半導(dǎo)體物理學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

1、1半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)1.2半導(dǎo)體中電子狀態(tài)和能帶1.3半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng) 有效質(zhì)量1半導(dǎo)體中E與K的關(guān)系2半導(dǎo)體中電子的平均速度3半導(dǎo)體中電子的加速度1.4半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu) 空穴1硅和鍺的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu) 對(duì)于硅，由公式 討論后可得： I.磁感應(yīng)沿【1 1 1】方向，當(dāng)改變B（磁感應(yīng)強(qiáng)度）時(shí)，只能觀察到一個(gè)吸收峰 II.磁感應(yīng)沿【1 1 0】方向，有兩個(gè)吸收峰 III.磁感應(yīng)沿【1 0 0】方向，有兩個(gè)吸收峰 IV磁感應(yīng)沿任意方向時(shí)，有三個(gè)吸收峰2硅和鍺的價(jià)帶結(jié)構(gòu) 重空穴比輕空穴有較強(qiáng)的各向異性。2半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)缺陷分為點(diǎn)缺陷，線缺陷，面缺陷(層錯(cuò)等)1.替位式雜質(zhì) 間隙式雜質(zhì)2.施主雜質(zhì)：能

2、級(jí)為E(D),被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)比導(dǎo)帶底E(C)低E(D),施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶底近的禁帶中。3. 受主雜質(zhì)：能級(jí)為E(A),被受主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)比價(jià)帶E(V)高E(A),受主能級(jí)位于離價(jià)帶頂近的禁帶中。4.雜質(zhì)的補(bǔ)償作用5.深能級(jí)雜質(zhì)： 非3，5族雜質(zhì)在硅，鍺的禁帶中產(chǎn)生的施主能級(jí)距離導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)，離價(jià)帶頂也較遠(yuǎn)，稱為深能級(jí)。 這些深能級(jí)雜質(zhì)能產(chǎn)生多次電離。6.點(diǎn)缺陷：弗侖克耳缺陷：間隙原子和空位成對(duì)出現(xiàn)。 肖特基缺陷：只在晶體內(nèi)部形成空位而無間隙原子。 空位表現(xiàn)出受主作用，間隙原子表現(xiàn)出施主作用。3半導(dǎo)體中載流子的分布統(tǒng)計(jì)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，稱為本征激發(fā)。一、狀態(tài)密度狀

3、態(tài)密度g(E)是在能帶中能量E附近每單位間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)。首先要知道量子態(tài)，每個(gè)量子態(tài)智能容納一個(gè)電子。導(dǎo)帶底附近單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)目，隨電子的能量按拋物線關(guān)系增大，即電子能量越高，狀態(tài)密度越大。二、費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)計(jì)分布在T=0K時(shí)，費(fèi)米能級(jí)E(f)可看作是量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個(gè)界限。附圖：隨著溫度的升高，電子占據(jù)能量小于費(fèi)米能級(jí)的量子態(tài)的概率下降，占據(jù)高于費(fèi)米能級(jí)的量子態(tài)的概率上升。2波爾茲曼分布函數(shù) 在E-E(f)K(0)T時(shí)，服從波爾茲曼分布（是費(fèi)米能級(jí)的一種簡(jiǎn)化形式）。附：導(dǎo)帶中電子濃度公式 空穴濃度公式 載流子濃度乘積，對(duì)于一定的半導(dǎo)體材料，只與溫度有關(guān)。三、本征半導(dǎo)

4、體的載流子濃度附：本征載流子濃度公式一定的半導(dǎo)體材料，本征載流子濃度隨溫度升高；在同一溫度，禁帶寬度E(g)越大，本征載流子濃度就越小。四、雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度 附：電離得施主濃度，受主濃度 可以看出，對(duì)于施主雜質(zhì)，當(dāng)費(fèi)米能級(jí)遠(yuǎn)在施主能級(jí)下時(shí)，可以認(rèn)為幾乎都電離，反之可以認(rèn)為幾乎沒有電離，當(dāng)重合時(shí)，施主雜質(zhì)有1/3電離，2/3沒有電離。同理，費(fèi)米能級(jí)在受主雜質(zhì)能級(jí)之上時(shí)，完全電離，反之； N型半導(dǎo)體的載流子濃度附：電中性條件各個(gè)溫度的情況：低溫弱電離區(qū)：大部分施主雜質(zhì)能級(jí)被電子占據(jù)，只有少量的被激發(fā)，稱為弱電離。此時(shí)導(dǎo)帶中的電子完全有電離施主雜質(zhì)提供。附 低溫弱電路區(qū)的費(fèi)米能級(jí)表達(dá)式 低溫弱

5、電離區(qū)E(f)與T的關(guān)系中間電離區(qū) 有1/3電離。強(qiáng)電離區(qū)溫度升高至大部分雜質(zhì)都電離，當(dāng)施主雜質(zhì)全部電離時(shí)，電子濃度等于施主雜質(zhì)濃度，載流子濃度與溫度無關(guān)。載流子濃度保持等于這一濃度的溫度范圍稱為飽和區(qū)。過渡區(qū)半導(dǎo)體處于飽和區(qū)與完全本征激發(fā)之間。高溫本征激發(fā)區(qū) 此時(shí)費(fèi)米能級(jí)接近禁帶中線，載流子濃度隨溫度升高而迅速升高。附：電子濃度與溫度曲線六、簡(jiǎn)并半導(dǎo)體附：簡(jiǎn)并的條件簡(jiǎn)并是雜質(zhì)沒有充分電離。4半導(dǎo)體導(dǎo)電性一、載流子的漂移運(yùn)動(dòng) 遷移率 遷移率：?jiǎn)挝粓?chǎng)強(qiáng)下電子的平均漂移速度。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用是電子和空穴到點(diǎn)作用之和。 附半導(dǎo)體導(dǎo)電率公式二、載流子的散射 主要由于周期性勢(shì)場(chǎng)的破壞。電離雜質(zhì)散射：由

6、于雜質(zhì)電離之后帶電散射概率與雜質(zhì)濃度成正比，與溫度成反比。晶格振動(dòng)的散射六、電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系I.電阻率和雜質(zhì)濃度 隨濃度增加而下降，但不是直線。因?yàn)椋? 雜質(zhì)在室溫下不能完全電離2遷移率隨濃度增加而顯著下降。II.電阻率隨溫度變化AB段：溫度很低，本征激發(fā)可忽略，載流子主要由本征激發(fā)提供，隨溫度升高而升高，故電阻率下降。BC段：雜質(zhì)完全電離，本征激發(fā)不充分，晶格振動(dòng)散射稱為主要矛盾；CD段：本征激發(fā)很快增加，本征載流子產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遷移率減小對(duì)電阻率的影響。附圖5非平衡載流子一、用光照使得半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子的方法稱為非平衡載流子的光注入。光注入必然導(dǎo)致半導(dǎo)體導(dǎo)電率增大二、

7、非平衡載流子的復(fù)合率：在單位時(shí)間單位體積內(nèi)凈復(fù)合消失的電子空穴對(duì)數(shù)。四、復(fù)合理論 復(fù)合過程分為兩種：直接復(fù)合：電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的之間躍遷。 間接復(fù)合：電子和空穴通過禁帶的能級(jí)（復(fù)合中心（由雜質(zhì)和缺陷提供）進(jìn)行復(fù)合。 根據(jù)位置分為：體內(nèi)復(fù)合 表面復(fù)合 發(fā)出能量：發(fā)射光子 發(fā)射聲子：引起晶格振動(dòng) 能量賦予其他載流子（俄歇復(fù)合）五、陷阱效應(yīng) 雜質(zhì)能級(jí)積累非平衡載流子的作用 把顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)稱為陷阱，相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心。 雖然雜質(zhì)俘獲多數(shù)載流子的概率比俘獲少數(shù)載流子的概率大得多，而且雜質(zhì) 能級(jí)的位置也有利于陷阱作用，但是不能形成多數(shù)載流子陷阱，通常的都少數(shù)載流子的陷阱作用。雜質(zhì)能

8、級(jí)與平衡時(shí)費(fèi)米能級(jí)重合時(shí)最有利于陷阱作用。對(duì)于再低的能級(jí)，平衡時(shí)被電子填滿，不能形成陷阱。費(fèi)米能級(jí)之上時(shí)，隨E(f)的升高，電子被激發(fā)到導(dǎo)帶的概率迅速增加。因此，對(duì)于電子陷阱，費(fèi)米能級(jí)之上，越接近E(f)陷阱效應(yīng)越顯著。 電子落入陷阱后，基本上不能直接與空穴復(fù)合，需要先激發(fā)到導(dǎo)帶，才能通過復(fù)合中性復(fù)合。因此陷阱大大增加了從非平衡態(tài)回復(fù)到平衡態(tài)的弛豫時(shí)間。 6P-N結(jié)一、pn結(jié)及其能帶圖 Pn結(jié)能帶圖 附 解釋:按照費(fèi)米能級(jí)的意義，電子將從費(fèi)米能級(jí)高的n區(qū)流向費(fèi)米能級(jí)低的p區(qū)，空穴相反。由于pn結(jié)空間電荷區(qū)中存在內(nèi)建電場(chǎng)的結(jié)果，隨著從n區(qū)指向p區(qū)的內(nèi)建電場(chǎng)不斷增強(qiáng)，電子勢(shì)能由n到p 不斷升高，空

9、穴勢(shì)能有Ndao p不斷降低。 從圖中看出，電子要從勢(shì)能低的n區(qū)到勢(shì)能高的p區(qū)，必須克服這一勢(shì)壘，故空間電荷區(qū)也叫勢(shì)壘區(qū)。二、Pn結(jié)的電流電壓特性 外加電壓 外加正向偏壓（即p區(qū)接電源正極，n負(fù)極），在勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生了與內(nèi)建電場(chǎng)相反的電場(chǎng)，減弱了勢(shì)壘區(qū)中的電場(chǎng)強(qiáng)度，空間電荷相應(yīng)減少。故勢(shì)壘區(qū)的寬度減小，勢(shì)壘高度下降。 勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)減弱使得擴(kuò)散大于漂移，在p區(qū)的邊緣有少數(shù)的電子聚集，并擴(kuò)散進(jìn)入p區(qū)與空穴復(fù)合，這一區(qū)域稱為擴(kuò)散區(qū)。 外加反向電壓，勢(shì)壘區(qū)變寬，勢(shì)壘高度增加。N和p區(qū)的少數(shù)載流子相當(dāng)于被抽取，形成反偏電壓下的電子擴(kuò)散電流和空穴擴(kuò)散電流。因?yàn)樯僮訚舛鹊停鴶U(kuò)散長(zhǎng)度基本不變，所以反偏時(shí)少子濃度梯度也低。當(dāng)反偏電壓很大時(shí)，邊界處可認(rèn)為少子濃度為零，此時(shí)少子濃度梯度不再隨電壓變化，擴(kuò)散電流也不隨電壓變化。三、pn結(jié)電容勢(shì)壘電容 擴(kuò)散電容單邊突變結(jié)的勢(shì)