半导体物理学复习

半导体物理学第1章半导体中的电子状态重要概念——金刚石结构；能带；有效质量；空穴；本征半导体；重要知识点——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；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。晶体中能带的形成相距很远时，相互作用忽略不计原子逐渐靠近，外层轨道发生电子的共有化运动——能级分裂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。晶体中能带的形成N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N个相距很近的能级，形成一个准连续的能带。半导体中电子的状态和能带

(a)E(k)~k关系(b)能带半导体中的电子自由电子有效质量有效质量引入有效质量这一概念的意义在于：有效质量概括了晶体内部势场对电子的作用，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。

1.带有正电荷(+q)，其电量等于电子电量；2.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；4.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。本征半导体的导电机构、空穴空穴的性质：把价带中空着的状态看成是带正电的粒子，称为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。本征半导体的导电机构:第2章半导体中杂质和缺陷能级重要概念——施主、受主杂质(能级)；杂质电离；浅(深)能级杂质；杂质补偿。重要知识点——施主、受主杂质（能级）类型的判断；n（p）型半导体的判断；浅能级、深能级杂质对半导体性质的影响；杂质补偿的意义。第一种、按对载流子的贡献：杂质的类型①浅能级杂质②深能级杂质①施主杂质——为半导体材料提供导电电子的杂质②受主杂质——对半导体材料提供导电空穴的杂质第二种、按能级的深浅：①替位式杂质②间隙式杂质第三种、按分布位置：浅能级杂质1.浅施主杂质P原子代替Si原子后，为半导体提供了一个自由电子，称为施主杂质或n型杂质。三、浅能级杂质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。通常在室温下，杂质可以完全电离,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n型半导体。2.浅受主杂质硼原子替代Si原子，硼在晶体中接受一个电子而产生导电空穴，为受主杂质三、浅能级杂质在室温下，受主杂质完全电离，则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P型半导体。杂质的补偿作用1）：有效杂质2）：有效杂质3）:高度补偿半导体中同时存在施主杂质ND和受主杂质NA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。意义？深能级杂质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；特点：III,V族以外的其它元素杂质掺入Si，Ge中都产生深能级不容易电离，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；对载流子的复合作用的影响较大。小结浅能级杂质——为半导体材料提供导电载流子，影响半导体的导电类型。深能级杂质——具有很强的复合作用缺陷

缺陷处晶格畸变，周期性势场被破坏，在禁带中产生能级；缺陷能级大多为深能级，在半导体中起复合中心作用。Si，Ge：施主掺杂剂V族元素；受主参杂剂：III族元素GaAs：施主掺杂剂II族元素；受主参杂剂：VI族元素第3章半导体中载流子的统计分布重要概念——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；重要知识点——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；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（n型为例）；杂质半导体的电中性条件。状态密度gv(E)与(Ev-E)之间也呈抛物线性关系:

gc(E)与(E-EC)之间有抛物线性关系：能量越高，状态密度越大。费米分布函数和费米能级EF的位置比较直观的标志了电子占据量子态的状况，标志着电子填充能级的水平。玻耳兹曼分布函数导带中的电子服从玻耳兹曼分布函数EF位于禁带内，且与导带底或价带顶的距离远大于koT非简并半导体价带中的空穴服从玻耳兹曼分布函数能带中的载流子浓度热平衡状态下非简并半导体的载流子浓度n0、p0之积当温度一定时，对确定的半导体材料，其值是一定的。半导体载流子浓度与费米能级EF位于禁带中线n0=p01、本征半导体2、杂质半导体N-type：EF>Ei;n0>p0

P-type：EF<Ei;n0<p0N-type：随着掺杂浓度的增加，EF向EC靠近；p-type：随着掺杂浓度的增加，EF向EV靠近。电中性方程1、本征半导体：2、只有施主的n型半导体：3、只有受主的p型半导体：4、同时有施主和受主的半导体：电中性条件本征半导体本征半导体的载流子浓度与半导体本身的能带结构和温度有关。杂质态上电子和空穴的分布规律施主能级上未电离的施主杂质浓度（施主能级上的电子浓度）为电离施主杂质浓度为过渡区导带电子来源于全部杂质电离和部分本征激发

强电离（饱和）导带电子浓度等于施主浓度高温本征激发区

n0>>ND

p0>>ND

同上中间电离导带电子从施主电离产生

p0=0n0=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杂质半导体的费米能级①在器件正常工作的温度范围内，n型半导体的EF位于Ei

之上ED之下的禁带中。②一定温度下，EF随ND的增大而趋向ED；③掺杂一定时，EF随温度的升高而趋向Ei；简并半导体简并半导体与非简并半导体的区别：非简并杂质浓度适中EF位于禁带内，且与EV，EC的距离较远玻耳兹曼分布简并杂质浓度很高EF接近EV、EC，甚至进入导带或价带费米分布简并化条件发生简并化时的杂质浓度很高，重掺杂半导体。在室温下，简并半导体中的杂质只有很少一部分电离。第4章半导体的导电性重要概念——漂移、迁移率、载流子散射、平均自由时间。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；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；电导率为：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：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的电场强度及材料的电导率之间的关系。散射晶格周期性势场遭到破坏而存在附加势场。2、散射的原因3、主要散射机构（1）电离杂质（2）晶格振动4、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。1、散射的机理载流子发生不同状态（k）的跃迁。电离杂质散射Ni=（ND+NA）晶格振动的散射频率为的一个格波，其能量是量子化的，即：声子把格波的能量子称为声子。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。晶格振动的散射声学波散射(长纵声学波)光学波散射（长纵光学波）平均自由时间等于散射几率的倒数电子的迁移率空穴的迁移率为电离杂质散射：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迁移率随温度的升高而减小。迁移率随温度的升高而增大。随温度的升高，迁移率减小。③当Ni较大，温度很高——II①若Ni较小——II②当Ni较大，温度低——I④温度不变，Ni增大——I随Ni的增大，迁移率减小。I：电离杂质散射为主II：晶格振动散射为主电导率与温度的关系1、本征材料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。ni

随温度升高按指数规律增大迁移率随温度升高而缓慢减小电导率与温度的关系2、杂质半导体以n型半导体为例：载流子来源迁移率因素杂质电离1本征激发2电离杂质散射3晶格振动散射4载流子变化迁移率变化1234AB（低温）随T增加忽略随T增加忽略BC（室温）全电离次要次要随T减小CD（高温）次要随T增加次要次要电场不太强时：半导体中的电流密度与外加电场之间的关系服欧姆定律电场较强时：J与E不再满足正比关系，偏离了欧姆定律电场很强时：J达到了饱和，欧姆定律不成立强场下欧姆定律的偏移第5章非平衡载流子重要概念——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。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）；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；间接复合的四个微观过程；载流子迁移率和扩散系数的关系—爱因斯坦关系；扩散电流密度表达式；热平衡态：非平衡态：无外界作用有外界作用有统一的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:n0、p0非平衡载流子的产生非平衡载流子的产生——注入(injection)光照使价带电子激发到导带产生电子-空穴对：Δn=Δp光注入的条件：注入的程度：电注入：利用金属—半导体接触或利用pn结的正向工作光注入：大注入：Δn~n0

，Δp~p0或Δn>n0，Δp>n0

小注入：n0>>Δn

，但Δn>>p0

，Δp>>p0

半导体物理主要研究小注入，此时非平衡少子更重要准费米能级反映了系统偏离平衡态的程度多子的准费米能级偏离EF很小，少子的准费米能级往往偏离EF很大。复合的分类直接复合间接复合1、按复合过程（复合跃迁方式）2、按复合过程发生的位置体内复合表面复合3、按复合过程能量交换的方式发射光子发射声子给予其他载流子（俄歇复合）间接复合甲、电子俘获；丙、空穴俘获；乙、电子激发；丁、空穴激发；间接复合的四个基本过程：陷阱杂质能级（深能级）积累非平衡载流子的作用称为