半導(dǎo)體物理復(fù)習(xí)(1)

1、半導(dǎo)體物理復(fù)習(xí) 一、常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料一、常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料 第一章第一章 晶體的結(jié)構(gòu)晶體的結(jié)構(gòu) 1 1）晶體和晶格：）晶體和晶格：由于構(gòu)成晶體的粒子的不同性質(zhì)，使由于構(gòu)成晶體的粒子的不同性質(zhì)，使 得其空間的周期性排列也不相同；為了研究晶體的結(jié)得其空間的周期性排列也不相同；為了研究晶體的結(jié) 構(gòu)，構(gòu)，將構(gòu)成晶體的粒子抽象為一個(gè)點(diǎn)將構(gòu)成晶體的粒子抽象為一個(gè)點(diǎn)，這樣得到的空，這樣得到的空 間點(diǎn)陣成為間點(diǎn)陣成為晶格晶格。 2 2）晶體結(jié)構(gòu)與原子結(jié)合的形式有關(guān)晶體結(jié)構(gòu)與原子結(jié)合的形式有關(guān) 晶體結(jié)合的基本形式：共價(jià)結(jié)合、離子結(jié)合、金屬結(jié)晶體結(jié)合的基本形式：共價(jià)結(jié)合、離子結(jié)合、金屬結(jié) 合、范德瓦耳斯結(jié)合合、范德

2、瓦耳斯結(jié)合 半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)：主要有半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)：主要有 金剛石結(jié)構(gòu)金剛石結(jié)構(gòu)（ GeGe、SiSi） 閃鋅礦結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)（GaAsGaAs等等III-VIII-V族和族和CdTeCdTe等等II-VIII-VI族化合物族化合物） 纖鋅礦結(jié)構(gòu)纖鋅礦結(jié)構(gòu)（部分（部分III-VIII-V族和族和II-VIII-VI族化合物族化合物) ) 晶格晶格 在點(diǎn)陣中把所有格點(diǎn)連接起來(lái)所構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)在點(diǎn)陣中把所有格點(diǎn)連接起來(lái)所構(gòu)成網(wǎng)絡(luò) 空間點(diǎn)陣晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以概括為是由一些相同的結(jié)點(diǎn)在空空間點(diǎn)陣晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以概括為是由一些相同的結(jié)點(diǎn)在空 間有規(guī)則地作周期性的無(wú)限分布，結(jié)點(diǎn)的空間集合稱(chēng)為點(diǎn)陣。間有規(guī)則地

3、作周期性的無(wú)限分布，結(jié)點(diǎn)的空間集合稱(chēng)為點(diǎn)陣。 結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)(格點(diǎn)格點(diǎn)) 構(gòu)成晶體空間結(jié)構(gòu)的質(zhì)點(diǎn)的重心構(gòu)成晶體空間結(jié)構(gòu)的質(zhì)點(diǎn)的重心 NaClNaCl的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu) 結(jié)點(diǎn)示意圖結(jié)點(diǎn)示意圖 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) = = 點(diǎn)陣點(diǎn)陣 + + 結(jié)構(gòu)基元結(jié)構(gòu)基元 晶體結(jié)構(gòu)的拓?fù)涿枋鼍w結(jié)構(gòu)的拓?fù)涿枋?SiSi、GeGe和和GaAsGaAs的能帶結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu) 間接帶隙半導(dǎo)體間接帶隙半導(dǎo)體帶隙半導(dǎo)體帶隙半導(dǎo)體 二、基本概念二、基本概念 1. 能帶，允帶，禁帶，能帶，允帶，禁帶，K空間的能帶圖空間的能帶圖 能帶能帶: 在晶體中可以容納電子的一系列能級(jí)在晶體中可以容納電子的一系列能級(jí) 允帶：允帶：分裂的每一個(gè)能帶都

4、稱(chēng)為允帶。分裂的每一個(gè)能帶都稱(chēng)為允帶。 禁帶：禁帶：晶體中不可以容納電子的一系列能級(jí)晶體中不可以容納電子的一系列能級(jí) K空間的能帶圖：空間的能帶圖：晶體中的電子能量隨電子波矢晶體中的電子能量隨電子波矢k 的變化曲線，即的變化曲線，即E（K）關(guān)系。）關(guān)系。 （1）越靠近內(nèi)殼層的）越靠近內(nèi)殼層的 電子，共有化運(yùn)動(dòng)弱，電子，共有化運(yùn)動(dòng)弱， 能帶窄。能帶窄。 （2）各分裂能級(jí)間能）各分裂能級(jí)間能 量相差小，看作準(zhǔn)連續(xù)量相差小，看作準(zhǔn)連續(xù) （3）有些能帶被電子）有些能帶被電子 占滿（滿帶），有些被占滿（滿帶），有些被 部分占滿（半滿帶），部分占滿（半滿帶）， 未被電子占據(jù)的是空帶。未被電子占據(jù)的是空帶。

5、 原子能級(jí)原子能級(jí) 能帶能帶 2、半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，價(jià)帶和禁帶寬度、半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，價(jià)帶和禁帶寬度 價(jià)帶：價(jià)帶：0K條件下被電子填充的能量最高的能帶條件下被電子填充的能量最高的能帶 導(dǎo)帶：導(dǎo)帶： 0K條件下未被電子填充的能量最低的能帶條件下未被電子填充的能量最低的能帶 禁帶：禁帶：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間能帶 禁帶寬度禁帶寬度：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差：導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差 3 3、電子和空穴的、電子和空穴的有效質(zhì)量有效質(zhì)量m m* * 半導(dǎo)體中的載流子的行為可以等效為自由粒子，半導(dǎo)體中的載流子的行為可以等效為自由粒子， 但與真空中的自由粒子不同，是考慮了晶格作用但與真空中的

6、自由粒子不同，是考慮了晶格作用 后的等效粒子。后的等效粒子。 有效質(zhì)量可正、可負(fù)，取決于與晶格的作用有效質(zhì)量可正、可負(fù)，取決于與晶格的作用 如果把在晶體的周期勢(shì)場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)的電子，等如果把在晶體的周期勢(shì)場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)的電子，等 效看成一個(gè)自由運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)粒子，則該準(zhǔn)粒子的等效看成一個(gè)自由運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)粒子，則該準(zhǔn)粒子的等 效質(zhì)量稱(chēng)為有效質(zhì)量，一般由效質(zhì)量稱(chēng)為有效質(zhì)量，一般由E-kE-k關(guān)系給出，可正、關(guān)系給出，可正、 可負(fù)，可負(fù)，電子正，空穴負(fù)。電子正，空穴負(fù)。 有效質(zhì)量概括了晶體勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的影響有效質(zhì)量概括了晶體勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子運(yùn)動(dòng)的影響 0k 2 2 2 n dk Ed h 1 m 1 有效質(zhì)量：有效質(zhì)

7、量： 4.空穴：空穴：空穴是幾乎被電子填滿的能帶中未被電子占據(jù)的空穴是幾乎被電子填滿的能帶中未被電子占據(jù)的 少數(shù)空的量子態(tài)，這少量的空穴總是處于能帶頂附近。是少數(shù)空的量子態(tài)，這少量的空穴總是處于能帶頂附近。是 價(jià)電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對(duì)應(yīng)于價(jià)帶頂?shù)膬r(jià)電子脫離原子束縛后形成的電子空位，對(duì)應(yīng)于價(jià)帶頂?shù)?電子空位。把半導(dǎo)體中的空穴看成一個(gè)帶有電荷為電子空位。把半導(dǎo)體中的空穴看成一個(gè)帶有電荷為+q，并，并 以該空狀態(tài)相應(yīng)的電子速度以該空狀態(tài)相應(yīng)的電子速度v(k)運(yùn)動(dòng)的粒子，它具有正的運(yùn)動(dòng)的粒子，它具有正的 有效質(zhì)量，價(jià)帶中大量電子的導(dǎo)電作用可以用少數(shù)空穴的有效質(zhì)量，價(jià)帶中大量電子的導(dǎo)電作用

8、可以用少數(shù)空穴的 導(dǎo)電作用來(lái)描寫(xiě)。導(dǎo)電作用來(lái)描寫(xiě)。 5.直接帶隙半導(dǎo)體和間接帶隙半導(dǎo)體直接帶隙半導(dǎo)體和間接帶隙半導(dǎo)體 直接帶隙半導(dǎo)體：直接帶隙半導(dǎo)體：導(dǎo)帶低和價(jià)帶頂對(duì)應(yīng)的電子波矢相同導(dǎo)帶低和價(jià)帶頂對(duì)應(yīng)的電子波矢相同 間接帶隙半導(dǎo)體：間接帶隙半導(dǎo)體：導(dǎo)帶低和價(jià)帶頂對(duì)應(yīng)的電子波矢不相同導(dǎo)帶低和價(jià)帶頂對(duì)應(yīng)的電子波矢不相同 二二. 基本公式基本公式 2 2 2 * dk Ed h m dk dE h 1 dk F dt 有效質(zhì)量有效質(zhì)量 速度：速度： 2 / ( ) a T v k 第二章 基本概念基本概念 1.施主雜質(zhì)，施主能級(jí)，施主雜質(zhì)電離能施主雜質(zhì)，施主能級(jí)，施主雜質(zhì)電離能 施主雜質(zhì)：施主雜質(zhì)：

9、能夠施放能夠施放電子電子而在導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子并形成正而在導(dǎo)帶中產(chǎn)生電子并形成正 電中心的雜質(zhì)，稱(chēng)為電中心的雜質(zhì)，稱(chēng)為施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)，摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體，摻有施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體 叫叫N型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 施主能級(jí)施主能級(jí)被施主雜質(zhì)束縛的電子的能量狀態(tài)稱(chēng)為施主能級(jí) ED，施主能級(jí)位于離導(dǎo)帶低很近的禁帶中。 施主雜質(zhì)電離能：施主雜質(zhì)電離能：導(dǎo)帶底EC與施主能級(jí)ED的能量之差 ED=EC-ED就是施主雜質(zhì)的電離能。施主雜質(zhì)未電離時(shí)是施主雜質(zhì)未電離時(shí)是 中性的，電離后成為正電中心。中性的，電離后成為正電中心。 2.受主雜質(zhì)，受主能級(jí)，受主雜質(zhì)電離能受主雜質(zhì)，受主能級(jí)，受主雜質(zhì)電離能 受主雜質(zhì)：受主雜質(zhì)

10、：能夠能夠接受電子而在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴，并形能夠能夠接受電子而在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴，并形 成負(fù)電中心的雜質(zhì)，稱(chēng)為成負(fù)電中心的雜質(zhì)，稱(chēng)為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)，摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)，摻有受主雜質(zhì)的半導(dǎo) 體叫體叫P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。 受主能級(jí)：受主能級(jí)：被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱(chēng)為受主能被受主雜質(zhì)束縛的空穴的能量狀態(tài)稱(chēng)為受主能 級(jí)級(jí)EA，受主能級(jí)位于離價(jià)帶低很近的禁帶中。，受主能級(jí)位于離價(jià)帶低很近的禁帶中。 受主雜質(zhì)電離能受主雜質(zhì)電離能：價(jià)帶頂價(jià)帶頂EV與受主能級(jí)與受主能級(jí)EA的能量之差的能量之差 EA=EV-EA就是就是受受主雜質(zhì)的電離能。主雜質(zhì)的電離能。受主雜質(zhì)未電離時(shí)是受主雜質(zhì)未電離時(shí)是 中性的，電

11、離后成為負(fù)電中心中性的，電離后成為負(fù)電中心 施主能級(jí)施主能級(jí) 受主能級(jí)受主能級(jí) ED EA 3.本征半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體，雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體，雜質(zhì)半導(dǎo)體，雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：沒(méi)有雜質(zhì)原子且晶體中無(wú)晶格缺陷沒(méi)有雜質(zhì)原子且晶體中無(wú)晶格缺陷 的純凈半導(dǎo)體的純凈半導(dǎo)體 雜質(zhì)半導(dǎo)體：雜質(zhì)半導(dǎo)體：摻有施主雜質(zhì)的摻有施主雜質(zhì)的N型半導(dǎo)體或摻有型半導(dǎo)體或摻有 受主雜質(zhì)的受主雜質(zhì)的p型半導(dǎo)體都叫雜質(zhì)半導(dǎo)體型半導(dǎo)體都叫雜質(zhì)半導(dǎo)體 雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體：雜質(zhì)補(bǔ)償半導(dǎo)體：同一半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)既含有施主同一半導(dǎo)體區(qū)域內(nèi)既含有施主 雜質(zhì)又含有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體雜質(zhì)又含有受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體 雜質(zhì)的補(bǔ)償原理雜質(zhì)的補(bǔ)

12、償原理-pn-pn結(jié)實(shí)現(xiàn)原理結(jié)實(shí)現(xiàn)原理 （a a）N ND DNNA A 當(dāng)同一塊半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)，這種兩當(dāng)同一塊半導(dǎo)體中同時(shí)存在施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)時(shí)，這種兩 種不同類(lèi)型的雜質(zhì)有相互抵償?shù)淖饔?，稱(chēng)為雜質(zhì)補(bǔ)償作用。種不同類(lèi)型的雜質(zhì)有相互抵償?shù)淖饔?，稱(chēng)為雜質(zhì)補(bǔ)償作用。 補(bǔ)償后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度為有效雜質(zhì)濃度，只有有效的補(bǔ)償后半導(dǎo)體中的凈雜質(zhì)濃度為有效雜質(zhì)濃度，只有有效的 雜質(zhì)濃度才能有效地提供載流子濃度。雜質(zhì)濃度才能有效地提供載流子濃度。 （b b）N ND D N 0kT0k， 若若E= EE= EF F ， 則則f(E) =1/2 f(E) =1/2 ； 若若E EE1/

13、2 f(E) 1/2 ； 若若E EE EF F ， 則則f(E) 1/2 f(E) 空穴遷移率空穴遷移率 GaAs Ge Si -平均自由時(shí)間，即相鄰兩次碰撞之間的平均時(shí)間。平均自由時(shí)間，即相鄰兩次碰撞之間的平均時(shí)間。 其影響因素與散射模式相關(guān)其影響因素與散射模式相關(guān) 電離雜質(zhì)散射電離雜質(zhì)散射 晶格散射晶格散射 半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子，電場(chǎng)作用下的半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子，電場(chǎng)作用下的 電流密度電流密度 得到電導(dǎo)率與遷移率的關(guān)系式得到電導(dǎo)率與遷移率的關(guān)系式 一般情形，半導(dǎo)體電子和空穴的遷移率在同一數(shù)量級(jí)，一般情形，半導(dǎo)體電子和空穴的遷移率在同一數(shù)量級(jí)， 因此，其電導(dǎo)率主要由多數(shù)

14、載流子決定。因此，其電導(dǎo)率主要由多數(shù)載流子決定。 )/(1 pn nqnq 第五章第五章 非平衡載流子非平衡載流子 一、基本概念一、基本概念 0 nnn 1。過(guò)剩電子，過(guò)?？昭?，過(guò)剩載流子（非平衡載流子），非。過(guò)剩電子，過(guò)?？昭?，過(guò)剩載流子（非平衡載流子），非 平衡載流子的壽命？平衡載流子的壽命？ 過(guò)剩電子：導(dǎo)帶中超出熱平衡狀態(tài)濃度的電子濃度過(guò)剩電子：導(dǎo)帶中超出熱平衡狀態(tài)濃度的電子濃度 過(guò)?？昭ǎ簝r(jià)帶中超出熱平衡狀態(tài)濃度的空穴濃度過(guò)?？昭ǎ簝r(jià)帶中超出熱平衡狀態(tài)濃度的空穴濃度 過(guò)剩載流子：過(guò)剩電子和空穴的總稱(chēng)過(guò)剩載流子：過(guò)剩電子和空穴的總稱(chēng) 過(guò)剩少子在復(fù)合前存在的平均時(shí)間。過(guò)剩少子在復(fù)合前存在的

15、平均時(shí)間。 2。小注入和大注入。小注入和大注入 小注入：過(guò)剩載流子的濃度遠(yuǎn)小于熱平衡多子濃度的情況小注入：過(guò)剩載流子的濃度遠(yuǎn)小于熱平衡多子濃度的情況 大注入：過(guò)剩載流子的濃度接近或大于熱平衡多子濃度的情況大注入：過(guò)剩載流子的濃度接近或大于熱平衡多子濃度的情況 0 ppp 3.什么是準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)？什么是準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)？ 在非平衡狀態(tài)下，由于導(dǎo)帶和價(jià)帶在總體上處于非在非平衡狀態(tài)下，由于導(dǎo)帶和價(jià)帶在總體上處于非 平衡，因此就不能用統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)來(lái)描述導(dǎo)帶中平衡，因此就不能用統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)來(lái)描述導(dǎo)帶中 的電子和價(jià)帶中的空穴按能量的分布問(wèn)題。但由于的電子和價(jià)帶中的空穴按能量的分布問(wèn)題。但由于 導(dǎo)帶中的電子和價(jià)

16、帶中的空穴按能量在各自的能帶導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴按能量在各自的能帶 中處于準(zhǔn)平衡分布，可以有各自的費(fèi)米能級(jí)中處于準(zhǔn)平衡分布，可以有各自的費(fèi)米能級(jí) 稱(chēng)為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分離的程度，即稱(chēng)為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)分離的程度，即 的大小，反映了與平衡態(tài)分離的程度的大小，反映了與平衡態(tài)分離的程度 p F n F EE p F n F EE 和 4. 解釋載流子的產(chǎn)生和復(fù)合，直接復(fù)合，間接復(fù)合，復(fù)合率解釋載流子的產(chǎn)生和復(fù)合，直接復(fù)合，間接復(fù)合，復(fù)合率 產(chǎn)產(chǎn) 生生：電子和空穴被形成的過(guò)程，如電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)：電子和空穴被形成的過(guò)程，如電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo) 帶，或帶，或 電子從雜質(zhì)能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶的

17、過(guò)程或空穴從電子從雜質(zhì)能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶的過(guò)程或空穴從 雜質(zhì)能級(jí)躍遷到價(jià)帶的過(guò)程雜質(zhì)能級(jí)躍遷到價(jià)帶的過(guò)程 復(fù)復(fù) 合合：電子和空穴被湮滅或消失的過(guò)程：電子和空穴被湮滅或消失的過(guò)程 直接復(fù)合直接復(fù)合：導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的直接湮滅過(guò)程，能帶到能：導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的直接湮滅過(guò)程，能帶到能 帶的復(fù)合。帶的復(fù)合。 間接復(fù)合間接復(fù)合：電子和空穴通過(guò)禁帶中的復(fù)合中心的復(fù)合：電子和空穴通過(guò)禁帶中的復(fù)合中心的復(fù)合 復(fù)合率復(fù)合率：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合的電子：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合的電子-空穴對(duì)數(shù)?？昭▽?duì)數(shù)。 5 .什么是載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)？寫(xiě)出電子和空穴什么是載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)？寫(xiě)出電子和空穴 的擴(kuò)散電流密度方程的擴(kuò)散

18、電流密度方程 當(dāng)半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子存在濃度梯度時(shí)，引當(dāng)半導(dǎo)體內(nèi)部的載流子存在濃度梯度時(shí)，引 起載流子由濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)起載流子由濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò) 散，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是載流子的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)。散，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是載流子的有規(guī)則運(yùn)動(dòng)。 電子擴(kuò)散電流：電子擴(kuò)散電流： dx dn qDJ ndiffn , 空穴擴(kuò)散電流：空穴擴(kuò)散電流： dx dp qDJ pdiffp , 二、基本公式二、基本公式 1. 漂移電流密度公式： EpqJ EnqJ pp nn 2.擴(kuò)散電流密度公式dx dn qDJ ndiffn , dx dp qDJ pdiffp , 3.愛(ài)因斯坦關(guān)系愛(ài)因斯坦關(guān)系: q kT D

19、 （4）過(guò)剩載流子（非平衡載流子）過(guò)剩載流子（非平衡載流子） q由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子由于受外界因素如光、電的作用，半導(dǎo)體中載流子 的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱(chēng)這些偏離平衡分布的的分布偏離了平衡態(tài)分布，稱(chēng)這些偏離平衡分布的 載流子為過(guò)剩載流子。載流子為過(guò)剩載流子。 q準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) 當(dāng)半導(dǎo)體的平衡被破壞，經(jīng)常出現(xiàn)平衡有不平衡的局面，即當(dāng)半導(dǎo)體的平衡被破壞，經(jīng)常出現(xiàn)平衡有不平衡的局面，即 分別就導(dǎo)帶和價(jià)帶電子來(lái)說(shuō)，它們各自基本上處于平衡狀分別就導(dǎo)帶和價(jià)帶電子來(lái)說(shuō)，它們各自基本上處于平衡狀 態(tài)，當(dāng)導(dǎo)帶和價(jià)帶之間又是不平衡的，表現(xiàn)在它們各自的態(tài)，當(dāng)導(dǎo)帶和價(jià)帶之間又是不平衡的

20、，表現(xiàn)在它們各自的 費(fèi)米能級(jí)互不重合。在這種準(zhǔn)平衡情況下，稱(chēng)各個(gè)局部的費(fèi)米能級(jí)互不重合。在這種準(zhǔn)平衡情況下，稱(chēng)各個(gè)局部的 費(fèi)米能級(jí)為費(fèi)米能級(jí)為“準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)”。 q非平衡電子、空穴濃度分別為非平衡電子、空穴濃度分別為 kT EE i i n F enn kT EE i p Fi enp （4）.載流子的濃度載流子的濃度 Tk EE i iFn enn 0 0 )exp( 0 0 Tk EE Nn FC c )exp( 0 0 Tk EE Np VF v Tk EE i Fpi enp 0 0 2 00i npn 平衡態(tài) 非平衡態(tài) Tk EE i FpFn enpn 0 2 00 q產(chǎn)生

21、與復(fù)合是過(guò)剩載流子運(yùn)動(dòng)的主要形式產(chǎn)生與復(fù)合是過(guò)剩載流子運(yùn)動(dòng)的主要形式 q在簡(jiǎn)單的情況下，過(guò)剩載流子隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律在簡(jiǎn)單的情況下，過(guò)剩載流子隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律 衰減：衰減： t enn 0 )( 非平衡載流子的壽命非平衡載流子的壽命 壽命壽命- 非平衡載流子的平均生存時(shí)間非平衡載流子的平均生存時(shí)間 壽命取決于載流子復(fù)合模式壽命取決于載流子復(fù)合模式 直接復(fù)合直接復(fù)合 間接復(fù)合間接復(fù)合 直接復(fù)合直接復(fù)合間接復(fù)合間接復(fù)合 )( 1 0 0 p n r pr 1 小注入：小注入： 大注入：大注入： rN pt p 1 如：小注入下強(qiáng)如：小注入下強(qiáng)n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 Nt:復(fù)合中心濃度復(fù)合中心濃度 rp:

22、空穴復(fù)合幾率空穴復(fù)合幾率 半導(dǎo)體中雜質(zhì)、缺陷的主要作用：半導(dǎo)體中雜質(zhì)、缺陷的主要作用： (1)(1)、 起施主或受主作用起施主或受主作用- (2)(2)、 復(fù)合中心作用復(fù)合中心作用- (3)(3)、陷阱效應(yīng)作用、陷阱效應(yīng)作用-引起半導(dǎo)體特性弛豫引起半導(dǎo)體特性弛豫 淺雜質(zhì)能級(jí)淺雜質(zhì)能級(jí) 深雜質(zhì)能級(jí)、晶格缺陷深雜質(zhì)能級(jí)、晶格缺陷 決定半導(dǎo)體導(dǎo)電類(lèi)決定半導(dǎo)體導(dǎo)電類(lèi) 型和電阻率型和電阻率 決定非平衡載流子壽命決定非平衡載流子壽命 陷阱中心陷阱中心 n當(dāng)半導(dǎo)體中存在載流子濃度梯度時(shí)，將發(fā)生載流子當(dāng)半導(dǎo)體中存在載流子濃度梯度時(shí)，將發(fā)生載流子 的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，滿足擴(kuò)散方程，并形成擴(kuò)散電流。的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，滿足擴(kuò)散方

23、程，并形成擴(kuò)散電流。 n在一維分布情形下，載流子的擴(kuò)散密度為：在一維分布情形下，載流子的擴(kuò)散密度為： 擴(kuò)散流密度擴(kuò)散流密度 負(fù)號(hào)反映擴(kuò)散流總是從高濃度向低濃度流動(dòng)。負(fù)號(hào)反映擴(kuò)散流總是從高濃度向低濃度流動(dòng)。 n電子擴(kuò)散電流：電子擴(kuò)散電流： 空穴擴(kuò)散電流：空穴擴(kuò)散電流： 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) dx dN D dx xdn qDj ndiffn 0 , dx xdp qDj pdiffp 0 , 愛(ài)因斯坦關(guān)系愛(ài)因斯坦關(guān)系 n在平衡條件下，利用電流方程，可導(dǎo)出在平衡條件下，利用電流方程，可導(dǎo)出 愛(ài)因斯坦關(guān)系愛(ài)因斯坦關(guān)系 n這是半導(dǎo)體中重要的基本關(guān)系式之一，反映了漂這是半導(dǎo)體中重要的基本關(guān)系

24、式之一，反映了漂 移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在聯(lián)系移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在聯(lián)系 q kT D n當(dāng)同時(shí)存在電場(chǎng)和載流子濃度梯度時(shí)，載流子邊漂當(dāng)同時(shí)存在電場(chǎng)和載流子濃度梯度時(shí)，載流子邊漂 移邊擴(kuò)散。移邊擴(kuò)散。 n如果在半導(dǎo)體一面穩(wěn)定地注入非平衡載流子，它們?nèi)绻诎雽?dǎo)體一面穩(wěn)定地注入非平衡載流子，它們 將一邊擴(kuò)散一邊復(fù)合，形成一個(gè)有高濃度到低濃度將一邊擴(kuò)散一邊復(fù)合，形成一個(gè)有高濃度到低濃度 的分布的分布N N（x x）：）： n非平衡載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度非平衡載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度L L：非平衡載流子在被復(fù)：非平衡載流子在被復(fù) 合前擴(kuò)散的平均距離。合前擴(kuò)散的平均距離。 Lx eNxN / 0 )( 輻射躍遷和光吸收輻射躍遷

25、和光吸收 在固體中，光子和電子在固體中，光子和電子 之間的相互作用有三種之間的相互作用有三種 基本過(guò)程：吸收、自發(fā)基本過(guò)程：吸收、自發(fā) 發(fā)射和受激發(fā)射。發(fā)射和受激發(fā)射。 兩個(gè)能級(jí)之間的三種基本躍遷過(guò)程兩個(gè)能級(jí)之間的三種基本躍遷過(guò)程 (a) 吸收吸收 (b) 自發(fā)發(fā)射自發(fā)發(fā)射 (c) 受激發(fā)射受激發(fā)射 十、半導(dǎo)體中的光電特性十、半導(dǎo)體中的光電特性 電光效應(yīng)和電光效應(yīng)和 光電效應(yīng)光電效應(yīng) pnpn結(jié)注入式場(chǎng)致發(fā)光原理結(jié)注入式場(chǎng)致發(fā)光原理 n半導(dǎo)體發(fā)光包括激發(fā)過(guò)程和復(fù)合過(guò)程。這兩個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光包括激發(fā)過(guò)程和復(fù)合過(guò)程。這兩個(gè) 過(guò)程銜接，是發(fā)光必不可少的兩個(gè)環(huán)節(jié)。過(guò)程銜接，是發(fā)光必不可少的兩個(gè)環(huán)節(jié)。 n在

26、在pnpn結(jié)上施加正偏壓，產(chǎn)生注入效應(yīng)，使結(jié)區(qū)結(jié)上施加正偏壓，產(chǎn)生注入效應(yīng)，使結(jié)區(qū) 及其左右兩邊各一個(gè)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)的少及其左右兩邊各一個(gè)少子擴(kuò)散長(zhǎng)度范圍內(nèi)的少 子濃度超過(guò)其熱平衡少子濃度。超過(guò)部分就是子濃度超過(guò)其熱平衡少子濃度。超過(guò)部分就是 由電能激發(fā)產(chǎn)生的處于不穩(wěn)定高能態(tài)的非平衡由電能激發(fā)產(chǎn)生的處于不穩(wěn)定高能態(tài)的非平衡 載流子，它們必須通過(guò)第二過(guò)程：復(fù)合，達(dá)到載流子，它們必須通過(guò)第二過(guò)程：復(fù)合，達(dá)到 恒定正向注入下新穩(wěn)態(tài)。恒定正向注入下新穩(wěn)態(tài)。 電光效應(yīng)電光效應(yīng) n復(fù)合分為輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合。輻射復(fù)合過(guò)程復(fù)合分為輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合。輻射復(fù)合過(guò)程 中，自由電子和空穴具有的能量將變成光

27、而自然中，自由電子和空穴具有的能量將變成光而自然 放出。非輻射復(fù)合過(guò)程中，釋放的能量將轉(zhuǎn)變?yōu)榉懦觥７禽椛鋸?fù)合過(guò)程中，釋放的能量將轉(zhuǎn)變?yōu)?其它形式的能，如熱能。因此，為提高發(fā)光效率其它形式的能，如熱能。因此，為提高發(fā)光效率 應(yīng)盡量避免非輻射復(fù)合。應(yīng)盡量避免非輻射復(fù)合。 n輻射復(fù)合的幾條途徑是：帶輻射復(fù)合的幾條途徑是：帶- -帶復(fù)合、淺施主帶復(fù)合、淺施主- -價(jià)價(jià) 帶或?qū)Щ驅(qū)? -淺受主間復(fù)合、施淺受主間復(fù)合、施- -受主之間復(fù)合、通受主之間復(fù)合、通 過(guò)深能級(jí)復(fù)合等。過(guò)深能級(jí)復(fù)合等。 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 受光照物體電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)受光照物體電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng) 勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)。勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)。 (1) (1) 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵 合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)而引起材料電阻率的變化，合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)而引起材料電阻率的變化， 此現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。此現(xiàn)象稱(chēng)為光電導(dǎo)效應(yīng)。 光電導(dǎo)可分為：本征光電導(dǎo)和雜質(zhì)光電導(dǎo)。光電導(dǎo)可分為：本