半导体物理学复习

1、半导体物理学Hunan University of Science and Technology第1章 半导体中的电子状态v 重要概念 金刚石结构；能带；金刚石结构；能带；有效质量；有效质量；空穴；本征半导体；空穴；本征半导体；v 重要知识点 化合物半导体的晶体结构；化合物半导体的晶体结构； 晶体中能带的形成；半导体的能带结构特征；晶体中能带的形成；半导体的能带结构特征； 本征半导体的导电机构；本征半导体的导电机构； 导带底、价带顶电子的有效质量；空穴的有效质量。导带底、价带顶电子的有效质量；空穴的有效质量。222*dkEdmnHunan University of Science and T

2、echnology晶体中能带的形成晶体中能带的形成相距很远时，相互作用忽略不计相距很远时，相互作用忽略不计原子逐渐靠近，外层轨道发生原子逐渐靠近，外层轨道发生电子的共有化运动电子的共有化运动能级分裂能级分裂 当原子聚集形成晶体时，不能改变量子态的总数；当原子聚集形成晶体时，不能改变量子态的总数；没有两个电子具有相同的量子数。没有两个电子具有相同的量子数。Hunan University of Science and Technology晶体中能带的形成晶体中能带的形成N N个原子逐渐靠近，最外层电子首先发生共有化运动，个原子逐渐靠近，最外层电子首先发生共有化运动， 每一个能级分裂成每一个能级分

3、裂成N N个相距很近的能级，个相距很近的能级， 形成一个形成一个准连续的能带准连续的能带。Hunan University of Science and Technology半导体中电子的状态和能带半导体中电子的状态和能带 (a) E(k)k关系关系 (b) 能带能带Hunan University of Science and Technology02221)(mkhkE0hkvmnmhkv 22*12nh kE kmfm a0fm a半导体中的电子半导体中的电子自由电子自由电子有效质量有效质量22211dkEdhmnHunan University of Science and Techn

4、ology有效质量有效质量 引入引入有效质量有效质量这一概念的这一概念的意义意义在于：在于：有效质量有效质量概括了晶体内部势场对电子的作用概括了晶体内部势场对电子的作用，使得在解，使得在解决晶体或半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可决晶体或半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及到内部势场对电子的作用，而直接按照牛顿第以不涉及到内部势场对电子的作用，而直接按照牛顿第二定律由外力求出电子的加速度。二定律由外力求出电子的加速度。 Hunan University of Science and Technology1.带有正电荷带有正电荷(+q)，其电量等于电子电量；，其电量等于电子电量

5、；2.其速度等于该状态上电子的速度、方向相反；其速度等于该状态上电子的速度、方向相反；3.价带中的空穴数恒等于价带中的空状态数；价带中的空穴数恒等于价带中的空状态数；4.空穴能量增加的方向与电子能量增加的方向相反；空穴能量增加的方向与电子能量增加的方向相反；5.空穴具有正的有效质量。空穴具有正的有效质量。 本征半导体的导电机构、空穴本征半导体的导电机构、空穴空穴的性质：空穴的性质：把把价带中空着的状态看成是带正电的粒子价带中空着的状态看成是带正电的粒子，称为，称为空穴空穴导带中有多少电子，价带中就有多少空穴；导带中有多少电子，价带中就有多少空穴；导带上的电子参与导电，价带上的空穴也参与导电。导

6、带上的电子参与导电，价带上的空穴也参与导电。本征半导体的导电机构本征半导体的导电机构:Hunan University of Science and Technology第2章 半导体中杂质和缺陷能级v 重要概念 施主、受主杂质施主、受主杂质( (能级能级) )；杂质电离；浅；杂质电离；浅( (深深) )能级杂质；能级杂质；杂质补偿。杂质补偿。v 重要知识点 施主、受主杂质（能级）类型的判断；施主、受主杂质（能级）类型的判断； n（p）型半导体的判断；）型半导体的判断； 浅能级、深能级杂质对半导体性质的影响；浅能级、深能级杂质对半导体性质的影响； 杂质补偿的意义。杂质补偿的意义。Hunan U

7、niversity of Science and Technology第一种、按对载流子的贡献：第一种、按对载流子的贡献：杂质的类型杂质的类型 浅能级杂质浅能级杂质 深能级杂质深能级杂质 施主杂质施主杂质为半导体材料提供导电电子的杂质为半导体材料提供导电电子的杂质 受主杂质受主杂质对半导体材料提供导电空穴的杂质对半导体材料提供导电空穴的杂质第二种、按能级的深浅：第二种、按能级的深浅： 替位式杂质替位式杂质 间隙式杂质间隙式杂质第三种、按分布位置：第三种、按分布位置：Hunan University of Science and Technology浅能级杂质浅能级杂质1.1.浅施主杂质浅施主杂

8、质P P原子代替原子代替SiSi原子后，为半导体提供了一个原子后，为半导体提供了一个自由电子自由电子，称为，称为施主杂质施主杂质或或n n型杂质。型杂质。Hunan University of Science and Technology三、浅能级杂质三、浅能级杂质DE价电子脱离杂质原子成为自由电子的过程称为杂质电离，所需要的能价电子脱离杂质原子成为自由电子的过程称为杂质电离，所需要的能量称为杂质电离能量称为杂质电离能 。通常在通常在室温室温下，杂质可以下，杂质可以完全电离完全电离, ,电子浓度等于杂质浓度电子浓度等于杂质浓度。把主要依靠导带电子导电的半导体称为把主要依靠导带电子导电的半导体称

9、为n n型半导体型半导体。Hunan University of Science and Technology2.2.浅受主杂质浅受主杂质硼原子替代硼原子替代SiSi原子，硼在晶体中接受一个电子而产生原子，硼在晶体中接受一个电子而产生导电空穴导电空穴，为，为受主杂质受主杂质三、浅能级杂质三、浅能级杂质在在室温室温下，受主杂质完全电离，则下，受主杂质完全电离，则空穴浓度等于受主杂质浓度空穴浓度等于受主杂质浓度。把主要依靠空穴导电的半导体称为把主要依靠空穴导电的半导体称为P P型半导体型半导体。Hunan University of Science and Technology杂质的补偿作用杂质的

10、补偿作用1 1） ：有效杂质：有效杂质2 2） ：有效杂质：有效杂质3 3） : : 高度补偿高度补偿DANNDANNDANNDANNADNN半导体中同时存在施主杂质半导体中同时存在施主杂质N ND D和受主杂和受主杂质质N NA A时，施主和受主之间有相互抵消的时，施主和受主之间有相互抵消的作用，称为杂质的补偿作用。作用，称为杂质的补偿作用。Hunan University of Science and Technology深能级杂质深能级杂质 深能级杂质能多次电离，即产生多个能级；深能级杂质能多次电离，即产生多个能级； 有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级；有的杂质既能引入施主能级，

11、又能引入受主能级；特点：特点：III,V族以外的其它元素杂质掺入族以外的其它元素杂质掺入Si，Ge中都产生中都产生深能级深能级不容易电离，不容易电离，对半导体中的导电电子浓度，导电空穴对半导体中的导电电子浓度，导电空穴 浓度和材料的导电类型的影响较弱；浓度和材料的导电类型的影响较弱；对载流子的对载流子的复合作用复合作用的影响较大。的影响较大。Hunan University of Science and Technology小结小结浅能级杂质浅能级杂质为半导体材料提供导电载流子，为半导体材料提供导电载流子， 影响半导体的导电类型。影响半导体的导电类型。深能级杂质深能级杂质具有很强的复合作用具有

12、很强的复合作用缺陷缺陷 缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，在禁带中产生能级；缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，在禁带中产生能级； 缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用。缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用。SiSi，GeGe：施主掺杂剂：施主掺杂剂V V族元素；受主参杂剂：族元素；受主参杂剂：IIIIII族元素族元素GaAsGaAs：施主掺杂剂：施主掺杂剂IIII族元素；受主参杂剂：族元素；受主参杂剂：VIVI族元素族元素Hunan University of Science and Technology第3章 半导体中载流子的统计分布v 重要概念 状态密度；费米能级；费米

13、（玻尔兹曼）分布；本征半状态密度；费米能级；费米（玻尔兹曼）分布；本征半导体；（非）简并半导体；导体；（非）简并半导体；v 重要知识点 费米（玻尔兹曼）分布函数的形式与含义；费米（玻尔兹曼）分布函数的形式与含义； 热平衡时载流子浓度及其乘积的表达式；热平衡时载流子浓度及其乘积的表达式； 杂质半导体的载流子浓度（按不同温度范围）；杂质半导体的载流子浓度（按不同温度范围）； 杂质半导体费米能级随温度的变化（杂质半导体费米能级随温度的变化（n n型为例）；型为例）； 杂质半导体的电中性条件。杂质半导体的电中性条件。Hunan University of Science and Technology状

14、态密度状态密度 gv(E)与与(Ev-E)之间也呈之间也呈抛物线抛物线性关系性关系:* 3 21 23(2)( )4()nCmgEVEEch gc(E)与与(E-EC)之间有之间有抛物线抛物线性关系：性关系：*3 21 23(2)( )4(-)pvmgEVEv Eh能量越高，状态密度越大。能量越高，状态密度越大。Hunan University of Science and Technology费米分布函数和费米能级费米分布函数和费米能级01( )1 expFf EEEk TEF的位置比较直观的标志了电子占的位置比较直观的标志了电子占据量子态的状况，标志着电子填充能据量子态的状况，标志着电子填

15、充能级的水平。级的水平。Hunan University of Science and Technology玻耳兹曼分布函数玻耳兹曼分布函数导带中的电子服从玻耳兹曼分布函数导带中的电子服从玻耳兹曼分布函数E EF F位于禁带内，且与导带底或价带顶的距离远大于位于禁带内，且与导带底或价带顶的距离远大于koT非非简简并并半半导导体体价带中的空穴服从玻耳兹曼分布函数价带中的空穴服从玻耳兹曼分布函数Hunan University of Science and Technology能带中的载流子浓度能带中的载流子浓度00exp()CFCEEnNk T*3 2032(2 )nCm k TNh00exp(

16、)VFVEEpNk T*3 2032(2 )pVm k TNh热平衡状态下热平衡状态下非简并半导体非简并半导体的载流子浓度的载流子浓度n0、p0之积之积2000exp()giCVEnn pN Nk T当温度一定时，对确定的半导体材料，其值是一定的。当温度一定时，对确定的半导体材料，其值是一定的。Hunan University of Science and Technology半导体载流子浓度与费米能级半导体载流子浓度与费米能级EF位于禁带中线位于禁带中线 n0=p01 1、本征半导体、本征半导体2 2、杂质半导体、杂质半导体N-type：EFEi; n0p0 P-type：EFEi; n0N

17、D p0ND 同上中间电离导带电子从施主电离产生 p0=0 n0=弱电离导带电子从施主电离产生费米能级载流子浓度电中性条件特征Dn TkENNn0D21cD02exp2cD0DcF2ln22NNTkEEE2cFk0limDtEEE)(31,32DFD0DDEENnNnDFDcFDc22EEEEENN极限以下下降到DDNn D0Nn DFcD0cFlnEENNTkEE0D0pNnD2iD0NnNniD10iF2nNTshkEE00pn iFEE TkENNngVCi0212expHunan University of Science and Technology杂质半导体的费米能级杂质半导体的费

18、米能级在器件正常工作的温度范围内，在器件正常工作的温度范围内，n型半导体的型半导体的EF位于位于Ei 之上之上ED之下的禁带中。之下的禁带中。一定温度下，一定温度下，EF随随ND的增大而趋向的增大而趋向ED；掺杂一定时，掺杂一定时，EF随温度的升高而趋向随温度的升高而趋向Ei；Hunan University of Science and Technology简并半导体简并半导体简并半导体与非简并半导体的区别：简并半导体与非简并半导体的区别：Hunan University of Science and Technology非简并弱简并 T2kEEc T2kEEc0简并 0EEc0F0FF简并

19、化条件简并化条件发生简并化时的杂质浓度很高，发生简并化时的杂质浓度很高，重掺杂半导体重掺杂半导体。在室温下，简并半导体中的在室温下，简并半导体中的杂质只有很少一部分电离杂质只有很少一部分电离。Hunan University of Science and Technology第4章 半导体的导电性v 重要概念 漂移、迁移率、载流子散射、平均自由时间。漂移、迁移率、载流子散射、平均自由时间。v 重要知识点 漂移电流密度的表达式，电导率和迁移率的关系；漂移电流密度的表达式，电导率和迁移率的关系； 半导体的主要散射机构，散射概率和温度的关系；半导体的主要散射机构，散射概率和温度的关系； 载流子迁移率

20、的决定因素（杂质浓度、温度）；载流子迁移率的决定因素（杂质浓度、温度）； 杂质半导体电阻率随温度的变化关系；杂质半导体电阻率随温度的变化关系；Hunan University of Science and TechnologydvEnpnqpq电导率为：电导率为：反应载流子在电场中漂移运动的难易程度反应载流子在电场中漂移运动的难易程度在相同的外电场作用下：在相同的外电场作用下：pnJE欧姆定律的微分形式欧姆定律的微分形式它反映了通过导体中某一点的电流密度与该处它反映了通过导体中某一点的电流密度与该处的电场强度及材料的电导率之间的关系。的电场强度及材料的电导率之间的关系。Hunan Univer

21、sity of Science and Technology散射散射晶格周期性势场遭到破坏而存在附加势场。晶格周期性势场遭到破坏而存在附加势场。2 2、散射的原因、散射的原因3 3、主要散射机构、主要散射机构（1 1）电离杂质电离杂质（2 2）晶格振动晶格振动4 4、散射几率、散射几率单位时间内一个载流子受到散射的次数称为散射几率。单位时间内一个载流子受到散射的次数称为散射几率。散射几率大，受散射的程度就强。散射几率大，受散射的程度就强。1 1、散射的机理、散射的机理载流子发生不同状态（载流子发生不同状态（k）的跃迁。）的跃迁。Hunan University of Science and T

22、echnology电离杂质散射电离杂质散射23TNPiiNi=（ND+NA）Hunan University of Science and Technology晶格振动的散射晶格振动的散射 频率为频率为 的一个格波，其能量是量子化的，即：的一个格波，其能量是量子化的，即：iiii131h ,hnh222声子声子n 把格波的能量子称为声子。把格波的能量子称为声子。n 电子在晶格中被格波散射可以看作是电子与声子的相互作用，电子在晶格中被格波散射可以看作是电子与声子的相互作用，而且电子和声子的碰撞也遵守准动量守恒和能量守恒定律。而且电子和声子的碰撞也遵守准动量守恒和能量守恒定律。Hunan Univ

23、ersity of Science and Technology晶格振动的散射晶格振动的散射声学波散射声学波散射( (长纵声学波长纵声学波) )3 2sPT光学波散射（长纵光学波）光学波散射（长纵光学波）Hunan University of Science and Technology1Pn平均自由时间等于散射几率的倒数平均自由时间等于散射几率的倒数电子的迁移率电子的迁移率 空穴的迁移率为空穴的迁移率为 *nnnmq*pppmq32iiPNT3-12iiiN T电离杂质散射：电离杂质散射：32sPT32ssT声学波散射：声学波散射：迁移率与杂质浓度和温度的关系迁移率与杂质浓度和温度的关系Hu

24、nan University of Science and Technology迁移率与杂质浓度和温度的关系迁移率与杂质浓度和温度的关系321nqmAT32niqTmBN迁移率随温度的升高而减小。迁移率随温度的升高而减小。 迁移率随温度的升高而增大。迁移率随温度的升高而增大。 随温度的升高，迁移率减小。随温度的升高，迁移率减小。当当Ni较大，温度很高较大，温度很高II若若Ni较小较小II当当Ni较大，温度低较大，温度低I温度不变，温度不变，Ni增大增大I随随Ni的增大，迁移率减小。的增大，迁移率减小。I I：电离杂质散射为主：电离杂质散射为主IIII：晶格振动散射为主：晶格振动散射为主Huna

25、n University of Science and Technology电导率与温度的关系电导率与温度的关系1 1、本征材料、本征材料综合以上两者的作用：综合以上两者的作用：本征材料的电导率随温度升高而增大，电阻率减小。本征材料的电导率随温度升高而增大，电阻率减小。iinpnq1g2iCV0EnN Nexp2k T32Tni 随温度升高按指数规随温度升高按指数规律增大律增大迁移率随温度升高而缓迁移率随温度升高而缓慢减小慢减小Hunan University of Science and Technology电导率与温度的关系电导率与温度的关系nnnq2 2、杂质半导体、杂质半导体以以n型半

26、导体为例：型半导体为例：载流子来源载流子来源迁移率因素迁移率因素杂质电离杂质电离1 1本征激发本征激发2 2电离杂质散射电离杂质散射3 3晶格振动散射晶格振动散射4 4Hunan University of Science and Technology电场不太强时：电场不太强时： 半导体中的电流密度与外加电场之间的关系服欧姆定律半导体中的电流密度与外加电场之间的关系服欧姆定律电场较强时：电场较强时： J与与E不再满足正比关系，不再满足正比关系， 偏离了欧姆定律偏离了欧姆定律电场很强时：电场很强时： J达到了饱和，达到了饱和， 欧姆定律不成立欧姆定律不成立强场下欧姆定律的偏移强场下欧姆定律的偏移

27、JEdvEHunan University of Science and Technology第5章 非平衡载流子v 重要概念 非平衡载流子，注入、复合、寿命、陷阱效应、扩散运非平衡载流子，注入、复合、寿命、陷阱效应、扩散运动（系数）、扩散电流、爱因斯坦关系。动（系数）、扩散电流、爱因斯坦关系。v 重要知识点 非平衡载流子的寿命与其浓度的变化关系（例题）；非平衡载流子的寿命与其浓度的变化关系（例题）； 载流子复合的过程及能量释放方式；载流子复合的过程及能量释放方式； 有效复合中心、陷阱中心的能级位置；有效复合中心、陷阱中心的能级位置； 间接复合的四个微观过程；间接复合的四个微观过程； 载流子迁

28、移率和扩散系数的关系载流子迁移率和扩散系数的关系爱因斯坦关系；爱因斯坦关系； 扩散电流密度表达式；扩散电流密度表达式；Hunan University of Science and Technology热平衡态：热平衡态：非平衡态：非平衡态：无外界作用无外界作用有外界作用有外界作用有统一的费米能级有统一的费米能级无统一的费米能级（准费米能级）无统一的费米能级（准费米能级）有确定的载流子浓度有确定的载流子浓度: :n0、p000nnnppp200in pn2inpnHunan University of Science and Technology非平衡载流子的产生非平衡载流子的产生非平衡载流子

29、的产生非平衡载流子的产生注入注入( (injection) )光照使价带电子激发到导带产生电子光照使价带电子激发到导带产生电子-空穴对：空穴对：n= p光注入的条件：光注入的条件：ghE注入的程度：注入的程度：电注入：电注入：利用金属利用金属半导体接触或利用半导体接触或利用pn结的正向工作结的正向工作光注入：光注入：大注入：大注入：n n0 ， p p0或或 n n0， p n0 小注入：小注入：n0n ，但，但n p0 ，p p0 半导体物理主要研究小注入，此时非平衡少子更重要半导体物理主要研究小注入，此时非平衡少子更重要Hunan University of Science and Tec

30、hnology准费米能级准费米能级0cFncEEnN expk T0FpvvEEpN expk TFnFpFnFp200i00EEEEnpn p expn expk Tk T反映了系统偏离平衡态的程度反映了系统偏离平衡态的程度多子的准费米能级偏离多子的准费米能级偏离EF很小，很小，少子的准费米能级往往偏离少子的准费米能级往往偏离EF很大。很大。nFF00pFF00EEnexp()nk TEEpexp()pk THunan University of Science and Technology复合的分类复合的分类直接复合直接复合间接复合间接复合1 1、按复合过程（复合、按复合过程（复合跃迁方式跃迁方式）2 2、按复合过程发生的、按复合过程发生的位置位置体内复合体内复合表面复合表面复合3 3、按复合过程、按复合过程能量交换的方式能量交换的方式发射光子发射光子发射