《半导体复习》PPT课件.ppt

考试时间：18周周五上午10:00（1月4日第二大节） 考试地点：望江基C202,2010级半导体物理总结,第l章 半导体(晶体)中的电子状态 问题的提出: 半导体独特的物理性质 半导体中电子的状态及其运动特点 二者之间关系 与结构的关系,本章介绍重点 半导体单晶材料中的电子状态及其运动规律 了解：1.主要半导体单晶材料及结构 了解：2.单电子近似 能带论 重点：3.空穴、有效质量的引入 熟悉：4.几种重要半导体材料的能带结构,了解： 半导体的晶格结构和结合性质 金刚石型结构,同IV族元素半导体相比有一个重要区别，这就是极性半导体概念提出. 极性半导体-共价键化合物晶体中，其结合具有不同程度的离子性，称这类半导体为极性半导体。 电负性,了解：纤锌矿型结构 纤锌矿型结构-以正四面体结构为基础构成的，但是它具有六方对称性非立方对称性. 两种面的物化学性质有不同电偶极层.,清楚：有效质量导出 半导体中E(k)与k的关系 抛物线关系，决定了起作用的是能带底部或能带顶部附近的电子。 能带底部或顶部附近(也即能带极值附近)的E(k)与k的关系。,清楚： 半导体中电子的平均速度 V （1/h）dE/dk 了解： 外电场作用下半导体中电子的运动规律,重点：有效质量的意义 解释：,了解：本征半导体,清楚： 回旋共振实验 实验原理及方法 了解：导带底和价带顶附近的能带结构 k空间等能面,回旋共振实验 硅和锗的导带结构 所谓能带结构-E（k）k关系 由E(k)-E(0)=h2k2/(2mn*)描述 硅和锗的价带结构,III-V族化合物半导体的能带结构,了解：混合晶体的能带结构 III-V族化合物之间,连续固熔体.构成混合晶体，能带结构随合金成分变化而连续变化(可调). 禁带宽度不同，晶格常数不同，能带结构不同 三元化合物、四元化合物,了解： II-VI族化合物半导体的能带结构 闪锌矿型结构和纤锌矿结构 半金属或零带隙材料 混合晶体的能带结构 了解：宽禁带半导体材料,（2005研）有一种用于制作特殊器件的半导体材料具备下列特点： 近红外和可见光吸收； 高的空穴迁移率； 负的微分电导； 长的过剩载流子寿命； 画出该材料具有的能带结构简图，并说明理由。,第2章 半导体中杂质和缺陷能级 晶格中的原子周期性排列被破坏,半导体中的杂质和缺陷起什么样作用？为什么会起这样的作用？ 在禁带中引入允许电子具有的能量状态(即能级) 硅锗晶体中的杂质能级 术语： 施主杂质、施主能级 n型半导体,术语：受主杂质、受主能级 p型半导体 浅能级 了解：浅能级杂质电离能的简单计算思路,清楚： 杂质的补偿作用 经过补偿之后，半导体中的净杂质浓度称为有效杂质浓度。 当ND NA时，则 ND NA为有效施主浓度 当NA ND时，则NA ND为有效受主浓度 杂质的高度补偿？,了解：半导体中深能级杂质 复合中心 了解：IIIV族化物中的杂质能级 简释：等电子陷阱 简释：等电子杂质效应,元素半导体中的替位受主和施主,简释：杂质的双性行为： 硅在砷化镓中既能取代镓而表现为施主杂质，又能取代砷而表现为受主杂质,了解：缺陷、位错能级,总结： 重点硅锗中替位杂质（III，V） 施主，受主概念引入（主要体现在禁带中的能级） 施主杂质，施主能级，受主杂质，受主能级？ 什么是杂质的补偿作用？ 深能级？ 二元化合物中的杂质情况-等电子，双性 由元素表分析简单（电活性），但实际复杂 缺陷、位错了解：施、受主情况的简单解释，反结构缺陷 位错形变致禁带的变化，施、受主情况,第3章 半导体中载流子的统计分布,本章节解决: 1.热平衡载流子浓度; 2.热平衡载流子浓度随温度的变化,费米能级EF和载流子的统计分布 处于热平衡状态的系统有统一化学势！ 处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级！,标志-费米能级是量子态基本上被电子占据或基本上是空 费米能级标志了电子填充能级的水平,清楚：导出导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度思路,重要结论： 电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关。 半导体材料定，乘积n0p0只决定于温度T，与所含杂质无关。 在一定温度T下，半导体材料不同，禁带宽度Eg不同，乘积n0p0也将不同。 普遍适用本征半导体和杂质半导体（热平衡状态、非简并）。,载流子浓度的乘积,本征半导体的载流子浓度,n0=p0,n0p0=n2i 说明:在一定温度下，任何非简并半导体的热平衡载流子浓度的乘积n0p0等于该温度时的本征载流子浓度ni的平方，与所含杂质无关。 不仅适用于本征半导体材料，而且也适用于非简并的杂质半导体材料。,Eg=Eg(0)+T，=dEg/dT,提出实验,重点： 杂质半导体的载流子浓度,n型半导体的载流子浓度 1. 低温弱电离区,在ln n0 T-3/4-1/T图中，上述方程为一直线。 其斜率为ED/（2k0），可通过实验测定n0T关系，定出杂质电离能，得到杂质能级的位置。,如何由实验得电离能,2. 中间电离区 温度升高，当2NcND 。,3强电离区 温度升高至大部分杂质都电离称为强电离。这时nD+ND 费米能级EF位于ED之下。,饱和区 n0=ND+p0,4. 过渡区 过渡区-半导体处于饱和区和完全本征激发之间。 导带电子一部分来源于全部电离的杂质，另一部分则由本征激发提供，价带中产生了一定量空穴。 电中性条件是 n0=ND+p0,5. 高温本征激发区 继续升高温度，本征激发逐渐占主导，本征激发产生的本征载流子数远多于杂质电离产生的载流子数，即 n0ND，p0ND 这时电中性条件是n0= p0 ，与未掺杂的本征半导体情形一样，因此称为杂质半导体进入本征激发区。,n型硅的电子浓度与温度的关系曲线,T,200 300 400 600,1016,2*1016,载流子浓度与杂质浓度的关系曲线,少数载流子（少子）浓度 n型半导体 多子浓度nn0=ND，由nnopno=ni2 关系，得到少子浓度pno为 pno = ni2 / ND p型半导体 多子浓度pp0=NA，少子浓度np0为 npo = ni2 / NA,了解：一般情况下的载流子统计分布,了解：简并半导体 发生载流子简并化的半导体称为简并半导体 简并化条件,低温载流子冻析效应？ 禁带变窄效应？ 电离能随杂质浓度的升高而下降,（1）一n型半导体材料，作出n0T的变化图并解释。（10分） （2）作图描述p型半导体材料中费米能级随受主杂质浓度和温度的变化。（10分）,两种半导体材料，除材料A禁带宽度Eg=1.0eV，材料B禁带宽度Eg=1.2eV外，有严格相同性质，请给出材料A本征载流子浓度ni对材料B本征载流子浓度ni的比值（T=300K）,第四章 半导体的导电性 清楚：迁移率、电导率、电阻率随温度和杂质浓度的变化规律。,漂移速度 迁移率 半导体中 J= Jn + Jp =q(n n +p p )|E| 半导体 =q(n n +p p ),载流子的散射 载流子的散射机制（机构） 载流子的散射机制（机构）与温度和杂质浓度的关系 简释：平均自由程 简释：平均自由时间 简释：平均漂移速度,半导体的主要散射机构 1电离杂质的散射 Pi NiT-3/2 2晶格振动的散射 声学波和光学波 Ps T32 光学波散射,简释： 谷间散射 中性杂质散射 位错散射 合金散射,清楚： 迁移率与杂质浓度和温度的关系 （平均自由时间和散射概率的关系）,平均自由时间的数值等于散射概率的倒数,电导率、迁移率与平均自由时间 的关系,一般情况下：电子迁移率大于空穴 迁移率原因,迁移率与杂质和温度的关系 对不同散射机构迁移率与温度的关系为 电离杂质散射 iNi-1T3/2 声学波散射 sT-3/2 光学波散射 0 exp（h1 /k0t）-1,硅电子和空穴迁移率与杂质和温度的关系,处理问题： 有许多散射机构存在时，要找出起主要作用的散射构机，它的平均自由时间特别短，散射概率特别大，其他贡献可以略去，迁移率主要由这种机构决定。,能定性分析迁移率随杂质浓度和温度的变化 掺杂的锗、硅等（原子晶体），主要散射机构是声学波散射和电离杂质散射。 s和i可写为 s = q/（m*AT3/2 ） i=qT3/2/（ m*BNi ） 1/ =1/s+1/i,了解： 对-族化合物半导体，如砷化镓，光学波散射也很重要，迁移率为 1/ =1/s+1/i +1/0,熟悉：对下式简单讨论,注意： 高补偿材料，载流子浓度决定于两种杂质浓度之差，但载流子迁移率与电离杂质总浓度有关。,电阻率及其与1.杂质浓度，2.温度的关系,电阻率决定于载流子浓度和迁移率，与杂质浓度和温度有关。,电阻率和杂质浓度的关系,了解： 杂质浓度增高时，曲线严重偏离直线 原因： 一是杂质在室温下不能全部电离，重掺杂的简并半导体中情况更加严重； 二是迁移率随杂质浓度的增加将显著下降。,电阻率随温度的变化,掺杂半导体，杂质电离、本征激发同时存在，电离杂质散射和晶格散射机构的存在，电阻率随温度的变化关系复杂，图表示一定杂质浓度的硅样品的电阻率和温度的关系，解释三段变化原因。,硅与T关系,0,A,B,C,T,了解： 玻耳兹曼方程、电导率的统计理论思路,了解： 强电场下的效应（欧姆欧姆定律偏离） 解释：热载流子,强电场下欧姆定律发生偏离的原因： 载流子与晶格振动散射时的能量交换,强场情况，载流子从电场中获得的能量很多，载流子的平均能量比热平衡状态时的大，因而载流子和晶格系统不再处于热平衡状态。 温度是平均动能的量度，载流子的能量大于晶格系统的能量，引进载流子的有效温度Te来描写与晶格系统不处于热平衡状态的载流子，并称这种状态的载流子为热载流子。,了解：解决平均漂移速度与电场强度的关系思路 解释： 多能谷散射 耿效应,1/mn* d2 E/d2 k,微分负电导,n1、n2分别代表能谷1和能谷2中的电子浓度，而n=n1+n2，则,电流密度,平均迁移率,平均漂移速度,导电率为,高场畴区及耿振荡,二（1）作图描述硅中电子漂移速度随电场的变化（10分） （2）饱和漂移速度值和速度饱和的临界电场随杂质浓度如何变化，说明基本理由。（15分） 三试给出测量迁移率的实验方法（15分,二说明载流子迁移率与温度的关系，并说明为什么在某一温度处具有最大峰值。（15分）,第5章 非平衡载流子 在非简并情况下，平衡载流子满足,简释：非平衡载流子（过剩载流子） 非平衡载流子的复合 非平衡载流子的寿命 准费米能级 主要讨论小注入 了解：附加光导：,熟悉： 非平衡载流子的寿命测试实验,解释：准费米能级,清楚： 非平衡载流子以下复合机制 直接复合电子在导带和价带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合； 间接复合电子和空穴通过禁带的能级（复合中心）进行复合。,了解:非平衡载流子的直接净复合率Ud导出思路,非平衡载流子的寿命,间接复合,清楚：复合中心的Et四个微观过程,了解：非平衡载流子净复合率导出思路和使用,清楚：金在硅中的复合作用,EtA,EtD,简释：表面复合 常用表面复合速度描写表面复合,解释：寿命是“结构灵敏”的参数 俄歇复合 了解：俄歇复合三粒子过程 解释：陷阱效应 陷阱中心 清楚：杂质能级处于什么样位置最有利于陷阱作用 了解：陷阱对附加电导率影响,清楚：几种典型条件下非平衡载流子扩散分布 了解：爱因斯坦关系导出思路 简释：爱因斯坦关系,了解：连续性方程式导出思路 能使用连续性方程式处理典型条件问题,了解：测量半导中载流子迁移率 了解：连续性方程解决表面复合问题,给出在半导体材料长度为L中引起电场为E的掺杂浓度分布,半导体材料中，杂质浓度分布为Nd(x)=Nd0exp(x/L) （0xL） （a）导出电子扩散电流密度表述 （b）给出刚好抵消扩散电流密度的漂移电流密度的电场E,讨论如图n型半导体，光照下产生恒定过剩载流子产生率G。在区域-Lx+L.假设少子寿命无穷,过剩载流子浓度在x=-3L和x=+3L处为0.给出0偏和小注入情况下稳态过剩载流子浓度随x的变化.,第6章 pn结,电流电压特性 对理想I-V修正 电容效应 击穿特性,熟悉：pn结及其能带图 pn结接触电势差 pn结的载流子分布,简释：耗尽层近似、空间电荷区势垒区,pn结电流电压特性 清楚：非平衡状态下的pn结的能带变化 始终抓住破坏平衡（载流子扩散运动和漂移运动）,非平衡载流子的电注入 pn结中电流分布情况,pn结加反向偏V，反偏在势垒区产生电场与内建电场方面一致,从图可知pn结反偏电流较小趋于饱和,pn结的能带图 在势垒区内，准费米能级被认为保持不变,清楚理想pn结模型及其电流电压方程 理想pn结模型(4个假设)： （1）小注入条件注入的少子浓度比平衡多子浓度小得多； （2）突变耗尽层条件外加电压和接触电势差都降落在耗尽层上，耗尽层中的电荷是由电离施主和电离受主的电荷组成，耗尽层外的半导体是电中性的。因此，注入的少子在p区和n区是纯扩散运动； （3）通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层中载流子的产生及复合作用； （4）玻耳兹曼边界条件,电流电压方程,反向饱和电流相关参数？,了解：温度对电流密度的影响,清楚： 影响pn结J-V特性偏离理想方程的各种因素,和理想产生差别原因： 表面效应 势垒区中的产生及复合 大注入条件 串联电阻效应,清楚： 导出pn结电容包括势垒电容的扩散电容思路 泊松方程导出微分电容,势垒电容,了解： 势垒电容在实验中测量中意义（杂质浓度、线性缓变结的杂质浓度梯度、势垒高度）,扩散电容,pn结击穿 能解释： 三种击穿现象 雪崩、