半導(dǎo)體物理_復(fù)習(xí)

1、半導(dǎo)體物理復(fù)習(xí)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(yùn)動v 共有化運(yùn)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，電子將可以在整個晶體中運(yùn)動v 只有外層電子共有化運(yùn)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(dǎo)帶(教材P10-11)基本概念：能帶，允帶，禁帶半導(dǎo)體中電子狀態(tài)和能帶晶體中的電子VS自由電子嚴(yán)格周期性重復(fù)排列的原子間運(yùn)動恒定為零的勢場中運(yùn)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 以及其他大量電子的平均勢場中運(yùn)動

2、，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(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的能帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶半滿帶禁帶價帶禁帶價帶滿帶絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體的能帶示意圖三者的主要區(qū)別：禁帶寬度和導(dǎo)帶填充程度金屬導(dǎo)帶半滿；半導(dǎo)體禁帶寬度在1eV左右；絕緣體禁帶寬且導(dǎo)帶空(教材P16)本征激發(fā)：當(dāng)溫度一定時，價帶電子受到激發(fā)而成為導(dǎo)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)gCVEEE本征激發(fā)(教材P17)半導(dǎo)體中的電子運(yùn)動v 半導(dǎo)體中E(k)與k的關(guān)系 222022*1 d

3、02d0 =2knEE kEkkh kE kEm*1,ndEhkvvh dkm222*nddkEhm v 電子速度與能量關(guān)系v 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fa1、概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用2、a是半導(dǎo)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*nm(教材P19)空穴空穴：將價帶電子的導(dǎo)電作用等效為帶正電荷的 的導(dǎo)電作用。v 空穴的主要特征：v A. 正電荷：+q；v B. 空穴濃度表示為p（電子濃度表示為n）；v C. EP=-Env D. mP*=-mn*引入空穴的意義A. 把價帶中大量電子對電流的貢獻(xiàn)用少量的空穴表達(dá)出來。

4、B. 半導(dǎo)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(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)v 直接帶隙：砷化鎵v 間接帶隙：硅、鍺Ge：111能谷為導(dǎo)帶底Si：100能谷為導(dǎo)帶底(教材P30)(教材P32)第二章 半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級v所處位置不同：替位式雜質(zhì)、間隙式雜質(zhì)v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(dǎo)電電子并形成正電中心接受電子成為負(fù)電中心(教材P37-40)實際半導(dǎo)體和理想半導(dǎo)體的主要區(qū)別 基本概念基本概念 1. 施主雜質(zhì)，施主能級，施主雜質(zhì)電離能施主雜質(zhì)，施主能級，施主雜質(zhì)電離能 施主雜質(zhì)：施主雜質(zhì)：能夠施放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心的雜質(zhì)，稱為

5、施主雜質(zhì)，摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體叫N型半導(dǎo)體。 施主能級施主能級: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(dǎo)帶低很近的禁帶中。 施主雜質(zhì)電離能：施主雜質(zhì)電離能：導(dǎo)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)生導(dǎo)電空穴，并形成負(fù)電中心的雜質(zhì)，稱為受主雜質(zhì)，摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體叫P型半導(dǎo)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低很近的禁帶中。 受主雜質(zhì)電離能：價帶頂E

6、V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(fù)電中心。(教材P40)雜質(zhì)的補(bǔ)償作用EDn= ND-NA ND，半導(dǎo)體是n型的ND-NA為有效施主濃度ED EAp= NA-ND NA，半導(dǎo)體是p型的NA-ND為有效受主濃度EA(教材P42)(1) 當(dāng)NDNA時 (2) 當(dāng)NAND時 (3) 當(dāng)NDNA時，雜質(zhì)的高度補(bǔ)償。費(fèi)米能級與分布函數(shù)v 費(fèi)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） )exp(110TkEEEfFv T=0K時，若EEF，則f (E)=0標(biāo)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)

7、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。l在熱力學(xué)溫度為0K時，費(fèi)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(diǎn)玻爾茲曼分布函數(shù)費(fèi)米統(tǒng)計分布：受到泡利不相容原理限制玻爾茲曼分布：泡利原理不起作用 當(dāng) 時，由于 ，所以費(fèi)米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為 稱為電子的玻耳茲曼分布函數(shù)0FEEk T0exp()1FEEk T001 exp()exp()FFEEEEk Tk T0000exp()exp()exp( )exp)()(BFFEEEEk TkEfEAk TTk T( )BfE(教材P58)v 導(dǎo)帶電子濃度( )cdZg

8、E dE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(dǎo)體體積導(dǎo)帶電子濃度n0( )f E( )( )ccEcEf E gE dEV* 3/23/21/200300(2)4()exp()xncFmEEnk Txe dxhk T載流子濃度是與溫度、雜質(zhì)數(shù)量及種類有關(guān)的量導(dǎo)帶電子濃度(教材P59-60)00exp()cFcEEnNk T3*203(2)2ncm k TNh其中載流子濃度乘積n0p0v 與費(fèi)米能級無關(guān)v 只決定與溫度T，與所含雜質(zhì)無關(guān)v 適用于熱平衡狀態(tài)下的任何半導(dǎo)體v 溫度一定， n0p0一定g00cv0expEn pN Nk TNc：導(dǎo)帶

9、有效狀態(tài)密度Nv：價帶有效狀態(tài)密度(教材P62-64)exp()(02/100TkENNpnngvci本征半導(dǎo)體本征載流子濃度：雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度 TkEEEf0FDDexp2111 TkEEEf0AFAexp21110( )11exp()2DDDDDFNnN fEEEk T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DDDnNn(教材P65-66)同理，可得到受主能級上的空穴濃度，電離受主濃度。n型硅中電子濃度與溫度關(guān)系v五個區(qū) 低溫弱電離區(qū) 中間電離區(qū) 強(qiáng)電離區(qū) 過渡區(qū) 高溫本征激發(fā)區(qū)v各區(qū)特點(diǎn)及變化趨勢(教材P67-72)摻雜半導(dǎo)體的載流子濃度和

10、費(fèi)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(dǎo)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(fèi)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(dǎo)體，費(fèi)米能級位于禁帶中線以上，ND越大，費(fèi)米能級位置越高；對于p型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級位于中線以下，NA越大，費(fèi)米能級位置越低。(教材P74)簡并半導(dǎo)體 當(dāng)費(fèi)米能級位于禁帶之中且遠(yuǎn)離價帶頂和導(dǎo)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(fèi)米分布來處理在流子濃度問題，這樣的半導(dǎo)體被稱為非簡并半導(dǎo)體。反之則只能用費(fèi)米分布來處理載

11、流子濃度問題，這種半導(dǎo)體為簡并半導(dǎo)體。把 與 的相對位置作為區(qū)分簡并化與非簡并化的標(biāo)準(zhǔn)：020200FcFcFcEETkEETkEEFEcE非簡并弱簡并簡 并(教材P80-82)第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性v 漂移運(yùn)動：電子在電場力作用下的運(yùn)動v 遷移率：單位場強(qiáng)下電子的平均漂移速度電導(dǎo)率電流密度|JnqEnqdE(教材P92)-電導(dǎo)率與遷移率的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系PtdtPeNNPt11000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)。2*2*22*nnnnpppppnnpnpnpnqnnqmpqppqmpqnqnq

12、pqmm對 型半導(dǎo)體對 型半導(dǎo)體對一般半導(dǎo)體(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11npnqpq電阻率1111nnppnpiinpnnqppqnqpqnq對 型半導(dǎo)體對 型半導(dǎo)體對一般半導(dǎo)體對本征半導(dǎo)體(教材P106-108)第五章 非平衡載流子 對于給定的半導(dǎo)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。2000expgCViEn pN NnK T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：0000exp;

13、expCFFVCVEEEEnNpNk Tk T(教材P126)非平衡態(tài)：當(dāng)半導(dǎo)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(dǎo)體狀態(tài)稱為非平衡態(tài)。非平衡載流子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(fù)合：當(dāng)半導(dǎo)體由非平衡態(tài)恢復(fù)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：00nnnpppnp (教材P127)小注入條件: 當(dāng)非平衡載流子的濃度n(或p)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(dǎo)體表面之間(教材P196-199)阻擋層、

14、反阻擋層整流接觸v 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VI0Schottky勢壘歐姆接觸歐姆接觸：金屬和半導(dǎo)體形成的不產(chǎn)生明顯的附加阻抗，不引起半導(dǎo)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抗為零的接觸。第七章 半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)v 表面電場效應(yīng)MIS結(jié)構(gòu)（金屬絕緣層半導(dǎo)體）v 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，“表面勢VS”就是為描述能帶變曲的方向和程度而引入的。v 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(dǎo)體表面附近形成的

15、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(dǎo)體表面積累，越接近半導(dǎo)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(yuǎn)少于體內(nèi)，基本上耗盡，表面帶負(fù)電（濃度基本等于電離受主雜質(zhì)濃度）。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(qiáng)反型強(qiáng)反型強(qiáng)反型條件強(qiáng)反型條件強(qiáng)反型： 0pspn Vs2VBiABnNqTkVln0iAsnNqTkVln20T，NA襯底雜質(zhì)濃度越高，Vs就越大，越不容易達(dá)到

16、反型。NA=pp0,開啟電壓VT 使半導(dǎo)體空間電荷層處于臨界強(qiáng)反型時，在MIS結(jié)構(gòu)上所加的柵壓。強(qiáng)、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(biāo)志。(教材P224-225)CV特性(1) VG0耗盡狀態(tài)：VG增加，xd增大，Cs減小，CD段Vs2VB時：EF段（低頻）強(qiáng)反型，電子聚集表面， CC0GH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(xiàn)，還是由耗盡層的電荷變化決定（強(qiáng)反型達(dá)到xdm不隨VG變化，電容保持最小值）；GH段(教材P228-232)sCCCC0011名詞解釋有效質(zhì)量，空穴，施主雜質(zhì)，受主雜質(zhì)，雜質(zhì)雙性行為，費(fèi)米能級，簡并半導(dǎo)體，遷移率，聲子，非平衡載流子，少數(shù)載流子壽命，準(zhǔn)費(fèi)米能級，直接復(fù)合，間接復(fù)合，擴(kuò)散長度，電子親和能，接觸電勢差，阻擋層，反阻擋層，肖特基勢壘，歐姆接觸定性分析題v 實際半導(dǎo)體與理想半導(dǎo)體間的主要區(qū)別是什么？v 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(dǎo)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(dǎo)體。v 以Si在GaAs中的行為為例，說明IV族雜質(zhì)