半導(dǎo)體物理學(xué)復(fù)習(xí)

半導(dǎo)體物理學(xué)第1章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)重要概念——金剛石結(jié)構(gòu)；能帶；有效質(zhì)量；空穴；本征半導(dǎo)體；重要知識點(diǎn)——化合物半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)；晶體中能帶的形成；半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)特征；本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)；導(dǎo)帶底、價(jià)帶頂電子的有效質(zhì)量；空穴的有效質(zhì)量。晶體中能帶的形成相距很遠(yuǎn)時(shí)，相互作用忽略不計(jì)原子逐漸靠近，外層軌道發(fā)生電子的共有化運(yùn)動——能級分裂當(dāng)原子聚集形成晶體時(shí)，不能改變量子態(tài)的總數(shù)；沒有兩個(gè)電子具有相同的量子數(shù)。晶體中能帶的形成N個(gè)原子逐漸靠近，最外層電子首先發(fā)生共有化運(yùn)動，

每一個(gè)能級分裂成N個(gè)相距很近的能級，形成一個(gè)準(zhǔn)連續(xù)的能帶。半導(dǎo)體中電子的狀態(tài)和能帶

(a)E(k)~k關(guān)系(b)能帶半導(dǎo)體中的電子自由電子有效質(zhì)量有效質(zhì)量引入有效質(zhì)量這一概念的意義在于：有效質(zhì)量概括了晶體內(nèi)部勢場對電子的作用，使得在解決晶體或半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運(yùn)動規(guī)律時(shí)，可以不涉及到內(nèi)部勢場對電子的作用，而直接按照牛頓第二定律由外力求出電子的加速度。

1.帶有正電荷(+q)，其電量等于電子電量；2.其速度等于該狀態(tài)上電子的速度、方向相反；3.價(jià)帶中的空穴數(shù)恒等于價(jià)帶中的空狀態(tài)數(shù)；4.空穴能量增加的方向與電子能量增加的方向相反；5.空穴具有正的有效質(zhì)量。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)、空穴空穴的性質(zhì)：把價(jià)帶中空著的狀態(tài)看成是帶正電的粒子，稱為空穴導(dǎo)帶中有多少電子，價(jià)帶中就有多少空穴；導(dǎo)帶上的電子參與導(dǎo)電，價(jià)帶上的空穴也參與導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu):第2章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級重要概念——施主、受主雜質(zhì)(能級)；雜質(zhì)電離；淺(深)能級雜質(zhì)；雜質(zhì)補(bǔ)償。重要知識點(diǎn)——施主、受主雜質(zhì)（能級）類型的判斷；n（p）型半導(dǎo)體的判斷；淺能級、深能級雜質(zhì)對半導(dǎo)體性質(zhì)的影響；雜質(zhì)補(bǔ)償?shù)囊饬x。第一種、按對載流子的貢獻(xiàn)：雜質(zhì)的類型①淺能級雜質(zhì)②深能級雜質(zhì)①施主雜質(zhì)——為半導(dǎo)體材料提供導(dǎo)電電子的雜質(zhì)②受主雜質(zhì)——對半導(dǎo)體材料提供導(dǎo)電空穴的雜質(zhì)第二種、按能級的深淺：①替位式雜質(zhì)②間隙式雜質(zhì)第三種、按分布位置：淺能級雜質(zhì)1.淺施主雜質(zhì)P原子代替Si原子后，為半導(dǎo)體提供了一個(gè)自由電子，稱為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)。三、淺能級雜質(zhì)價(jià)電子脫離雜質(zhì)原子成為自由電子的過程稱為雜質(zhì)電離，所需要的能量稱為雜質(zhì)電離能。通常在室溫下，雜質(zhì)可以完全電離,電子濃度等于雜質(zhì)濃度。把主要依靠導(dǎo)帶電子導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為n型半導(dǎo)體。2.淺受主雜質(zhì)硼原子替代Si原子，硼在晶體中接受一個(gè)電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴，為受主雜質(zhì)三、淺能級雜質(zhì)在室溫下，受主雜質(zhì)完全電離，則空穴濃度等于受主雜質(zhì)濃度。把主要依靠空穴導(dǎo)電的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。雜質(zhì)的補(bǔ)償作用1）：有效雜質(zhì)2）：有效雜質(zhì)3）:高度補(bǔ)償半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主雜質(zhì)ND和受主雜質(zhì)NA時(shí)，施主和受主之間有相互抵消的作用，稱為雜質(zhì)的補(bǔ)償作用。意義？深能級雜質(zhì)深能級雜質(zhì)能多次電離，即產(chǎn)生多個(gè)能級；有的雜質(zhì)既能引入施主能級，又能引入受主能級；特點(diǎn)：III,V族以外的其它元素雜質(zhì)摻入Si，Ge中都產(chǎn)生深能級不容易電離，對半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子濃度，導(dǎo)電空穴濃度和材料的導(dǎo)電類型的影響較弱；對載流子的復(fù)合作用的影響較大。小結(jié)淺能級雜質(zhì)——為半導(dǎo)體材料提供導(dǎo)電載流子，影響半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。深能級雜質(zhì)——具有很強(qiáng)的復(fù)合作用缺陷

缺陷處晶格畸變，周期性勢場被破壞，在禁帶中產(chǎn)生能級；缺陷能級大多為深能級，在半導(dǎo)體中起復(fù)合中心作用。Si，Ge：施主摻雜劑V族元素；受主參雜劑：III族元素GaAs：施主摻雜劑II族元素；受主參雜劑：VI族元素第3章半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布重要概念——狀態(tài)密度；費(fèi)米能級；費(fèi)米（玻爾茲曼）分布；本征半導(dǎo)體；（非）簡并半導(dǎo)體；重要知識點(diǎn)——費(fèi)米（玻爾茲曼）分布函數(shù)的形式與含義；熱平衡時(shí)載流子濃度及其乘積的表達(dá)式；雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度（按不同溫度范圍）；雜質(zhì)半導(dǎo)體費(fèi)米能級隨溫度的變化（n型為例）；雜質(zhì)半導(dǎo)體的電中性條件。狀態(tài)密度gv(E)與(Ev-E)之間也呈拋物線性關(guān)系:

gc(E)與(E-EC)之間有拋物線性關(guān)系：能量越高，狀態(tài)密度越大。費(fèi)米分布函數(shù)和費(fèi)米能級EF的位置比較直觀的標(biāo)志了電子占據(jù)量子態(tài)的狀況，標(biāo)志著電子填充能級的水平。玻耳茲曼分布函數(shù)導(dǎo)帶中的電子服從玻耳茲曼分布函數(shù)EF位于禁帶內(nèi)，且與導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂?shù)木嚯x遠(yuǎn)大于koT非簡并半導(dǎo)體價(jià)帶中的空穴服從玻耳茲曼分布函數(shù)能帶中的載流子濃度熱平衡狀態(tài)下非簡并半導(dǎo)體的載流子濃度n0、p0之積當(dāng)溫度一定時(shí)，對確定的半導(dǎo)體材料，其值是一定的。半導(dǎo)體載流子濃度與費(fèi)米能級EF位于禁帶中線n0=p01、本征半導(dǎo)體2、雜質(zhì)半導(dǎo)體N-type：EF>Ei;n0>p0

P-type：EF<Ei;n0<p0N-type：隨著摻雜濃度的增加，EF向EC靠近；p-type：隨著摻雜濃度的增加，EF向EV靠近。電中性方程1、本征半導(dǎo)體：2、只有施主的n型半導(dǎo)體：3、只有受主的p型半導(dǎo)體：4、同時(shí)有施主和受主的半導(dǎo)體：電中性條件本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體的載流子濃度與半導(dǎo)體本身的能帶結(jié)構(gòu)和溫度有關(guān)。雜質(zhì)態(tài)上電子和空穴的分布規(guī)律施主能級上未電離的施主雜質(zhì)濃度（施主能級上的電子濃度）為電離施主雜質(zhì)濃度為過渡區(qū)導(dǎo)帶電子來源于全部雜質(zhì)電離和部分本征激發(fā)

強(qiáng)電離（飽和）導(dǎo)帶電子濃度等于施主濃度高溫本征激發(fā)區(qū)

n0>>ND

p0>>ND

同上中間電離導(dǎo)帶電子從施主電離產(chǎn)生

p0=0n0=弱電離導(dǎo)帶電子從施主電離產(chǎn)生費(fèi)米能級載流子濃度電中性條件特征雜質(zhì)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級①在器件正常工作的溫度范圍內(nèi)，n型半導(dǎo)體的EF位于Ei

之上ED之下的禁帶中。②一定溫度下，EF隨ND的增大而趨向ED；③摻雜一定時(shí)，EF隨溫度的升高而趨向Ei；簡并半導(dǎo)體簡并半導(dǎo)體與非簡并半導(dǎo)體的區(qū)別：非簡并雜質(zhì)濃度適中EF位于禁帶內(nèi)，且與EV，EC的距離較遠(yuǎn)玻耳茲曼分布簡并雜質(zhì)濃度很高EF接近EV、EC，甚至進(jìn)入導(dǎo)帶或價(jià)帶費(fèi)米分布簡并化條件發(fā)生簡并化時(shí)的雜質(zhì)濃度很高，重?fù)诫s半導(dǎo)體。在室溫下，簡并半導(dǎo)體中的雜質(zhì)只有很少一部分電離。第4章半導(dǎo)體的導(dǎo)電性重要概念——漂移、遷移率、載流子散射、平均自由時(shí)間。重要知識點(diǎn)——漂移電流密度的表達(dá)式，電導(dǎo)率和遷移率的關(guān)系；半導(dǎo)體的主要散射機(jī)構(gòu)，散射概率和溫度的關(guān)系；載流子遷移率的決定因素（雜質(zhì)濃度、溫度）；雜質(zhì)半導(dǎo)體電阻率隨溫度的變化關(guān)系；電導(dǎo)率為：反應(yīng)載流子在電場中漂移運(yùn)動的難易程度在相同的外電場作用下：歐姆定律的微分形式它反映了通過導(dǎo)體中某一點(diǎn)的電流密度與該處的電場強(qiáng)度及材料的電導(dǎo)率之間的關(guān)系。散射晶格周期性勢場遭到破壞而存在附加勢場。2、散射的原因3、主要散射機(jī)構(gòu)（1）電離雜質(zhì)（2）晶格振動4、散射幾率單位時(shí)間內(nèi)一個(gè)載流子受到散射的次數(shù)稱為散射幾率。散射幾率大，受散射的程度就強(qiáng)。1、散射的機(jī)理載流子發(fā)生不同狀態(tài)（k）的躍遷。電離雜質(zhì)散射Ni=（ND+NA）晶格振動的散射頻率為的一個(gè)格波，其能量是量子化的，即：聲子把格波的能量子稱為聲子。電子在晶格中被格波散射可以看作是電子與聲子的相互作用，而且電子和聲子的碰撞也遵守準(zhǔn)動量守恒和能量守恒定律。晶格振動的散射聲學(xué)波散射(長縱聲學(xué)波)光學(xué)波散射（長縱光學(xué)波）平均自由時(shí)間等于散射幾率的倒數(shù)電子的遷移率空穴的遷移率為電離雜質(zhì)散射：聲學(xué)波散射：遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系遷移率隨溫度的升高而減小。遷移率隨溫度的升高而增大。隨溫度的升高，遷移率減小。③當(dāng)Ni較大，溫度很高——II①若Ni較小——II②當(dāng)Ni較大，溫度低——I④溫度不變，Ni增大——I隨Ni的增大，遷移率減小。I：電離雜質(zhì)散射為主II：晶格振動散射為主電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系1、本征材料綜合以上兩者的作用：本征材料的電導(dǎo)率隨溫度升高而增大，電阻率減小。ni

隨溫度升高按指數(shù)規(guī)律增大遷移率隨溫度升高而緩慢減小電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系2、雜質(zhì)半導(dǎo)體以n型半導(dǎo)體為例：載流子來源遷移率因素雜質(zhì)電離1本征激發(fā)2電離雜質(zhì)散射3晶格振動散射4載流子變化遷移率變化1234AB（低溫）隨T增加忽略隨T增加忽略BC（室溫）全電離次要次要隨T減小CD（高溫）次要隨T增加次要次要電場不太強(qiáng)時(shí)：半導(dǎo)體中的電流密度與外加電場之間的關(guān)系服歐姆定律電場較強(qiáng)時(shí)：J與E不再滿足正比關(guān)系，偏離了歐姆定律電場很強(qiáng)時(shí)：J達(dá)到了飽和，歐姆定律不成立強(qiáng)場下歐姆定律的偏移第5章非平衡載流子重要概念——非平衡載流子，注入、復(fù)合、壽命、陷阱效應(yīng)、擴(kuò)散運(yùn)動（系數(shù)）、擴(kuò)散電流、愛因斯坦關(guān)系。重要知識點(diǎn)——非平衡載流子的壽命與其濃度的變化關(guān)系（例題）；載流子復(fù)合的過程及能量釋放方式；有效復(fù)合中心、陷阱中心的能級位置；間接復(fù)合的四個(gè)微觀過程；載流子遷移率和擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系—愛因斯坦關(guān)系；擴(kuò)散電流密度表達(dá)式；熱平衡態(tài)：非平衡態(tài)：無外界作用有外界作用有統(tǒng)一的費(fèi)米能級無統(tǒng)一的費(fèi)米能級（準(zhǔn)費(fèi)米能級）有確定的載流子濃度:n0、p0非平衡載流子的產(chǎn)生非平衡載流子的產(chǎn)生——注入(injection)光照使價(jià)帶電子激發(fā)到導(dǎo)帶產(chǎn)生電子-空穴對：Δn=Δp光注入的條件：注入的程度：電注入：利用金屬—半導(dǎo)體接觸或利用pn結(jié)的正向工作光注入：大注入：Δn~n0

，Δp~p0或Δn>n0，Δp>n0

小注入：n0>>Δn

，但Δn>>p0

，Δp>>p0

半導(dǎo)體物理主要研究小注入，此時(shí)非平衡少子更重要準(zhǔn)費(fèi)米能級反映了系統(tǒng)偏離平衡態(tài)的程度多子的準(zhǔn)費(fèi)米能級偏離EF很小，少子的準(zhǔn)費(fèi)米能級往往偏離EF很大。復(fù)合的分類直接復(fù)合間接復(fù)合1、按復(fù)合過程（復(fù)合躍遷方式）2、按復(fù)合過程發(fā)生的位置體內(nèi)復(fù)合表面復(fù)合3、按復(fù)合過程能量交換的方式發(fā)射光子發(fā)射聲子給予其他載流子（俄歇復(fù)合）間接復(fù)合甲、電子俘獲；丙、空穴俘獲；乙、電子激發(fā)；丁、空穴激發(fā)；間接復(fù)合的四個(gè)基本過程：陷阱雜質(zhì)能級（深能級）積累非平衡載流子的作用稱為