半导体物理复习归纳.docx

半导体物理复习归纳.docx

《半导体物理复习归纳.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体物理复习归纳.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

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，Wm

3、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