半导体物理复习-1

半导体物理复习-1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。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：amfn*外（3）电子的有效质量与晶体的能带结构有关利用有效质量可以对半导体的能带结构进行研究（4）有效质量可以通过回旋共振实验测得，并椐此推出半导体的能带结构222*dkEdhmn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222*dkEdhm有效质量速度：dkdEh1例1、一维晶体的电子能带可写为，式中a为晶格常数，试求1、能带宽度；2、电子在波矢k状态时的速度；3、能带底部电子的有效质量；4、能带顶部空穴的有效质量；)2cos81cos87()22kakamakE（0)(dkkdEankank)12(222)makEMAX（ank20)(MINkEank)12(1、由得（n=0，1，2…）（n=0，1，2……）时，E（k）有极大值，（n=0，1，2……）时，E（k）有极小值所以布里渊区边界为（n=0，1，2……）进一步分析1.能带宽度为222)()makEkEMINMAX（2电子在波矢k状态的速度)2sin41(sin1kakamadkdEv)2cos21(cos222*kakamdkEdmnank2mmn2*3、电子的有效质量能带底部所以，ank)12(**npmm5、能带顶部且，所以能带顶部空穴的有效质量mmp2*重点：1.闪锌矿结构与金刚石结构半导体材料单位体积内的原子数目计算2.在一个电子能带图中，电子和空穴的能量变化规律3.有效质量采用回旋共振方法测量4.电子和空穴有效质量在能带顶的区分5.绝缘体与半导体的区分第二章基本概念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施主能级受主能级△ED△EA3.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重点：1.施主杂质N型半导体2.受主杂质P型半导体3.两性杂质第三章一.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：当系统处于热平衡状态时，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，也就是系统的费米能级，它标志了电子填充能级的水平。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。3。简并半导体和非简并半导体简并半导体：对于重掺杂半导体，费米能级接近或进入导带或价带，导带/价带中的载流子浓度很高，泡利不相容原理起作用，电子和空穴分布不再满足玻耳兹曼分布，需要采用费米分布函数描述。称此类半导体为简并半导体。非简并半导体：在半导体中，当满足EC-EF》kT或EF-EV》kT时，载流子浓度服从玻尔兹曼分布，称为非简并半导体。00FCFCEETkEE00FVFVEETkEEn型半导体p型半导体非简并简并二、基本公式1.态密度函数（了解、不要求背会）21323*)()2(4)(CncEEhmVdEdZEg21323*)()2(4)(EEhmVdEdZEgVPV导带态密度价带态密度2.费米分布函数（掌握）TkEEFeEf011)(波尔兹曼函数TkEEFeEf0)(当E-EFkT时3.载流子的浓度（掌握）TkEEiiFenn00)exp(00TkEENnfCc)exp(00TkEENpVFvTkEEiFienp00200inpn平衡态非平衡态TkEEiFpFnenpn02004.费米能级公式（掌握）iiFCCFnnkTEENnkTEE00lnlniiFVVFnpkTEENpkTEE00lnln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强电离区(掌握)02000200pnnNNpNNnnpNNnNNiDAADiADAD时当时：当02000200pnnNpnnpNniAiD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杂质浓度过渡区（了解）n型半导体：200002000020000iDAiAiDnpnNpNnnpnNnpnpnNpn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（掌握）n0=p0=niEF=Ei费米能级仍用前面的公式得到EF=Ei本征载流子浓度n型Si中Ef与温度T的关系施主能级与费米能级的关系EF电离1/3例题1（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。例题2证明：p型半导体的费米能级在n型半导体的费米能级之下。例题3重点：1.掌握费米能级概念2.掌握简并半导体，非简并半导体概念3.费米能级的位置(强电离、本征)4.掌握与载流子浓度以及费米能级有关的简单证明与计算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/vsEpqnqJJJpnpn)(迁移率与杂质浓度和温度有关，温度增加时，晶格散射增强，迁移率减小；杂质浓度增加时，电离杂质散射作用加强，迁移率减小。3。什么是载流子的散射？半导体中载流子的有哪两种主要散射机制没有外场的作用，载流子作无规则的热运动。载流子在半导体中运动时，不断地与热振动的晶格原子或电离的杂质离子发生碰撞，碰撞后载流子的运动速度的大小和方向发生了改变。用波的概念，就是说电子波在半导体中传播时遭到了散射。半导体中载流子的散射机制：晶格散射和电离杂质散射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pinipinippnnqnqnqnqnpqpqnqnq1,1,1,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。杂质半导体中的载流子输运过程的散射机构中，当温度升高时，电离杂质散射的概率和晶格振动声子的散射概率的变化分别是（）A.变大，变小B.变小，变大C.变小，变小D.变大，变大例题1在强电场下，随电场的增加，Si中载流子的平均漂移速率是（）A.增加B.减少C.不变D.不能确定例题2例题3重点：1.掌握迁移率的概念2.掌握散射机制与概念3.掌握电阻率的计算