半导体物理_复习(刘恩科)

1、半导体物理复习课半导体物理复习课 半导体物理 第一章第一章 半导体中的电子状态半导体中的电子状态 v 晶体结构与共价键 金刚石型结构 闪锌矿型结构 纤锌矿型结构 氯化钠型结构 半导体物理 能级与能带能级与能带 电子在原子核势场和 其他电子作用下分列 在不同能级 相邻原子壳 层形成交叠 原子相互接近 形成晶体 共有化运动 v 共有化运动：由于电子壳 层的交叠，电子不再完全 局限在某一个原子上，可 以由一个原子转移到相邻 的原子上去，因而，电子 将可以在整个晶体中运动 v 只有外层电子共有化运动只有外层电子共有化运动 最显著最显著 半导体物理 能级分裂能级分裂 半导体物理 能带形成能带形成 满带或

2、价 带 导带 半导体物理 半导体物理 v本征激发 常用禁带宽度 硅：1.12eV 锗：0.67eV 砷化镓： 1.43eV 半导体物理 半导体中电子状态和能带半导体中电子状态和能带 晶体中的电子VSVS 自由电子 严格周期性重复排列的原子间运动恒定为零的势场中运动 单电子近似单电子近似：晶体中的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，这个势场也是周期变化的， 并且它的周期与晶格周期相同。 半导体物理 半导体中的电子运动半导体中的电子运动 v 半导体中E(k)与k的关系 2 0 2 2 d d 2 1 0k k E EkE k k E h d d1 2

3、 2 2 * n d d k E h m v 电子速度与能量关系 v 电子有效质量 半导体物理 有效质量的意义：有效质量的意义： fa 1、概括了半导体内部势场 的作用 2、a是半导体内部势场和 外电场作用的综合效果 3、直接将外力与电子加速 度联系起来 * n m 半导体物理 v空穴 正电 有效质量为正 半导体物理 v回旋共振 等能面 v电子有效质量可测 半导体物理 小结小结 v共有化运动 vSi的能带分布图 v本征激发 v电子有效质量的意义 半导体物理 半导体中的杂质半导体中的杂质 v所处位置不同：替位式杂质、间隙式杂质 v所处能级不同：施主杂质、受主杂质 施放电子而 产生导电电 子并形成

4、正 电中心 接受电子成 为负电中心 半导体物理 半导体物理 半导体物理 v杂质补偿作用 DA NN AD NN ND NA 半导体物理 v深能级 深能级对半导体中的载流子浓度和导电类型的影响没 有浅能级杂质显著，但对载流子的复合作用比浅能级 杂质强，故这些杂质也称为 复合中心 半导体物理 v离子性强的化合物半导体（M,X） 半导体物理 小结小结 v施主杂质施主能级 v受主杂质受主能级 v杂质补偿 v深能级（复合中心） v缺陷及所对应的施主/受主作用 半导体物理 第三章第三章 半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布 热平衡状态 低能量的量子态 高能量的量子态 产生电子空穴对 使电子空穴

5、对 不断减少 热平衡载流子：处于热平衡状态下的导电电子和空穴 半导体物理 状态密度状态密度 v 状态密度：能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子 态数。 E Z Eg d d 状态密度的计算：为简单起见，考虑等能面为球面的情况 2 1 c 3 2 3 * n c 2 4 d d EE h m V E Z Eg 半导体物理 费米能级与分布函数费米能级与分布函数 v 费米分布函数：（描述热平衡状态下，电子在允许的量子态上如 何分布） )exp(1 1 0T k EE Ef F v T=0K时， 若EEF，则f (E)=0 标志了电子填 充能级的水平 E-EFk0T 半导体物理 玻尔兹曼分布函数玻尔

6、兹曼分布函数 条件：E-EFk0T Tk EE B F eEf 0 费米统计分布：受到泡利不相容原理限制 玻尔兹曼分布：泡利原理不起作用 半导体物理 v 导带电子浓度 ( ) c dZgE dE 能量E到E+dE之间的量子态电子占据能量为E的量子态几率 将所有能量区间中电子数相加 除以半导体体积 导带电子浓度n0 ( )f E ( )( ) c c E c E f E gE dE V * 3/2 3/21/2 00 3 00 (2) 4()exp() x ncF mEE nk Txe dx hk T 载流子浓度 是与温度、 杂质数量及 种类有关的 量 半导体物理 载流子浓度乘积载流子浓度乘积n

7、0p0 v 与费米能级无关 v 只决定与温度T，与所含杂质无关 v 适用于热平衡状态下的任何半导体 v 温度一定， n0p0一定 g 00cv 0 exp E n pN N k T Nc：导带有效状态密度 Nv：价带有效状态密度 半导体物理 本征半导体本征半导体 pn 电中性条件 C V VCFi N N kTEEEEln 2 1 2 1 kT E NNpn g VCii 2 exp 2 1 半导体物理 杂质半导体中的载流子浓度杂质半导体中的载流子浓度 Tk EE Ef 0 FD D exp 2 1 1 1 Tk EE Ef 0 AF A exp 2 1 1 1 0 ( ) 1 1exp()

8、2 D DDD DF N nN fE EE k T 电子占据施主能级的几率： 空穴占据受主能级的几率： 施主能级上的电子浓度 电离施主浓度 DDD nNn 半导体物理 只含一种杂质的半导体只含一种杂质的半导体 vN型半导体型半导体 n0=nd+p0 弱电离 饱和电离区 杂质饱和电离本征过渡区 杂质电离 本征激发区 半导体物理 弱电离弱电离 Cd d dC d CddC CF Ng NkT EE N NgkTEE EEln 22 1 ln 22 kT E g NN n I d dC 2 exp 2 1 半导体物理 饱和电离饱和电离 d C CF N N kTEEln d Nn d ii N n

9、n n p 22 半导体物理 lnn 本征区本征区 饱和区饱和区 杂质电离区杂质电离区 T 1 图图4.5 N型半导体中电子浓度随温度的变化型半导体中电子浓度随温度的变化 半导体物理 E C E a E i E d E V E T 0 型NEF 型PEF 图图4.6 费米能级随温度的变化费米能级随温度的变化 半导体物理 有杂质补偿的半导体有杂质补偿的半导体 adda pNpnNn 在在NdNa的半导体中的半导体中 dda nNpNn 在在NaNd的的P型半导体中型半导体中 aad pNnNp Na=Nd的半导体中的半导体中完全补偿的半导体完全补偿的半导体 半导体物理 vN型半导体型半导体(Nd

10、Na) 杂质电离情况下：杂质电离情况下：NdNa，则受主完全电离，则受主完全电离，pa=0 由于本征激发可以忽略，则电中性条件为由于本征激发可以忽略，则电中性条件为 dda nNNn 低温区电离情况低温区电离情况 在更低的温度下在更低的温度下 杂质饱和电离情况杂质饱和电离情况 ad NNn ad i NN n p 2 ad C CF NN N kTEE ln 半导体物理 简并半导体简并半导体 22. 2时，当kTEE FC ：属于非简并；：属于非简并； 0220时，当kTEE FC ：属于弱简并；：属于弱简并； 00时，当 FC EE：属于简并：属于简并 禁带变窄禁带变窄 冻析效应冻析效应 半

11、导体物理 第四章第四章 半导体的导电性半导体的导电性 v 漂移运动：电子在电场力作用下的运动 v 迁移率：单位场强下电子的平均漂移速度 | d E 电导率 电流密度 / | n pn p JnqE /n pn p nq 半导体物理 散射及散射机构散射及散射机构 v 平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程 v 散射机构 （1）电离杂质散射 3/2 ii PN T （2）晶格振动散射 声学波 光学波 （3）其他散射：能谷散射、中性杂质散射、位错散射 2 3 TP 长纵声学波在长声学波中起主要作用 半导体物理 电阻率与温度的关系电阻率与温度的关系 载流子主要由电 离杂质提供 杂质全部电离， 晶

12、格振动散射上 升为主要矛盾 本征激发成为主要 矛盾 半导体物理 强电场效应强电场效应 v现象：偏离欧姆定律 v解释：从载流子与晶 格振动散射时的能量 交换过程来说明 半导体物理 第五章第五章 非平衡载流子非平衡载流子 施加外界作用 偏离热平衡态 产生非平衡载流子 破坏热平衡条件 比平衡态多出来一部分载流子 半导体物理 非平衡载流子非平衡载流子 n：非平衡态下的电子浓度 p：非平衡态下的空穴浓度 n0：平衡态下的电子浓度 p0：平衡态下的电子浓度 非平衡载流子的复合非平衡载流子的复合：当 半导体由非平衡态恢复为 平衡态，过剩载流子消失 的过程。 ppp nnn 0 0 半导体物理 准费米能级准费

13、米能级 v 当半导体处于非平衡状态，不再具有统一的费米能 级，引入准费米能级 n iF i 0 exp EE nn k T 非平衡态下电子浓度： 非平衡态下空穴浓度： p iF i 0 exp EE pn k T C E F E V E Fn E Fp E 半导体物理 复合理论复合理论 v直接复合 电子在导带和价带之间的直接跃迁 v间接复合 非平衡载流子通过复合中心的复合 间接复合的四个过程间接复合的四个过程 过程前过程前 过程后过程后 半导体物理 载流子的扩散运动载流子的扩散运动 稳定扩散的条件： 单位时间在单位体积内 积累的载流子由于复合而消失的载流子 p 2 2 p d d p x p

14、D 空穴扩 散系数 非平衡少数载流子 的寿命 非平衡少数载流子 浓度 半导体物理 爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式(意义，推导意义，推导) v 从理论上找到扩散系数和迁移率之间的定量关系 nnn ()0JJJ 漂扩 （ ） 迁移率电场作用下运动的难易程度 扩散系数存在浓度梯度下载流子运动的难易程度 0n n p 0 p : : k TD q D k T q 电子 空穴 nnn ()0JJJ 漂扩 （ ） 半导体物理 第五章第五章 p-n结结 半导体物理 第五章第五章 p-n结结 1、内建电场 结果 2、费米能级 相等标志了 载流子的扩 散电流和漂 移电流互相 抵消 半导体物理 p-n结接触电势差结接触电势差VD 2 0 ln i AD D n NN q Tk V VD和p-n结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关。 在一定温度下，突变结两边的掺杂浓度掺杂浓度越高，接触电势差VD越大； 禁带宽度禁带宽度越大，ni越小，接触电势差VD越大； 半导体物理 正向偏压反向偏压 半导体物理 p-n结电