半導(dǎo)體物理復(fù)習(xí)資料(修訂版)

半導(dǎo)體物理復(fù)習(xí)資料(修訂版)總結(jié)：王釗 -PAGE6- 和諧無(wú)機(jī)和美三班歡迎提出寶貴意見(jiàn)半導(dǎo)體物理復(fù)習(xí)資料(修訂版)寫(xiě)在前面的話：根據(jù)金老師的最新答疑課程，對(duì)上一版的復(fù)習(xí)資料進(jìn)行修訂與完善，僅供參考，具體內(nèi)容請(qǐng)以教材為準(zhǔn)。所涉及的知識(shí)是根據(jù)第七版《半導(dǎo)體物理學(xué)》標(biāo)注的，與第四版的有所不同。第一章半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)1.導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的劃分：Ⅰ導(dǎo)體內(nèi)部存在部分充滿(mǎn)的能帶，在電場(chǎng)作用下形成電流；Ⅱ絕緣體內(nèi)部不存在部分充滿(mǎn)的能帶，在電場(chǎng)作用下無(wú)電流產(chǎn)生；Ⅲ半導(dǎo)體的價(jià)帶是完全充滿(mǎn)的，但與之上面靠近的能帶間的能隙很小，電子易被激發(fā)到上面的能帶，使這兩個(gè)能帶都變成部分充滿(mǎn)，使固體導(dǎo)電。2.電子的有效質(zhì)量是，空穴的有效質(zhì)量是；，電量等值反號(hào)，波矢與電子相同能帶底電子的有效質(zhì)量是正值，能帶頂電子的有效質(zhì)量是負(fù)值。能帶底空穴的有效質(zhì)量是負(fù)值，能帶頂空穴的有效質(zhì)量是正值。3.半導(dǎo)體中電子所受的外力的計(jì)算。4.引進(jìn)有效質(zhì)量的意義：概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用，使得在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，可以不涉及半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用。第二章半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)1.施主能級(jí)：被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱(chēng)為施主能級(jí)ED；施主能級(jí)很接近于導(dǎo)帶底；受主能級(jí)：被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱(chēng)為受主能級(jí)EA；受主能級(jí)很接近于價(jià)帶頂。施主能級(jí)圖受主能級(jí)圖2.淺能級(jí)雜質(zhì)：雜質(zhì)的電離能遠(yuǎn)小于本征半導(dǎo)體禁帶寬度的雜質(zhì)，電離后向相應(yīng)的能帶提供電子或空穴。深能級(jí)雜質(zhì)：能級(jí)位于禁帶中央位置附近，距離相應(yīng)允帶差值較大。深能級(jí)雜質(zhì)起復(fù)合中心、陷阱作用；淺能級(jí)雜質(zhì)起施主、受主作用。3.雜質(zhì)的補(bǔ)償作用：半導(dǎo)體中同時(shí)含有施主和受主雜質(zhì)，施主和受主先相互抵消，剩余的雜質(zhì)發(fā)生電離。在Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體中(Ga-As)摻入Ⅳ族雜質(zhì)原子(Si)，Si為兩性雜質(zhì)，既可作施主，亦可作受主。設(shè)，；則由，可得p值；①時(shí)，近似認(rèn)為本征半導(dǎo)體，；②時(shí)，本征電導(dǎo)；時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)靠近導(dǎo)帶底；第三章半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布1.費(fèi)米分布函數(shù)(簡(jiǎn)并半導(dǎo)體)(本征)；(雜質(zhì))；玻爾茲曼分布函數(shù)(非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體)；2.費(fèi)米能級(jí)：；系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，也不對(duì)外界做功的情況下，系統(tǒng)中增加一個(gè)電子所引起系統(tǒng)自由能的變化，等于系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì)，也就是等于系統(tǒng)的費(fèi)米能級(jí)。費(fèi)米能級(jí)的位置：本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)位于本征能級(jí)(禁帶寬度的一半)上，根據(jù)雜質(zhì)離子的不同，費(fèi)米能級(jí)的位置有所不同；3.由得到本征半導(dǎo)體載流子濃度乘積：；4.n型雜質(zhì)半導(dǎo)體在低溫弱電離區(qū)的費(fèi)米能級(jí)的推導(dǎo)：低溫下，導(dǎo)帶中的電子全部由電離施主雜質(zhì)提供，此時(shí)p0=0，，故電中性條件：；由得：，因此：；取對(duì)數(shù)并化簡(jiǎn)得：；它與溫度、雜質(zhì)濃度以及摻入何種雜質(zhì)原子有關(guān)。在低溫極限T→0K時(shí)，；故；即在低溫極限T→0K時(shí)，費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶底和施主能級(jí)間的中線處。此外，還需會(huì)計(jì)算相關(guān)電子濃度，及費(fèi)米能級(jí)的位置等。5.有一半導(dǎo)體，，；已知：，；解：①，故半導(dǎo)體1為p型半導(dǎo)體；，故半導(dǎo)體2為本征半導(dǎo)體；②已知：；；，求的關(guān)系(費(fèi)米能級(jí)相對(duì)本征能級(jí)的位置)。第四章半導(dǎo)體的導(dǎo)電性1.載流子散射的概念：所謂自由載流子，實(shí)際上只在兩次散射之間才真正是自由運(yùn)動(dòng)的，其連續(xù)兩次散射間自由運(yùn)動(dòng)的平均路程稱(chēng)為平均自由程，而平均時(shí)間稱(chēng)為平均自由時(shí)間。2.半導(dǎo)體的主要散射機(jī)構(gòu)：Ⅰ電離雜質(zhì)的散射；Ⅱ晶格振動(dòng)的散射：①聲學(xué)波散射；②光學(xué)波散射；Ⅲ其他因素引起的散射：①等同的能谷間散射；②中性雜質(zhì)散射；③位錯(cuò)散射；④合金散射；3.平均自由時(shí)間與散射概率之間關(guān)系式的推導(dǎo)：設(shè)有N個(gè)電子以速度v沿某方向運(yùn)動(dòng)，N(t)表示在t時(shí)刻尚未遭到散射的電子數(shù)，按散射概率的定義，在t到（t+Δt）時(shí)間內(nèi)被散射的電子數(shù)為；∴∴；解微分方程：；其中N0是t=0時(shí)未遭散射的電子數(shù)；∴t到（t+Δt）時(shí)間內(nèi)被散射的電子數(shù)為；∴平均自由時(shí)間；等于散射概率的倒數(shù)。4.電阻率與溫度的關(guān)系曲線：AB段：溫度很低，本征激發(fā)可忽略，載流子主要由雜質(zhì)電離提供，它隨溫度升高而增加；散射主要由電離雜質(zhì)決定，遷移率也隨溫度升高而增大，所以，電阻率隨溫度升高而下降。BC段：溫度繼續(xù)升高，雜質(zhì)已全部電離，本征激發(fā)還不十分顯著，載流子基本上不隨溫度變化，晶格振動(dòng)散射上升為主要矛盾，遷移率隨溫度升高而降低，所以，電阻率隨溫度升高而增大。C段：溫度繼續(xù)升高，本證激發(fā)很快增加，大量本征載流子的產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)遷移率減小對(duì)電阻率的影響，這時(shí)，本證激發(fā)成為矛盾的主要方面，雜質(zhì)半導(dǎo)體的電阻率將隨溫度的升高而急劇地下降，表現(xiàn)出同本征半導(dǎo)體相似的特征。電阻率與溫度關(guān)系曲線曲線趨勢(shì)原因載流子濃度變化AB段下降趨勢(shì)雜質(zhì)激發(fā)載流子濃度增加BC段上升趨勢(shì)晶格散射載流子濃度不變C段下降趨勢(shì)半導(dǎo)體本征激發(fā)第五章非平衡載流子1.非平衡載流子的壽命：是指非平衡載流子的平均生存時(shí)間，用τ表示；2.非平衡載流子的壽命的推導(dǎo)：假定一束光在一塊n型半導(dǎo)體內(nèi)部均勻地產(chǎn)生非平衡載流子和，在t=0時(shí)，光照突然停止，的變化應(yīng)等于非平衡載流子的復(fù)合率：；小注入時(shí)，是一恒量，與無(wú)關(guān)，上述微分方程的通解為：；當(dāng)t=0時(shí)，，得，則；非平衡載流子的復(fù)合率：通常把單位時(shí)間單位體積內(nèi)凈復(fù)合消失的電子-空穴對(duì)數(shù)。3.推導(dǎo)在小注入條件下，當(dāng)溫度和摻雜一定時(shí)，壽命是一個(gè)常數(shù)：。熱平衡時(shí)，產(chǎn)生率等于復(fù)合率，n=n0，p=p0；此時(shí)；∴非平衡載流子的直接凈復(fù)合率；由，，得：；∴非平衡載流子的壽命小注入條件下，即，；n型材料，即，當(dāng)時(shí)，4.深能級(jí)的最有效位置是禁帶的中央；5.俄歇復(fù)合：載流子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，發(fā)生電子-空穴復(fù)合是，把多余的能量傳給另一個(gè)載流子，使這個(gè)載流子被激發(fā)到能量更高的能級(jí)上去，當(dāng)它重新躍遷回低能級(jí)時(shí)，多余的能量以聲子形式放出，這種復(fù)合稱(chēng)為俄歇復(fù)合。6.陷阱效應(yīng)：雜質(zhì)能級(jí)積累非平衡載流子的作用稱(chēng)為陷阱效應(yīng)；把具有顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)稱(chēng)為陷阱；把相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷稱(chēng)為陷阱中心。最有效的深能級(jí)在費(fèi)米能級(jí)上；7.漂移運(yùn)動(dòng)的作用場(chǎng)是電場(chǎng)——遷移率；擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的作用場(chǎng)是濃度場(chǎng)——擴(kuò)散系數(shù)；遷移率與散射有關(guān)；8.愛(ài)因斯坦方程的推導(dǎo)：一塊處于熱平衡狀態(tài)的非均勻的n型半導(dǎo)體，其中施主雜質(zhì)濃度隨x增加而下降，電子和空穴濃度都是x的函數(shù)，設(shè)為n0(x)，p0(x)；由于濃度梯度的存在，必然引起載流子沿x方向的擴(kuò)散，電子擴(kuò)散產(chǎn)生的電流密度為，空穴擴(kuò)散產(chǎn)生的電流密度為；半導(dǎo)體內(nèi)的靜電場(chǎng)又產(chǎn)生漂移電流：，；熱平衡條件下：，；；又，；求導(dǎo)得：；(對(duì)電子)；(對(duì)空穴)第六章p-n結(jié)1.p-n結(jié)的能帶圖：n、p型半導(dǎo)體的能帶平衡狀態(tài)p-n結(jié)能帶圖2.外加正向偏壓時(shí)p-n結(jié)勢(shì)壘的變化:3.p-n結(jié)中載流子及電流的運(yùn)動(dòng)形式：電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向←空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向→電子的漂移運(yùn)動(dòng)方向→空穴的漂移運(yùn)動(dòng)方向←擴(kuò)散電流方向→漂移電流方向←第十章半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)和光電與發(fā)光現(xiàn)象1.直接躍遷：為了滿(mǎn)足選擇定則，以使電子在躍遷過(guò)程中波矢保持不變，則原來(lái)在價(jià)帶中狀態(tài)A的電子只能躍遷到導(dǎo)帶中的狀態(tài)B。A與B在E(k)曲線上位于同一垂線上，這種躍遷稱(chēng)為直接躍遷；間接躍遷：除了吸收光子外還與晶格交換能量的非直接躍遷，也稱(chēng)間接躍遷。4.光生伏特效應(yīng)：由內(nèi)建場(chǎng)引起的光電效應(yīng)；p-n結(jié)能帶圖：無(wú)光照光照激發(fā)6.半導(dǎo)體發(fā)光：電子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，伴隨著發(fā)射光子的現(xiàn)象；場(chǎng)致發(fā)光(電致發(fā)光)：是由電流(電場(chǎng))激發(fā)載流子，是電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿倪^(guò)程。7.內(nèi)部量子效率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)與單位時(shí)間內(nèi)注入的電子-