半导体物理复习归纳.docx
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半导体物理复习归纳
半导体物理复习归纳
一、半导体的电子状态
1、金刚石结构(Si、Ge)
Si、Ge原子组成,正四面体结构,由两个面心立方沿空间对角线互相平移1/4个空间对角线长度套构而成。
由相同原子构成的复式格子。
2、闪锌矿结构(GaAs)
3-5族化合物分子构成,与金刚石结构类似,由两类原子各自形成的面心立方沿空间对角线相互平移1/4个空间对角线长度套构而成。
由共价键结合,有一定离子键。
由不同原子构成的复式格子。
3、纤锌矿结构(ZnS)
与闪锌矿结构类似,以正四面体结构为基础,具有六方对称性,由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积而成。
是共价化合物,但具有离子性,且离子性占优。
4、氯化钠结构(NaCl)
沿棱方向平移1/2,形成的复式格子。
5、原子能级与晶体能带
原子组成晶体时,由于原子间距非常小,于是电子可以在整个晶体中做共有化运动,导致能级劈裂形成能带。
6、脱离共价键所需的最低能量就是禁带宽度。
价带上的电子激发为准自由电子,即价带电子激发为导带电子的过程,称为本征激发。
7、有效质量的意义
a.有效质量概括了半导体内部势场的作用(有效质量为负说明晶格对粒子做负功)
b.有效质量可以直接由实验测定
c.有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比。
能带越窄,二次微商越小,有效质量越大。
8、测量有效质量的方法
回旋共振。
当交变电磁场角频率等于回旋频率时,就可以发生共振吸收。
测出共振吸收时电磁波的角频率和磁感应强度,就可以算出有效质量。
为能观测出明显的共振吸收峰,要求样品纯度较高,且实验要在低温下进行。
9、空穴
价带中空着的状态被看成带正电的粒子,称为空穴。
这是一种假想的粒子,其带正电荷+q,而且具有正的有效质量mp*。
10、轻/重空穴
重空穴:
有效质量较大的空穴
轻空穴:
有效质量较小的空穴
11、间接带隙半导体
导带底和价带顶处于不同k值的半导体。
二、半导体中的杂质和缺陷能级
1、晶胞空间体积计算
Si晶胞中有8个硅原子,每个原子看做半径为r的圆球,则8个原子占晶胞空间的百分数:
立方体某顶角的圆球中心与距此顶角1/4体对角线长度处的圆球中心间的距离为2r,且等于边长为a的立方体体对角线长(
)的1/4。
2、杂质类型
间隙式:
原子较小,存在于晶格原子间的间隙位置
替位式:
原子大小及价电子壳层结构与晶格原子相近,取代晶格原子而位于晶格格点处(3、5族元素属于替位式)
3、杂质能级
被施主/受主杂质束缚的电子/空穴的能量状态称为施主ED/受主EA能级,位于离导带/价带很近的禁带中。
电子/空穴挣脱杂质束缚成为导电粒子所需的能量称为杂质电离能。
杂质电离能小的杂质能级很接近导带底/价带顶,称为浅能级,在室温下就几乎全部离化。
4、杂质补偿
施主、受主杂质间的相互抵消作用称为杂质补偿。
高度补偿的半导体虽然导电性类似高纯半导体,但实际性能很差。
5、深能级杂质
施主杂质能级距离导带底、受主杂质能级距离价带顶很远的能级称为深能级。
深能级杂质能够多次电离,往往在禁带引入若干个能级。
有的杂质既能引入施主能级,又能引入受主能级。
深能级杂质对载流子浓度和导电类型的影响没有浅能级杂质显著,但对于载流子复合作用比浅能级杂质强,故也称为复合中心。
6、缺陷
点缺陷、位错
三、载流子统计分布
1、热平衡
载流子产生:
本征激发(电子从晶格获取能量从价带跃迁到导带形成导带电子和价带空穴)
杂质电离(电子从施主能级跃迁到导带产生导带电子,从价带跃迁到受主能级产生价带空穴)
载流子复合:
电子从高能量量子态跃迁到低能量量子态,并向晶格放出能量。
载流子产生与复合达到动态平衡,称为热平衡,此时导电的电子与空穴浓度均保持稳定。
2、获得热平衡载流子浓度的思路:
A.允许的量子态按能量如何分布——状态密度
B.电子在允许的量子态中如何分布——分布函数
3、状态密度
状态密度g(E)是能带中,能量E附近每单位能量间隔内的量子态数。
电子/空穴能量越高,状态密度越大。
计算步骤:
A.算出k空间中的量子态密度(量子态数除以k空间体积)
在k空间中坐标是2π/L(L是k半导体晶体线度,L3等于晶体体积)的整数倍,每个单位立方体中有1个量子态(计入电子自旋则为2个量子态)
B.算出k空间中与能量E~(E+dE)间所对应的k空间体积
等能球面的球壳体积4πk2dk
C.两者相乘即为能量E~(E+dE)间的量子态数
D.g(E)=dZ/dE,由E-k关系化简得
4、费米分布
电子占据费米能级的概率在各种温度下总是1/2。
费米能级标志了电子填充能级的水平。
5、玻尔兹曼分布
6、热平衡条件
7、杂质能级与能带中的能级有区别:
能带中的能级可以容纳自旋方向相反的两个电子,而施主能级不允许同时被自旋方向相反的两个电子占据(要么容纳一个,要么空着)。
8、费米能级远在施主能级下时施主杂质几乎完全电离,费米能级远在受主能级上时受主杂质几乎完全电离。
(简并。
重掺杂时费米能级很靠近甚至进入导带/价带)
9、载流子浓度随温度变化
A.低温弱电离区:
杂质少量电离,本征激发可忽略。
该段EF随温度先上升再下降,在温度上升到使NC=0.11ND时EF达到极值。
杂质浓度越高,达到极值的温度越高。
B.中间电离区
C.强电离区(饱和区):
杂质几乎完全电离。
载流子浓度随温度保持不变。
D.过渡区
E.本征激发区
10、费米能级随温度及杂质浓度变化
11、简并半导体
重掺杂情况下,费米能级进入导带(或价带)的情况。
此时必须考虑泡利不相容原理,因而不能再使用玻尔兹曼分布,必须使用费米分布。
发生简并时的杂质浓度与杂质电离能△ED(掺杂类型)和温度T有关。
△ED越小,则发生简并的杂质浓度较小时。
发生简并化有一个温度范围,杂质浓度越大,发生简并的温度范围越宽。
12、禁带变窄效应
简并半导体中,杂质浓度高,杂质原子相互间比较靠近,导致孤立的杂质能级扩展为杂质能带。
这会使杂质电离能减小。
当杂质能带与导带或价带相连,将使禁带宽度变窄。
杂质能带中的电子在杂质原子间做共有化运动参与导电,称为杂质带导电。
13、载流子冻析效应
温度低于100K时,施主杂质部分电离,尚有部分载流子被冻析在杂质能级上,对导电没有贡献,这称为低温载流子冻析效应。
四、导电性
1、迁移率
表示单位场强下电子的平均漂移速率,习惯上迁移率只取正值。
2、连续两次散射间自由运动的平均路程称为平均自由程,平均时间称为平均自由时间。
3、载流子在外电场作用下的实际运动轨迹是热运动和漂移运动的叠加。
4、恒定电场下,电流密度恒定。
5、主要散射机制
A.电离杂质散射:
散射概率Pi∝Ni*T-3/2
B.晶格振动散射
晶格中原子的振动都是由若干不同基本波叠加,这些基本波称为格波。
对于Si等半导体,原胞中有2个原子,对应每个q有6个格波(1个原子对应每个q有一纵两横),频率最低的3个是声学波,频率最高的3个是光学波。
晶格振动散射起主要作用的是长纵声学波。
Ps∝T3/2
6、迁移率随温度和杂质浓度变化
五、非平衡载流子
1、外界作用破坏了热平衡状态,此时比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。
2、小注入条件:
注入的非平衡载流子浓度比平衡时多子浓度小的多。
3、非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命,寿命的倒数称为单位时间内非平衡载流子的复合概率。
单位时间单位体积内净复合的电子空穴对数称为复合率。
寿命标志着非平衡载流子浓度减少到原值的1/e所经历的时间。
4、非平衡时导带和价带分别处于平衡状态,而导带和价带间处于不平衡状态。
于是引入导带费米能级和价带费米能级,它们都是局部的费米能级,称为准费米能级。
非平衡载流子越多,准费米能级偏离费米能级越远。
在非平衡态,多子的准费米能级与费米能级相差不远,而少子的准费米能级与费米能级相差较远。
两者靠的越近,说明越接近平衡态。
5、复合
按复合过程分为:
直接复合:
电子在导带和价带间直接跃迁,引起电子空穴复合
间接复合:
电子和空穴通过禁带的能级(复合中心)进行复合
按复合位置分为:
表面复合和体内复合
复合时会放出能量,发射光子或者发射声子或者将能量给其他载流子增加它们的动能(俄歇复合)。
6、直接复合
禁带越宽,直接复合概率越小
产生率基本不变,且等于热平衡时的复合率G=rn0p0,而复合率R=rnp,故非平衡载流子净复合率U=R-G=r(np-ni2)。
其中r是平均电子空穴复合概率。
7、间接复合
杂质和缺陷在禁带中形成能级,对复合有促进作用
位于禁带中央附近的深能级是最有效的复合中心。
8、表面复合
大多数期间总是希望获得良好的表面,以尽量降低表面复合速度,然而另一方面,在某些物理测量中,为了消除金属探针注入效应的影响,却要设法增大表面复合。
9、陷阱效应
杂质能级具有积累非平衡载流子的作用,称为陷阱效应。
所有杂质能级都有一定陷阱效应。
有显著陷阱效应的杂质能级称为陷阱,相应的杂质和缺陷称为陷阱中心。
复合中心:
俘获电子和空穴的能力差不多,rp=rn,无显著陷阱效应。
电子陷阱:
rn>>rp
空穴陷阱:
rp>>rn
杂质能级与平衡时费米能级重合时最有利于陷阱作用。
陷阱的存在大大增加了从非平衡态恢复到平衡态的弛豫时间。
陷阱效应对多子不明显,对少子明显。
六、金半接触
1、表面态对接触势垒的影响
表面处的禁带存在表面态。
施主型表面态:
能级被电子占据时呈电中性,释放电子后显正电。
要保证这个表面态电中性,就需要他在中性能级以下。
受主型表面态:
能级空着时显电中性,接收电子后显负电。
中性能级以上。
中性能级:
电子正好填满中性能级以下所有表面态时,表面显电中性。
距离价带顶Eg/3处。
2、表面态密度很大,只要EF比中性能级高一点,在表面态就会累积很多负电荷(对电子而言是势垒),由于能带向上弯,表面处EF很接近中性能级,势垒高度就等于原来费米能级和中性能级之差,这时势垒高度称为被高表面态密度钉扎,半导体费米能级几乎不随金属改变而改变,只与表面性质有关,即屏蔽金属接触的影响。
(费米能级钉扎效应)因此,Wm3、整流接触
正偏:
势垒高度降低,半导体到金属的电子数增加且大于金属到半导体的电子,形成金属到半导体的正向电流,由n型半导体中多子构成。
外加电压越高,正向电流越大。
反偏:
势垒高度增加,半导体到金属的电子数减少且小于金属到半导体的电子,形成半导体到金属的反向电流,由于金属中的电子要越过相当高的势垒(金半功函数差)才能到达半导体,所以反向电流很小。
且由于该势垒高度不随外加电压变化,所以金属到半导体的电子数保持不变,而半导体到金属的电子数减小到忽略不计,反向电流趋于饱和。
4、肖特基势垒二极管
利用金半整流接触特性制成的二极管称为肖特基二极管。
优点:
多子器件,无论正偏反偏其载流子都不发生明显累积,开关特性好,适合高频。
肖特基二极管具有较低的正向导通电压。
5、金属探针与半导体接触测量半导体电阻率时要避免少子注入,为此需要增加表面复合。
6、欧姆接触
非整流接触,即表面处形成势阱(n型能带在表面下弯,p型能带在表面上弯)。
不考虑表面态的影响时WmWs的p型半导体。
实际上,Si等半导体一般具有很高的表面态密度,无论n型还是p型与金属接触都会形成势垒,因此不能采取选择金属材料(改变功函数差)的方法来实现欧姆接触。
但是可以通过采取在半导体表面重掺杂后再与金属接触,利用隧道效应得到欧姆接触。
七、MIS结构
1、表面态对应的能级叫做表面能级。
2、晶格表面最外层每个原子都有一个未配对的电子,即有一个未饱和的键,称为悬挂键。
3、理想表面指表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同,且表面不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。
4、表面场效应
堆积、耗尽、反型
空间电荷层内的电荷由反型层的载流子和耗尽层的电离杂质组成。
5、Q-V特性
6、深耗尽状态(CCD工作基础)
当表面电场幅度较大,变化快(如脉冲阶跃正电压)
少子产生速率跟不上电压变化,反型层来不及产生,为了维持电中性,耗尽层向半导体体内深处延伸,产生大量电离杂质。
(深耗尽状态)
此时耗尽层宽度远大于Xdm,且随Vg幅度增大而增大。
热弛豫时间:
从初始的深耗尽状态到热平衡反型层状态所经历的时间。
即耗尽层宽度减小到Xdm的时间。
(反型层的建立时间并非很快,1~100s)
7、C-V特性
八、异质结
1、异质结的优点:
高迁移率、高辐射复合效率,适宜制作超高速开关、太阳能电池、半导体激光器。
2、异质结:
同型(导电类型相同)、反型(导电类型相反)
3、
4、超晶格
交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构,而其薄层厚度的周期小于电子的平均自由程。
九、光电、热电效应
1、对于吸收系数很大的情况下,光的吸收集中在晶体很薄的表面层。
2、渗入深度:
光子流衰减为表面处1/e时的距离。
3、直接跃迁:
电子吸收光子产生跃迁时波失保持不变
4、间接跃迁:
电子不仅吸收光子,同时还与晶格交换了一定能量。
5、间接跃迁的光吸收系数比直接跃迁小很多。
6、光电二极管:
光生电压相当于正偏,产生一定正向电流
7、发光二极管:
正偏,少子注入,与多子复合发光
8、热电效应:
温差生成电势差(赛贝克),原因:
温生浓度差,冷热端扩散。
P型热端电势低。
电势差生成温差(帕尔贴),原因:
电子运动