半导体物理-复习(刘恩科)

半导体物理复习课第一章半导体中的电子状态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只有外层电子共有化运动最显著能级分裂能带形成满带或价带导带本征激发常用禁带宽度硅：1.12eV锗：0.67eV砷化镓：1.43eV半导体中电子状态和能带晶体中的电子VS自由电子Difference?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，这个势场也是周期变化的，并且它的周期与晶格周期相同。半导体中的电子运动半导体中E(k)与k的关系电子速度与能量关系电子有效质量有效质量的意义：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空穴正电有效质量为正回旋共振等能面电子有效质量可测小结共有化运动Si的能带分布图本征激发电子有效质量的意义半导体中的杂质所处位置不同：替位式杂质、间隙式杂质所处能级不同：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杂质补偿作用ND≈NA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离子性强的化合物半导体（M,X）小结施主杂质——施主能级受主杂质——受主能级杂质补偿深能级（复合中心）缺陷及所对应的施主/受主作用第三章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状态密度状态密度：能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数。状态密度的计算：为简单起见，考虑等能面为球面的情况费米能级与分布函数费米分布函数：（描述热平衡状态下，电子在允许的量子态上如何分布）T=0K时，若E<EF，则f(E)=1若E>EF，则f(E)=0标志了电子填充能级的水平E-EF>>k0T？玻尔兹曼分布函数条件：E-EF>>k0T费米统计分布：受到泡利不相容原理限制玻尔兹曼分布：泡利原理不起作用导带电子浓度能量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n0V载流子浓度是与温度、杂质数量及种类有关的量载流子浓度乘积n0p0与费米能级无关只决定与温度T，与所含杂质无关适用于热平衡状态下的任何半导体温度一定，n0p0一定Nc：导带有效状态密度Nv：价带有效状态密度本征半导体电中性条件杂质半导体中的载流子浓度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只含一种杂质的半导体N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弱电离饱和电离lnn本征区饱和区杂质电离区图4.5N型半导体中电子浓度随温度的变化ET0图4.6费米能级随温度的变化有杂质补偿的半导体在Nd>Na的半导体中在Na>Nd的P型半导体中Na=Nd的半导体中完全补偿的半导体N型半导体(Nd>Na)杂质电离情况下：Nd>Na，则受主完全电离，pa=0

由于本征激发可以忽略，则电中性条件为低温区电离情况在更低的温度下杂质饱和电离情况简并半导体：属于非简并；：属于弱简并；：属于简并．禁带变窄冻析效应第四章半导体的导电性漂移运动：电子在电场力作用下的运动迁移率：单位场强下电子的平均漂移速度电导率电流密度散射及散射机构平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程散射机构（1）电离杂质散射（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、位错散射长纵声学波在长声学波中起主要作用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，晶格振动散射上升为主要矛盾本征激发成为主要矛盾强电场效应现象：偏离欧姆定律解释：从载流子与晶格振动散射时的能量交换过程来说明第五章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。准费米能级当半导体处于非平衡状态，不再具有统一的费米能级，引入准费米能级非平衡态下电子浓度：非平衡态下空穴浓度：复合理论直接复合电子在导带和价带之间的直接跃迁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过程前过程后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爱因斯坦关系式(意义，推导)从理论上找到扩散系数和迁移率之间的定量关系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第五章p-n结第五章p-n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p-n结接触电势差VDVD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越高，接触电势差VD越大；