半导体物理要点总结

1、第一章 半导体的能带理论共价键：硅锗原子之间组合靠的是共价键结合，他们的晶格结构与碳原子组成的金刚石类似。四原子分别处于正四面体的顶角，任意顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为两原子共有，共有的电子在两原子之间形成较大的电子云密度，通过他们对原子实的引力把两个原子结合在一起。闪锌矿型结构：类似于金刚石的结构但是是由两种原子构成的，一个中心原子周围有4个不同种类的原子。因为原子呈现电正性或者电负性，有离子键的成分。纤锌矿结构：离子性结合占优的话，就形成该结构。不具有四方对称性，取而代之是六方对称性。共有化运动：原子的电子分列不同能级，也即是电子壳层。当原子互相接近形成晶体时，电子壳层互相交叠

2、，电子可以转移到相邻原子上去，可以在整个晶体中移动，这种运动叫做电子的共有化运动。能带：电子的能级在受到其他原子影响之后，就会出现分裂现象，这种分裂后产生n个很近的能级叫做能带。禁带：分裂的每一个能带称为允带，允带之间则称为禁带。单电子近似：晶体中某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场，以及其他大量电子的平均势场中运动，势场是周期性变化的，周期于晶格周期相同。电子在周期性势场中的运动特点和自由电子的运动十分相似。导体、半导体、绝缘体的能带：导体是通过上层的不满带导电的。对于半导体和绝缘体，从上到下分别是空带、禁带、价带（满带），在外电场作用下并不导电，但是当外界条件（加热光照）发生变

3、化时，满带中的少量电子可能被激发到空带当中，这些电子可以参与导电，同时满带变成部分占满，满带也会起导电作用。这种导电作用等效于把这些空的量子状态看作带正电荷的准粒子的导电作用，常称这些空的量子状态为空穴。绝缘体的禁带宽度很大，激发点很困难，而半导体相对容易，在常温下就有电子被激发到导带。有效质量：在描述电子运动规律的方程中出现的是电子的有效质量mn*，而不是电子的惯性质量m0。这是因为其中f并非全部外力，其实电子还收到原子和其他电子的作用，此时用有效质量进行计算可以简化问题，f和加速度挂钩，而内部势场作用用有效质量概括。使得探讨半导体电子在外力作用下规律时可以不涉及内部势场作用。另外地mn*可

4、以实验测得，方便有效。本征激发：当温度大于0k时，有电子从价带激发到导带，价带中同时产生空穴，这个过程叫做本征激发。本征半导体就是没有掺杂的半导体，也即电子和空穴都参加导电的半导体。载流子和载流子浓度：可移动带电荷的物质微粒被称作载流子，而在半导体中就是电子和空穴。载流子浓度就是单位体积载流子的数目。第二章 半导体中的杂质与缺陷能级间隙式杂质：杂质原子进入半导体以后，位于晶格原子间叫做间隙式杂质。一般原子比原原子要小。替位式杂质：取代晶格原子而位于格点处，叫做替位式杂质。两种原子大小近似，价电子壳层也类似。施主杂质：V族元素为替位式杂质，它释放一个电子，增加导电性，如P+，是一个不能移动的正电

5、中心。使之电离的能量远远小于禁带宽度Eg。释放电子的过程叫做施主电离。又叫n型杂质。施主能级：施主能级Ed位于禁带中离导带很近处。由于杂质数量较少，为一些具有相同能量的孤立能级。受主杂质：III族元素的替代式杂质，产生共价键是缺少一个电子，因而产生一个空穴，B-可以作为一个负电中心。受主原子对空穴有静电引力，但是很弱，容易脱离，形成自由活动的空穴。又叫p型杂质。受主能级：空穴的能量在能带图上为越下越高。而受主能级Ea的位置在禁带很靠近价带处。同样，一般也是孤立能级。P型、n型半导体：空穴带正电荷，positive。电子带负点，negative。杂质补偿：n、p型半导体可以互相补偿，也就是电子和

6、空穴之间可以补偿。实际半导体与理想半导体区别：1.原子不是严格在格点上而是平衡位置振动。2不纯净。3缺陷，点缺陷，线缺陷，面缺陷。第三章 半导体中载流子的统计分布热激发：电子从热振动的晶格中获得能量，就可能从低能量的量子态跃迁到高能量的量子态，产生到导带电子和空穴。复合：与热激发相反作用，向晶格释放能量，电子跃迁到低能量的量子态，导带中的电子和价带中的空穴都减少。热平衡状态：一定温度下，这两个过程建立起动态平衡。导电电子和空血浓度保持一个稳定数值。热平衡载流子：热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。温度改变形成新的动态平衡时，新的热平衡载流子浓度也在随之改变。状态密度：半导体的导带和价

7、带中，有很多能级存在，但间隔很小，近似认为是连续的。因而可将能带分为一个一个很小的间隔处理。假定能力EE+dE有无限小的能量间隔内有dZ个量子态，则状态密度g（E）=dZ/dE，也就是说，g（E）为能带中能量E附近每单位间隔内的量子态数。费米分布函数：f（E）=1/1+exp（E-EF/k0T）。其中EF为费米能级，f（E）表示了一个温度下电子在各量子态的分布。费米能级等于系统的化学势，Ef=（F/N）T。F是系统的自由能，N为电子总数。能量和费米能级相同的量子态被电子占据的概率总是50%。温度不很高的情况下，一般可以认为，高于费米能级的量子态几乎没有电子占据，而低于费米能级的基本被电子占据。

8、玻尔兹曼分布函数：E-Ef远大于K0T时，可发现Fb（E）=Aexp（-E/k0T）有关，即仅和Aexp（-E/k0T）这个系数有关。1-F（E）=Bexp（E/k0T）则是能量被空穴占据的概率。多数载流子：n型半导体的电子和p型半导体的空穴。少数载流子：p型半导体的电子和n型半导体的空穴。载流子统计分布理论：即费米分布函数和玻尔兹曼分布函数，半导体中，常有Ef在导带和价带之间，此时电子满足玻尔兹曼分布函数；若E增大f（E）减小，此时电子分布在导带底附近，而电子的玻尔兹曼分布函数不再适用，但是依然可以使用空穴的玻尔兹曼分布函数。服从玻尔兹曼统计律的电子系统成为非简并性系统，服从费米统计率的叫做

9、简并系统。简并半导体：若p型掺杂很高，那么费米能级会进入价带，此时价带顶的量子态基本为空穴所占据，反之n型掺杂很高，那么费米能级进入导带，此时导带低的量子态基本为电子所占据。无论是哪一种，都不再可以用玻尔兹曼统计律，而必须使用费米分布函数计算。这种情况就就是简并化，而这种情况对于的半导体就是简并半导体。简并化条件：Ec-Ef2k0T，非简并，0Ec-Ef2k0T，弱简并，Ec-Ef0，简并。1. 对导（价）带分为无限多无限小的能量间隔的情况有：E(E+dE)2. 量子态数：dZ=gc(E)dE3. 载流子占据能量为E的量子态的概率f(E)4. 在能量E(E+dE)间有载流子数：f(E) gc(

10、E)dE5. 把所有能量区间中的载流子数相加，即从导（价）带底（顶）到导（价）带顶（底）对f(E) gc(E)dE进行积分，得到半导体中导（价）带的载流子总数6. 载流子总数/半导体体积=载流子浓度第四章 半导体的导电特性漂移运动：多子在电场力的影响下运动。扩散运动：少子因为浓度梯度下运动。迁移率：迁移率=平均漂移速度V/电场强度E。电导率和迁移率的关系：=nq载流子的散射：载流子在自由运动时，由于晶格热振动或电离杂质以及其他因素的影响，不断遭受散射，载流子的速度大小和方向不断改变。用波的概念就是电子波在半导体传播时发生了散射。散射机构：1电离杂质的散射，由于电离杂质会形成库伦势场，破坏原有的

11、杂质库伦势场，由于库仑力，导致载流子运动方向发生改变。2.晶格振动的散射，其中包括声学波和光学波两部分，对于具有单一极值的半导体中其主要作用的是长声学波，而其中重要的是纵波，通过改变原子之间的间距，从而改变禁带的宽度来产生散射，使得同样处于导带底和价带顶的电子或空穴，因为在半导体中位置不同，能量有所差别，相当于产生了一个附加场。横声学波可以引起多极值半导体极值变化，从而也产生散射。而光学波产生的散射主要是纵光学波对包含离子键的半导体产生影响，机理和声学波类似。3。其他，包括谷间散射、位错散射、合金散射、中性杂质散射。一般不起主导作用。平均自由时间：自由载流子实际上只有在两次散射之间才是真正自由

12、的，这两次散射之间的平均距离叫做平均自由程，而平均时间则为平均自由时间。平均自由时间的数值等于散射的概率的倒数。声子：晶体中晶体结构和其他物质交换能力时，能量均为ha的倍数，而每一份ha就被称为声子。半导体载流子的欧姆定律：J=，即电流密度=电导电场强度。单位A/m2第五章 非平衡载流子非平衡载流子：通过外界手段破坏热平衡状态，注入载流子。一般多子的影响非常小而少子影响很大，浓度主要针对少子浓度。非平衡载流子的寿命：再失去外界作用后，开始恢复平衡状态，少子的减少是以指数方式进行的。说明这些非平衡载流子不是立刻消失，而是由于复合数大于激发数，逐步还原到热平衡状态。准费米能级：当半导体处于非平衡状态下，导带和价带内部的电子来讲，他们各自处于平衡状态，可以引入导带费米能级和价带费米能级，这两者是不重合的。计算方法和之前的费米能级一样，只要不因为浓度过高，准费米能级进入导带或价带，总是可用。产生率、复合率：半导体总存在着载流子产生和复合两个过程，通