半导体物理知识归纳

半导体物理知识归纳1.半导体的晶格结构和能带1.1我们需要明确晶格的概念以及晶格的周期性。1.2我们需要知道什么是金刚石结构？金刚石结构就是两个面心立方沿空间对角线各自平移四分之一套构而成。常见的硅、锗均是金刚石结构的。再有金刚石结构的布拉伐格子是面心立方。知道了金刚石结构是什么样，也就不难理解砷化镓的闪锌矿结构。闪锌矿结构是两种不同原子构成的面心立方沿空间对角线平移四分之一套构而成。1.3能带需要从布里渊区的角度去理解能带的形成，其次需要知道半导体常见的导带、价带、禁带的概念以及电子处于不同的能量状态时对应的真实状态。1.4电子和空穴电子的概念非常好理解，从初中物理就开始引入。但是空穴的概念却有点抽象，概要的说，当电子从价带跃迁到导带，全满的价带便形成空位，引入空穴的概念，将价带大量电子的运动问题转化为少量空穴的问题，从而大大有利于问题的求解与分析。1.5有效质量质量的概念非常好理解，但是什么是有效质量呢？载流子在半导体中运动时，不仅仅会受到外加电场的影响，同时还会受到半导体内部的周期性势场的作用以及其他电子的作用，所以有效质量将载流子受到的半导体内部势场的作用包括进来，在研究外力作用下载流子的运动时，可以直接考虑外力而将内部势场的作用代入有效质量中，同时有效质量可以通过实验求得。1.6常考的概念硅是间接带隙半导体，砷化镓是直接带隙半导体，硅和砷化镓的解理面的区别等。2.杂质和缺陷能级首先需要理解半导体中杂质的概念？凡是和半导体固有原子不同的原子均称为杂质，杂质又分为替位式杂质和间隙式杂质，只有替位式杂质才能够激活，起到改变半导体的导电类型和电阻率的作用。杂质对电子或空穴的束缚的能量状态对应于施主能级和受主能级，掺杂了施主杂质的半导体称为N型半导体，掺杂了受主杂质的半导体称为P型半导体，其对应的多数载流子和少数载流子亦是不同的。同时需要理解浅能级杂质和深能级杂质的概念以及掺入这两种杂质的作用。3.半导体中载流子的统计分布3.1状态密度（g(E))首先需要明确状态密度的概念，其次再去理解：从而得出求解半导体中载流子浓度的一般方法。具体解读就是载流子的状态密度和状态密度被载流子占据概率的乘积，然后将结果在一定的能量范围进行积分，即可得出半导体中的载流子浓度。这也是本部分的核心概念。3.2费米能级和载流子的统计分布（f(E))费米分布函数是：在特定的温度下，载流子占据能量状态E的概率。当对费米函数进行近似的时候，引入了玻尔兹曼函数。在此基础上，通过一系列的推导，得出了价带的空穴浓度的计算公式、导带电子浓度的计算公式。3.3本征半导体的载流子浓度首先需要明确本征半导体的概念：没有任何掺杂和缺陷的半导体称为本征半导体。在本征半导体中，导带上的电子来源于价带中电子的激发，所以本征半导体的电子浓度等于空穴浓度，这也是和杂质半导体最大的区别。3.4杂质半导体的载流子浓度掺杂有杂质的半导体称为杂质半导体。由于室温下，杂质几乎完全电离，载流子的浓度几乎等于杂质浓度。当温度继续升高之后，杂质半导体开始本征激发，载流子浓度大幅升高，电子浓度近似于等于空穴浓度。费米能级逐渐接近于本征费米能级。此处经常会考察杂质半导体多数载流子浓度随温度的变化曲线、费米能级随温度的变化曲线。3.5简并半导体一般简并半导体和非简并半导体是一个小考点。简并半导体是掺杂浓度比较高、费米能级接近或进入导带和价带、适用于费米分布函数的半导体。非简并半导体与之相对应，是杂质浓度比较低，费米能级远离导带和价带，适用于玻尔兹曼分布函数的情况。4.半导体的导电性4.1载流子的漂移运动和迁移率载流子在电场下的运动成为漂移运动。迁移率指的是载流子在单位场强下的运动速度，表征了载流子在半导体中迁移运动能力的大小。4.2载流子的散射载流子的散射主要分为电离杂质散射和晶格振动散射。电离杂质散射指的是半导体中电离杂质产生的电场对载流子运动造成的影响。杂质浓度越高，电离杂质散射的作用就越强；温度越高，电离杂质散射的作用越弱。晶格振动散射指的是晶格位置上的原子热震动对载流子运动造成的影响。温度越高，晶格振动越剧烈，散射作用越强。由此可见，总的散射作用应该是电离杂质散射和晶格散射作用的综合效果，主要的影响因素是温度和杂志浓度。4.3迁移率与杂质浓度和温度的关系这个公式很关键，推导起来也很简单，一目了然，哈哈，不再多说。4.4电阻率与杂质浓度和温度的关系以N型半导体为例：再结合迁移率的公式，也是soeasy，不再多说。5.非平衡载流子5.1非平衡载流子的产生与复合首先需要明白以下几个概念：平衡态：简而言之，就是半导体处于热平衡的状态。热平衡状态的比较重要的特征之一就是，载流子的浓度保持不变。知道了平衡态的概念，非平衡状态就很好理解了。非平衡载流子：半导体处于非平衡状态时的载流子浓度多于平衡态的载流子浓度的那部分，就是非平衡载流子。产生：非平衡载流子的产生可以通过外加电场、光照、加热等一系列措施，使半导体处于非平衡状态，从而产生非平衡载流子。复合：非平衡载流子的复合指的是在某种作用下产生的非平衡多子和非平衡少子通过复合，使得半导体回复平衡状态的作用。5.2非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命可以类比人的寿命，从降生到这个世界，到逝去的那一段时间是人的寿命；非平衡载流子的寿命就是非平衡载流子从产生到复合的时间。5.3准费米能级在半导体处于非平衡状态时，半导体的导带和价带各自拥有自己的费米能级，这时的费米能级成为准费米能级。5.4复合理论半导体的复合根据机理的不同，主要分为：直接复合、间接复合、俄歇复合、表面复合、体内复合等，一般考试只是考察相关的概念，不太会考察相应复合机理寿命公式的推导。5.5载流子扩散方程载流子由于浓度梯度的原因，导致载流子发生运动的形式，成为扩散运动。此处引入扩散方程：之所以在公式前面有负号，是表示从浓度高的地方向浓度低的地方扩散，很好理解。至于D则为扩散系数，扩散系数有一个常考的点就是如下的爱因斯坦方程：之所以说爱因斯坦方程重要，是因为它将扩散系数与迁移率联系到一起，从而在某种程度上说明了扩散运动和漂移运动之间的关系。另外一个小考点就是双极运动，理解概念，推导一般考试不作要求，太难。5.6连续性方程连续性方程是这一部分的重中之重，好多计算题会从这里引申出来，最好掌握推导过程，建议详细看刘恩科老师的书。空穴的连续性方程：电子的连续性方程的推导与空穴类似，不再赘述。6.PN结6.1热平衡状态下的PN结热平衡转状态的PN结指的是不加偏置电压状态下的PN结，主要在此状态下分析PN结的形成及内部的各种载流子运动、能带状态等，重点理解掌握以下要点：•p-n结定义及形成•p-n结的空间电荷区及自建电场•p-n结的能带图•空间电荷区中的电场、电位分布•p-n结接触电势差•p-n结载流子分布6.2直流偏置状态下的PN结PN结的主要应用场景就是在外加电压下工作，所以必定要引入对直流偏置状态在PN的各种特性的分析，重点理解掌握以下要点，尤其是肖克来方程，不仅考试会考，保研（考研）面试的时候，也有可能会问到相关的内容：•非平衡状态下的p-n结•理想p-n结电流电压方程•影响p-n结电流电压特性偏离理想电流电压方程的因素6.3PN结的电容首先需要明白什么是电容效应？突然一问这个，很多人都会一愣，都知道电容是什么，怎么用，但是又该怎么描述呢？外加电压变化时，极板上的电荷也随之变化的效应成为电容效应。PN结的电容主要分为势垒电容、扩散电容，理解掌握概念即可。6.4PN结的击穿PN结在外加反向电压达到一定程度时，会发生击穿。根据击穿机理的不同，分为雪崩击穿、隧道击穿。值得注意的一点是，雪崩击穿电压具有正温度系数，隧道击穿电压具有负温度系数。建议学到此处，顺道掌握隧道效应的概念，说不定复试的时候就会用到哦。7.MOS当今的集成电路大多应用CMOS作为基本单元，具体原因可以参考集成电路设计课程，所以本章也是非常之重要的。建议着重理解并掌握以下