半导体物理知识整理

根底知识

1.导体,绝缘体和半导体的能带结构有什么不同?并以此说明半导体的导电机理〔两种载流子参与导电〕与金属有何不同？

导体：能带中一定有不满带

半导体：T=0K，能带中只有满带和空带；T>0K,能带中有不满带

禁带宽度较小，一般小于2eV

绝缘体：能带中只有满带和空带

禁带宽度较大，一般大于2eV

在外场的作用下，满带电子不导电，不满带电子可以导电

总有不满带的晶体就是导体，总是没有不满带的晶体就是绝缘体

半导体不时最容易导电的物质，而是导电性最容易发生改变的物质，用很方便的方法，就可以显著调节半导体的导电特性

金属中的电子，只能在导带上传输，而半导体中的载流子：电子和空穴，却能在两个通道：价带和导带上分别传输信息

2.什么是空穴?它有哪些根本特征?以硅为例，对照能带结构和价键结构图理解空穴概念。

当满带附近有空状态k’时，整个能带中的电流，以及电流在外场作用下的变化，完全如同存在一个带正电荷e和具有正有效质量|m n* | 、速度为v(k’)的粒子的情况一样，这样假想的粒子称为空穴

3.半导体材料的一般特性。

电阻率介于导体与绝缘体之间

对温度、光照、电场、磁场、湿度等敏感〔温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降；适当波长的光照可以改变半导体的导电能力〕

性质与掺杂密切相关〔微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力〕

4.费米统计分布与玻耳兹曼统计分布的主要差异是什么？什么情况下费米分布函数可以转化为玻耳兹曼函数。为什么通常情况下，半导体中载流子分布都可以

用玻耳兹曼分布来描述。

费米分布受到了泡利不相容原理的限制，而在E-EF>>k0T的条件下，泡利原理失去作用，可以化简为玻尔兹曼分布。在半导体中，最常遇到的情况是费米能级EF位于禁带内，而且与导带底和价带顶的距离远大于k0T，所以，对导带中的所有量子态来说，被电子占据的概率一般都满足f(E)<<1,故半导体导带中的电子分布可以用电子的玻尔兹曼分布函数描写

5.由电子能带图中费米能级的位置和形态〔如，水平、倾斜、分裂〕，分析半导体材料特性。

水平：热平衡

倾斜：费米能级朝哪边下倾斜，电子就往哪个方向流动，而电流的流动就是相反的方向，倾斜越大，电子流动程度越强，电流越大

分裂：掺杂〔准费米能级〕

6.何谓准费米能级？它和费米能级的区别是什么？

当外界有很大能量注入，或者很多载流子注入时，载流子的数量会发生突然的变化，不再遵循费米-狄拉克分布，费米能级的调控暂时失灵

当半导体的平衡态被破坏，而且存在非平衡载流子时，分别就价带和导带中的电子讲，他们各自根本上处于平衡态，而导带和价带之间处于不平衡态，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，它们都是局部费米能级，成为“准费米能级〞

电子和空穴的准费米能级的差反映了半导体偏离平衡态的程度。当电子的准费米能级和空穴的准费米能级相重合时，形成统一费米能级，系统处于热平衡状态

7.比拟Si,Ge,GaAs能带结构的特点，并说明各自在不同器件中应用的优势。

硅的价带顶在中心点k=0处,导带底不在中心点k=0处，而是沿[100]轴，位于布里渊区中心至边缘0.85倍处

锗的价带顶在中心点k=0处,导带底也不在中心点k=0处，而是沿[111]轴，导带极小值正好位于布里渊区边界

砷化镓的价带顶在中心点k=0处,,导带能量的最小值位于k=0处，在[111]和[100]方向布里渊区边界L和X处还各有一个极小值。砷化镓的导带底和价带顶对应的k值相同

硅和锗是间接带隙半导体，砷化镓是直接带隙半导体

砷化镓用于制备发光器件时，其内部量子效率较高

8.重空穴,轻空穴的概念。

硅、锗、砷化镓存在极大值相重合的两个价带

重空穴：外能带曲率小，对应的有效质量大

轻空穴：内能带曲率大，对应的有效质量小

9.有效质量、状态密度有效质量、电导有效质量概念。

10.什么是本征半导体和本征激发？

本征半导体：没有杂质和缺陷的纯洁的半导体

本征激发：T>0K时，电子从价带激发到导带，同时价带中产生空穴

本征半导体的费米能级Ei根本位于禁带中央

11.何谓施主杂质和受主杂质？浅能级杂质与深能级杂质?各自的作用。

V族元素在硅、锗中电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质或n型杂质被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级，记为ED。施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子，同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半导体

III族元素在硅、锗中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质或p型杂质被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级，记为EA。受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子，同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半导体

电离能小的杂质称为浅能级杂质。施主能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶。室温下，掺杂浓度不很高的情况下，浅能级杂质几乎可以全部电离。浅能级杂质

电离能比禁带宽度小得多，杂质种类对半导体的导电性影响很大

优点：室温下有很低的电离能，可以进行追加式的浓度控制

非III、V族元素在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远和受主能级距离价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。有些深能级杂质会发生屡次电离，在禁带中产生对应的多个能级，有的深能级杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级

特点：不容易电离，对载流子浓度影响不大；深能级杂质能够产生屡次电离，每次电离均对应一个能级,甚至既产生施主能级也产生受主能级；深能级杂质的复合作用比浅能级杂质强，可作为复合中心

12.何谓杂质补偿？举例说明有何实际应用。

半导体中存在施主杂质和受主杂质时，它们的共同作用会使载流子减少，这种作用称为杂质补偿

在制造半导体器件的过程中，通过采用杂质补偿的方法来改变半导体某个区域的导电类型或电阻率

利用杂质的补偿作用，根据扩散或离子注入的方法来改变半导体某一区域的导电类型，制成各种器件。例如：在一块n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为ｐ型半导体

13.金原子的带电状态与浅能级杂质的关系？

14.画出〔a〕本征半导体、〔b〕n型半导体、〔c〕p型半导体的能带图，标出费米能级、导带底、价带顶、施主能级和受主能级的位置

15.重掺杂的半导体其能带结构会发生何种变化？

能带图中，杂质能级就不再是一根根分立的曲线，而是一条具有一定宽度的杂质能带。如果掺杂浓度过高，杂质能带会进入导带或价带，与导带或价带相连形成新的简并能带，使半导体变成简并半导体，能带状态密度变化，禁带宽度变窄