半導(dǎo)體物理學(xué)基本概念

1、 /7 /7體物理學(xué)基本概念半導(dǎo)體物理學(xué)基本觀點(diǎn)1）有效質(zhì)量的大小仍有效質(zhì)量載流子在晶體中的表觀質(zhì)量，它表現(xiàn)了周期場對電子運(yùn)動的影響。其物理意義：然是慣性大小的量度；）2有效質(zhì)量反應(yīng)了電子在晶格與外場之間能量和動量的傳達(dá)，所以可正可負(fù)空穴是一種準(zhǔn)粒子，代表半導(dǎo)體近滿帶（價帶）中的少許空態(tài)，相當(dāng)于擁有正的電子電荷和正的有效質(zhì)量的粒子，描繪了近滿帶中大批電子的運(yùn)動行為。盤旋共振半導(dǎo)體中的電子在恒定磁場中受洛侖茲力作用將作盤旋運(yùn)動，此時在半導(dǎo)體上再加垂直于磁場的交變磁場，當(dāng)交變磁場的頻次等于電子的盤旋頻次時，發(fā)生激烈的共振汲取現(xiàn)象，稱為盤旋共振。施主在半導(dǎo)體中起施予電子作用的雜質(zhì)。受主在半導(dǎo)體中起接

2、受電子作用的雜質(zhì)。雜質(zhì)電離能使中性施主雜質(zhì)約束的電子電離或使中性受主雜質(zhì)約束的空穴電離所需要的能量。n-型半導(dǎo)體以電子為主要載流子的半導(dǎo)體。p-型半導(dǎo)體以空穴為主要載流子的半導(dǎo)體。淺能級雜質(zhì)雜質(zhì)能級位于半導(dǎo)體禁帶中湊近導(dǎo)帶底或價帶頂，即雜質(zhì)電離能很低的雜質(zhì)。淺能級雜質(zhì)對半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)有較大的影響。深能級雜質(zhì)雜質(zhì)能級位于半導(dǎo)體禁帶中遠(yuǎn)離導(dǎo)帶底（施主）或價帶頂（受主），即雜質(zhì)電離能很大的雜質(zhì)。深能級雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性質(zhì)影響較小，但對半導(dǎo)體中非均衡載流子的復(fù)合過程有重要作用。位于半導(dǎo)體禁帶中央能級鄰近的深能級雜質(zhì)是有效的復(fù)合中心。雜質(zhì)賠償在半導(dǎo)體中同時存在施主和受主雜質(zhì)時，存在雜質(zhì)賠償現(xiàn)象，即施主

3、雜質(zhì)約束的電子優(yōu)先填補(bǔ)受主能級，實(shí)質(zhì)的有效雜質(zhì)濃度為賠償后的雜質(zhì)濃度，即二者之差。直接帶隙半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底和價帶頂位于k空間同一地點(diǎn)時稱為直接帶隙。直接帶隙資猜中載流子躍遷幾率較大。間接帶隙半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底和價帶頂位于k空間不一樣地點(diǎn)時稱為間接帶隙。間接帶隙資猜中載流子躍遷時需有聲子參加，躍遷幾率較小。均衡狀態(tài)與非均衡狀態(tài)半-導(dǎo)體處于熱均衡態(tài)時，載流子遵照均衡態(tài)散布，電子和空穴擁有一致的費(fèi)米能級。半導(dǎo)體處于外場中時為非均衡態(tài)，載流子散布函數(shù)偏離均衡態(tài)散布，電子和空穴不擁有一致的費(fèi)米能級，載流子濃度也比均衡時多出一部分，但可以為它們各自達(dá)到均衡，可引入準(zhǔn)費(fèi)米能級表示。電中性條件半導(dǎo)體在任何狀況下都保

4、持體內(nèi)電中性，即單位體積內(nèi)正電荷數(shù)與負(fù)電荷數(shù)相等。非簡并半導(dǎo)體半導(dǎo)體中載流子散布可由經(jīng)典的玻爾茲曼散布取代費(fèi)米散布描繪時，稱之為非簡并半導(dǎo)體簡并半導(dǎo)體半導(dǎo)體重混雜時，其費(fèi)米能級有可能進(jìn)入到導(dǎo)帶或價帶中，此時載流子散布一定用費(fèi)米散布描繪，稱之為簡并半導(dǎo)體。簡并半導(dǎo)體有以下性質(zhì)：1）雜質(zhì)不可以充足電離；）2雜質(zhì)能級擴(kuò)展為雜質(zhì)能帶。假如雜質(zhì)能帶與導(dǎo)帶或價帶相連，則禁帶寬度將減小。本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體即純凈半導(dǎo)體，其載流子濃度隨溫度增添呈指數(shù)規(guī)律增添。雜質(zhì)半導(dǎo)體在半導(dǎo)體中人為地，有控制地?fù)饺肷僭S的淺能級雜質(zhì)的半導(dǎo)體，可在較大溫度范圍內(nèi)保持半導(dǎo)體內(nèi)載流子濃度不隨溫度改變。即混雜的主要作用是在較大溫度范圍

5、保持半導(dǎo)體中載流濃度不變。n-型半導(dǎo)體中的電子。而多半載流子與少量載流子多-半載流子是在半導(dǎo)體輸運(yùn)過程中起主要作用的載流子，如少量載流子在是在半導(dǎo)體輸運(yùn)過程中起次要作用的載流子，如n-型半導(dǎo)體中的空穴。費(fèi)米散布費(fèi)米散布是費(fèi)米子（電子）在均衡態(tài)時的散布，其物理意義是在溫度T時，電子占有能量為E的狀態(tài)的幾率，或能量為E的狀態(tài)上的均勻電子數(shù)。費(fèi)米能級費(fèi)米能級是T=0K時電子系統(tǒng)中電子占有態(tài)和未占有態(tài)的分界限，是T=0K時系統(tǒng)中電子所能擁有的最高能量。漂移速度載流子在外場作用下定向運(yùn)動的均勻速度，弱場下漂移速度大小正比于外場強(qiáng)度。遷徙率描繪半導(dǎo)體中載流子在外場中運(yùn)動難易程度的物理量，若外場不太強(qiáng)，載流

6、子運(yùn)動遵照歐姆定律時，遷徙率與電場強(qiáng)度沒關(guān)，為一常數(shù)。強(qiáng)場時，遷徙率與外場相關(guān)。電導(dǎo)率描繪資料導(dǎo)電性質(zhì)的物理量。半導(dǎo)體中載流子遵照歐姆定律時，電流密度正比于電場強(qiáng)度，其比率系數(shù)即為電導(dǎo)率。電導(dǎo)率大小與載流子濃度，載流子的遷徙率相關(guān)。從微觀體制看，電導(dǎo)率與載流子的散射過程相關(guān)。電阻率電導(dǎo)率的倒數(shù)。本征半導(dǎo)體電阻率隨溫度上漲而單一降落。相同，電阻率與載流子的散射過程相關(guān)。金屬電阻率隨溫度上漲而上漲。（晶格振動散射）散射幾率載流子在單位時間內(nèi)被散射的次數(shù)。均勻自由時間載流子在兩次散射之間自由運(yùn)動的均勻時間。強(qiáng)場效應(yīng)電場強(qiáng)度較高時載流子的均勻漂移速度與電場強(qiáng)度間的關(guān)系偏離線性關(guān)系的現(xiàn)象，此時遷徙率不再

7、是常數(shù)。電場強(qiáng)度持續(xù)增添時，漂移速度不再隨外場增添而變化，達(dá)到飽和。熱載流子半導(dǎo)體處于強(qiáng)場中時，電子的均勻能量高于晶格均勻能量，以溫度胸懷，則電子均勻溫度高于晶格均勻溫度，所以稱強(qiáng)場中電子為熱載流子。多能谷散射半導(dǎo)體中有多個能量值湊近的導(dǎo)帶底時，電子被散射到不一樣能谷的現(xiàn)象。負(fù)微分電導(dǎo)（電阻）一一-定義dJ/dE為微分電導(dǎo)，當(dāng)半導(dǎo)體中電流密度隨電場增添而減小時，微分電導(dǎo)小于零，稱為負(fù)微分電導(dǎo)。耿氏振蕩存在負(fù)微分電導(dǎo)的半導(dǎo)體在強(qiáng)場中電流出現(xiàn)振蕩的現(xiàn)象。因?yàn)檩d流子散布不均勻，在高阻區(qū)形成偶極疇,偶極疇不停產(chǎn)生、長大、漂移和汲取的過程便產(chǎn)生微波振蕩。非均衡載流子半導(dǎo)體處于非均衡態(tài)時，比均衡態(tài)時多出來

8、的那一部分載流子稱為非均衡載流子。p=An非均衡載流子的注入與復(fù)合-甘均衡載流子的產(chǎn)生過程稱為注入，非均衡載流子湮滅的過程稱為復(fù)合。準(zhǔn)費(fèi)米能級一一半導(dǎo)體處于非均衡態(tài)時，導(dǎo)帶電子和價帶空穴不再有一致的費(fèi)米能級，但能夠以為它們各自達(dá)到均衡，相應(yīng)的費(fèi)米能級稱為電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級。少子壽命一一非均衡少量載流子在半導(dǎo)體中存在的均勻時間。即產(chǎn)生非均衡載流子的要素去除后，非均衡載流子濃度衰減至初始時濃度的1/倍所需的時間。直接復(fù)合電子從導(dǎo)帶直接躍遷至價帶與空穴相遇而復(fù)合。間接復(fù)合電子經(jīng)過禁帶中的能級而躍遷至價帶與空穴相遇而復(fù)合。表面復(fù)合一一發(fā)生在半導(dǎo)體表面處的復(fù)合。體內(nèi)復(fù)合發(fā)生在半導(dǎo)體內(nèi)部的復(fù)合。輻射復(fù)

9、合一一電子從高能級躍遷至低能級與空穴復(fù)合時，剩余的能量以輻射光子的形式開釋。無輻射復(fù)合一一電子從高能級躍遷至低能級與空穴復(fù)合時，剩余的能量以輻射聲子的形式開釋。俄歇復(fù)合一一電子從高能級躍遷至低能級與空穴復(fù)合時，開釋的能量用于其余載流子由較低能態(tài)躍遷至較高能態(tài)。復(fù)合中心對間接復(fù)合起促使作用的深能級雜質(zhì)。相應(yīng)的雜質(zhì)能級稱為復(fù)合中心能級，往常位于半導(dǎo)體禁帶中央能級鄰近。載流子圈套對間接復(fù)合起阻擋作用的深能級雜質(zhì)。相應(yīng)的雜質(zhì)能級稱為圈套能級。半導(dǎo)體物理學(xué)計算問題能態(tài)密度費(fèi)米散布雜質(zhì)電離能載流子濃度費(fèi)米能級與準(zhǔn)費(fèi)米能級電阻率電導(dǎo)率例1.已知Si導(dǎo)帶底在100方向，等能面為旋轉(zhuǎn)橢球面，等能面鄰近能譜：為h

10、2ki2k22k322mtmltl解：由能態(tài)密度定義:gEdZdE式中dZ為E-E+dE之間的能量狀態(tài)數(shù)，也可rrdZ.igiEdE2gkdkrVr式中g(shù)k3，dk為k空間體積元。2Eh2k22k卩k12k22k322mtml2mtE2mE1h2h2橫向和縱向有效質(zhì)量。試求Si導(dǎo)帶的能態(tài)密度。以視為k空間中兩等能面之間的狀態(tài)數(shù)，對一支能帶：I體物理學(xué)本12 /7等能面為橢球面，此等能面所圍的體積為:兩等能面之間的體積：r4232mm123,_i12dEdkdV*3h32E2232mm12E12dE3tihSi導(dǎo)帶底在100方向,V*4abc42mEt2mEL33h2h24232mm1；11-L

11、-E323h3rrdZ：giEdE2gkdk22mm122.V32ftlE1?dE23h332V2mtmf12dE22h2，故能態(tài)密度：32IgEgiE6V2mtm12R22h2i326m2V2mi2E1222h2ti2mc32VE1222h2i23f13mc6mtm12623m2叫能態(tài)密度有效質(zhì)量例2.某晶體價電子擁有球形等能面，電子能譜為:h2k2試求其能態(tài)密度。2m解：dZgEdE2gkdkV234k2dk2V2mE2m11E12dE32V2mE12dE22h22mh232E12例3.求本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級和載流子濃度。解：本征半導(dǎo)體的電中性條件：環(huán)R)noEENcexp(cF)kBTP

12、oNcEexp(_cexp(kpTlnNkBTRbTkpTNcI體物理學(xué)本 /7E.1EfEcEiEfkTlnNBv2NC3kT：B4ninop0*mmEn)NcNv12eXP(g)2kBT例4.已知處于均衡態(tài)的非簡并半導(dǎo)體中施主濃度為ND，當(dāng)半導(dǎo)體處于飽和區(qū)時，求其費(fèi)米能級和載流子濃度。解：只含一種施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體的電中性條件：n00PnDor0np0(ndnD半導(dǎo)體處于飽和區(qū)時,(P0,n(nDNcexpEckTB載流子濃度:EEfFkTBBNlnNDn0n0p0efEfEckTBlnNndP)n2expcnd/DNEgkBT半導(dǎo)體物理學(xué)作圖問題一半導(dǎo)體能帶構(gòu)造表示圖散布函數(shù)曲線能態(tài)密度曲

13、線準(zhǔn)費(fèi)米能級典型半導(dǎo)體的能帶構(gòu)造半導(dǎo)體的能帶構(gòu)造-價帶為滿帶，價帶與緊鄰空帶間禁帶寬度較??；室溫下即有電子從價帶躍升至導(dǎo)帶:空帶（導(dǎo)帶）EcEg0K散布函數(shù)曲線林仆品EfGaAs的能帶構(gòu)造（直接帶隙）剛1處吐和錯的能帶結(jié)構(gòu)riiil卜C1M1|f(E)0EFE半導(dǎo)體均衡時能帶構(gòu)造：EcEcEfEvn型半導(dǎo)體EfEvp型半導(dǎo)體處于非均衡態(tài)時半導(dǎo)體的準(zhǔn)費(fèi)米能級:EFnEcEcEEFL-jFnFpE_一EfEFpEvEvn型半導(dǎo)體p型半導(dǎo)體半導(dǎo)體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)規(guī)律費(fèi)米能級與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系費(fèi)米能級的地點(diǎn)與半導(dǎo)體的導(dǎo)電種類及電子填補(bǔ)能級水平的關(guān)系雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流子濃度與溫度的關(guān)系雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流子濃度與雜質(zhì)濃度的關(guān)系載流子的遷徙率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系半導(dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系半導(dǎo)體中非均衡載流子的運(yùn)動圖象費(fèi)米能級的地點(diǎn)與半導(dǎo)體的導(dǎo)電種類及電子填補(bǔ)能級水平