北京邮电大学微电子学基础1-2微学1晶体结构和电子状态

第一部分 半导体物理第一、二章半导体的电子状态和杂质缺陷能级第三章 载流子的平衡统计分布第四章 弱场下的载流子输运第五章 过剩载流子和载流子的复合第六章 同质PN结第七章 表面电场效应与MOS物理第八章 金属半导体接触和异质结第一、二章

半导体的晶体结构和电子状态

§1-1半导体的晶体结构

§1-2原子中电子的能级

§1-3晶体中电子的能带

§1-4半导体中杂质和缺陷的能级§1-1半导体的晶体结构物质：气态的、液态的或固态固体材料：按照结构形式分：晶体和非晶体按照导电能力分：导体、绝缘体和半导体半导体举例：锗、硅、砷化镓一、晶体的结构；二、半导体的特点．一、晶体的结构晶体：在晶体中原子是按一定规律整齐地排列起来的。各向异性：根据晶体中原子排列的不同型式，晶体结晶的形状也有对称性不同的几种形式，并在不同方向上表现出不同的特性，称为各向异性。多晶：一般的晶体时常包含有许多小晶粒，每个小晶粒中的原子都按同一序列排列，但晶粒与晶粒之间的排列取向则是没有规则的，这样的晶体称为多晶．铜、铁等金属。单晶：如果晶体本身只有一个晶粒，也就是说它体内的所有原子都是按同一序列排列起来的，这样的晶体称为单晶．硅单晶用来制造晶体管的硅、锗材料大多是单晶。6三种常见的立方晶格结构晶格：晶体中的原子按一定的规律，周期地排列在空间，形成一个个格点，称为晶格．不同的晶体有不同的晶格结构．立方晶体就是由这些基本结构重复排列而成。金刚石晶格结构半导体硅、锗具有金刚石晶格结构．金刚石晶格：由两个面心立方晶格，沿空间对角线错开，1/4长度，互相套合而成．其每个原子有四个最邻近的原子。晶向和晶面各向异性：沿晶格的不同方向，原子排列的周期和疏密情况是不相同的．因此沿晶体的不同方向，晶体的机械、物理特性也是不相同的．这种情况称为晶体的各向异性，晶向：<100><111>等符号来表征晶体的一定方向，这里括号中的三个数为晶向矢量在x、y、z三个坐标轴上的投影长度。晶面：与<100>晶向垂直的面称为(100)晶面；例如：对金刚石结构来说，(100)晶面原子密度最小，(111)晶面原子密度最大，因此沿<100>与<111>方向，晶体有不同的特性．闪锌矿结构和氯化钠型结构III-V族化合物晶向和晶面-续1二、半导体的特性半导体的电阻率：10-3---109欧姆·厘米导体的电阻率小于10-3欧姆·厘米绝缘体的电阻率大于109欧姆·厘米导电能力：随温度升高而迅速增加．随所含的微量杂质而发生十分显著的变化。随光照而发生显著变化．随电场、磁场等的作用而改变．常见的半导体材料常见的半导体材料：元素半导体硅(Si)、锗(Ge)等，III-V族化合物半导体砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等，金属硫化物半导体硫化铅(PbS)、硫化镉(CdS)等，以及金属氧化物半导体氧化亚铜(Cu2O)等．应用：晶体管和集成电路其他：热敏器件、光敏器件、场效应器件、霍耳器件以及各种二极管、三极管、体效应管等，都是利用了半导体电性能容易受热、光、电、磁等外界作用而改变的特点§1-1的小结

1．半导体常常是一些晶体．晶体中的原子按一定的周期有规则地排列在空间，构成一定形式的晶格．制造晶体管所用的硅、锗单晶具有金刚石结构．沿晶体的不同方向，其机械、物理特性常常不同，称为晶体的各向异性．2．半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间，特点是其电阻率容易随热、光、电、磁和杂质等外界作用而改变．许多半导体器件就是利用它的这些特性而制成的．3．半导体导电机构的特点，可以在能带理论的基础上得到解释．§1-2原子中电子的能级硅的原子序数是14，其原子核有14个正电荷，而核外有14个电子；锗的原子序数是32，其原子核带有32个正电荷，而核外也有32个电子．电子绕核运动一、量子化原理一、量子化原理原子中的电子绕核运动时，它的能量只能取一系列不连续的特定值．氢原子中电子：m是电子的质量(m＝9.11×10-28克)，h称为普朗克常数(h＝6.63X10-27尔格·秒)，q是电子电荷的数值(q＝4.8×10-10静库)，n称为主量子数，可取1、2、3、……等正整数，1电子伏特为一个电子电荷、电位变化1伏特时所增加的能量．1电子伏特＝1.6×10-12尔格。氢原子的电子能级图能级：氢原子中电子可取的一个能量特定值，称为能级量子化：原子中电子的能量只能取一系列不连续的特定数值，通常把这一规律称为电子能量的量子化．氢原子的电子能级图二、分布几率与“测不准”关系“测不准关系”三、不相容原理不相容原理：“在同一个能级中，最多只能容纳两个自旋方向相反的电子。”在一个具有多个电子的复杂原子中，这些电子不能同时都处在同一个能级中．对于原子的基态来说，它的电子必然首先填充能量最低的能级，而当能量低的能级已经填满时，就按能量由小到大的次序，分别填满其余的能级．§1-3晶体中电子的能带一、晶体中价电子的共有化运动1立方厘米的硅单晶中大约有6×1022个原子，因此排在1厘米长度上的硅原子数大约有(5×1022)1/3≈4×107个，也就是相邻两硅原子中心的距离差不多只有3埃。晶体中价电子的共有化运动内层电子的交迭程度较少，并且愈是内层，轨道的交迭就愈少，电子的共有化程度就愈差．因此，我们在考虑晶体中电子的共有化运动时，主要考虑价电子的共有化运动．二、能带的形成

能带：为了容纳原来属于N个单个原子的所有价电子，原来分属于N个单个原子的相同的价电子能级必须分裂成属于整个晶体的N个能量稍有差别的能级，这些能级互相靠得很近，分布在一定的能量区域，通常就把这N个互相靠得很近的能级所占据的能量区域称为能带，二、能带的形成（续）对于确定晶体的指定能带，其宽窄是一定的，它由晶体性质确定，与晶体大小(即晶体包含的原子数N)没有关系，N增大，能带中能级数增加只能增加能带中能级的密集程度，不改变能带宽度。内层电子共有化程度低，对应的能带窄；外层电子共有化程度高，对应的能带宽；能带之间可能发生交叠。允带和禁带电子填充能带遵守两条原理：1，泡利不相容原理，即不可能有两个电子处于完全相同的量子态。2，能量最小原理，即正常状态的电子将处于能量最小的状态。导体，半导体，绝缘体

概念：满带和空带；导带和价带

解释：满带的电子不导电导带底EC和价带顶EV价带：价电子填充的能带。导带：价带以上的能带基本 上是空的，其中最低 的一个空带为导带。Ec：导带底的能量Ev：价带顶的能量Eg：禁带宽度，即价带顶和导带底之间的能量间隔。

Eg=Ec-Ev*常温下，硅的Eg＝1.120eV； 锗的Eg＝0.67eV三、几种能带实例四，晶体中电子的能带1、导带电子能够导电2、满带电子不能导电要在电子原来热运动的基础上再附加定向运动的话，电子的运动状态必然要有改变．这个电子应该要过渡到与新的运动状态相应的新能级中去．要完成这一过渡除了需要有提供能量的外加作用之外，还要有空的能级．由于没有空的能级，电子增加能量的跃迁无法完成，也就无法形成电子的定向运动．3、本征半导体的导电机构把完全纯净的、结构完整的半导体称为本征半导体．电子从晶格热运动吸收能量，从满带激发到导带的过程称为本征激发电子和空穴结论：当温度大于0°K时，由于热激发，本征半导体满带中的一部分电子被激发到了导带，同时，在满带中也出现了一些空穴.本征半导体的导带电子和满带空穴都能在外加电场的作用下产生定向运动，形成电流，因此半导体中的导带电子和价带空穴是半导体的两种载流子．空穴的运动1-3小结：导带和价带等允带和禁带满带和空带导带和价带导带底和价带顶禁带简化的能带图§1-4半导体中杂质和缺陷的能级本征半导体：纯净的，完美晶体结构的晶体硅、锗晶体中的杂质能级缺陷和位错能级1，半导体中的杂质和缺陷杂质原子进入晶体后，若位于格点间的间隙位置，则称之为填隙式杂质；若杂质原子取代了晶格原子位于格点处，则称为替位式杂质。半导体中的缺陷点缺陷线缺陷，位错面缺陷,层错2，半导体中的杂质能级和缺陷能级杂质和缺陷，会引入能级，可能在禁带中引入。由点缺陷或位错等缺陷引起，在禁带中引入的能级称为缺陷能级。由杂质原子引起，在禁带中引入的能级称为杂质能级。3，施主杂质和施主能级杂质原子的电离过程施主杂质：一个V族原子掺入硅中，可以向硅提供一个自由电子，而本身成为带正电的离子，通常称这种杂质为施主杂质。施主能级(ED)主要依靠导带电子导电的半导体叫n型半导体。4，受主杂质和受主能级空穴的电离过程受主杂质：III族杂质原子在硅中能够接受电子产生导电空穴，并成为负电中心，这类杂质原子称为受主杂质。主要依靠价带中空穴导电的半导体称为p型半导体。5，杂质的补偿半导体内同时含有施主杂质ND和受主杂质NA时，施主和受主在导电性能上有相互抵消的作用，通常称它为杂质的补偿作用。经过补偿后，半导体中的净杂质浓度称为有效杂质浓度(ND-

NA)。6，浅能级和深能级杂质浅能级深能级浅能级杂质深能级杂质同一种杂质可以在禁代中引入多个能级7，电子的有效质量晶体中的电子在综合场中运动，电子的加速度应是半导体内部势场和外力作用的综合结果。经典力学描述自由电子：F=ma晶体中的电子：F=(∑mn)a；(∑mn)代表了内部势场的作用。Mn：电子有效质量；Mp：空穴有效质量内层电子有效质量大；外层电子有效质量小，外力造成的加速度大。有效质量可以为负值。Mn，电子的有效质量∑F=F外场+F晶格∑F=MaF外场+F晶格=MaF外场=（M-F晶格/a）aF外场=mna第一二章小结半导体的晶体结构原子中电子的能级晶体中电子的能带半导体中杂质和缺陷的能级Youxiaozhiliang助教，作业1曹春艳手机箱：chunyancao@张雅君手机箱：yjzhang2_08@163.com作业1：第2章，习题1，习题5谢谢观看/欢迎下载BYFAITHIMEANAVISIONOFGOODONECHERISHESANDTHEENTHUSIASMTHATPUSHESONETOSEEKITSFULFILLMENTREGARDLESSOFOBSTACLES.BYFAITHIBYFAITH安全注射与职业防护PART01一、安全注射二、职业防护主要内容安全注射阻断院感注射传播让注射更安全！《健康报》

别让输液成为一个经济问题有数据显示，是世界最大的“注射大国”。2009年我国平均每人输液8瓶，远远高于国际上人均2.5—3.3瓶的平均水平。我国抗生素人均消费量是全球平均量的10倍。因此我国被称为：

“输液大国、抗生素大国和药品滥用大国”。2016年国家十五部委重拳出击

遏制细菌耐药《阻断院感注射传播，让注射更安全（2016-2018年）》专项工作指导方案量化指标医疗卫生机构安全注射环境、设施条件、器具配置等合格率100%医务人员安全注射培训覆盖率100%规范使用一次性无菌注射器实施注射100%（硬膜外麻醉、腰麻除外）医疗卫生机构对注射后医疗废物正确处理率100%医疗卫生机构内部安全注射质控覆盖率100%医务人员安全注射知识知晓率≧95%医务人员安全注射操作依从性≧90%医务人员注射相关锐器伤发生率较基线下降≧20%相关内容基本概念安全注射现况不安全注射的危害如何实现安全注射意外针刺伤的处理

基本概念

注射

注射是指采用注射器、钢针、留置针、导管等医疗器械将液体或气体注入体内，达到诊断、治疗等目的的过程和方法。包括肌内注射、皮内注射、皮下注射、静脉输液或注射、牙科注射及使用以上医疗器械实施的采血和各类穿刺性操作。

基本概念

符合三个方面的要求：对接受注射者无危害；对实施者无危害；注射后的废弃物不对环境和他人造成危害。不安全注射发生率东欧：15%中东：15%亚州：50%印度：50%中国：50%对我国某地3066个免疫接种点的调查表明:一人一针一管的接种点为33.5％一人一针的接种点为62.1％一人一针也做不到的接种点......

目前情况

不安全注射

没有遵循上述要求的注射常见不安全注射-对接受注射者不必要的注射注射器具重复使用注射器或针头污染或重复使用手卫生欠佳注射药品污染不当的注射技术或注射部位医用纱布或其他物品中潜藏的锐器常见不安全注射-对接受注射者减少不必要的注射是防止注射相关感染的最好方法据调查，从医疗的角度来说，有些国家高达70％的注射不是必须的应优先考虑那些同样能达到有效治疗的其他方法口服纳肛不安全注射-对实施注射者采血技术欠佳双手转移血液不安全的血液运输手卫生欠佳废弃锐器未分类放置不必要的注射双手针头复帽重复使用锐器锐器盒不能伸手可及患者体位不当不安全注射-对他人不必要的注射带来过多医疗废物医疗废物处置不当废弃锐器置于锐器盒外与医用纱布混放放在不安全的处置地点—如走廊中容易拌倒废物处理者未着防护用品（靴子，手套等）重复使用注射器或针头最佳注射操作注射器材和药物注射器材药物注射准备注射管理锐器伤的预防废物管理常规安全操作手卫生手套其他一次性个人防护装备备皮和消毒清理手术器械医疗废物二次分拣2023/7/5Dr.HUBijie672023/7/511/05/0967锐器盒摆放位置不合适，放在地上或治疗车下层头皮针入锐器盒时极易散落在盒外，医废收集人员或护士在整理过程中容易发生损伤不正确使用利器盒绝大部分医务人员对安全注射的概念的理解普遍仅局限于“三查七对”，因此安全注射的依从率也非常低。安全注射现况滥用注射导致感染在口服给药有效的情况下而注射给药临床表现、诊断不支持而使用注射治疗

由于滥用注射，导致感染的发生几率明显增加。安全注射现况注射风险外部输入风险：注射器具、药品、材料等产品质量；非正确使用信息，非正规或正规培训传递错误信息，非合理用药及操作习惯等。内部衍生风险：注射的“过度”与“滥用”、非正确的注射、未达标的消毒灭菌、被相对忽略的职业暴露、不被关注的医疗废物管理。

安全注射现况

当前院感注射途径传播的高风险因素使用同一溶媒注射器的重复使用操作台面杂乱，注射器易污染注射后医疗废物管理欠规范---注射器手工分离与二次分捡

对患者的危害-------传播感染

是传播血源性感染的主要途径之一，也是不安全注射的最主要危害。注射是医院感染传播的主要途径之一！不安全注射的危害导致多种细菌感染，如脓肿、败血症、心内膜炎及破伤风等。败血症破伤风心内膜炎脓肿不安全注射

不安全注射的危害

对医务人员的影响

针刺伤：每年临床约有80.6%-88.9%的医务人员受到不同频率的针刺伤！原因：防护意识薄弱、经验不足、操作不规范、防护知识缺乏。

不安全注射的危害

对社会的危害

拿捡来的注射器当“玩具”

不安全注射的危害

如何实现安全注射三防：人防、技防、器防四减少：减少非必须的注射操作减少非规范的注射操作减少注射操作中的职业暴露减少注射相关医疗废物

如何实现安全注射

重视环境的准备警惕锐器伤正确物品管理严格无菌操作熟悉操作规程执行手卫生安全注射

如何实现安全注射

进行注射操作前半小时应停止清扫地面等工作。避免不必要的人员活动。严禁在非清洁区域进行注射准备等工作。应在指定的不会被血液和体液污染的干净区域里，进行注射准备。当进行注射准备时，必须遵循以下三步骤：1.保持注射准备区整洁、不杂乱，这样可以很容易清洁所有表面2.开始注射前，无论准备区表面是否有血液或体液污染，都应清洁消毒。3.准备好注射所需的所有器材：-无菌一次性使用的针头和注射器-无菌水或特定稀释液等配制药液-酒精棉签或药棉-锐器盒重视环境的准备手卫生之前先做脑卫生！观念的改变非常重要！安全注射，“手”当其冲！认真执行手卫生工作人员注射前必须洗手、戴口罩，保持衣帽整洁；注射后应洗手。操作前的准备注射前需确保注射器和药物处于有效期内且外包装完整。操作前的准备给药操作指导单剂量药瓶——只要有可能，对每位患者都使用单剂量药瓶，以减少患者间的交叉污染多剂量小瓶——如果别无选择，才使用多剂量药瓶-在对每个患者护理时，每次只打开一个药瓶-如果可能，一个患者一个多剂量药瓶，并在药瓶上写上患者姓名，分开存储在治疗室或药房中-不要将多剂量药瓶放在开放病房中，在那里药品可能被不经意的喷雾或飞溅物污染药物准备给药操作指导丢弃多剂量药瓶：-如果已失去无菌状态-如果已超过有效日期或时间（即使药瓶含有抗菌防腐剂）-如果打开后没有适当保存-如果不含防腐剂，打开超过24小时，或制造商建议的使用时间后-如果发现未注明有效日期、储存不当，或药品在不经意间被污染或已知道被污染（无论是否过期）药物准备给药操作指导具有跳起打开装置的安瓿瓶——只要有可能，就使用具有跳起打开装置的安瓿瓶，而不是需要金属锉刀才能打开的安瓿瓶如果是需要金属锉刀才能打开的安瓿瓶，在打开安瓿瓶时，需使用干净的保护垫（如一个小纱布垫）保护手指药物准备准备好注射所需的所有器材：-无菌一次性使用的针头和注射器-无菌水或特定稀释液等配制药液-酒精棉签或药棉-锐器盒注射准备对药瓶隔膜的操作步骤在刺入药瓶前用蘸有70%乙醇棉签或棉球擦拭药瓶隔膜（隔层），并在插入器材前使其晾干每次插入多剂量药瓶都要使用一个无菌注射器和针头不要把针头留在多剂量药瓶上注射器和针头一旦从多剂量药瓶中吸出药品并拔出，应尽快进行注射注射准备贴标签多剂量药瓶配制后，应在药瓶上贴上标签：-配制日期和时间药物的种类和剂量-配制浓度-失效日期和时间-配制者签名对于不需要配制的多剂量药品，贴上标签：-开启日期和时间-开启者名字和签名注射准备皮肤消毒剂在有效期内使用。严格落实皮肤消毒的操作流程（以注射点作为中心，自内向外，直径5cm以上）。一人一针一管一用，禁止重复使用。熟悉操作规程，严格无菌操作使用同一溶媒配置不同药液时，必须每次更换使用未启封的一次性使用无菌注射器和针头抽取溶媒。必须多剂量用药时，必须做到一人一针一次使用。熟悉操作规程，严格无菌操作熟悉操作规程，严格无菌操作红圈标注地方绝对不能碰触！××熟悉操作规程，严格无菌操作皮肤消毒后不应再用未消毒的手指触摸穿刺点！皮肤消毒后应完全待干后再进行注射！熟悉操作规程，严格无菌操作现配现用药液抽出的药液、开启的静脉输入用无菌液体须注明开启日期和时间，放置时间超过2小时后不得使用；启封抽吸的各种溶媒超过24小时不得使用。药品保存应遵循厂家的建议，不得保存在与患者密切接触的区域，疑有污染或保存不当时应立即停止使用，并进行妥善处置。

熟悉操作规程，严格无菌操作

2小时内：——输注类药品；

24小时内：

——溶媒启封抽吸后；

——灭菌物品启封后（棉球、纱布等）提倡使用小包装。每周更换2次：

——非一次性使用的碘酒、酒精等，容器应灭菌。

7天内：——启封后一次性小包装的瓶装碘酒、酒精.药品保存：——应遵循厂家的建议（温度、避光）——不得保存在与患者密切接触的区域。——疑有污染禁用。应注明开启时间物品管理

禁止双手回套针帽禁止用手传递利器禁止用手分离注射器针头禁止手持锐器随意走动禁止随意丢弃锐器，随时入锐器盒禁止用手直接抓取医疗废物

操作时保证充足光线、空间宽敞

操作时从容不迫

操作时尽可能采用有安全保护装置的锐器六禁止三操作警惕锐器伤耐用，防穿透，防渗漏。大小合适，锐器可以完整放入。可能产生锐器的地方均配，不需二次分捡。放置的位置醒目且方便使用，治疗车要放在上层的侧面。一次性使用、禁止徒手打开、清空或清洗重复使用。禁止放入其他杂物。到达3/4时及时封闭。在转运过程中确保密闭，避免内容物外漏。

规范使用锐器盒

二、医务人员职业暴露体液血液分泌物排泄物其他04年7月23日，广州某医院在一次急诊抢救意外伤中,9名医务人员均直接接触了出血较多的重伤员。当时病人血肉模糊，鲜血喷到了当班急诊医生的身上、脸上和眼睛里，另一名医生在为病人清创缝合时被扎破手指，麻醉科医生带着受伤的手指为病人进行麻醉。当时参与抢救的多数医务人员的白大衣、口罩都被病人的鲜血染湿了。3天后这位病人被检测出是艾滋病人，HIV抗体反应强阳性。半年后有2名医务人员血液检出艾滋病毒抗体阳性，造成一起艾滋病职业暴露的悲剧。“艾滋惊魂”事件

锐器伤案例山东某院妇产科主任因全身发黄、乏力等去查体，结果是大三阳且转氨酶高达1300多，诊断暴发性肝炎。事后回忆，发病前曾为一大三阳病人手术时，被针刺伤过，当时未在意，没做任何处理！某院一检验科医生给一丙肝患者进行血气分析，不慎被沾有病人血液的针头刺伤，第三个月出现肝炎症状，感染丙肝病毒。

医务人员职业暴露分类①感染性职业暴露（主要指血源性病原体引起的暴露）②放射性职业暴露③化学性（如消毒剂、某些化学药品）职业暴露④其他职业暴露

中国医务人员特别需要防范的一大类感染性疾病

——血源性感染！医务人员的职业风险感染HIV：全球每年至少

1000名医务人员感染HCV、HBV等：触目惊心血源性传播病原体种类：细菌、病毒、真菌等30多种血源传播最多：HIV、HBV、HCV比人们通常想象的要多的多。医务人员面临传播危险最大的血源性传播疾病1、HBV-感染率为6%～30%2、HCV-感染率为3%，医务人员职业暴露风险为1.8%职业暴露的危险性HIV职业暴露感染的危险性发生HIV锐器伤后，感染HIV的平均危险为0.3%黏膜暴露后感染HIV的平均危险为0.09%血液或体液溅到完整皮肤上基本没有危险惧怕常见职业暴露的方式针刺58.4%皮损22.7%黏膜污染11.2%割伤7.7%注：锐器伤是发生职业暴露最主要的途径。职业暴露的人群NaSH2008年监测数据职业暴露常见人群护理人员：在给感染者或病人抽血、注射时，被针头刺伤；或其伤口接触到感染者或病人的血液、含血体液等