 1.43 Nc (cm-3) 1.04 1019 2.8 1019 4.5 1017 Nv (cm-3) 4.4 1018 1.04 1019 7.1 1018 Ni (cm-3) 2.3 1013 1.5 1010 1.1 107
