半导体物理_复习(刘恩科)

半导体物理复习课半导体物理第一章半导体中的电子状态晶体结构与共价键金刚石型结构闪锌矿型结构纤锌矿型结构氯化钠型结构半导体物理能级与能带电子在原子核势场和其他电子作用下分列在不同能级相邻原子壳层形成交叠原子相互接近形成晶体共有化运动共有化运动：由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动只有外层电子共有化运动最显著半导体物理能级分裂半导体物理能带形成满带或价带导带半导体物理半导体物理本征激发常用禁带宽度硅：1.12eV锗：0.67eV砷化镓：1.43eV半导体物理半导体中电子状态和能带晶体中的电子VS自由电子严格周期性重复排列的原子间运动恒定为零的势场中运动单电子近似：晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场以及其他大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期变化的，并且它的周期与晶格周期相同。半导体物理半导体中的电子运动半导体中E(k)与k的关系222*nddkEhm电子速度与能量关系电子有效质量半导体物理有效质量的意义：fa1、概括了半导体内部势场的作用2、a是半导体内部势场和外电场作用的综合效果3、直接将外力与电子加速度联系起来半导体物理空穴正电有效质量为正半导体物理回旋共振等能面电子有效质量可测半导体物理小结共有化运动Si的能带分布图本征激发电子有效质量的意义半导体物理半导体中的杂质所处位置不同：替位式杂质、间隙式杂质所处能级不同：施主杂质、受主杂质施放电子而产生导电电子并形成正电中心接受电子成为负电中心半导体物理半导体物理半导体物理杂质补偿作用DANNADNNND≈NA半导体物理深能级深能级对半导体中的载流子浓度和导电类型的影响没有浅能级杂质显著，但对载流子的复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称为复合中心半导体物理离子性强的化合物半导体（M,X）半导体物理小结施主杂质——施主能级受主杂质——受主能级杂质补偿深能级（复合中心）缺陷及所对应的施主/受主作用半导体物理第三章半导体中载流子的统计分布热平衡状态低能量的量子态高能量的量子态产生电子空穴对使电子空穴对不断减少热平衡载流子：处于热平衡状态下的导电电子和空穴半导体物理状态密度状态密度：能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数。EZEgdd状态密度的计算：为简单起见，考虑等能面为球面的情况21c323*nc24ddEEhmVEZEg半导体物理费米能级与分布函数费米分布函数：（描述热平衡状态下，电子在允许的量子态上如何分布）)exp(110TkEEEfFT=0K时，若EEF，则f(E)=1若EEF，则f(E)=0标志了电子填充能级的水平E-EFk0T半导体物理玻尔兹曼分布函数条件：E-EFk0TTkEEBFeEf0费米统计分布：受到泡利不相容原理限制玻尔兹曼分布：泡利原理不起作用半导体物理导带电子浓度()cdZgEdE能量E到E+dE之间的量子态电子占据能量为E的量子态几率将所有能量区间中电子数相加除以半导体体积导带电子浓度n0()fE'()()ccEcEfEgEdEV*3/23/21/200300(2)4()exp()xncFmEEnkTxedxhkT载流子浓度是与温度、杂质数量及种类有关的量半导体物理载流子浓度乘积n0p0与费米能级无关只决定与温度T，与所含杂质无关适用于热平衡状态下的任何半导体温度一定，n0p0一定g00cv0expEnpNNkTNc：导带有效状态密度Nv：价带有效状态密度半导体物理本征半导体pn电中性条件CVVCFiNNkTEEEEln2121kTENNpngVCii2exp21半导体物理杂质半导体中的载流子浓度TkEEEf0FDDexp2111TkEEEf0AFAexp21110()11exp()2DDDDDFNnNfEEEkT电子占据施主能级的几率：空穴占据受主能级的几率：施主能级上的电子浓度电离施主浓度DDDnNn半导体物理只含一种杂质的半导体N型半导体n0=nd++p0弱电离饱和电离区杂质饱和电离——本征过渡区杂质电离本征激发区半导体物理弱电离CdddCdCddCCFNgNkTEENNgkTEEEEln221ln22kTEgNNnIddC2exp21半导体物理饱和电离dCCFNNkTEElndNndiiNnnnp22半导体物理lnn本征区饱和区杂质电离区T1图4.5N型半导体中电子浓度随温度的变化半导体物理ECEaEiEdEVET0型NEF型PEF图4.6费米能级随温度的变化半导体物理有杂质补偿的半导体addapNpnNn在NdNa的半导体中ddanNpNn在NaNd的P型半导体中aadpNnNpNa=Nd的半导体中完全补偿的半导体半导体物理N型半导体(NdNa)杂质电离情况下：NdNa，则受主完全电离，pa=0由于本征激发可以忽略，则电中性条件为ddanNNn低温区电离情况在更低的温度下杂质饱和电离情况adNNnadiNNnp2adCCFNNNkTEEln半导体物理简并半导体22.2时，当kTEEFC：属于非简并；0220时，当kTEEFC：属于弱简并；00时，当FCEE：属于简并．禁带变窄冻析效应半导体物理第四章半导体的导电性漂移运动：电子在电场力作用下的运动迁移率：单位场强下电子的平均漂移速度||dE电导率电流密度//||npnpJnqE//npnpnq半导体物理散射及散射机构平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程散射机构（1）电离杂质散射3/2iiPNT（2）晶格振动散射声学波光学波（3）其他散射：能谷散射、中性杂质散射、位错散射23TP长纵声学波在长声学波中起主要作用半导体物理电阻率与温度的关系载流子主要由电离杂质提供杂质全部电离，晶格振动散射上升为主要矛盾本征激发成为主要矛盾半导体物理强电场效应现象：偏离欧姆定律解释：从载流子与晶格振动散射时的能量交换过程来说明半导体物理第五章非平衡载流子施加外界作用偏离热平衡态产生非平衡载流子破坏热平衡条件比平衡态多出来一部分载流子半导体物理非平衡载流子n：非平衡态下的电子浓度p：非平衡态下的空穴浓度n0：平衡态下的电子浓度p0：平衡态下的电子浓度非平衡载流子的复合：当半导体由非平衡态恢复为平衡态，过剩载流子消失的过程。pppnnn00半导体物理准费米能级当半导体处于非平衡状态，不再具有统一的费米能级，引入准费米能级niFi0expEEnnkT非平衡态下电子浓度：非平衡态下空穴浓度：piFi0expEEpnkTCEFEVEFnEFpE半导体物理复合理论直接复合电子在导带和价带之间的直接跃迁间接复合非平衡载流子通过复合中心的复合间接复合的四个过程过程前过程后半导体物理载流子的扩散运动稳定扩散的条件：单位时间在单位体积内积累的载流子＝由于复合而消失的载流子p22pddpxpD空穴扩散系数非平衡少数载流子的寿命非平衡少数载流子浓度半导体物理爱因斯坦关系式(意义，推导)从理论上找到扩散系数和迁移率之间的定量关系nnn()0JJJ漂扩（）＝迁移率电场作用下运动的难易程度扩散系数存在浓度梯度下载流子运动的难易程度0nnp0p::kTDqDkTq电子空穴nnn()0JJJ漂扩（）＝半导体物理第五章p-n结半导体物理第五章p-n结1、内建电场结果2、费米能级相等标志了载流子的扩散电流和漂移电流互相抵消半导体物理p-n结接触电势差VD20lniADDnNNqTkVVD和p-n结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关。在一定温度下，●突变结两边的掺杂浓度越高，接触电势差VD越大；●禁带宽度越大，ni越小，接触电势差VD越大；半导体物理正向偏压反向偏压半导体物理p-n结电流电压特性正向偏压下p-n结的费米能级半导体物理反向偏压下p-n结的费米能级半导体物理理想pn结的电流电压方程式1TkqVexpJ则J　　LpqDLnqD令J1TkqVexp)LpqDLnqD(xJxJJ0spn0pnp0ns0pn0pnp0nnppn半导体物理pn结电容势垒电容扩散电容