2017半导体物理复习.ppt

半导体物理复习,.,第一章半导体中的电子状态,晶体结构与共价键（教材P6-9）,金刚石型结构,闪锌矿型结构,纤锌矿型结构,氯化钠型结构,重点掌握,基本概念：单晶、多晶、非晶（体）、晶胞、晶向、晶面,.,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,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只有外层电子共有化运动最显著(教材P9-10),.,能级分裂,(教材P9-10),.,能带形成,满带或价带,导带,(教材P10-11),基本概念：能带，允带，禁带,.,半导体中电子状态和能带,晶体中的电子,VS,自由电子,Difference?,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：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。,(教材P11),.,E(k)-k关系图,E(k)-k关系图的简约布里渊区,能带形成的定量化关系,(教材P14),.,导体、绝缘体和半导体的能带,绝缘体、半导体和导体的能带示意图,三者的主要区别：禁带宽度和导带填充程度金属导带半满；半导体禁带宽度在1eV左右；绝缘体禁带宽且导带空,(教材P16),.,本征激发：当温度一定时，价带电子受到激发而成为导带电子的过程。,常用禁带宽度硅：1.12eV锗：0.67eV砷化镓：1.43eV,本征激发,本征激发,(教材P17),.,半导体中的电子运动,半导体中E(k)与k的关系,电子速度与能量关系,电子有效质量,(教材P17-19),（可由回旋共振实验测得）,.,有效质量的意义,f,a,1、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、直接将外力与电子加速度联系起来,(教材P19),.,空穴,空穴：将价带电子的导电作用等效为带正电荷的准粒子的导电作用。,空穴的主要特征：A.正电荷：+q；B.空穴浓度表示为p（电子浓度表示为n）；C.EP=-EnD.mP*=-mn*,引入空穴的意义A.把价带中大量电子对电流的贡献用少量的空穴表达出来。B.半导体中有电子和空穴两种载流子，而金属中只有电子一种载流子。,(教材P20-22),.,常见半导体能带结构,直接带隙：砷化镓间接带隙：硅、锗,Ge：111能谷为导带底,Si：100能谷为导带底,(教材P30),(教材P32),.,第二章半导体中的杂质和缺陷能级,所处位置不同：替位式杂质、间隙式杂质所处能级不同：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,(教材P37-40),实际半导体和理想半导体的主要区别,.,基本概念1.施主杂质，施主能级，施主杂质电离能施主杂质：能够施放电子而产生导电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，记为ED，施主能级位于离导带底很近的禁带中。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。,(教材P39),.,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产生导电空穴，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，记为EA，受主能级位于离价带顶很近的禁带中。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。,(教材P40),.,杂质的补偿作用,ED,n=ND-NAND，半导体是n型的,ND-NA为有效施主浓度,ED,EA,p=NA-NDNA，半导体是p型的,NA-ND为有效受主浓度,EA,(教材P42),(1)当NDNA时,(2)当NAND时,(3)当NDNA时，杂质的高度补偿。,.,第三章半导体中载流子的统计分布,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，考虑等能面为球面的情况,状态密度,(教材P53),(教材P55),.,费米能级与分布函数,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）,T=0K时，,若EEF，则f(E)=0,标志了电子填充能级的水平,(教材P56-57),能量比EF小的量子态被电子占据的概率是100%，这些量子态上都是有电子的；能量比EF大的量子态被电子占据的概率为0，这些量子态上没有电子，为空的。在热力学温度为0K时，费米能级EF可看成量子态是否被电子占据的一个界限,重点,.,玻尔兹曼分布函数,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,当时，由于，所以费米分布函数转化为称为电子的玻耳兹曼分布函数,(教材P58),.,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n0,V,载流子浓度是与温度、杂质数量及种类有关的量,导带电子浓度,(教材P59-60),其中,.,载流子浓度乘积n0p0,与费米能级无关只决定与温度T，与所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,(教材P62-64),本征半导体本征载流子浓度：,.,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,(教材P65-66),同理，可得到受主能级上的空穴浓度，电离受主浓度。,.,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,(教材P67-72),.,掺杂半导体的载流子浓度和费米能级与温度与杂质浓度的关系对于杂质浓度一定的半导体，随着温度的升高，载流子则是从以杂质电离为主要来源过渡到以本征激发为主要来源的过程，同时，费米能级从位于杂质能级附近逐渐移近禁带中线处。温度一定时，对于n型半导体，费米能级位于禁带中线以上，ND越大，费米能级位置越高；对于p型半导体，费米能级位于中线以下，NA越大，费米能级位置越低。,(教材P74),.,简并半导体,当费米能级位于禁带之中且远离价带顶和导带底时，电子和空穴浓度均不很高，处理它们分布问题时可不考虑泡利不相容原理的约束，因此可用波尔兹曼分布代替费米分布来处理在流子浓度问题，这样的半导体被称为非简并半导体。反之则只能用费米分布来处理载流子浓度问题，这种半导体为简并半导体。把与的相对位置作为区分简并化与非简并化的标准：,非简并,弱简并,简并,(教材P80-82),.,第四章半导体的导电性,漂移运动：电子在电场力作用下的运动迁移率：单位场强下电子的平均漂移速度,电导率,电流密度,(教材P92),-电导率与迁移率的关系,.,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,(教材P94-101),概念及意义：声子,.,迁移率与杂质浓度和温度的关系,对所有时间积分，得到N0个电子自由时间的总和，再除以N0求得平均自由时间。,即平均自由时间的数值等于散射概率的倒数。,(教材P101-106),.,电阻率与温度的关系,杂质全部电离，晶格振动散射上升为主要矛盾,载流子主要由电离杂质提供,本征激发成为主要矛盾,(教材P106-108),.,强电场效应,现象：偏离欧姆定律解释：从载流子与晶格振动散射时的能量交换过程来说明,(教材P113-114),.,第五章非平衡载流子,对于给定的半导体，本征载流子浓度ni只是温度的函数。无论掺杂多少，平衡载流子的浓度n0和p0必定满足上式。上式也是非简并半导体处于热平衡状态的判据。,它们乘积满足:,若用n0和p0分别表示平衡电子浓度和平衡空穴浓度，在非简并情况下，有：,(教材P126),非平衡态：当半导体受到外界作用（如：光照等）后,载流子分布将与平衡态相偏离,此时的半导体状态称为非平衡态。,.,非平衡载流子,n：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：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。,非平衡态的载流子浓度为：,(教材P127),小注入条件:当非平衡载流子的浓度n(或p)2VB时：EF段（低频）强反型，电子聚集表面，CC0GH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xdm不随VG变化，电容保持最小值）；GH段,(教材P228-232),.,第八章异质结,异质结：两种不同的半导体单晶材料组成的结,异质结也可分为突变异质结和缓变异质结,突变异质结：从一种半导体材料向另一种半导体材料的过渡只发生于几个原子距离（1m）范围内。,引入界面态的主要原因：形成异质结的两种半导体材料的晶格失配,突变反型异质结平衡时的特点：,统一的费米能级界面两边形成空间电荷区，正负内建电场，在界面处不连续空间电荷区的能带发生弯曲，不连续两边均为耗尽层,(教材P251-254),.,第九章半导体光学性质,条件：hvEg,本征吸收的光子最低能量限,上面的条件可化为：,本征吸收的长波限0,常数：h=6.62510-34Js=4.1410-15eVsc=2.998108m/s=2.9981014m/s,本征吸收：由于电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程,本征吸收的长波限0与禁带宽度的关系,根据：,(教材P281),.,光伏效应,用适当波长的光照射非均匀半导体，例如P-N结和金属-半导体接触等，由于势垒区中内建电场（也称为自建电场）的作用，依据外回路电阻的大小，可以检测出光生电流，或者得到光生电压。这种由内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应（光伏效应）。,(教材P296),.,名词解释,有效质量，空穴，施主杂质，受主杂质，等电子杂质，杂质双性行为，费米能级，简并半导体，迁移率，声子，热载流子，非平衡状态，非平衡载流子，少数载流子寿命，准费米能级，直接复合，间接复合，陷阱效应，扩散系数，扩散长度，牵引长度，电子亲和能，接触电势差，阻挡层，反阻挡层，肖特基势垒，欧姆接触，异质结，本征吸收，光生伏特效应,.,定性分析题,实际半导体与理想半导体间的主要区别是什么？分析Ge,Si和GaAs三种半导体材料性能上的差别及其原因。以As掺入Ge中为例，说明什么是施主杂质、施主杂质电离过程和n型半导体。以Ga掺入Ge中为例，说明什么是受主杂质、受主杂质电离过程和p型半导体。以Si在GaAs中的行为为例，说明IV族杂质在III-V族化合物中可能出现的双性行为。画出不同掺杂情况下的费米能级的变化。画出p型半导体在光照（小注入）前后的能带图，标出原来的费米能级和光照时的准费米能级。假设某金属的功函数大于（或小于）n型半导体材料，试画出金属与n型半导体接触的能带图，分析半导体表面