半导体总复习2012

1、1.1半导体的晶体结构和键合性质1.2半导体的电子态和能带1.3半导体的有效电子运动质量1.4半导体中载流子的产生1.5硅、锗和GaAs的能带结构，第1章半导体中的电子态，1.1半导体的晶体结构和键合性质，晶体结构：金刚石型闪锌矿型纤锌矿型，键合键：共价键混合键-共价键离子，金刚石型结构混合键， 其由两个面心立方晶格沿着立方体的空间对角线滑动1/4的空间对角线长度而形成，并且每个原子被四个同类原子包围，共价键、金刚石结构、Ge : A=5.65754、Si : A=5.43089、Si、Si、闪锌矿结构和混合键，每个原子被四个外来原子包围，绝大多数III-V族化合物半导体具有闪锌矿结构，混合键

2、、共价键、共价键占优势，GaAs 具有纤锌矿结构，混合键，共价键离子键，离子键占优势，形成导带，价带和禁带的电子共享运动，1.2电子态和能带在半导体中，电子态在半导体、2p、3s中，电子在晶体中共享运动，个原子形成晶体后，电子不再完全局限于某一个由于相邻原子的“相似”电子壳层的重叠。电子将能够在整个晶体的类似壳层之间移动。内层具有弱电子共享，外层具有强能带形成，2p、2s、2s、2p，孤立原子中的能级，晶体中的能带，n能级，3N能级、带隙，共享运动能级分裂能带形成。外壳层的电子共享运动显著，能量带宽宽。能带中的能量是不连续的。当有许多原子时，导带和价带中的能级密度非常高。可以认为，每个能带的能

3、级数目与晶体中的原子数目有关，能带的宽度由晶体的性质决定，与所含的原子数目无关。注：硅： 1s22s22p63s23p2，金刚石结构半导体的能带形成，全带为价带，空带为杂化后的能带分为上下两个带，上带为导带，下带为价带。价带：0K时最高能量被电子填充的导带：0K时最低能量未被电子填充的导带：导带底部和价带顶部之间的禁带隙：导带底部和价带顶部之间的带隙，价键电子与其能带之间的对应关系：成键电子在价带，自由电子在导带、电子态、能带和布里渊区、k、e、0、/a、-2/a、 3对应于允许频带的k值范围称为布里渊区，k值只能取离散值。 布里渊区对应一个能带的第一布里渊区、内壳分裂能级的第二布里渊区和较高

4、壳能级的简单布里渊区，并通过平移2n/a将其他区域移动到第一布里渊区，此时，第一布里渊区称为简单布里渊区， 该区的波矢k称为简单波矢允许带，带隙晶体中的电子能量在某些能量区被禁止，即带隙被带隙隔开，带隙出现在布里渊区的边界。 波矢k的能级？布里渊区能带？1.3半导体中电子的有效质量，E(k)和k在半导体导带、导带和价带中的关系，考虑了电子在能带底部或顶部的能量状态，所以，那么，mn*被称为电子的有效质量，以一维情况为例，m*的特性取决于材料，b与能带、内层3360有关。C.m*有正负两个点，带底是e (k) e (0)，带顶mn* 0是E(k) E(0)，Mn * 0，0，/a，v，m * 0

5、。电子在外力的作用下移动，并受到外部电场力的影响。有效质量总结了内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，外部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，内部势场的影响，当光子破坏硅-硅键时，在硅-硅键中产生自由电子和空穴。半导体中的载流子：导电自由粒子，电子：带负电的导电载流子，是价电子从原子束缚中释放出来后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子空穴

6、：带正电的导电载流子。它是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带、导带、价带中的电子空位，如电子、电子、电子、-、-、-、-、-、-、波矢kP、能量E(kp)、有效质量m*p和加速度：半导体中的空穴状态、1-5个半导体的能带。间接带隙半导体直接带隙半导体，将半导体样品置于均匀恒定的磁场中，电子在磁场中螺旋运动。回旋频率c与有效质量的关系是：对于球形等电表面，、和是kx、ky和kz相对于B的余弦，对于非球形等电表面，硅的能带结构为3360。100，111，L，X，EG，1。元素半导体硅、间接带隙、重空穴、轻空穴、和硅导带的能平面示意图，坐标轴上最小点k0100。旋转椭球有六个相同形状的等

7、能面：(1)导带，m1=0.91 m0m 0 mt=0.19 m0m 0，(2)价带，最大点在坐标原点，k0=0，e (k)为球面等能面，但有两个不同曲率的面，即有两个价带，外层为慢能量变化，mp*。重空穴，内层：能量变化快，mp*小；灯孔，2。元素半导体锗和锗的能带结构，思考：等电位面的形状？布里渊区有多少个椭球体？什么带隙？导带的最小值位于111方向的边界，E(k)是以111方向为旋转轴的椭圆等能面，有八个半椭球。(1)导带的最小值，(2)价带的最大值点，在坐标原点，k=0，等电位面是球面，还有两个价带，分为重空穴和轻空穴，ml=1.64 m0 mt=0.08 m0，GaAs能带结构，直接

8、带隙，有效质量？(1)导带中有两个极小值：一个是k=0时的球形等能面，另一个是111方向的椭球形等能面，能量比k=0时高0.29eV，价带的顶部也在坐标原点，k=0，球形等能面也有两个带重空穴和轻空穴的价带。(2)价带，GaAs导带的最小点和价带的最大点在K空间的同一点，这种半导体称为直接带隙半导体。其导带底部和价带顶部不在K空间中同一点的半导体称为间接带隙半导体。思考：思会发光吗？GaAs呢？发光波长是多少？如何测量直接带隙半导体的带隙？1.什么是内在激励？温度越高，固有激发的载流子越多。为什么？试着定性地解释它。解决方法：在一定温度下，价带电子获得足够的能量(Eg)并被激发成为导电电子的过

9、程是本征激发。结果，成对的电子-空穴对出现在半导体中。如果温度上升，将会有更多带足够能量的价带电子。同时，温度越高，带隙越窄，跃迁所需的能量越小，因此更多的电子将被激发进入导带。2。试图定性地解释为什么锗和硅的带隙具有负温度系数。解决方案：电子的共享运动导致孤立原子能带的形成，即允许相反，温度越低，带隙越宽。因此，锗和硅的带隙具有负温度系数。试着指出孔的主要特征。解决方案：空穴是一个没有被电子占据的空量子态，用来描述半满带中大量电子的集体运动状态，是一个准粒子。主要特点如下：一、正电荷：q；空穴浓度表示为p(电子浓度为n)；c、EP=-En D、mP*=-mn* .4。简述锗、硅和砷化镓能带结

10、构的主要特征。解决方案：锗，硅：a) eg(硅：0k)=1.21 ev；eg(Ge:0K)=1.170 eV；b)间接能隙结构的导带极值：硅位于布里渊区内的(100)方向和锗布里渊区(100)方向的边界；价带的极值位于布里渊区的中心，有两个价带对应轻空穴和重空穴；c)间隙宽度Eg随着温度的升高而减小；GaAs: a)Eg(300K)=1.428eV，Eg(0K)=1.522 eV；b)直接能隙结构的导带极值位于布里渊区和(111)边界的中心，中心低0.29电子伏，价带极值也位于中心；C)Eg负温度系数特性：deg/dt=-3.9510-4ev/k；在第二章，半导体中的杂质和缺陷，1。浅能级杂质

11、能级和杂质电离；2.浅能级杂质电离能的计算：3.杂质补偿4。深层杂质的特性和功能，1。等电子杂质；2.第四族元素充当两性杂质、2-1简单半导体中的杂质水平、2-2化合物半导体中的杂质水平以及点缺陷对半导体性能的影响。施主杂质的替代杂质VA，在硅中掺杂磷和磷原子以替代硅原子后，形成正中心的磷和一个额外的价电子，束缚态-非施主杂质束缚的电子的能量低于导带底部的Ec，称为施主能级。施主杂质很少，原子之间的相互作用可以忽略，施主能级是具有相同能量的孤立能级，施主杂质向导带提供电子，施主杂质的电离能很小，在常温下基本电离。一种含有施主杂质的半导体，其导电载流子主要是电子型半导体或电子型半导体。硼掺杂到硅

12、中，受主杂质 A族取代杂质，硼得到一个电子变成负离子，负离子变成负中心，并在其周围产生带正电的空穴。受体电离能EA=空穴脱离受体杂质并成为导电空穴所需的能量。束缚态、电离态、-、B具有获得电子的性质，这种杂质称为受体杂质。受体杂质为价带提供空穴。受主杂质的电离能很小，被价带电离的电子占据的个空穴在常温下从受主能级被激发到价带。一种含有受体杂质的半导体，其导电载流子主要是空穴型半导体或空穴型半导体。施主和受主浓度：ND，NA，施主：施主，掺杂到半导体中的杂质原子为半导体提供导电电子，并成为带正电荷的离子。例如，掺杂在硅中的磷和掺杂在半导体中的砷受体、杂质原子为半导体提供导电空穴并变成带负电荷的离

13、子。例如，硼、等电子杂质掺杂在硅中，简单计算浅能级杂质的电离能，类氢模型，浅能级杂质=杂质离子束缚电子(空穴)，玻尔原子电子的轨道半径为：n=1是基态电子的轨道，玻尔原子模型：轨道半径：类氢模型：剩余电子的轨道半径估计：氢原子中基态电子的电离能为E0=13.6eV，玻尔能级：玻尔原子模型，剩余电子电离能的估算：Ec，ED，施主，受主，eV，杂质补偿，施主和受主杂质同时存在于半导体中，施主和受主相互抵消。此时，半导体与本征半导体的不同之处是什么？深层缺陷的特征，电子密度，电子密度，电子密度，电子密度，电子密度，金掺杂硅，0.35电子密度，0.54电子密度，1.12电子密度，化合物半导体中的杂质能

14、级，施主杂质取代第五族元素，主杂质取代第三族元素，双极杂质，第四族元素和等电子杂质，如个原子。看看外围的空缺，看看自己填补的空缺。例如，在真空中制备的(钡，锶)钛酸盐薄膜经常由于缺氧而导致氧空位。此时请分析这种材料的泄漏机理。例：分析铅空位和间隙分别在铅锑材料中起施主还是受主的作用。思考：半导体表面能产生禁带中的能级吗？基本判断方法：1。什么是浅层杂质？电离后它们的特征是什么？解决方案：浅水平杂质是指其电离能远小于本征半导体带隙的杂质。电离后，它们将变成带正电(电离供体)或带负电(电离受体)的离子，同时向导带提供电子或向价带提供空穴。2.两性杂质和其他杂质有什么异同？溶液：两性杂质是指在半导体

15、中既可用作施主又可用作受主的杂质。例如掺有族硅的-族GaAs。如果硅取代族砷，硅是施主；如果硅取代第五组中的镓，硅就是受体。掺杂的杂质是作为施主还是受主与过程有关，需要具体分析。3.什么是捐赠者？什么是施主电离？电离前后供体的特征是什么？试着举例说明，并用能带图来描述n型半导体。解决方案：当半导体中掺杂施主杂质时，施主电离后会变成带正电的离子，同时向导带提供电子。这种杂质被称为施主。施主电离成带正电离子(中心)的过程称为施主电离。供体在电离前不带电荷，电离后带正电荷。例如，当磷掺杂到硅中时，磷是第五族元素，本征半导体硅是第四族元素。在磷掺杂到硅中之后，磷的四个最外层电子与硅的四个最外层电子配对成为共价电子，而磷的第五个外层电子将被热激发以脱离原子约束并进入导带成为自由电子。这个过程是供体电离。n型半导体的能带图如下：费米能级在禁带之上，接近导带底部。4.什么是受体？什么是受体