半导体物理.docx

半导体；电阻率10-3 r 109 cm常见半导体禁带 0.5 Eg NA n=ND-NA；NDkT、空穴类似；随着 E 的增大，fBe(E) 迅速减小，fBh(E) 迅速增大，所以半导体中电子（空穴）主要分布在导带底（价带顶）附近、当E-EF2kBT 时，f(E) 与 fB(E) 的数值几乎相同、都是很小的数值（在 E-EFkBT 的情况下，能级被电子占据的几率很小，几乎不会发生两个以上电子占据同一能级的可能，作为费米分布和玻耳兹曼分布主要差别的泡利不相容原理就不起作用）非简并性系统；服从波尔兹曼统计率的电子系统 简并性系统；服从费米统计的电子系统非简并；导带电子 价带空穴no与po乘积与Eg无关热平衡判别式；Ef越靠近导带底、导带电子浓度高；靠近价带顶、空穴浓度高（费米能级在能带图、只代表能量高低、不代表电子量子态）本征；Ei位于禁带中线附近同材料、ni随温度升高迅速增加；不同材料、同一温度、Eg越大、ni越小杂质电离度；电子空穴 杂质能级；半导体材料与 杂质元素有关 费米能级；与温度和掺杂浓一定温度下、杂质电离度与杂质能级和费米能级之间的相对位置有关 度有关Ef远在Ed之上、施主基本没电离；重合时、n+DND/3、中间电离区；ED-EFkT时、施主杂质几乎全电离EF远在EA之下，受主杂质基本没有电离；当EF=EA时，p-ANA/5，中间电离区；当EF远在EA之上时，受主杂质几乎全部电离对给定的杂质和温度，掺杂浓度越高，费米能级离禁带中部越远，杂质的电离度就越低；对确定的掺杂浓度和温度而言，浅能级杂质比深能级杂质更容易使条件ED-EFkT或EFEAkT得到满足，因而电离度较高；对确定的杂质及其浓度，温度越高，费米能级离禁带中心越近，因而杂质的电离度越高 热平衡电中性条件电中性；半导内任一点附近、单位体积内的净电荷数为零、正电荷：价空穴p0及电离施主nD+ 负电荷：导电子n0及电离受pA-半导体器件正常工作时，为保持载流子主要来源于杂质电离，故要求本征载流子密度至少比杂质浓度低一个数量级由于本征载流子浓度随温度迅速变化，用本征半导体材料制作的器件性能很不稳定，所以制造半导体器件一般采用适当掺杂的半导体材料简并半导体；适用于波尔兹曼统计的掺杂浓度、重掺杂NDNc导带电子多、泡利不相容费米载流子冻析效应；重掺杂、简并弱简并、杂质在正常工作温区并未完全电离、有部分载流子被冻结在杂质能级上对导带无贡献杂质浓度高、被解冻（强电离）最低温度高；掺杂相同、杂质电离能越高、解冻温度也高禁带窄化；杂质浓度升高（重掺杂）杂质原子之间距离缩短相互作用加强、杂质能级进入导带价带形成新简并能带、带尾伸入禁带变窄；杂质原子间距的缩小直接导致杂质原子之间电子波函数发生重叠，使孤立的杂质能级扩展为能带（杂质能带）。杂质能带中的电子通过在杂质原子之间共有化运动参与导电，称这种现象为杂质带导电；杂质电离能随杂质浓度的增高而下降漂移运动；载流子在电场作用下的定向运动、相应速度为漂移速度载流子迁移率；是单位电场作用下载流子平均漂移速度、反映电子空穴在外电场作用下作漂移运动的难易程度电导率；电导率反映了半导体的导电能力、大小取决于半导体载流子密度和载流子迁移率漂移运动微观；外电场理论上，在无外场作用时，它们的运动速度保持不变。即晶体一旦产生电流，就不需要外电场维持。实际上，外电场存在时，载流子的漂移速度为一确定的平均值（不会无限增大）；当去掉外场后，电流很快就消失。说明：载流子除了受外电场力之外，还受到一些其它阻力。这些阻力能够随机改变载流子的运动状态，它直接影响载流子迁移率的大小！半导体中的杂质或缺陷会形成附加的势场，它们对载流子的散射使得载流子的热运动成为一种无规则的运动。在稳定外加电场作用下，使得载流子只能在有限时间（平均自由时间）内受到电场的加速而获得有限的速度累积，产生一定的平均漂移速度。（散射-载流子与热振动晶格原子电离杂质离子作用（与附加势场的碰撞）使速度大小方向变化）自由时间；载流子在连续两次被散射之间所经历时间 自由程；载流子在连续两次散射之间所经历的路程平均自由时间；大量载流子自由时间的平均（一载流子大量散射自由时间平均）平均自由程；大量自由程平均(一大量平均)迁移率；有效质量不变时、平均自由时间越长、或单位时间遭散射次数越少、迁移率越高（球形等能面、同性）散射；实际晶体杂质、晶格缺陷、晶格热振动、有限尺寸、破坏晶格势场严格周期性、产生附加势场载流子受附加势场的力f从而使载流子波矢k发生变化电离杂质散射；施主杂质电离后是一个带正电的离子，受主杂质电离后是一个带负电的离子。在电离施主或受主周围形成一个库仑势场，该势场的存在破坏了杂质周围的周期性势场，此即使载流子散射的附加势场。电离杂质浓度 Ni 越高，载流子遭受散射的机会就越多，迁移率就越低；温度越高，载流子热运动的平均速率越高，可以较快地从杂质离子附近掠过而不易被散射，迁移率就高上式只适合于杂质完全电离的情况。在杂质电离度还会随着温度变化的温区，由于Ni 随着温度上升而指数上升，迁移率主要受 Ni 的控制，迁移率随温度变化的客观反映仍然是随着温度的升高而下降，而不会随着温度的升高而升高、Ni 指所有电离杂质，不分极性，即 NiNDNA晶格振动散射；一定温度下、晶体原子在各自平衡位置附近微振动、由若干不同基本波动（格波）按波叠加组合而成。振动中同一原胞的两个原子沿同一方向运动，即原胞的质心跟原子一起振动，称为声学波（声学模）；振动中两个原子的运动方向相反，即原胞质心不动，称为光学波（光学模）（声子、波色子、非定域性、准粒子、能量守恒与准动量守恒。量子数为 n 的格看成是 n 个属于这一格波的声子，电子在晶体中被散射的过程可以看作是电子和声子的碰撞过程。） 长纵声学波通过对点阵原子疏密状态的周期改变引入形变势散射（能带具有单一极值的半导体）、（使禁带宽度发生起伏，对应于导带底和价带顶的能带起伏，如同产生了附加势场（形变势）长纵光学波通过正负电荷分布状态的改变引入极化势散射、（正负离子振动位移相反，疏密相间的分布对载流子增加了一个附加势场（极化势）引起散射）谷间散射：对于多能谷半导体，电子可以从一个极值附近散射到另一极值附近，称为谷间散射。电子在谷内或谷间散射时与声子发生碰撞同时吸收或发射一个声子。谷内为长波声子，谷间为短波声子中性杂质散射：没有电离的中性杂质对周期性势场的微扰作用而引起散射。由于它没有电场效应，中性杂质的散射作用远不及带电杂质中心。但在低温下，由于中性杂质远多于离化杂质，故此时中性杂质散射就起主要的散射作用位错散射：位错是一种线缺陷，它可以作为施主或受主中心。这些中心离化时位错成为一条带电线，在其周围存在一个圆柱形屏蔽电荷层。（位错密度低于104cm-2时，位错散射可忽略）电阻率；纯的本征半导体，电阻率主要由本征载流子浓度决定，电阻率随温度增加而单调地下降、杂质半导体，既有杂质电离和本征激发两因素，有杂质散射和晶格散射两散射机构；温度很低时，本征激发可以忽略，散射主要由电离杂质决定，迁移率随温度升高而增大，电阻率随温度升高而下降。温度较高时，杂质已全部电离，晶格振动散射上升为主要矛盾，迁移率随温度升高而降低，电阻率随温度升高而增大、高温及本征激发成为矛盾的主要方面时，电阻率又由本征载流子浓度决定，并随温度急剧下降。强电场效应；强电流下电流密度与电场强度关系偏离欧姆定律的现象、即迁移率随电场增加而变化（饱和漂移速度）热电子与速度饱和；低电场时，载流子主要和声学声子作用！载流子从电场中获得能量，随后将能量以声子的形式传给晶格，达到稳定状态时，载流子与晶格系统处于热平衡状态，具有相同的热力学温度；在强场情况下，载流子从电场中获得的能量很多，在与晶格散射时，平均自由时间缩短，因而迁移率降低。由于载流子的平均能量比热平衡状态时的大，载流子不再与晶格系统保持热平衡，此时的载流子称为热载流子。但是，当场强进一步增强，载流子的能量高到散射时可以发射光学声子，载流子从电场中获得的能量大部分又消失，平均漂移速度达到饱和、热载流子（具有高能量）在输运过程中的行为与热平衡状态下的载流子有明显不同，主要表现在非线性的速度-电场关系：Si等速度饱和，GaAs等负阻碰撞电离：与晶格碰撞，使原子电离产生电子-空穴（耿氏效应；半导体内电场大时电流以很高频率振荡）负微分效应；漂移速度达到极大值后随电场增加而下降、微分电导率（迁移率）是负的、能带结构；1 导带存在电子的子能谷；2子能谷与主能谷的能量差DE远小于禁带宽度Eg而远大于室温kT；3 电子在子能谷中的有效质量大于其主能谷中的有效质量漂移速度过冲； 载流子在强电场下的瞬变过程既有速度（动量）的累积也有能量的累积。在瞬变过程的初期，载流子从电场获取的能量较少，主要受到较弱的声学声子散射，引起的速度损失跟弱场下的速度损失一样小，而速度累积因为电场较强而比弱场快得多，因而很快达到一个很高的平均漂移速度。随后，由于平均能量的提高，光学声子的散射开始起作用，散射作用增强，散射引起的速度损失增大，于是漂移速度就会随着时间的推移而降下来，形成瞬变过程初期的速度峰值弛豫过程；处于热平衡状态的物质体系在热平衡条件改变后建立新条件下的平衡态的过程，或因受到外力扰动而进入某个亚稳的非平衡状态的过程及其逆过程（只可对纵声学波和纵光学波的散射按各向同性处理、电离杂质散射等要考虑散射方向性）霍尔效应；在相互垂直的电磁场中，导体或半导体因运动载流子被洛仑兹力改变运动方向，而在垂直于电磁场平面的方向上形成电荷积累，产生横向附加电场的现象（p型实验；霍尔角；横向霍尔电场的出现说明，在垂直于外施电场的方向施加磁场时，电流与电场不再有同一方向，两者之间的夹角霍尔迁移率；反映载流子在单位磁感应强度下的偏转程度、（载流子迁移率为单位电场平均漂移速度、两者意义、数值都不一样）本征n=pn型npP型；在温度从杂质导电温区过渡到接近本征激发温区时，霍尔系数由正值变为负值额外载流子；产生与复合不平衡、偏离其热平衡值不再是由T、由热激发、外界作用共同决定光注入；光照在半导体中产生超出热平衡密度的额外载流子、（光注入额外载流子不一定总是 Dn=Dp但讨论它方便）电注入；在比导致速度饱和或负微分迁移率更高的强电场下，半导体中的点阵原子有可能被电离而成对产生大量额外载流子小注入；注入的额外载流子密度比热平衡条件下的多数载流子密度低得多不改变多子、变少子非平衡态与热平衡态相比，主差别是少数载流子数量和作用起重要变化，即通常所说额外载流子实际是额外少数载流子、少子大注入；额外载流子密度大于或接近等于多数载流子密度的非平衡态弛豫过程；当外部作用撤除后，额外载流子会逐渐消失，半导体由非平衡态恢复到平衡态的过程。（注入时、弛豫为复合；抽取时、为热产生）、产生和复合是半导体的载流子系统恢复热平衡态的动力直接复合或产生；导带电子与价带空穴直接复合（n=p0）或直接产生导带电子和价带空穴（n=p0 的非平衡态向平衡态弛豫的复合过程中，为了保持能量守恒和动量守恒而释放相应能量的方式主要有3种：1、发射光子、由于光子的动量(h/)总是远小于晶格动量(h/a) ，这种复合只能发生在动量几乎相等的状态之间，或不受动量守恒限制的状态之间2、发射声子、由于声子的能量较小而动量较大，一对额外载流子的复合往往要发射多个声子，因而又称多声子复合。间接禁带半导体中导带电子和价带空穴通过复合中心的复合多取这种方式。表面复合也多以这种方式释放能量3、激发另外的电子或空穴 、额外电子与额外空穴复合时用释放的能量激发附近的电子或空穴，产生一个高能量的载流子。采用这种方式释放能量的复合叫俄歇（Auger）复合复合几率P；额外载流子在弛豫时间内的复合概率 复合率U：单位时间、单位体积内通过复合而消失的额外载流子数。 产生率G：单位时间、单位体积内通过光照等激发机构产生的电子空穴对数（产生机构（例如光照）和复合机构并存，且稳定发挥作用的情况下，该系统在产生率等于复合率时进入稳定的非平衡状态，具有不变的额外载流子密度Dp。）准费米能级；对非平衡态下的价带导带分布引入价带（准）费米能级、导带(准)费米能级 （弛豫时间远小于额外载流子的寿命。在同一能带范围内，热跃迁十分频繁，极短时间内就能达到局部的热平衡）导带价带准费米能级偏离大小直接反映 np 和n0p0 即半导体偏离热平衡状态的程度。两者重合时形成统一的费米能级 EF ，则半导体处于热平衡状态（多数载流子偏离不多）复合中心；促进复合过程的杂质和缺陷。 俘获截面s具有面积的量纲，反映了复合中心俘获载流子的能力大小杂质或缺陷能级俘获并积累额外载流子的作用称为陷阱效应。一般将有显著陷阱效应的杂质或缺陷能级称为陷阱，而将产生这些能级的杂质或缺陷称为陷阱中心。rprn能级ET累积电子比导带累积少即它是复合中心非陷阱中心能级的rnrp，则其很难俘获空穴而容易俘获并累积电子，因而是电子陷阱，相反则为空穴陷阱rprn 欲使dnt/dn=1 若n0n1，ET仍然要在密度很高时才会积累电子起陷阱作用、有效电子陷阱的能级ET应该远在费米能级EF之上，以使n0n1，才能使NT在取极小值n1时即有明显的陷阱作用 对n 型半导体而言，ET在EF之上就意味着n1很高，仍不能算是有效陷阱但 p 型半导体而言