刘杰-物理与电子工程学院-四川理工学院

刘杰-物理与电子工程学院-四川理工学院内容摘要：

布 简并半导体 本章基本要求： 了解 费米能级的物理意义和作用，掌握 非简并半导体中 费米能级位置与载流子浓度的关系。 掌握本征半导体和杂质半导体中 载流子浓度的计算方法和分布特征。 第 4 章 半导体的导电性 载流子的漂移运动 迁移率 载流子的散射 迁移率与杂质浓度和温 度的关系 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 本章基本要求： 了解 半导体中的主要散射机制和 电导率的主要影响因素 ，掌握 半导体电 导率的计算方法及与 杂质浓度和温度的关系，了解强场效应和 耿氏效应。 第 5 章 非平衡载流子 非平衡载流子的注入与复合 非平衡载流子的寿命 准费米能级 复合理论 陷阱效应 载流子的扩散运动 载流子的漂移运动 爱因斯坦关系式 连续性方程式 本章基本要求： 了解准 费米能级的物理意义和作用，掌握 非平衡状态下载流子的运动 规 7 律，尤其是连续性方程式的意义和应用。 第 6 章 pn 结 pn 结及其能带图 pn 结电流电压特性 pn 结电容 pn 结击穿 pn 结隧道效应 本章基本要求： 了解 pn结的物理特性以及能带图 ，掌握 pn 结接触电势差的计算，理解 pn结的电流电压 pn结电容的意义和计算， 了解 pn结的击穿机制和隧道效应 第 7 章 金属和半导体的接触 金属半导体接触及其能级图 金属半导体接触整流理论 少数载流子的注入和欧姆接触 本章基本要求： 了解 金属半导体接触的物理特 性和能带图 ，掌握 金属半导体接触电势差的计算，了解金属半导体接触整流理论， 掌握 欧姆接触的形成条件。 理解肖特基势垒二极管的工作原理以及与 pn结二极管的异同 第 8 章 半导体表面与 MIS 结构 表面态 表面电场效应 MIS 结构的电容 电压特性 硅 二氧化硅系统的性质 表面电导及迁移率 本章基本要求： 了解 表面态的形成机制和表面电场效应、 掌握 表面势和表面电导的计算方法 ，理解 MIS结构的电容 电压特性， 了解 表面电场对 pn结特性的影响。 第 9 章 异质结 半导体异质结及 其能带图 半导体异质 pn 结电流电压特性 半导体异质结量子阱、电子能态 本章基本要求： 了解 异质结 的形成和能带图、 掌握异质结接触 表面势、势垒电容和势垒区宽 度的计算方法， 了解 异质结电流电压特性及注入特性 ， 理解量子阱、超晶格的物理意义和作用， 了解 应变 异质结的形成方法和意义， 了解 半导体异质结激光器的工作原理和特点。 教学重点、难点 重点： 晶体结构、能带、有效质量；杂质种类、缺陷种类；状态密度、 统计分布、费米能级 、载流子浓度；电导率、 漂移速度、迁移率、散射机制、平均自由时间 、散射概率； 准费米能级、陷阱效应、注入与复合、扩散与漂移、爱因斯坦关系式、连续性方程式；空间电荷区、 pn结接触电势差、载流子分布、电流电压特性、结电容、击穿机制、隧道效应；功函数、金属半导体接触电势差、肖特基势垒、扩散理论、欧姆接触；表面态、表面势、 MIS结构、电容电压特性、表面电导、硅 二氧化硅系统； 异质结 、能带图、接触电势差、电流电压特性、应变 异质结、 量子阱、超晶格； 直接跃迁 、间接 跃迁 、本征吸收、光电导 、电致发光、光生伏特效应 、 pn 结激光原理； 塞贝克效应 、 珀尔帖效应 、 汤姆逊效应 、 温差电动势率、热导 8 率； 霍尔效应 、 磁阻效应 、 磁光效应 、 量子化霍尔效应、热磁效应、光生伏特效应 、 压阻效应。 难点： 能带与有效质量；缺陷与位错； 费米能级与 载流子浓度；电导率与 散射机制的关系； 准 费米能级、 连续性方程式；电流电压特性、结电容；肖特基势垒；电容 电压特性、表面电导；异质结 电流 电压特性及注入特性；光电导的驰豫、发光光谱和发光效率； 温差电动势率； 量子化霍尔效应。 学时安排 教学内容和学时安排 序号 章目名称 学时分配 序号 章目名称 学时分配 讲授 实验 讲授 实验 1 第一章 半导体中的电子状态 6 8 第八章 半导体表面与 MIS 6 2 第二章 半导体中的杂质和缺陷 2 9 第九章 半导体异质结构 2 3 第三章 半导体中载流子的统计 6 10 总结与复习 2 4 第四章 半导体的导电性 6 11 5 第五章 非平衡载流子 8 12 6 第六章 pn结 6 7 第七章 金属和半导体的接触 4 9 学院 教师姓名 课程名称 学分 /学时 课程性质 课次 /学时 学年 /学期 物电学院 刘杰 半导体物理学 3/48 专业必修 1/2 20202017 /2 教学目标： 半导体的几种常见晶体结构，半导体中能带的形成，半导体中电子的状态和能带特点 教学内容： 知识点： 常见半导体的 3种晶体结构 常见半导体的 2种化合键 电子的共有化运动， .导带、价带、禁带的形成 周期性波函数 导体、半导体、绝缘体的能带与导电性能的差异 重点： 晶体结构、能带 教学实施过程及教学方法 教学过程及教学方法（结合 ppt讲述法） 1. 金刚石型结构和共价键 重要的半导体材料 Si、 Ge 都属于金刚石型结构。 这种结构的特点是：每个原子周围都有四个最近邻的原子，与它形成四个共价键，组成一个如图 1（ a）所示的正四面体结构，其配位数为 4。 金刚石型结构的结晶学原胞，是立方对称的晶胞如图 1（ b）图所示。 它是由两个相同原子的面心立方晶胞沿立方体的空间对角线滑移了 1/4 空间对角线长度套构成的。 立方体顶角和面心上的原子与这四个原子周围情况不同，所以它是由相同原子构成的复式晶格。 其固体物理学原胞和面心立方晶格的取法相同，但前者含两个原子，后者只含一个原子。 原子间通过 共价键结合。 共价键的特点：饱和性、方向性。 10 2. 闪 锌矿结构和混合键 IIIV 族化合物半导体绝大多数具有闪锌矿型结构。 闪锌矿结构由两类原子各自组成的面心立方晶胞沿立方体的空间对角线滑移了 1/4 空间对角线长度套构成的。 每个原子被四个异族原子包围。 两类原子间除了依靠共价键结合外，还有一定的离子键成分，但共价键结合占优势。 在垂直于 [111]方向，闪锌矿结构是由一系列 III 族原子层和 V 族原子层构成的双原子层堆积起来的。 3. 纤锌矿型结构 纤锌矿型结构和闪锌矿型结构相接近，它也是以正四面体结构为基础构成的，但是它具有六方对称性，而不是立方对称性，图 2 为纤锌矿型结构示意图，它是由两类原子各自组成 的六方排列的双原子层堆积而成。 两类原子的结合为混合键，但离子键结合占优势。 电子共有化运动： 由于相邻原子的“相似”电子壳层发生交叠，电子不再局限在某一个原子上而在整个晶体中的相似壳层间运动，引起相应的共有化运动。 能级的分裂： n个原子尚未结合成 晶体时，每个能级都是 n度简并的，当它们靠近结合成晶体后，每个电子都受到周围原子势场的作用，每个 n 度简并的能级都分裂成 n 个彼此相距很近的能级。 允带、禁带的形成： 同一能级分裂的 n个彼此相近的能级组成一个能带，称为允带，允带之间因没有允许能级， 称为禁带。 5. 半导体中的电子的状态和能带 自由电子具有波粒二象性，遵守定态薛定谔方程； 0mkhv ＝ （ 11）  khp＝ （ 12） 0222mkhE （ 13） 晶体中的电子运动的波函数 11 kxikk exux  2)()(  （ 14） 其中 )(xuk 是与晶格周期相同的周期性函数，即 uk(x)= uk(x+na) （ 15） 所以 )()( ** xuxu kkkk  周期性变化，说明电子可以移动到其它晶胞的对应点，这就是共有化运动。 不同 k 标志着不同的共有化运动。 能量不连续，形 成一系列的允带和禁带。 允带出现在布里渊区 aanka 21221  中，禁带出现在 ank 2 处，即布里渊区边界上。 能量是 k的周期函数：     ankEkE。 、半导体、绝缘体的能带 部分占满的能带，如金属的价电子能带，才能导电。 半导体禁带宽度较小，价带少量电子获得外界能量脱离共价键跃迁到导带，形成导带导电的电子，并在价带产生导带空穴，这个过程就是本征激发。 绝缘体由于禁带较大，价带电子跃迁困难，所以导电性差。 (a) 绝缘体 (b) 半导体 (c)导体 课堂提问： 作业和课后反思： 参考资料： P110 相关阅读材料及页码： 刘恩科《半导体物理学》 P１ P1７ 作业安排： 刘恩科《半导体物理学》，复习相关内容 导带 价带 导带 价带 半满带 价带 禁带 禁带 禁带 12 学院 教师姓名 课程名称 学分 /学时 课程性质 课次 /学时 学年 /学期 物电学院 刘杰 半导体物理学 3/48 专业必修 2/2 20202017 /2 教学目标： 了解 半导体中电子的运动时，引入了有效质量的概念。 阐述本征半导体的导电机构，引入了空穴散射的概念 教学内容 教学内容： 知识点： 有效质量的意义和计算 半导体 平均速度和加速度 本征半导体的导电机构 空穴的特点 重点： 有效质量 难点：有效质量 教学实施过程及教学方法 教学过程及教学方法（结合 ppt讲述法） 1. 有效质量： 有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及内部作用而直接应用牛顿第二定律。 设能带底位于 0k 处，将 )(kE 在 0k 附近按二阶泰勒级数展开，得：     2022210 kdx EdEkEk  （ 16） 令 *0222 11 nk mdx Edh  （ 17） 其中 *nm 为能带底附近电子的有效质量。 可见，能带底 *nm 是正值。 同样可得，能带顶附近电子的有效质量，它是负值。 2. 电子的平均速度 电子速度与能量的关系： dkdEhv 1 （ 18） 能带极值附近，电子速度 *nmhkv，能带底附近电子的速度与波矢符号相同，能带顶附近电子的速 13 度与波矢符号相反。 v k 曲线如下图。 3. 电子的加速度 由于 dtdkhf  ，电子在外力 f 作用下，波矢不断改变，其变 化率与外力成正比； 引进电子有效质量 *nm 后，半导体中电子所受的外力与加速度的关系可以采用和牛顿第二运动定律类似的形式 *nmfa （ 18） 因而，在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律，可不涉及内部势场的作用，这就使问题简化。 ，这正是半导体同金属的导电机构的最大差异。 本征半导体的导电机构：导带电子和等量的价带空穴同时参与导电。 空穴是一种准粒子，是价带中空着的状态的假想的粒子，具有如下特点： (a) 一个空穴 带有一个单位的 +q电荷； (b) 空穴也有有效质量 ** np mm  ； (c) 外场作用下，空穴 k 状态的变化规律和电子的相同 ； (d) 空穴的加速度为 *pmEqa。 相关阅读材料及页码： 刘恩科《半导体物理学》 P１ 7P22 作业安排： 刘恩科《半导体物理学》，复习相关内容 )()( kvkv np  14。