半導體物理復習教案

半導體物理基礎(chǔ)第一章1.1半導體中電子的運動有效質(zhì)量－半導體中起作用的常常是接近于能帶底部或頂部的電子，因此只要掌握這些能帶極值附近的E-k關(guān)系即可第一章對于給定半導體是個定值第一章定義能帶底電子有效質(zhì)量－導帶底：E(k)>E(0)，電子有效質(zhì)量為正值－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－價帶頂?shù)挠行з|(zhì)量第一章－價帶頂：E(k)<E(0)，電子有效質(zhì)量為負值---半導體中電子的平均速度---半導體中電子的加速度第一章

引進有效質(zhì)量的概念后，電子在外電場作用下的表現(xiàn)和自由電子相似，都符合牛頓第二定律描述3.1.4有效質(zhì)量的意義－半導體中的電子需要同時響應(yīng)內(nèi)部勢場和外加場的作用，有效質(zhì)量概括了半導體內(nèi)部勢場對電子的作用，使得在解決半導體中電子在外力作用下的運動規(guī)律時，可以不涉及到半導體內(nèi)部勢場的作用。第一章1.2硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)---硅的能帶結(jié)構(gòu)Eg(300K)=1.12eV間接帶隙結(jié)構(gòu)禁帶寬度隨溫度增加而減小第一章---鍺的能帶結(jié)構(gòu)Eg(300K)=0.67eV間接帶隙結(jié)構(gòu)禁帶寬度隨溫度增加而減小第一章---砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)Eg(300K)=1.43eV直接帶隙結(jié)構(gòu)禁帶寬度隨溫度增加而減小，dEg/dT=-3.95×10-4eV/K第一章---能帶結(jié)構(gòu)與溫度的關(guān)系第一章P351.(1)第一章第二章第二章半導體中雜質(zhì)和缺陷能級第二章2.1硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級---替位式雜質(zhì)和間隙式雜質(zhì)－按照球形原子堆積模型，金剛石晶體的一個原胞中的8個原子只占該晶胞體積的34％，還有66％是空隙！A－間隙式雜質(zhì)原子：原子半徑比較小B－替位式雜質(zhì)原子：原子的大小與被取代的晶體原子大小比較相近第二章－淺能級雜質(zhì)特點：ΔED<<EgT=0K，束縛態(tài)T≠0K，能帶角度：電子從ED躍遷到EC，成為導帶電子空間角度：電子脫離P+離子的庫侖束縛，運動到無窮遠電離的原因：熱激發(fā)，遠紅外光的照射第二章施主雜質(zhì)施主能級受主雜質(zhì)受主能級－當V族元素P在Si中成為替位式雜質(zhì)且電離時，能夠釋放電子而產(chǎn)生導電電子并形成正電中心，稱它們?yōu)槭┲麟s質(zhì)或n型雜質(zhì).成鍵后，P原子多余1個價電子第二章當III族元素B在Si中成為替位式雜質(zhì)且電離時，能夠接受電子而產(chǎn)生導電空穴并形成負電中心，稱它們?yōu)槭苤麟s質(zhì)或p型雜質(zhì)第二章---雜質(zhì)的補償作用－當半導體中同時存在施主和受主時，考慮雜質(zhì)補償作用空間角度的理解：施主周圍有多余的價電子，受主周圍缺少價電子，施主多余的價電子正好填充受主周圍空缺的價鍵電子，使價鍵飽和，使系統(tǒng)能量降低---穩(wěn)定狀態(tài)能帶角度的理解：第二章1.雜質(zhì)能級離帶邊較遠，ΔED，ΔEA可與Eg相比擬；2.ΔED，ΔEA較大，雜質(zhì)電離作用較弱，對載流子（導電電子和空穴）濃度影響較小；3.對載流子的復合作用較大（復合中心），降低非平衡載流子的壽命.---深能級雜質(zhì)特點：第二章空位：不飽和鍵，傾向于接受電子---受主間隙原子：4

個之外多余的價電子---施主2.2

缺陷、位錯能級2.2.1點缺陷---雜質(zhì)原子（替位式，間隙式）第一章思考題什么是淺能級雜質(zhì)和深能級雜質(zhì)？它們對半導體有和影響？第三章

半導體中載流子的統(tǒng)計分布第三章3.1費米能級和載流子的統(tǒng)計分布---費米分布函數(shù)f(E)能量為E的一個量子態(tài)被一個電子占據(jù)的幾率為T＝0K時:E<Ef

f(E)=1E>Ef

f(E)=0費米分布函數(shù)的性質(zhì)T>0K時:第三章當E-Ef>5kT時，f<0.007，當E-Ef<-5kT時，f>0.993費米能級的物理意義－標志了電子填充水平玻爾茲曼分布函數(shù)第三章－電子的費米統(tǒng)計分布函數(shù)E-Ef>>kT－空穴的費米統(tǒng)計分布函數(shù)Ef-E>>kT第三章導帶有效狀態(tài)密度－導帶平衡電子濃度300KNC(Si)=2.8×1019cm-3－導帶平衡電子濃度－導帶電子濃度－價帶空穴濃度價帶有效狀態(tài)密度電子濃度和空穴濃度滿足：只與me*，mh*，Eg和T有關(guān)，與EF或摻雜濃度無關(guān)無論本征半導體還是雜質(zhì)半導體，只要是熱平衡狀態(tài)的非簡并半導體，都適用！材料參數(shù)第三章3.2本征半導體中的載流子統(tǒng)計

3.2.1本征載流子濃度ni

－熱激發(fā)所產(chǎn)生的載流子

－沒有雜質(zhì)和缺陷的半導體T=0K，價帶全滿，導帶全空T≠0K，熱激發(fā)，電子從價帶激發(fā)到導帶（本征激發(fā)）第三章本征載流子濃度ni與禁帶寬度EgT=300K測量值本征載流子濃度ni與溫度T第三章3.2.2本征半導體的費米能級位置本征費米能級(n=p取對數(shù)得到)（禁帶中線）本征費米能級Ei基本上在禁帶中線處弱強過渡本征一般地，NC>ND由上式看出，ND越大，Ef越接近導帶EC；T越大，Ef越接近本征費米能級Ei。－雜質(zhì)能級的分布函數(shù)3.3雜質(zhì)半導體中的載流子統(tǒng)計第三章N型半導體中的電子濃度隨溫度的變化關(guān)系第三章Ef~ND（強電離，室溫）－費米能級：反應(yīng)半導體導電類型和摻雜水平ND高強n型ND低弱n型NA低弱P型NA高強P型ND≈NA

本征型第三章3.4.1簡并半導體的載流子濃度－單一雜質(zhì)，n型半導體，處于強電離區(qū)（飽和區(qū)）費米積分簡并半導體不適用！3.4簡并半導體

－簡并判據(jù)SemiconductorPhysics第四章半導體的導電性SemiconductorPhysics4.1.2半導體的電導率和遷移率強n型，n>>p強p型，p>>n本征遷移率電導率SemiconductorPhysics4.2.1平均自由時間及其與遷移率的關(guān)系－平均弛豫時間（自由時間）τ的物理意義載流子的自由時間有一個統(tǒng)計分布，但簡單地可以認為所有電子從時間t=0開始被加速“自由”地運動，平均來說當t=τ時，電子受到一次散射。SemiconductorPhysics4.2.2載流子的主要散射機制散射的原因：周期勢場被破壞（晶體偏離理想）微擾勢ΔV

1.電離雜質(zhì)中心散射庫侖力的作用，彈性散射聲子是一種準粒子，它既有能量又有動量.電子受晶格振動的散射---電子與聲子的散射（吸收或釋放一個聲子）（格波）2.晶格振動散射(聲子散射)SemiconductorPhysics4.3遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系4.3.1遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系電離雜質(zhì)散射聲學波散射SemiconductorPhysics4.3.2電阻率與雜質(zhì)濃度的關(guān)系n型p型本征重摻雜：不完全電離；N增加，μ減小偏離直線關(guān)系SemiconductorPhysics4.3.2電阻率與溫度的關(guān)系雜質(zhì)半導體載流子來源遷移率因素雜質(zhì)電離1本征激發(fā)2電離雜質(zhì)散射3晶格散射4第一章思考題什么是遷移率？遷移率的影響因素有哪些？第五章非平衡載流子第五章非平衡載流子5.2.2

準費米能級－τ與Et能級位置的關(guān)系凈復合率U=簡單假設(shè)rn=rp=r，則當Et=Ei時，U極大當|Et－Ei|>>kT時，U→0深能級---有效的復合中心雙曲余弦5.3陷阱效應(yīng)5.3.1

陷阱現(xiàn)象Δp≠ΔnΔp=Δn+Δnt若Δnt>0，電子陷阱作用若Δnt<0，空穴陷阱作用有效的陷阱：在Nt較低的條件下，Δnt>>Δn（Δp）.雜質(zhì)能級積累非平衡載流子的作用稱為陷阱效應(yīng)5.3.2成為陷阱的條件成為有效電子陷阱的條件：1當n1=n0（即Et＝EF）時2要使Δnt大，n0最好為少子，即p型半導陷阱的作用---增加少子壽命5.4愛因斯坦關(guān)系愛因斯坦關(guān)系第六章pn結(jié)第6章pn結(jié)6.1.3平衡p-n結(jié)能帶圖6.1.4p-n結(jié)接觸電勢差例如：NA=1017cm-3，ND=1015cm-3

SiVD≈0.7V

GeVD≈0.3V1.外加電壓下，pn結(jié)勢壘的變化及載流子的運動正向偏壓：非平衡載流子的電注入6.2p-n結(jié)電流電壓特性反向偏壓：少數(shù)載流子的抽取或吸出6.2.1非平衡狀態(tài)下的pn結(jié)---pn結(jié)勢壘的變化－正向偏壓下的非平衡少子注入到P區(qū)的非平衡電子注入到N區(qū)的非平衡空穴無限厚樣品的穩(wěn)態(tài)擴散解6.2.3理想p-n結(jié)的J-V關(guān)系前提：－小注入－突變耗盡層條件（耗盡層外電中性）－忽略勢壘區(qū)中載流子的產(chǎn)生、復合－非簡并電流密度擴散電流組成－整流特性－強烈依賴溫度Js：反向飽和電流密度qV/kT>>1?qV/kT>>16.3p-n結(jié)電容－突變結(jié)p+-n電荷分布耗盡近似6.3.1p-n結(jié)中的電場和電勢分布正負電荷總量相等耗盡區(qū)主要在輕摻雜區(qū)的一邊勢壘區(qū)寬度第六章pn結(jié)泊松方程電場分布邊界條件耗盡區(qū)主要在輕摻雜區(qū)的一邊電場分布電勢分布邊界條件勢壘寬度n+-p結(jié)p+-n結(jié)第六章pn結(jié)-幾點說明1單邊突變結(jié)VD隨低摻雜濃度增大而增大2突變結(jié)XD與VD-V的平方根成正比。正向電壓增大而減小，反向電壓增大而增大。單邊突變結(jié)XD隨低摻雜濃度增大而減小3外加電壓時6.3.2

勢壘電容－突變結(jié)勢壘電容擴散電容(耗盡層近似)平行板電容NB：輕摻雜濃度突變結(jié)輕摻雜濃度耗盡層近似反向適用－突變結(jié)（正向偏壓）考慮勢壘區(qū)中的載流子作用第六章pn結(jié)-幾點說明1突變結(jié)勢壘電容和結(jié)面積以及輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度的平方根成正比2突變結(jié)勢壘電容與VD-V的平方根成反比6.4p-n結(jié)的擊穿6.4.1

雪崩擊穿影響因素：E、XD6.4.2

齊納擊穿（隧道擊穿）隧穿幾率T↑Eg↓P↑VBR

↓負溫度系數(shù)重摻雜Ge、Sip-n結(jié)VBR

<4Eg/q>6Eg/q齊納雪崩隧道擊穿要求一定的NV。N小V大，雪崩擊穿；N大V小，隧道擊穿。第七章金屬和半導體的接觸第七章9.1金半接觸的能帶圖9.1.1

功函數(shù)和電子親合能功函數(shù)：－真空能級與費米能級之差電子親和能χ：真空能級與導帶底之差E0：