半导体物理复习刘恩科演示课件

1、2007.11.1,1,半导体物理复习课,谢静菁,手机实验室：87542693,Email:,2007.11.1,2,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,2007.11.1,3,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,2007.11.1,4,能级分裂,2007

2、.11.1,5,能带形成,满带或价带,导带,2007.11.1,6,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。,2007.11.1,7,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,2007.11.1,8,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

3、接将外力与电子加速度联系起来,2007.11.1,9,常见半导体能带结构,直接带隙：砷化镓 间接带隙：硅、锗,2007.11.1,10,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,2007.11.1,11,第二章 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,2007.11.1,12,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

4、虑等能面为球面的情况,推导过程书上P51,2007.11.1,13,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,？,2007.11.1,14,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,2007.11.1,15,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,2007.1

5、1.1,16,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,2007.11.1,17,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,2007.11.1,18,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,2007.11.1,19,掺有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所决定。 在杂质半导体中，费米能级的位置不

6、但反映了半导体导电类型，而且还反映了半导体的掺杂水平。,2007.11.1,20,第三章 载流子输运,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,2007.11.1,21,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,2007.11.1,22,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,2007.11.1,23,强电场

7、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,2007.11.1,24,半导体磁电效应,与载流子浓度、温度有关,霍尔系数,可确定半导体类型及载流子浓度,2007.11.1,25,第四章 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,2007.11.1,26,非平衡载流子,n = n n0 p = p p0,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。,2007.11.

8、1,27,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：,2007.11.1,28,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,2007.11.1,29,陷阱效应(熟悉概念),杂质能级积累非平衡载流子的作用 陷阱：具有显著效应的杂质能级 陷阱中心：相应的杂质和缺陷,2007.11.1,30,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

9、度,2007.11.1,31,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,2007.11.1,32,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,2007.11.1,33,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，突变结两边的掺杂浓度越高，接触电势差VD越大； 禁带宽度越大，ni越小，接触电势差VD越大；,2007.11.1,34,p-n结电流电压特性,正向偏压下p-n结的费米能级,2

10、007.11.1,35,反向偏压下p-n结的费米能级,2007.11.1,36,p-n结隧道效应,原理及描述,重掺杂的p区和n区形成的p-n结称为隧道结,2007.11.1,37,第六章 半导体表面与MIS结构,表面电场效应MIS结构（金属绝缘层半导体） 表面势：空间电荷层内的电场从表面到体内逐渐减弱直到为零，电势发生相应变化，电势变化迭加在电子的电位能上，使得空间电荷层内的能带发生弯曲，“表面势VS”就是为描述能带变曲的方向和程度而引入的。,2007.11.1,38,多子堆积,多子耗尽,少子反型,2007.11.1,39,强反型条件（推导、理解）,强反型：,Vs2VB,T，NA衬底杂质浓度越高，Vs就越大，越不容易达到反型。,NA=pp0,2007.11.1,40,CV特性,(1) VG0，多子积累 绝对值较大时，空穴聚集表面， CC0，AB段（半导体看成导通） 绝对值较小时，C0和Cs串联，C随 V增加而减小，BC段,(2)VG0 CFB表面平带电容,(3) VG0 耗尽状态：VG增加，xd增大，Cs减小，CD段 Vs2VB时： EF段（低频）强反型，电子聚集表面， CC0 GH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,2007.11.1