半导体物理复习(1).

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1、半导体物理复习 一、常见的半导体材料 第一章 晶体的结构 1）晶体和晶格：由于构成晶体的粒子的不同性质，使得 其空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结构 ，将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空间 点阵成为晶格。 2）晶体结构与原子结合的形式有关 晶体结合的基本形式：共价结合、离子结合、金属结 合、范德瓦耳斯结合 半导体的晶体结构：主要有 金刚石结构（ Ge、Si） 闪锌矿结构（GaAs等III-V族和CdTe等II-VI族化合物） 纤锌矿结构（部分III-V族和II-VI族化合物) 金刚石结构金刚石结构 闪锌矿结构闪锌矿结构 纤锌矿结构纤锌矿结构 晶格 在点阵中把所有格点连接起来所构

2、成网络 空间点阵 晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的结点在空 间有规则地作周期性的无限分布，结点的空间集合称为点阵。 结点(格点) 构成晶体空间结构的质点的重心 NaCl的晶体结构 结点示意图 晶体结构 = 点阵 + 结构基元 晶体结构的拓扑描述 Si、Ge和GaAs的能带结构 间接带隙半导体带隙半导体 二、基本概念 1. 能带，允带，禁带，K空间的能带图 能带: 在晶体中可以容纳电子的一系列能级 允带：分裂的每一个能带都称为允带。 禁带：晶体中不可以容纳电子的一系列能级 K空间的能带图：晶体中的电子能量随电子波矢k的 变化曲线，即E（K）关系。 （1）越靠近内壳层的 电子，共有化运动弱，

3、 能带窄。 （2）各分裂能级间能 量相差小，看作准连续 （3）有些能带被电子 占满（满带），有些被 部分占满（半满带）， 未被电子占据的是空带 。 原子能级 能带 2、半导体的导带，价带和禁带宽度 价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 禁带宽度：导带底与价带顶之间的能量差 导导 带带 价价 带带 E Eg g 3、电子和空穴的有效质量m* 半导体中的载流子的行为可以等效为自由粒子， 但与真空中的自由粒子不同，是考虑了晶格作用 后的等效粒子。 有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用 如果把在晶体的周期势场作用下运

4、动的电子，等 效看成一个自由运动的准粒子，则该准粒子的等 效质量称为有效质量，一般由E-k关系给出，可正 、可负，电子正，空穴负。 有效质量概括了晶体势场对电子运动的影响 有效质量： 4.空穴：空穴是几乎被电子填满的能带中未被电子占据的 少数空的量子态，这少量的空穴总是处于能带顶附近。是 价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带顶的 电子空位。把半导体中的空穴看成一个带有电荷为+q，并 以该空状态相应的电子速度v(k)运动的粒子，它具有正的 有效质量，价带中大量电子的导电作用可以用少数空穴的 导电作用来描写。 5.直接带隙半导体和间接带隙半导体 直接带隙半导体：导带低和价带顶对应的电子波

5、矢相同 间接带隙半导体：导带低和价带顶对应的电子波矢不相同 二. 基本公式 有效质量 速度： 第二章 基本概念 1.施主杂质，施主能级，施主杂质电离能 施主杂质：能够施放电子而在导带中产生电子并形成正电 中心的杂质，称为施主杂质，掺有施主杂质的半导体叫N 型半导体。 施主能级被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级 ED，施主能级位于离导带低很近的禁带中。 施主杂质电离能：导带底EC与施主能级ED的能量之差 ED=EC-ED就是施主杂质的电离能。施主杂质未电离时是 中性的，电离后成为正电中心。 2.受主杂质，受主能级，受主杂质电离能 受主杂质：能够能够接受电子而在价带中产生空穴，并形 成负电

6、中心的杂质，称为受主杂质，掺有受主杂质的半导 体叫P型半导体。 受主能级：被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能 级EA，受主能级位于离价带低很近的禁带中。 受主杂质电离能：价带顶EV与受主能级EA的能量之差 EA=EV-EA就是受主杂质的电离能。受主杂质未电离时是 中性的，电离后成为负电中心 施主能级 受主能级 ED EA 3.本征半导体，杂质半导体，杂质补偿半导体 本征半导体：没有杂质原子且晶体中无晶格缺陷 的纯净半导体 杂质半导体：掺有施主杂质的N型半导体或掺有 受主杂质的p型半导体都叫杂质半导体 杂质补偿半导体：同一半导体区域内既含有施主 杂质又含有受主杂质的半导体 杂质的补偿原理-

7、pn结实现原理 （a）NDNA 当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，这种两 种不同类型的杂质有相互抵偿的作用，称为杂质补偿作用。 补偿后半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度，只有有效的 杂质浓度才能有效地提供载流子浓度。 （b）ND EF ， 则f(E) 空穴迁移率 GaAs Ge Si -平均自由时间，即相邻两次碰撞之间的平均时间。 其影响因素与散射模式相关 电离杂质散射 晶格散射 半导体中有电子和空穴两种载流子，电场作用下的 电流密度 得到电导率与迁移率的关系式 一般情形，半导体电子和空穴的迁移率在同一数量级， 因此，其电导率主要由多数载流子决定。 第五章 非平衡载流子 一、基本概

8、念 1。过剩电子，过剩空穴，过剩载流子（非平衡载流子），非 平衡载流子的寿命？ 过剩电子：导带中超出热平衡状态浓度的电子浓度 过剩空穴：价带中超出热平衡状态浓度的空穴浓度 过剩载流子：过剩电子和空穴的总称 过剩少子在复合前存在的平均时间。 2。小注入和大注入 小注入：过剩载流子的浓度远小于热平衡多子浓度的情况 大注入：过剩载流子的浓度接近或大于热平衡多子浓度的情况 3.什么是准费米能级？ 在非平衡状态下，由于导带和价带在总体上处于非 平衡，因此就不能用统一的费米能级来描述导带中 的电子和价带中的空穴按能量的分布问题。但由于 导带中的电子和价带中的空穴按能量在各自的能带 中处于准平衡分布，可以有

9、各自的费米能级 称为准费米能级，准费米能级分离的程度，即 的大小，反映了与平衡态分离的程度 4. 解释载流子的产生和复合，直接复合，间接复合，复合率 产 生：电子和空穴被形成的过程，如电子从价带跃迁到导 带，或 电子从杂质能级跃迁到导带的过程或空穴从 杂质能级跃迁到价带的过程 复 合：电子和空穴被湮灭或消失的过程 直接复合：导带电子和价带空穴的直接湮灭过程，能带到能 带的复合。 间接复合：电子和空穴通过禁带中的复合中心的复合 复合率：单位时间单位体积内复合的电子-空穴对数。 5 .什么是载流子的扩散运动？写出电子和空穴 的扩散电流密度方程 当半导体内部的载流子存在浓度梯度时，引 起载流子由浓度

10、高的地方向浓度低的地方扩 散，扩散运动是载流子的有规则运动。 电子扩散电流： 空穴扩散电流： 二、基本公式 1. 漂移电流密度公式： 2.扩散电流密度公式 3.爱因斯坦关系: （4）过剩载流子（非平衡载流子） q由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子 的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的 载流子为过剩载流子。 q准费米能级 当半导体的平衡被破坏，经常出现平衡有不平衡的局面，即 分别就导带和价带电子来说，它们各自基本上处于平衡状态 ，当导带和价带之间又是不平衡的，表现在它们各自的费米 能级互不重合。在这种准平衡情况下，称各个局部的费米能 级为“准费米能级”。 q非平衡电子、空穴浓度

11、分别为 （4）.载流子的浓度 平衡态 非平衡态 q产生与复合是过剩载流子运动的主要形式 q在简单的情况下，过剩载流子随时间按指数规律衰 减： 非平衡载流子的寿命 寿命 - 非平衡载流子的平均生存时间 寿命取决于载流子复合模式 直接复合 间接复合 直接复合间接复合 小注入： 大注入： 如：小注入下强n型半导体 Nt:复合中心浓度 rp:空穴复合几率 半导体中杂质、缺陷的主要作用： (1)、 起施主或受主作用- (2)、 复合中心作用- (3)、陷阱效应作用-引起半导体特性弛豫 浅杂质能级 深杂质能级、晶格缺陷 决定半导体导电类 型和电阻率 决定非平衡载流子寿命 陷阱中心 n当半导体中存在载流子浓

12、度梯度时，将发生载流子 的扩散运动，满足扩散方程，并形成扩散电流。 n在一维分布情形下，载流子的扩散密度为： 扩散流密度 负号反映扩散流总是从高浓度向低浓度流动。 n电子扩散电流： 空穴扩散电流： 载流子的扩散运动 爱因斯坦关系 n在平衡条件下，利用电流方程，可导出 爱因斯坦关系 n这是半导体中重要的基本关系式之一，反映了漂 移和扩散运动的内在联系 n当同时存在电场和载流子浓度梯度时，载流子边漂 移边扩散。 n如果在半导体一面稳定地注入非平衡载流子，它们 将一边扩散一边复合，形成一个有高浓度到低浓度 的分布N（x）： n非平衡载流子的扩散长度L：非平衡载流子在被复 合前扩散的平均距离。 辐射跃

13、迁和光吸收 在固体中，光子和电子 之间的相互作用有三种 基本过程：吸收、自发 发射和受激发射。 两个能级之间的三种基本跃迁过程 (a) 吸收 (b) 自发发射 (c) 受激发射 十、半导体中的光电特性 电光效应和 光电效应 pn结注入式场致发光原理 n半导体发光包括激发过程和复合过程。这两个过 程衔接，是发光必不可少的两个环节。 n在pn结上施加正偏压，产生注入效应，使结区及 其左右两边各一个少子扩散长度范围内的少子浓 度超过其热平衡少子浓度。超过部分就是由电能 激发产生的处于不稳定高能态的非平衡载流子， 它们必须通过第二过程：复合，达到恒定正向注 入下新稳态。 电光效应 n复合分为辐射复合和

14、非辐射复合。辐射复合过程 中，自由电子和空穴具有的能量将变成光而自然 放出。非辐射复合过程中，释放的能量将转变为 其它形式的能，如热能。因此，为提高发光效率 应尽量避免非辐射复合。 n辐射复合的几条途径是：带-带复合、浅施主-价 带或导带-浅受主间复合、施-受主之间复合、通 过深能级复合等。 内光电效应 受光照物体电导率发生变化或产生光电动 势的现象称为内光电效应。 (1) 光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键 合状态过渡到自由状态而引起材料电阻率的变化 ，此现象称为光电导效应。 光电导可分为：本征光电导和杂质光电导。 光电导材料的电导率 无光照时：0 = n0qn+p0qp (暗电导) 有光照时： = 0+pn 其中：pn= nqn+pqp (光电导) 利用光电导效应可以制造出各种波长范围的光敏电阻 ，光敏二极管，光敏晶体管和CCD图象传感器。 （2）光生伏特效应 半导体受光照射产生电势的现象称为光生伏特效应。 光照引起pn结两端产生电动势的 现象称为pn结光生伏特效应。当 光照射到结区时，产生电子与空 穴对，其中电子被内建电场扫向 n区、空穴被内建电场扫向p区， 电子在n区积累而空穴在p区积累 ，使pn结两端出现由光照而产生 的电动势。 第六章pn结 1. pn结热平衡时的能带图 2.内建电势VD：热平衡条件下的耗尽区电压