半导体物理复习资料(修订版)

半导体物理复习资料(修订版)总结：王钊 -PAGE6- 和谐无机和美三班欢迎提出宝贵意见半导体物理复习资料(修订版)写在前面的话：根据金老师的最新答疑课程，对上一版的复习资料进行修订与完善，仅供参考，具体内容请以教材为准。所涉及的知识是根据第七版《半导体物理学》标注的，与第四版的有所不同。第一章半导体中的电子状态1.导体、半导体、绝缘体的划分：Ⅰ导体内部存在部分充满的能带，在电场作用下形成电流；Ⅱ绝缘体内部不存在部分充满的能带，在电场作用下无电流产生；Ⅲ半导体的价带是完全充满的，但与之上面靠近的能带间的能隙很小，电子易被激发到上面的能带，使这两个能带都变成部分充满，使固体导电。2.电子的有效质量是，空穴的有效质量是；，电量等值反号，波矢与电子相同能带底电子的有效质量是正值，能带顶电子的有效质量是负值。能带底空穴的有效质量是负值，能带顶空穴的有效质量是正值。3.半导体中电子所受的外力的计算。4.引进有效质量的意义：概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用。第二章半导体中杂质和缺陷能级1.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ED；施主能级很接近于导带底；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EA；受主能级很接近于价带顶。施主能级图受主能级图2.浅能级杂质：杂质的电离能远小于本征半导体禁带宽度的杂质，电离后向相应的能带提供电子或空穴。深能级杂质：能级位于禁带中央位置附近，距离相应允带差值较大。深能级杂质起复合中心、陷阱作用；浅能级杂质起施主、受主作用。3.杂质的补偿作用：半导体中同时含有施主和受主杂质，施主和受主先相互抵消，剩余的杂质发生电离。在Ⅲ-Ⅴ族半导体中(Ga-As)掺入Ⅳ族杂质原子(Si)，Si为两性杂质，既可作施主，亦可作受主。设，；则由，可得p值；①时，近似认为本征半导体，；②时，本征电导；时，杂质能级靠近导带底；第三章半导体中载流子的统计分布1.费米分布函数(简并半导体)(本征)；(杂质)；玻尔兹曼分布函数(非简并半导体)；2.费米能级：；系统处于热平衡状态，也不对外界做功的情况下，系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化，等于系统的化学势，也就是等于系统的费米能级。费米能级的位置：本征半导体的费米能级位于本征能级(禁带宽度的一半)上，根据杂质离子的不同，费米能级的位置有所不同；3.由得到本征半导体载流子浓度乘积：；4.n型杂质半导体在低温弱电离区的费米能级的推导：低温下，导带中的电子全部由电离施主杂质提供，此时p0=0，，故电中性条件：；由得：，因此：；取对数并化简得：；它与温度、杂质浓度以及掺入何种杂质原子有关。在低温极限T→0K时，；故；即在低温极限T→0K时，费米能级位于导带底和施主能级间的中线处。此外，还需会计算相关电子浓度，及费米能级的位置等。5.有一半导体，，；已知：，；解：①，故半导体1为p型半导体；，故半导体2为本征半导体；②已知：；；，求的关系(费米能级相对本征能级的位置)。第四章半导体的导电性1.载流子散射的概念：所谓自由载流子，实际上只在两次散射之间才真正是自由运动的，其连续两次散射间自由运动的平均路程称为平均自由程，而平均时间称为平均自由时间。2.半导体的主要散射机构：Ⅰ电离杂质的散射；Ⅱ晶格振动的散射：①声学波散射；②光学波散射；Ⅲ其他因素引起的散射：①等同的能谷间散射；②中性杂质散射；③位错散射；④合金散射；3.平均自由时间与散射概率之间关系式的推导：设有N个电子以速度v沿某方向运动，N(t)表示在t时刻尚未遭到散射的电子数，按散射概率的定义，在t到（t+Δt）时间内被散射的电子数为；∴∴；解微分方程：；其中N0是t=0时未遭散射的电子数；∴t到（t+Δt）时间内被散射的电子数为；∴平均自由时间；等于散射概率的倒数。4.电阻率与温度的关系曲线：AB段：温度很低，本征激发可忽略，载流子主要由杂质电离提供，它随温度升高而增加；散射主要由电离杂质决定，迁移率也随温度升高而增大，所以，电阻率随温度升高而下降。BC段：温度继续升高，杂质已全部电离，本征激发还不十分显著，载流子基本上不随温度变化，晶格振动散射上升为主要矛盾，迁移率随温度升高而降低，所以，电阻率随温度升高而增大。C段：温度继续升高，本证激发很快增加，大量本征载流子的产生远远超过迁移率减小对电阻率的影响，这时，本证激发成为矛盾的主要方面，杂质半导体的电阻率将随温度的升高而急剧地下降，表现出同本征半导体相似的特征。电阻率与温度关系曲线曲线趋势原因载流子浓度变化AB段下降趋势杂质激发载流子浓度增加BC段上升趋势晶格散射载流子浓度不变C段下降趋势半导体本征激发第五章非平衡载流子1.非平衡载流子的寿命：是指非平衡载流子的平均生存时间，用τ表示；2.非平衡载流子的寿命的推导：假定一束光在一块n型半导体内部均匀地产生非平衡载流子和，在t=0时，光照突然停止，的变化应等于非平衡载流子的复合率：；小注入时，是一恒量，与无关，上述微分方程的通解为：；当t=0时，，得，则；非平衡载流子的复合率：通常把单位时间单位体积内净复合消失的电子-空穴对数。3.推导在小注入条件下，当温度和掺杂一定时，寿命是一个常数：。热平衡时，产生率等于复合率，n=n0，p=p0；此时；∴非平衡载流子的直接净复合率；由，，得：；∴非平衡载流子的寿命小注入条件下，即，；n型材料，即，当时，4.深能级的最有效位置是禁带的中央；5.俄歇复合：载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子-空穴复合是，把多余的能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量以声子形式放出，这种复合称为俄歇复合。6.陷阱效应：杂质能级积累非平衡载流子的作用称为陷阱效应；把具有显著陷阱效应的杂质能级称为陷阱；把相应的杂质和缺陷称为陷阱中心。最有效的深能级在费米能级上；7.漂移运动的作用场是电场——迁移率；扩散运动的作用场是浓度场——扩散系数；迁移率与散射有关；8.爱因斯坦方程的推导：一块处于热平衡状态的非均匀的n型半导体，其中施主杂质浓度随x增加而下降，电子和空穴浓度都是x的函数，设为n0(x)，p0(x)；由于浓度梯度的存在，必然引起载流子沿x方向的扩散，电子扩散产生的电流密度为，空穴扩散产生的电流密度为；半导体内的静电场又产生漂移电流：，；热平衡条件下：，；；又，；求导得：；(对电子)；(对空穴)第六章p-n结1.p-n结的能带图：n、p型半导体的能带平衡状态p-n结能带图2.外加正向偏压时p-n结势垒的变化:3.p-n结中载流子及电流的运动形式：电子的扩散运动方向←空穴的扩散运动方向→电子的漂移运动方向→空穴的漂移运动方向←扩散电流方向→漂移电流方向←第十章半导体的光学性质和光电与发光现象1.直接跃迁：为了满足选择定则，以使电子在跃迁过程中波矢保持不变，则原来在价带中状态A的电子只能跃迁到导带中的状态B。A与B在E(k)曲线上位于同一垂线上，这种跃迁称为直接跃迁；间接跃迁：除了吸收光子外还与晶格交换能量的非直接跃迁，也称间接跃迁。4.光生伏特效应：由内建场引起的光电效应；p-n结能带图：无光照光照激发6.半导体发光：电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子的现象；场致发光(电致发光)：是由电流(电场)激发载流子，是电能直接转变为光能的过程。7.内部量子效率：单位时间内辐射复合产生的光子数与单位时间内注入的电子-