广工 半导体物理与器件总复习1

半导体物理与器件复习11.1半导体的晶格结构和结合性质金刚石晶体结构和共价键

Si：a=5.43A;Ge:a=5.66A;-SiC:a=4.35A，金刚石

a=3.567A

每一个Si(或Ge)原子有四个近邻原子，构成四个共价键。Ⅲ-Ⅴ族和大部分Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体属于闪锌矿结构金刚石结构 闪锌矿结构第一章一、基本概念1.能带，允带，禁带，K空间的能带图能带:在晶体中可以容纳电子的一系列能级允带：分裂的每一个能带都称为允带。禁带：晶体中不可以容纳电子的一系列能级K空间的能带图：晶体中的电子能量随电子波矢k的变化曲线，即E（K）关系。E-K关系图E-K关系图的简约布里渊区能带形成的定量化关系2、半导体的导带，价带和禁带宽度价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带导带：

0K条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：导带底与价带顶之间能带禁带宽度：导带底与价带顶之间的能量差导带价带Eg3.电子的有效质量

（1）

晶体中的电子在外加电场作用下，电子除受外电场的作用力，还受到内部原子核和其它电子的作用力，但内部势场的作用力难以精确确定。电子的有效质量将晶体导带中电子的加速度与外加作用力联系起来，电子有效质量概括了晶体中内部势场对电子的作用力。这样仍能用经典力学的方法来描述晶体中电子运动规律。即：叫做电子的有效质量，因为具有质量的量纲，但不同于电子的惯性质量m0因为导带底部E(k)有极小值，所以导带底电子的有效质量为正值。因为价带顶顶部E(k)有极大值，所以价带顶电子的有效质量为负值：

有效质量：与E(k)曲线的曲率半径成正比讨论题

图1所示E-k关系曲线表示出了两种可能的导带，则导带，（B带）对应的电子有效质量较大图2所示的E-k关系曲线表示出了两种可能的价带，则价带（B带）对应的空穴有效质量大。图1图2

4.空穴：空穴是几乎被电子填满的能带中未被电子占据的少数空的量子态，这少量的空穴总是处于能带顶附近。是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带顶的电子空位。把半导体中的空穴看成一个带有电荷为+q，并以该空状态相应的电子速度v(k)运动的粒子，它具有正的有效质量，价带中大量电子的导电作用可以用少数空穴的导电作用来描写。

5。直接带隙半导体和间接带隙半导体直接带隙半导体：导带低和价带顶对应的电子波矢相同间接带隙半导体：导带低和价带顶对应的电子波矢不相同二.基本公式有效质量速度：例子：第一章习题1第二章

基本概念

1。施主杂质，施主能级，施主杂质电离能施主杂质：能够施放电子而在导带中产生电子并形成正电中心的杂质，称为施主杂质，掺有施主杂质的半导体叫N型半导体。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，施主能级位于离导带低很近的禁带中。施主杂质电离能：导带底EC与施主能级ED的能量之差

ED=EC-ED就是施主杂质的电离能。施主杂质未电离时是中性的，电离后成为正电中心

2。受主杂质，受主能级，受主杂质电离能

受主杂质：能够能够接受电子而在价带中产生空穴，并形成负电中心的杂质，称为受主杂质，掺有受主杂质的半导体叫P型半导体。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，受主能级位于离价带低很近的禁带中。受主杂质电离能：价带顶EV与受主能级EA的能量之差

EA=EV-EA就是受主杂质的电离能。受主杂质未电离时是中性的，电离后成为负电中心带有分立的施主能级的能带图施主能级电离能带图被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级ED。施主能级位于离导带低很近的禁带中杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的施主能级是一些具有相同能量的孤立能级。表2-1硅、锗晶体中Ⅴ族杂质的电离能(eV)受主能级电离能带图带有分立的受主能级的能带图被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级EA。施主能级位于离价带顶很近的禁带中杂质原子间的相互作用可忽略，某一种杂质的受主能级是一些具有相同能量的孤立能级。表2-2硅、锗晶体中III族杂质的电离能(eV)

3.本征半导体，杂质半导体，杂质补偿半导体本征半导体：没有杂质原子且晶体中无晶格缺陷的纯净半导体杂质半导体：掺有施主杂质的N型半导体或掺有受主杂质的p型半导体都叫杂质半导体杂质补偿半导体：同一半导体区域内既含有施主杂质又含有受主杂质的半导体

杂质的补偿作用当半导体中同时存在施主和受主杂质时，半导体是n型还是p型呢？在半导体中，若同时存在着施主和受主杂质，施受主杂质之间有互相抵消的作用，通常称为杂质的补偿作用。ND>>NANA>>NDNA~ND~第三章

一.基本概念1。状态密度：单位体积单位能量中的量子态数量2。费米能级：它是电子热力学系统的化学势，它标志在T=0K时电子占据和未占据的状态的分界线。即比费米能级高的量子态，都没有被电子占据，比费米能级低的量子态都被电子完全占据。处于热平衡状态的系统由统一的费米能级。费米能级与温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量有关二、基本公式1.态密度函数导带态密度价带态密度2.费米分布函数波尔兹曼函数当E-EF>>kT时3.载流子的浓度平衡态非平衡态导带的有效状态密度NcNc∝T3/23.载流子的浓度价带的有效状态密度NvNv∝T3/24.费米能级公式n型半导体p型半导体5.不同温区载流子浓度和费米能级的计

强电离区n型半导体

p型半导体补偿型半导体

费米能级仍用前面的公式过渡区n型半导体：

p型半导体：

补偿型半导体：

联立解方程求n0，p0费米能级仍用前面的公式高温本征激发区n0=p0=ni

EF=Ei费米能级仍用前面的公式得到EF=Ei例题2（a)在热平衡条件下，温度T大于0K，电子能量位于费米能级时，电子态的占有几率是多少？

(b)若EF位于EC，试计算状态在EC+kT时发现电子的几率。

(c)在EC+kT时，若状态被占据的几率等于状态未被占据的几率。此时费米能级位于何处？由题意得：解之得：第四章半导体的导电性一、基本概念：

1。载流子的漂移运动？写出总漂移电流密度方程载流子在电场作用下的定向运动。漂移电流密度与载流子的浓度、载流子的迁移率和外加电场的大小有关

2。迁移率的物理意义？迁移率的单位是什么？载流子的迁移率与那些因素有关单位电场作用下载流子获得平均漂移速度，它反映了载流子在电场作用下的输运能力。单位cm2/vs载流子的散射因为载流子在运动过程中受到散射电离杂质散射晶格振动散射

中性杂质散射位错散射合金散射等同的能谷间散射三.迁移率与杂质和温度的关系散射几率，平均自由时间和温度的关系：§4.３迁移率与杂质浓度和温度的关系电离杂质散射声学波散射光学波散射任何情况下，几种散射机制都会同时存在§4.３迁移率与杂质浓度和温度的关系4.半导体的电阻率（或电导率）与那些因素有关n型半导体p型半导体本征半导体电阻率与载流子浓度与迁移率有关，二者均与杂质浓度和温度有关。二.例题例题1

Ge样品，掺有1022m-3受主，试求室温时样品的电导率。再掺入5

1022m-3施主后，求室温时样品的电导率。查图4-14（b）可知，这个浓度下，Ge的迁移率又查图3-7可知，室温下Ge的本征载流子浓度查图4-14（b）可知，这个掺杂浓度下，Ge的迁移率为1500cm2/(V.S)，属强电离区，所以电导率为掺入5

1022m-3施主后总的杂质总和为3000cm2/(V.S),第五章非平衡载流子一、基本概念1。过剩电子，过剩空穴，过剩载流子（非平衡载流子），非平衡载流子的寿命？

过剩电子：导带中超出热平衡状态浓度的电子浓度过剩空穴：价带中超出热平衡状态浓度的空穴浓度过剩载流子：过剩电子和空穴的总称过剩载流子寿命：过剩少子在复合前存在的平均时间。2。小注入和大注入小注入：过剩载流子的浓度远小于热平衡多子浓度的情况大注入：过剩载流子的浓度接近或大于热平衡多子浓度的情况

3.什么是准费米能级？在非平衡状态下，由于导带和价带在总体上处于非平衡，因此就不能用统一的费米能级来描述导带中的电子和价带中的空穴按能量的分布问题。但由于导带中的电子和价带中的空穴按能量在各自的能带中处于准平衡分布，可以有各自的费米能级称为准费米能级，准费米能级分离的程度，即的大小，反映了与平衡态分离的程度5.3准费米能级非平衡状态下5.什么是载流子的扩散运动？写出电子和空穴的扩散电流密度方程

当半导体内部的载流子存在浓度梯度时，引起载流子由浓度高的地方向浓度低的地方扩散，扩散运动是载流子的有规则运动。电子扩散电流密度：空穴扩散电流密度：扩散系数反应了非平衡少子扩散能力的大小达到稳态分布，即空间任一点，单位体积内的载流子数目不随时间变化，则由于扩散，单位时间单位体积内累积的载流子数目等于复合掉的载流子数目。上述两个方程的解：5.6载流子的扩散运动

二、基本公式1.漂移电流密度公式：2.扩散电流密度公式3.3.爱因斯坦关系:4.连续性方程连续性方程反映了半导体中少数载流子运动的普遍规律，它是研究半导体器件原理的基本方程之一。连续性方程应用举例：常见的特殊条件下的方程的简化：1、稳态：2、无浓度梯度或无扩散电流5.8连续性方程3、无飘移电流或无电场4、无复合5、无外界作用5.8连续性方程三.例题例题2在一块n型GaAs半导体中，T=300K时，电子浓度在0.10cm距离内从1

1018cm-3到7

1017cm-3线性变化。若电子的扩散系数为Dn=225cm2/s,则电子的扩散电流密度例1、光激发的载流子的产生:保持温度在室温下，均匀施主掺杂的硅片在t=0时突然受到光照，在半导体内部均匀产生非平衡载流子，假设ND=1015/cm3，τp=10-6s，整个半导体内单位时间，单位体积内光诱导产生的电子-空穴数为1017个，在t>0时，求△p(t)？例2、光激发的载流子的衰减:均匀半导体，光照后在内部均匀产生非平衡载流子△p，无电场，求光照停止后非平衡少子的变化规律？

例3：非平衡载流子的扩散（1）在稳态条件下，保持室温不变时，均匀掺杂的n型硅棒，有

p(0)=