2022年半导体物理复习归纳 .pdf

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1、学习好资料欢迎下载一、半导体的电子状态1、金刚石结构（Si、Ge）Si、Ge 原子组成，正四面体结构，由两个面心立方沿空间对角线互相平移1/4 个空间对角线长度套构而成。由相同原子构成的复式格子。2、闪锌矿结构（GaAs）3-5 族化合物分子构成，与金刚石结构类似，由两类原子各自形成的面心立方沿空间对角线相互平移 1/4 个空间对角线长度套构而成。由共价键结合，有一定离子键。由不同原子构成的复式格子。3、纤锌矿结构（ZnS）与闪锌矿结构类似，以正四面体结构为基础，具有六方对称性，由两类原子各自组成的六方排列 的双原子层堆积 而成。是共价化合物，但具有离子性，且离子性占优 。4、氯化钠结构（Na

2、Cl）沿棱方向平移1/2，形成的复式格子。5、原子能级与晶体能带原子组成晶体时， 由于原子间距非常小，于是电子可以在整个晶体中做共有化运动，导致能级劈裂形成能带。6、脱离共价键所需的最低能量就是禁带宽度。价带上的电子激发为准自由电子，即价带电子激发为导带电子的过程，称为本征激发。7、有效质量的意义a.有效质量概括了半导体内部势场的作用（有效质量为负说明晶格对粒子做负功）b.有效质量可以直接由实验测定c.有效质量与能量函数对于k 的二次微商成反比。能带越窄 ，二次微商越小， 有效质量越大。8、测量有效质量 的方法回旋共振 。当交变电磁场 角频率等于 回旋频率 时，就可以发生共振吸收 。测出共振吸

3、收时电磁波的角频率和磁感应强度，就可以算出有效质量。为能观测出明显的共振吸收峰，要求样品 纯度较高 ，且实验要在 低温 下进行。9、空穴价带中空着的状态被看成带正电的粒子，称为空穴。这是一种假想的粒子，其带正电荷+q，而且具有正的有效质量mp* 。10、轻 /重空穴重空穴：有效质量较大的空穴轻空穴：有效质量较小的空穴11、间接带隙半导体导带底 和价带顶 处于 不同 k 值的半导体。二、半导体中的杂质和缺陷能级1、晶胞空间体积计算Si晶胞中有 8 个硅原子，每个原子看做半径为r 的圆球，则8 个原子占晶胞空间的百分数：立方体某顶角的圆球中心与距此顶角1/4 体对角线长度处的圆球中心间的距离为2r

4、，且等于边长为 a 的立方体体对角线长（a3）的 1/4。2、杂质类型间隙式 ：原子较小，存在于晶格原子间的间隙位置精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 7 页 - - - - - - - - - - 学习好资料欢迎下载替位式 ：原子大小及价电子壳层结构与晶格原子相近，取代晶格原子而位于晶格格点处（ 3、5 族元素属于替位式）3、杂质能级被施主 /受主杂质束缚的电子/空穴的能量状态称为施主ED/受主 EA能级，位于离导带 /价带很近的禁带中。电子/空穴挣脱杂质束缚成为导电粒子所需的能

5、量称为杂质电离能 。杂质电离能小的杂质能级很接近导带底/价带顶，称为 浅能级 ，在室温下就几乎全部离化。4、杂质补偿施主、受主杂质间的相互抵消作用称为杂质补偿。高度补偿的半导体虽然导电性类似高纯半导体，但实际性能很差。5、深能级杂质施主杂质能级距离导带底、受主杂质能级距离价带顶很远的能级称为深能级 。深能级杂质能够多次电离 ，往往在禁带 引入若干个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。深能级杂质对载流子浓度和导电类型的影响没有浅能级杂质显著，但对于载流子复合作用比浅能级杂质强，故也称为复合中心。6、缺陷点缺陷、位错三、载流子统计分布1、热平衡载流子产生：本征激发 （电子从晶格获取能

6、量从价带跃迁到导带形成导带电子和价带空穴）杂质电离（电子从施主能级跃迁到导带产生导带电子，从价带跃迁到受主能级产生价带空穴）载流子复合：电子从高能量量子态跃迁到低能量量子态，并向晶格放出能量。载流子 产生与复合达到动态平衡，称为 热平衡 ，此时导电的电子与空穴浓度均保持稳定。2、获得 热平衡载流子浓度的思路：A.允许的量子态按能量如何分布 状态密度B.电子在允许的量子态中如何分布 分布函数3、状态密度状态密度g(E)是能带中， 能量 E 附近每单位能量间隔内的量子态数。电子 / 空穴能量越高，状态密度越大 。计算步骤：A.算出 k 空间中的量子态密度（量子态数除以k 空间体积）在 k 空间中坐

7、标是2/L（L 是 k 半导体晶体线度，L3等于晶体体积）的整数倍，每个单位立方体中有1 个量子态（计入电子自旋则为2 个量子态）B.算出 k 空间中与能量E(E+dE) 间所对应的k 空间体积等能球面的球壳体积4k2dk C.两者相乘即为能量E(E+dE) 间的量子态数D.g(E)=dZ/dE，由 E-k 关系化简得4、费米分布电子占据费米能级的概率在各种温度下总是1/2。费米能级标志了电子填充能级的水平。5、玻尔兹曼分布6、热平衡条件精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 7 页

8、- - - - - - - - - - 学习好资料欢迎下载7、杂质能级与能带中的能级有区别：能带中的能级可以容纳自旋方向相反的两个 电子，而施主能级不允许同时被自旋方向相反的两个电子占据（要么容纳一个，要么空着）。8、费米能级远在施主能级下时施主杂质几乎完全电离，费米能级远在受主能级上时受主杂质几乎完全电离。 （简并。重掺杂时费米能级很靠近甚至进入导带/价带）9、载流子浓度随温度变化A.低温弱电离区： 杂质少量电离， 本征激发可忽略。该段 EF随温度先上升再下降，在温度上升到使 NC=0.11ND时 EF达到极值。杂质浓度越高，达到极值的温度越高。B.中间电离区C.强电离区（饱和区） ：杂质几

9、乎完全电离。载流子浓度随温度保持不变。D.过渡区E.本征激发区10、费米能级随温度及杂质浓度变化11、简并 半导体重掺杂 情况下，费米能级进入导带（或价带）的情况。此时必须考虑泡利不相容 原理，因而不能 再使用 玻尔兹曼分布，必须使用 费米分布 。发生简并时的杂质浓度与 杂质电离能 ED（掺杂类型）和温度 T 有关。 ED越小，则发生简并的杂质浓度较小时。发生简并化有一个温度范围， 杂质浓度越大，发生简并的温度范围越宽。12、禁带变窄 效应简并 半导体中，杂质浓度高，杂质原子相互间比较靠近，导致孤立的杂质能级扩展为杂质能带 。这会使 杂质电离能减小。当 杂质能带与导带或价带相连，将使禁带宽度变

10、窄。杂质能带中的 电子 在杂质原子间 做共有化运动参与导电，称为 杂质带导电 。13、载流子冻析 效应温度低 于 100K 时，施主杂质部分电离，尚有 部分载流子 被 冻析 在杂质能级 上， 对导电没有贡献 ，这称为低温载流子冻析效应。四、导电性1、迁移率表示 单位场强下电子的平均漂移速率，习惯上迁移率只取正值。2、连续两次散射间自由运动的平均路程称为平均自由程 ，平均时间称为平均自由时间。3、载流子在外电场作用下的实际运动轨迹 是热运动 和漂移运动 的叠加。4、恒定电场下，电流密度恒定。5、主要散射机制A.电离杂质散射 ：散射概率 PiNi*T - 3 /2B.晶格振动散射晶格中原子的振动都

11、是由若干不同基本波叠加，这些基本波称为格波。对于 Si等半导体，原胞中有2 个原子，对应每个q 有 6 个格波（ 1 个原子对应每个q 有一纵两横 ） ，频率 最低的 3 个是 声学波 ，频率 最高的 3 个是 光学波 。晶格振动散射起主要作用的是 长纵声学波 。Ps T 3 /26、迁移率随温度和杂质浓度变化精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 7 页 - - - - - - - - - - 学习好资料欢迎下载五、非平衡载流子1、外界作用破坏了热平衡状态，此时比平衡状态多出来的这部

12、分载流子称为非平衡载流子。2、小注入条件：注入的非平衡载流子浓度比平衡时多子浓度小的多。3、非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命 ，寿命的倒数 称为单位时间内非平衡载流子的 复合概率 。单位时间单位体积内净复合 的电子空穴对数称为 复合率 。寿命标志着非平衡载流子浓度减少到原值的1 /e 所经历的时间 。4、非平衡时导带和价带分别处于平衡状态，而导带和价带间处于不平衡状态。于是引入导带费米能级和价带费米能级，它们都是局部的费米能级，称为 准费米能级 。非平衡载流子越多，准费米能级偏离费米能级越远。在非平衡态，多子的准费米能级与费米能级相差不远，而少子的准费米能级与费米能级相差较远。

13、两者靠的越近，说明越接近平衡态。5、复合按复合过程分为：直接复合 ：电子在导带和价带间直接跃迁，引起电子空穴复合间接复合 ：电子和空穴通过禁带的能级（复合中心）进行复合按复合位置分为：表面复合 和体内复合复合 时会 放出能量 ，发射光子 或者发射 声子 或者将 能量给其他载流子增加它们的动能（俄歇复合 ） 。6、直接复合禁带越宽，直接复合概率越小产生率基本不变，且等于热平衡时的复合率G=rn0p0，而复合率R=rnp，故非平衡载流子净复合率 U=R-G=r(np-ni2)。其中 r 是平均电子空穴复合概率。7、间接复合杂质和缺陷在禁带中形成能级，对复合有促进作用位于 禁带中央附近的深能级是最有

14、效的复合中心。8、表面复合大多数期间总是希望获得良好的表面，以尽量降低表面复合速度，然而另一方面， 在某些物理测量中，为了消除金属探针注入效应的影响，却要设法增大表面复合。9、陷阱效应杂质能级 具有 积累非平衡载流子的作用，称为 陷阱效应 。所有杂质能级都有一定陷阱效应。有显著 陷阱效应的 杂质能级 称为陷阱 ，相应的 杂质和缺陷 称为 陷阱中心 。复合中心 ：俘获电子和空穴的能力差不多，rp=rn，无显著陷阱效应。电子陷阱 ：rnrp空穴陷阱 ：rprn 杂质能级与平衡时费米能级重合时 最有利于陷阱作用。陷阱的存在大大增加了从非平衡态恢复到平衡态的弛豫时间。陷阱效应对多子不明显，对少子明显。

15、六、金半接触1、表面态对接触势垒的影响表面处的禁带存在表面态。施主型 表面态：能级被电子占据时呈电中性，释放电子后显正电。 要保证这个表面态电中性，就需要他在 中性能级以下 。受主型 表面态：能级空着时显电中性，接收电子后显负电。中性能级以上。中性能级 ：电子正好填满中性能级以下所有表面态时，表面显电中性。距离价带顶Eg/3 处。精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 7 页 - - - - - - - - - - 学习好资料欢迎下载2、表面态密度很大，只要 EF比中性能级高一点，在表

16、面态就会累积很多负电荷（对电子而言是势垒），由于能带向上弯， 表面处 EF很接近中性能级，势垒高度就等于原来费米能级和中性能级之差，这时 势垒高度 称为被 高表面态密度钉扎，半导体费米能级几乎不随金属改变而改变， 只与表面性质有关，即屏蔽金属接触的影响。 （费米能级钉扎效应） 因此，WmWs时也可以形成n 型阻挡层。3、整流接触正偏 ：势垒高度降低，半导体到金属的电子数 增加 且大于金属到半导体的电子，形成金属到半导体的 正向电流 ，由 n 型半导体中多子构成。外加电压越高，正向电流越大。反偏 ：势垒高度增加，半导体到金属的电子数 减少 且小于金属到半导体的电子，形成半导体到金属的反向电流，由

17、于金属中的电子要越过相当高的势垒（金半功函数差）才能到达半导体 ，所以 反向电流很小。且由于该 势垒高度不随外加电压变化，所以金属到半导体的电子数保持不变，而半导体到金属的电子数减小到忽略不计，反向电流趋于饱和 。4、肖特基势垒二极管利用 金半整流 接触特性制成的二极管称为肖特基二极管。优点： 多子器件 ，无论正偏反偏其载流子都不发生明显累积，开关特性好 ，适合 高频 。肖特基二极管具有较低的正向导通电压。5、金属探针与半导体接触测量半导体电阻率时要避免少子注入，为此需要 增加表面复合。6、欧姆接触非整流接触 ，即表面处形成势阱（n 型能带在表面下弯，p 型能带在表面上弯） 。不考虑表面态的影

18、响时WmWs 的 p 型半导体。实际上， Si等半导体一般具有很高的表面态密度，无论 n 型还是 p 型与金属接触都会形成势垒，因此 不能采取选择金属材料（改变功函数差）的方法来实现欧姆接触。但是可以通过采取在 半导体表面重掺杂后再与金属接触，利用 隧道效应 得到 欧姆接触 。七、 MIS 结构1、表面态对应的能级叫做表面能级。2、晶格 表面最外层每个原子都有一个未配对的电子，即有一个 未饱和的键 ，称为 悬挂键 。3、理想表面指表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。4、表面场效应堆积、耗尽、反型空间电荷层内的电荷由反型层的载流子和耗尽层的电离

19、杂质组成。5、Q-V 特性6、深耗尽状态 （CCD工作基础）当表面电场 幅度较大，变化快（如脉冲阶跃正电压）少子产生速率跟不上电压变化， 反型层来不及产生，为了维持电中性，耗尽层向半导体体内深处延伸 ，产生大量电离杂质。 （深耗尽状态）此时 耗尽层宽度远大于Xdm，且随 Vg幅度增大而增大。热弛豫时间 ：从初始的 深耗尽状态到热平衡反型层状态所经历的时间。即耗尽层宽度减小到 Xdm 的时间。（反型层的建立时间并非很快 ，1100s）7、C-V特性精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 5 页，共

20、7 页 - - - - - - - - - - 学习好资料欢迎下载八、异质结1、异质结 的优点： 高迁移率 、高辐射复合效率，适宜制作超高速开关 、太阳能电池 、半导体激光器 。2、异质结：同型（导电类型相同）、反型（导电类型相反）3、反型 异质结：交界面两侧 都是 耗尽层4、同型 异质结：交界面一侧 是耗尽层 ，另 一侧是积累层 （禁带宽度小的一侧是阱，大的一侧是垒）5、二维电子气 ：半导体的载流子主要来自杂质电离，然而载流子会与电离后的杂质发生碰撞散射，而降低其行动能力。在某些异质结中，高掺杂宽禁带区中杂质提供的电子会掉到中间势阱层 ，称为 二维电子气 ，这种异质结称为调制掺杂异质结。因为

21、在 空间上电子与杂质分开 ，电子的行动不会因与杂质碰撞而受限制，所以迁移率大大提高，这是高速器件的基本要素。（高载流子浓度、高迁移率）6、异质 pn 结高注入 特性高注入比 ，作发射区 可获得 高的注入比和发射效率。使 基区厚度 大大 减薄 ，改善高频特性。7、异质 pn 结超注入宽禁带 半导体 注入 到窄禁带半导体的少子浓度超过宽禁带半导体的多子浓度 。P区少子准费米能级上升到可与n 区多子准费米能级持平，并且更接近导带底，所以电子浓度高于 n 区。实现 异质结激光器 。8、超晶格交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构，而其薄层厚度的周期小于电子的平均自由程。九、光电、热电效应1、对

22、于吸收系数很大的情况下，光的吸收集中在晶体很薄的表面层。2、渗入深度：光子流衰减为表面处1/e 时的距离。3、直接跃迁 ：电子 吸收光子 产生跃迁时 波失保持不变4、间接跃迁 ：电子 不仅吸收光子，同时还 与晶格交换了一定能量。5、间接跃迁 的光吸收系数 比直接跃迁 小很多 。6、光电二极管 ：光生电压 相当于 正偏，产生一定正向电流7、发光二极管 ：正偏，少子注入，与多子复合发光8、热电效应：温差生成电势差（赛贝克），原因： 温生浓度差 ，冷热端 扩散 。P型热端电势低。电势差生成温差（帕尔贴），原因： 电子运动精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 6 页，共 7 页 - - - - - - - - - - 文档编码：KDHSIBDSUFVBSUDHSIDHSIBF-SDSD587FCDCVDCJUH 欢迎下载 精美文档欢迎下载 精品资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - 欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页，共 7 页 - - - - - - - - - -