半導體物理學基本概念

1、.半導體物理學 基本概念有效質量-載流子在晶體中的表觀質量，它體現(xiàn)了周期場對電子運動的影響。其物理意義：1）有效質量的大小仍然是慣性大小的量度；2）有效質量反映了電子在晶格與外場之間能量和動量的傳遞，因此可正可負?？昭?是一種準粒子，代表半導體近滿帶（價帶）中的少量空態(tài)，相當于具有正的電子電荷和正的有效質量的粒子，描述了近滿帶中大量電子的運動行為?；匦舱?半導體中的電子在恒定磁場中受洛侖茲力作用將作回旋運動，此時在半導體上再加垂直于磁場的交變磁場，當交變磁場的頻率等于電子的回旋頻率時，發(fā)生強烈的共振吸收現(xiàn)象，稱為回旋共振。施主-在半導體中起施予電子作用的雜質。受主-在半導體中起接受電子作用的

2、雜質。雜質電離能-使中性施主雜質束縛的電子電離或使中性受主雜質束縛的空穴電離所需要的能量。n-型半導體-以電子為主要載流子的半導體。p-型半導體-以空穴為主要載流子的半導體。 淺能級雜質-雜質能級位于半導體禁帶中靠近導帶底或價帶頂，即雜質電離能很低的雜質。淺能級雜質對半導體的導電性質有較大的影響。深能級雜質-雜質能級位于半導體禁帶中遠離導帶底（施主）或價帶頂（受主），即雜質電離能很大的雜質。深能級雜質對半導體導電性質影響較小，但對半導體中非平衡載流子的復合過程有重要作用。位于半導體禁帶中央能級附近的深能級雜質是有效的復合中心。雜質補償-在半導體中同時存在施主和受主雜質時，存在雜質補償現(xiàn)象，即施

3、主雜質束縛的電子優(yōu)先填充受主能級，實際的有效雜質濃度為補償后的雜質濃度，即兩者之差。直接帶隙-半導體的導帶底和價帶頂位于k空間同一位置時稱為直接帶隙。直接帶隙材料中載流子躍遷幾率較大。間接帶隙-半導體的導帶底和價帶頂位于k空間不同位置時稱為間接帶隙。間接帶隙材料中載流子躍遷時需有聲子參與，躍遷幾率較小。平衡狀態(tài)與非平衡狀態(tài)-半導體處于熱平衡態(tài)時，載流子遵從平衡態(tài)分布，電子和空穴具有統(tǒng)一的費米能級。半導體處于外場中時為非平衡態(tài)，載流子分布函數偏離平衡態(tài)分布，電子和空穴不具有統(tǒng)一的費米能級，載流子濃度也比平衡時多出一部分，但可認為它們各自達到平衡，可引入準費米能級表示。電中性條件-半導體在任何情況

4、下都維持體內電中性，即單位體積內正電荷數與負電荷數相等。非簡并半導體-半導體中載流子分布可由經典的玻爾茲曼分布代替費米分布描述時，稱之為非簡并半導體。簡并半導體-半導體重摻雜時，其費米能級有可能進入到導帶或價帶中，此時載流子分布必須用費米分布描述，稱之為簡并半導體。簡并半導體有如下性質：1）雜質不能充分電離；2）雜質能級擴展為雜質能帶。如果雜質能帶與導帶或價帶相連，則禁帶寬度將減小。本征半導體-本征半導體即純凈半導體，其載流子濃度隨溫度增加呈指數規(guī)律增加。雜質半導體-在半導體中人為地，有控制地摻入少量的淺能級雜質的半導體，可在較大溫度范圍內保持半導體內載流子濃度不隨溫度改變。即摻雜的主要作用是

5、在較大溫度范圍維持半導體中載流濃度不變。多數載流子與少數載流子-多數載流子是在半導體輸運過程中起主要作用的載流子，如n-型半導體中的電子。而少數載流子在是在半導體輸運過程中起次要作用的載流子，如n-型半導體中的空穴。費米分布-費米分布是費米子（電子）在平衡態(tài)時的分布，其物理意義是在溫度t時，電子占據能量為e的狀態(tài)的幾率，或能量為e的狀態(tài)上的平均電子數。精品.費米能級-費米能級是t=0 k時電子系統(tǒng)中電子占據態(tài)和 未占據態(tài)的分界線，是t=0 k時系統(tǒng)中電子所能具有的最高能量。漂移速度-載流子在外場作用下定向運動的平均速度，弱場下漂移速度大小正比于外場強度。遷移率-描述半導體中載流子在外場中運動難

6、易程度的物理量，若外場不太強，載流子運動遵從歐姆定律時，遷移率與電場強度無關，為一常數。強場時，遷移率與外場有關。電導率-描述材料導電性質的物理量。半導體中載流子遵從歐姆定律時，電流密度正比于電場強度，其比例系數即為電導率。電導率大小與載流子濃度，載流子的遷移率有關。從微觀機制看，電導率與載流子的散射過程有關。電阻率-電導率的倒數。本征半導體電阻率隨溫度上升而單調下降。同樣，電阻率與載流子的散射過程有關。金屬電阻率-隨溫度上升而上升。（晶格振動散射）散射幾率-載流子在單位時間內被散射的次數。平均自由時間-載流子在兩次散射之間自由運動的平均時間。強場效應-電場強度較高時載流子的平均漂移速度與電場

7、強度間的關系偏離線性關系的現(xiàn)象，此時遷移率不再是常數。電場強度繼續(xù)增加時，漂移速度不再隨外場增加而變化，達到飽和。熱載流子-半導體處于強場中時，電子的平均能量高于晶格平均能量，以溫度度量，則電子平均溫度高于晶格平均溫度，因此稱強場中電子為熱載流子。多能谷散射-半導體中有多個能量值接近的導帶底時，電子被散射到不同能谷的現(xiàn)象。負微分電導（電阻）-定義dj/de為微分電導，當半導體中電流密度隨電場增加而減小時，微分電導小于零，稱為負微分電導。耿氏振蕩-存在負微分電導的半導體在強場中電流出現(xiàn)振蕩的現(xiàn)象。由于載流子分布不均勻，在高阻區(qū)形成偶極疇，偶極疇不斷產生、長大、漂移和吸收的過程便產生微波振蕩。非平

8、衡載流子-半導體處于非平衡態(tài)時，比平衡態(tài)時多出來的那一部分載流子稱為非平衡載流子。p=n非平衡載流子的注入與復合-非平衡載流子的產生過程稱為注入，非平衡載流子湮滅的過程稱為復合。準費米能級-半導體處于非平衡態(tài)時，導帶電子和價帶空穴不再有統(tǒng)一的費米能級，但可以認為它們各自達到平衡，相應的費米能級稱為電子和空穴的準費米能級。少子壽命-非平衡少數載流子在半導體中存在的平均時間。即產生非平衡載流子的因素去除后，非平衡載流子濃度衰減至初始時濃度的1/e倍所需的時間。直接復合-電子從導帶直接躍遷至價帶與空穴相遇而復合。間接復合-電子通過禁帶中的能級而躍遷至價帶與空穴相遇而復合。表面復合-發(fā)生在半導體表面處

9、的復合。體內復合-發(fā)生在半導體內部的復合。輻射復合-電子從高能級躍遷至低能級與空穴復合時，多余的能量以輻射光子的形式釋放。無輻射復合-電子從高能級躍遷至低能級與空穴復合時，多余的能量以輻射聲子的形式釋放。俄歇復合-電子從高能級躍遷至低能級與空穴復合時，釋放的能量用于其它載流子由較低能態(tài)躍遷至較高能態(tài)。復合中心-對間接復合起促進作用的深能級雜質。相應的雜質能級稱為復合中心能級，通常位于半導體禁帶中央能級附近。 載流子陷阱-對間接復合起阻礙作用的深能級雜質。相應的雜質能級稱為陷阱能級。半導體物理學 計算問題能態(tài)密度費米分布雜質電離能載流子濃度精品.費米能級與準費米能級電阻率電導率例1. 已知si導

10、帶底在方向，等能面為旋轉橢球面，等能面附近能譜：式中mt和ml分別為橫向和縱向有效質量。試求si導帶的能態(tài)密度。解：由能態(tài)密度定義：式中dz為e-e+de之間的能量狀態(tài)數，也可以視為k空間中兩等能面之間的狀態(tài)數，對一支能帶：式中為k空間體積元。等能面為橢球面，此等能面所圍的體積為：兩等能面之間的體積：si導帶底在方向，包括六個旋轉橢球等能面，故能態(tài)密度：能態(tài)密度有效質量例2. 某晶體價電子具有球形等能面，電子能譜為：試求其能態(tài)密度。解：精品. 例3. 求本征半導體的費米能級和載流子濃度。解：本征半導體的電中性條件：例4. 已知處于平衡態(tài)的非簡并半導體中施主濃度為nd，當半導體處于飽和區(qū)時，求其費米能級和載流子濃度。解：只含一種施主雜質的半導體的電中性條件：半導體處于飽和區(qū)時， 載流子濃度：精品.半導體物理學 作圖問題半導體能帶結構示意圖分布函數曲線能態(tài)密度曲線準費米能級典型半導體的能帶結構半導體的能帶結構-價帶為滿帶，價帶與緊鄰空帶間禁帶寬度較??；室溫下即有電子從價帶躍升至導帶：si、ge的能帶結構（間接帶隙）gaas的能帶結構（直接帶隙）精品.分布函數曲線 能態(tài)密度曲線半導體平衡時能帶結構： 處于非平衡態(tài)時半導體的準費米能級： 半導體物理學 實驗規(guī)律費米能級與雜質濃度和溫度的關系費米能級的位置與半導體的導電類型及電子填充能級水平的關系雜質半導體中載流子濃度與溫度的關系