华中科技大学半导体物理总复习课

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重掺杂导致半导体载流子简并化
简并化条件
（n型，费米能级相对于导带底的位置）
载流子服从的分布
载流子浓度
E
c − EF > 2k
（ND<<Nc）
0T，非简并
0
<
Ec
−
EF
≤
2k0T，弱简并
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晶格/杂质
产生载流子（本征激发/杂质电离）
电子由低能态向高能态跃迁
载流子复合
电子由高能态向低能态跃迁
导带电子 价带空穴
在单位时间、单位体积内产生的数目G——产生率 在单位时间、单位体积内消失的数目R——复合率
Ec
n0
热平衡状态
产生 动态平衡 复合 G0=R0 热平衡载流子
载流子浓度恒定
Ev
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半导体独特的物理性质
半导体中电子状态及运动百度文库点
单电子近似 求解薛定谔方程
能带论
周期性排列且固定不动的原子核势场 其它电子的平均势场
相互作用
复杂的多体问题
原子核
电子
半导体组成、结构
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试卷题型及分值权重
一、名词解释（ 5 × 3’ ） 15％ 二、判断题 （10 × 1’ ） 10％ 三、填空题 （10 × 2’ ） 20％ 四、证明题 （ 2 × 5’ ） 10％ 五、作图题 （ 4 × 5’ ） 20％ 六、计算题 （ 1 ×10’ ） 10％ 七、论述题 （ 1 ×15’ ） 15％
外加电场下的漂移运动及漂移电流 以及磁场下的霍耳效应和磁阻效应
散射对迁移率的影响（仍从温度、杂质的角度）
µi ∝ Ni−1T 3/ 2 µs ∝ T −3/ 2
σ = nqµn + pqµp （变化规律的物理图像）
强电场效应
爱因斯坦关系式
Chapter 4 非平衡载流子的产生、复合及其运动规律
准费米能级 不同复合机构下的非子寿命 陷阱效应 扩散运动与扩散电流（扩散系数） 少数载流子的运动规律（连续性方程） “时空”
弱电离
电离区
离区
区
n0至ND时恒定
区过本
渡征 区区
少子空穴渐强
n0、p0均上升
n0、p0急剧上升 （ni ~T）
n0上升速度渐缓
n0随T指数上升
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温度一定时，费米能级的位置由杂质的种类和浓度决定
σ = nqµn + pqµp
4 3 2
1
1 -
2 ln ρ = − ln n − ln(qµn )
-3
= − ln N D − ln(qµn )
4
① B③
②
C D 本征区
④⑤ ⑥
E
杂质电离 杂质电离散射
本征激发 晶格振动散射
杂质浓度很高时，偏离直线严重
原因： 逐渐出现简并化，杂质不能全电离 迁移率随杂质浓度升高而显著下降
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微观 理论
宏观 应用
Chapter 7 半导体表面与MIS结构
表面态及表面电场效应 MIS结构及其C-V特性，MOSFET 硅－二氧化硅系统，表面电导
Chapter 8 异质结
能带图，电流输运机构 应用，半导体超晶格
3 载流子输运
4 非平衡载流子
5 p－n结
6 金属和半导体的接触
40学时
7 半导体表面与MIS结构 8 异质结
9 半导体的热电性质
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Chapter 1 半导体中电子运动的基本特征和能量状态
能带论 共有化运动 电子/空穴 有效质量 杂质能级（施主、受主）
Chapter 9 半导体的热电性质
塞贝克效应， 珀耳帖效应， 汤姆逊效应
Chapter 5 p-n结
载流子的分布与运动（能带论）
• 伏安特性
J
=
Js exp
qV k0T
− 1
VD
=
k0T q
ln
NDNA ni2
• 电容特性（势垒电容、扩散电容）
• 击穿特性 隧道p-n结
雪崩击穿 隧道击穿
Chapter 6 金属和半导体的接触
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3 载流子输运
本章内容提要
n 载流子漂移，迁移率 n 散射与散射机构 n 迁移率/电阻率 Vs 杂质浓度/温度 n 强电场效应 n 半导体磁电效应
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p0
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硅、锗、砷化镓300K时电阻率与杂质浓度关系（对数坐标）
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2 半导体中载流子的统计分布
本章内容提要
n 热平衡状态，状态密度 n 费米能级与分布函数 n 电中性方程 n 载流子浓度 Vs 温度 n 简并半导体
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基本概念 细节知识点
重要表达式的推导 物理图像的理解
公式的理解与应用 综合知识掌握能力
答题请注意完整性和规范性（单位、下标等） 计算器、尺子、橡皮、矿泉水等
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1 半导体中的电子状态
2 半导体中载流子的统计分布
《半导体物理》 复习课
姜胜林，刘欢，张光祖
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半导体物理学研究什么？
以晶体结构学和点阵动力学为基础，研究半导体中的原子状态；并以固体 电子论和能带理论为基础，研究半导体中的电子状态以及各种半导体器件内部电 子过程。半导体物理学是固体物理学的一个分支，其发展不仅使人们对半导体有 了深入的了解，而且由此而产生的各种半导体器件、集成电路和半导体激光器等 已得到广泛的应用。
（ND接近或大于Nc）
Ec
−
EF
≤
0，简并
玻耳兹曼分布 （本征&杂质）
<导带底电子较少>
n0
=
Nc
exp −
Ec − EF k0T
且满足n0 p0 = ni2
费米分布 （重掺杂）
<导带电子数目多>
n0 = Nc
2 π
F1
2
EF − Ec k0T
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学习目标
n 了解什么是半导体物理学和研究什么方面 n 掌握半导体物理的基础理论知识 n 掌握半导体载流子状态及其运动规律 n 掌握常见半导体结构的特性 n 了解半导体的一些物理现象 n 了解常见半导体材料的性质 n 了解基本半导体器件物理知识
费米能级的位置反映导电类型和掺杂水平
l 施主杂质，n型半导体，费米能级在本征费米能级之上 l 受主杂质，p型半导体，费米能级在本征费米能级之下
杂质浓度越高，其作用越强，费米能级越靠近导带底（价带顶）， 也就是越偏离本征情形，因此，极限工作温度也越高！
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Chapter 2 平衡态下载流子浓度与温度、杂质的关系
状态密度&分布函数（费米/玻耳兹曼） 分本征、杂质半导体两种情况讨论（变化规律的物理图像） 简并半导体及其禁带变窄效应
n0
=
Nc
exp −
Ec − EF k0T
p0
=
Nv
exp
Ev − EF k0T
n0 p0 = ni2
Chapter 3 外场作用下载流子的运动规律
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功函数，电子亲和能 整流接触 & 欧姆接触 阻挡层类型、电流方向的判断
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1 半导体中的电子状态
本章内容提要
n 半导体材料、基本晶体结构与共价键 n 能级与能带，共有化运动 n 半导体中电子运动规律，有效质量 n 能带模型及导电机构 n 常见半导体材料的能带结构 n 杂质与缺陷
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1.1 半导体的晶格结构和结合性质
p 半导体的特点：易受温度、照光、磁场及微量杂质原子 的影响。
正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成 为各种电子应用中最重要的材料之一。
典型的半导体：硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
金刚石型结构和共价键 闪锌矿型结构和混合键 纤锌矿型结构 氯化钠型结构
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杂质电离占优
（可忽略本征激发）
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本征激发占优
（类似本征半导体）
低中强 饱 和
温间电