某大學(xué)研究生復(fù)試講義-半導(dǎo)體物理概念

半導(dǎo)體物理復(fù)習(xí)東南大學(xué)928研究生復(fù)試半導(dǎo)體物理——概念匯總一、半導(dǎo)體的電子狀態(tài)?金剛石結(jié)構(gòu)：金剛石結(jié)構(gòu)是一種由相同原子構(gòu)成的復(fù)式晶格，它是由兩個(gè)面心立方晶格沿立方對(duì)稱晶胞的體對(duì)角線錯(cuò)開1/4長(zhǎng)度套構(gòu)而成。(111)面規(guī)則按照ABCABC排列。?閃鋅礦結(jié)構(gòu)：閃鋅礦結(jié)構(gòu)是一種由不同原子構(gòu)成的復(fù)式晶格，它是由兩個(gè)面心立方晶格沿立方對(duì)稱晶胞的體對(duì)角線錯(cuò)開1/4長(zhǎng)度套構(gòu)而成。纖鋅礦結(jié)構(gòu)：由兩種類型的原子各自組成六方排列的雙原子層堆積而成。(001)面規(guī)則按照ABABA排列。?單電子近似：?jiǎn)坞娮咏普J(rèn)為，晶體中的某一個(gè)電子是在周期排列且固定不動(dòng)的原子核的勢(shì)場(chǎng)，以及其他大量電子的平均勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，該勢(shì)場(chǎng)是與晶格周期相同的周期性勢(shì)場(chǎng)，可以看成是一個(gè)平均的等效的勢(shì)場(chǎng)。用單電子近似法研究晶體中電子狀態(tài)的理論成為能帶論?有效質(zhì)量的物理意義：當(dāng)電子在外力作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，一方面受到外力f的作用，另一方面受到半導(dǎo)體內(nèi)部原子電子相互作用著，電子的加速度是半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)和外電場(chǎng)綜合作用的結(jié)果。有效質(zhì)量概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用,使得在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí),可以不涉及內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用。回旋共振實(shí)驗(yàn)可以測(cè)出有效質(zhì)量?電子在晶體中的共有化運(yùn)動(dòng)：電子不再局限于某一原子上，而是可以從晶胞中某一點(diǎn)自由運(yùn)動(dòng)到其他晶胞的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，因而電子可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)。最外層的電子共有化運(yùn)動(dòng)才顯著。?準(zhǔn)自由電子：組成晶體的原子外層電子共有化運(yùn)動(dòng)顯著，行為與自由電子相似。??空穴的特征：通常把價(jià)帶空著的狀態(tài)看成是帶正電荷的假想粒子，具有正電荷+q和正有效質(zhì)量m『,空穴一般位于價(jià)帶頂附近,在該狀態(tài)的空穴速度就等于該狀態(tài)的電子的速度。本征半導(dǎo)體導(dǎo)帶出現(xiàn)多少電子，價(jià)帶就對(duì)應(yīng)出現(xiàn)多少空穴，價(jià)帶上空穴也參與導(dǎo)電，空穴導(dǎo)電實(shí)質(zhì)上是價(jià)帶中大量電子的導(dǎo)電。▲簡(jiǎn)述有效質(zhì)量與能帶結(jié)構(gòu)的關(guān)系；答:能帶越窄，有效質(zhì)量越大，能帶越寬，有效質(zhì)量越小?！袛噍p空穴帶和重空穴帶的依據(jù)。答：E(c)=-&{Ak2土㈣。取負(fù)號(hào)能帶窄，有效質(zhì)量大，對(duì)應(yīng)重空穴，取正號(hào)能帶寬，有效質(zhì)量小，對(duì)應(yīng)輕空穴?！鵀槭裁措娮佑行з|(zhì)量小于空穴有效質(zhì)量。答：空穴反映價(jià)帶電子運(yùn)動(dòng)，價(jià)帶電子實(shí)際上受到共價(jià)鍵的束縛，較之導(dǎo)帶中的自由運(yùn)動(dòng)的電子有效質(zhì)量要更大。?導(dǎo)體絕緣體半導(dǎo)體劃分：I導(dǎo)體內(nèi)部存在部分充滿的能帶，在電場(chǎng)作用下形成電流；II絕緣體內(nèi)部不存在部分充滿的能帶，在電場(chǎng)作用下無電流產(chǎn)生；III半導(dǎo)體的價(jià)帶是完全充滿的，但與之上面靠近的能帶間的能隙很小，電子易被激發(fā)到上面的能帶，使這兩個(gè)能帶都變成部分充滿，使固體導(dǎo)電。以硅的本征激發(fā)為例，說明半導(dǎo)體能帶圖的物理意義及其與硅晶格結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，為什么電子從其價(jià)鍵上掙脫出來所需的最小能量就是半導(dǎo)體的禁帶寬度？答:沿不同的晶向，能量帶隙不一樣。因?yàn)殡娮右獢[脫束縛就能從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，這個(gè)時(shí)候的能量就是最小能量，也就是禁帶寬度。觀察硅導(dǎo)帶等能面示意圖。橢圓代表什么？為什么有6個(gè)橢圓？答：橢圓代表等能面。因?yàn)橛没匦舱駥?shí)驗(yàn)表明：B沿［111］,只有一個(gè)吸收峰；B沿［110］,有兩個(gè)吸收峰；B沿［100］,有兩個(gè)吸收峰；B沿晶軸任意方向，有三個(gè)吸收峰。認(rèn)為硅導(dǎo)帶底附近等能面是沿［100］方向的旋轉(zhuǎn)橢球面，根據(jù)硅晶體的立方對(duì)稱性必有同樣的能量位于其他5個(gè)軸方向上，所以共有6個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球面構(gòu)成硅導(dǎo)帶底的等能面。半導(dǎo)體的回旋共振現(xiàn)象是怎樣發(fā)生的（以n型半導(dǎo)體為例）【導(dǎo)帶質(zhì)量頻率吸收】答：首先將半導(dǎo)體置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。一般n型半導(dǎo)體中大多數(shù)導(dǎo)帶電子位于導(dǎo)帶底附近，對(duì)于特定的能谷而言，這些電子的有效質(zhì)量相近，所以這些電子在磁場(chǎng)作用下做回旋運(yùn)動(dòng)的頻率近似相等。當(dāng)用電磁波輻照該半導(dǎo)體時(shí)，如若頻率與電子的回旋運(yùn)動(dòng)頻率相等，則半導(dǎo)體對(duì)電磁波的吸收非常顯著，通過調(diào)節(jié)電磁波的頻率可觀測(cè)到共振吸收峰。這就是回旋共振的機(jī)理。N型硅、錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果指出，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)于晶軸有不同取向時(shí)，回旋共振實(shí)驗(yàn)可以得到為數(shù)不等的吸收峰。例如對(duì)硅來說，沿［111］晶軸方向可以觀察到工個(gè)吸收峰，沿［110］方向，可以觀察到2個(gè)吸收峰，沿任意方向時(shí)，可以觀察到工個(gè)吸收峰。?Ge半導(dǎo)體導(dǎo)帶底位于［1111方向布里淵區(qū)邊界,價(jià)帶頂位于布里淵區(qū)中心,電場(chǎng)強(qiáng)度為E,晶格常數(shù)為a,則帶電量為q的電子從帶底運(yùn)動(dòng)到能帶頂所需時(shí)間（含）計(jì)算方法：dk

Ff.=qE.dt=—dk.qEht= 2aqE?價(jià)帶頂電子躍遷到導(dǎo)帶底準(zhǔn)動(dòng)量變化。p=ftk△p=hk］—hk2?載流子速度：IdE

vhdk?價(jià)帶空穴有效質(zhì)量，導(dǎo)帶電子有效質(zhì)量的計(jì)算。1_1d2Ec（k）m，nh2dk21_ 1d2Fv（/c）mp-h2dk2?半導(dǎo)體中能量零點(diǎn)在［111］方向，導(dǎo)帶底共有建個(gè)，回旋共振實(shí)驗(yàn)B沿［100］方向，能觀察到2個(gè)吸收峰.直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體的區(qū)別在于：直接帶隙半導(dǎo)體電子躍遷時(shí)不需要釋放或吸收聲子（即晶格振動(dòng)），而間接帶隙半導(dǎo)體需要。而且聲子的能量也是分立的，所以直接帶隙半導(dǎo)體更容易躍遷?！窕G材料相對(duì)于硅材料用在高頻器件或激光器等發(fā)光器件時(shí)的優(yōu)勢(shì)?！局贝蟠笮　看穑荷窕X具有電子遷移率高（是硅的5~6倍）、禁帶寬度大（為1.43eV,硅為l.leV）,且為直接帶隙半導(dǎo)體（優(yōu)勢(shì)：電子空穴更容易躍遷，能量利用效率更高），容易制成半絕緣材料（電阻率10,?109）、本征載流子濃度低、光電特性好。二、半導(dǎo)體的雜質(zhì)和能級(jí)缺陷?施主雜質(zhì)：雜質(zhì)電離后能施放電子而產(chǎn)生導(dǎo)帶電子形成正電中心，稱這種雜質(zhì)為施主雜質(zhì)。?施主雜質(zhì)電離能：電子脫離雜質(zhì)原子束縛成為導(dǎo)電電子的過程稱為雜質(zhì)電離，使這個(gè)多余價(jià)電子掙脫束縛成為導(dǎo)電電子所需的能量稱為施主雜質(zhì)電離能△Ed?受主雜質(zhì)：雜質(zhì)電離后能接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴形成負(fù)電中心，稱這種雜質(zhì)為受主雜質(zhì)。?受主雜質(zhì)電離能：空穴脫離雜質(zhì)原子束縛成為導(dǎo)電空穴的過程稱為雜質(zhì)電離，使這個(gè)多余價(jià)空穴掙脫束縛成為導(dǎo)電空穴所需的能量稱為施主雜質(zhì)電離能△&?雜質(zhì)的補(bǔ)償作用：半導(dǎo)體中同時(shí)含有施主和受主雜質(zhì)，施主和受主先相互抵消，剩余的雜質(zhì)發(fā)生電離。?少量硅摻入神化鑲，主要取代獴原子。硅原子濃度較高時(shí)，有一部分硅原子取代了理原子。因此硅在神化卷中稱為雙性雜質(zhì)?！钃饺氆|化錢，電子濃度與硅濃度先是呈線性關(guān)系，后逐漸飽和，解釋之；答：當(dāng)硅的濃度比較低的時(shí)候，取代川族錢原子起施主作用，硅雜質(zhì)電離時(shí)硅原子向?qū)峁┮粋€(gè)導(dǎo)電電子，導(dǎo)帶中的電子濃度隨硅雜質(zhì)的濃度線性增加；當(dāng)硅的濃度上升到一定濃度，硅原子不僅取代綠原子起著施主雜質(zhì)作用，也取代了一部分V族神原子起著受主雜質(zhì)的作用，因此對(duì)取代III族錢原子的硅施主雜質(zhì)起補(bǔ)償作用，從而降低了有效施主雜質(zhì)，電子濃度趨于飽和。?淺能級(jí)雜質(zhì)：淺能級(jí)雜質(zhì)就是指在半導(dǎo)體中、其價(jià)電子受到束縛較弱的那些雜質(zhì)原子，往往就是能夠提供載流子——電子或空穴的施主、受主雜質(zhì)；它們?cè)诎雽?dǎo)體中形成的施主能級(jí)接近導(dǎo)帶，受主能級(jí)接近價(jià)帶，因此稱其為淺能級(jí)雜質(zhì)。?淺能級(jí)雜質(zhì)重?fù)诫s的作用是獲取高導(dǎo)電性和高電荷密度?禁帶寬度變窄效應(yīng)：在重?fù)诫s半導(dǎo)體中，雜質(zhì)原子互相靠近，被雜質(zhì)原子束縛的電子波函數(shù)顯著疊加，這時(shí)電子做共有化運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的結(jié)果就是雜質(zhì)能級(jí)擴(kuò)展為雜質(zhì)能帶。如果摻雜濃度過高，雜質(zhì)能帶展寬進(jìn)入價(jià)帶或者導(dǎo)帶，產(chǎn)生禁帶變窄效應(yīng)。?深能級(jí)雜質(zhì)：能級(jí)位于禁帶中央位置附近，距離相應(yīng)允帶差值較大。深能級(jí)雜質(zhì)起復(fù)合中心、陷阱作用。?由于電離能太大,深能級(jí)不能顯著改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電性，將起到減少非平衡載流子壽命的重要作用。?金摻入硅中只能測(cè)到一個(gè)施主能級(jí)和兩個(gè)受主能級(jí)，其他雜質(zhì)能級(jí)可能因?yàn)槭┲鲬B(tài)或受主態(tài)的電離能太大而進(jìn)入導(dǎo)帶或價(jià)帶，而未出現(xiàn)在禁帶中?！锏墙鹪诠柚械膬蓚€(gè)能級(jí)并不是同時(shí)起作用的，例如在n型硅中只要淺施主雜質(zhì)不是太少，費(fèi)米能級(jí)總是接近導(dǎo)帶的，電子基本上填滿了金的能級(jí)，金接受電子成為Au,只有受主能級(jí)Es起作用。而在p型硅中，金的能級(jí)基本上是空的，金施放電子成為Au',只存在施主能級(jí)小起作用。?把磷化錢在氮?dú)庵型嘶?，?huì)有氮取代部分磷，這會(huì)在磷化在中產(chǎn)生電子陷阱。?等電子雜質(zhì)效應(yīng)：等電子雜質(zhì)是與基質(zhì)晶體原子具有相同數(shù)量?jī)r(jià)電子的雜質(zhì)原子，它們替代同族元素的格點(diǎn)原子后基本上為電中性，但由于原子序數(shù)不同，這些原子的共價(jià)半徑和電負(fù)性有差別，它們能俘獲某種載流子成為帶電中心。等電子雜質(zhì)原子的電負(fù)性大于原基質(zhì)晶體原子的電負(fù)性時(shí)，取代后可以俘獲電子稱為負(fù)電中心，反之俘獲空穴成為正電中心。三、半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布?費(fèi)米能級(jí)的物理意義：該能級(jí)上的一個(gè)狀態(tài)被電子占據(jù)的幾率是1/2。在一定溫度下，費(fèi)米能級(jí)的數(shù)值確定了電子在各量子態(tài)上的統(tǒng)計(jì)分布。它和溫度，半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型，雜質(zhì)的含量以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān)。標(biāo)志了電子填充能級(jí)的水平，也反映了半導(dǎo)體的摻雜情況。?f(E)：f(E)=-\能量為E的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的概率。1+exP(堂)?非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體：摻雜濃度較低，導(dǎo)帶中量子態(tài)被電子占據(jù)(或價(jià)帶中量子態(tài)被空穴占據(jù))的概率非常小，泡利不相容原理失去限制。E-EF?的「費(fèi)米分布函數(shù)轉(zhuǎn)化為波爾茲曼分布函數(shù)，服從玻爾茲曼分布函數(shù)的系統(tǒng)稱為非簡(jiǎn)并系統(tǒng)。

▲若半導(dǎo)體導(dǎo)帶底附近的等能面在k空間是中心位于原點(diǎn)的球面，證明導(dǎo)帶底狀態(tài)密度函數(shù)的表達(dá)式為gc（E）=47rvfel（E-Ec）,/2

h解：k空間中，量子態(tài)密度是2V,所以，在能量E到E+dE之間的量子態(tài)數(shù)為dZ=2Vx4欣,dk ⑴2/n"⑵由（1）、（2）兩式可得dZ=4亞（E-EJ」dE

h⑶由（3）式可得狀態(tài)密度函數(shù)的表達(dá)式g,（E）=爺=4加*二（E-E,）"2

dE h▲已知半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的狀態(tài)▲已知半導(dǎo)體導(dǎo)帶底的狀態(tài)密度函數(shù)的表達(dá)式為明非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體導(dǎo)帶中電子濃度為%=2證明：對(duì)于非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體導(dǎo)，由于dN=f^E)gc(E)dEdN= 3"。expj-E~E￡,（￡一E,ydE〃IkqTJ因此電子濃度微分表達(dá)式為由于導(dǎo)帶頂電子分布幾率可近似為零，上式積分上限可視為無窮大，則積分可得（2叫左丁廠（Ec-Ef、力3 4koTJ?判斷簡(jiǎn)并條件：Ec-Ef<=0簡(jiǎn)并0<Ec-Ef<=2KT弱簡(jiǎn)并Ec-Ef>2KT非簡(jiǎn)并?硅與德與神化錫的本征載流子濃度按大小排序解釋原因 。Ge>Si>GaAs原因：珅化鐐的禁帶寬度最大，褚硅次之，根據(jù)ni的公式，GaAs的本征載流子濃度最低?！鵀槭裁垂璋雽?dǎo)體器件比楮器件的工作溫度高？答：硅的禁帶寬度比楮大，且在相同溫度下，褚的本征激發(fā)強(qiáng)于硅，很容易就達(dá)到較高的本征載流子濃度，使器件失去性能。▲以硅為例，解釋導(dǎo)帶底電子狀態(tài)密度有效質(zhì)量mu”和電導(dǎo)有效質(zhì)量m,的意義和區(qū)別。答：相同點(diǎn)：數(shù)學(xué)上來說，兩者都來源于晶體E-k關(guān)系（或者叫色散關(guān)系、能帶）的二階泰勒展開項(xiàng)系數(shù)矩陣，由該系數(shù)矩陣可導(dǎo)出張量形式的有效質(zhì)量（注意：張量形式的有效質(zhì)量并未區(qū)分電導(dǎo)有效質(zhì)量和態(tài)密度有效質(zhì)量）。在各向同性的情況下，兩種有效質(zhì)量等價(jià)。不同點(diǎn)：在各項(xiàng)異性的情況下，為了簡(jiǎn)化問題，需要對(duì)各個(gè)方向有效質(zhì)量進(jìn)行平均，兩種有效質(zhì)量的平均方法不同。電導(dǎo)有效質(zhì)量描述的是材料的導(dǎo)電性能，是在經(jīng)典模型下（把電子當(dāng)做實(shí)物粒子）的物理量，最常用的地方就是計(jì)算載流子遷移率。態(tài)密度有效質(zhì)量，通常用來研究材料中有關(guān)電子統(tǒng)計(jì)的各種問題。有效質(zhì)量m*狀態(tài)密度有效質(zhì)量mdn電導(dǎo)有效質(zhì)量mc有效質(zhì)量是將晶體中內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)作用概括在其中，有效質(zhì)量的引入使得處理晶體中電子的在外場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)問題時(shí)忽略難以確定的晶格力，使問題簡(jiǎn)單化。為了將多能谷，橢球等能面的半導(dǎo)體與單能谷球形等能面的能態(tài)密度公式統(tǒng)一起來引入狀態(tài)密度有效質(zhì)量。引入電導(dǎo)有效質(zhì)量使為了將多能谷，橢球等能面的半導(dǎo)體與單能谷球形等能面的電導(dǎo)率公式統(tǒng)一起來。硅導(dǎo)帶底電子狀態(tài)有效密度：其中ml為縱向有效質(zhì)量，mt為橫向有效質(zhì)量（硅的s=6,褚的s=4）23 1 3價(jià)帶頂空穴有效質(zhì)量：（歸戶+嗅）-=~（ 1 ）硅沿著【100】的電導(dǎo)有效質(zhì)量：me3mtmtAN型硅中電子濃度與溫度的關(guān)系如圖所示，試定性解釋此關(guān)系曲線產(chǎn)生的原因。

答：.低溫弱電離區(qū)：溫度很低的時(shí)候，大部分施主雜質(zhì)仍為電子占據(jù)，只有少量施主雜質(zhì)發(fā)生電離，這少量電子進(jìn)入導(dǎo)帶，本征激發(fā)忽略不計(jì)，電子濃度隨溫度升高而增加。.常溫電離區(qū)：此溫度區(qū)間，雜質(zhì)基本全部電離，載流子濃度基本上就是雜質(zhì)濃度。.高溫本征激發(fā)區(qū)：溫度高到一定程度時(shí)，使得本征激發(fā)產(chǎn)生的載流子遠(yuǎn)多于雜質(zhì)電離產(chǎn)生的載流子數(shù)，進(jìn)入本征激發(fā)區(qū)。?雜質(zhì)能級(jí)上電子空穴占據(jù)的概率：雜質(zhì)能級(jí)的分布函數(shù)：術(shù)語定義施主能級(jí)上的電子濃度（未電離的施主濃度）〃D=Nd，d（E）一Nd1（ED-Ef}］+彳——kT~）受主能級(jí)上的空穴濃度（未電離的受主濃度）PjNJg電離施主濃度（向?qū)Ъぐl(fā)電子的濃度）

n^=ND-n電離施主濃度（向?qū)Ъぐl(fā)電子的濃度）

n^=ND-nD=ND\l-fD（E）］_Nd電離受主濃度（向價(jià)帶激發(fā)空穴的濃度）「:=必-町=乂［1-力仁）］?常用的nO,pO的另一種表不方法▲試畫出n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)隨溫度變化規(guī)律TiT2TiT2t3t4⑴T1之前：低溫弱電離區(qū)：導(dǎo)帶電子從施主雜質(zhì)電離產(chǎn)生。(po?0,n。=nD+?Nd)Ef在Nc=0.11Nd時(shí)取極大值。號(hào)=警+印4條⑵T1~T2：中間電離區(qū)：隨溫度升高，導(dǎo)帶中電子濃度增加而費(fèi)米能級(jí)從施主能級(jí)以上下降到施主能級(jí)以下。2Nc>N0后,Ef下降到(Ec+Ed)/2以下。⑶T2~T3：強(qiáng)電離區(qū)：當(dāng)E.下降到E。以下若干k°T時(shí)，施主雜質(zhì)全部電離導(dǎo)帶中電子濃度等于施主雜質(zhì)濃度，進(jìn)入飽和區(qū)。(山=山+*Nd)&越向E,靠近。J=Ec+41nl(4)T3-T4：過渡區(qū)：再升高溫度，雜質(zhì)電離已經(jīng)不能3加電子數(shù)，但本征激發(fā)的電子迅速增加，半導(dǎo)體進(jìn)入過渡區(qū)。(5)T4以后：高溫本征激發(fā)區(qū)：溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)成為載流子的主要來源，載流子濃度急劇上升，而費(fèi)米能級(jí)下降到禁帶中線處。no?po?NDo▲n型半導(dǎo)體中，費(fèi)米能級(jí)越接近導(dǎo)帶底，導(dǎo)帶底電子濃度就越大這一說法是否一定正確？解釋原因。答：由電子濃度計(jì)算公式，電子濃度不光與-(Ec-Ef)指數(shù)相關(guān)，而且與T也密切相關(guān)，當(dāng)半導(dǎo)體處于足以出現(xiàn)大量本征激發(fā)的電子的狀態(tài)時(shí)，此時(shí)如果降低溫度，將出現(xiàn)費(fèi)米能級(jí)向Ec靠近的現(xiàn)象，但是由于降低溫度導(dǎo)致大量本征激發(fā)的載流子發(fā)生復(fù)合而減少導(dǎo)帶底電子的數(shù)量?！雽?dǎo)體受到局部熱，他的費(fèi)米能級(jí)和價(jià)帶導(dǎo)帶會(huì)怎樣變化？答：該半導(dǎo)體如果左邊受到局部熱的影響，溫度按照左高右低溫度梯度均勻分布，溫度越高，載流子濃度越高，所以左邊的電子濃度高于右邊，左側(cè)電子會(huì)按照濃度梯度擴(kuò)散到右邊，電子一旦離開原來位置，會(huì)在原有位置留下空間電荷，為了阻止電子的擴(kuò)散。此時(shí)半導(dǎo)體將建立自左向右的內(nèi)建電場(chǎng)，電勢(shì)左高右低，因此電勢(shì)能左低右高，說明能帶向右上傾斜。由于溫度升高費(fèi)米能級(jí)趨向于近代中央，所以整個(gè)費(fèi)米能級(jí)并不齊平?低溫載流子凍析效應(yīng)：溫度低于100K時(shí)，施主雜質(zhì)只有部分電離，尚有部分載流子被凍析在雜質(zhì)能級(jí)，對(duì)電導(dǎo)沒有貢獻(xiàn)，這種現(xiàn)象稱為低溫載流子的凍析效應(yīng)?簡(jiǎn)并半導(dǎo)體：Ec-&>>k°T不成立，具有較高的摻雜濃度，導(dǎo)帶中量子態(tài)被電子占據(jù)（或價(jià)帶中量子態(tài)被空穴占據(jù)）的概率非常小的條件不再成立，必須考慮泡利不相容原理的限制。這時(shí)玻耳茲曼分布函數(shù)不再適用，而必須應(yīng)用費(fèi)米分布函數(shù)來分析能帶中的載流子統(tǒng)計(jì)分布問題。這種情況稱為載流子簡(jiǎn)并化，發(fā)生載流子簡(jiǎn)并化的半導(dǎo)體稱為簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。四、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性?遷移率：遷移率表示單位場(chǎng)強(qiáng)下載流子的平均漂移速度，單位是m'/Vs?！鵀槭裁措娮舆w移率大于空穴遷移率。答：空穴反映價(jià)帶電子運(yùn)動(dòng)，價(jià)帶電子實(shí)際上受到共價(jià)鍵的束縛，較之導(dǎo)帶中的自由運(yùn)動(dòng)的電子有效質(zhì)量要更大，由公式U=qT/m*,電子的遷移率更大。?影響電子遷移率的主要因素：主要因素有能帶結(jié)構(gòu)（載流子的有效質(zhì)量）、溫度和各種散射機(jī)構(gòu)?！噺慕?jīng)典物理和量子理論分別說明載流子受到散射的物理意義。答：經(jīng)典:電子在運(yùn)動(dòng)中和晶格或者雜質(zhì)離子發(fā)生碰撞導(dǎo)致載流子速度的大小和方向發(fā)生了改變。量子理論:電子波在半導(dǎo)體傳播時(shí)遭到了散射?！裁词锹曌?它對(duì)半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)起什么作用？答：聲子是晶格振動(dòng)的簡(jiǎn)正模能量量子，聲子可以產(chǎn)生和消滅，有相互作用的聲子數(shù)不守恒，聲子動(dòng)量的守恒律也不同于一般的粒子，并且聲子不能脫離固體存在。電子在半導(dǎo)體中傳輸時(shí)若發(fā)生晶格振動(dòng)散射，則會(huì)發(fā)出或者吸收聲子，使電子動(dòng)量發(fā)生改變，從而影響到電導(dǎo)率。2、什么叫做聲學(xué)波、光學(xué)波?兩者有何不同答：聲學(xué)波:基元的整體運(yùn)動(dòng)。光學(xué)波:非共價(jià)鍵性化合物基元中原子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。聲學(xué)波:頻率較低，接近聲波頻率。光學(xué)波：1,頻率較高，與紅外光頻率相近。2,有偶極矩，可與光波相互作用。?一般可以認(rèn)為半導(dǎo)體中載流子的遷移率主要由聲學(xué)波散射和電力雜質(zhì)散射決定，因此遷移率口與電離雜質(zhì)濃度N和溫度間的關(guān)系可表為 1 “0cat3/2+bnt-3/2其中A、B是常量。由此可見雜質(zhì)濃度較小時(shí)，k隨T的增加而減?。浑s質(zhì)濃度較大時(shí)，低溫時(shí)以電離雜質(zhì)散射為主、上式中的B項(xiàng)起主要作用，所以k隨T增加而增加，高溫時(shí)以聲學(xué)波散射為主、A項(xiàng)起主要作用，k隨T增加而戒??；溫度不變時(shí)，k隨雜質(zhì)濃度的增加而減小?！蓤D給出了Si電子遷移率“n與溫度T和摻雜濃度N的關(guān)系曲線，請(qǐng)定性解釋這種關(guān)系。(輕摻雜半導(dǎo)體和重?fù)诫s半導(dǎo)體的遷移率與溫度的關(guān)系)答：高純樣品Si電子遷移率隨溫度的升高迅速減小，因?yàn)镹i很小，晶格散射起主要作用所以遷移率隨溫度升高而降低；當(dāng)雜質(zhì)濃度增加，遷移率下降的趨勢(shì)不再明顯，是因?yàn)殡s質(zhì)散射的作用在增強(qiáng)，當(dāng)雜質(zhì)濃度上升到10%m3時(shí)，在低溫范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，遷移率反而緩慢上升，到一定溫度后才稍有下降，低溫時(shí)晶格振動(dòng)產(chǎn)生的聲子數(shù)很少，雜質(zhì)散射起主要作用，所以遷移率隨溫度升高而緩慢上升，溫度繼續(xù)升高，產(chǎn)生的聲子數(shù)越來越多，晶格振動(dòng)散射為主，故遷移率下降?！s質(zhì)濃度增大后少子遷移率大于多子遷移率。答：重?fù)诫s時(shí)雜質(zhì)能級(jí)擴(kuò)展為雜志能帶，例如n型硅，施主能級(jí)擴(kuò)展成為雜質(zhì)能帶導(dǎo)致禁帶寬度變窄，導(dǎo)帶中運(yùn)動(dòng)的電子，除受到電離雜質(zhì)散射外，還會(huì)被施主能級(jí)俘獲，這些被俘獲的電子經(jīng)過一定的時(shí)間還會(huì)被釋放到導(dǎo)帶中參與導(dǎo)電，這些電子在導(dǎo)帶中做漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)不斷被施主能級(jí)俘獲，再釋放，再俘獲，使得電子漂移速度減慢，此外一些雜質(zhì)帶中的電子由于雜質(zhì)原子軌道的重疊也可能在施主原子間運(yùn)動(dòng)，而不參與導(dǎo)電，因而導(dǎo)帶中有相當(dāng)一部分電子在雜質(zhì)帶上運(yùn)動(dòng)，以致他們的漂移速度下降，即多子遷移速度有所降低?！鐖D所示，兩種摻雜濃度的半導(dǎo)體的電子遷移率隨溫度的變化情況，試分析為什么遷移率隨溫度先上升后略下降？為什么兩條曲線低溫部分是分離的，高溫部分是重合的？遷移率Al溫度T答：R8MT-3/2低溫時(shí)雜質(zhì)散射起主要作用溫度越高，載流子熱運(yùn)動(dòng)的速度越大，可以較快掠過雜質(zhì)原子，不易被散射，所以遷移率隨溫度升高而緩慢上升，溫度繼續(xù)升高，晶格振動(dòng)散射為主，ROC73/2,故遷移率下降。由于低溫時(shí)雜質(zhì)散射起主要作用，兩種半導(dǎo)體摻雜濃度不一樣，在雜質(zhì)全部電離的情況下P不等，所以遷移率不相等；在高溫時(shí)兩種半導(dǎo)體晶格振動(dòng)散射占主要地位，旦8片/2,基本是溫度的函數(shù)，所以高溫部分重合。▲試比較金屬電阻率與半導(dǎo)體電阻率的本質(zhì)差別答：金屬是由金屬原子組成的晶格和自由電子組成的，實(shí)際參與導(dǎo)電的是自由電子.晶格是一直振動(dòng)的,和分子的熱運(yùn)動(dòng)相關(guān).金屬之所以有電阻是由于晶格對(duì)自由電子的定向移動(dòng)的阻礙.而且由于溫度越高，晶格震動(dòng)越強(qiáng)烈,所以它的阻礙效應(yīng)就越明顯，這是金屬電阻隨溫度升高而變大的原因.對(duì)于純半導(dǎo)體來說，電阻率主要由本征載流子濃度n決定，n,隨溫度的升高而急劇增加，遷移率只稍有下降，所以本征半導(dǎo)體電阻率隨溫度的增加單調(diào)下降，這是半導(dǎo)體區(qū)別于金屬的重要特征。對(duì)于雜質(zhì)半導(dǎo)體，有雜質(zhì)電離和本征激發(fā)兩個(gè)因素存在，又有電離雜質(zhì)散射和晶格振動(dòng)散射兩種散射機(jī)構(gòu)存在，AB段下降：溫度很低，本征激發(fā)可以忽略，載流子主要由雜質(zhì)電離提供，它隨溫度的身高而增加；散射主要由雜質(zhì)電離決定，遷移率也隨溫度的升高而增大，所以，電阻率也隨溫度的升高而減小。BC段：溫度繼續(xù)升高（包括室溫），雜質(zhì)已經(jīng)全部電離本征激發(fā)還不是十分顯著，載流子基本上不隨溫度變化，晶格振動(dòng)散射上升為主要矛盾，遷移率隨溫度升高而降低，所以電阻率隨溫度升高而增大。CD段：溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)很快增加，大量本征載流子的產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過遷移率降低對(duì)電阻率的影響，這時(shí)，本征激發(fā)成為主要矛盾，雜質(zhì)半導(dǎo)體的電阻率將隨溫度升高急劇下降，表現(xiàn)出本征半導(dǎo)體相似的特征?！鴑型半導(dǎo)體的電阻率隨溫度的變化曲線如圖所示，試解釋為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的變化規(guī)律。悵相巨中溫區(qū)高溫區(qū)答：有雜質(zhì)電離和本征激發(fā)兩個(gè)因素存在，又有電離雜質(zhì)散射和晶格振動(dòng)散射兩種散射機(jī)構(gòu)存在，AB段下降：溫度很低，本征激發(fā)可以忽略，載流子主要由雜質(zhì)電離提供，它隨溫度的身高而增加；散射主要由雜質(zhì)電離決定，遷移率也隨溫度的升高而增大，所以，電阻率也隨溫度的升高而減小。BC段：溫度繼續(xù)升高（包括室溫），雜質(zhì)已經(jīng)全部電離本征激發(fā)還不是十分顯著，載流子基本上不隨溫度變化，晶格振動(dòng)散射上升為主要矛盾，遷移率隨溫度升高而降低，所以電阻率隨溫度升高而增大。CD段：溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)很快增加，大量本征載流子的產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過遷移率降低對(duì)電阻率的影響，這時(shí)，本征激發(fā)成為主要矛盾，雜質(zhì)半導(dǎo)體的電阻率將隨溫度升高急劇下降，表現(xiàn)出本征半導(dǎo)體相似的特征?！雽?dǎo)體中載流子在運(yùn)動(dòng)過程中為什么會(huì)遭到散射？并簡(jiǎn)述半導(dǎo)體中的主要散射機(jī)構(gòu)。答：載流子在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)的時(shí)候不斷與熱振動(dòng)著的晶格原子或電離了的雜質(zhì)離子發(fā)生碰撞，碰撞后載流子的速度大小方向發(fā)生改變，用波的概念，就是說電子波在半導(dǎo)體中傳播時(shí)發(fā)生了散射。主要機(jī)構(gòu)：電離雜質(zhì)散射（內(nèi)部雜質(zhì)電荷），晶格振動(dòng)散射（外部熱），等同的能谷間散射（q較大，w也較大，非彈性散射），中性雜質(zhì)散射（重?fù)诫s，低溫），缺陷散射。?強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)（飽和速度）：施加于半導(dǎo)體的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一數(shù)值后，電流密度與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系不再滿足歐姆定律J=oE,強(qiáng)電場(chǎng)使遷移率口不再是常數(shù)，而是電場(chǎng)的函數(shù)。載流子的漂移速度不再隨電場(chǎng)線性增加，而是呈亞線性增加直至飽和?！蹼妶?chǎng)情況下載流子的遷移率為常數(shù)答：弱電場(chǎng)范圍載流子從外場(chǎng)吸收能量，一部分通過發(fā)射聲子轉(zhuǎn)移給晶格，其余部分用于提高載流子的漂移速度，但是載流子的漂移速度遠(yuǎn)小于熱運(yùn)動(dòng)速度，因此，即使漂移速度隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增大，但載流子運(yùn)動(dòng)的整個(gè)速度基本不會(huì)改變，所以平均自由時(shí)間不變，遷移率也就為常數(shù)。▲電場(chǎng)較強(qiáng)的時(shí)候遷移率U隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加而降低（速度提升了，遷移率變小了）答：當(dāng)電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)載流子從外場(chǎng)獲得較大能量，除了與晶格碰撞外，其余部分使得載流子漂移速度大大提升，與熱運(yùn)動(dòng)的速度相比已經(jīng)不能忽略，所以漂移速度隨電場(chǎng)增加而變大導(dǎo)致載流子的平均自由時(shí)間變短，即遷移率減小。▲載流子速度飽和的機(jī)制答：當(dāng)電場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)，載流子從電場(chǎng)獲得足夠大的能量，能量大到可以和光學(xué)波聲子比擬的時(shí)候，在與晶格碰撞時(shí)，傳遞給晶格的能量能夠激發(fā)起光學(xué)波聲子，雖然載流子不斷從電場(chǎng)獲得能量，但是每次碰撞又全部以發(fā)射光學(xué)波聲子的形式轉(zhuǎn)移給了晶格，因此載流子速度無法提高，從而達(dá)到飽和。?熱載流子：在強(qiáng)電場(chǎng)作用下的半導(dǎo)體，載流子從電場(chǎng)中獲得的能量很多，但傳遞給晶格的能量有限，載流子和晶格系統(tǒng)不再處于熱平衡狀態(tài)。溫度是載流子平均動(dòng)能的度量，載流子的能量大于晶格系統(tǒng)于是便引進(jìn)載流子的有效溫度L來描述與晶格系統(tǒng)不處于熱平衡狀態(tài)的載流子，并且稱這些載流子為熱載流子（Te：當(dāng)有電場(chǎng)存在時(shí)，載流子的平均動(dòng)能比熱平衡時(shí)高，相當(dāng)于更高溫度下的載流子，稱此溫度為載流子有效溫度。）▲熱載流子的遷移率隨電場(chǎng)增大怎樣變化？答：強(qiáng)電場(chǎng)下，載流子溫度1比晶格溫度T高，載流子平均能量大，與晶格振動(dòng)散射時(shí)，速度大于熱平衡時(shí)的載流子速度，由T=l/v,平均自由程保持不變的情況下，平均自由時(shí)間減小，所以遷移率降低?！鵁彷d流子的遷移率隨溫度增加怎樣變化？答：溫度增加，晶格振動(dòng)散射加劇，遷移率下降，由于H=%J1,Te增大時(shí)，R減小。?強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)會(huì)使半導(dǎo)體器件的載流子速度達(dá)到飽和，還可能使載流子成為熱載流子，影響器件性能。半導(dǎo)體器件的熱載流子由于具備高能量，常常會(huì)導(dǎo)致載流子進(jìn)入介質(zhì)層;熱載流子可與晶格發(fā)生碰撞電離，利用這一原理可以制備雪崩二極萱器件。?負(fù)微分電導(dǎo)效應(yīng)：在某些特殊情況下（例如兩邊都是重?fù)诫s的pn結(jié)或者GaAs的雙能谷散射中），在某一電壓范圍內(nèi)，隨著電壓的增大電流反而減小的現(xiàn)象。GaAs能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶最低能谷1和價(jià)帶極值均位于布里淵區(qū)中心k=0處，在［111］方向布里淵區(qū)邊界L處還有一個(gè)極值約高出0.29eV的衛(wèi)星谷。強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生負(fù)微分電導(dǎo)效應(yīng)，能谷1中的電子可從電場(chǎng)獲得足夠能量轉(zhuǎn)移到能谷2中，發(fā)生谷間散射，電子的準(zhǔn)動(dòng)量就發(fā)生較大的改變，伴隨散射就發(fā)射或吸收一個(gè)光學(xué)聲子，但是這兩個(gè)能谷不是完全相同的，進(jìn)入能谷2的電子，有效質(zhì)量大為增加，遷移率大大降低，平均漂移速度減小，電導(dǎo)率下降。▲定性畫出Si和GaAs的電子平均漂移速度和電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系，并簡(jiǎn)單解釋。答對(duì)于Si,電場(chǎng)不是很強(qiáng)的時(shí)候，載流子主要和聲學(xué)波散射，曲線斜率即遷移率有所降低。當(dāng)電場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng)，載流子能量高到又可以和光學(xué)波聲子能量相比時(shí)，散射時(shí)可以發(fā)射光學(xué)波聲子，于是載流子獲得的能量大部分又消失，因而平均漂移速度可以達(dá)到飽和。對(duì)于GaAs,其能帶結(jié)構(gòu)導(dǎo)帶最低能谷1和價(jià)帶極值均位于布里淵區(qū)中心k=0處，在［111］方向布里淵區(qū)邊界L處還有一個(gè)極值約高出0.29eV的衛(wèi)星谷。強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生負(fù)微分電導(dǎo)效應(yīng)，能谷1中的電子可從電場(chǎng)獲得足夠能量轉(zhuǎn)移到能谷2中，發(fā)生谷間散射，電子的準(zhǔn)動(dòng)量就發(fā)生較大的改變，伴隨散射就發(fā)射或吸收一個(gè)光學(xué)聲子，但是這兩個(gè)能谷不是完全相同的，進(jìn)入能谷2的電子，有效質(zhì)量大為增加，遷移率大大降低，平均漂移速度減小，電導(dǎo)率下降?！鵀槭裁匆话愕碾娮悠骷脊ぷ髟陲柡碗婋x區(qū)?如何提高器件的工作溫度？答：⑴電子器件的正常工作大多在飽和電離區(qū)，溫度太低或太高都可能使器件不能正常工作。溫度太低，載流子濃度對(duì)溫度變化很大且濃度太低，電阻率較高而且對(duì)溫度變化很大，因此器件工作不穩(wěn)定，而且無法形成P-n結(jié)。溫度太高，本征激發(fā)掩蓋了雜質(zhì)電離，載流子濃度對(duì)溫度變化也很大，電阻率很低而且隨溫度的變化也很大。⑵提高器件的工作溫度可以使使用禁帶寬度較大的半導(dǎo)體材料，例如GaN,此外，可以采取重?fù)诫s的方法，但應(yīng)考慮固溶度的影響。五、非平衡載流子?準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)物理意義：當(dāng)半導(dǎo)體平衡態(tài)遭到破壞而存在非平衡載流子時(shí)，價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底不再遵循叩=樣。對(duì)于非平衡狀態(tài)下的半導(dǎo)體，其中的非平衡載流子可以近似地看成是注入到半導(dǎo)體中的非平衡電子在它們所處的導(dǎo)帶內(nèi)，通過與其他電子的相互作用，可以很快地達(dá)到與該導(dǎo)帶接近平衡的狀態(tài)，這個(gè)過程所需要的時(shí)間比非平衡載流子的壽命短，可近似地認(rèn)為注入到能帶內(nèi)的非平衡電子在導(dǎo)帶內(nèi)是處于一種“準(zhǔn)平衡狀態(tài)”。同理，在價(jià)帶也處于一種準(zhǔn)平衡狀態(tài)，此時(shí)引入電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)和空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。?非平衡載流子注入方法有電注入,和光注入。其中光注入滿足^n=△p?大注入條件：大注入效應(yīng)，就是注入到半導(dǎo)體中的非平衡少數(shù)載流子濃度接近或者超過原來的平衡多數(shù)載流子濃度（?摻雜濃度）時(shí)的一種情況。?少子壽命：非平衡載流子的平均生存時(shí)間稱為非平衡載流子的壽命，由于相對(duì)于非平衡多數(shù)載流子，非平衡少數(shù)載流子處于主導(dǎo)地位，因而非平衡載流子壽命通常稱為少子壽命。它標(biāo)志著少子濃度衰感到原來1/e的時(shí)間。??影響少子壽命的主要因素：影響少子壽命的主要因素有半導(dǎo)體的材料類型,雜質(zhì)濃度，溫度，半導(dǎo)體缺陷程度和表面狀態(tài)等。主要通過摻雜深能級(jí)雜質(zhì)減少少子壽命?！雽?dǎo)體物理中，非平衡載流子的壽命、平均自由時(shí)間及介電弛豫時(shí)間有何不同？答：非平衡載流子的壽命:在沒有外界作用時(shí),所多出的載流子——非平衡載流子將要復(fù)合而消失（半導(dǎo)體恢復(fù)到平衡狀態(tài)），非平衡載流子的平均消失時(shí)間就是載流子的“復(fù)合壽命”。載流子在電場(chǎng)中作漂移運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有在連續(xù)兩次散射之間的時(shí)間內(nèi)才做加速運(yùn)動(dòng)，這段時(shí)間稱為自由時(shí)間。自由時(shí)間長(zhǎng)短不一，若取極值多次而求得其平均值為平均自由時(shí)間。介電弛豫時(shí)間：如果將外場(chǎng)取消，由于散射作用，可以使分布函數(shù)恢復(fù)到平衡時(shí)的M從非平衡態(tài)逐漸恢復(fù)到平衡態(tài)的過程稱為弛豫過程，t稱為弛豫時(shí)間。?直接復(fù)合：導(dǎo)帶中的電子直接落入價(jià)帶與空穴復(fù)合，或者由于熱激發(fā)等原因，價(jià)帶中的電子有一定概率躍遷到導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子空穴對(duì)，這種由電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間直接躍遷而引起的非平衡載流子的復(fù)合過程就是直接復(fù)合。?大注入條件下的直接復(fù)合，非平衡載流子的壽命不再是常數(shù)，它與非平衡載流子濃度成反比。?非平衡載流子的復(fù)合率u=蕓:吧N、，其中Nt表示復(fù)合中心濃度，表示電子俘獲系數(shù),n1表示費(fèi)米能級(jí)恰好與復(fù)合中心能級(jí)重合時(shí)的電子濃度?！蠓瞧胶廨d流子壽命時(shí)抓住主要矛盾分析方法。

=一（沏+%）+MPo+Pi）Nt7萬So+Po）設(shè)￡位于禁帶下半部，￡’是其關(guān)于Ei對(duì)稱的能級(jí)，則E,和E,'把禁帶分為3部分——強(qiáng)N區(qū)、強(qiáng)P區(qū)和高阻區(qū)。如下圖所示，E,又把中間的高阻區(qū)劃分為弱N區(qū)和弱P區(qū)。下面分區(qū)進(jìn)行說明。Ec強(qiáng)1 弱N區(qū)J EJ1 弱中-^-L_. a圖阻區(qū)r-L eJ強(qiáng)P區(qū)t EvEf所屬區(qū)域no.po,ni,pi大小關(guān)系化簡(jiǎn)的壽命強(qiáng)N型區(qū)no>pi>ni>poN,rn自一g阻區(qū)弱N型區(qū)ni>no>po>piN,r“n0弱N型區(qū)pi>no>po>nir='3N,r“n0弱P型區(qū)pi>po>no>ni一,.旦N,；p0弱P型區(qū)ni>po>no>pi「上.馬N,nPo強(qiáng)P型區(qū)po>pi>ni>n0r=-^N,r“?復(fù)合中心：半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷在禁帶中形成一定能級(jí)，對(duì)非平衡載流子壽命有很大影響，雜質(zhì)和缺陷形成的能級(jí)可以俘獲或者發(fā)射電子或空穴，有促進(jìn)復(fù)合的作用，這些促進(jìn)復(fù)合的雜質(zhì)和缺陷稱為復(fù)合中心。?當(dāng)復(fù)合中心能級(jí)處禁造史央時(shí)復(fù)合中心的復(fù)合作用最強(qiáng)這是非平衡載流子的壽命達(dá)到極小值。?當(dāng)半導(dǎo)體中載流子濃度存在迭度差時(shí)，載流子將做擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散流密度與濃度梯度成正比，比例系數(shù)稱為擴(kuò)散系數(shù)D；半導(dǎo)體存在電勢(shì)差時(shí)，載流子將做漂移運(yùn)動(dòng),其運(yùn)動(dòng)速度正比于電場(chǎng)強(qiáng)度,比例系數(shù)稱為漂移系數(shù)?擴(kuò)散長(zhǎng)度及其物理意義：”=歷.擴(kuò)散長(zhǎng)度是非平衡載流子在邊復(fù)合邊邊擴(kuò)散過程中衰減至1/e時(shí)擴(kuò)散的距離，也是非平衡載流子在擴(kuò)散下深入樣品的平均距離。?發(fā)生表面復(fù)合，兩種獨(dú)立發(fā)生的復(fù)合作用壽命分別為（體內(nèi)復(fù)合）入、（表面復(fù)合）Ts,則總的復(fù)合幾率為△=工+工TTvT$?俄歇復(fù)合：載流子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，發(fā)生電子-空穴復(fù)合時(shí)，把多余的能量傳給另一個(gè)載流子，使這個(gè)載流子被激發(fā)到能量更高的能級(jí)上去，當(dāng)它重新躍遷回低能級(jí)時(shí)，多余的能量以聲子形式放出，這種復(fù)合稱為俄歇復(fù)合。?陷阱效應(yīng)：雜質(zhì)缺陷能級(jí)可以俘獲載流子，并長(zhǎng)時(shí)間的把載流子束縛到這些能級(jí)上，稱為陷阱效應(yīng)；把具有顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)稱為陷阱；把相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心。最有利于陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)在費(fèi)米能級(jí)上；對(duì)于電子陷阱來說，費(fèi)米能級(jí)日以上的能級(jí)，越接近*陷阱效應(yīng)越顯著。?愛因斯坦關(guān)系式及意義：自=乎學(xué)=乎意義：它表明了非簡(jiǎn)并情況下半導(dǎo)體的遷移率和擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系。?空穴連續(xù)性方程及其意義：在漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)同時(shí)存在時(shí)少數(shù)載流子所遵循的運(yùn)動(dòng)方程?！嚱忉屍骄杂沙?、牽引長(zhǎng)度、擴(kuò)散長(zhǎng)度有何不同答：平均自由程是載流子在兩次散射之間通過的自由程的平均值；表征載流子擴(kuò)散有效范圍的一個(gè)物理量是擴(kuò)散長(zhǎng)度；如果除了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)以外，還有電場(chǎng)引起的漂移運(yùn)動(dòng)，則這時(shí)表征載流子運(yùn)動(dòng)有效范圍的參量就是牽引長(zhǎng)度（表達(dá)式很復(fù)雜,與擴(kuò)散系數(shù)、壽命和遷移率都有關(guān)系）.六、PN結(jié)?制造pn結(jié)可選用的技術(shù)主要有合金、擴(kuò)散、外延生長(zhǎng)、離子注入等?空間電荷區(qū)：不同摻雜的半導(dǎo)體材料形成pn結(jié)后在p區(qū)附近出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)電荷區(qū)，在n區(qū)附近出現(xiàn)了一個(gè)正電荷區(qū)，通常就把在pn結(jié)附近的這些電離施主和電離受主所帶的電荷稱為空間電荷，它們所在的區(qū)域稱為空間電荷區(qū)。?耗盡層近似：勢(shì)壘區(qū)中載流子濃度可以忽略，空間電荷密度就等于電離雜質(zhì)濃度?楮pn結(jié)與硅pn結(jié)的內(nèi)建電勢(shì)差V。相比，星內(nèi)建電勢(shì)差V。大，其原因是Si的本征載流子濃度低，力=竽（警）▲若pn結(jié)中n型區(qū)電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于p型區(qū)，當(dāng)加正向偏壓時(shí)是以空穴電流為主還是電子電流為主？解釋原因答：若n區(qū)電阻率大于p區(qū)，則得出n區(qū)的摻雜濃度小于p區(qū)，當(dāng)形成pn結(jié)的時(shí)候，由于電子空穴濃度差，n區(qū)的電子會(huì)流向p區(qū)，在空間電荷區(qū)留下正電中心，而正電中心會(huì)形成抑制電子漂移的內(nèi)建電場(chǎng)。當(dāng)時(shí)加正向電壓的時(shí)候，減弱內(nèi)建電場(chǎng)，導(dǎo)致電子在p區(qū)堆積，堆積的電子向P區(qū)深處擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成了擴(kuò)散電流，由于擴(kuò)散區(qū)邊界的電子濃度正比于P區(qū)內(nèi)的電子濃度，所以p區(qū)的擴(kuò)散電子濃度小于n區(qū)的擴(kuò)散空穴濃度，所以正向電壓導(dǎo)致的擴(kuò)散電流是由空穴電流為主?實(shí)際工藝中一般采用n區(qū)摻雜濃度遠(yuǎn)高于p區(qū)，因?yàn)殡娮拥倪w移率大于空穴，所以相同電場(chǎng)下電子電流更大Apn結(jié)的理想伏安特性與實(shí)際伏安特性的區(qū)別是什么，原因是什么。答：1正向電流小時(shí)，實(shí)驗(yàn)值比理論計(jì)算值更大，2正向電流較大時(shí)，J-V關(guān)系為Jaexp(qV/(2KoT)),3更大的正向電壓〕V關(guān)系呈線性，4反偏時(shí)實(shí)際電流比理論計(jì)算大得多。原因：表面效應(yīng)，勢(shì)壘中的產(chǎn)生與復(fù)合，大注入。?PN結(jié)的理想伏安特性與實(shí)際伏安特性并不是完全吻合，其原因是在正向偏壓下忽略了復(fù)合電流,在反向偏壓下忽略了產(chǎn)生電流。?勢(shì)壘區(qū)寬度X。隨反偏電壓的增加而變寬，所以勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流是不飽和的，隨反偏電壓的增加緩慢增加▲反向偏壓時(shí)pn結(jié)電流和理想曲線偏差的原因。答：當(dāng)時(shí)加反向偏壓時(shí)，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)加強(qiáng)，在勢(shì)壘區(qū)內(nèi)，由于熱激發(fā)的原因，通過復(fù)合中心產(chǎn)生的電子空穴對(duì)來不及復(fù)合就被強(qiáng)電場(chǎng)驅(qū)趕走了，此時(shí)勢(shì)壘區(qū)通過復(fù)合中心的載流子產(chǎn)生率大于復(fù)合率，形成反向電流。由于勢(shì)壘區(qū)寬度X。隨反向偏壓的增大而變寬，所以勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生電流是不飽和的，隨反向偏壓增加而緩慢變大。▲正向小偏壓時(shí)pn結(jié)電流和理想曲線偏差的原因。答：在正向偏壓下，從n區(qū)注入p區(qū)的電子和從p區(qū)注入n區(qū)的空穴在勢(shì)壘區(qū)復(fù)合了一部分，構(gòu)成另一股正向電流，稱為勢(shì)壘區(qū)的復(fù)合電流。所以小的正向偏壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏大的現(xiàn)象。▲大的正向偏壓時(shí)pn結(jié)電流和理想曲線偏差的原因答：以P*n結(jié)為例，該結(jié)正向偏壓時(shí)的擴(kuò)散電流主要由p*擴(kuò)散到n區(qū)的空穴擴(kuò)散電流為主，當(dāng)大注入發(fā)生時(shí)，電注入N區(qū)的空穴濃度Apn接近或超過n區(qū)的多子濃度，注入的空穴在n區(qū)邊界形成積累，為了保持附近的電中性，n區(qū)邊界導(dǎo)帶附近感應(yīng)出了相等數(shù)量的電子，此電子聚集區(qū)也向n區(qū)內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，電子一旦離開原有位置電中性遭到破壞，產(chǎn)生了內(nèi)建電場(chǎng)E,使得使n區(qū)能帶向上彎曲，導(dǎo)致正向偏壓在空穴擴(kuò)散區(qū)降落了一部分。所以大的正向偏壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)曲線斜率衰減的現(xiàn)象?pn結(jié)電容包括勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容，其中在大的正向偏壓下起主要作用的是擴(kuò)散電容,反偏下主要起作用的是苗壘曳容?！?jiǎn)述勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的形成機(jī)理。答：勢(shì)壘電容：當(dāng)pn結(jié)正向偏壓時(shí)，勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)隨正向偏壓而減弱，勢(shì)壘區(qū)變窄，空間電荷數(shù)量減少。因?yàn)榭臻g電荷是不能移動(dòng)的雜質(zhì)離子組成，所以空間電荷的減少是由n區(qū)的電荷和p區(qū)的空穴中和了勢(shì)壘中的一部分施主和受主離子。這說明，在外加正向偏壓的時(shí)候?qū)⒂幸徊糠蛛娮雍涂昭ù嫒雱?shì)壘區(qū)，反之，當(dāng)正向偏壓減小時(shí)勢(shì)壘區(qū)的電場(chǎng)增

加，勢(shì)壘寬度增加，空間電荷數(shù)量增多，就是有一部分電子和空穴從勢(shì)壘區(qū)中取出。對(duì)于反向偏壓，分析類似。Pn結(jié)上外加電壓的變化引起勢(shì)壘區(qū)的電荷變化，這種電容效應(yīng)稱為勢(shì)壘電容。擴(kuò)散電容：正向偏壓時(shí)有空穴從p區(qū)注入n區(qū)，于是在勢(shì)壘區(qū)和n區(qū)邊界n區(qū)一側(cè)一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度內(nèi)形成了非平衡電子與空穴的積累，同樣p區(qū)也有非平衡電子和空穴的積累。當(dāng)正向偏壓增加時(shí)，由p區(qū)注入n區(qū)空穴增加時(shí)，注入的空穴一部分?jǐn)U散走，一部分則增加了n區(qū)的空穴積累，增加了濃度梯度。如果外加電壓增大，n區(qū)擴(kuò)散區(qū)積累的非平衡空穴也增加，與他保持電中性的電子相應(yīng)增加。同樣，p區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡電子和與他保持電中性的空穴也要增加。這種擴(kuò)散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓變化而產(chǎn)生的電容效應(yīng)稱為擴(kuò)散電容。擴(kuò)散電容隨正向偏壓按指數(shù)關(guān)系增加，所以在大的正向偏壓時(shí)擴(kuò)散電容起主要作用。而反向電壓時(shí)，n區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡電子和空穴減少，所以大的反向電壓時(shí)，勢(shì)壘電容起主要作用自己總結(jié)：勢(shì)壘電容：正向偏壓時(shí)，外加電壓減弱了pn結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)，導(dǎo)致pn結(jié)空間電荷區(qū)變窄，由于空間電荷區(qū)是由不可移動(dòng)的施主受主中心組成，所以勢(shì)壘區(qū)的變化是由n區(qū)p區(qū)向內(nèi)注入或抽取載流子造成的，當(dāng)正向偏壓增加時(shí)，勢(shì)壘區(qū)變窄，意味著向空間電荷區(qū)注入載流子，當(dāng)正向偏壓減小或者反向偏壓時(shí)，意味著從空間電荷區(qū)抽出載流子，外加電壓的變化引起勢(shì)壘區(qū)的電荷變化，這種電容效應(yīng)稱為勢(shì)壘電容。N區(qū) =expj^)-lexiN區(qū) =expj^)-lexiQp=月Ap(x)dx=AqLpp?^\“齊AkTp區(qū)上▲pn結(jié)勢(shì)壘電容的計(jì)算：x-xn U(x| p(x)a4K總擴(kuò)散電容Q=Qp+Q”卜邛小吃產(chǎn))卜婚?18?pn結(jié)擴(kuò)散電容隨著結(jié)面積增大而增大，隨著正向電壓的減小而減小▲pn結(jié)擴(kuò)散電容的計(jì)算：2(%/Q^AqN^^AqN^耗盡層近似-居J2S）（M+N0儲(chǔ)-。）2(%/Q^AqN^^AqN^耗盡層近似-居J2S）（M+N0儲(chǔ)-。）Nr：輕摻雜濃度擴(kuò)散電容?+F-1.BO勢(shì)壘電容嫄"點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。?對(duì)于點(diǎn)接觸型二極管和面接觸型二極管，點(diǎn)接觸型二極管更適合高頻電路使用。▲理由：點(diǎn)接觸型二極管由于結(jié)面積小，因而結(jié)電容小，用于檢波時(shí)二極管就相當(dāng)于一個(gè)電容，可過濾除低頻信號(hào)，檢出高頻信號(hào)。面接觸型二極管（相當(dāng)于一個(gè)電容和一個(gè)理想二極管并聯(lián)）：由于結(jié)面積大，結(jié)電容也大，若用于高頻整流，則由于結(jié)電容對(duì)于高頻信號(hào)的容抗為1/jwc很?。╓較大,C較大），高頻信號(hào)直接即通過了（從并聯(lián)的電容通過），達(dá)不到整流的目的。?PN結(jié)擊穿的機(jī)制：雪崩擊穿，隧道擊穿（齊納擊穿），熱電擊穿（不可逆）?！骷舸r(shí)，以Si為例說明它的擊穿電壓與溫度變化的關(guān)系（亦即雪崩和隧道擊穿的溫度系數(shù)），并解釋為什么會(huì)出現(xiàn)這種變化。答：溫度升高，晶格振動(dòng)散射加強(qiáng)，導(dǎo)致電子加速時(shí)間縮短，由T=l/v,載流子平均自由程下降，加速時(shí)間變短，獲得能量降低，難以造成雪崩擊穿；而溫度升高，使得禁帶寬度降低，勢(shì)壘變薄，導(dǎo)致隧穿更易發(fā)生。?當(dāng)PN結(jié)施加反向偏壓，并增到某一數(shù)值時(shí)，反向電流密度突然迅速增大的現(xiàn)象稱為擊穿，擊穿分為雪崩擊穿和隧道擊穿。溫度升高時(shí)，雪崩擊穿擊穿的擊穿電壓閾值變大?！忉専釗舸┑脑聿⒎治鰹槭裁唇麕挾仍秸饺菀装l(fā)生熱擊穿。答：反向飽和電流密度又80,人2,由W8T3xexp[-獸:]得出，反向飽和電流隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升，因此隨著結(jié)溫度的上升方向飽和電流密度也變大，產(chǎn)生的熱能迅速增大，進(jìn)而又導(dǎo)致結(jié)溫度的上升，反復(fù)循環(huán)，造成Js無限大而擊穿。當(dāng)Eg變小，n,會(huì)變大，導(dǎo)致Js的起點(diǎn)更高，更容易發(fā)生熱擊穿。?隧道效應(yīng)：在簡(jiǎn)并化的重?fù)诫sp-n結(jié)雜質(zhì)濃度很大，費(fèi)米能級(jí)分別進(jìn)入導(dǎo)帶和價(jià)帶，勢(shì)壘區(qū)很薄，由于量子力學(xué)的隧道效應(yīng)，p區(qū)價(jià)帶的電子可以穿過禁帶到達(dá)n區(qū)導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生隧道電流，這種效應(yīng)稱為pn結(jié)的隧道效應(yīng)。(可用于振蕩電路)?由于隧穿效應(yīng)沒有延時(shí)，pn結(jié)載流子漂移擴(kuò)散均有延時(shí),所以隧穿二極管適合高頻電路▲隧道結(jié)的電流電壓特性如圖所示，試分別畫出123,4,5點(diǎn)的能帶圖并簡(jiǎn)單解釋。E” 「 (1)加一個(gè)很小的正向電壓V,n區(qū)能帶相對(duì)于p區(qū)將升高E\二。qV,兩邊能量相等的量子態(tài)中，p區(qū)價(jià)帶費(fèi)米能級(jí)以上有空量子態(tài)，而n區(qū)導(dǎo)帶的費(fèi)米能級(jí)以下的量子態(tài)被電子占據(jù)，\ 因此n區(qū)導(dǎo)帶中的電子可以穿過隧道到p區(qū)價(jià)帶中，產(chǎn)生pev.區(qū)向n區(qū)的正向隧道電流，對(duì)應(yīng)1.E” (2)繼續(xù)增大正向電壓，勢(shì)壘高度不斷下降，有更多的電\ 子從n區(qū)穿過隧道到p區(qū)的空量子態(tài)，使隧道電流不斷增E2AE.大，當(dāng)正向電流增大到LS的時(shí)候，這時(shí)p區(qū)費(fèi)米能級(jí)和n\ E..區(qū)導(dǎo)帶底一樣高，n區(qū)的導(dǎo)帶和p區(qū)的價(jià)帶中能量相同的' 量子態(tài)達(dá)到最多，n區(qū)導(dǎo)帶的電子可能全部穿過隧道到pE"區(qū)價(jià)帶的空量子態(tài)，正向電流達(dá)到最大，對(duì)應(yīng)2.0 (3)再增大正向電壓，勢(shì)壘高度進(jìn)一步降低，在結(jié)兩邊能量一\? 相同的量子態(tài)減少，使得n區(qū)可以穿過隧道的電子數(shù)以及pE"、\ "區(qū)可以接受電子的空量子態(tài)數(shù)均減少，此時(shí)隧道電流減小，E“出現(xiàn)負(fù)阻，對(duì)應(yīng)3.

(4)正向電壓增大到Vv,n區(qū)導(dǎo)帶底和p區(qū)價(jià)帶頂?shù)母叨萛Eg一樣，此時(shí)n區(qū)導(dǎo)帶和p區(qū)價(jià)帶沒有相同的量子態(tài)，因此不能發(fā)生隧道穿越，隧道電流減少到0,由于存在谷值電流，\ *" W并不等于0,對(duì)應(yīng)4.(5)加反向偏壓時(shí)，p區(qū)能帶相對(duì)于n區(qū)升高，在結(jié)兩邊能量相同的量子態(tài)中，p區(qū)價(jià)帶費(fèi)米能級(jí)以下被電子占據(jù)，而n區(qū)導(dǎo)帶的費(fèi)米能級(jí)以上的量子態(tài)有空量子態(tài)，因此P區(qū)價(jià)帶中的電子可以穿過隧道到n區(qū)導(dǎo)帶中，產(chǎn)生反向隧道電流，隨反向偏壓的增加p區(qū)價(jià)帶可以穿過隧道的電子數(shù)大大增加，故反向電流也迅速增加，對(duì)應(yīng)5?隧道結(jié)的好處：噪聲小，寬溫度，高頻率①隧道結(jié)利用多子隧道效應(yīng)工作，因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)通過的pn結(jié)多子數(shù)目起伏較小，所以隧道二極管的噪聲較低。②由于使用重?fù)诫s半導(dǎo)體制程，所以溫度對(duì)多子濃度影響較小，使得隧道二極管的工作溫度范圍變大。③隧道二極管本質(zhì)上是一個(gè)量子躍遷過程，電子穿過勢(shì)壘極其迅速，不受電子度越時(shí)間限制，使得隧道二極管可以在極高頻率下工作。七、八、金半接觸▲n型、p型半導(dǎo)體形成金半接觸的能帶圖。阻擋層：高阻，整流」心>化 反阻擋層：n-typ.fn-type低阻，歐姆整流歐姆?表面態(tài)：它是由表面因素引起的電子狀態(tài)，這種表面因素通常是懸掛鍵、表面雜質(zhì)或缺陷，表面態(tài)在表面處的分布幾率最大。存在表面態(tài)時(shí)可以把其看作是能態(tài)海洋，半導(dǎo)體表面費(fèi)米能級(jí)被釘扎在禁帶寬度1/3處，即使沒有金屬半導(dǎo)體接觸也會(huì)發(fā)生能帶彎曲。p-typeP-typek ?w>w w<wVYm V￥s V￥mV￥s歐姆整流?內(nèi)建電場(chǎng)幾乎全部建立在半導(dǎo)體一側(cè)的原因是金屬的載流子濃度很大，電阻很小▲試用能級(jí)圖定性解釋肖特基勢(shì)壘二極管的整流作用答：以n型半導(dǎo)體形成的肖特基勢(shì)壘為例，其各種偏壓下的能帶圖如下

零偏壓表示電子由半導(dǎo)體發(fā)射到金屬形成的電