半导体物理_复习总结(刘恩科)

半导体物理
多子堆 积
多子耗尽
少子反型
半导ຫໍສະໝຸດ Baidu物理
强反型条件（推导、理解）
强反型： ns pp0
Vs≥2VB
NA=pp0,
VB

k0T q
ln
NA ni

Vs

2k0T q
ln
NA ni

T↑，NA↑衬底杂质浓度越高，Vs就越大，越不容易达 到反型。
半导体物理
C－V特性
非平衡载流子的复合：当 半导体由非平衡态恢复为 平衡态，过剩载流子消失 的过程。
半导体物理
准费米能级
当半导体处于非平衡状态，不再具有统一的费米能 级，引入准费米能级
非平衡态下电子浓度：
n

ni
exp


Ei EFn k0T

非平衡态下空穴浓度：
p

ni
exp

Ei EFp k0T
2
E

1
Ec 2
推导过程书上P51
半导体物理
费米能级与分布函数
费米分布函数：（描述热平衡状态下，电子在允许的量子态上如
何分布）
f
E


1

exp
1 (E

EF
)
k0T
标志了电子填 充能级的水平
T=0K时，
若EE<-EEF，F则>f>(Ek)=01T
若E>EF，则f (E)=0
半导体物理
半导体物理
常见半导体能带结构
直接带隙：砷化镓 间接带隙：硅、锗
半导体物理
半导体中的杂质
所处位置不同：替位式杂质、间隙式杂质 所处能级不同：施主杂质、受主杂质
施放电子而 产生导电电 子并形成正
电中心
接受电子成 为负电中心
半导体物理
第二章 半导体中载流子的统计分布
热平衡状态
高能量的量子态
反向偏压下p-n结的费米能级
半导体物理
p-n结隧道效应
重掺杂的p区和n 区形成的p-n结称 为隧道结
原理及描述
半导体物理
第六章 半导体表面与MIS结构
表面电场效应——MIS结构（金属－绝缘层－半导体） 表面势：空间电荷层内的电场从表面到体内逐渐减弱直到
为零，电势发生相应变化，电势变化迭加在电子的电位能 上，使得空间电荷层内的能带发生弯曲，“表面势VS”就 是为描述能带变曲的方向和程度而引入的。
半导体物理
第七章 金属和半导体接触
功函数 电子亲和能
电势降落 在空间电 荷区和金 属半导体 表面之间
电子的流向
金属和n型半导体接触能带图（Wm>Ws） （a）接触前；（b）间隙很大； （c）紧密接触；（d）忽略间隙
半导体物理
两种金半接触
整流接触
欧姆接触
不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平 衡载流子发生显著的变化。
各区特点及变化趋势
半导体物理
掺有某种杂质的半导体的载流子浓度和费米能级 由温度和杂质浓度所决定。
在杂质半导体中，费米能级的位置不但反映了半 导体导电类型，而且还反映了半导体的掺杂水平。
半导体物理
第三章 载流子输运
漂移运动：电子在电场力作用下的运动 迁移率：单位场强下电子的平均漂移速度
半导体物理复习课
半导体物理
第一章 半导体中的电子状态
晶体结构与共价键 金刚石型结构 闪锌矿型结构 纤锌矿型结构 氯化钠型结构
半导体物理
能级与能带
电子在原子核势场和 其他电子作用下分列
在不同能级
原子相互接近 形成晶体
共有化运动：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 将可以在整个晶体中运动
适用于热平n衡0 p状0态下N的c任N何v e半x导p体
温度一定， n0p0一定

Eg k0T

Nc：导带有效状态密度 Nv：价带有效状态密度
半导体物理
杂质半导体中的载流子浓度
电子占据施主能级的几率： 空穴占据受主能级的几率：
fD
E


1

1 2
exp
1

ED EF k0T
使电子空穴对 不断减少
产生电子空穴对
低能量的量子态
热平衡载流子：处于热平衡状态下的导电电子和空穴
半导体物理
状态密度
状态密度：能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子 态数。
gE dZ
dE
状态密度的计算：为简单起见，考虑等能面为球面的情况
3
gcE
dZ dE

4V
2mn* h3
将所有能量区间中电子数相加
Ec'
f (E)gc (E)dE
Ec
除以半导体体积
V
n0

4
(2mn*)3/ 2 h3
(导k0T带)3电/2 子ex浓p(度Enc0k0TEF

)
0
x1/ 2exdx
半导体物理
载流子浓度乘积n0p0
与费米能级无关

只决定与温度T，与所含杂质无关

半导体物理
复合理论
直接复合
电子在导带和价带之间的直接跃迁
间接复合
非平衡载流子通过复合中心的复合
过程前
过程后 间接复合的四个过程
半导体物理
陷阱效应(熟悉概念)
杂质能级积累非平衡载流子的作用 陷阱：具有显著效应的杂质能级 陷阱中心：相应的杂质和缺陷
半导体物理
载流子的扩散运动
霍尔系数
与载流子浓度、 温度有关
可确定半导体类 型及载流子浓度
半导体物理
第四章 非平衡载流子
施加外界作用 破坏热平衡条件
偏离热平衡态
比平衡态多出来一部分载流子
产生非平衡载流子
半导体物理
非平衡载流子
△n = n － n0 △p = p － p0
n：非平衡态下的电子浓度 p：非平衡态下的空穴浓度 n0：平衡态下的电子浓度 p0：平衡态下的电子浓度
只有外层电子共有化运动 最显著
相邻原子壳 层形成交叠
共有化运动
半导体物理
能级分裂
半导体物理
能带形成
导带
满带或价 带
半导体物理
半导体中电子状态和能带
晶体中的电子 VS
自由电子
严格周期性重复排列的原子间运动
恒定为零的势场中运动
单电子近似：晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场

k0T q
ln
NDNA ni 2

VD和p-n结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关。
在一定温度下，●突变结两边的掺杂浓度越高，接触电势差VD越大；
●禁带宽度越大，ni越小，接触电势差VD越大；
半导体物理
p-n结电流电压特性
正向偏压下p-n结的费米能级
半导体物理

fA
E


1
1 2
exp
1

EF EA k0T

施主能级上的电子浓度 电离施主浓度
nD

ND
fD (E)

1
1
ND exp( ED

EF
)
2
k0T
nD ND nD
半导体物理
n型硅中电子浓度与温度关系
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
(1) VG<0，多子积累 •绝对值较大时，，空穴聚集表面， C＝C0，AB段（半导体看成导通） •绝对值较小时，C0和Cs串联，C随 V增加而减小，BC段 (2)VG＝0 CFB－表面平带电容 (3) VG>0 •耗尽状态：VG增加，xd增大，Cs减小，CD段 •Vs>2VB时： EF段（低频）强反型，电子聚集表面， C＝C0 GH段（高频）：反型层中电子数量不能随高频信号而变，对电容无贡献， 还是由耗尽层的电荷变化决定（强反型达到xdm不随VG变化，电容保持最小 值）；GH段
| d |
E
电导率 n/ p nqn/ p
电流密度 Jn/ p nqn/ p | E |
半导体物理
散射及散射机构
平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程 散射机构
（1）电离杂质散射
Pi NiT 3/ 2
（2）晶格振动散射
光学波
声学波 长纵声学波在长声学波中起主要作用
扩散系数
存在浓度梯度下载流子运动的难易程度
Jn (Jn )漂 （Jn）扩＝0
电子 : Dn k0T
n q
空穴 : Dp k0T
p q
半导体物理
第五章 p-n结
1、内建电场 结果 2、费米能级 相等标志了 载流子的扩 散电流和漂 移电流互相 抵消
半导体物理
p-n结接触电势差VD
VD
（3）其他散射：能谷散射、中性杂质散射、位错散射
3
PT2
半导体物理
电阻率与温度的关系
载流子主要由电 离杂质提供
杂质全部电离， 晶格振动散射上 升为主要矛盾
本征激发成为主要 矛盾
半导体物理
强电场效应
现象：偏离欧姆定律 解释：从载流子与晶
格振动散射时的能量 交换过程来说明
半导体物理
半导体磁电效应
稳定扩散的条件：
单位时间在单位体积内 积累的载流子＝由于复合而消失的载流子
d2p p
Dp
dx2

p
非平衡少数载流子 浓度
空穴扩 散系数
非平衡少数载流子 的寿命
半导体物理
爱因斯坦关系式(意义，推导)
从理论上找到扩散系数和迁移率之间的定量关系
迁移率
电场作用下运动Jn 的(Jn)漂难（J易n）扩＝程0 度
以及其他大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期变化的， 并且它的周期与晶格周期相同。
半导体物理
半导体中的电子运动
半导体中E(k)与k的关系
电子速度与能量关系
电子有效质量
mn*

h2 d2E
dk 2
半导体物理
有效质量的意义：
f
a
1、概括了半导体内部势场 的作用 2、a是半导体内部势场和 外电场作用的综合效果 3、直接将外力与电子加速 度联系起来
玻尔兹曼分布函数
条件：E-EF>>k0T EEF
fB E e k0T
费米统计分布：受到泡利不相容原理限制 玻尔兹曼分布：泡利原理不起作用
半导体物理
导带电子浓度
能量E到E+dE之间的量子态 dZ gc (E)dE
电子占据能量为E的量子态几率 f (E)
载流子浓度 是与温度、 杂质数量及 种类有关的 量