《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 大連理工大學物理與光電工程學院 電子科學與技術(shù)研究所 2011 年 2 月 1 引言引言 本課程是為我校電子科學與技術(shù)專業(yè)開設(shè)的一門必修專業(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 過程及其規(guī)律 為學習諸如 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)習一下 固體物理 已詳細介紹過 的有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)和晶格振動及缺陷的基本知識 這些內(nèi)容是學習后續(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 能帶理論是半導(dǎo)體物理學的基礎(chǔ) 因此在第三章中先通過簡單的 模型和討論將能帶理論的主要結(jié)論告訴同學們 包括更復(fù)雜的數(shù)學推導(dǎo)與計算 的嚴格能帶理論 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 為了加深對它們的理解 在 各章里均給同學們留有習題或思考題 這些題目有的還是基本內(nèi)容的補充 也 有少量難度較大的題目 這樣的問題有利于拓寬同學們的知識面和訓練同學們 的獨立思考能力 這里還想說明一點 近年來 半導(dǎo)體學科發(fā)展迅速 涉及的內(nèi)容極其豐富 這門 48 學時的課程是遠遠不能容納的 我只希望能通過本課程的學習 把大家 引進門 使同學們對半導(dǎo)體科學和技術(shù)發(fā)生興趣 以便今后進一步深入學習 研究和應(yīng)用 第五稿修正了第四稿中仍然存在的一些錯誤和不妥之處 參考書參考書 1 黃昆 謝希德 半導(dǎo)體物理學 科學出版社 1958 年 2 黃昆 韓汝琦 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 科學出版社 1979 年 3 劉文明 半導(dǎo)體物理學 吉林人民出版社 1982 年 4 劉恩科等 半導(dǎo)體物理學 國防工業(yè)出版社 1 4 版 5 孟憲章 康昌鶴 半導(dǎo)體物理學 吉林大學出版社 1993 年 6 中島堅志郎 半導(dǎo)體工程學 科學出版社 2001 年 7 葉良修 半導(dǎo)體物理學 高等教育出版社 1987 年 8 方俊鑫 陸棟 固體物理學 上?？茖W技術(shù)出版社 1993 年 9 曾謹言 量子力學 科學出版社 2000 年 作業(yè)本 作業(yè)本 活頁形式 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 晶體的對稱性 5 1 3 倒格子與周期性函數(shù)的付立葉展開 6 1 4 常見半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 7 第二章晶格振動和晶格缺陷 9 2 1 一維均勻線的振動 9 2 2 一維單原子鏈的振動 10 2 3 一維雙原子鏈的振動 12 2 4 玻恩 卡門邊界條件 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 電子的運動狀態(tài)和能帶 18 3 2 價帶 導(dǎo)帶和禁帶 21 3 3 自由 載流子 22 3 4 雜質(zhì)能級與雜質(zhì)補償效應(yīng) 22 第四章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布 25 4 1 狀態(tài)密度 25 4 2 費米分布函數(shù)和費米能級 27 4 3 導(dǎo)帶電子密度和價帶空穴密度 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)補償?shù)陌雽?dǎo)體 37 4 6 簡并半導(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散和漂移 58 6 4 近本征半導(dǎo)體中非平衡載流子的擴散和漂移 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