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1、学 海 无 涯 第一章 半导体中的电子状态 1 1 锗和硅的晶体结构特征 金刚石结构的基本特征 1 2 半导体中的电子状态和能带 电子共有化运动概念 绝缘体 半导体和导体的能带特征 几种常用半导体的禁带宽度 本征激发的概念 1 3 半导体中电子的运动 有效质量 导带底和价带顶附近的 E k k 关系 2 2 n k E kE m 2 h 0 半导体中电子的平均速度 dE v hdk 有效质量的公式 2 2 2 11 dk Ed hmn 1 4 本征半导体的导电机构 空穴 空穴的特征 带正电 pn mm np EE pn kk 1 5 回旋共振 1 6 硅和锗的能带结构 导带底的位置 个数 重空
2、穴带 轻空穴 第二章 半导体中杂质和缺陷能级 2 1 硅 锗晶体中的杂质能级 学 海 无 涯 基本概念 施主杂质 受主杂质 杂质的电离能 杂质的补偿作用 2 2 族化合物中的杂质能级 杂质的双性行为 第三章 半导体中载流子的统计分布 热平衡载流子概念 3 1 状态密度 定义式 g Edz dE 导带底附近的状态密度 3 2 1 2 3 2 4 n cc m gEVEE h 价带顶附近的状态密度 3 2 1 2 3 2 4 p vV m gEVEE h 3 2 费米能级和载流子的浓度统计分布 Fermi 分布函数 0 1 1exp F f E EEk T Fermi 能级的意义 它和温度 半导体
3、材料的导电类型 杂质的含量以及能量零点的选取有 关 1 将半导体中大量的电子看成一个热力学系统 费米能级 F E是系统的化学势 2 F E 可看成量子态是否被电子占据的一个界限 3 F E的位置比较直观地标志了电子占据量子 态的情况 通常就说费米能级标志了电子填充能级的水平 费米能级位置较高 说明有较多 的能量较高的量子态上有电子 Boltzmann 分布函数 0 F E E k T B fEe 导带底 价带顶载流子浓度表达式 0 c c E Bc E nfE g E dE 学 海 无 涯 0 0 exp Fc c EE nN k T 3 2 3 2 2 n c m kT N h 导带底有效状
4、态密度 0 0 exp vF v EE pN k T 32 0 3 2 2 p v m k T N h 价带顶有效状态密度 载流子浓度的乘积 00 00 expexp g CV CVCV E EE n pN NN N k Tk T 的适用范围 3 3 本征半导体的载流子浓度 本征半导体概念 本征载流子浓度 Tk E NNpnn g VCi 0 2 1 00 2 exp 载流子浓度的乘积 2 00i npn 它的适用范围 3 4 杂质半导体的载流子浓度 电子占据施主杂质能及的几率是 Tk EE Ef FD D 0 exp 2 1 1 1 空穴占据受主能级的几率是 Tk EE Ef AF A 0
5、exp 2 1 1 1 施主能级上的电子浓度 D n为 Tk EE N EfNn FD D DDD 0 exp 2 1 1 受主能级上的空穴浓度 A p为 0 1 1exp 2 A AAA FA N pN fE EE k T 电离施主浓度 D n为 DDD nNn 电离受主浓度 A p为 AAA pNp 费米能级随温度及杂质浓度的变化 学 海 无 涯 3 5 一般情况下的载流子统计分布 3 6 简并半导体 1 重掺杂及简并半导体概念 2 简并化条件 n 型 0 CF EE 具体地说 1 ND接近或大于 NC时简并 2 ED小 则杂质浓度 ND较小时就发生简并 3 杂质浓度越大 发生简并的温度范
6、围越宽 4 简并 时杂质没有充分电离 5 简并半导体的杂质能级展宽为能带 带隙宽度会减小 3 杂质能带及杂质带导电 第四章 半导体的导电性 4 1 载流子的漂移运动 迁移率 欧姆定律的微分形式 JE 漂移运动 漂移速度 d vE 迁移率 单位 22 mV scmV s 或 不同类型半导体电导率公式 np nqpq 4 2 载流子的散射 半导体中载流子在运动过程中会受到散射的根本原因是什么 主要散射机构有哪些 电离杂质的散射 3 2 ii PN T 晶格振动的散射 32 s PT 4 3 迁移率与杂质浓度和温度的关系 描述散射过程的两个重要参量 平均自由时间 散射几率 P 他们之间的关系 1 p
7、 1 电导率 迁移率与平均自由时间的关系 学 海 无 涯 2 2 p n nnpp np pq nq nqupqu mm 22 pp np np nqpq nqupqu mm 2 硅的 电导迁移率及电导有效质量公式 n c c q m 1112 3 clt mmm 3 迁移率与杂质浓度和温度的关系 4 4 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 各种半导体的电阻率公式 1 np nqpq 不同温区电阻率的变化 不同温区载流子的散射机制 4 7 多能谷散射 耿氏效应 用多能谷散射理论解释 GaAs 的负微分电导 第五章 非平衡载流子 5 1 非平衡载流子的注入与复合 非平衡态与非平衡载流子或过剩载流子
8、 小注入 附加电导率 npnp nqpqpq 5 2 非平衡载流子的寿命 非平衡载流子的衰减 寿命 复合几率 表示单位时间内非平衡载流子的复合几率 1 复合率 单位时间 单位体积内净复合消失的电子 空穴对数 p 学 海 无 涯 5 3 准 Fermi 能级 1 准 Fermi 能级 概念 2 非平衡状态下的载流子浓度 0 0 0 0 exp exp n CF C p FV V EE nNnnn k T EE pNppp k T 0 00 0 00 expexp expexp nn FiFF i pp iFFF i EEEE nnn k Tk T EEEE ppn k Tk T 3 准 Ferm
9、i 能级 的含义 1 从 5 10 可以看出 EFn EF EF EFp越大 n 和 p 值越大 越偏离平衡状态 反之也 可以说 n 和 p 越大 EFn和 EFp偏离 EF越远 2 EFn和 EFp偏离 EF的程度不同 如 n type 半导体 n0 p0 小注入条件下 n n0 n n0 EFn比 EF更靠近导带底 但偏离 EF很小 p p0 p p0 p p p0 EFp比 EF更靠近价带顶 且比 EFn更偏离 EF 可以看出 一般情况下 在非平衡状态时 往往总是多数载流子的准 Fermi 能级和平衡时的 Fermi 能级偏离不多 而少数载流子的准 Fermi 能级则偏离很大 3 2 0
10、0 00 expexp npnp FFFF i EEEE npn pn k Tk T 反映了半导体偏离热平衡态的程度 EFn EFp越大 np 越偏离 ni2 EFn EFp时 np ni2 5 4 复合理论 非平衡载流子复合的分类以及复合过程释放能量的方式 1 直接复合 2 间接复合 定量说明间接复合的四个微观过程 学 海 无 涯 俘获电子过程 电子俘获率 rnn Nt nt 发射电子过程 电子产生率 s nt 1n sr n 俘获空穴过程 空穴俘获率 rppnt 发射空穴的过程 空穴产生率 s Nt nt s rpp1 有效复合中心能级的位置为禁带中线附近 5 6 载流子的扩散运动 1 扩
11、散流密度 pp d p x SD dx nn d n x SD dx 单位时间通过单位面积的粒子 数 2 空 穴 的 扩 散 电 流 pp d p x JqD dx 扩 电 子 的 扩 散 电 流 nnn d n x JqSqD dx 扩 3 光注入下的稳定扩散 稳定扩散 若用恒定光照射样品 那么在表面处非平衡载流子浓度保持恒定值 0p 半导 体内部各点的空穴浓度也不随时间改变 形成稳定的分布 这叫稳定扩散 稳态扩散方程及其解 5 7 载流子的漂移运动 爱因斯坦关系 爱因斯坦关系的表达式 0n n Dk T q 0 p p D k T q 5 8 连续性方程式 1 连续性方程式的表达式 2 2
12、 pppp E p xppp DEpg txxx 其中 2 2 p p x D x 的含义是单位时间单位体积由于扩散而积累的空穴数 pp E p Ep xx 学 海 无 涯 的含义是单位时间单位体积由于漂移而积累的空穴数 p 的含义是单位时间单位体积由于 复合而消失的电子 空穴对数 2 稳态连续性方程及其解 3 连续性方程式的应用 牵引长度 P LE和扩散长度 Lp 的差别 p Lp EE u p LpD 第六章 p n 结 6 1 p n 结及其能带图 1 p n 结的形成和杂质分布 2 空间电荷区 3 p n 结能带图 4 p n 结接触电势差 5 p n 结的载流子分布 6 2 p n
13、结的电流电压特性 1 非平衡状态下的 p n 结 非平衡状态下 p n 结的能带图 2 理想 p n 结模型及其电流电压方程式 理想 p n 结模型 1 小注入条件 2 突变耗尽层近似 电荷突变 结中载流子耗尽 高阻 电压全部降落在耗尽层上 耗尽层 外载流子纯扩散运动 3 不考虑耗尽层中载流子的产生与复合作用 4 玻耳兹曼边界条件 在耗尽层两端 载流子分布满足玻耳兹曼统计分布 理想 p n 结的电压方程式 相应的 J V 曲线 并讨论 p n 结的整流特性 3 影响 p n 结的电流电压特性偏离理想方程的各种因素 理想 p n 结的电流是少数载流子扩散形成的 但实际上还存在复合电流 大注入效应
14、 学 海 无 涯 体电阻效应以及产生电流 使得实际电流 电压特性偏离理想情形 归纳如下 p n 结加正向偏压时 电流电压关系可表示为 F 0 qV Jexp mk T m 在 1 2 之间变化 随外加正向偏压而定 正向偏压较小时 m 2 JF exp qV 2k0T 势垒区的复合电流起主要作用 偏离理想 情形 正向偏压较大时 m 1 JF exp qV k0T 扩散电流起主要作用 与理想情形吻合 正向偏压很大 即大注入时 m 2 JF exp qV 2k0T 偏离理想情形 在大电流时 还必须考虑体电阻上的电压降 VR 于是 V VJ Vp VR 忽略电极上的压 降 这时在 p n 结势垒区上的
15、电压降就更小了 正向电流增加更缓慢 在反向偏压下 因势垒区中的产生电流 从而使得实际反向电流比理想方程的计算值大 并且不饱和 6 3 p n 结电容 1 p n 结电容的来源 势垒电容 p n 结上外加电压的变化 引起了电子和空穴在势垒区中的 存入 和 取出 作用 导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化 这和一个电容器的充放电作用相似 这种 p n 结的电容效应称为势垒电容 以 CT表示 扩散电容 外加电压变化时 n 区扩散区内积累的非平衡空穴和与它保持电中性的电子数量 变化 同样 p 区扩散区内积累的非平衡电子和与它保持电中性的空穴也变化 这种由于扩 散区的电荷数量随外加电压变化所产生的电
16、容效应 称为 p n 结的扩散电容 用符号 CD表 示 2 突变结的势垒电容 p n 结宽度 电荷分布 6 4 p n 结击穿 1 雪崩击穿 2 隧道击穿 或齐纳击穿 隧道击穿是在强反向电场作用下 势垒宽度变窄 由隧道效应 使大量电子从 p 区的价带穿 学 海 无 涯 过禁带而进入到 n 区导带所引起的一种击穿现象 因为最初是由齐纳提出来解释电介质击穿 现象的 故叫齐纳击穿 重掺杂的半导体形成的 p n 结更容易发生隧道击穿 3 热电击穿 不同类型半导体的击穿机理 6 5 p n 结隧道效应 1 隧道结及其电流电压特性 什么是隧道结 隧道结的电流电压特性 2 隧道结热平衡时的能带图 3 隧道结电流电压特性的定性解释 第七章 金属和半导体的接触 7 1 金属半导体接触及其能带图 1 金属和半导体的功函数 定义式 2 接触电势差 阻挡层概念及能带图 3 表面态对接触势垒的影响 7 2 金属半导体接触整流理论 一 以 n 型 p 型阻挡层为例定性说明阻挡层的整流特性 n 型 p 型 阻挡层的判断 表面势 能带弯曲情况 二 定量得出阻挡层伏 安特性表达式 1 扩散理论 理论模型 0 exp1
