半导体物理_复习

1、半导体物理复习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最显著(教材P9-10)能级分裂(教材P9-10)能带形成满带或价带导带(教材P10-11)基本概念：能带，允带，禁带半导体中电子状态和能带晶体中的电子VS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：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

2、，这个势场也是周期变化的， 并且它的周期与晶格周期相同。(教材P11)E(k)-k关系图E(k)-k关系图的简约布里渊区能带形成的定量化关系(教材P14)导体、绝缘体和半导体的能带导带导带半满带禁带价带禁带价带满带绝缘体、半导体和导体的能带示意图三者的主要区别：禁带宽度和导带填充程度金属导带半满；半导体禁带宽度在1eV左右；绝缘体禁带宽且导带空(教材P16)本征激发：当温度一定时，价带电子受到激发而成为导带电子的过程 。常用禁带宽度硅：1.12eV锗：0.67eV砷化镓：1.43eV本征激发gCVEEE本征激发(教材P17)半导体中的电子运动v 半导体中E(k)与k的关系 222022*1 d

3、02d0 =2knEE kEkkh kE kEm*1,ndEhkvvh dkm222*nddkEhm v 电子速度与能量关系v 电子有效质量(教材P17-19)（可由回旋共振实验测得）有效质量的意义fa1、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*nm(教材P19)空穴空穴：将价带电子的导电作用等效为带正电荷的 的导电作用。v 空穴的主要特征：v A. 正电荷：+q；v B. 空穴浓度表示为p（电子浓度表示为n）；v C. EP=-Env D. mP*=-mn*引入空穴的意义A. 把价带中大量电子对电流的贡献用少量的空穴表达出来。

4、B. 半导体中有电子和空穴两种载流子，而金属中只有电子一种载流子。(教材P20-22)常见半导体能带结构v 直接带隙：砷化镓v 间接带隙：硅、锗Ge：111能谷为导带底Si：100能谷为导带底(教材P30)(教材P32)第二章 半导体中的杂质和缺陷能级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正电中心接受电子成为负电中心(教材P37-40)实际半导体和理想半导体的主要区别 基本概念基本概念 1. 施主杂质，施主能级，施主杂质电离能施主杂质，施主能级，施主杂质电离能 施主杂质：施主杂质：能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心的杂质，称为

5、施主杂质，掺有施主杂质的半导体叫N型半导体。 施主能级施主能级:被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级，记为ED，施主能级位于离导带低很近的禁带中。 施主杂质电离能：施主杂质电离能：导带底EC与施主能级ED的能量之差ED=EC-ED就是施主杂质的电离能。施主杂质未电离时是中性的，电离后成为正电中心。(教材P39) 2. 受主杂质，受主能级，受主杂质电离能 受主杂质：能够能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心的杂质，称为受主杂质，掺有受主杂质的半导体叫P型半导体。 受主能级：被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级，记为EA，受主能级位于离价带低很近的禁带中。 受主杂质电离能：价带顶E

6、V与受主能级EA的能量之差EA=EV-EA就是受主杂质的电离能。受主杂质未电离时是中性的，电离后成为负电中心。(教材P40)杂质的补偿作用EDn= ND-NA ND，半导体是n型的ND-NA为有效施主浓度ED EAp= NA-ND NA，半导体是p型的NA-ND为有效受主浓度EA(教材P42)(1) 当NDNA时 (2) 当NAND时 (3) 当NDNA时，杂质的高度补偿。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(110TkEEEfFv T=0K时，若EEF，则f (E)=0标志了电子填充能级的水平(教材P56-57)能量比EF小的量子态

7、被电子占据的概率是100%，这些量子态上都是有电子的；能量比EF大的量子态被电子占据的概率为0，这些量子态上没有电子，为空的。l在热力学温度为0K时，费米能级EF可看成量子态是否被电子占据的一个界限 重点玻尔兹曼分布函数费米统计分布：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 当 时，由于 ，所以费米分布函数转化为 称为电子的玻耳兹曼分布函数0FEEk T0exp()1FEEk T001 exp()exp()FFEEEEk Tk T0000exp()exp()exp( )exp)()(BFFEEEEk TkEfEAk TTk T( )BfE(教材P58)v 导带电子浓度( )cdZg

8、E 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( )( )ccEcEf E gE dEV* 3/23/21/200300(2)4()exp()xncFmEEnk Txe dxhk T载流子浓度是与温度、杂质数量及种类有关的量导带电子浓度(教材P59-60)00exp()cFcEEnNk T3*203(2)2ncm k TNh其中载流子浓度乘积n0p0v 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g00cv0expEn pN Nk TNc：导带

9、有效状态密度Nv：价带有效状态密度(教材P62-64)exp()(02/100TkENNpnngvci本征半导体本征载流子浓度：杂质半导体中的载流子浓度 TkEEEf0FDDexp2111 TkEEEf0AFAexp21110( )11exp()2DDDDDFNnN fEEEk 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DDDnNn(教材P65-66)同理，可得到受主能级上的空穴浓度，电离受主浓度。n型硅中电子浓度与温度关系v五个区 低温弱电离区 中间电离区 强电离区 过渡区 高温本征激发区v各区特点及变化趋势(教材P67-72)掺杂半导体的载流子浓度和

10、费米能级与温度与杂质浓度的关系 对于杂质浓度一定的半导体，随着温度的升高，载流子则是从以杂质电离为主要来源过渡到以本征激发为主要来源的过程，同时，费米能级从位于杂质能级附近逐渐移近禁带中线处。 温度一定时，对于n型半导体，费米能级位于禁带中线以上，ND越大，费米能级位置越高；对于p型半导体，费米能级位于中线以下，NA越大，费米能级位置越低。(教材P74)简并半导体 当费米能级位于禁带之中且远离价带顶和导带底时，电子和空穴浓度均不很高，处理它们分布问题时可不考虑泡利不相容原理的约束，因此可用波尔兹曼分布代替费米分布来处理在流子浓度问题，这样的半导体被称为非简并半导体。反之则只能用费米分布来处理载

11、流子浓度问题，这种半导体为简并半导体。把 与 的相对位置作为区分简并化与非简并化的标准：020200FcFcFcEETkEETkEEFEcE非简并弱简并简 并(教材P80-82)第四章 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电导率电流密度|JnqEnqdE(教材P92)-电导率与迁移率的关系迁移率与杂质浓度和温度的关系PtdtPeNNPt11000对所有时间积分，得到N0个电子自由时间的总和，再除以N0求得平均自由时间。即平均自由时间的数值等于散射概率的倒数。2*2*22*nnnnpppppnnpnpnpnqnnqmpqppqmpqnqnq

12、pqmm对 型半导体对 型半导体对一般半导体(教材P101-106)电阻率与温度的关系杂质全部电离，晶格振动散射上升为主要矛盾载流子主要由电离杂质提供本征激发成为主要矛盾11npnqpq电阻率1111nnppnpiinpnnqppqnqpqnq对 型半导体对 型半导体对一般半导体对本征半导体(教材P106-108)第五章 非平衡载流子 对于给定的半导体，本征载流子浓度ni只是温度的函数。无论掺杂多少，平衡载流子的浓度n0和p0必定满足上式。上式也是。2000expgCViEn pN NnK T它们乘积满足: 若用n0和p0分别表示平衡电子浓度和平衡空穴浓度，在非简并情况下，有：0000exp;

13、expCFFVCVEEEEnNpNk Tk T(教材P126)非平衡态：当半导体受到外界作用（如：光照等）后, 载流子分布将与平衡态相偏离, 此时的半导体状态称为非平衡态。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：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。非平衡态的载流子浓度为：00nnnpppnp (教材P127)小注入条件: 当非平衡载流子的浓度n(或p)Ws）（a）接触前；（b）间隙很大； （c）紧密接触；（d）忽略间隙电势降落在空间电荷区和金属半导体表面之间(教材P196-199)阻挡层、

14、反阻挡层整流接触v 整流接触(教材P201-209)阻挡层的整流特性 外加电压对阻挡层的作用VI0Schottky势垒欧姆接触欧姆接触：金属和半导体形成的不产生明显的附加阻抗，不引起半导体器件特性发生明显改变的非整流接触。理想的欧姆接触是指阻抗为零的接触。第七章 半导体表面与MIS结构v 表面电场效应MIS结构（金属绝缘层半导体）v 表面势：空间电荷层内的电场从表面到体内逐渐减弱直到为零，电势发生相应变化，电势变化迭加在电子的电位能上，使得空间电荷层内的能带发生弯曲，“表面势VS”就是为描述能带变曲的方向和程度而引入的。v 表面电荷层：MIS结构外加偏压之后，在绝缘层一侧的半导体表面附近形成的

15、具有一定厚度的电荷区称为表面电荷层。电子被局限在表面附近，这种电子状态被称做表面态，对应的能级为表面能级。(教材P217-218)多子堆积：（1）能带向上弯曲、价带接近甚至高过EF；（2）多子在半导体表面积累，越接近半导体表面多子浓度越高。多子耗尽：（1）表面能带向下弯曲；（2）表面上的多子浓度远少于体内，基本上耗尽，表面带负电（浓度基本等于电离受主杂质浓度）。空间电荷层及表面势多子堆积多子耗尽少子反型特征：(教材P219-220)强反型强反型强反型条件强反型条件强反型： 0pspn Vs2VBiABnNqTkVln0iAsnNqTkVln20T，NA衬底杂质浓度越高，Vs就越大，越不容易达到

16、反型。NA=pp0,开启电压VT 使半导体空间电荷层处于临界强反型时，在MIS结构上所加的栅压。强、弱反型：表面处少数载流子浓度 是否超过体内多数载流子浓度 为标志。(教材P224-225)CV特性(1) VG0耗尽状态：VG增加，xd增大，Cs减小，CD段Vs2VB时：EF段（低频）强反型，电子聚集表面， CC0GH段（高频）：反型层中电子数量不能随高频信号而变，对电容无贡献，还是由耗尽层的电荷变化决定（强反型达到xdm不随VG变化，电容保持最小值）；GH段(教材P228-232)sCCCC0011名词解释有效质量，空穴，施主杂质，受主杂质，杂质双性行为，费米能级，简并半导体，迁移率，声子，非平衡载流子，少数载流子寿命，准费米能级，直接复合，间接复合，扩散长度，电子亲和能，接触电势差，阻挡层，反阻挡层，肖特基势垒，欧姆接触定性分析题v 实际半导体与理想半导体间的主要区别是什么？v 以As掺入Ge中为例，说明什么是施主杂质、施主杂质电离过程和n型半导体。以Ga掺入Ge中为例，说明什么是受主杂质、受主杂质电离过程和p型半导体。v 以Si在GaAs中的行为为例，说明IV族杂质