半導(dǎo)體物理學(xué)--基本概念匯總(共20頁)

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

2、-在半導(dǎo)體中起接受電子作用的雜質(zhì)。雜質(zhì)電離能-使中性施主雜質(zhì)束縛的電子電離或使中性受主雜質(zhì)束縛的空穴電離所需要的能量。n-型半導(dǎo)體-以電子為主要載流子的半導(dǎo)體。 p-型半導(dǎo)體-以空穴為主要載流子的半導(dǎo)體。淺能級雜質(zhì)-雜質(zhì)能級位于半導(dǎo)體禁帶中靠近導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂，即雜質(zhì)電離能很低的雜質(zhì)。淺能級雜質(zhì)對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)有較大的影響。深能級雜質(zhì)-雜質(zhì)能級位于半導(dǎo)體禁帶中遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底（施主）或價(jià)帶頂（受主），即雜質(zhì)電離能很大的雜質(zhì)。深能級雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性質(zhì)影響較小，但對半導(dǎo)體中非平衡載流子的復(fù)合過程有重要作用。位于半導(dǎo)體禁帶中央能級附近的深能級雜質(zhì)是有效的復(fù)合中心。雜質(zhì)補(bǔ)償-在半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主和受主雜

3、質(zhì)時(shí)，存在雜質(zhì)補(bǔ)償現(xiàn)象，即施主雜質(zhì)束縛的電子優(yōu)先填充受主能級，實(shí)際的有效雜質(zhì)濃度為補(bǔ)償后的雜質(zhì)濃度，即兩者之差。直接帶隙-半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂位于k 空間同一位置時(shí)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(dǎo)體的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂位于k 空間不同位置時(shí)稱為間接帶隙。間接帶隙材料中載流子躍遷時(shí)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(dǎo)體處于熱平衡態(tài)時(shí)，載流子遵從平衡態(tài)分布，電子和空穴具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級。半導(dǎo)體處于外場中時(shí)為非平衡態(tài)，載流子分布函數(shù)偏離平衡態(tài)分布，電子和空穴不具有統(tǒng)一的費(fèi)米能級，載流子濃度也比平衡時(shí)多出一部分，但可認(rèn)為它們各自達(dá)到平衡，可引入準(zhǔn)費(fèi)米能級表

4、示。 電中性條件-半導(dǎo)體在任何情況下都維持體內(nèi)電中性，即單位體積內(nèi)正電荷數(shù)與負(fù)1電荷數(shù)相等。非簡并半導(dǎo)體-半導(dǎo)體中載流子分布可由經(jīng)典的玻爾茲曼分布代替費(fèi)米分布描述時(shí)，稱之為非簡并半導(dǎo)體。簡并半導(dǎo)體-半導(dǎo)體重?fù)诫s時(shí)，其費(fèi)米能級有可能進(jìn)入到導(dǎo)帶或價(jià)帶中，此時(shí)載流子分布必須用費(fèi)米分布描述，稱之為簡并半導(dǎo)體。簡并半導(dǎo)體有如下性質(zhì)：1）雜質(zhì)不能充分電離；2）雜質(zhì)能級擴(kuò)展為雜質(zhì)能帶。如果雜質(zhì)能帶與導(dǎo)帶或價(jià)帶相連，則禁帶寬度將減小。本征半導(dǎo)體-本征半導(dǎo)體即純凈半導(dǎo)體，其載流子濃度隨溫度增加呈指數(shù)規(guī)律增加。雜質(zhì)半導(dǎo)體-在半導(dǎo)體中人為地，有控制地?fù)饺肷倭康臏\能級雜質(zhì)的半導(dǎo)體，可在較大溫度范圍內(nèi)保持半導(dǎo)體內(nèi)載流子

5、濃度不隨溫度改變。即摻雜的主要作用是在較大溫度范圍維持半導(dǎo)體中載流濃度不變。多數(shù)載流子與少數(shù)載流子-多數(shù)載流子是在半導(dǎo)體輸運(yùn)過程中起主要作用的載流子，如n-型半導(dǎo)體中的電子。而少數(shù)載流子在是在半導(dǎo)體輸運(yùn)過程中起次要作用的載流子，如n-型半導(dǎo)體中的空穴。費(fèi)米分布-費(fèi)米分布是費(fèi)米子（電子）在平衡態(tài)時(shí)的分布，其物理意義是在溫度T 時(shí)，電子占據(jù)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(shù)。費(fèi)米能級-費(fèi)米能級是T=0 K時(shí)電子系統(tǒng)中電子占據(jù)態(tài)和 未占據(jù)態(tài)的分界線，是T=0 K時(shí)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(yùn)動(dòng)的平均速度，弱場下漂移速度大小正比于外場強(qiáng)度。遷移

6、率-描述半導(dǎo)體中載流子在外場中運(yùn)動(dòng)難易程度的物理量，若外場不太強(qiáng)，載流子運(yùn)動(dòng)遵從歐姆定律時(shí)，遷移率與電場強(qiáng)度無關(guān)，為一常數(shù)。強(qiáng)場時(shí)，遷移率與外場有關(guān)。電導(dǎo)率-描述材料導(dǎo)電性質(zhì)的物理量。半導(dǎo)體中載流子遵從歐姆定律時(shí)，電流密度正比于電場強(qiáng)度，其比例系數(shù)即為電導(dǎo)率。電導(dǎo)率大小與載流子濃度，載流子的遷移率有關(guān)。從微觀機(jī)制看，電導(dǎo)率與載流子的散射過程有關(guān)。電阻率-電導(dǎo)率的倒數(shù)。本征半導(dǎo)體電阻率隨溫度上升而單調(diào)下降。同樣，電阻率與載流子的散射過程有關(guān)。金屬電阻率-隨溫度上升而上升。（晶格振動(dòng)散射） 散射幾率-載流子在單位時(shí)間內(nèi)被散射的次數(shù)。平均自由時(shí)間-載流子在兩次散射之間自由運(yùn)動(dòng)的平均時(shí)間。強(qiáng)場效應(yīng)-電

7、場強(qiáng)度較高時(shí)載流子的平均漂移速度與電場強(qiáng)度間的關(guān)系偏離線性關(guān)系的現(xiàn)象，此時(shí)遷移率不再是常數(shù)。電場強(qiáng)度繼續(xù)增加時(shí)，漂移速度不再隨外場增加而變化，達(dá)到飽和。熱載流子-半導(dǎo)體處于強(qiáng)場中時(shí)，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(qiáng)場中電子為熱載流子。 多能谷散射-半導(dǎo)體中有多個(gè)能量值接近的導(dǎo)帶底時(shí)，電子被散射到不同能谷的現(xiàn)象。負(fù)微分電導(dǎo)（電阻）-定義dJ/dE為微分電導(dǎo)，當(dāng)半導(dǎo)體中電流密度隨電場增加而減小時(shí)，微分電導(dǎo)小于零，稱為負(fù)微分電導(dǎo)。耿氏振蕩-存在負(fù)微分電導(dǎo)的半導(dǎo)體在強(qiáng)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(chǎn)生、長

8、大、漂移和吸收的過程便產(chǎn)生微波振蕩。非平衡載流子-半導(dǎo)體處于非平衡態(tài)時(shí)，比平衡態(tài)時(shí)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(fù)合-非平衡載流子的產(chǎn)生過程稱為注入，非平衡載流子湮滅的過程稱為復(fù)合。準(zhǔn)費(fèi)米能級-半導(dǎo)體處于非平衡態(tài)時(shí)，導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴不再有統(tǒng)一的費(fèi)米能級，但可以認(rèn)為它們各自達(dá)到平衡，相應(yīng)的費(fèi)米能級稱為電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級。 少子壽命-非平衡少數(shù)載流子在半導(dǎo)體中存在的平均時(shí)間。即產(chǎn)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(shí)濃度的1/e倍所需的時(shí)間。 直接復(fù)合-電子從導(dǎo)帶直接躍遷至價(jià)帶與空穴相遇而復(fù)合。間接復(fù)合-電子通過禁帶中的能級而躍遷至價(jià)帶與

9、空穴相遇而復(fù)合。 表面復(fù)合-發(fā)生在半導(dǎo)體表面處的復(fù)合。 體內(nèi)復(fù)合-發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)部的復(fù)合。輻射復(fù)合-電子從高能級躍遷至低能級與空穴復(fù)合時(shí)，多余的能量以輻射光子的形式釋放。無輻射復(fù)合-電子從高能級躍遷至低能級與空穴復(fù)合時(shí)，多余的能量以輻射聲子的形式釋放。俄歇復(fù)合-電子從高能級躍遷至低能級與空穴復(fù)合時(shí)，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(fù)合中心-對間接復(fù)合起促進(jìn)作用的深能級雜質(zhì)。相應(yīng)的雜質(zhì)能級稱為復(fù)合中心能級，通常位于半導(dǎo)體禁帶中央能級附近。載流子陷阱-對間接復(fù)合起阻礙作用的深能級雜質(zhì)。相應(yīng)的雜質(zhì)能級稱為陷阱能級。2半導(dǎo)體物理學(xué) 計(jì)算問題 能態(tài)密度 費(fèi)米分布 雜質(zhì)電離能 載流子濃度

10、費(fèi)米能級與準(zhǔn)費(fèi)米能級 電阻率 電導(dǎo)率例1. 已知Si 導(dǎo)帶底在<100>方向，等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面，等能面附近能譜：2222k 3 k 1+k 2E =+試求Si 導(dǎo)帶的能 式中m t 和m l 分別為橫向和縱向有效質(zhì)量。2m t m l 態(tài)密度。解：由能態(tài)密度定義：g (E =dZ dE式中dZ 為E-E+dE之間的能量狀態(tài)數(shù)，也可以視為k 空間中兩等能面之間的狀態(tài)數(shù)，對一支能帶：dZ i =g i (E dE =2g k dk(式中g(shù) k =(V(23,dk 為k 空間體積元。k 3k 3k 1+k 2 k 1+k 2E =+=1 2m t E 2m l E 2m t m l 2

11、2V*等能面為橢球面，此等能面所圍的體積為：42m t E 2m l E =abc = 2233 4=4(23312m t m312lE32兩等能面之間的體積：3dZ g i =i (E dE =2g (k dkdk =dV *=4(2m 12t m l 3123 32E dE 12=2V2(232m t m lE12dE(232m 233=2t m1l3E1dE(23=V211222 2m t m l EdESi 導(dǎo)帶底在<100>方向，包括六個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球等能面，故能態(tài)密度：3g (E =g i (E =6V2112i22 m 2t m l E3=V2m 1222 26 t mlE

12、2=V2m 32c 22 E2 2m c =(6m t m 1l2=62(m 213t m l 能態(tài)密度有效質(zhì)量例2. 某晶體價(jià)電子具有球形等能面，電子能譜為：E = 2k 22m試求其能態(tài)密度。解：dZ =g (E dE =2g (k dk=2V2m E 2m 1-(234k dk =V 22 2dE 2E32=V 2m 22 2EdE 3g (E =V 2m 122 2E 例3. 求本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級和載流子濃度。解：本征半導(dǎo)體的電中性條件：n 0=p 0n =N E c -E F C exp (-k B T p =N exp(-E F -E v 0v k B T N E c -E F

13、E F -E vC exp (-k =N v exp(-B T k B T-E c -E F E F -E vk =-B Tk +lnN v B TN CE +E vi =E F =E c 2+k B T 2lnN v N C *E v3k B T i =E F =E c +E 2+4ln m p m *nn 12i =n 0=p 0=(N c N v exp (-E g 2k B T例4. 已知處于平衡態(tài)的非簡并半導(dǎo)體中施主濃度為N D ，當(dāng)半導(dǎo)體處于飽和區(qū)時(shí)，求其費(fèi)米能級和載流子濃度。解：只含一種施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體的電中性條件：n 0=p 0+n +Dor :n 0=p 0+(N D -n

14、D 半導(dǎo)體處于飽和區(qū)時(shí)，p 00,n 0=n +D N DN E c -E F c exp -k =N DB T -E c -E FD N D k F =E c +k B T lnB T=lnN N E cN c載流子濃度：n 0=N D n 20p 0=n ip =n 2n 20i /n 0=i /N D= N c N v E N exp -g D k B T 半導(dǎo)體物理學(xué) 作圖問題半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)示意圖 分布函數(shù)曲線 能態(tài)密度曲線 準(zhǔn)費(fèi)米能級典型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)-價(jià)帶為滿帶，價(jià)帶與緊鄰空帶間禁帶寬度較小；室溫下即有電子從價(jià)帶躍升至導(dǎo)帶： 空帶（導(dǎo)帶）導(dǎo)帶（近乎空帶）. . . . . . . . .Ec EcGaAs 的能帶結(jié)構(gòu)（直接帶隙）EvEv 價(jià)帶（近乎滿帶）T=0K T>0KSi 、Ge 的能帶結(jié)構(gòu)（間接帶隙）分布函數(shù)曲線 能態(tài)密度曲線 N (E 1 E0E 0FEF半導(dǎo)體平衡時(shí)能帶結(jié)構(gòu)：Ec EcE FE F EvEvn 型半導(dǎo)體p 型半導(dǎo)體處于非平衡態(tài)時(shí)半導(dǎo)體的準(zhǔn)費(fèi)米能級：E FnEc EcE E F E Fp E E Fn FpF EvEvn 型半導(dǎo)體p 型半導(dǎo)體半導(dǎo)