半导体物理_复习(刘恩科)

半导体物理复习课,第一章半导体中的电子状态,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,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,能级分裂,能带形成,满带或价带,导带,本征激发,常用禁带宽度硅：1.12eV锗：0.67eV砷化镓：1.43eV,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。,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,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,空穴正电有效质量为正,回旋共振等能面电子有效质量可测,小结,共有化运动Si的能带分布图本征激发电子有效质量的意义,半导体中的杂质,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,杂质补偿作用,NDNA,深能级深能级对半导体中的载流子浓度和导电类型的影响没有浅能级杂质显著，但对载流子的复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称为复合中心,离子性强的化合物半导体（M,X）,小结,施主杂质施主能级受主杂质受主能级杂质补偿深能级（复合中心）缺陷及所对应的施主/受主作用,第三章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,状态密度,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,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,E-EFk0T,？,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,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,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,本征半导体,电中性条件,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,只含一种杂质的半导体,N型半导体n0=nd+p0,弱电离,饱和电离区,杂质饱和电离本征过渡区,杂质电离,本征激发区,弱电离,饱和电离,有杂质补偿的半导体,在NdNa的半导体中,在NaNd的P型半导体中,Na=Nd的半导体中,完全补偿的半导体,N型半导体(NdNa)杂质电离情况下：NdNa，则受主完全电离，pa=0由于本征激发可以忽略，则电中性条件为,低温区电离情况,在更低的温度下,杂质饱和电离情况,简并半导体,禁带变窄,冻析效应,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,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,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,第五章非平衡载流子,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,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。,准费米能级,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：,非平衡态下空穴浓度：,复合理论,直接复合电子在导带和价带之间的直接跃迁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,过程前,过程后,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,爱因斯坦关系式(意义，推导),从理论上找到扩散系数和迁移率之间的定量关系,迁移率,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,第五章p-n结,第五章p-n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,p-n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