半导体物理刘恩科考研复习总结

精选文库1 .半导体中电子状态与金刚石共价键(硅锗IV族):2个面心立方晶格沿对角线排列1/4组与闪锌矿混合结合(砷化镓-族):具有离子性、面心立方两个不同原子纤锌矿结构：六方对称结构(AB沉积)晶体结构：原子的周期性排列(晶格基)共价化运动：原子构成晶体后，由于电子壳层的重叠，电子不再受某个原子完全约束，可以从一个原子向邻接的原子移动，电子可以在晶体中移动。带的形成：构成晶体的多个原子的同一轨道的电子共享后，通过势场力，将同一能级分裂为彼此有微小差异的极细的能级，这些能级的数量巨大且堆积在一定宽度的能范围内，可以认为是连续的能隙(禁带)的原因：晶体中电子波的布拉格反射-周期势场的作用。(布拉格反射在边界形成驻波，电子聚集在不同区域，引起能量差)自由电子和半导体的E-K图：自由电子公司：半导体型号：传导带底： E(k)E(0)，电子有效质量为正值最高价格： E(k)SiGe(1)本征载流子浓度ni不同(2)强电场下载流子电离率不同；(3)光吸收和光激发的波长不同。2 )因为传导带的底(能量谷)的状况并非完全由结晶的对称性决定，所以Si、Ge和GaAs的传导带的底的状态的性质和位置等也不同。3 )传导带底的三维形状可以用等能面反映。 由于Si和Ge的多个传导带底不在k=0，所以这些等能面都是椭圆面的GaAs的传导带底正好是k=0，其等能面是球面。4 )强电场中，GaAs和Si、Ge的传导带的贡献情况不同。 在Si、Ge的传导带上不存在这样的次能谷，也不会产生负阻抗。5 )在价电子带的顶部与传导带的底部的相互关系中，Si、Ge具有间接迁移的带结构(传导带的底部与价电子带的顶部不是布里渊中的同一点，GaAs具有直接迁移的带结构(即电子与空穴的波矢大致相同)。3 .半导体中载流子的统计分布本征激发：电子从价带转移到传导带，形成传导带电子和价带孔。载流子复合：电子从高能级转变为低能级，向晶格释放能量，减少传导带的电子和价带的空穴。状态密度g(E ) :频带中能量e附近的单位能量间隔内的量子状态数。k空间的最小可接受体积元素是此体积中仅存在一个可接受向量(电子状态)。k空间的量子态密度(均匀)如下传导带底部的状态密度：(抛物线)对于椭球体等面：(硅s6，锗s4 )价格最高的状态密度：对于椭球体等面：(轻量厅)费米能级：系统处于热平衡状态，也不做外部工作时，系统增加一个电子引起的系统自由能的变化。费米能级是T=0K时电子系统中的电子占有状态和未占有状态的分界线，是T=0K电子具有的最高能量。 表示电子填充水平费米分布函数：f(E )表示电子占用能量为e的量化状态的概率，其中占用小于费米能级的量化状态的概率较大。 (厅的概率为1-f(E ) )玻尔兹曼分布：传导带中的电子浓度和价电子带中的空穴浓度非简并传导带电子浓度：(Nc传导带有效状态密度)降级时：非退化价格带空穴浓度：降级时：载流子浓度积与费米能级无关，仅依赖于温度t，与杂质无关。本征半导体载流子浓度电中性1 )对于t，对于某个半导体材料，确定t，也确定ni。 (随着t变大)2 )本征费米能级Ei基本上位于禁带的中心线。杂质半导体载流子浓度不同于费米分布！杂质能级最多可容纳1个电子(带中的能级可以是2个)，请进行修正！电子占施主能级的概率大厅占主能级的概率(基态简并度gD=2、gA=4)离子化施主浓度施主能级下的电子浓度(未离子化的施主浓度)ND是供体浓度(感应带激发电子浓度)受主能级下的空穴浓度(未离子化的受主浓度)NA是受体浓度电离受体主浓度(被价电子带激发的空穴的浓度)非补偿情况： n型半导体中的载流子浓度(电中性条件和Ef )t确定的话Ef也确定，n0和p0也确定。在不同的温带讨论低温弱电分离区：传导带中的电子全部由电离供体供给。 来历不明。杂质能级从中心线开始变化，随着温度的上升而减少，有极大值。中电离区强电离区(杂质全电离) :载流子浓度饱和！过渡区(强电离区真性激发) :(杂质全电离部分的特征)完全本征激励区域：1 )掺杂了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决定2 )随着温度的升高，费米能级从杂质能级附近接近禁带的中心线3 )费米能级(电子数)强n弱n本征(中线)弱p强p“电子浓度逐渐升高。补偿情况多个捐赠者，多个受体共存：讨论：对于少量受主杂质：电中性：低温弱电分离区：强电离区：(全电离)没有特点)过渡区域(考虑固有激励作用):固有激励区域：费米能级Ef位于Ec之上，进入传导带(掺杂高或占据传导带底部附近的量子基态)。简并半导体：强电离饱和(重掺杂)简并时杂质不能充分电离从电的中性开始：求解ND的值(简并条件NDNC、NANV.)4 .半导体导电性漂移运动：电子电场作用下的运动、定向运动的速度为漂移速度。漂移运动和迁移率j电流密度、u电子迁移率、电导率(电阻率倒数)载体的电导率和迁移率在半导体中，两种载流子、电子迁移率大。格波：格子中的原子振动是几种不同的基本波动按照波的叠加原理合成的，这些基本波动是格波。弹性散射：散射前后的电子能量几乎不变。非弹性散射：散射前后电子能量有较大变化。谷间散射：在多能谷的半导体中，电子能够从极值附近散射到极值附近。载流子散射：(载流子晶格振动或电离杂质碰撞)根本原因：周期性势场被破坏(受电场影响)。散射机构：1 )电离杂质中心散射：电离，形成库仑力势场，弹性散射。离子化杂质Ni越大，散射概率p越大，温度越高，概率越小。(t大，平均速度大)2 )晶格振动散射(声子散射)长声波：弹性散射，纵波影响较大长波：非弹性散射，t大，概率大3 )同等能量谷间散射电子与短波声子作用，同时吸收和释放高能声子，是非弹性散射的。4 )中性杂质散射重掺杂、低温作用5 )缺陷散射(由位错、各向异性、内电场引起)6 )合金散射(不同原子排列引起的电场干扰)自由时间：载流子在电场中进行漂移运动，只在连续的两次散射之间进行加速运动，这是自由时间。平均自由时间：电导率、迁移率、平均自由时间：等能面是椭圆体各向异性电流密度(n型半导体、等能面横2纵4 )如果同时存在一些散射机制：迁移率与杂质浓度和温度的关系：(平均自由时间也一样)迁移率随杂质浓度和温度而变化半导体：离子化杂质散射声波散射1 )在低杂质浓度下，迁移率随着温度上升而降低。2 )在高杂质浓度下，随着温度的升高，先上升后下降。 (如上图所示)少数载波迁移率和多数载波迁移率：1 )杂质浓度低，多子和少子的迁移率大致相同。2 )杂质浓度增加，电子和空穴的多子和少子的迁移率单调下降。3 )在规定的杂质浓度下，电子和空穴的少子迁移率比相同杂质浓度的多子迁移率大。4 )少子和多子的迁移率，杂质浓度越大越大。重掺杂时杂质能级扩展到杂质能级，禁带变窄，许多载波运动会被杂质能级捕获，漂移速度降低，迁移率减少。电阻率与杂质浓度关系：轻掺杂时：电阻率与杂质浓度呈单纯反比关系重掺杂：杂质不能完全电离，出现退化，迁移率随浓度的增加显着降低。 (非线性)电阻率温度变化：本征半导体：本征载流子浓度随温度而急剧增加，电阻率下降。杂质半导体：(杂质电离固有电离)AB :温度低，载流子被杂质离子化后供给，随着温度上升而增大散射是由杂质的电离决定的，迁移率随温度上升而增大，是电的电阻率减小。BC :杂质全部电离，有些特点。 载流子几乎不变，晶格以振动为主，迁移率随温度上升而下降，电阻率增大。CD :本征激发为主，本征载流子增大，电阻率随温度而降低。热载体：载体的平均能量明显高于热平衡时的值。热载波可在等效或非等效能量谷之间移动强电场效应：弱电场：电导率为常数，平均漂移速度与电场强度成正比，迁移率与电场无关。强电场：偏离欧姆定律，电导率非常高，迁移率随电场而变化。热载流子的能量大于晶格，散射时速度大于热平衡状态的速度，平均自由时间减少，迁移率降低。平均漂移速度与电场强度的关系：负电阻效应：能量谷1中的电