《半導(dǎo)體物理》講義

半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體 物物 理理 講講 義義 第 五 稿 胡 禮 中 編 大連理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 電子科學(xué)與技術(shù)研究所 2011 年 2 月 1 引言引言 本課程是為我校電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)開(kāi)設(shè)的一門(mén)必修專業(yè)基礎(chǔ)課 也是其 他相關(guān)專業(yè)的重要選修課 主要介紹半導(dǎo)體的一些基本物理概念 現(xiàn)象 物理 過(guò)程及其規(guī)律 為學(xué)習(xí)諸如 半導(dǎo)體材料 半導(dǎo)體器件 等后續(xù)課程打下基 礎(chǔ) 本課程共分八章 第一和第二章扼要復(fù)習(xí)一下 固體物理 已詳細(xì)介紹過(guò) 的有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)和晶格振動(dòng)及缺陷的基本知識(shí) 這些內(nèi)容是學(xué)習(xí)后續(xù)內(nèi)容前必 需掌握的 第三章到第八章 講述半導(dǎo)體物理的主要內(nèi)容 包括 半導(dǎo)體中的 電子狀態(tài) 電子與空穴的統(tǒng)計(jì)分布 電導(dǎo)和霍爾效應(yīng) 非平衡載流子 半導(dǎo)體 的接觸現(xiàn)象和半導(dǎo)體表面 應(yīng)該說(shuō) 能帶理論是半導(dǎo)體物理學(xué)的基礎(chǔ) 因此在第三章中先通過(guò)簡(jiǎn)單的 模型和討論將能帶理論的主要結(jié)論告訴同學(xué)們 包括更復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)與計(jì)算 的嚴(yán)格能帶理論 我們將安排在研究生的 半導(dǎo)體理論 課程中講授 半導(dǎo)體物理涉及的物理概念和基本原理較多 為了加深對(duì)它們的理解 在 各章里均給同學(xué)們留有習(xí)題或思考題 這些題目有的還是基本內(nèi)容的補(bǔ)充 也 有少量難度較大的題目 這樣的問(wèn)題有利于拓寬同學(xué)們的知識(shí)面和訓(xùn)練同學(xué)們 的獨(dú)立思考能力 這里還想說(shuō)明一點(diǎn) 近年來(lái) 半導(dǎo)體學(xué)科發(fā)展迅速 涉及的內(nèi)容極其豐富 這門(mén) 48 學(xué)時(shí)的課程是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能容納的 我只希望能通過(guò)本課程的學(xué)習(xí) 把大家 引進(jìn)門(mén) 使同學(xué)們對(duì)半導(dǎo)體科學(xué)和技術(shù)發(fā)生興趣 以便今后進(jìn)一步深入學(xué)習(xí) 研究和應(yīng)用 第五稿修正了第四稿中仍然存在的一些錯(cuò)誤和不妥之處 參考書(shū)參考書(shū) 1 黃昆 謝希德 半導(dǎo)體物理學(xué) 科學(xué)出版社 1958 年 2 黃昆 韓汝琦 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 科學(xué)出版社 1979 年 3 劉文明 半導(dǎo)體物理學(xué) 吉林人民出版社 1982 年 4 劉恩科等 半導(dǎo)體物理學(xué) 國(guó)防工業(yè)出版社 1 4 版 5 孟憲章 康昌鶴 半導(dǎo)體物理學(xué) 吉林大學(xué)出版社 1993 年 6 中島堅(jiān)志郎 半導(dǎo)體工程學(xué) 科學(xué)出版社 2001 年 7 葉良修 半導(dǎo)體物理學(xué) 高等教育出版社 1987 年 8 方俊鑫 陸棟 固體物理學(xué) 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 1993 年 9 曾謹(jǐn)言 量子力學(xué) 科學(xué)出版社 2000 年 作業(yè)本 作業(yè)本 活頁(yè)形式 2 目錄目錄 第一章 晶體結(jié)構(gòu) 4 1 1 晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性 4 1 2 晶體的對(duì)稱性 5 1 3 倒格子與周期性函數(shù)的付立葉展開(kāi) 6 1 4 常見(jiàn)半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 7 第二章晶格振動(dòng)和晶格缺陷 9 2 1 一維均勻線的振動(dòng) 9 2 2 一維單原子鏈的振動(dòng) 10 2 3 一維雙原子鏈的振動(dòng) 12 2 4 玻恩 卡門(mén)邊界條件 周期性邊界條件 14 2 5 聲子 16 2 6 晶體中的缺陷和雜質(zhì) 16 第三章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 18 3 1 電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和能帶 18 3 2 價(jià)帶 導(dǎo)帶和禁帶 21 3 3 自由 載流子 22 3 4 雜質(zhì)能級(jí)與雜質(zhì)補(bǔ)償效應(yīng) 22 第四章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布 25 4 1 狀態(tài)密度 25 4 2 費(fèi)米分布函數(shù)和費(fèi)米能級(jí) 27 4 3 導(dǎo)帶電子密度和價(jià)帶空穴密度 29 4 4 本征半導(dǎo)體 30 4 5 雜質(zhì)半導(dǎo)體 31 3 4 5 1 雜質(zhì)能級(jí)的占據(jù)幾率 31 4 5 2 只含一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體 32 4 5 3 存在雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體 37 4 6 簡(jiǎn)并半導(dǎo)體 40 第五章 半導(dǎo)體中的電導(dǎo)現(xiàn)象和霍耳效應(yīng) 42 5 1 載流子的散射 42 5 2 電導(dǎo)現(xiàn)象 44 5 3 霍耳效應(yīng) 46 第六章 非平衡載流子 51 6 1 非平衡載流子的產(chǎn)生和復(fù)合 51 6 2 連續(xù)性方程 53 6 3 非本征半導(dǎo)體中非平衡少子的擴(kuò)散和漂移 58 6 4 近本征半導(dǎo)體中非平衡載流子的擴(kuò)散和漂移 63 6 5 載流子復(fù)合 64 第七章 半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象 67 7 1 外電場(chǎng)中的半導(dǎo)體 67 7 2 金屬 半導(dǎo)體接觸 70 7 3 金屬 半導(dǎo)體接觸的整流現(xiàn)象 72 7 4 半導(dǎo)體 pn 結(jié) 74 7 5 pn 結(jié)的整流現(xiàn)象 77 7 6 理想 pn 結(jié)理論 窄 pn 結(jié)理論 77 7 7 pn 結(jié)擊穿 80 7 8 異質(zhì)結(jié) 81 7 9 歐姆接觸 83 4 第八章 半導(dǎo)體表面 84 8 1 表面態(tài)與表面空間