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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),闪锌矿结构,纤锌矿结构,晶格 在点阵中把所有格点连接起来所构成网络,空间点阵晶体的内部结构可以概括为是由一些相
2、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，能带窄。 （2）各分裂能级间能量相差小，看作准连续 （3
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 带,价 带,Eg,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
4、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
5、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
6、，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-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
7、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 NA,第三章 半导体中的载流子浓度,（1）费米分布函数 概括电子热平衡状态的重要函数 物理意义： 电子达到热平衡时，能量为E的能级被电子占据的几率。 费米能级EF：反映电子的填充水平，是电子统计规律的一个基本概念。 Ei表示本征情况下的费米EF能级，基本上相当于禁带的中线。,A:0k, B:300k, C:1000k, D:1500k,费米分布函数与温度的关系,T0k， 若E= EF ， 则f(E) =1/2 ；若E1/2 ；若E EF ， 则f(E) 1/2 ；,温度升高，能量比EF高的量
8、子态被电子占据的概率上升。,费米能级能够画在能级图上，表明它和量子态的能级一样，描述的是一个能量的高低。但是，它和量子能级不同，它并不代表电子的量子态，而只是反映电子填充能带情况的一个参数。从图看到，从重掺杂p型到重掺杂N型，费米能级越来越高，填进能带的电子越来越多。 不管费米能级的具体位置如何，对于任一给定的非简并半导体材料，在给定温度下的电子、空穴浓度的乘积总是恒定的。,单位体积下，导带中的电子浓度n和价带中的空穴浓度p分别为：,Nc、Nv是常数。,由于,根据电中性条件np，得,（2）导带和价带中的载流子浓度,本征情况,电子、空穴浓度分别为：,定义式:,与费米能级无关 只决定与温度T，与所
9、含杂质无关 适用于热平衡状态下的任何半导体 温度一定， n0p0一定,Nc：导带有效状态密度 Nv：价带有效状态密度,载流子浓度乘积n0p0,杂质半导体中的载流子浓度,电子占据施主能级的几率：,空穴占据受主能级的几率：,施主能级上的电子浓度,电离施主浓度,n型硅中电子浓度与温度关系,五个区 低温弱电离区 中间电离区 强电离区 过渡区 高温本征激发区 各区特点及变化趋势,掺有某种杂质的半导体的载流子浓度和费米能级由温度和杂质浓度所决定。 在杂质半导体中，费米能级的位置不但反映了半导体导电类型，而且还反映了半导体的掺杂水平。,掺杂情况 对于掺杂浓度为ND的N型半导体（完全电离时）： 电中性条件 可
10、简化为 可得,即,同理，对于掺杂浓度为NA的P型半导体：,对于p型半导体，随着温度升高，曲线从左到右向上倾斜，EF逐渐从价带方向趋向禁带的中间，在高温时达到本征（EFEi）。,EFEi,n型半导体,p型半导体,（3）简并半导体和非简并半导体 简并半导体：掺杂浓度高，对于n型半导体，其费米能级EF接近导带或进入导带中；对于 p型半导体，其费米能级EF接近价带或进入价带中的半导体 非简并半导体：掺杂浓度较低，其费米能级EF在禁带中的半导体,n型半导体,p型半导体,非简并,弱简并,简 并,第四章半导体的导电性,一、基本概念： 1。载流子的漂移运动？写出总漂移电流密度方程 载流子在电场作用下的运动。漂
11、移电流密度与载流子的浓度、载流子的迁移率和外加电场的大小有关 2。迁移率的物理意义？迁移率的单位是什么？载流子的迁移率与那些因素有关 单位电场作用下载流子获得平均漂移速度，它反映了载流子在电场作用下的输运能力。单位cm2/vs,迁移率与杂质浓度和温度有关，温度增加时，晶格散射增强，迁移率减小；杂质浓度增加时，电离杂质散射作用加强，迁移率减小。 3。什么是载流子的散射？半导体中载流子的有哪两种主 要散射机制 没有外场的作用，载流子作无规则的热运动。载流子在半导体中运动时，不断地与热振动的晶格原子或电离的杂质离子发生碰撞，碰撞后载流子的运动速度的大小和方向发生了改变。用波的概念，就是说电子波在半导
12、体中传播时遭到了散射。 半导体中载流子的散射机制： 晶格振动散射和电离杂质散射,4. 半导体的电阻率（或电导率）与那些因素有关,n型半导体,p型半导体,本征半导体,电阻率与载流子浓度与迁移率有关，二者均与杂质浓度和温度有关。,五 半导体中载流子运动,热运动:导带中的电子和价带中的空穴始终在进行着无规热运动,热平衡时热运动是随机的统计平均的结果净电流为0。 漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向一致。 扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运动。,1、载流子的运动,载流子的漂移运动 载流子在电场作用下的输运过程 漂
13、移运动实际是载流子在电场作用下经历加速、碰撞过程的平均结果。,外场下，导带电子和价 带空穴同时进行漂移运 动，对电导有贡献。,散射及散射机构,平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程 散射机构 （1）电离杂质散射,（2）晶格振动散射,声学波,光学波,（3）其他散射：能谷散射、中性杂质散射、位错散射,长纵声学波在长声学波中起主要作用,电阻率与温度的关系,载流子主要由电离杂质提供,杂质全部电离，晶格振动散射上升为主要矛盾,本征激发成为主要矛盾,半导体中载流子在电场作用下，将做定向漂移运动，设其定向漂移运动的平均速度（称为漂移速度）为vd。,其中n为载流子的浓度，q为载流子的电量。,实验显示，在
14、弱电场下，载流子的漂移速度v与电场成正比E。,与欧姆定律比较得到半导体的电导率表达式,迁移率：为单位电场作用下载流子获得平均速度，反映了载流子在电场作用下输运能力，是反映半导体及其器件导电能力的重要参数。单位：cm2/Vs。,强场下漂移速度趋于饱和,求得平均漂移速度,获得迁移率的表达式,其中平均自由时间。,由,影响迁移率的因素,不同的半导体材 料的迁移率不同,不同类型的载流子迁移率不同,电子迁移率空穴迁移率,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
15、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
16、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，引起载流子由浓度高的地方向浓度低的地方扩散，扩散运动是载流子的有规
