半导体物理复习要点 河北大学

第一章

1.电子的共有化运动

原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子可以在整个晶体上运动。这种运动称为电子的共有化运动。

2.准动量（hk）

m*v = hk

3.有效质量的表达式

*

n

m= h2(d2E/dk2)-1

引进有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用。

4.本征激发

价键上的电子激发成为准自由电子，亦即价带电子激发成为导带电子的过程，称为本征激发。

5.硅的能带结构（导带、价带）Si的导带极小值在【100】方向及其对称方向上，共有六个等价能谷。

Si的价带顶位于K=0处，在价带极值处有两个简并化的能谷，产生重空穴、轻空穴两类空穴。还有一个能带是由于自旋-轨道耦合分裂出来的。

6.导体、半导体、绝缘体的导电性能差别原因（从能带）

金属中，由于组成金属的原子中的价电子占据的的能带是部分占满的，所以金属是良好的导体。

绝缘体的禁带宽度很大，激发电子需要很大的能量，在通常温度下，能激发到导带去的电子很少，所以导电性很差。

半导体禁带宽度比较小，数量级在1eV 左右，在通常温度下已有不少电子被激发到导带中去，所以具有一定的导电能力。P16图 1-12

第二章

1.杂质的补偿作用

当半导体中既掺入施主杂质，又掺入受主杂质时，施主与受主杂质之间有互相抵消的作用，称为杂质的补偿作用。

2.深能级、浅能级的定义及对材料的影响

杂质的施主能级E

d

距导带底很近，受

主能级E

A

距价带顶很近,通常称这样的杂质能级为浅能级。浅能级杂质能够提供载流子，提高导电性能，改变导电类型。

非Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，它们产生的受主能级距价带顶也较远。通常称这样的能级为深能级。深能级杂质，一般情况下含量极少，而且能级较深，对于载流子的复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称为复合中

心（减少非平衡载流子寿命）。金是一种很典型的复合中心，制造开关器件时，常有意掺杂金以提高器件速度。 3.n 型、p 型半导体

纯净半导体掺入施主杂质后，施主杂质电离造成半导体导电能力增强，靠电子导电的半导体称为n 型半导体。 纯净半导体掺入受主杂质后，受主杂质电离造成空穴增多，半导体导电能力增强。靠空穴导电的半导体称为p 型半导体。

第三章

1.费米分布函数、玻尔兹曼分布表达式

ƒ(E)=)

(exp 11

0T

K E E F

-+

费米分布函数服从泡利不相容原理，表示能量为E 的一个量子态被一个电子占据的概率。服从费米分布的电子系统称为简并性系统。

当E-E F »K 0T 时，电子占据几率很小，费米分布转为玻尔兹曼分布

ƒB （E ）=)

exp(1

0T

K E E F

-

服从玻尔兹曼分布的电子系统称为非简并性系统。 2.费米能级E F

E F =μ=

T ）（N

F

∂∂ 意义：当系统处于热平衡状态，也不对外界做功的情况下，系统增加一个电子所引起系统自由能的变化，等于系统的化学势，也就是等于系统的费米能级。而处于热平衡状态的系统有统一的系统化学势，即统一的费米能级。

作用：描述平衡电子系统的特质；代表电子填充能级的水平；反映半导体的导电类型和掺杂水平。 3.杂质半导体、载流子浓度随温度变化规律P 68

可解释器件为何掺杂；宽禁带半导体适合于功率器件

n 型硅中电子浓度与温度的关系曲线

如上图所示。共分五个区： 低温弱电离区 中间电离区 强电离区 过渡区

高温本征激发区

4.费米能级位置、载流子浓度的计算 n 0p 0=2i n

详情见章3.3、3.4、3.5、3.6

第四章

1.迁移率的概念

单位场强下电子的平均漂移速度。反应载流子在电场中漂移运动的难易程度。

|

|

d

E υμ=

电导率：σ=nqμ 电流密度：J=nqμ|E| 2.平均自由程

连续两次散射间自由运动的平均路程。

3.Si 、Ge 半导体的主要散射机构，这些散射机构与温度的关系

原因：晶体中严格周期性排列势场遭

到破坏是散射的原因--有附加势场在。

○

1电离杂质散射 在电离施主或电离受主周围形成一个库伦势场，局部地破坏了杂质附近的晶格的周期性势场，引起载流子的散射，改变载流子的原有运动方向和运动速度。

电离杂质散射几率：P i ∝N i T -3/2，N i 为离化杂质浓度，强电离补偿时N i =N A +N D

温度升高导致载流子热运动速度增大，更容易掠过电离杂质周围的库伦势场，散射几率减小。 ○

2声学波散射 原子间距的改变导致禁带宽度产生起伏，破坏晶格周期性势场。 声学波散射几率：P s ∝T 3/2 4.热载流子

当外电场较强时，载流子从外电场获得的能量多于散射失去的能量。 载流子有效温度T e >T μ>μ0

漂移速度增加的速度变慢。这一状态的热载流子称为热载流子。

5.杂质半导体电阻率随温度变化的关系曲线及原因

P=σ1

=p

n nq μnq μ1+ AB 段：温度很低，本征激发可忽略，载流子主要由杂质电离提供，它随温度升高而增加；散射主要由电离杂质决定，迁移率随温度升高而增大，故而，电阻率随温度升高而下降。

BC 段：温度继续升高（包括室温），杂质已全部电离，本征激发还不十分

显著，载流子基本不随温度变化，晶格振动散射上升为主要矛盾，迁移率随温度升高而降低，故而，电阻率随温度升高而上升。

C 段：温度继续升高，本征激发很快增加，大量本征载流子的产生远远超过迁移率减小对电阻率的影响，这时本征激发成为主要矛盾，杂质半导体的电阻率将随温度的上升而急剧下降。

第五章

1.准费米能级

半导体处于非平衡态时，不再具有统一的费米能级，然而分别就价带和导带中的电子讲，它们各自基本处于平衡态，而导带与价带间处于不平衡态。因而费米能级和统计分布函数对导带和价带各自仍然是适用的，可以分别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”。P 130图5-4

n=)T

K ex p(

n 0i

n i E E F - P=)T

K E -E ex p(

n 0p F

i i np=)(

ex p n 0p n 2i

T

K E E F

F - 一般非平衡态时，多数载流子的准费米能级和平衡时的费米能级偏离不多，而少数载流子的准费米能级则偏离很大。

准费米能级反映了半导体偏离热平衡态的程度。 2.小注入

一般情况。注入的非平衡载流子浓度要比平衡态时的多数载流子要少得多，这种条件称为小注入。 n 0>>Δn ,但Δn>>p 0 ,Δp>>p 0

非平衡多子的影响可以忽略，非平衡少子的作用更为重要。