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1、半导体物理复习课半导体物理复习课半导体物理复习课半导体物理复习课谢静菁谢静菁 手机：13212794037实验室：87542693Email:2007.11.1半导体物理第一章第一章 半导体中的电子状态半导体中的电子状态v晶体结构与共价键金刚石型结构闪锌矿型结构纤锌矿型结构氯化钠型结构半导体物理能级与能带能级与能带电子在原子核势场和其他电子作用下分列在不同能级相邻原子壳层形成交叠原子相互接近 形成晶体共有化运动v共有化运动：由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动v只有外层电子共有化运动只有外层电子共有化运动最显著
2、最显著半导体物理能级分裂能级分裂半导体物理能带形成能带形成满带或价带导带半导体物理半导体中电子状态和能带半导体中电子状态和能带晶体中的电子VSVS自由电子严格周期性重复排列的原子间运动恒定为零的势场中运动单电子近似单电子近似：晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场 以及其他大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期变化的， 并且它的周期与晶格周期相同。半导体物理半导体中的电子运动半导体中的电子运动v半导体中E(k)与k的关系v电子速度与能量关系v电子有效质量半导体物理有效质量的意义：有效质量的意义：fa1、概括了半导体内部势场的作用2、a是半导体内部势场和外电场作用的综合效果
3、3、直接将外力与电子加速度联系起来半导体物理常见半导体能带结构常见半导体能带结构v直接带隙：砷化镓v间接带隙：硅、锗半导体物理半导体中的杂质半导体中的杂质v所处位置不同：替位式杂质、间隙式杂质v所处能级不同：施主杂质、受主杂质施放电子而产生导电电子并形成正电中心接受电子成为负电中心半导体物理第二章第二章 半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布热平衡状态低能量的量子态高能量的量子态产生电子空穴对使电子空穴对 不断减少热平衡载流子：处于热平衡状态下的导电电子和空穴半导体物理状态密度状态密度v状态密度：能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数。状态密度的计算：为简单起见，考虑等能面为球面
4、的情况推导过程书上P51半导体物理费米能级与分布函数费米能级与分布函数v费米分布函数：（描述热平衡状态下，电子在允许的量子态上如何分布）vT=0K时，若EEF，则f (E)=0标志了电子填充能级的水平E-EFk0T半导体物理玻尔兹曼分布函数玻尔兹曼分布函数条件：E-EFk0T费米统计分布：受到泡利不相容原理限制玻尔兹曼分布：泡利原理不起作用半导体物理v导带电子浓度能量E到E+dE之间的量子态电子占据能量为E的量子态几率将所有能量区间中电子数相加除以半导体体积导带电子浓度n0V载流子浓度是与温度、杂质数量及种类有关的量半导体物理载流子浓度乘积载流子浓度乘积n0p0v与费米能级无关v只决定与温度T
5、，与所含杂质无关v适用于热平衡状态下的任何半导体v温度一定， n0p0一定Nc：导带有效状态密度Nv：价带有效状态密度半导体物理杂质半导体中的载流子浓度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半导体物理n型硅中电子浓度与温度关系型硅中电子浓度与温度关系v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v各区特点及变化趋势半导体物理v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。v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。半导体物理第三章第三章 载流子输运载流
6、子输运v漂移运动：电子在电场力作用下的运动v迁移率：单位场强下电子的平均漂移速度电导率电流密度半导体物理散射及散射机构散射及散射机构v平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程v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半导体物理电阻率与温度的关系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物理强电场效应强电场效应v现象：偏离欧姆定律v解释：从载流子与晶格振动散射时的能量交换过程来说明半导体物理半导体磁电效应半导体磁电效应与载流子
7、浓度、与载流子浓度、温度有关温度有关霍尔系数可确定半导体类可确定半导体类型及载流子浓度型及载流子浓度半导体物理第四章第四章 非平衡载流子非平衡载流子施加外界作用偏离热平衡态产生非平衡载流子破坏热平衡条件比平衡态多出来一部分载流子半导体物理非平衡载流子非平衡载流子n = n n0p = p p0n：非平衡态下的电子浓度p：非平衡态下的空穴浓度n0：平衡态下的电子浓度p0：平衡态下的电子浓度非平衡载流子的复合非平衡载流子的复合：当半导体由非平衡态恢复为平衡态，过剩载流子消失的过程。半导体物理准费米能级准费米能级v当半导体处于非平衡状态，不再具有统一的费米能级，引入准费米能级非平衡态下电子浓度：非平
8、衡态下空穴浓度：半导体物理复合理论复合理论v直接复合电子在导带和价带之间的直接跃迁v间接复合非平衡载流子通过复合中心的复合间接复合的四个过程间接复合的四个过程过程前过程前过程后过程后半导体物理陷阱效应陷阱效应(熟悉概念熟悉概念)v杂质能级积累非平衡载流子的作用v陷阱：具有显著效应的杂质能级v陷阱中心：相应的杂质和缺陷半导体物理载流子的扩散运动载流子的扩散运动稳定扩散的条件： 单位时间在单位体积内 积累的载流子由于复合而消失的载流子空穴扩散系数非平衡少数载流子的寿命非平衡少数载流子浓度半导体物理爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式(意义，推导意义，推导)v从理论上找到扩散系数和迁移率之间的定量关系迁移率
9、电场作用下运动的难易程度扩散系数存在浓度梯度下载流子运动的难易程度半导体物理第五章第五章 p-n结结1、内建电场结果2、费米能级相等标志了载流子的扩散电流和漂移电流互相抵消半导体物理p-n结接触电势差结接触电势差VD VD和p-n结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关。在一定温度下，突变结两边的掺杂浓度掺杂浓度越高，接触电势差VD越大； 禁带宽度禁带宽度越大，ni越小，接触电势差VD越大；半导体物理p-n结电流电压特性结电流电压特性正向偏压下正向偏压下p-n结的费米能级结的费米能级半导体物理反向偏压下反向偏压下p-n结的费米能级结的费米能级半导体物理p-n结隧道效应结隧道效应v原理及描述v
10、重掺杂的p区和n区形成的p-n结称为隧道结半导体物理第六章第六章 半导体表面与半导体表面与MIS结构结构v表面电场效应MIS结构（金属绝缘层半导体）v表面势：空间电荷层内的电场从表面到体内逐渐减弱直到为零，电势发生相应变化，电势变化迭加在电子的电位能上，使得空间电荷层内的能带发生弯曲，“表面势VS”就是为描述能带变曲的方向和程度而引入的。半导体物理多子堆积多子耗尽少子反型半导体物理强反型条件（推导、理解）强反型条件（推导、理解）强反型：强反型： V Vs s2V2VB BTT，N NA A衬底杂质浓度越高，衬底杂质浓度越高，VsVs就越大，越不容易达就越大，越不容易达到反型。到反型。NA=pp
11、0,半导体物理CV特性特性(1) V(1) VG G000耗尽状态：耗尽状态：V VG G增加，增加，x xd d增大增大，CsCs减小，减小，CDCD段段Vs2VVs2VB B时：时：EFEF段（低频）强反型，电子聚集表面，段（低频）强反型，电子聚集表面， C CC C0 0GHGH段（高频）：反型层中电子数量不能随高频信号而变，对电容无贡献，段（高频）：反型层中电子数量不能随高频信号而变，对电容无贡献，还是由耗尽层的电荷变化决定（强反型达到还是由耗尽层的电荷变化决定（强反型达到x xdmdm不随不随V VG G变化，电容保持最小值）；变化，电容保持最小值）；GHGH段段半导体物理第七章第七章 金属和半导体接触金属和半导体接触v功函数v电子亲和能金属和金属和n型半导体接触能带图（型半导体接触能带图（WmWs）（a）接触前；（）接触前；（b）间隙很大；）间隙很大； （c）紧密接触；（）紧密接触；（d）忽略间隙）忽略间隙电势降落在空间电荷区和金属半导体表面之间电子的流向半导体物理两种金半接触两种金半接触v欧姆接触不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子发生显著的变化。v整流接触
