半导体物理学基本概念(最新版)

半导体物理学基本概念1.离子晶体：由正负离子或正负离子集团按一定比例组成的晶体称作离子晶体。离子晶体中，正负离子或离子集团在空间排列上具有交替相间的结构特征。离子间的相互作用以库仑静电作用为主导。2.共价晶体：主要由共价键结合而成的晶体。共价晶体中共价键的方向性和饱和性规定了共价晶体中原子间结合的方向性和配位数。由于共价键非常稳定，所以一般来说，共价晶体的结构很稳定，具有很高的硬度和熔点。由于所有的价电子都参与成键，不能自由移动，因而共价晶体通常不导电。3.晶胞：晶格中最小的空间单位。一般为晶格中对称性最高、体积最小的某种平行六面体。4.弗仑克耳缺陷（肖特基缺陷）：在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动运动，而且一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子，原来的位置便成为空位。这时间隙原子和空位是成对出现的，称为弗仑克耳缺陷。若只在晶体内形成空位而无间隙原子时，称为肖特基缺陷。5.施主（受主）杂质及施主（受主）电离能：V族杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质。使多余的价电子挣脱束缚成为导电电子所需的能量称为杂质电离能，用△𝐸𝐷表示。Ⅲ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，称它们为受主杂质或p型杂质。使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需的能量称为受主杂质电离能，用Δ𝐸𝐴.6.直接（间接）复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合。电子和空穴通过禁带的能级（复合中心）进行复合。根据复合过程发生的位置，又可以把它区分为体内复合和表面复合。7.复合率：n和p分别表示电子浓度和空穴浓度。单位体积内，每一个电子在单位时间内都有一定概率和空穴复合，这个概率显然和空穴浓度成正比，可以用rp表示，那么复合率R就有如下的形式：R=rnp，比例系数r称为电子--空穴复合概率。8.量子态密度：单位k空间中的量子态数，称为k空间的量子态密度。9.状态密度：在能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数，g(E)=𝑑𝑍𝑑𝐸.10.有效状态密度：把导带中所有量子态都集中在导带底𝐸𝑐（把价带中所有量子态都集中在价带顶𝐸𝑐）.11.绝缘体（导体、半导体）能带特点：绝缘体的禁带宽度很大，激发电子需要很大能量，在通常温度下，能激发到导带去的电子很少，所以导电性很差。半导体禁带宽度比较小，数量级在1eV左右，在通常温度下已有不少电子被激发到导带中去，所以具有一定的导电能力。半导体在热力学温度为零时，满带（价带）被价电子占满，在外电场作用下并不导电。当温度升高或有光照时，导带的电子和价带的空穴均参与导电。导体原子中的价电子占据的能带是部分占满的，在外电场作用下，电子可从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去，形成了电流，起导电作用。12.深（浅）杂质能级：非Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗的禁带中产生施主能级距离导带底较远，它们产生的受主能级距离价带顶也较远，通常称这种能级位深能级。相应的杂质称为神能级杂质。这些深能级杂质能够产生多次电离，每次电离相应地有一个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往引入若干个能级。而且，有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。实验证明，硅、锗中的Ⅲ、Ⅴ族杂质的电离能都很小，所以受主能级很接近价带顶，施主能级很接近导带底。通常将这些杂质能级称为浅能级，将产生浅能级的杂质称为浅能级杂质。13.费米能级：将半导体中大量电子的集体看成一个热力学系统，由统计理论证明，费米能级𝐸𝐹是系统的化学势，即𝐸𝐹=μ=(𝜕𝐹𝜕𝑁)𝑇，式中，μ代表系统的化学势，F是系统的自由能。上式的意义是：当系统处于热平衡状态，也不对外界做功的情况下，系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化，等于系统的化学势，也就是等于系统的费米能级。而处于热平衡状态的系统有统一的化学势，所以处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级。费米能级是量子态基本上被电子占据或基本上是空的一个标志。14.非平衡态：半导体的热平衡状态是相对的，有条件的。如果对半导体施加外界作用，破坏了半导体的热平衡条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度不再是𝑛0和𝑝0,可以比它们多出一部分。比平衡态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子，有时也称为过剩载流子。15.平衡态：满足载流子浓度不随时间变化且满足等式𝑛0·𝑝0=n𝑖2的状态称为平衡态。16.载流子漂移：在外加电压时，导体或半导体内的载流子在电场力作用下做定向运动。17.空穴：当外界条件发生变化时，如温度升高或有光照时，价带（满带）中有少量电子可能激发到上面的导带（空带）中去，使能带底部附近有了少量的电子，而价带中由于激发电子而空出来的量子状态称为空穴。18.陷阱（陷阱中心）：能显著地俘获一种非平衡载流子的杂质能级或缺陷能级称为陷阱。相应的杂质和缺陷称为缺陷中心。19.扩散系数：反映非平衡少数载流子扩散本领的大小的物理量，单位是𝑐𝑚2𝑠⁄扩散长度：标志着非平衡载流子扩散时深入样品的平均距离，由扩散系数和材料的寿命决定，即L=√𝐷𝜏,其中L表示扩散长度，D表示扩散系数，𝜏是材料中非平衡载流子的寿命。20.散射几率：单位时间内一个载流子受到散射的次数，它描述散射的强弱，其数值与散射机构有关。它的倒数为平均自由时间。21.电离杂质散射：施主杂质电离后是一个带正电的离子，受主杂质电离后是一个带负电的离子。在电离施主或受主周围形成一个库仑势场，这一库仑势场局部地破坏了杂质附近的周期性势场，它就是使载流子散射的附加势场。当载流子运动到电离杂质附近时，由于库仑势场的作用，就使载流子运动的方向发生改变。电子和空穴在散射过程中的轨迹是以施主或受主为一个焦点的双曲线。22.迁移率：载流子（电子和空穴）在单位场强下的平均漂移速度，它是载流子在电场作用下运动快慢的量度。23.复合中心：能促进复合过程的杂质或缺陷称为复合中心。24.非简并半导体：用玻尔兹曼分布函数来分析导带中电子和价带中空穴的统计分布问题，费米能级位于禁带内。满足以上条件的半导体称为简并半导体。25.简并半导体：用费米分布函数来分析导带中电子和价带中空穴的统计分布问题，这种情况称为载流子的简并化。发生载流子简并化的半导体称为简并半导体。此时费米能级进入了导带或价带。26.爱因斯坦关系式：对电子：𝐷𝑛𝜇𝑛=𝑘0𝑇𝑞,对空穴：𝐷𝑝𝜇𝑝=𝑘0𝑇𝑞,它表明了非简并情况下载流子迁移率和扩散系数之间的关系。