最新半导体复习1ppt课件.ppt
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1、20102010级半导体物理总结级半导体物理总结 清楚:清楚: 半导体中电子的平均速度半导体中电子的平均速度 V V (1/h1/h)dE/dkdE/dk 了解:了解: 外电场作用下半导体中电子的外电场作用下半导体中电子的运动规律运动规律 重点:重点:有效质量的意义有效质量的意义解释:解释:/a/a- -/a/a了解:了解:本征半导体本征半导体 清楚:清楚: 回旋共振实验回旋共振实验 实验原理及方法实验原理及方法了解:了解:导带底和价带顶附近的能带导带底和价带顶附近的能带结构结构 k k空间等能面空间等能面 回旋共振实验回旋共振实验 硅和锗的导带结构硅和锗的导带结构 所谓能带结构所谓能带结构-
2、E E(k k)k k关系关系 由由E(k)-E(0)=hE(k)-E(0)=h2 2k k2 2/(2m/(2mn n* *) )描述描述 硅和锗的价带结构硅和锗的价带结构 III-VIII-V族化合物半导体的能带结构族化合物半导体的能带结构 了解:了解:混合晶体的能带结构混合晶体的能带结构 III-VIII-V族化合物之间族化合物之间, ,连续固熔体连续固熔体. .构构成混合晶体,成混合晶体,能带结构随合金成分变化能带结构随合金成分变化而连续变化而连续变化( (可调可调). ).禁带宽度不同,晶格常数不同,能带结禁带宽度不同,晶格常数不同,能带结构不同构不同三元化合物三元化合物、四元化合物
3、四元化合物了解:了解: II-VIII-VI族化合物半导体的能带族化合物半导体的能带结构结构闪锌矿型结构和纤锌矿结构闪锌矿型结构和纤锌矿结构半金属或零带隙材料半金属或零带隙材料混合晶体的能带结构混合晶体的能带结构了解:了解:宽禁带半导体宽禁带半导体材料材料第第2 2章章 半导体中杂质和缺陷能级半导体中杂质和缺陷能级 晶格中的原子周期性排列被破坏晶格中的原子周期性排列被破坏半导体中的杂质和缺陷起什么样作用?半导体中的杂质和缺陷起什么样作用?为什么会起这样的作用?为什么会起这样的作用?在禁带中引入允许电子具有的能量在禁带中引入允许电子具有的能量状态状态( (即能级即能级) ) 硅锗晶体中的杂质能级
4、硅锗晶体中的杂质能级 术语:术语: 施主杂质、施主能级施主杂质、施主能级 n n型半型半导体导体 术语:术语:受主杂质、受主能级受主杂质、受主能级 p p型型半导体半导体 浅能级浅能级 了解:了解:浅能级杂质电离能的简单浅能级杂质电离能的简单计算思路计算思路 清楚:清楚: 杂质的补偿作用杂质的补偿作用 经过补偿之后,半导体中的净杂质浓度经过补偿之后,半导体中的净杂质浓度称为有效杂质浓度。称为有效杂质浓度。 当当NND D NNA A时,则时,则 NND D NNA A为有效施主浓为有效施主浓度度 当当NNA A N ND D时,则时,则NNA A N ND D为有效受主浓为有效受主浓度度 杂质
5、的高度补偿杂质的高度补偿? 了解:了解:半导体中深能级杂质半导体中深能级杂质 复合中心复合中心 了解:了解:IIIVIIIV族化物中的杂质能级族化物中的杂质能级 简释:简释:等电子陷阱等电子陷阱 简释:简释:等电子杂质效应等电子杂质效应 元素半导体中的替位受主和施主元素半导体中的替位受主和施主IIIIIIIVVVIVIILiBeBCNOFNaMgAlSiPSClCuZnGaGeAsSeBrAgCdInSnSbTeIAuHgTlPbBiPoAt三重受三重受主主双重受主双重受主单重受主单重受主基体原子基体原子等电子陷等电子陷阱阱单重施主单重施主双重施主双重施主三重施主三重施主 简释:杂质的双性行为
6、:简释:杂质的双性行为: 硅在砷化镓中既能取代镓而硅在砷化镓中既能取代镓而表现为施主杂质,又能取代砷而表现为施主杂质,又能取代砷而表现为受主杂质表现为受主杂质了解:了解:缺陷、位错能级缺陷、位错能级总结:总结:重点硅锗中替位杂质(重点硅锗中替位杂质(III,V)施主,受主概念引入(主要体现在禁带中的能级)施主,受主概念引入(主要体现在禁带中的能级)施主杂质,施主能级,受主杂质,受主能级?施主杂质,施主能级,受主杂质,受主能级?什么是杂质的补偿作用?什么是杂质的补偿作用?深能级?深能级?二元化合物中的杂质情况二元化合物中的杂质情况-等电子,双性等电子,双性由元素表分析简单(电活性),但实际复杂由
7、元素表分析简单(电活性),但实际复杂缺陷、位错了解:施、受主情况的简单解释,反结构缺陷缺陷、位错了解:施、受主情况的简单解释,反结构缺陷位错形变致禁带的变化,施、受主情况位错形变致禁带的变化,施、受主情况第第3 3章章 半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布本章节解决本章节解决: :1. 1.热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度; ;2.2.热平衡载流子浓度随温度的变化热平衡载流子浓度随温度的变化)(32/12/3*32/12/3*22*2/12/1*22)()2(4)()2(4dZdk k 2V4dZ)()2(2)(hEEmVdEdZEgdEhEEmVhdEmkdkhEEmkmkhEk
8、EcnCcnncnnC 费米能级费米能级E EF F和载流子的统计分布和载流子的统计分布 处于热平衡状态的系统有统一化学势!处于热平衡状态的系统有统一化学势!处于热平衡状态的电子系统有统一的费处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级!米能级! 清楚:导出导带中的电子浓度和价清楚:导出导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度思路带中的空穴浓度思路 dEEETkEEhmVdNdEEgEfdNcFNcB2/1032/3*)(exp()2(4)()(dEEETkEEhmdnVdNcFN2/1032/3*)(exp()2(4dEEETkEEhmncFnEEcc2/1032/3*0)(exp()2(432/30
9、*)2(2hTkmn)exp(00TkEEnFc32/30*)2(2hTkm)exp(00TkEEF重要结论:重要结论: 电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关。电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关。 半导体材料定,乘积半导体材料定,乘积n n0 0p p0 0只决定于温度只决定于温度T T,与所含杂质无关。与所含杂质无关。 在一定温度在一定温度T T下,半导体材料不同,禁带下,半导体材料不同,禁带宽度宽度EgEg不同,乘积不同,乘积n n0 0p p0 0也将不同。也将不同。 普遍适用本征半导体和杂质半导体(热普遍适用本征半导体和杂质半导体(热平衡状态、非简并)。平衡状态、非简并)。)exp(03
10、00TkETng)exp(exp()exp(00000TkEETkEETkEEncFFc载流子浓度的乘积载流子浓度的乘积 本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度 n0=p0nTkEEc0)()exp(0TkEnn n0 0p p0 0=n=n2 2i i 说明说明: :在一定温度下,任何非简并在一定温度下,任何非简并半导体的热平衡载流子浓度的乘积半导体的热平衡载流子浓度的乘积n n0 0p p0 0等于该温度时的本征载流子浓度等于该温度时的本征载流子浓度n ni i的平的平方,与所含杂质无关。方,与所含杂质无关。 不仅适用于本征半导体材料,而且不仅适用于本征半导体材料,而且也适用于非简并
11、的杂质半导体材料。也适用于非简并的杂质半导体材料。()()()exp()exp()002/3*TkEkTmm提出实验提出实验重点:重点: 杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度n n型半导体的载流子浓度型半导体的载流子浓度1. 1. 低温弱电离区低温弱电离区)(2lim0DcFKTEEE 在在ln nln n0 0 T T-3/4-3/4-1/T-1/T图中,上述方程为一直线。图中,上述方程为一直线。 其斜率为其斜率为E ED D/ /(2k2k0 0),),可通过实验测定可通过实验测定n n0 0T T关系,定出杂质电离能,得到杂质能级关系,定出杂质电离能,得到杂质能级的位置。的位置。
12、TkENNnDcD0022ln21ln如何由实验得电离能如何由实验得电离能2. 2. 中间电离区中间电离区 温度升高,当温度升高,当2NcN2NcND D。)(3 3强电离区强电离区 温度升高至大部分杂质都电离称为温度升高至大部分杂质都电离称为强电离。这时强电离。这时n nD D+ +NND D 费米能级费米能级E EF F位于位于E ED D之下。之下。 DFccNTkEEN)exp(0)ln(0cDcFNNTkEE饱和区饱和区n0=ND+p04. 4. 过渡区过渡区过渡区过渡区-半导体处于半导体处于饱和区饱和区和完全和完全本征本征激发激发之间。之间。导带电子一部分来源于全部电离的杂质导带电
13、子一部分来源于全部电离的杂质,另一部分则由,另一部分则由本征激发提供本征激发提供,价带中,价带中产生了一定量空穴。产生了一定量空穴。电中性条件是电中性条件是 n n0 0=N=ND D+p+p0 0 5. 5. 高温本征激发区高温本征激发区 继续升高温度,本征激发逐渐占主继续升高温度,本征激发逐渐占主导,本征激发产生的本征载流子数远多导,本征激发产生的本征载流子数远多于杂质电离产生的载流子数,即于杂质电离产生的载流子数,即 n n0 0NND D,p p0 0NND D 这时电中性条件是这时电中性条件是n n0 0= p= p0 0 ,与未掺,与未掺杂的本征半导体情形一样,因此称为杂杂的本征半
14、导体情形一样,因此称为杂质半导体进入本征激发区。质半导体进入本征激发区。 n n型硅的电子浓度与温度的关系曲线型硅的电子浓度与温度的关系曲线T200 300 400 600 10162*1016载流子浓度与杂质浓度的关系曲线载流子浓度与杂质浓度的关系曲线少数载流子(少子)浓度少数载流子(少子)浓度 n n型半导体型半导体多子浓度多子浓度n nn0n0=N=ND D,由,由n nnonop pnono=n=ni i2 2 关系,得到关系,得到少子浓度少子浓度p pnono为为 p pno no = n= ni i2 2 / N / ND D p p型半导体型半导体 多子浓度多子浓度p pp0p0
15、=N=NA A,少子浓度,少子浓度n np0p0为为 n npo po = n= ni i2 2 / N / NA A 了解:了解:一般情况下的载流子统计分一般情况下的载流子统计分布布 iiAiDjpnnp00 Ec- EF 2k0T 非简并非简并0Ec- EF 2k0T 弱简并弱简并Ec-EF0 0 简并简并 了解:了解:简并半导体简并半导体发生载流子简并化的半导体称为简并半发生载流子简并化的半导体称为简并半导体导体简并化条件简并化条件 低温载流子冻析效应?低温载流子冻析效应?禁带变窄效应?禁带变窄效应?电离能随杂质浓度的升高而下降电离能随杂质浓度的升高而下降(1)一)一n型半导体材料,作出
16、型半导体材料,作出n0 T的变化图并解释。的变化图并解释。(10分)分)(2)作图描述)作图描述p型半导体材料中费米能级随受主杂质浓型半导体材料中费米能级随受主杂质浓度和温度的变化。(度和温度的变化。(10分)分) 两种半导体材料,除材料两种半导体材料,除材料A禁带宽度禁带宽度Eg=1.0eV,材料,材料B禁带宽度禁带宽度Eg=1.2eV外,有严格相同性质,请给出材外,有严格相同性质,请给出材料料A本征载流子浓度本征载流子浓度ni对材料对材料B本征载流子浓度本征载流子浓度ni的比的比值(值(T=300K)第四章第四章 半导体的导电性半导体的导电性 清楚:迁移率、电导率、电阻率清楚:迁移率、电导
17、率、电阻率随温度和杂质浓度随温度和杂质浓度的变化规律。的变化规律。漂移速度漂移速度 迁移率迁移率 半导体中半导体中 J= J= J Jn n + + J Jp p =q(n =q(n n n +p +p p p )|E| )|E| 半导体半导体 =q(n =q(n n n +p +p p p ) ) 载流子的散射载流子的散射 载流子的散射机制(机构)载流子的散射机制(机构) 载流子的散射机制(机构)与载流子的散射机制(机构)与温度和杂温度和杂质浓度质浓度的关系的关系 简释:简释:平均自由程平均自由程 简释:简释:平均自由时间平均自由时间 简释:简释:平均漂移速度平均漂移速度 半导体的主要散射机
18、构半导体的主要散射机构 1 1电离杂质的散射电离杂质的散射 P Pi i N Ni iT T-3/2-3/2 2 2晶格振动的散射晶格振动的散射 声学波和光学波声学波和光学波 Ps Ps T T3 32 2 光学波散射光学波散射简释:简释: 谷间散射谷间散射 中性杂质散射中性杂质散射 位错散射位错散射 合金散射合金散射清楚:清楚: 迁移率与杂质浓度和温度的关迁移率与杂质浓度和温度的关系系 (平均自由时间和散射概率的(平均自由时间和散射概率的关系)关系) P1平均自由时间的数值等于散射概率的倒数平均自由时间的数值等于散射概率的倒数混合形型型*2*2*2*2ppnnpnppppnnnnmpqmnq
19、pqnqmpqpqmnqnqn*mq电导率、迁移率与平均自由时间电导率、迁移率与平均自由时间的关系的关系一般情况下:电子迁移率大于空穴一般情况下:电子迁移率大于空穴迁移率原因迁移率原因迁移率与杂质和温度的关系迁移率与杂质和温度的关系 对不同散射机构迁移率与温度的关系为对不同散射机构迁移率与温度的关系为 电离杂质散射电离杂质散射 i iNNi i-1 -1T T3/2 3/2 声学波散射声学波散射 s sTT-3/2-3/2 光学波散射光学波散射 0 0 expexp(h h 1 1 /k/k0 0t t)-1-1 硅电子和空穴迁移率与杂质和温度的关系硅电子和空穴迁移率与杂质和温度的关系 处理问
20、题:处理问题: 有许多散射机构存在时,要有许多散射机构存在时,要找出找出起主要作用的散射构机,它的平均自起主要作用的散射构机,它的平均自由时间特别短,散射概率特别大,由时间特别短,散射概率特别大,其其他贡献可以略去,迁移率主要由这种他贡献可以略去,迁移率主要由这种机构决定。机构决定。能定性分析迁移率随杂质浓度和温度的变能定性分析迁移率随杂质浓度和温度的变化化掺杂的锗、硅等(原子晶体),主要散射掺杂的锗、硅等(原子晶体),主要散射机构是声学波散射和电离杂质散射。机构是声学波散射和电离杂质散射。s和和i可写为可写为s = q/(m*AT3/2 )i=qT3/2/( m*BNi ) 1/ =1/s+
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