半导体物理基础(1-2)-课件.ppt
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- 半导体 物理 基础 课件
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1、半导体物理基础(Elementary Semiconductor(Elementary Semiconductor Physics)Physics)Conductor 104105 scm-1Insulator 10-18 10-10 scm-1Semiconductor 10-10 104 scm-1(1)电导率介于导体与绝缘体之间电导率介于导体与绝缘体之间(Chapter 1 Basic Semiconductor Properties)第一章第一章 半导体的一般特性半导体的一般特性1 导电性导电性(3)与温度、光照、湿度等密切相关)与温度、光照、湿度等密切相关(2)两种载流子参于导电两种
2、载流子参于导电(4)与掺杂有关与掺杂有关2 Semiconductor Materials2 Semiconductor Materials Elemental (元素)(元素)Compounds (化合物)(化合物)Alloys (合金)(合金)指两种或多种金属混合,形成某种化合物指两种或多种金属混合,形成某种化合物(1)classified as(2 2)Crystal structureCrystal structureDiamond lattice(金刚石晶格金刚石晶格)Si、Ge.Zincblende Zincblende lattice(闪锌矿闪锌矿晶格晶格)ZnSZnS、GaAs
3、GaAs、InPInP、CuF、SiC、CuCl、AlP、GaP、ZnSe、AlAs、CdS、InSb和和AgI(3)Miller Indices(2 3 6)B:(1 0 1)A:(2 0 1)或或 (2 0 1)等效晶面等效晶面(5)the angle between h1k1l1 and h2k2l2:21222222212121212121)()cos(lkhlkhl lkkhh(4)Interplanar spacinga Lattice constant222lkhad(hkl)planes:3 Energy Band Theory3 Energy Band Theory Near
4、ly free electron model(1)General Consideration Tight-binding model对称性对称性 E(k)=E(-k)a a2 2n nk kE Ek kE E周期性周期性(2)Constant-Energy Surface zzzyyyxxxmkkmkkmkkkEkE20202020)()()(2)()((3)Brillouin ZonesFirst Brillouin zones for materials crystallizing in the diamond and zineblende lattices.(4)Ge,Si,and Ga
5、As Energy Band u Cyclotron resonance experiments测 m*m*能带结构(回旋共振实验)(回旋共振实验)Bvfv/vr电子的初速度为电子的初速度为v,在恒定磁场(在恒定磁场(B)中:)中:ncmqBBvqfBqvqvBfsin若等能面是椭球面,沿若等能面是椭球面,沿kx、ky、kz方向有效质量分别为:方向有效质量分别为:zyxmmm,设设B沿沿kx、ky、kz轴的方向余弦分别为:轴的方向余弦分别为:、)(zyxvvqBf)(xzyvvqBf)(yxzvvqBfBvqf那么:那么:ncmqB 其中:其中:zyxzyxnmmmmmmm2221 以硅为例:
6、以硅为例:(1)B沿沿111方向,观察到一个吸收峰。方向,观察到一个吸收峰。(2)B沿沿110方向,观察到两个吸收峰。方向,观察到两个吸收峰。(3)B沿沿100方向,观察到两个吸收峰。方向,观察到两个吸收峰。(4)B沿任意轴方向,观察到三个吸收峰。沿任意轴方向,观察到三个吸收峰。硅导带底附近等能面是沿硅导带底附近等能面是沿100方向的旋转椭球面。方向的旋转椭球面。硅导带底附近等能面是方向的旋转椭球面。zzzyyyxxxmkkmkkmkkkEkE20202020)()()(2)()(分析:分析:设:设:Bk1 k2 k3 001适当选取坐标,使适当选取坐标,使B位位于于k1-k2平面内:平面内:
7、=sin =0 =cos ltmkmkkkE23222122)(则:则:22cossinltltnmmmmm zyxzyxnmmmmmmm2221 =sin =0 =cos Bk1 k2 k3 ncmqB 21222222212121212121)()cos(lkhlkhl lkkhh22cossinltltnmmmmmConstant-Energy Surface(等能面(等能面)Ge、Si、GaAsE-k 关系图(关系图(Ge、Si)3.3.2锗:锗:Eg=0.74eV硅硅:Eg=1.17eV1-Heavy holes2-Light holesHeavy holes?Light holes
8、?T=0 KE-k 关系图关系图(GaAs)GaAs:Eg=1.16 eV本征半导体本征半导体:是指一块没有杂质和缺陷的半导体是指一块没有杂质和缺陷的半导体.本征激发本征激发:T0K时时,电子从价带激发到导带电子从价带激发到导带,同时价同时价 带中产生空穴带中产生空穴.n0=p0=ni n0 p0=ni 2 ni-本征载流子浓度本征载流子浓度1.Intrinsic Semiconductor(本征半导体)本征半导体)第二章第二章 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级*从从si si的共价键平面图看的共价键平面图看:P P1515:1S:1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S2
9、23P3P3 3 这种束缚比共价键的束缚弱得多这种束缚比共价键的束缚弱得多,只要很少的能量就可以只要很少的能量就可以使它挣脱束缚使它挣脱束缚,成为导带中的自由粒子成为导带中的自由粒子.这个过程称这个过程称杂质电离杂质电离.2.Doped/extrinsic Semiconductor(掺杂掺杂/非本征半导体)非本征半导体)(1)Donor(施主杂质(施主杂质)n型半导体型半导体 族元素硅、锗中掺族元素硅、锗中掺族元素族元素,如如P:*从从SiSi的电子能量图看的电子能量图看:结论结论:磷杂质在硅、锗中电离时,能够释放电子而产生磷杂质在硅、锗中电离时,能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心。这
10、种杂质称导电电子并形成正电中心。这种杂质称施主杂质施主杂质 。掺施。掺施主杂质后,导带中的导电电子增多,增强了半导体的导电主杂质后,导带中的导电电子增多,增强了半导体的导电能力。能力。主要依靠导带电子导电的半导体称主要依靠导带电子导电的半导体称n n型半导体型半导体。2220412)4(nmqEn电离能的计算电离能的计算:氢原子氢原子(2 2)Acceptor (Acceptor (受主杂质受主杂质)p)p型半导体型半导体族元素硅、锗中掺族元素硅、锗中掺族元素族元素,如如硼硼(B):*从从si的共价键平面图看的共价键平面图看:B B1313:1S:1S2 22S2S2 22P2P6 63S3S
11、2 23P3P1 1小结:纯净半导体中掺入受主杂质后,受主杂质电离,使价带小结:纯净半导体中掺入受主杂质后,受主杂质电离,使价带中的导电空穴增多,增强了半导体的导电能力。主要依靠价带中的导电空穴增多,增强了半导体的导电能力。主要依靠价带空穴导电的半导体称空穴导电的半导体称p p型半导体型半导体。*从从SiSi的电子能量图看的电子能量图看:(3 3)杂质的补偿作用)杂质的补偿作用半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时,它们之间有相互半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时,它们之间有相互抵消的作用抵消的作用杂质补偿作用杂质补偿作用。*当当ND NA时,时,n=ND-NA ND 半导体是半导体是n型型*
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