半導(dǎo)體物理-復(fù)習(xí)(劉恩科)

半導(dǎo)體物理復(fù)習(xí)課第一章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)晶體結(jié)構(gòu)與共價(jià)鍵金剛石型結(jié)構(gòu)閃鋅礦型結(jié)構(gòu)纖鋅礦型結(jié)構(gòu)氯化鈉型結(jié)構(gòu)能級(jí)與能帶電子在原子核勢(shì)場(chǎng)和其他電子作用下分列在不同能級(jí)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(dòng)共有化運(yùn)動(dòng)：由于電子殼層的交疊，電子不再完全局限在某一個(gè)原子上，可以由一個(gè)原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，因而，電子將可以在整個(gè)晶體中運(yùn)動(dòng)只有外層電子共有化運(yùn)動(dòng)最顯著能級(jí)分裂能帶形成滿帶或價(jià)帶導(dǎo)帶本征激發(fā)常用禁帶寬度硅：1.12eV鍺：0.67eV砷化鎵：1.43eV半導(dǎo)體中電子狀態(tài)和能帶晶體中的電子VS自由電子Difference?嚴(yán)格周期性重復(fù)排列的原子間運(yùn)動(dòng)恒定為零的勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)單電子近似：晶體中的某一個(gè)電子是在周期性排列且固定不動(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)，這個(gè)勢(shì)場(chǎng)也是周期變化的，并且它的周期與晶格周期相同。半導(dǎo)體中的電子運(yùn)動(dòng)半導(dǎo)體中E(k)與k的關(guān)系電子速度與能量關(guān)系電子有效質(zhì)量有效質(zhì)量的意義：fa1、概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用2、a是半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)和外電場(chǎng)作用的綜合效果3、直接將外力與電子加速度聯(lián)系起來空穴正電有效質(zhì)量為正回旋共振等能面電子有效質(zhì)量可測(cè)小結(jié)共有化運(yùn)動(dòng)Si的能帶分布圖本征激發(fā)電子有效質(zhì)量的意義半導(dǎo)體中的雜質(zhì)所處位置不同：替位式雜質(zhì)、間隙式雜質(zhì)所處能級(jí)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)電中心雜質(zhì)補(bǔ)償作用ND≈NA深能級(jí)深能級(jí)對(duì)半導(dǎo)體中的載流子濃度和導(dǎo)電類型的影響沒有淺能級(jí)雜質(zhì)顯著，但對(duì)載流子的復(fù)合作用比淺能級(jí)雜質(zhì)強(qiáng)，故這些雜質(zhì)也稱為復(fù)合中心離子性強(qiáng)的化合物半導(dǎo)體（M,X）小結(jié)施主雜質(zhì)——施主能級(jí)受主雜質(zhì)——受主能級(jí)雜質(zhì)補(bǔ)償深能級(jí)（復(fù)合中心）缺陷及所對(duì)應(yīng)的施主/受主作用第三章半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布熱平衡狀態(tài)低能量的量子態(tài)高能量的量子態(tài)產(chǎn)生電子空穴對(duì)使電子空穴對(duì)不斷減少熱平衡載流子：處于熱平衡狀態(tài)下的導(dǎo)電電子和空穴狀態(tài)密度狀態(tài)密度：能帶中能量E附近每單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)。狀態(tài)密度的計(jì)算：為簡(jiǎn)單起見，考慮等能面為球面的情況費(fèi)米能級(jí)與分布函數(shù)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）T=0K時(shí)，若E<EF，則f(E)=1若E>EF，則f(E)=0標(biāo)志了電子填充能級(jí)的水平E-EF>>k0T？玻爾茲曼分布函數(shù)條件：E-EF>>k0T費(fèi)米統(tǒng)計(jì)分布：受到泡利不相容原理限制玻爾茲曼分布：泡利原理不起作用導(dǎo)帶電子濃度能量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n0V載流子濃度是與溫度、雜質(zhì)數(shù)量及種類有關(guān)的量載流子濃度乘積n0p0與費(fèi)米能級(jí)無關(guān)只決定與溫度T，與所含雜質(zhì)無關(guān)適用于熱平衡狀態(tài)下的任何半導(dǎo)體溫度一定，n0p0一定Nc：導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度Nv：價(jià)帶有效狀態(tài)密度本征半導(dǎo)體電中性條件雜質(zhì)半導(dǎo)體中的載流子濃度電子占據(jù)施主能級(jí)的幾率：空穴占據(jù)受主能級(jí)的幾率：施主能級(jí)上的電子濃度電離施主濃度只含一種雜質(zhì)的半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體

n0=nd++p0弱電離飽和電離區(qū)雜質(zhì)飽和電離——本征過渡區(qū)雜質(zhì)電離本征激發(fā)區(qū)弱電離飽和電離lnn本征區(qū)飽和區(qū)雜質(zhì)電離區(qū)圖4.5N型半導(dǎo)體中電子濃度隨溫度的變化ET0圖4.6費(fèi)米能級(jí)隨溫度的變化有雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體在Nd>Na的半導(dǎo)體中在Na>Nd的P型半導(dǎo)體中Na=Nd的半導(dǎo)體中完全補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體N型半導(dǎo)體(Nd>Na)雜質(zhì)電離情況下：Nd>Na，則受主完全電離，pa=0

由于本征激發(fā)可以忽略，則電中性條件為低溫區(qū)電離情況在更低的溫度下雜質(zhì)飽和電離情況簡(jiǎn)并半導(dǎo)體：屬于非簡(jiǎn)并；：屬于弱簡(jiǎn)并；：屬于簡(jiǎn)并．禁帶變窄凍析效應(yīng)第四章半導(dǎo)體的導(dǎo)電性漂移運(yùn)動(dòng)：電子在電場(chǎng)力作用下的運(yùn)動(dòng)遷移率：?jiǎn)挝粓?chǎng)強(qiáng)下電子的平均漂移速度電導(dǎo)率電流密度散射及散射機(jī)構(gòu)平均自由程：連續(xù)兩次散射間自由運(yùn)動(dòng)的平均路程散射機(jī)構(gòu)（1）電離雜質(zhì)散射（2）晶格振動(dòng)散射聲學(xué)波光學(xué)波（3）其他散射：能谷散射、中性雜質(zhì)散射、位錯(cuò)散射長(zhǎng)縱聲學(xué)波在長(zhǎng)聲學(xué)波中起主要作用電阻率與溫度的關(guān)系載流子主要由電離雜質(zhì)提供雜質(zhì)全部電離，晶格振動(dòng)散射上升為主要矛盾本征激發(fā)成為主要矛盾強(qiáng)電場(chǎng)效應(yīng)現(xiàn)象：偏離歐姆定律解釋：從載流子與晶格振動(dòng)散射時(shí)的能量交換過程來說明第五章非平衡載流子施加外界作用偏離熱平衡態(tài)產(chǎn)生非平衡載流子破壞熱平衡條件比平衡態(tài)多出來一部分載流子非平衡載流子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。準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)當(dāng)半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)，不再具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)，引入準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)非平衡態(tài)下電子濃度：非平衡態(tài)下空穴濃度：復(fù)合理論直接復(fù)合電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的直接躍遷間接復(fù)合非平衡載流子通過復(fù)合中心的復(fù)合間接復(fù)合的四個(gè)過程過程前過程后載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定擴(kuò)散的條件：?jiǎn)挝粫r(shí)間在單位體積內(nèi)積累的載流子＝由于復(fù)合而消失的載流子空穴擴(kuò)散系數(shù)非平衡少數(shù)載流子的壽命非平衡少數(shù)載流子濃度愛因斯坦關(guān)系式(意義，推導(dǎo))從理論上找到擴(kuò)散系數(shù)和遷移率之間的定量關(guān)系遷移率電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)的難易程度擴(kuò)散系數(shù)存在濃度梯度下載流子運(yùn)動(dòng)的難易程度第五章p-n結(jié)第五章p-n結(jié)1、內(nèi)建電場(chǎng)結(jié)果2、費(fèi)米能級(jí)相等標(biāo)志了載流子的擴(kuò)散電流和漂移電流互相抵消p-n結(jié)接觸電勢(shì)差VDVD和p-n結(jié)兩邊的摻雜濃度、溫度、材料的禁帶寬度有關(guān)。在一定溫度下，●突變結(jié)兩邊的摻雜濃度越高，接觸電勢(shì)差VD越大；