江南大學-2013-年半導體物理-復習

1、能帶理論的基本假設：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，即假設每個電子是在周期性排列且固定不動的原子核勢場及其他電子 的平均勢場中運動。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、半導體、和金屬的導電性：從能帶論來看，電子的能量變化，就是電子從一個能級躍遷到另一個能級上去。對于滿 帶，其中的能級已為電子所占滿，在外電場作用下，滿帶中的電子并不形成電流對導電沒 有貢獻，通常原子中的內層電子都是占據(jù)滿帶中的能級，因而內層電子對導電沒有貢獻。對 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)的能級去，形成了電流，起導

2、電作用，常稱這種能帶為導帶。滿帶也稱價帶，滿帶與價帶 之間為禁帶金屬：價電子占據(jù)的能帶是部分占滿的，所以金屬是良好的導體。半導體、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，參與導電。同時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電作用。半導體：禁帶寬度較小，常溫下已有不少電子被激發(fā)到導帶中去，具有一定的導電性。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)到導帶去的電子很少， 所以導電性很差。有效質量的物理意義，在半導體能帶中的應用有何特點：物理意義：它概括了半導體內部勢場的作

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

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

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

6、茲循費米統(tǒng)計率。對于能量為E的一個量子態(tài)費米分布：服從泡利不被一個電子占據(jù)的概率f(E)為玻爾茲曼分布：在一定溫據(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：費米統(tǒng)計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)計結果一樣。非簡并半導體載流子濃度的計算式： 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非簡并半導體平衡載流子濃度關系：n

7、 p = n 2 且有：n. = 4.82 x 1015(mp*m* )3/4 T3/2 exp( 一E )1mo22#雜質半導體載流子濃度及費米能級隨溫度變化:（3.4）n型半導體載流子濃度（一種施主雜質，取d = 2）低溫弱電離區(qū)：大部分施主雜質能級仍為電子所占據(jù)，只有很少量施主雜質發(fā)生電離，本征激發(fā)忽略不計，導帶中的電子全部由電離少量的施主雜質所提供。費米能級：Ef = Ec；Ed +（K2T）ln（N）（溫度、雜質濃度、雜質原子種類） c電子濃度：n o=（ NDNc）1/2exp（ -d）且施主雜質電離能電=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，施主雜質有1/3電離。3.強電離區(qū)：大部分雜質都費米能級：電子濃度：（溫度Ef Nd。電中性條件是n0 = p0p型半導體載流子濃度（一種受主雜質，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的相對位置作為區(qū)分簡并化與非簡并化的標準：Ec-Ef 2k0T非簡并0EC-EF=2k0T弱簡并Ec-Ef=0簡并禁帶變窄效應：由于在重摻雜情況下，原來孤立的雜質能級擴展為雜質能帶，當雜質能帶進入了導帶或 價帶，并與導帶或價帶相連，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，導致禁帶寬度由Eg減小為Eg，所以，我們把重摻雜時禁帶寬度變窄的現(xiàn)象稱為禁帶變窄效應。硅半導體中主要散射機構:電離雜質的散射2.晶格振動的散射（聲學波散射、光學波散射）3.其他因素（等同的能谷間散射、中性雜質散射、錯位

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，載流子主要由雜質電離提供，它隨溫度升高而增加；散射主要由 一 一 - 電離雜質決定，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)生遠遠超過遷移率減小 對電阻率的影響，這時本征激發(fā)成為矛盾的主要方面，雜質半導體的電阻率將隨溫度的

11、升高 而急劇地下降，表現(xiàn)出同本征半導體相似的特征。遷移率和平均自由時間的關系：電子：空穴：電導：遷移率：m平均自由時間：t，有效質量：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砰化鐐能帶結構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度的關系（300K）多，載流子的平均能量比熱平衡狀態(tài)時的大，統(tǒng)不再處于熱平衡狀態(tài)。24.根據(jù)GaAs的能帶結構，解釋其速場特性：e = 3X103-2 X104V / cm時出現(xiàn)微分負電導區(qū)，H 0O e再增大則Vd 107cm/s。當電場達到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移到能 谷2中，發(fā)生能谷間散射，電子準動量有較大改變，伴隨散射發(fā)射或吸收一個光學聲子。但這兩個能谷不完全相同， 進入能谷2中的電子有效質量大為增加，遷移率大大降低，平均漂移速度減小，電導率下 降，產(chǎn)生負阻效應。圖4-22如與6的關系25.什么是平衡載流子：處于熱平衡狀態(tài)的半導體，在一定的溫度下，載流子濃（詳細在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。什么是復合:產(chǎn)生非平衡載流子的外部作用撤除后，由于半導體的內部作用，使它由非平衡態(tài)恢復到!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合。什么是準費米能級：當半導體的平衡態(tài)遭到

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

14、，嚴重影響少子壽命。(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 )擴散電流的表達式：空穴擴散流密度：(Jp )擴二-心 3 )電子擴散流密度：(J )r=qDV E )31.愛因斯坦關系：維下(J八二-qD、p dx維下p-擴(Jn=qDd An( x)dxDn 對于電子一 H n32.連續(xù)性方程:6P - D g .EPoa 1/|LX|LX pdtp dx2pdxp dxApT + 33.PN結能帶圖:（a）n、p型半導體的能帶（b）平衡狀態(tài)pn結能帶圖圖6-7 pn結的能帶圖34.PN 結原理：6.1.2PN結接觸電勢差的推導：因此pn結勢壘高度qV

15、D補償了 n區(qū)和p區(qū)費米能級之差，使平衡pn結的費米能級處處相qVD = EFn - Efp令nn0、np0分別表示n區(qū)和p區(qū)平衡電子濃度，則對非簡并半導體有n。= n exp( J)。n 0 ik TP。兩式相除取對數(shù)得ln 端=(E - E)%。kTFnFP因為 np0 W n2/ NA，nn0 X ND 則VD = J EFn - EFp)=號(ln 知=q qksL (ln NdNa)n q n 2P 0iVD = 0.70VVD = 0.32V室溫下可以計算得到：Si的Ge的理想PN結的主要假設條件：（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)是純擴散運動；（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)計分布。影響PN結I-V特性的主要非理想因素：表面效應2.勢壘區(qū)中的產(chǎn)生與復合3.大注入條件4.串聯(lián)電阻效應PN結勢壘、擴散電容：勢壘電容：pn結上外加電壓的變化，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 的電容效應稱為勢壘電容，以CT表示。擴散電容：外加電壓變化時，n區(qū)擴散區(qū)內積累的非平衡空穴增加，與其保持電中性 的電子也相應增加。同樣，p區(qū)擴散區(qū)內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，稱為pn結的擴散電容， 以CD表示。PN結擊穿的機理：雪崩擊穿：反向偏壓很大時，勢壘區(qū)中電場很強，在勢壘區(qū)內的電子和空穴由于受到 強電場的漂移作用，具有很大的動能，它們與勢壘區(qū)內的晶格原子發(fā)生碰撞時，能把價鍵上 的電子碰撞出來，成為導電電子，同時產(chǎn)生一個空穴。于是一個載流子變成三個載流子。這 三個載流子在強電場作用下，向相反方向

18、運動，還會繼續(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）使勢壘區(qū)單位時間內產(chǎn)生大量載流子，迅速增大了反向電流，從 而發(fā)生pn結擊穿。隧道擊穿（齊納擊穿）：在強電場作用下，由隧道效應，使大量電子從價帶穿過禁帶而進入到導帶所引起的一種擊穿現(xiàn)象。熱擊穿：當pn結上施加反向電壓時，流過pn結的反向電流要引起熱損耗。反向電 流增大時，對應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溫上 升。反向飽和電流（J嚴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，結溫上升導致反向飽和電流上升，產(chǎn)生的熱量也迅速增大，進而又導致結溫上升 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 起始能量等于費米能級的電子，由金屬內部逸出到真空中所需要的最小能量。物理意義：功函數(shù)的大小標志著電子在金屬中束縛的強弱，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，這時到內部電場逐漸減弱，到空間電荷區(qū)的另一端，場強減小到零。 另一方面，空間電荷區(qū)內的電勢也要隨距離逐漸變化，這樣半 導體表面相對體內就產(chǎn)生電勢差，同時能帶也發(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