2014年半导体物理复习提要[1]

金刚石结构；先可以用图说明什么是面心立方结构，然后再强调由两个面心立方结构沿体对角线套购，一个沿体对角线平移1/4个体对角线，属复式格子，再写出结晶学原胞中8个原子位置。硅或锗的晶体结构；与上类似。替位式杂质；杂质原子进入半导体硅以后，只可能以两种方式存在。一种是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称为间隙式杂质； 另一种是杂质原子取代晶格原子而位于晶格格点处，称为替位式杂质。一般来说， 形成替位式杂质时，要求替位式杂质原子的大小与被取代的晶格原子的大小比较相近，还要求它们的价电子壳层结构比较相近。三、五族元素在硅或锗中都是替位式杂质。间隙式杂质；与上类似。深能级杂质； 若杂质提供的施主能级距离导带底较远；或提供的受主能级距离价带顶较远，则称这些杂质为深能级杂质。许多深杂质能级是由于杂质的多次电离产生的.每一次电离相应地有一个能级，这些杂质在硅或锗的禁带中往往引入若干个能级，而且有些杂质还可以既引入施主能级，又能引入受主能级。如：Au在Ge中产生四个深杂质能级,其中三个为受主能级，一个为施主能级。深能级杂质，一般情况下含量较少，而且能级极深，它们对半导体的导电电子浓度以及导电空穴浓度和导电类型没有浅能级杂质显著，但对于载流子的复合作用比浅能级作用要强，故这些杂质也称为复合中心。浅能级杂质；与上类似。受主杂质；如半导体硅中掺入B、Al、Ga以及In等三价杂质后，这些杂质将占据硅的位置。B原子只有三个价电子，当它和周围的四个硅原子形成共价键时，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中产生了一个空穴。这种电离后将成为带负电的离子，并同时向价带提供空穴的杂质就叫受主杂质。对半导体来说哪些元素是常用的受主杂质。纯净半导体掺入受主杂质后，使价带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力。施主杂质； 与上类似。受主能级 可以画图 再加以说明施主能级； n型半导体；掺杂的目的（比如改善电性能），掺什么杂（即几价元素），掺杂后的特点（比如导带里的电子浓度与价带中空位浓度的比较）杂质补偿作用；当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，因为施主杂质和受主杂质之间有相互抵消的作用，通常称为杂质的补偿作用。设ND表示施主杂质浓度，NA表示受主杂质浓度，分情况讨论的作用，比如当NDNA以及ND NA两种情况下的载流子浓度情况。补偿后半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度，只有有效的杂质浓度才能有效地提供载流子浓度。利用杂质补偿作用，就能根据需要用扩散或离子注入方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件。p型半导体；与上类似多数载流子；什么杂质掺到半导体里，会有什么现象少数载流子；与上类似简并半导体；以n型半导体为例，掺杂水平高，杂质提供的电子多，导致费米能级上升至导带或以上，说明导带底附近的量子态基本已被电子占满，费米分布函数 的值越来越大，不能再用玻耳兹曼分布函数来代替，而必须用费米分布函数来分析导带中的电子的统计分布问题，这种情况称为载流子的简并化。发生载流子简并化的半导体称为简并半导体。非简并半导体；与上类似费米分布函数玻尔兹曼函数载流子的漂移速度；漂移运动是载流子在外电场的作用下发生的定向运动，推动力是外电场。漂移运动用载流子的平均漂移速度来表示，根据可知：平均漂移速度与电场强度和载流子的迁移率有关系，而载流子的迁移率与温度以及掺杂浓度等有关系。载流子的扩散速度；扩散运动是由于浓度分布不均匀导致载流子从浓度高的地方向浓度底的方向的定向运动，其推动力则是载流子浓度在空间的分布不均引起的。根据爱因斯坦关系 Dn/mn =k0T/q 可知，扩散系数与载流子的迁移率和温度有关系。迁移率越大，温度越高，则扩散系数越大。载流子的电导率；半导体载流子的电导率的计算公式，再依据公式进行说明半导体的电导率受哪些因素影响。费米能级；热平衡下，半导体中的电子按照能量大小具有一定的统计理论，即电子在不同能量的量子态上的分布概率是一定的，服从费米分布率，即：式中f(E)称为电子的费米分布函数，EF称为费米能级，它和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。一般情况下，费米能级上量子态被电子占据的几率为50%。准费米能级；当在光照或其他条件下半导体的平衡态将遭到破坏而存在非平衡情况时，导带中的电子和价带中的空位各自基本处于平衡态，而导带和价带之间处于不平衡状态，因而费米能级和统计分布函数对导带和价带各自仍然是适用的，可以分别引入导带费米能级和价带费米能级。因为它们是局部的费米能级，称为准费米能级。这两个准费米能级之间偏离的大小直接反映出半导体偏离热平衡态的程度。它们偏离越大，说明不平衡情况越显著；两者靠得越近，说明越接近平衡态；两者重合时，形成统一的费米能级，表明半导体处于平衡态。因此引进准费米能级，可以更现象地谅解非平衡态的情况。有效质量；定义的公式？ 为什么引入？影响有效质量的因素？有效质量概括了晶体中电子的惯性质量以及晶体周期势场对电子的作用。 引入有效质量后，晶体中电子的运动可用类似于自由电子运动(牛顿定律)来描述。有效质量与电子所处的状态及能带结构有关;有效质量反比于能谱曲线的曲率； 有效质量在能带底附近为正值，能带顶附近为负值;有效质量各向异性: 一般地,沿晶体不同方向的有效质量不同。只有当等能面是球面时，有效质量各向同性。散射概率；描述散射的强弱，它表示单位时间内一个载流子受到散射的次数。平均自由时间的数值等于散射概率的倒数。多种散射机制起作用时，总的散射概率为各散射概率之和。 载流子的迁移率；迁移率是单位电场强度下载流子所获得的漂移速率。影响迁移率的主要因素有能带结构（载流子有效质量）、温度和各种散射机构。非平衡载流子；半导体处于非平衡态时，附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度，额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子。通常所指的非平衡载流子是指非平衡少子。热载流子；电场作用下，载流子从电场中获得能量，随后又以声子的形式将能量传给晶格。强电场下，单位时间载流子从电场中获得的能量很多，载流子的平均能量比热平衡状态时的大，因而载流子和晶格系统不再处于热平衡状态。用载流子的有效温度Te来描写与晶格系统不处于热平衡态的载流子，称这种状态的载流子为热载流子。直接复合；半导体中的自由电子和空穴在运动中会有一定概率直接相遇而复合，使一对电子和空穴同时消失。从能带的角度讲，就是导带中的电子直接落价带与空穴复合。这种由电子在导带和价带间直接跃迁而引起的非平衡载流子的复合过程就叫直接复合。间接复合；间接复合效应是指非平衡载流子通过位于禁带中特别是位于禁带中央的杂质或缺陷能级Et而逐渐消失的效应，Et的存在可能大大促进载流子的复合；表面复合；表面复合是指在半导体表面发生的复合过程。通常用表面复合速度来描述表面复合的快慢。把单位时间内通过单位表面积复合掉的电子-空穴对数，称为表面复合率。实验发现，表面复合率与表面处非平衡载流子浓度成正比。表面复合具有重要的实际意义。俄歇复合；载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子-空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量常以声子形式发出，这种复合称为俄歇复合。陷阱效应；陷阱效应是指非平衡载流子落入位于禁带中的杂质或缺陷能级Et中，使在Et上的电子或空穴的填充情况比热平衡时有较大的变化，从引起np，这种效应对瞬态过程的影响很重要。此外，最有效的复合中心在禁带中央，而最有效的陷阱能级在费米能级附近。一般来说，所有的杂质或缺陷能级都有某种程度的陷阱效应，而且陷阱效应是否成立还与一定的外界条件有关。能带；电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。温度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。反之，温度降低，将导致禁带变宽。空穴； 空穴是指未被电子占据的空量子态，为了形象起见，也把它当作是一种假想的准粒子，带正电。点缺陷； 一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动运动，而且还有一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子，原来的位置便成为空位。这时间隙原子和空位是成对出现的，称为弗仑克尔缺陷。若只在晶体内部形成空位而无间隙原子时，称为肖特基缺陷。以上两种由温度决定的点缺陷又称为热缺陷，它们总是同时存在的。由于原子具有较大的能量才能挤入间隙位置，以及它迁移时激活能很小，所以晶体中空位比间隙原子多得多，因而空位是常见的点缺陷。 电离杂质对载流子漂移运动的散射；外加电场下半导体中的载流子一方面受到电场力的作用，沿着电场的方向（空穴）或反方向作定向漂移运动；另一方面，半导体中的杂质电离后在其周围形成一个库仑势场，这一库仑