半導(dǎo)體物理劉恩科考研復(fù)習(xí)總結(jié)上課講義

1、半導(dǎo)體物理劉恩科考研復(fù)習(xí)總結(jié)上課講義半導(dǎo)體物理劉恩科考研復(fù)習(xí)總結(jié)1半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)金剛石與共價鍵（硅鍺IV族）：兩套面心立方點(diǎn)陣沿對角線平移1/4套構(gòu)而成面心立方I的原子閃鋅礦與混合鍵（砷化鎵HI-V族）：具有離子性，面心立方+兩個不同原子纖鋅礦結(jié)構(gòu)：六方對稱結(jié)構(gòu)（AB堆積）晶體結(jié)構(gòu)：原子周期性排列（點(diǎn)陣+基元）共有化運(yùn)動：原子組成晶體后，由于電子殼層的交疊，電子不再完全局限在某一個原子上，可以由一個原于轉(zhuǎn)移到相鄰的原子去，電子可以在整個晶體中運(yùn)動。能帶的形成：組成晶體的大量原子的相同軌道的電子被共有化后，受勢場力作用，把同一個能級分裂為相互之間具有微小差異的極其細(xì)致的能級，這些能級數(shù)目巨大

2、，而且堆積在一個一定寬度的能量范圍內(nèi)，可以認(rèn)為是連續(xù)的。能隙（禁帶）的起因：晶體中電子波的布喇格反射周期性勢場的作用。（邊界處布拉格反射形成駐波，電子集聚不同區(qū)域，造成能量差）自由電子與半導(dǎo)體的E-K圖：自由電子模型：半導(dǎo)體模型：導(dǎo)帶底：E（k）E（O），電子有效質(zhì)量為正值；價帶頂：E（k）能帶越窄，k=0處的曲率越小，二次微商就小，有效質(zhì)量就越大。正負(fù)與有效質(zhì)量正負(fù)有關(guān)?？昭ǎ汗矁r鍵上流失一個電子而出現(xiàn)空位置，認(rèn)為這個空狀態(tài)帶正電。波矢為k的電子波的布喇格衍射條件：一維情況（布里淵區(qū)邊界滿足布拉格）：第一布里淵區(qū)內(nèi)允許的波矢總數(shù)=晶體中的初基晶胞數(shù)N-每個初基晶胞恰好給每個能帶貢獻(xiàn)一個獨(dú)立的

3、k值；直接推廣到三維情況考慮到同一能量下電子可以有兩個相反的自旋取向，于是每個能帶中存在?N個獨(dú)立軌道。若每個初基晶胞中含有一個一價原子，那么能帶可被電子填滿一半；-若每個原子能貢獻(xiàn)兩個價電子，那么能帶剛好填滿；初基晶胞中若含有兩個一價原子，能帶也剛好填滿。雜質(zhì)電離：電子脫離雜質(zhì)原子的的束縛成為導(dǎo)電電子的過程。脫離束縛所需要的能力成為雜質(zhì)電離能。雜質(zhì)能級：1）替位式雜質(zhì)（3、5族元素，5族元素釋放電子，正電中心，稱施主雜質(zhì)；3族元素接收電子，負(fù)電中心，受主雜質(zhì)。）2）間隙式雜質(zhì)（雜質(zhì)原子小）雜質(zhì)能帶是虛線，分離的。淺能級雜質(zhì)電離能：施主雜質(zhì)電離能受主雜質(zhì)電離能雜質(zhì)補(bǔ)償作用：施主和受主雜質(zhì)之間的

4、相互抵消作用（大的起作用）雜質(zhì)高度補(bǔ)償：施主電子剛好能填充受主能級，雖然雜質(zhì)多，但不能向?qū)Ш蛢r帶提供電子和空穴。深能級雜質(zhì)：非III,V族雜質(zhì)在禁帶中產(chǎn)生的施主能級和受主能級距離導(dǎo)帶底和價帶頂都比較遠(yuǎn)。1）雜質(zhì)能級離帶邊較遠(yuǎn)，需要的電離能大。2）多次電離?多重能級,還有可能成為兩性雜質(zhì)。（替位式）缺陷、錯位能級：1）點(diǎn)缺陷：原子獲得能量克服周圍原子的束縛，擠入晶格原子的間隙,形成間隙原子。弗倉克爾缺陷：間隙原子和空位成對出現(xiàn)。肖特基缺陷：只在晶體內(nèi)形成空位而無間隙原子。2）位錯（點(diǎn)缺陷，空穴、間隙原子；線缺陷，位錯；面缺陷，層錯、晶粒間界）導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶：絕緣體：至一個全滿，其余

5、全滿或空（初基晶胞內(nèi)的價電子數(shù)目為偶數(shù)能帶不交疊）2N.金屬：半空半滿半導(dǎo)體或半金屬：一個或兩個能帶是幾乎空著或幾乎充滿以外，其余全滿（半金屬能帶交疊）絕緣體金屬半金屬半導(dǎo)體半導(dǎo)休n沁共同點(diǎn)：1）都存在一定大小的禁帶寬度，并且禁帶寬度都具有負(fù)的溫度系數(shù)。（鍺的Eg在邊界處；砷化鎵在中心處，有兩個谷能。）2）價帶結(jié)構(gòu)基本上相同價帶頂都位于布里淵區(qū)中心，并且該狀態(tài)都是三度簡并的態(tài)。3）在計(jì)入電子自旋后，價帶頂能帶都將一分為二：出現(xiàn)一個二度簡并的價帶頂能帶和一個能量較低一些的非簡并能帶分裂帶。在價帶頂簡并的兩個能帶，較高能量的稱為重空穴帶，較低能量的稱為輕空穴帶4）在0K時，導(dǎo)帶中完全是空著的（即其

6、中沒有電子），同時價帶中填滿了價電子是滿帶，這時沒有載流子。在0K以上時，滿帶中的一些價電子可以被熱激發(fā)（本征激發(fā)）到導(dǎo)帶，從而產(chǎn)生出載流子；溫度越高，被熱激發(fā)而成為載流子的數(shù)目就越多，因此就呈現(xiàn)出所有半導(dǎo)體的共同性質(zhì)：電導(dǎo)率隨著溫度的升高而很快增大。不同點(diǎn)：Si和Ge是完全的共價晶體，而GaAs晶體的價鍵帶有約30%的離子鍵性質(zhì)），因此它們的能帶也具有若干重要的差異，這主要是表現(xiàn)在禁帶寬度和導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)上的不同1）不同半導(dǎo)體的鍵能不同，則禁帶寬度不同（GaAsSiGe）造成：（1）本征載流子濃度ni不同；（2）載流子在強(qiáng)電場下的電離率不同；（3）光吸收和光激發(fā)的波長不同。2）因?yàn)閷?dǎo)帶底（能谷）的

7、狀況不完全決定于晶體的對稱性，則Si、Ge和GaAs的的導(dǎo)帶底狀態(tài)的性質(zhì)以及位置等也就有所不同。3）導(dǎo)帶底的三維形狀可以釆用等能面來反映，因?yàn)镾i和Ge的多個導(dǎo)帶底都不在k=0處，則它們的等能面都是橢球面的一個導(dǎo)帶底，正好是在k=0處，則其等能面是球面。4）在強(qiáng)電場下，GaAs與Si、Ge的導(dǎo)帶的貢獻(xiàn)情況有所不同。而Si、Ge的導(dǎo)帶則不存在這種次能谷，也不可能產(chǎn)生負(fù)電阻。5）在價帶頂與導(dǎo)帶底的相互關(guān)系上，Si、Ge具有間接躍遷的能帶結(jié)構(gòu)（導(dǎo)帶底與價帶頂不在布里淵區(qū)區(qū)中的同一點(diǎn)，而3aAs具有I欣Si31用】HU3半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布:本征激發(fā)：電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)帶電子和價帶空穴。

8、mi-2s砌化稼的能書絡(luò)掏直接躍遷的能帶結(jié)構(gòu)（即電子與空穴的波矢基本相同）。較向艇袴載流子復(fù)合：電子從高能級躍遷到低能級，并向晶格釋放能量，從而使導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴減少。狀態(tài)密度g（E）:能帶中能量E附近單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)。k空間中的每個最小允許體積元是即這個體積中只存在一個允許波矢（電子態(tài)）。k空間的量子態(tài)密度（均勻）為:導(dǎo)帶底的狀態(tài)密度（拋物線）對于橢球等能面：（硅s6,鍺s4）價帶頂?shù)臓顟B(tài)密度對于橢球等能面：（重輕空穴）費(fèi)米能級：當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài),陰外界做功的情況下,O費(fèi)米能級是T=OK時電子系統(tǒng)中電子占據(jù)態(tài)和未占據(jù)態(tài)的分界線,若E=12若EEf.則/費(fèi)米分布函數(shù)：若EE則

9、=0是T=OK電子所具有的最高能量。標(biāo)志了電子填充水平f（E）表示能量為E的量子態(tài)被電子占據(jù)的概率，小于費(fèi)米能級的量子態(tài)被占據(jù)概率大。（空穴的概率為1-f（E）玻爾茲曼分布：導(dǎo)帶中的電子濃度和價帶中的空穴濃度非簡并導(dǎo)帶電子濃度：（Nc導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度）簡并時：非簡并價帶空穴濃度:簡并時：載流子濃度積與費(fèi)米能級無關(guān)，只取決于溫度T,與雜質(zhì)無關(guān)。本征半導(dǎo)體載流子濃度電中性1）和T有關(guān)，對于某種半導(dǎo)體材料，T確定，ni也確定。（隨T增大）2）本征費(fèi)米能級Ei基本上在禁帶中線處。雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度雜質(zhì)能級最多容納1個電子（能帶中的能級可以兩個），故要修正電子占據(jù)施主能級的幾率空穴占據(jù)受主能級的幾率

10、（基態(tài)簡并度gD=2,gA=4）電離施主濃度（向?qū)Ъぐl(fā)電子的濃度）施主能級上的電子與費(fèi)米分布區(qū)別！電離受主濃度（向價帶激發(fā)空穴的濃度）非補(bǔ)償情形：n型半導(dǎo)體中的載流子濃度（電中性條件和Ef）導(dǎo)帶邑子濃度電離施主濃度價帶空穴濃度總的負(fù)電荷濃度總的正金荷濃度Ncexp1+2exp只要T確定，Ef也隨著確定，n0和p0也確定。不同溫區(qū)討論低溫弱電離區(qū)：導(dǎo)帶中的電子全部由電離施主提供。本征弱忽略。在低溫極限時*箜米能皺位于導(dǎo)黯底和施主能級間的中線處口雜質(zhì)能級從中線開始變，隨溫度先增后減，有極大值。中等電離區(qū)T強(qiáng)電離區(qū)（雜質(zhì)全電離）：載流子濃度飽和！過渡區(qū)（強(qiáng)電離區(qū)T本征激發(fā)）：（雜質(zhì)全電離+部分本征

11、）受主能級上的空穴濃度（未電離的受主濃度）Ej二g+kTsidi-1完全本征激發(fā)區(qū)：1）摻有某種雜質(zhì)的半導(dǎo)體的載流子濃度和費(fèi)米能級由溫度和雜質(zhì)濃度決定；2）隨溫度升高，費(fèi)米能級由雜質(zhì)能級附近逐漸移近禁帶中線；3）費(fèi)米能級（電子多少）：強(qiáng)N弱N本征（中線）弱卩強(qiáng)P.補(bǔ)償情形多種施主、多種受主并存討論：少量受主雜質(zhì)情況：電中性：低溫弱電離區(qū)：電子濃度逐漸升高。強(qiáng)電離區(qū)：無本征）非簡并全電離NC,或NANV.）費(fèi)米能級Ef在Ec之上，進(jìn)入導(dǎo)帶（摻雜高或?qū)У赘浇孔踊鶓B(tài)已被占據(jù)）4.半導(dǎo)體的導(dǎo)電性漂移運(yùn)動：電子在電場力作用下的運(yùn)動，定向運(yùn)動的速度為漂移速度。漂移運(yùn)動和遷移率J-卜丿二斤呃二刀二仃左（

12、T二叫#J電流密度，U電子遷移率，s電導(dǎo)率（電阻率的倒數(shù)）載流子的電導(dǎo)率與遷移率在半導(dǎo)體中，兩種載流子，電子的遷移率大些。+J嚴(yán)（兩兒+pqPpo二叭+網(wǎng)均強(qiáng)門型,n0g凹你強(qiáng)p型，pn疔二叫格波：晶格中原子振動都是由若干不同的基本波動按照波的疊加原理合成，這些基本波動就是格波。彈性散射：散射前后電子能量基本不變。非彈性散射：散射前后電子能量有較大的改變。谷間散射：對于多能谷的半導(dǎo)體，電子可以從一個極值附近散射到另一個極值附近。載流子散射：（載流子晶格振動或電離雜質(zhì)碰撞）根本原因：周期性勢場被破壞（附加電場影響）。散射機(jī)構(gòu)：1）電離雜質(zhì)中心散射：電離，形成庫侖力勢場，彈性散射。電離雜質(zhì)Ni越大

13、，散射概率P越大，溫度越高，概率小。（T大，平均速度大）2）晶格振動散射（聲子散射）長聲學(xué)波：彈性散射，縱波影響大恥嚴(yán)嚴(yán),嚴(yán)pW長光學(xué)波：非彈性散射，T大，概率大J*%K1巳即（方化/心廠）-13）等同的能谷間散射電子與短波聲子發(fā)生作用，同時吸收或發(fā)射一個高能聲子，非彈性散射。4）中性雜質(zhì)散射重?fù)诫s，低溫起作用5）缺陷散射（位錯，各項(xiàng)異性，內(nèi)電場造成）6）合金散射（不同原子排列造成電場干擾）自由時間：載流子在電場中做漂移運(yùn)動，只有在連續(xù)兩次散射之間的時間內(nèi)才做加速運(yùn)動，這段時間為自由時間。平均自由時間:電導(dǎo)率、遷移率與平均自由時間:等能面為橢球:各向異性電流密度（n型半導(dǎo)體，等能面橫2縱4）幾

14、種散射機(jī)構(gòu)同時存在時:遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系:（平均自由時間也一樣）遷移率隨雜質(zhì)濃度和溫度變化:半導(dǎo)體:電離雜質(zhì)散射+聲學(xué)波散射3/2電離雜質(zhì)散討耳jlLjuBN,聲學(xué)波散射兒七1）低雜質(zhì)濃度下，隨溫度上升遷移率不斷下降。2）高雜質(zhì)濃度下，隨溫度增加，先上升后下降。（上圖所示）少數(shù)載流子遷移率和多數(shù)載流子遷移率：1）雜質(zhì)濃度低，多子和少子的遷移率趨近相同。2）雜質(zhì)濃度增加，電子與空穴的多子和少子遷移率都單調(diào)下降。3）給定雜質(zhì)濃度，電子與空穴的少子遷移率均大于同雜質(zhì)濃度的多子遷移率。4）少子與多子的遷移率，隨雜質(zhì)濃度增大差別越大。重?fù)诫s時雜質(zhì)能級擴(kuò)展為雜質(zhì)能帶，導(dǎo)致禁帶變窄，多數(shù)載流子運(yùn)動

15、會被雜質(zhì)能級俘獲，導(dǎo)致漂移速度降低，遷移率減小。電阻率與雜質(zhì)濃度關(guān)系：輕摻雜時：電阻率與雜質(zhì)濃度成簡單反比關(guān)系重?fù)诫s時：雜質(zhì)不能完全電離，出現(xiàn)簡并，遷移率隨濃度增加而顯著下降。（非線性）電阻率隨溫度變化：本征半導(dǎo)體：本征載流子濃度隨溫度急劇增加，電阻率下降。雜質(zhì)半導(dǎo)體：（雜質(zhì)電離+本征電離）AB：溫度低，載流子有雜質(zhì)電離提供，隨溫度上升增大，散射由雜質(zhì)電離決定，遷移率隨溫度上升增大，電阻率減小。BC:雜質(zhì)全部電離，部分本征。載流子基本不變，晶格振動為主，遷移率隨溫度上升而下降，電阻率增大。CD：本征激為主，本征載流子增大，電阻率隨溫度下降。熱載流子：載流子的平均能量明顯高于熱平衡時的值。熱載流

16、子可以在等價或不等價能谷間轉(zhuǎn)移強(qiáng)電場效應(yīng)：弱電場：電導(dǎo)率為常數(shù)，平均漂移速度與場強(qiáng)成正比，遷移率與電場無關(guān)。強(qiáng)電場：偏離歐姆定律，電導(dǎo)率非常數(shù)，遷移率隨電場變化。熱載流子能量比晶格大，散射時，速度大于熱平衡狀態(tài)的速度，平均自由時間減少，遷移率下降。平均漂移速度與電場強(qiáng)度關(guān)系：1低場下訃E線性關(guān)系2中等強(qiáng)度電場“嚴(yán)護(hù)亞線性關(guān)系3強(qiáng)場下飽和負(fù)阻效應(yīng)：能谷1中的電子可以從電場獲取足夠的能量而轉(zhuǎn)移到能夠2,發(fā)生能谷間的散射，電子的準(zhǔn)動量有較大的改變，伴隨散射就發(fā)射或吸收一個光學(xué)聲子，由能谷1進(jìn)入能谷2的電子（能谷2曲率小，有效質(zhì)量大,遷移率?。?有效質(zhì)量增加,遷移率降低,平均漂移速度減小,電導(dǎo)率下降,

17、產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)。設(shè)叭、陀勞別代表能谷1和能香2中的電子涯度，而“二叭十巾，則電導(dǎo)率為非平衡載流子的復(fù)合：由于內(nèi)部作用，使非平衡態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)，過剩載流子逐漸消失。非平衡載流子的壽命：非平衡載流子的平均生存時間。（倒數(shù)為復(fù)合概率）非平衡載流子濃度與時間關(guān)系:準(zhǔn)費(fèi)米能級：非平衡時費(fèi)米能級不重合，非平衡載流子越多，準(zhǔn)費(fèi)米能級偏離EF就越遠(yuǎn)，越接近兩邊。載流子濃度為偏離程度：復(fù)合理論：1）直接復(fù)合：電子在導(dǎo)帶和價帶之間直接躍遷，引起電子空穴的直接復(fù)合。2）間接復(fù)合：電子空穴通過禁帶的能級（復(fù)合中心）進(jìn)行復(fù)合。復(fù)合時釋放能量：1）發(fā)射光子，發(fā)光復(fù)合或輻射復(fù)合;2）發(fā)射聲子，將能量傳給晶格振動；3）俄歇復(fù)合

18、，將能量給予其他載流子。泡利不相容原理：價帶中電子不能激發(fā)到導(dǎo)帶中已被電子占據(jù)的狀態(tài)上去。直接復(fù)合：熱平衡時凈復(fù)合率仿二G二廠呦七）可以看出，r越大，復(fù)合率越大，壽命越短，壽命不僅與平衡載流子濃度有關(guān)，還和非平衡載流子濃度有關(guān)。（取決于多子）一般禁帶寬度越小，直接復(fù)合概率大。電子俘獲率：把單位體積、單位時間被復(fù)合中心俘獲的電子數(shù)。間接復(fù)合：半導(dǎo)體雜志越多，晶格缺陷越大，非平衡載流子壽命越短。（促進(jìn)復(fù)合）復(fù)合中心（雜質(zhì)或缺陷）四個基本過程：甲：電子厚茨率二諷N廠叫）1電子俘獲系數(shù)量綱:乙:電子友射率=51一電子激發(fā)幾率量綱:丙：空冗啤獲率二QP心T；空穴發(fā)射率二員諛廠叩I1TLF5其和冃E非凈復(fù)

19、合率甲-乙-丙-丁勺:蔦;鳥J把旳二心十An妙二伽+Ap以及Sn=p代人二Aj二廠起Q+口1十+片伽亠乂1丁3rV汕心幾仆o+po+S）小注入時:強(qiáng)N型半導(dǎo)體：少數(shù)載流子空穴俘獲系數(shù)決定高阻區(qū)：與多數(shù)載流子濃度反比強(qiáng)P型半導(dǎo)體：少數(shù)載流子決定位于禁帶中線附近的深能級才是最有效復(fù)合中心！當(dāng)Et=Ei時，1/極大當(dāng)Et-EJkT時,UtO表面復(fù)合：表面處的雜質(zhì)和缺陷也能在禁帶形成復(fù)合中心，間接復(fù)合。較高的表面復(fù)合速度，會嚴(yán)重影響器件特性。俄歇復(fù)合：載流子從高能級向低能級躍遷，發(fā)生復(fù)合，吧多余能量傳給另一個載流子，是這個載流子被激發(fā)到更高的能級上去，當(dāng)它重新躍遷回到低能級，多余能量常以聲子放出。陷阱效應(yīng)：雜質(zhì)能級積累非平衡載流子的作用。（增加少子壽命）雜質(zhì)能級與平衡時費(fèi)米能級重合時，最有利于陷進(jìn)作用。（接近顯著）擴(kuò)散定理：非平衡少數(shù)載流子空穴的擴(kuò)散規(guī)律。載流子擴(kuò)散運(yùn)動:空穴電流：電子電流愛因斯坦關(guān)系：代入的:連續(xù)性方程：漂移運(yùn)動和擴(kuò)散運(yùn)動同時存在時少數(shù)載流子所遵循的運(yùn)動方程。N型:丹倍電場的來源：電子與空穴擴(kuò)散不同步，電子比空穴快;丹倍電場的作用:降低電子擴(kuò)散，加速空穴擴(kuò)散，努力使它們同步;6.pn結(jié)PN結(jié)的形成：1）合金法-突