半导体物理笔记

1原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同？原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同？孤立原子中的电子形成所谓的电子壳层；晶体中的电子受周期型排列且固定不动的原子核势场和其它大量电子的平均势场的作用，在晶体中做共有化运动。共有化运动的产生是由于不同原子的相似壳层间的交叠，原子中内层电子受原子核的束缚作用大，其电子壳层的交叠程度低，因此共有化运动较弱；原子外层电子受原子核束缚小，电子壳层的交叠程度高，因此共有化运动强。2为什么要引入“有效质量”的概念？有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。它概括了周期性势场对载流子运动的影响，从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式半导体中的电子即使在没有外加电场作用时，它也要受到半导体内部原子及其它电子的势场作用。引进有效质量的意义在于它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运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。特别是可以直接由实验测定，因而可以很方便地解决电子的运动规律。3用电子的惯性质量m0描述能带中电子运动有何局限性？若采用电子的惯性质量，需考虑半导体内部原子、电子势场的相互作用，对于如此复杂的多体问题，要找出内部势场的具体形式并且求得外场作用下电子的加速度就非常困难，不方便对电子运动规律进行描述4从能带底到能带顶，晶体中电子的有效质量将如何变化？外场对电子的作用效果有什么不同？参考答案：电子有效质量：mn*=h2/(d2E/dk2)外场作用下电子受到的力：/=-qE=h(dk/dt)外场作用下电子的速度和加速度：v=hk/mn*,a=f/mn*能带底附近有效质量为正；能带顶附近有效质量为负；能带底附近，f与波失k方向相同时，电子向k正方向迁移，速度不断增大；f与波失k方向相反时，电子向k负方向迁移，速度不断减小。能带顶附近，f与波失k方向相同时，电子向k正方向迁移，速度不断降低；f与波失k方向相反时，电子向k负方向迁移，速度不断增大。5一般来说，对应于高能级的能带较宽，而禁带较窄，是否如此？为什么能级较高的电子受原子核的束缚作用较弱，其共有化运动强，能带较宽禁带宽度就与原子间的成键特性和晶体结构密切相关6晶体体积的大小对能级和能带有什么影响？当体积较大时影响不大，当体积较小时带隙宽化效应；而且对于小体积的晶体，周期性边界条件不再适合，因此能带结构会发生变化第二章极其微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理性质和化学性质产生决定性的影响原因：严格按周期排列的原子所产生的周期性势场受到破坏V族元素杂质在硅、错中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心。称为施主杂质或n型杂质多余电子脱离杂质原子成为导电电子的过程称为杂质电离使这个多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂质电离能，用Ag表示III族元素杂质在硅、错中能接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心。称为受主杂质或p型杂质。假如在半导体材料中，同时存在着施主和受主杂质，该如何判断半导体究竟是N型还是P型？应该比较两者浓度的大小，由浓度大的杂质来决定半导体的导电类型施主能级距离导带底较远，产生的受主能级距离价带顶也较远。称为深能级深能级杂质特点：-不容易电离，对载流子浓度影响不大；-一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级也产生受主能级。-能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低。简并半导体：电子或空穴的浓度大于有效状态密度，费米能级位于导带中（n型）或价带（p型）的半导体。非简并半导体：掺入少量的施主或受主杂质，使施主或受主能级分立，无相互作用的半导体。等电子杂质占据本征原子位置，吸引一个导带电子（空穴）而变成负（正）离子，电子陷阱（N）既可以作施主又可以作受主，这种杂质称为两性杂质GaAs中掺Si第三章载流子：半导体中能够参与导电的粒子：导带电子、价带空穴。能量间隔^E内有多少允许电子存在的量子态一一状态密度导带和价带准连续，定义单位能量间隔内的量子态数为状态密度热平衡态：是在一定的温度下，载流子的两种相反过程（产生和复合）建立起的动态平衡，动态平衡建立后载流子浓度恒定通常将服从玻耳兹曼统计规律的半导体称为非简并半导体;而将服从费米统计分布规律的半导体称简并半导体。＞本征半导体：不含有任何杂质和缺陷。＞本征激发：导带电子唯一来源于成对地产生电子一空穴对，因此导带电子浓度就等于价带空穴浓度。＞影响载流子浓度的杂质一一浅能级杂质（施主、受主）＞本征半导体的电中性条件是qp『qn0=°艮口俨。f(E)•T>0:•f(E)<1/2f^E>EFff^.f(E)=1/2,〃E=EF时•f(E)>1/2,当EvEf时-在外场作用下，半导体中电子（空穴）要逆（顺）电场方向作定向运动，这种运动称为漂移运动描述半导体导电性的微观式：J=bE=Vnq|L1+pq日E-在外场作用下，半导体中电子（空穴）要逆（顺）电场方向作定向运动，这种运动称为漂移运动。

-较大的电子迁移率主要是由于电子较小的有效质量所引起的。-低温和重掺杂时，电离杂质散射主要；高温和低掺杂时，晶格振动散射为主要的。电导率：描述半导体导电性能的基本物理量。电导率越大，导电性能越好。TOC\o"1-5"\h\z半导体的电不： )(5=qki|Li+p|Li/n p11P= = <b _+p[l~)\o"CurrentDocument"n p本佃第五章：非平衡载流子的产生(光照下非平衡载流子的注入)由于非平衡少子的影响更重要，通常所说的非平衡载流子都指非平衡少数载流子CO CO nqyc+pq0n0p=b+Acop|LL+Ap^|Lln p光电导实验结果，t=0时刻加恒定光照，随时间的变化:历的时间。+g=历的时间。+g=0『稳态非平衡载流子的复合浓度稳定的非平衡载流子的建立与消失都有一个过程，这个过程称为光电导的弛豫过程非平衡载流子的平均生存时间称非平衡载流子的寿命，用表示载流子寿命一-虑撤去光照后非平衡载流子消失过程数值上，寿命标志非平衡载流子浓度减小到初始值的Ap净复合率(U)=复合率(R)-产生率(G)直接复合：电子直接从导带回到价带，并与价带的空穴复合直接产生：电子直接从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对杂质能级上积累非平衡载流子作用称为陷阱效应dp 〜pC) dpQ dEC)Apdt二DpkfEw—叩言—亍+gp连续性方程一一扩散与漂移运动同时存在，综合各种因素的影响时，少数载流子所遵守的运动；d2p(x) dpXdEX气*wr—KE■

Ap*Ap*dt'复合间接复合：非平衡载流子通过复合中心的复合表面复合一-半导体表面发生的复合过程•爱因斯坦•爱因斯坦关系，扩散系数和迁移率之间的关系俄歇复合：导带电子与价带空穴发生跃迁复合时，不是通过辐射光子或声子的方式释放能量，而是通过碰撞将多余的能量传递给导带中其他电子，使其获得较高的动能，获得较高动能的电子通过与晶格的连续散射方式（不断放出声子）逐渐释放其较高的动能的过程第十章这种在光照下光电导率逐渐上升和光照停止后光电导率逐渐下降的现象，称为光电导的弛豫现象本征吸收（光子能量大于禁带宽度）适当波长的光照射非均匀半导体，可以检测出光生电流，或者得到光生电压。这种由内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。塞贝克效应，产生的温差电动势也称为塞贝克电动势：接触电势是与温度成正比的。显然A、B两端温度相同时，匕=勺，此时整个回路的电势差因两者相互抵消而为。。若A端温度为T，B端温度为T0+4T，则回路的总电势差应为%%回路中有电流流过霍尔效应：载流子的定向运动是外加电场引起的，两种