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半导体物理导论晶体单晶:原子三维方向内周期性排列多晶:短程有序,长程无序非晶体:长程、短程均无序晶格结构:金刚石(面心立方:晶胞中顶点,面心,均有一原子,晶胞内有四个原子)米勒指数:描述晶面的方向(取晶面的截距倒数的最小公倍数)能带半导体导电的载流子:电子和空穴。能级分裂(了解):泡利不相容原理的必然结果,电子居于不同的量子态(量子态由各量子数确定)价带和导带的形成(了解):多个原子相互靠近时,电子的共有化运动,能级分裂(允带,禁带),能带分裂,下价带,上导带。准连续的价带和导带半导体、金属、绝缘体的能带结构图满带电子不导电能带𝐸=𝑃22𝑚=ℏ2𝑘22𝑚即:1ℏ𝑑𝐸𝑑𝑘=𝑝𝑚=𝑣V关于k为奇函数,故满带电子不导电。自由电子的E-K关系:E=ℏ2𝑘22𝑚0(与m相关)实际晶体中E-K关系并不是抛物线,但在K=0处附近可近似,此时E(K)-E(0)=ℏ2𝑘22𝑚𝑛∗,即有效质量。有效质量的引入简化了内部势场的作用力由跃迁E-K图,可区分直接能隙与间接能隙半导体。本征与非本征半导体本征半导体即纯净半导体,无杂质。99.99999%非本征半导体掺有一定量的杂质施主((除N)V族)及受主杂质(B),单一的半导体材料,以及GaAs这种二元半导体器件。施主杂质与受主杂质的划分:施/受主原子代替SI后,会有一个多余的价电子/缺少一个价电子,使得半导体的导电特性发生显著改变,,以导电类型区分n型与p型半导体。补偿半导体:同时掺杂施主与受主杂质,具体导电类型以掺杂后的浓度为准。平衡载流子本征载流子:在绝对零度以上,本征半导体热激发,产生等量的电子与空穴。平衡载流子的浓度由电子或空穴的分布确定。𝑛0=𝑁𝑐exp−𝐸𝑐−𝐸𝐹𝐾𝑇=𝑛𝑖exp(𝐸𝐹−𝐸𝐹𝑖𝑘𝑇),𝑝0=𝑁𝑣exp−𝐸𝐹−𝐸𝑣𝑘𝑇=𝑛𝑖exp(−(𝐸𝐹−𝐸𝐹𝑖)𝑘𝑇),𝑁𝐶=2(2𝜋𝑚𝑛∗𝑘𝑇ℎ2)32𝑁𝑣=2(2𝜋𝑚𝑝∗𝑘𝑇ℎ2)32本征载流子浓度与本征费米能级:𝑛0=𝑝0=𝑛𝑖,则代入可得:𝑛𝑖2=𝑁𝐶𝑁𝑉exp−𝐸𝑔𝑘𝑇𝐸𝐹=12𝐸𝐶+𝐸𝑉+34𝑘𝑇ln𝑚𝑝∗𝑚𝑛∗费米能级本征费米能级的位置由电子和空穴的有效质量的大小确定。n型半导体与p型半导体费米能级位置的确定:如图所示,非本征半导体中电子和空穴的浓度的大小关系,决定了𝐸𝐹的相对位置此时,np之积为定值,只与其温度与衬底种类有关非平衡载流子小注入:过剩少子远小于平衡多子的浓度。非平衡载流子的寿命:߂p(t)=(߂𝑝)0𝑒−𝑡𝜏(测量载流子寿命的途径即:取t=𝜏)取简化电子/空穴净复合率:𝑈𝑛/𝑝=߂𝑛/𝑝𝜏𝑛/𝑝准费米能级:𝑛+߂n=𝑁𝑐exp−𝐸𝑐−𝐸𝐹𝑛𝑘0𝑇,𝑝+߂p=𝑁𝑉exp(−𝐸𝐹𝑃−𝐸𝑉𝑘0𝑇)载流子的复合(了解)直接复合(直接能隙中释放一光子,间接能隙中通过声子传递,同时产生两个频率较低的光子)间接复合(主要发生在间接能隙半导体中,存在复合中心𝐸𝑡),最有效的复合中心在禁带中央。激子复合:由激发态电子与空穴组合俄歇复合:三个载流子参与的复合(重掺杂区)通过施主与受主能级之间复合通过陷阱俘获电子与空穴(𝐸𝐹)载流子的漂移迁移率:反应了载流子在外电场作用下的运动状态。𝑉𝑑=𝜇𝑑𝐸,其中𝜇𝑑为迁移率,反映了平均漂移速度与外电场的变化关系.𝜇𝑛,𝜇𝑝均为正值。影响𝜇𝑑的影响因素为:温度,掺杂浓度散射(破坏了周期性势场):电离杂质散射和晶格振动散射电导率:𝜎=e(𝜇𝑛𝑛+𝜇𝑝𝑝)载流子的漂移强电场下速度峰值及饱和速度当漂移速度随电场逐渐增大时,漂移速度与热运动速度相当时,显著改变载流子的平均自由时间,即会达到速度上限。饱和速度不等于上限速度,其原因在与发生谷间散射,或解释为:散射能谷的有效质量变大,而:𝜇=𝑞𝜏𝑚∗。载流子的扩散杂质浓度分布不均匀引起的运动为扩散。𝐽=𝑞𝐷𝑛𝑑𝑛𝑑𝑥−𝑞𝐷𝑝𝑑𝑝𝑑𝑥扩散系数𝐷𝑛,𝐷𝑝均为正值。三维方向总电流𝐽=𝑒𝑛𝜇𝑛𝐸+𝑒𝑝𝜇𝑝𝐸+𝑒𝐷𝑛ߘn−e𝐷𝑝ߘp爱因斯坦方程:电流连续性方程:𝐷𝑛𝜇𝑛=𝐷𝑝𝜇𝑝=𝐾𝑇𝑒金半接触金属与半导体的功函数与接触电势差功函数即电子溢出至真空的最小能量,当金属与半导体相互接触时,电子或空穴发生移动形成接触电势差。阻挡区与反阻挡区(阻挡区即阻挡电子或空穴从半导体移动至金属,反阻挡区反过来)肖特基势垒(阻挡层)的整流特性(即阻挡层外加反向偏压时,反向电流很小趋于饱和)金半接触外加电压对n型阻挡层的影响:外加反向电压时整流接触此时的I-V曲线:金半接触肖特基势垒的电流输运热电子发射理论(了解)𝐽=𝐽𝑠⟶𝑚+𝐽𝑚⟶𝑠=𝐽𝑆𝑇exp𝑞𝑉𝑘0𝑇−1𝐽𝑆𝑇=𝐴∗𝑇2exp(−𝑞𝜑𝑛𝑠𝑘0𝑇)扩散理论(了解)𝐽=𝐽𝑆𝐷exp𝑞𝑉0𝑘0𝑇−1𝐽𝑆𝐷=𝜎2𝑞𝑁𝐷𝜀𝑟𝜀012exp(−𝑞𝑉𝐷𝑘0𝑇)金半接触高电场下,肖特基势垒大大降低。肖特基势垒取决于外加偏压。掺杂浓度较高也会导致势垒高度下降量增大。镜像力与隧道效应对反向特性的影响尤其显著,降低势垒高度和增加反向电流。隧道效应的隧道电流占主导地位,金属与半导体之间的接触电阻很小,形成欧姆接触(重掺杂的半导体与金属接触)MIS结构理想MIS结构:1金属与半导体之间功函数差为零2绝缘层内没有电荷且绝缘层完全不导电3绝缘体与半导体界面处无表面态表面势:半导体表面相对于体内的电势MIS结构外加偏压后,半导体表面的表面势?多子耗尽,反型,强反型的界定。MIS结构下各种偏压下能带图以及电荷分布反型临界反型与强反型强反型条件:表面少子浓度超过体内多数载流子浓度。平带电压开启电压C-V特性理想C-V(了解)归一化电容:𝐶𝐶0=11+𝐶0𝐶𝑆𝐶0为绝缘层单位面积电容;𝐶𝑆为表面空间电荷区电容
本文标题:semiconductor
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