半导体物理总复习PPT课件

。1，第2章，立方晶系的基本晶体结构，简单立方晶格，体心立方晶格，面心立方晶格，金刚石晶格结构(硅，锗)，闪锌矿晶格结构(GaAs)米勒指数：定义晶体中不同平面的方法。通过以下步骤确定：求出平面在三个坐标轴上的截距值r，s，t(以晶格常数为单位)；取这三个截距的倒数，并将其简化为最简单的整数比；h、K和L是互质整数，单个平面的米勒指数用(hkl)表示。下图显示了砷化镓的动量-能量关系曲线。价带的顶部和导带的底部以相同的动量(p=0)出现。因此，当电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。对于硅和锗，动量-能量曲线中的价带在p=0，最低导带在p=pC。因此，当电子从价带的顶部转移到导带的最低点时，不仅需要能量转移(Eg)，而且需要动量转移(pC)。间接带隙半导体用能带理论解释了金属、半导体和绝缘体之间导电性的巨大差异：电子在最高能带或最高两个能带的占据率决定了这种固体的导电性。本征半导体：半导体中的杂质比热产生的电子空穴小得多。热平衡状态：恒定温度下的稳定状态，没有任何外部干扰(如光照、压力或电场)。连续的热扰动导致电子从价带被激发到导带，在价带中留下等量的空穴。在这种状态下，载流子(导带电子和价带空穴)的浓度不变。在统计力学中，费米分布函数表示为：费米能级EF是电子占有率为1/2时的能量。F(E)围绕费米能EF对称分布。对于能量为e的能态被电子占据的概率，可以近似为：对于能量为e的能态被空穴占据的概率。5，导带的电子浓度为，其中NC是导带中的有效态密度。类似地，价带中的空穴浓度为，其中NV是价带中的有效态密度。本征载流子浓度ni:本征半导体，导带中每单位体积的电子数与价带中每单位体积的空穴数相同，即n=p=ni，ni称为本征载流子浓度，本征费米能级Ei:本征半导体的费米能级EF。在室温下，本征半导体的费米能级Ei相当接近禁带中心。6，本征半导体：当半导体掺杂有杂质时，半导体变成非本征的，并且引入杂质能级。施主、受主、杂质能级、N型半导体、P型半导体、多部分和少数载流子的概念，以及施主和受主、载流子(电子和空穴)的例子。非简并半导体：一种电子或空穴浓度分别远低于导带或价带状态有效密度的半导体，即费米能级至少比电子伏特高3kT或比电子伏特低3kT。在室温下，它是完全电离的，非本征半导体中多粒子的浓度就是杂质的浓度。施主浓度越高，费米能级越接近导带的底部。受体浓度越高，费米能级越接近价带的顶部。在热平衡的情况下，这个公式适用于本征和非本征半导体，称为质量作用定律。只要满足近似条件(EC-EF3kT或EF-EV3kT)，就可以建立以下公式。只要满足近似条件，np的乘积就是本征载流子浓度的平方(与材料性质有关，但与掺杂无关)。热平衡状态下半导体的基本公式。如果施主和受主同时存在，半导体的导电类型由杂质的较高浓度决定。费米能级被调整为保持电中性，即总负电荷(包括导带电子和受体离子)必须等于总正电荷(包括价带空穴和施主)温度进一步升高到某个值，此时，本征载流子浓度可以与施主浓度进行比较。超过这个温度后，半导体是固有的。半导体变成本征的温度由杂质浓度和禁带宽度决定。嘿。9，两个最重要的散射机制：影响迁移率的因素：晶格散射：当晶体温度高于0K时，晶格原子的热振动随着温度的升高而增加；晶格散射在高温下变得显著，因此迁移率随着温度的升高而降低。杂质散射是由带电载流子穿过电离的杂质引起的。由于库伦力的相互作用，带电载流子的路径将会移动。I随T3/2/NT而变化，其中NT是总杂质浓度。第三章，漂移运动：在半导体上施加一个小电场，每个电子受到一个-qE的力，并且在碰撞之间沿着电场的相反方向加速。因此，热运动中的电子会增加一个额外的速度(漂移速度)分量。10、n型半导体、P型半导体、电导率、爱因斯坦关系。当浓度梯度和电场同时存在时，总电流密度是漂移和扩散分量的总和，因此总传导电流密度适用于：低电场状态。在高电场下，nE和pE应由饱和速度代替。在热平衡下，pn=ni2。如果过剩的载流子被引入半导体，pnni2就处于不平衡状态。净复合率，俄歇复合：电子-空穴对复合释放的能量和动量被转换成第三个粒子，它可能是电子或空穴。半导体表面，如果载流子有足够的能量，它们可能被发射到真空能级，这叫做热离子发射过程。电子亲和力q是半导体中导带边缘和真空能级之间的能量差。功函数QS是半导体中费米能级和真空能级之间的能量差。如果一个电子的能量超过q，它可以被热离子发射到真空水平。连续性方程是描述半导体物质中漂移、扩散和复合同时发生时的叠加效应的方程。第四章，p-n结：p型半导体和n型半导体接触形成的结。整流：电流只允许单向流动。在形成p-n结之前，p型和n型半导体材料被分离。费米能级在P型材料中接近价带边缘，在N型材料中接近导带边缘。p型，空穴有许多电子，而电子只有很少的电子；n型正好相反。13，P型和N型半导体被结合，空穴离开P侧，并且靠近结的部分受主离子NA-不能被补偿，因为受主被固定在半导体晶格中。当电子离开N侧时，结附近的一些施主离子ND不能被补偿。在结p侧附近形成负空间电荷，在结n侧附近形成正空间电荷。空间电荷区域产生电场(内置电场):正空间电荷指向负空间电荷。在热平衡中，整个样品上的费米能级是恒定的(即与x无关)。在热平衡中，P型和N型中性区之间的总静态电势差是内置电势Vbi，没有外部偏置，并且结上的总静态电势是Vbi。从P端到N端的电势差是qVbi。pn结相对于N端的电压VF正偏。结上的总静电势降低了VF，Vbi-VF。因此，正向偏压减小了耗尽区宽度。当电压VR相对于p端子被施加到n端子时，p-n结被反向偏置，并且总静电电势增加VR，即Vbi VR。反向偏置将增加耗尽区宽度。反向偏置，耗尽层势垒电容是主要的结电容。正偏压对结电容产生显著的附加电容(即扩散电容)。15.PN结理想电流-电压特性的假设：耗尽区是突变边界，半导体在边界外是电中性的。(2)边界处的载流子浓度与静电电位有关理想的二极管方程是：反向偏置，产生-复合中的产生电流主要考虑在耗尽区；在正偏压下，俘获过程主要考虑在耗尽区。16，第5章，双极器件：电子和空穴都参与传导，并由两个相邻的相互作用的p-n结组成，p-n-p或n-p-n结构。发射极区的掺杂浓度比集电极区的掺杂浓度高得多。基极区的浓度低于发射极区的浓度，但高于集电极区的浓度。当基极区的宽度足够小时，从发射极区注入基极区的空穴可以扩散穿过基极区，到达集电极结的耗尽区的边缘，并在集电极偏压的作用下穿过集电极区。从相邻发射极结注入的空穴会在反向偏置集电极结中引起大电流，这是晶体管放大，并且仅在两个p-n结足够接近时发生，因此这两个结被称为交替p-n结。为了导出理想晶体管的电流和电压表达式，我们作了以下五个假设：(1)晶体管中每个区域的浓度是均匀掺杂的；(2)基极区的空穴漂移电流和集电极反向饱和电流可以忽略；(3)载体注射属于小注射；(4)在耗尽区不产生复合电流；(5)晶体管中没有串联电阻。晶体管三端的电流主要由基极中的少数载流子分布决定。根据发射极结和集电极结之间偏置电压的不同，双极晶体管有四种工作模式。晶体管有四种工作模式。在公共发射配置中，当集电极和基极之间的反向偏置电压增加时，基极宽度将减小，导致基极中少数载流子浓度梯度增加，即使扩散电流增加，因此集成电路也将增加。这种电流变化被称为艾琳效应，或基底宽度调制效应。集电极电流向左延伸，并与VEC轴相交，得到交点，称为艾琳电压。低频公共基极电流增益是一个固定值；频率上升到临界点后，公共基极电流增益将会降低。右图显示了由两种半导体在热平衡状态下形成的理想异质结的能带图。在该图中，假设两种不同半导体的界面没有陷阱或产生复合中心。必须选择晶格常数非常接近的材料来符合这一假设。异质界面的能带是不连续的。19，右边是理想p型金属氧化物半导体二极管的能带图，V=0。Qm，qs:功函数，q:电子亲和力，q b:费米能级EF和本征费米能级Ei之间的差异。理想的MOS二极管定义为：(1)当偏置电压为零时，qms为零，即能带是平坦的(称为平坦带条件)。(2)在任何偏置电压下，二极管中的电荷仅位于半导体中，并且具有与邻近氧化物层的金属表面上的电荷相同的大小和相反的极性；(3)在DC偏压下，没有载流子通过氧化层，氧化层的电阻值是无穷大。当理想的金属氧化物半导体二极管的偏置电压为正或负时，在半导体表面(1)p型半导体上出现三种情况，施加负电压，并且半导体表面附近的能带向上弯曲。当电场强度增加，空穴浓度增加时，空穴在氧化层和半导体的界面上聚集，这种现象称为聚集现象。在理想的金属氧化物半导体二极管中，不管施加什么电压，器件中都没有电流，半导体中的费米能级是一个常数。(2)当施加少量正电压时，半导体表面附近的能带向下弯曲，EF=Ei，并且多个空穴被耗尽，这被称为耗尽现象。半导体中每单位面积的空间电荷Qsc值为QnW，其中w是表面耗尽区的宽度。首先，由于电子浓度小，表面处于弱反转状态。当能带继续弯曲时，电子密度接近电子密度。当二氧化硅-硅界面附近的电子浓度等于衬底的掺杂量时，强反转开始发生。在那之后，半导体中的大部分额外的负电荷是comMOSFET的基本原理。23，固体中光子和电子之间的三个主要相互作用过程：吸收、自发辐射和受激辐射。原子中的两个能级E1(基态)和E2(激发态)，h12=E2-E1。受激原子是不稳定的。经过一小段时间后，它们在没有外部激发的情况下跳回到基态，并发射出能量为h12的光子。这个过程被称为自发辐射图(b)。在第七章中，能量为h12的光子与原本处于激发态的原子碰撞，导致原子转移到基态，并发射出与入射辐射同相的能量为h12(单色)的光子。这个过程被称为受激辐射。发光二极管的主要工作过程是自发辐射，激光二极管是受激辐射，光探测器和太阳能电池的工作过程是吸收。如果光子被激发辐射，光子被吸收，电子在较高能级的浓度将在较低能级。这种情况被称为分布反演，因为它与平衡条件下的情况正好相反。粒子数反转是激光产生的必要条件。受激辐射远比自发辐射和吸收重要。半导体受到光的照射，如果h=Eg，半导体将吸收光子产生电子-空穴对，如(a)所示。如果hEg，除了产生电子空穴外，(h-Eg)将作为热消散，如(b)所示。(a)和(b)都称为固有跃迁(带间跃迁)。如果hkT/q)，并且掺杂浓度低于金属-半导体接触的导带或价带态密度。肖特基二极管在适当温度(300K)下工作的主要传导机制是半导体中大多数载流子的热离子发射穿过接触势垒并进入金属。肖特基势垒，在正常工作条件下，少数载流子电流的幅度比多数载流子电流的幅度小几个数量级。因此，肖特基二极管被视为单极器件，即传导过程主要由一个载流子控制。金属-半导体接触的接触电阻相对于半导体本体或串联电阻是可以忽略的，并且被定义为欧姆接触。良好的欧姆接触不会严重降低器件的性能，并且电流通过产生的压降小于器件有源区上的压降。欧姆接触。金