半導體物理學

前言

　　本教材系按中國電子工業(yè)總公司的工科電子類專業(yè)教材1991年一1995年編審出版規(guī)劃，由“電子材料與固體器件”教材編審委員會“半導體物理與器件”編審小組征稿，推薦出版，責任編委李衛(wèi)?！　”窘滩挠晌靼步煌ù髮W劉恩科擔任主編，西安電子科技大學周南生擔任主審?！　”窘滩牡?版于1979年12月由國防工業(yè)出版社出版。第2版于1984年5月由上?？茖W技術出版社出版。1987年12月獲電子工業(yè)部1977年一1985年工科電子類專業(yè)優(yōu)秀教材特等獎，1988年1月獲全國高等學校優(yōu)秀教材獎。第3版于1989年5月由國防工業(yè)出版社出版，1992年1月獲第二屆機械電子工業(yè)部電子類專業(yè)優(yōu)秀教材特等獎，1992年11月獲第二屆普通高等學校優(yōu)秀教材全國特等獎?！　”菊n程參考學時數(shù)為120學時。本教材共13章，其主要內(nèi)容為：半導體的晶格結構和電子狀態(tài)，雜質(zhì)和缺陷能級，載流子的統(tǒng)計分布，載流子的散射及電導問題，非平衡載流子產(chǎn)生、復合及其運動規(guī)律，半導體的表面和界面——包括p-n結、金屬半導體接觸、半導體表面及MIS結構、異質(zhì)結，半導體的光、熱、磁、壓阻等物理現(xiàn)象和非晶態(tài)半導體。　　按照“半導體物理與器件”編審小組的意見，本教材在第二次修訂時適當增加一些新內(nèi)容，如四元化合物半導體的能帶、半導體超晶格、二維電子氣、朗道能級、磁光吸收、量子化霍耳效應、非晶態(tài)半導體的基礎上，這次修訂又作了如下補充：第1章適當增加了Si1-xGex能帶和Ⅱ一Ⅵ族化合物半導體的晶格結構和能帶；第5章增加了俄歇復合；第8章增加了深耗盡和二維電子氣概念；第9章適當深化二維電子氣內(nèi)容；第10章簡要介紹室溫激子；第2章、第9章補充了思考題和習題；根據(jù)半導體研究的進展修改了一些不合適的內(nèi)容，如第1章、第4章中砷化鎵導帶第二極小值、第8章中硅一二氧化硅系統(tǒng)界面態(tài)密度分布等內(nèi)容。這次重印將附錄中最常用的si本征載流子濃度、本征電阻率數(shù)據(jù)作了修改?！　”窘滩氖褂脮r應以前9章為主。第10章～第12章各校自行掌握，可以光學效應為主。非晶態(tài)半導體可視情況而定。除進行課堂講授外，可輔以必要的習題課和課堂討論?！　”窘滩挠蓜⒍骺凭帉懙?章、第4章、第11章、第12章；朱秉升編寫第2章、第3章、第6章、第9章；羅晉生編寫第8章、第13章；亢潤民編寫第5章、第7章；屠善潔編寫第10章。附錄由劉恩科、亢潤民整理。劉恩科統(tǒng)編全稿。第二次和這次均由劉恩科修訂第1章、第4章、第7章、第10章～第12章和第9章部分內(nèi)容；朱秉升修訂第2章、第3章、第5章、第6章、第9章；羅晉生修訂第8章、第13章。主審和編審小組全體委員都為本書提出許多寶貴意見，這里表示誠摯的感謝。由于編者水平有限，書中難免還存在一些缺點和錯誤，殷切希望廣大讀者批評指正。

內(nèi)容概要

本書全面地論述了半導體物理的基礎知識，內(nèi)容包括半導體的晶格結構、半導體中的電子狀態(tài)、雜質(zhì)和缺陷能級、載流子的統(tǒng)計分布、非平衡載流子及載流子的運動規(guī)律；討論了p—n結、異質(zhì)結、金屬半導體接觸、表面及MIS結構等半導體表面和界面問題；介紹了半導體的光、熱、磁、壓阻等物理現(xiàn)象；最后較全面地介紹了非晶態(tài)半導體的基本特性。    本書為高等學校工科電子類半導體器件與微電子學專業(yè)教材，亦可供從事半導體方面工作的技術人員閱讀參考。

書籍目錄

主要參數(shù)符號表 第1章 半導體中的電子狀態(tài)   1.1 半導體的晶格結構和結合性質(zhì)   1.2 半導體中的電子狀態(tài)和能帶   1.3 半導體中電子的運動 有效質(zhì)量   1.4 本征半導體的導電機構 空穴   1.5 回旋共振   1.6 硅和鍺的能帶結構   1.7 Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的能帶結構   1.8 Ⅱ-Ⅵ族化合物半導體的能帶結構   習題   參考文獻 第2章 半導體中雜質(zhì)和缺陷能級   2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級   2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的雜質(zhì)能級   2.3 缺陷、位錯能級   習題   參考文獻 第3章 半導體中載流子的統(tǒng)計分布   3.1 狀態(tài)密度   3.2 費米能級和載流子的統(tǒng)計分布   3.3 本征半導體的載流子濃度   3.4 雜質(zhì)半導體的載流子濃度   3.5 一般情況下的載流子統(tǒng)計分布   3.6 簡并半導體   補充材料：電子占據(jù)雜質(zhì)能級的概率   習題   參考文獻 第4章 半導體的導電性   4.1 載流子的漂移運動 遷移率   4.2 載流子的散射   4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關系   4.4 電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關系   4.5 玻耳茲曼方程 電導率的統(tǒng)計理論   4.6 強電場下的效應 熱載流子   4.7 多能谷散射 耿氏效應   習題   參考文獻 第5章 非平衡載流子   5.1 非平衡載流子的注入與復合   5.2 非平衡載流子的壽命   5.3 準費米能級   5.4 復合理論   5.5 陷阱效應   5.6 載流子的擴散運動   5.7 載流子的漂移運動 愛因斯坦關系式   5.8 連續(xù)性方程式   習題   參考文獻 第6章 p-n結   6.1 p-n結及其能帶圖   6.2 p-n結電流電壓特性   6.3 p-n結電容   6.4 p-n結擊穿   6.5 p-n結隧道效應   習題   參考文獻 第7章 金屬和半導體的接觸   7.1 金屬半導體接觸及其能級圖   7.2 金屬半導體接觸整流理論   7.3 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸   習題   參考文獻 第8章 半導體表面與MIS結構   8.1 表面態(tài)   8.2 表面電場效應   8.3 MIS結構的電容-電壓特性   8.4 硅-二氧化硅系統(tǒng)的性質(zhì)   8.5 表面電導及遷移率   8.6 表面電場對p-n結特性的影響   習題   參考文獻 第9章 異質(zhì)結   9.1 異質(zhì)結及其能帶圖   9.2 異質(zhì)結的電流輸運機構   9.3 異質(zhì)結在器件中的應用   9.4 半導體超晶格   習題   參考文獻 第10章 半導體的光學性質(zhì)和光電與發(fā)光現(xiàn)象   10.1 半導體的光學常數(shù)   10.2 半導體的光吸收   10.3 半導體的光電導   10.4 半導體的光生伏特效應   10.5 半導體發(fā)光   10.6 半導體激光   習題   參考文獻 第11章 半導體的熱電性質(zhì)   11.1 熱電效應的一般描述   11.2 半導體的溫差電動勢率   11.3 半導體的珀耳貼效應   11.4 半導體的湯姆孫效應   11.5 半導體的熱導率   11.6 半導體熱電效應的應用   習題   參考文獻 第12章 半導體磁和壓阻效應   12.1 霍耳效應   12.2 磁阻效應   12.3 磁光效應   12.4 量子化霍耳效應   12.5 熱磁效應   12.6 光磁電效應   12.7 壓阻效應   12.8 聲波和載流子的相互作用   習題   參考文獻 第13章 非晶態(tài)半導體   13.1 非晶態(tài)半導體的結構   13.2 非晶態(tài)半導體中的電子態(tài)   13.3 非晶態(tài)半導體中的缺陷、隙態(tài)與摻雜效應   13.4 非晶態(tài)半導體中的電學性質(zhì)   13.5 非晶態(tài)半導體中的光學性質(zhì)   13.6 α-Si：H的p-n結與金-半接觸特性   參考文獻 附錄   附錄1 常用物理常數(shù)和能量表達變換表     附表1-1 常用物理常數(shù)表     附表1-2 能量表達變換表   附錄2 半導體材料物理性質(zhì)表     附表2-1 Ⅳ族半導體材料的性質(zhì)     附表2-2 Ⅲ-Ⅴ族半導體材料的性質(zhì)     附表2-3 Ⅱ-Ⅵ族半導體材料的性質(zhì)     附表2-4 Ⅳ-Ⅵ族半導體材料的性質(zhì)     附表2-5 Ⅲ-Ⅴ族三元化合物半導體材料的性質(zhì)   參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第2章半導體中雜質(zhì)和缺陷能級　　在實際應用的半導體材料晶格中，總是存在著偏離理想情況的各種復雜現(xiàn)象。首先，原子并不是靜止在具有嚴格周期性的晶格的格點位置上，而是在其平衡位置附近振動；其次，半導體材料并不是純凈的，而是含有若干雜質(zhì)，即在半導體晶格中存在著與組成半導體材料的元素不同的其他化學元素的原子；第三，實際的半導體晶格結構并不是完整無缺的，而存在著各種形式的缺陷。這就是說，在半導體中的某些區(qū)域，晶格中的原子周期性排列被破壞，形成了各種缺陷。一般地將缺陷分為三類：①點缺陷，如空位、間隙原子；②線缺陷，如位錯；③面缺陷，如層錯、多晶體中的晶粒間界等。　　實踐表明，極微量的雜質(zhì)和缺陷，能夠?qū)Π雽w材料的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響。當然，也嚴重地影響著半導體器件的質(zhì)量。例如，在硅晶體中，若以105個硅原子中摻入一個雜質(zhì)原子的比例摻入硼原子，則純硅晶體的電導率在室溫下將增加103倍。又如，目前用于生產(chǎn)一般硅平面器件的硅單晶，要求控制位錯密度在103cm-2以下，若位錯密度過高，則不可能生產(chǎn)出性能良好的器件?！　〈嬖谟诎雽w中的雜質(zhì)和缺陷，為什么會起著這么重要的作用呢？根據(jù)理論分析認為［11］，由于雜質(zhì)和缺陷的存在，會使嚴格按周期性排列的原子所產(chǎn)生的周期性勢場受到破壞，有可能在禁帶中引入允許電子具有的能量狀態(tài)（能級）。正是由于雜質(zhì)和缺陷能夠在禁帶中引入能級，才使它們對半導體的性質(zhì)產(chǎn)生決定性的影響?！　￡P于雜質(zhì)和缺陷在半導體禁帶中產(chǎn)生能級的問題，雖然已經(jīng)進行了大量的實驗研究和理論分析工作，使人們的認識日益完善，但是還沒有達到能夠用系統(tǒng)的理論進行與實驗測量結果完全相一致的定量計算。因此，本章將不涉及雜質(zhì)和缺陷的有關理論，而主要介紹目前在電子技術中占重要地位的硅（si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）在禁帶中引入雜質(zhì)和缺陷能級的實驗觀測結果。至于雜質(zhì)和缺陷對半導體性質(zhì)的影響，將在以后各章討論?！　?.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級　　1.替位式雜質(zhì)間隙式雜質(zhì)　　半導體中的雜質(zhì)，主要來源于制備半導體的原材料純度不夠，半導體單晶制備過程中及器件制造過程中的沾污，或是為了控制半導體的性質(zhì)而人為地摻入某種化學元素的原子。雜質(zhì)進入半導體以后，它們分布在什么位置呢？下面以硅中的雜質(zhì)為例來說明。

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