半导体物理学第七版电子工业出版社刘恩科等编着PPT_精品文档PPT文档格式.ppt
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期期中考试中考试45%;
期末考试;
期末考试45%半导体物理学半导体器件半导体器件11半导体中的电子状态半导体中的电子状态22半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级33半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学半导体器件半导体器件固态电子学分支之一固态电子学分支之一微电子学微电子学光电子学光电子学研究在固体(主要是半导体研究在固体(主要是半导体材料上构成材料上构成的微小型化器件、电路、及系统的电子学的微小型化器件、电路、及系统的电子学分支学科分支学科微电子学简介微电子学简介:
半导体概要半导体概要半导体器件半导体器件微电子学研究领域微电子学研究领域半导体器件物理半导体器件物理集成电路工艺集成电路工艺集成电路设计和测试集成电路设计和测试微电子学发展的特点微电子学发展的特点向高集成度、低功耗、向高集成度、低功耗、高性能高可靠性电路方高性能高可靠性电路方向发展向发展与其它学科互相渗透,与其它学科互相渗透,形成新的学科领域:
形成新的学科领域:
光电集成、光电集成、MEMS、生生物芯片物芯片半导体概要半导体概要半导体器件半导体器件固体材料分成:
固体材料分成:
超导体、导体、半导体、绝缘体超导体、导体、半导体、绝缘体什么是半导体?
什么是半导体?
半导体及其基本特性半导体及其基本特性半导体器件半导体器件半导体器件半导体器件11半导体中的电子状态半导体中的电子状态22半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级33半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学半导体器件半导体器件半导体的纯度和结构半导体的纯度和结构纯度纯度极高,杂质1013cm-3结构结构半导体器件半导体器件晶体结构晶体结构单单胞胞对于任何给定的晶体,可以用来形成其晶体结构的对于任何给定的晶体,可以用来形成其晶体结构的最小单元最小单元注:
注:
(a)单胞无需是唯一的)单胞无需是唯一的(b)单胞无需是基本的)单胞无需是基本的半导体器件半导体器件晶体结构晶体结构三维立方单胞三维立方单胞简立方、简立方、体心立方、体心立方、面面立方立方半导体器件半导体器件金刚石晶体结构金刚石晶体结构金刚石结构金刚石结构原子结合形式:
共价键原子结合形式:
共价键形成的晶体结构:
形成的晶体结构:
构成一个正四构成一个正四面体,具有面体,具有金金刚刚石石晶晶体体结结构构半导体器件半导体器件半半导导体体有有:
元元素素半半导导体体如如Si、Ge金刚石晶体结构金刚石晶体结构半导体器件半导体器件半半导导体体有有:
化化合合物物半半导导体体如如GaAs、InP、ZnS闪锌矿晶体结构闪锌矿晶体结构金刚石型闪锌矿型半导体器件半导体器件练习练习1、单胞是基本的、不唯一的单元。
(、单胞是基本的、不唯一的单元。
()2、按半导体结构来分,应用最为广泛的是、按半导体结构来分,应用最为广泛的是()。
)。
3、写出三种立方单胞的名称,并分别计算、写出三种立方单胞的名称,并分别计算单胞中所含的原子数。
单胞中所含的原子数。
4、计算金刚石型单胞中的原子数。
、计算金刚石型单胞中的原子数。
半导体器件半导体器件原子的能级原子的能级电子壳层电子壳层不同支壳层电子1s;
2s,2p;
3s,2p,3d;
共有化运动共有化运动半导体器件半导体器件+14电子的能级是量子化的n=3n=3四个电子四个电子n=2n=288个电子个电子n=1n=122个电子个电子SiHSi原子的能级原子的能级半导体器件半导体器件原子的能级的分裂原子的能级的分裂孤立原子的能级孤立原子的能级4个原子能级的分裂个原子能级的分裂半导体器件半导体器件原子的能级的分裂原子的能级的分裂原子能级分裂为能带原子能级分裂为能带半导体器件半导体器件Si的的能带能带(价带、导带和带隙价带、导带和带隙半导体器件半导体器件价带:
价带:
0K0K条件下被电子填充的能量的能带条件下被电子填充的能量的能带导带:
导带:
0K0K条件下未被电子填充的能量的能带条件下未被电子填充的能量的能带带隙:
导带底与价带顶之间的能量差带隙:
导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构半导体的能带结构导导导导带带带带价价价价带带带带EEgg半导体器件半导体器件自由电子的运动自由电子的运动微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性半导体器件半导体器件半导体中电子的运动半导体中电子的运动薛定谔方程及其解的形式薛定谔方程及其解的形式布洛赫波函数布洛赫波函数半导体器件半导体器件固体材料分成:
超导体、导体、半导体、绝缘体超导体、导体、半导体、绝缘体固体材料的能带图固体材料的能带图半导体器件半导体器件半导体、绝缘体和导体半导体、绝缘体和导体半导体器件半导体器件半导体的能带半导体的能带本征激发本征激发半导体器件半导体器件练习练习1、什么是共有化运动?
、什么是共有化运动?
2、画出、画出Si原子结构图(画出原子结构图(画出s态和态和p态并注明该能态并注明该能级层上的电子数)级层上的电子数)3、电子所处能级越低越稳定。
、电子所处能级越低越稳定。
()4、无论是自由电子还是晶体材料中的电子,他们、无论是自由电子还是晶体材料中的电子,他们在某处出现的几率是恒定不变的。
在某处出现的几率是恒定不变的。
()5、分别叙述半导体与金属和绝缘体在导电过程中、分别叙述半导体与金属和绝缘体在导电过程中的差别。
的差别。
半导体器件半导体器件半导体中半导体中E(K)与)与K的关系的关系在导带底部,波数在导带底部,波数,附近,附近值很小,值很小,将将在在附近泰勒展开附近泰勒展开半导体器件半导体器件半导体中半导体中E(K)与)与K的关系的关系令令代入上式得代入上式得半导体器件半导体器件自由电子的能量自由电子的能量微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性半导体器件半导体器件半导体中电子的平均速度半导体中电子的平均速度在周期性势场内,电子的平均速度在周期性势场内,电子的平均速度u可表示可表示为波包的群速度为波包的群速度半导体器件半导体器件自由电子的速度自由电子的速度微观粒子具有波粒二象性微观粒子具有波粒二象性半导体器件半导体器件半导体中电子的加速度半导体中电子的加速度半导体中电子在一强度为半导体中电子在一强度为E的外加电场作用的外加电场作用下,外力对电子做功为电子能量的变化下,外力对电子做功为电子能量的变化半导体器件半导体器件半导体中电子的加速度半导体中电子的加速度令令即即半导体器件半导体器件有效质量的意义有效质量的意义自由电子只受外力作用;
半导体中的电子自由电子只受外力作用;
半导体中的电子不仅受到外力的作用,同时还受半导体内不仅受到外力的作用,同时还受半导体内部势场的作用部势场的作用意义:
有效质量概括了半导体内部势场的意义:
有效质量概括了半导体内部势场的作用,使得研究半导体中电子的运动规律作用,使得研究半导体中电子的运动规律时更为简便(有效质量可由试验测定)时更为简便(有效质量可由试验测定)半导体器件半导体器件空穴空穴只有非满带电子才可导电只有非满带电子才可导电导带电子和价带空穴具有导电特性;
电子导带电子和价带空穴具有导电特性;
电子带负电带负电-q(导带底),空穴带正电(导带底),空穴带正电+q(价(价带顶)带顶)半导体器件半导体器件K空间等能面空间等能面在在k=0处为能带极值处为能带极值导带底附近导带底附近价带顶附近价带顶附近半导体器件半导体器件K空间等能面空间等能面以以、为坐标轴构成为坐标轴构成空间,空间,空间空间任一矢量代表波矢任一矢量代表波矢导带底附近导带底附近半导体器件半导体器件K空间等能面空间等能面对应于某一对应于某一值,有许多组不同的值,有许多组不同的,这些组构成一个封闭面,这些组构成一个封闭面,在着个面上能量值为一恒值,这个面称在着个面上能量值为一恒值,这个面称为等能量面,简称等能面。
为等能量面,简称等能面。
等能面为一球面(理想)等能面为一球面(理想)半导体器件半导体器件11半导体中的电子状态半导体中的电子状态22半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级33半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布4半导体的导电性半导体的导电性5非平衡载流子非平衡载流子6pn结结7金属和半导体的接触金属和半导体的接触8半导体表面与半导体表面与MIS结构结构半导体物理学半导体器件半导体器件与理想情况的偏离与理想情况的偏离晶格原子是振动的晶格原子是振动的材料含杂质材料含杂质晶格中存在缺陷晶格中存在缺陷点缺陷(空位、间隙原子)点缺陷(空位、间隙原子)线缺陷(位错)线缺陷(位错)面缺陷(层错)面缺陷(层错)半导体器件半导体器件与理想情况的偏离的影响与理想情况的偏离的影响极微量的杂质和缺陷,会对半导体材料极微量的杂质和缺陷,会对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影的物理性质和化学性质产生决定性的影响,同时也严重影响半导体器件的质量。
响,同时也严重影响半导体器件的质量。
1个个B原子原子/个个Si原子原子在室温下电导率提高在室温下电导率提高倍倍Si单晶位错密度要求低于单晶位错密度要求低于半导体器件半导体器件与理想情况的偏离的原因与理想情况的偏离的原因理论分析认为,杂质和缺陷的存在使得理论分析认为,杂质和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所产生的周期性原本周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏,并在禁带中引入了能级,势场受到破坏,并在禁带中引入了能级,允许电子在禁带中存在,从而使半导体允许电子在禁带中存在,从而使半导体的性质发生改变。
的性质发生改变。
半导体器件半导体器件硅、锗晶体中的杂质能级硅、锗晶体中的杂质能级例:
如图所示为一晶格常数为例:
如图所示为一晶格常数为a的的Si晶胞,求:
晶胞,求:
(a)Si原子半径原子半径(b)晶胞中所有)晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比原子占据晶胞的百分比解:
(解:
(a)(b)半导体器件半导体器件间隙式杂质、替位式杂质间隙式杂质、替位式杂质杂质原子位于晶格原子间的间隙位置,杂质原子位于晶格原子间的间隙位置,该杂质称为该杂质称为间隙式杂质间隙式杂质。
间隙式杂质原子一般比较小,如间隙式杂质原子一般比较小,如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂(材料中的离子锂(0.068nm)。
杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处,杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处,该杂质称为该杂质称为替位式杂质替位式杂质。
替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构要求与被取代的晶格原子相近。
如要求与被取代的晶格原子相近。
如、族元素在族元素在Si、Ge晶体中都为替位式杂质。
晶体中都为替位式杂质。
半导体器件半导体器件间隙式杂质、替位式杂质间隙式杂质、替位式杂质单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度单位体积中的杂质原子数称为杂质浓度半导体器件半导体器件练习练习1、实际情况下、实际情况下k空间的等能面与理想情况下的等空间的等能面与理想情况下的等能面分别是如何形状的?
它们之间有差别的原因能面分别是如何形状的?
它们之间有差别的原因?
2、实际情况的半导体材料与理想的半导体材料有、实际
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