江南大學(xué)-2013-年半導(dǎo)體物理-復(fù)習(xí)

1、能帶理論的基本假設(shè)：用單電子近似法研究晶體中的電子狀態(tài)的理論稱為能帶論所謂單電子近似，即假設(shè)每個(gè)電子是在周期性排列且固定不動(dòng)的原子核勢場及其他電子 的平均勢場中運(yùn)動(dòng)。該勢場是具有與晶格同周期的周期性勢場。用能帶理論解釋絕緣體、半導(dǎo)體、和金屬的導(dǎo)電性：從能帶論來看，電子的能量變化，就是電子從一個(gè)能級(jí)躍遷到另一個(gè)能級(jí)上去。對(duì)于滿 帶，其中的能級(jí)已為電子所占滿，在外電場作用下，滿帶中的電子并不形成電流對(duì)導(dǎo)電沒 有貢獻(xiàn)，通常原子中的內(nèi)層電子都是占據(jù)滿帶中的能級(jí)，因而內(nèi)層電子對(duì)導(dǎo)電沒有貢獻(xiàn)。對(duì) 于被電子部分占滿的能帶，在外電場作用下，電子可從外電場中吸收能量躍遷到未被電子占 據(jù)的能級(jí)去，形成了電流，起導(dǎo)

2、電作用，常稱這種能帶為導(dǎo)帶。滿帶也稱價(jià)帶，滿帶與價(jià)帶 之間為禁帶金屬：價(jià)電子占據(jù)的能帶是部分占滿的，所以金屬是良好的導(dǎo)體。半導(dǎo)體、絕緣體：滿帶中有少量電子可能被激發(fā)到空帶中去，是能帶底部附近有了少量 電子，參與導(dǎo)電。同時(shí)滿帶中由于少了一些電子，在滿帶頂部附近出現(xiàn)了一些空的量子狀態(tài)， 滿帶變成了部分占滿的能帶，仍留在滿帶中的電子也起導(dǎo)電作用。半導(dǎo)體：禁帶寬度較小，常溫下已有不少電子被激發(fā)到導(dǎo)帶中去，具有一定的導(dǎo)電性。絕緣體：禁帶寬度很大，激發(fā)電子需要很大能量，常溫下，能激發(fā)到導(dǎo)帶去的電子很少， 所以導(dǎo)電性很差。有效質(zhì)量的物理意義，在半導(dǎo)體能帶中的應(yīng)用有何特點(diǎn)：物理意義：它概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作

3、用，使得在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的 運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，可以不涉及半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用。把晶體周期性勢場的作用概括到電子的有 效質(zhì)量中去，使得在引入有效質(zhì)量之后就可把運(yùn)動(dòng)復(fù)雜的晶體電子看作為簡單的自由電子。特點(diǎn)：引入有效質(zhì)量后，若能定出其大小，則能帶極值附近E（k）與k的關(guān)系便確定了。解釋直接帶隙和間接帶隙半導(dǎo)體：導(dǎo)帶邊和價(jià)帶邊處于k空間相同點(diǎn)的半導(dǎo)體通常被稱為直接帶隙半導(dǎo)體。電子要躍遷到 導(dǎo)帶上產(chǎn)生導(dǎo)電的電子和空穴（形成半滿能帶）只需要吸收能量。導(dǎo)帶邊和價(jià)帶邊處于k空間不同點(diǎn)的半導(dǎo)體通常被稱為間接帶隙半導(dǎo)體。形成半滿能帶 不只需要吸收能量，還要改變動(dòng)量?；匦舱瘢寒?dāng)半導(dǎo)體中的載流子在一定的恒定

4、磁場和高頻磁場同時(shí)作用下會(huì)發(fā)生抗磁共振的現(xiàn)象。什么是施主和受主雜質(zhì)：V族雜質(zhì)在硅、鍺中電離時(shí)，能釋放電子而產(chǎn)生導(dǎo)電電子并形成正電中心，稱之為施主、 n型雜質(zhì)。III族雜質(zhì)在硅、鍺中電離時(shí)，能接受電子而產(chǎn)生導(dǎo)電空穴并形成負(fù)電中心，稱之為受主、 p型雜質(zhì)。雜質(zhì)原子在晶體中的位置：間隙式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置。替位式雜質(zhì)：雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處。雜質(zhì)電離能的意義：指半導(dǎo)體中雜質(zhì)原子上的價(jià)電子從價(jià)鍵上被激發(fā)到導(dǎo)帶或者價(jià)帶中而成為載流子:分別 產(chǎn)生電子或者空穴）所需要的能量。什么是雜質(zhì)補(bǔ)償作用：施主和受主雜質(zhì)之間有相互抵消的作用。晶體中的點(diǎn)、線缺陷：點(diǎn)缺陷：晶體晶格結(jié)點(diǎn)上或鄰

5、近區(qū)域偏離其正常結(jié)構(gòu)的一種缺陷?？瘴皇浅Ｒ姷狞c(diǎn)缺陷。線缺陷：表現(xiàn)為各種類型的位錯(cuò)，其在三維空間兩個(gè)方向上尺寸很小，另外一個(gè)方向上 延伸較長。深能級(jí)雜質(zhì)在半導(dǎo)體中有何作用：深能級(jí)雜質(zhì)能夠產(chǎn)生多次電離，每次電離相應(yīng)地有一個(gè)能級(jí)。在半導(dǎo)體禁帶中往往引入 若干個(gè)能級(jí)，有的雜質(zhì)既能引入施主能級(jí)又能引入受主能級(jí)。它們對(duì)半導(dǎo)體中的載流子濃度 (導(dǎo)電電子濃度、導(dǎo)電空穴濃度)和導(dǎo)電類型的影響沒有淺能級(jí)雜質(zhì)顯著，但對(duì)于載流子的復(fù) 合作用比淺能級(jí)雜質(zhì)強(qiáng)，故這些雜質(zhì)也稱為復(fù)合中心。何為本征半導(dǎo)體？其載流子濃度及費(fèi)米能級(jí)：本征半導(dǎo)體：完全不含雜質(zhì)且無晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體。載流子濃度：本征費(fèi)米能級(jí)：-什么是費(fèi)米分布與玻爾

6、茲循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)率。對(duì)于能量為E的一個(gè)量子態(tài)費(fèi)米分布：服從泡利不被一個(gè)電子占據(jù)的概率f(E)為玻爾茲曼分布：在一定溫?fù)?jù)為E的量子態(tài)的概率由指數(shù)因子所決定。i主要差別：費(fèi)米統(tǒng)計(jì)率受到泡利不相容原理的限制，而在E-EFk0T的條件下，泡利 不相容原理失去作用，兩種統(tǒng)計(jì)結(jié)果一樣。非簡并半導(dǎo)體載流子濃度的計(jì)算式： TOC o 1-5 h z EEEm *Enm = NN exp(- ) = NN exp(&) = 2.33x10si( j)T3exp(& HYPERLINK l bookmark69 o Current Document c v K T c v K Tmp非簡并半導(dǎo)體平衡載流子濃度關(guān)系：n

7、 p = n 2 且有：n. = 4.82 x 1015(mp*m* )3/4 T3/2 exp( 一E )1mo22#雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子濃度及費(fèi)米能級(jí)隨溫度變化:（3.4）n型半導(dǎo)體載流子濃度（一種施主雜質(zhì)，取d = 2）低溫弱電離區(qū)：大部分施主雜質(zhì)能級(jí)仍為電子所占據(jù)，只有很少量施主雜質(zhì)發(fā)生電離，本征激發(fā)忽略不計(jì)，導(dǎo)帶中的電子全部由電離少量的施主雜質(zhì)所提供。費(fèi)米能級(jí)：Ef = Ec；Ed +（K2T）ln（N）（溫度、雜質(zhì)濃度、雜質(zhì)原子種類） c電子濃度：n o=（ NDNc）1/2exp（ -d）且施主雜質(zhì)電離能電=Ec - ed22K T2.中間電離區(qū)：溫度繼續(xù)升高，2Nc Nd后Ef（E

8、c+Ed）/2。溫度升高到Ef=ED時(shí)，施主雜質(zhì)有1/3電離。3.強(qiáng)電離區(qū)：大部分雜質(zhì)都費(fèi)米能級(jí)：電子濃度：（溫度Ef Nd。電中性條件是n0 = p0p型半導(dǎo)體載流子濃度（一種受主雜質(zhì)，取gA = 4 ）. E = Ev+ E-(區(qū))ln(_NL)P = (NNw-生)1.低溫弱電離區(qū)：ef2( 2 )(4n) P0(4) exp( 2k t 強(qiáng)電離區(qū)：Ef = Ev - k0T ln N P0 = Na PA = dNad =今 W 齡 TOC o 1-5 h z Nv+Nvk 01 過渡區(qū)：Ef = Ei-k Jsh-1(Na )P 0 = Na 1 + (1+ 炸)1/22n.2N 2

9、-11 + (1+iLA -I2n2 =()Na簡并化條件：把EC與Ef的相對(duì)位置作為區(qū)分簡并化與非簡并化的標(biāo)準(zhǔn)：Ec-Ef 2k0T非簡并0EC-EF=2k0T弱簡并Ec-Ef=0簡并禁帶變窄效應(yīng)：由于在重?fù)诫s情況下，原來孤立的雜質(zhì)能級(jí)擴(kuò)展為雜質(zhì)能帶，當(dāng)雜質(zhì)能帶進(jìn)入了導(dǎo)帶或 價(jià)帶，并與導(dǎo)帶或價(jià)帶相連，就形成了新的簡并能帶，使能帶的狀態(tài)密度發(fā)生了變化簡并 能帶的尾部伸入到禁帶中，導(dǎo)致禁帶寬度由Eg減小為Eg，所以，我們把重?fù)诫s時(shí)禁帶寬度變窄的現(xiàn)象稱為禁帶變窄效應(yīng)。硅半導(dǎo)體中主要散射機(jī)構(gòu):電離雜質(zhì)的散射2.晶格振動(dòng)的散射（聲學(xué)波散射、光學(xué)波散射）3.其他因素（等同的能谷間散射、中性雜質(zhì)散射、錯(cuò)位

10、散射、合金散射）漂移電流：無解釋4-16電阻率隨溫度的變化：PcAB段：溫度很低，本征激發(fā)可忽略，載流子主要由雜質(zhì)電離提供，它隨溫度升高而增加；散射主要由 一 一 - 電離雜質(zhì)決定，遷移率也隨溫度升高而增加，所以電圖4-16硅電阻率與站，：.阻率隨溫度升高而下降。BC段：溫度繼續(xù)升高（包括室溫），雜質(zhì)已全部電離，本征激發(fā)還不十分顯著，載流子 基本上不隨溫度變化，晶格振動(dòng)散射上升為主要矛盾，遷移率隨溫度升高而降低，所以電阻 率隨溫度升高而增大。C段：溫度繼續(xù)升高，本征激發(fā)很快增加，大量本征載流子的產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過遷移率減小 對(duì)電阻率的影響，這時(shí)本征激發(fā)成為矛盾的主要方面，雜質(zhì)半導(dǎo)體的電阻率將隨溫度的

11、升高 而急劇地下降，表現(xiàn)出同本征半導(dǎo)體相似的特征。遷移率和平均自由時(shí)間的關(guān)系：電子：空穴：電導(dǎo)：遷移率：m平均自由時(shí)間：t，有效質(zhì)量：m什么是熱載流子：與晶格系統(tǒng)不處于熱平衡狀態(tài)的載流子。強(qiáng)電場情況下，載流子從電場中獲得的能量很圈4-19砰化鐐能帶結(jié)構(gòu)因而載流子和晶格系圖4-20伸化嫁電子平均漂移速度與電場強(qiáng)度的關(guān)系（300K）多，載流子的平均能量比熱平衡狀態(tài)時(shí)的大，統(tǒng)不再處于熱平衡狀態(tài)。24.根據(jù)GaAs的能帶結(jié)構(gòu)，解釋其速場特性：e = 3X103-2 X104V / cm時(shí)出現(xiàn)微分負(fù)電導(dǎo)區(qū)，H 0O e再增大則Vd 107cm/s。當(dāng)電場達(dá)到3*10W/cm后，能谷1中的電子可以從電場中

12、獲得足夠的能量而開始轉(zhuǎn)移到能 谷2中，發(fā)生能谷間散射，電子準(zhǔn)動(dòng)量有較大改變，伴隨散射發(fā)射或吸收一個(gè)光學(xué)聲子。但這兩個(gè)能谷不完全相同， 進(jìn)入能谷2中的電子有效質(zhì)量大為增加，遷移率大大降低，平均漂移速度減小，電導(dǎo)率下 降，產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)。圖4-22如與6的關(guān)系25.什么是平衡載流子：處于熱平衡狀態(tài)的半導(dǎo)體，在一定的溫度下，載流子濃（詳細(xì)在4.7.1）度是一定的。這種處于熱平衡狀態(tài)下的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度。什么是復(fù)合:產(chǎn)生非平衡載流子的外部作用撤除后，由于半導(dǎo)體的內(nèi)部作用，使它由非平衡態(tài)恢復(fù)到!平衡態(tài)，過剩載流子逐漸消失。這一過程稱為非平衡載流子的復(fù)合。什么是準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)：當(dāng)半導(dǎo)體的平衡態(tài)遭到

13、破壞而存在非平衡載流子時(shí)，由于熱躍遷十分頻繁，可以認(rèn)為， 分別就價(jià)帶和導(dǎo)帶的電子講，它們各自基本上處于平衡態(tài)，而導(dǎo)、價(jià)之間處于不平衡狀態(tài)。 費(fèi)米能級(jí)和統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)對(duì)導(dǎo)帶和價(jià)帶仍然各自適用，故引入導(dǎo)(價(jià))帶費(fèi)米能級(jí)(局部費(fèi) 米能級(jí))，稱為“準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)”(非平衡載流子越多，Ef越偏離Eio少子較多子費(fèi)米能級(jí)偏離 Ej更大。直接與間接復(fù)合的不同點(diǎn)：直接復(fù)合：電子在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的直接躍遷，引起電子和空穴的直接復(fù)合；間接復(fù)合：電子和空穴通過禁帶的能級(jí)(復(fù)合中心)進(jìn)行復(fù)合。如何控制少子壽命：少量的有效復(fù)合中心(摻金工藝)能大大縮短少數(shù)載流子壽命o ( 5.4.2 )晶體中的錯(cuò)位等缺陷也能形成復(fù)合中心能級(jí)

14、，嚴(yán)重影響少子壽命。(5.4.3 )極低摻雜情況下少子壽命長，而在較高摻雜濃度下少子壽命短。(5.9 )擴(kuò)散電流的表達(dá)式：空穴擴(kuò)散流密度：(Jp )擴(kuò)二-心 3 )電子擴(kuò)散流密度：(J )r=qDV E )31.愛因斯坦關(guān)系：維下(J八二-qD、p dx維下p-擴(kuò)(Jn=qDd An( x)dxDn 對(duì)于電子一 H n32.連續(xù)性方程:6P - D g .EPoa 1/|LX|LX pdtp dx2pdxp dxApT + 33.PN結(jié)能帶圖:（a）n、p型半導(dǎo)體的能帶（b）平衡狀態(tài)pn結(jié)能帶圖圖6-7 pn結(jié)的能帶圖34.PN 結(jié)原理：6.1.2PN結(jié)接觸電勢差的推導(dǎo)：因此pn結(jié)勢壘高度qV

15、D補(bǔ)償了 n區(qū)和p區(qū)費(fèi)米能級(jí)之差，使平衡pn結(jié)的費(fèi)米能級(jí)處處相qVD = EFn - Efp令nn0、np0分別表示n區(qū)和p區(qū)平衡電子濃度，則對(duì)非簡并半導(dǎo)體有n。= n exp( J)。n 0 ik TP。兩式相除取對(duì)數(shù)得ln 端=(E - E)%。kTFnFP因?yàn)?np0 W n2/ NA，nn0 X ND 則VD = J EFn - EFp)=號(hào)(ln 知=q qksL (ln NdNa)n q n 2P 0iVD = 0.70VVD = 0.32V室溫下可以計(jì)算得到：Si的Ge的理想PN結(jié)的主要假設(shè)條件：（1）小注入條件一一注入的少數(shù)載流子濃度比平衡多數(shù)載流子濃度小的多；（2）突變耗盡層

16、條件一外加電壓和接觸電勢差都降落在耗盡層上，耗盡層中的電荷 是由電離施主和電離受主的電荷組成，耗盡層外的半導(dǎo)體都是電中性的。因此，注入的少數(shù) 載流子在p區(qū)和n區(qū)是純擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；（3）通過耗盡層的電子和空穴電流為常量，不考慮耗盡層中的載流子的產(chǎn)生和復(fù)合作 用；（4）玻爾茲曼邊界條件一一在耗盡層兩端，載流子分布滿足玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布。影響PN結(jié)I-V特性的主要非理想因素：表面效應(yīng)2.勢壘區(qū)中的產(chǎn)生與復(fù)合3.大注入條件4.串聯(lián)電阻效應(yīng)PN結(jié)勢壘、擴(kuò)散電容：勢壘電容：pn結(jié)上外加電壓的變化，引起電子和空穴在勢壘區(qū)的“存入”和“取出”作用， 導(dǎo)致勢壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化，這和電容器的充放電作用相

17、似。這種pn結(jié) 的電容效應(yīng)稱為勢壘電容，以CT表示。擴(kuò)散電容：外加電壓變化時(shí)，n區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡空穴增加，與其保持電中性 的電子也相應(yīng)增加。同樣，p區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡電子和與其保持電中性的空穴也要增 加。這種由于擴(kuò)散區(qū)電荷數(shù)量隨外加電壓的變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)，稱為pn結(jié)的擴(kuò)散電容， 以CD表示。PN結(jié)擊穿的機(jī)理：雪崩擊穿：反向偏壓很大時(shí)，勢壘區(qū)中電場很強(qiáng)，在勢壘區(qū)內(nèi)的電子和空穴由于受到 強(qiáng)電場的漂移作用，具有很大的動(dòng)能，它們與勢壘區(qū)內(nèi)的晶格原子發(fā)生碰撞時(shí)，能把價(jià)鍵上 的電子碰撞出來，成為導(dǎo)電電子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)空穴。于是一個(gè)載流子變成三個(gè)載流子。這 三個(gè)載流子在強(qiáng)電場作用下，向相反方向

18、運(yùn)動(dòng)，還會(huì)繼續(xù)發(fā)生碰撞。如此繼續(xù)下去，載流子 就大量增加，（倍增效應(yīng)）使勢壘區(qū)單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量載流子，迅速增大了反向電流，從 而發(fā)生pn結(jié)擊穿。隧道擊穿（齊納擊穿）：在強(qiáng)電場作用下，由隧道效應(yīng)，使大量電子從價(jià)帶穿過禁帶而進(jìn)入到導(dǎo)帶所引起的一種擊穿現(xiàn)象。熱擊穿：當(dāng)pn結(jié)上施加反向電壓時(shí)，流過pn結(jié)的反向電流要引起熱損耗。反向電 流增大時(shí)，對(duì)應(yīng)于一定的反向電流所損耗的功率也增大，若無良好的散熱條件則引起結(jié)溫上 升。反向飽和電流（J嚴(yán)ni2此T3 xexp（-岳）隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升，其上升速度很 快，因此，結(jié)溫上升導(dǎo)致反向飽和電流上升，產(chǎn)生的熱量也迅速增大，進(jìn)而又導(dǎo)致結(jié)溫上升 反向飽和電流增大。

19、如此循環(huán)下去，最終使Js無限增大而發(fā)生擊穿。金屬功函數(shù)的定義及物理意義：金屬功函數(shù)的定義是E o與ef能量之差。用*表示：Wm = E 0 - （ Ef ） m它表示一個(gè) 起始能量等于費(fèi)米能級(jí)的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小能量。物理意義：功函數(shù)的大小標(biāo)志著電子在金屬中束縛的強(qiáng)弱，Wm越大，電子越不容易離 開金屬。41.形成n型和p型阻擋層的條件：n型p型WmWs阻擋層反阻擋層Wm 2qVB k0T，這時(shí)到內(nèi)部電場逐漸減弱，到空間電荷區(qū)的另一端，場強(qiáng)減小到零。 另一方面，空間電荷區(qū)內(nèi)的電勢也要隨距離逐漸變化，這樣半 導(dǎo)體表面相對(duì)體內(nèi)就產(chǎn)生電勢差，同時(shí)能帶也發(fā)生彎曲。常稱 空間電荷層兩端的電勢差為表面勢。（詳看8.2.1的堆積、耗盡、 反型三種情況）解釋