半導體物理復習歸納

1、6/6半導體的電子狀態(tài)金剛石結(jié)構(gòu)(Si、Ge）S、Ge原子組成,正四面體結(jié)構(gòu),由兩個面心立方沿空間對角線互相平移1/4個空間對角線長度套構(gòu)而成。由相同原子構(gòu)成的復式格子。閃鋅礦結(jié)構(gòu)(aAs）3-5族化合物分子構(gòu)成，與金剛石結(jié)構(gòu)類似,由兩類原子各自形成的面心立方沿空間對角線相互平移1/4個空間對角線長度套構(gòu)而成.由共價鍵結(jié)合，有一定離子鍵.由不同原子構(gòu)成的復式格子。纖鋅礦結(jié)構(gòu)(ZnS）與閃鋅礦結(jié)構(gòu)類似，以正四面體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，具有六方對稱性，由兩類原子各自組成的六方排列的雙原子層堆積而成。是共價化合物,但具有離子性，且離子性占優(yōu)。氯化鈉結(jié)構(gòu)(NCl)沿棱方向平移1/2，形成的復式格子。原子能級與晶

2、體能帶原子組成晶體時，由于原子間距非常小，于是電子可以在整個晶體中做共有化運動，導致能級劈裂形成能帶。脫離共價鍵所需的最低能量就是禁帶寬度.價帶上的電子激發(fā)為準自由電子，即價帶電子激發(fā)為導帶電子的過程,稱為本征激發(fā)。有效質(zhì)量的意義有效質(zhì)量概括了半導體內(nèi)部勢場的作用（有效質(zhì)量為負說明晶格對粒子做負功)有效質(zhì)量可以直接由實驗測定有效質(zhì)量與能量函數(shù)對于k的二次微商成反比.能帶越窄，二次微商越小，有效質(zhì)量越大。測量有效質(zhì)量的方法回旋共振。當交變電磁場角頻率等于回旋頻率時，就可以發(fā)生共振吸收。測出共振吸收時電磁波的角頻率和磁感應強度,就可以算出有效質(zhì)量.為能觀測出明顯的共振吸收峰，要求樣品純度較高,且實

3、驗要在低溫下進行.9、空穴價帶中空著的狀態(tài)被看成帶正電的粒子,稱為空穴。這是一種假想的粒子,其帶正電荷+,而且具有正的有效質(zhì)量mp*。輕/重空穴重空穴:有效質(zhì)量較大的空穴輕空穴：有效質(zhì)量較小的空穴間接帶隙半導體導帶底和價帶頂處于不同值的半導體。二、半導體中的雜質(zhì)和缺陷能級晶胞空間體積計算S晶胞中有8個硅原子，每個原子看做半徑為r的圓球，則8個原子占晶胞空間的百分數(shù)：立方體某頂角的圓球中心與距此頂角1/體對角線長度處的圓球中心間的距離為2r，且等于邊長為的立方體體對角線長（)的1/.雜質(zhì)類型間隙式：原子較小，存在于晶格原子間的間隙位置替位式:原子大小及價電子殼層結(jié)構(gòu)與晶格原子相近，取代晶格原子而

4、位于晶格格點處(3、5族元素屬于替位式)雜質(zhì)能級被施主/受主雜質(zhì)束縛的電子/空穴的能量狀態(tài)稱為施主ED/受主A能級，位于離導帶/價帶很近的禁帶中。電子空穴掙脫雜質(zhì)束縛成為導電粒子所需的能量稱為雜質(zhì)電離能.雜質(zhì)電離能小的雜質(zhì)能級很接近導帶底/價帶頂，稱為淺能級，在室溫下就幾乎全部離化。雜質(zhì)補償施主、受主雜質(zhì)間的相互抵消作用稱為雜質(zhì)補償。高度補償?shù)陌雽w雖然導電性類似高純半導體,但實際性能很差.深能級雜質(zhì)施主雜質(zhì)能級距離導帶底、受主雜質(zhì)能級距離價帶頂很遠的能級稱為深能級。深能級雜質(zhì)能夠多次電離，往往在禁帶引入若干個能級。有的雜質(zhì)既能引入施主能級，又能引入受主能級。深能級雜質(zhì)對載流子濃度和導電類型的

5、影響沒有淺能級雜質(zhì)顯著，但對于載流子復合作用比淺能級雜質(zhì)強，故也稱為復合中心.缺陷點缺陷、位錯載流子統(tǒng)計分布熱平衡載流子產(chǎn)生:本征激發(fā)（電子從晶格獲取能量從價帶躍遷到導帶形成導帶電子和價帶空穴)雜質(zhì)電離（電子從施主能級躍遷到導帶產(chǎn)生導帶電子，從價帶躍遷到受主能級產(chǎn)生價帶空穴)載流子復合：電子從高能量量子態(tài)躍遷到低能量量子態(tài)，并向晶格放出能量.載流子產(chǎn)生與復合達到動態(tài)平衡,稱為熱平衡，此時導電的電子與空穴濃度均保持穩(wěn)定。獲得熱平衡載流子濃度的思路：允許的量子態(tài)按能量如何分布狀態(tài)密度電子在允許的量子態(tài)中如何分布-分布函數(shù)狀態(tài)密度狀態(tài)密度g(E)是能帶中，能量附近每單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)。電子/空

6、穴能量越高，狀態(tài)密度越大.計算步驟：算出k空間中的量子態(tài)密度（量子態(tài)數(shù)除以k空間體積)在空間中坐標是2/L（L是k半導體晶體線度,L3等于晶體體積）的整數(shù)倍，每個單位立方體中有個量子態(tài)（計入電子自旋則為個量子態(tài)）算出空間中與能量E（E+dE）間所對應的k空間體積等能球面的球殼體積42d兩者相乘即為能量E（E+dE）間的量子態(tài)數(shù)()=Z/d,由Ek關(guān)系化簡得費米分布電子占據(jù)費米能級的概率在各種溫度下總是2。費米能級標志了電子填充能級的水平。玻爾茲曼分布熱平衡條件雜質(zhì)能級與能帶中的能級有區(qū)別:能帶中的能級可以容納自旋方向相反的兩個電子，而施主能級不允許同時被自旋方向相反的兩個電子占據(jù)(要么容納一個

7、，要么空著）。費米能級遠在施主能級下時施主雜質(zhì)幾乎完全電離，費米能級遠在受主能級上時受主雜質(zhì)幾乎完全電離。（簡并。重摻雜時費米能級很靠近甚至進入導帶價帶)載流子濃度隨溫度變化低溫弱電離區(qū)：雜質(zhì)少量電離,本征激發(fā)可忽略。該段F隨溫度先上升再下降，在溫度上升到使NC=。1D時EF達到極值。雜質(zhì)濃度越高，達到極值的溫度越高。中間電離區(qū)強電離區(qū)(飽和區(qū)）：雜質(zhì)幾乎完全電離。載流子濃度隨溫度保持不變。過渡區(qū)本征激發(fā)區(qū)費米能級隨溫度及雜質(zhì)濃度變化簡并半導體重摻雜情況下,費米能級進入導帶(或價帶)的情況.此時必須考慮泡利不相容原理，因而不能再使用玻爾茲曼分布，必須使用費米分布。發(fā)生簡并時的雜質(zhì)濃度與雜質(zhì)電離

8、能D(摻雜類型)和溫度T有關(guān)。D越小，則發(fā)生簡并的雜質(zhì)濃度較小時.發(fā)生簡并化有一個溫度范圍，雜質(zhì)濃度越大，發(fā)生簡并的溫度范圍越寬。禁帶變窄效應簡并半導體中，雜質(zhì)濃度高，雜質(zhì)原子相互間比較靠近,導致孤立的雜質(zhì)能級擴展為雜質(zhì)能帶。這會使雜質(zhì)電離能減小。當雜質(zhì)能帶與導帶或價帶相連，將使禁帶寬度變窄。雜質(zhì)能帶中的電子在雜質(zhì)原子間做共有化運動參與導電，稱為雜質(zhì)帶導電。載流子凍析效應溫度低于00K時，施主雜質(zhì)部分電離,尚有部分載流子被凍析在雜質(zhì)能級上，對導電沒有貢獻，這稱為低溫載流子凍析效應。導電性遷移率表示單位場強下電子的平均漂移速率，習慣上遷移率只取正值。連續(xù)兩次散射間自由運動的平均路程稱為平均自由程

9、,平均時間稱為平均自由時間。載流子在外電場作用下的實際運動軌跡是熱運動和漂移運動的疊加.恒定電場下，電流密度恒定。主要散射機制電離雜質(zhì)散射：散射概率iN*T 3/2B晶格振動散射晶格中原子的振動都是由若干不同基本波疊加，這些基本波稱為格波。對于等半導體，原胞中有2個原子,對應每個q有6個格波（1個原子對應每個q有一縱兩橫)，頻率最低的3個是聲學波，頻率最高的個是光學波.晶格振動散射起主要作用的是長縱聲學波。Ps 326、遷移率隨溫度和雜質(zhì)濃度變化非平衡載流子外界作用破壞了熱平衡狀態(tài),此時比平衡狀態(tài)多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子.小注入條件：注入的非平衡載流子濃度比平衡時多子濃度小的多。非

10、平衡載流子的平均生存時間稱為非平衡載流子的壽命,壽命的倒數(shù)稱為單位時間內(nèi)非平衡載流子的復合概率。單位時間單位體積內(nèi)凈復合的電子空穴對數(shù)稱為復合率.壽命標志著非平衡載流子濃度減少到原值的1/e所經(jīng)歷的時間。非平衡時導帶和價帶分別處于平衡狀態(tài),而導帶和價帶間處于不平衡狀態(tài)。于是引入導帶費米能級和價帶費米能級，它們都是局部的費米能級,稱為準費米能級。非平衡載流子越多，準費米能級偏離費米能級越遠。在非平衡態(tài)，多子的準費米能級與費米能級相差不遠，而少子的準費米能級與費米能級相差較遠.兩者靠的越近，說明越接近平衡態(tài)。復合按復合過程分為:直接復合:電子在導帶和價帶間直接躍遷，引起電子空穴復合間接復合：電子和

11、空穴通過禁帶的能級(復合中心)進行復合按復合位置分為：表面復合和體內(nèi)復合復合時會放出能量，發(fā)射光子或者發(fā)射聲子或者將能量給其他載流子增加它們的動能（俄歇復合）。直接復合禁帶越寬,直接復合概率越小產(chǎn)生率基本不變，且等于熱平衡時的復合率G=r0p0，而復合率=p,故非平衡載流子凈復合率U=RGr（np-ni2）.其中r是平均電子空穴復合概率。間接復合雜質(zhì)和缺陷在禁帶中形成能級,對復合有促進作用位于禁帶中央附近的深能級是最有效的復合中心。表面復合大多數(shù)期間總是希望獲得良好的表面,以盡量降低表面復合速度,然而另一方面，在某些物理測量中,為了消除金屬探針注入效應的影響，卻要設(shè)法增大表面復合.陷阱效應雜質(zhì)

12、能級具有積累非平衡載流子的作用,稱為陷阱效應。所有雜質(zhì)能級都有一定陷阱效應。有顯著陷阱效應的雜質(zhì)能級稱為陷阱，相應的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心。復合中心：俘獲電子和空穴的能力差不多,rprn，無顯著陷阱效應.電子陷阱：rnrp空穴陷阱:prn雜質(zhì)能級與平衡時費米能級重合時最有利于陷阱作用.陷阱的存在大大增加了從非平衡態(tài)恢復到平衡態(tài)的弛豫時間。陷阱效應對多子不明顯,對少子明顯。金半接觸表面態(tài)對接觸勢壘的影響表面處的禁帶存在表面態(tài).施主型表面態(tài)：能級被電子占據(jù)時呈電中性，釋放電子后顯正電。要保證這個表面態(tài)電中性，就需要他在中性能級以下。受主型表面態(tài)：能級空著時顯電中性，接收電子后顯負電。中性能級以上.

13、中性能級：電子正好填滿中性能級以下所有表面態(tài)時,表面顯電中性.距離價帶頂Eg3處。表面態(tài)密度很大，只要EF比中性能級高一點,在表面態(tài)就會累積很多負電荷（對電子而言是勢壘），由于能帶向上彎，表面處EF很接近中性能級,勢壘高度就等于原來費米能級和中性能級之差，這時勢壘高度稱為被高表面態(tài)密度釘扎,半導體費米能級幾乎不隨金屬改變而改變，只與表面性質(zhì)有關(guān),即屏蔽金屬接觸的影響。（費米能級釘扎效應)因此，Wm時也可以形成n型阻擋層。整流接觸正偏：勢壘高度降低，半導體到金屬的電子數(shù)增加且大于金屬到半導體的電子,形成金屬到半導體的正向電流，由型半導體中多子構(gòu)成。外加電壓越高,正向電流越大。反偏:勢壘高度增加，

14、半導體到金屬的電子數(shù)減少且小于金屬到半導體的電子,形成半導體到金屬的反向電流,由于金屬中的電子要越過相當高的勢壘(金半功函數(shù)差）才能到達半導體,所以反向電流很小。且由于該勢壘高度不隨外加電壓變化,所以金屬到半導體的電子數(shù)保持不變，而半導體到金屬的電子數(shù)減小到忽略不計，反向電流趨于飽和。肖特基勢壘二極管利用金半整流接觸特性制成的二極管稱為肖特基二極管。優(yōu)點：多子器件,無論正偏反偏其載流子都不發(fā)生明顯累積，開關(guān)特性好，適合高頻.肖特基二極管具有較低的正向?qū)妷?金屬探針與半導體接觸測量半導體電阻率時要避免少子注入,為此需要增加表面復合.歐姆接觸非整流接觸，即表面處形成勢阱（n型能帶在表面下彎，p

15、型能帶在表面上彎）。不考慮表面態(tài)的影響時Ws的n型半導體或者WmW的型半導體。實際上,Si等半導體一般具有很高的表面態(tài)密度，無論n型還是p型與金屬接觸都會形成勢壘,因此不能采取選擇金屬材料(改變功函數(shù)差）的方法來實現(xiàn)歐姆接觸。但是可以通過采取在半導體表面重摻雜后再與金屬接觸，利用隧道效應得到歐姆接觸。MIS結(jié)構(gòu)表面態(tài)對應的能級叫做表面能級。晶格表面最外層每個原子都有一個未配對的電子，即有一個未飽和的鍵,稱為懸掛鍵。理想表面指表面層中原子排列的對稱性與體內(nèi)原子完全相同,且表面不附著任何原子或分子的半無限晶體表面.表面場效應堆積、耗盡、反型空間電荷層內(nèi)的電荷由反型層的載流子和耗盡層的電離雜質(zhì)組成。

16、Q-V特性深耗盡狀態(tài)(CD工作基礎(chǔ)）當表面電場幅度較大，變化快（如脈沖階躍正電壓)少子產(chǎn)生速率跟不上電壓變化，反型層來不及產(chǎn)生，為了維持電中性,耗盡層向半導體體內(nèi)深處延伸，產(chǎn)生大量電離雜質(zhì)。（深耗盡狀態(tài)）此時耗盡層寬度遠大于Xdm，且隨Vg幅度增大而增大。熱弛豫時間：從初始的深耗盡狀態(tài)到熱平衡反型層狀態(tài)所經(jīng)歷的時間。即耗盡層寬度減小到Xdm的時間。（反型層的建立時間并非很快，1100s)、V特性異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)的優(yōu)點：高遷移率、高輻射復合效率，適宜制作超高速開關(guān)、太陽能電池、半導體激光器。異質(zhì)結(jié)：同型（導電類型相同）、反型(導電類型相反）反型異質(zhì)結(jié):交界面兩側(cè)都是耗盡層同型異質(zhì)結(jié)：交界面一側(cè)是耗盡

17、層，另一側(cè)是積累層(禁帶寬度小的一側(cè)是阱,大的一側(cè)是壘）二維電子氣:半導體的載流子主要來自雜質(zhì)電離，然而載流子會與電離后的雜質(zhì)發(fā)生碰撞散射,而降低其行動能力。在某些異質(zhì)結(jié)中，高摻雜寬禁帶區(qū)中雜質(zhì)提供的電子會掉到中間勢阱層,稱為二維電子氣,這種異質(zhì)結(jié)稱為調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié).因為在空間上電子與雜質(zhì)分開,電子的行動不會因與雜質(zhì)碰撞而受限制,所以遷移率大大提高,這是高速器件的基本要素.（高載流子濃度、高遷移率）異質(zhì)pn結(jié)高注入特性高注入比，作發(fā)射區(qū)可獲得高的注入比和發(fā)射效率。使基區(qū)厚度大大減薄，改善高頻特性。異質(zhì)結(jié)超注入寬禁帶半導體注入到窄禁帶半導體的少子濃度超過寬禁帶半導體的多子濃度。P區(qū)少子準費米能級上升到可與n區(qū)多子準費米能級持平，并且更接近導帶底，所以電子濃度高于區(qū)。實現(xiàn)異質(zhì)結(jié)激光器。超晶格交替生長兩種半導體材料薄層組成的一維