半導體物理-復習

1、半導體物理復習,第一章 半導體中的電子狀態(tài),晶體結(jié)構(gòu)與共價鍵（教材P6-9）,金剛石型結(jié)構(gòu),閃鋅礦型結(jié)構(gòu),纖鋅礦型結(jié)構(gòu),氯化鈉型結(jié)構(gòu),,重點掌握,基本概念：單晶、多晶、非晶（體）、晶胞、晶向、晶面,能級與能帶,電子在原子核勢場和其他電子作用下分列在不同能級,相鄰原子殼層形成交疊,,原子相互接近 形成晶體,共有化運動,,共有化運動：由于電子殼層的交疊，電子不再完全局限在某一個原子上，可以由一個原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，因而，

2、電子將可以在整個晶體中運動只有外層電子共有化運動最顯著(教材P9-10),能級分裂,(教材P9-10),能帶形成,滿帶或價帶,導帶,(教材P10-11),基本概念：能帶，允帶，禁帶,半導體中電子狀態(tài)和能帶,晶體中的電子,VS,自由電子,Difference?,嚴格周期性重復排列的原子間運動,恒定為零的勢場中運動,,,單電子近似：晶體中的某一個電子是在周期性排列且固定不動的原子核的勢場 以

3、及其他大量電子的平均勢場中運動，這個勢場也是周期變化的， 并且它的周期與晶格周期相同。,(教材P11),E(k)-k關(guān)系圖,E(k)-k關(guān)系圖的簡約布里淵區(qū),能帶形成的定量化關(guān)系,(教材P14),導體、絕緣體和半導體的能帶,絕緣體、半導體和導體的能帶示意圖,三者的主要區(qū)別：禁帶寬度和導帶填充程度金屬導帶半滿；半導體禁帶寬度在1eV左右；絕緣體禁帶寬且導帶空,(教材P16),本征激發(fā)：當

4、溫度一定時，價帶電子受到激發(fā)而成為導帶電子的過程 。,常用禁帶寬度硅：1.12eV鍺：0.67eV砷化鎵：1.43eV,本征激發(fā),本征激發(fā),(教材P17),半導體中的電子運動,半導體中E(k)與k的關(guān)系,電子速度與能量關(guān)系,電子有效質(zhì)量,(教材P17-19),（可由回旋共振實驗測得）,有效質(zhì)量的意義,f,a,,1、概括了半導體內(nèi)部勢場的作用2、a是半導體內(nèi)部勢場和外電場作用的綜合效果3、直接將外力與電子加速度聯(lián)系起來,(教材P

5、19),空穴,空穴：將價帶電子的導電作用等效為帶正電荷的 準粒子的導電作用。,空穴的主要特征：A. 正電荷：+q；B. 空穴濃度表示為p（電子濃度表示為n）；C. EP=-EnD. mP*=-mn*,引入空穴的意義A. 把價帶中大量電子對電流的貢獻用少量的空穴表達出來。B. 半導體中有電子和空穴兩種載流子，而金屬中只有電子一種載流子。,(教材P20-22),常見半導體能帶結(jié)構(gòu),直接帶隙：砷化鎵間接

6、帶隙：硅、鍺,Ge：[111]能谷為導帶底,Si：[100]能谷為導帶底,(教材P30),(教材P32),第二章 半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級,所處位置不同：替位式雜質(zhì)、間隙式雜質(zhì)所處能級不同：施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì),施放電子而產(chǎn)生導電電子并形成正電中心,接受電子成為負電中心,(教材P37-40),實際半導體和理想半導體的主要區(qū)別,基本概念 1. 施主雜質(zhì)，施主能級，施主雜質(zhì)電離能 施主雜質(zhì)：能夠施放電子而產(chǎn)生導電電

7、子并形成正電中心的雜質(zhì)，稱為施主雜質(zhì)，摻有施主雜質(zhì)的半導體叫N型半導體。 施主能級:被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱為施主能級，記為ED，施主能級位于離導帶底很近的禁帶中。 施主雜質(zhì)電離能：導帶底EC與施主能級ED的能量之差?ED=EC-ED就是施主雜質(zhì)的電離能。施主雜質(zhì)未電離時是中性的，電離后成為正電中心。,(教材P39),2. 受主雜質(zhì)，受主能級，受主雜質(zhì)電離能 受主雜質(zhì)：能夠能夠接受電子而產(chǎn)

8、生導電空穴，并形成負電中心的雜質(zhì)，稱為受主雜質(zhì)，摻有受主雜質(zhì)的半導體叫P型半導體。 受主能級：被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱為受主能級，記為EA，受主能級位于離價帶頂很近的禁帶中。 受主雜質(zhì)電離能：價帶頂EV與受主能級EA的能量之差?EA=EV-EA就是受主雜質(zhì)的電離能。受主雜質(zhì)未電離時是中性的，電離后成為負電中心。,(教材P40),雜質(zhì)的補償作用,ED,n= ND-NA ≈ ND，半導體是n型的,ND-NA

9、為有效施主濃度,ED,EA,p= NA-ND ≈ NA，半導體是p型的,NA-ND為有效受主濃度,EA,(教材P42),(1) 當ND>>NA時,(2) 當NA>>ND時,(3) 當ND≈NA時，雜質(zhì)的高度補償。,第三章 半導體中載流子的統(tǒng)計分布,狀態(tài)密度：能帶中能量E附近每單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)。,狀態(tài)密度的計算：為簡單起見，考慮等能面為球面的情況,狀態(tài)密度,(教材P53),(教材P55),費米能級與分布函數(shù)

10、,費米分布函數(shù)：（描述熱平衡狀態(tài)下，電子在允許的量子態(tài)上如何分布）,T=0K時，,若EEF，則f (E)=0,標志了電子填充能級的水平,(教材P56-57),能量比EF小的量子態(tài)被電子占據(jù)的概率是100%，這些量子態(tài)上都是有電子的；能量比EF大的量子態(tài)被電子占據(jù)的概率為0，這些量子態(tài)上沒有電子，為空的。在熱力學溫度為0K時，費米能級EF可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限,,,重點,玻爾茲曼分布函數(shù),費米統(tǒng)計分布：受到泡利不相容原理限

11、制玻爾茲曼分布：泡利原理不起作用,當 時，由于 ，所以費米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為 稱為電子的玻耳茲曼分布函數(shù),(教材P58),導帶電子濃度,能量E到E+dE之間的量子態(tài),電子占據(jù)能量為E的量子態(tài)幾率,將所有能量區(qū)間中電子數(shù)相加,除以半導體體積,導帶電子濃度n0,,,,V,載流子濃度是與溫度、雜質(zhì)數(shù)量及種類有關(guān)的量,,導帶電

12、子濃度,(教材P59-60),,其中,載流子濃度乘積n0p0,與費米能級無關(guān)只決定與溫度T，與所含雜質(zhì)無關(guān)適用于熱平衡狀態(tài)下的任何半導體溫度一定， n0p0一定,Nc：導帶有效狀態(tài)密度Nv：價帶有效狀態(tài)密度,(教材P62-64),本征半導體本征載流子濃度：,雜質(zhì)半導體中的載流子濃度,電子占據(jù)施主能級的幾率：,空穴占據(jù)受主能級的幾率：,施主能級上的電子濃度,電離施主濃度,(教材P65-66),同理，可得到受主能級上的空穴濃度，電

13、離受主濃度。,n型硅中電子濃度與溫度關(guān)系,五個區(qū)低溫弱電離區(qū)中間電離區(qū)強電離區(qū)過渡區(qū)高溫本征激發(fā)區(qū)各區(qū)特點及變化趨勢,(教材P67-72),摻雜半導體的載流子濃度和費米能級與溫度與雜質(zhì)濃度的關(guān)系 對于雜質(zhì)濃度一定的半導體，隨著溫度的升高，載流子則是從以雜質(zhì)電離為主要來源過渡到以本征激發(fā)為主要來源的過程，同時，費米能級從位于雜質(zhì)能級附近逐漸移近禁帶中線處。 溫度一定時，對于n型半導體，費米能級位于禁帶中線以上

14、，ND越大，費米能級位置越高；對于p型半導體，費米能級位于中線以下，NA越大，費米能級位置越低。,(教材P74),簡并半導體,當費米能級位于禁帶之中且遠離價帶頂和導帶底時，電子和空穴濃度均不很高，處理它們分布問題時可不考慮泡利不相容原理的約束，因此可用波爾茲曼分布代替費米分布來處理在流子濃度問題，這樣的半導體被稱為非簡并半導體。反之則只能用費米分布來處理載流子濃度問題，這種半導體為簡并半導體。把 與 的相對位置作為區(qū)分簡并化

15、與非簡并化的標準：,非簡并,弱簡并,簡 并,(教材P80-82),第四章 半導體的導電性,漂移運動：電子在電場力作用下的運動遷移率：單位場強下電子的平均漂移速度,電導率,電流密度,(教材P92),----電導率與遷移率的關(guān)系,散射及散射機構(gòu),平均自由程：連續(xù)兩次散射間自由運動的平均路程散射機構(gòu) （1）電離雜質(zhì)散射,（2）晶格振動散射,,聲學波,光學波,（3）其他散射：能谷散射、中性雜質(zhì)散射、位錯散射,長縱聲學波在長聲

16、學波中起主要作用,(教材P94-101),概念及意義：聲子,遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系,對所有時間積分，得到N0個電子自由時間的總和，再除以N0求得平均自由時間。,即平均自由時間的數(shù)值等于散射概率的倒數(shù)。,(教材P101-106),電阻率與溫度的關(guān)系,,雜質(zhì)全部電離，晶格振動散射上升為主要矛盾,,載流子主要由電離雜質(zhì)提供,本征激發(fā)成為主要矛盾,(教材P106-108),強電場效應(yīng),現(xiàn)象：偏離歐姆定律解釋：從載流子與晶格振動散射時

17、的能量交換過程來說明,(教材P113-114),第五章 非平衡載流子,對于給定的半導體，本征載流子濃度ni只是溫度的函數(shù)。無論摻雜多少，平衡載流子的濃度n0和p0必定滿足上式。上式也是非簡并半導體處于熱平衡狀態(tài)的判據(jù)。,它們乘積滿足:,若用n0和p0分別表示平衡電子濃度和平衡空穴濃度，在非簡并情況下，有：,(教材P126),非平衡態(tài)：當半導體受到外界作用（如：光照等）后, 載流子分布將與平衡態(tài)相偏離, 此時的半導體狀態(tài)稱為非平衡態(tài)。,非

18、平衡載流子,n：非平衡態(tài)下的電子濃度p：非平衡態(tài)下的空穴濃度n0：平衡態(tài)下的電子濃度p0：平衡態(tài)下的電子濃度,非平衡載流子的復合：當半導體由非平衡態(tài)恢復為平衡態(tài)，過剩載流子消失的過程。,非平衡態(tài)的載流子濃度為：,(教材P127),小注入條件: 當非平衡載流子的濃度△n(或△p)<<平衡態(tài)時的多子濃度n0(或p0)時，這就是小注入條件。,非平衡載流子壽命,壽命的意義,當 時，

19、 ，故壽命標志著非平衡載流子濃度減小到原值的1/e所經(jīng)歷的時間；壽命越短，衰減越快。,(教材P128),準費米能級,當半導體處于非平衡狀態(tài)，不再具有統(tǒng)一的費米能級，引入準費米能級,非平衡態(tài)下電子濃度：,非平衡態(tài)下空穴濃度：,(教材P129-130),,,對于n型半導體，準費米能級偏離平衡費米能級示意圖如下：,特點：,證明：由,和,有,和,而,所以,即,得到,(教材P130),復

20、合理論,直接復合電子在導帶和價帶之間的直接躍遷間接復合非平衡載流子通過復合中心的復合,間接復合的四個過程,過程前,過程后,(教材P130-134),陷阱效應(yīng)(熟悉概念),雜質(zhì)或缺陷能收容非平衡載流子的作用稱為陷阱效應(yīng)。,陷阱和陷阱中心：,有顯著陷阱效應(yīng)（積累的非平衡載流子數(shù)目可以與非平衡載流子數(shù)目相比擬）的雜質(zhì)或缺陷能級稱為陷阱，而相應(yīng)的雜質(zhì)或缺陷稱為陷阱中心。,電子陷阱：,能收容電子的雜質(zhì)或缺陷能級。,空穴陷阱：,能收容空穴的雜

21、質(zhì)或缺陷能級。,電子陷阱是存在于p型材料中,空穴陷阱是存在于n型材料中,(教材P143),載流子的擴散運動,穩(wěn)定擴散的條件： 單位時間在單位體積內(nèi)積累的載流子＝由于復合而消失的載流子,空穴擴散系數(shù),非平衡少數(shù)載流子的壽命,非平衡少數(shù)載流子濃度,,,,(教材P146-150),擴散長度 ：非平衡少數(shù)載流子在邊擴散邊復合的過程中，其濃度減少到原值的1/e時擴散走過的距離。也表示非平衡載流子深入半導體的平均深度。,愛因斯坦

22、關(guān)系式(意義，推導),從理論上找到擴散系數(shù)和遷移率之間的定量關(guān)系,遷移率,電場作用下運動的難易程度,擴散系數(shù),存在濃度梯度下載流子運動的難易程度,,,,(教材P150-152),第六章 金屬和半導體接觸,功函數(shù)電子親和能接觸電勢差,金屬和n型半導體接觸能帶圖（Wm>Ws）（a）接觸前；（b）間隙很大； （c）緊密接觸；（d）忽略間隙,電勢降落在空間電荷區(qū)和金屬半導體表面之間,(教材P196-199),阻擋層、反阻擋層,整流接

23、觸,整流接觸,(教材P201-209),阻擋層的整流特性,—— 外加電壓對阻擋層的作用,這種勢壘寬度隨外加電壓的變化而變化的金-半接觸勢壘就是Schottky勢壘。,鏡象力和隧道效應(yīng)對肖特基勢壘的影響：（1）對正向特性影響很小；（2）隨著反向偏壓的增加， 使得有效勢壘高度降低越來越顯著，導致反向電流不飽和。,歐姆接觸,歐姆接觸：金屬和半導體形成的不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，不引起半導體器件特性發(fā)生明顯改變的非整流接觸。理想的歐姆接觸是指阻

24、抗為零的接觸。,實際的金屬-半導體歐姆接觸是利用隧道效應(yīng),而不是反阻擋層。 隧穿幾率決定于勢壘高度和勢壘寬度。提高半導體的摻雜濃度，勢壘變薄，可獲得大的隧穿幾率，即得到歐姆接觸。,(教材P210-212),第七章 半導體表面與MIS結(jié)構(gòu),表面電場效應(yīng)——MIS結(jié)構(gòu)（金屬－絕緣層－半導體）表面勢：空間電荷層內(nèi)的電場從表面到體內(nèi)逐漸減弱直到為零，電勢發(fā)生相應(yīng)變化，電勢變化迭加在電子的電位能上，使得空間電荷層內(nèi)的能帶發(fā)生彎曲，“表面

25、勢VS”就是為描述能帶變曲的方向和程度而引入的。表面電荷層：MIS結(jié)構(gòu)外加偏壓之后，在絕緣層一側(cè)的半導體表面附近形成的具有一定厚度的電荷區(qū)稱為表面電荷層。,電子被局限在表面附近，這種電子狀態(tài)被稱做表面態(tài)，對應(yīng)的能級為表面能級。,(教材P217-218),多子堆積：（1）能帶向上彎曲、價帶接近甚至高過EF；（2）多子在半導體表面積累，越接近半導體表面多子濃度越高。多子耗盡：（1）表面能帶向下彎曲；（2）表面上的多子濃度遠少于體內(nèi)，基本

26、上耗盡，表面帶負電（濃度基本等于電離受主雜質(zhì)濃度）。少子反型：（1）Ei與EF在表面處相交；（2）表面區(qū)的少子數(shù)大于多子數(shù)——表面反型；（3）反型層和半導體內(nèi)部之間還夾著一層耗盡層。,空間電荷層及表面勢,多子堆積,多子耗盡,少子反型,特征：,(教材P219-220),強反型,強反型條件,強反型：,Vs≥2VB,,,T↑，NA↑襯底雜質(zhì)濃度越高，Vs就越大，越不容易達到反型。,,NA=pp0,,開啟電壓VT ： 使半導體空間電荷層處于臨

27、界強反型時，在MIS結(jié)構(gòu)上所加的柵壓。,強、弱反型：表面處少數(shù)載流子濃度 是否超過體內(nèi)多數(shù)載流子濃度 為標志。,(教材P224-225),C－V特性,(1) VG<0，多子積累絕對值較大時，，空穴聚集表面， C＝C0，AB段（半導體看成導通）絕對值較小時，C0和Cs串聯(lián)，C隨 V增加而減小，BC段,(2)VG＝0 CFB－表面平帶電容,(3) VG>0耗盡狀態(tài)：VG增加，xd增大，Cs減小，CD段V

28、s>2VB時：EF段（低頻）強反型，電子聚集表面， C＝C0GH段（高頻）：反型層中電子數(shù)量不能隨高頻信號而變，對電容無貢獻，還是由耗盡層的電荷變化決定（強反型達到xdm不隨VG變化，電容保持最小值）；GH段,(教材P228-232),第八章 異質(zhì)結(jié),異質(zhì)結(jié)：兩種不同的半導體單晶材料組成的結(jié),異質(zhì)結(jié)也可分為突變異質(zhì)結(jié)和緩變異質(zhì)結(jié),突變異質(zhì)結(jié)：從一種半導體材料向另一種半導體材料的過渡只發(fā)生于幾個原子距離（≤ 1μm）范圍內(nèi)。,

29、引入界面態(tài)的主要原因：形成異質(zhì)結(jié)的兩種半導體材料的晶格失配,突變反型異質(zhì)結(jié)平衡時的特點：,統(tǒng)一的費米能級 界面兩邊形成空間電荷區(qū)，正＝負 內(nèi)建電場，在界面處不連續(xù) 空間電荷區(qū)的能帶發(fā)生彎曲，不連續(xù) 兩邊均為耗盡層,(教材P251-254),第九章 半導體光學性質(zhì),條件：hv≥Eg,,本征吸收的光子最低能量限,,上面的條件可化為：,,本征吸收的長波限λ0,,,常數(shù)：h = 6.625×10-34J·s = 4

30、.14×10-15eV·s c = 2.998×108m/s = 2.998×1014μm/s,本征吸收：由于電子由帶與帶之間的躍遷所形成的吸收過程,本征吸收的長波限λ0與禁帶寬度的關(guān)系,根據(jù)：,(教材P281),光伏效應(yīng),用適當波長的光照射非均勻半導體，例如P-N結(jié)和金屬-半導體接觸等，由于勢壘區(qū)中內(nèi)建電場（也稱為自建電場）的作用，依據(jù)外回路電阻的大小，可以檢測出光生電

31、流，或者得到光生電壓。這種由內(nèi)建電場引起的光電效應(yīng)，稱為光生伏特效應(yīng)（光伏效應(yīng)）。,(教材P296),名詞解釋,有效質(zhì)量，空穴，施主雜質(zhì)，受主雜質(zhì)，等電子雜質(zhì)，雜質(zhì)雙性行為，費米能級，簡并半導體，遷移率，聲子，熱載流子，非平衡狀態(tài)，非平衡載流子，少數(shù)載流子壽命，準費米能級，直接復合，間接復合，陷阱效應(yīng)，擴散系數(shù)，擴散長度，牽引長度，電子親和能，接觸電勢差，阻擋層，反阻擋層，肖特基勢壘，歐姆接觸，異質(zhì)結(jié)，本征吸收，光生伏特效應(yīng),定性分析題

32、,實際半導體與理想半導體間的主要區(qū)別是什么？分析Ge, Si和GaAs三種半導體材料性能上的差別及其原因。以As摻入Ge中為例，說明什么是施主雜質(zhì)、施主雜質(zhì)電離過程和n型半導體。以Ga摻入Ge中為例，說明什么是受主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)電離過程和p型半導體。以Si在GaAs中的行為為例，說明IV族雜質(zhì)在III-V族化合物中可能出現(xiàn)的雙性行為。畫出不同摻雜情況下的費米能級的變化。畫出p型半導體在光照（小注入）前后的能帶圖，標出原來的費

33、米能級和光照時的準費米能級。假設(shè)某金屬的功函數(shù)大于（或小于）n型半導體材料，試畫出金屬與n型半導體接觸的能帶圖，分析半導體表面的變化。分析強電場下歐姆定律偏離的原因。證明愛因斯坦關(guān)系式。,以p型半導體襯底為例，畫出理想MIS結(jié)構(gòu)的C-V特性曲線，并解釋曲線的每一段的物理意義。分析間接復合效應(yīng)與陷阱效應(yīng)有何異同？分析肖特基勢壘二極管的整流原理，并說明它和普通的p-n結(jié)相比有哪些顯著的特點。以p型半導體襯底為例，畫出理想MIS結(jié)