最新半导体复习资料整理1

半导体复习资料整理
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1.电子和空穴也可以通过杂质电离方式产生，当电子从施主能级跃迁到导带时产生导带电子；当电子从价带激发到受主能级时产生价带空穴等。

与此同时，还存在着相反的过程，即电子也可以从高能量的量子态跃迁到低能量的量子态，并向晶格放出一定能量，从而使导带中的电子和价带中的空穴不断减少，这一过程称为载流子。

n型Si 中的杂质离化区
2.掺杂浓度和温度对载流子浓度和费米能级的影响:
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。

对于杂质浓度一定的半导体，随着温度的升高，载流子则是从以杂质电离为主要来源过渡到以本征激发为主要来源的过程，相应地，费米能级则从位于杂质能级附近逐渐移近禁带中线处。

譬如n型半导体，在低温弱电离区时，导带中的电子是从施主杂质电离产生的；随着温度升高，导带中的电子浓度也增加，而费米能级则从施主能级以上往下降到施主能级以下；当下降到以下若干时，施主杂质全部电离，导带中的电子浓度等于施主浓度，处于饱和区；再升高温度，杂质电离已经不能增加电子数，但本征激发产生的电子迅速增加着，半导体进入过渡区，这时导带中的电子由数量级相近的本征激发部分和杂质电离部分组成，而费米能级则继续下降；当温度再升高时，本征激发成为载流子的主要来源，载流子浓度急剧上升，而费米能级下降到禁带中线处这时就是典型的本征激发。

对于p型半导体，作相似的讨论，在受主浓度一定时，随着温度升高，费米能级从在受主能级以下逐渐上升到禁带中线处，而载流子则从以受主电离为主要来源转化到以本征激发为主要来源
当温度一定时，费米能级的位置由杂质浓度所决定，例如n型半导体，随着施主浓度的增加，费米能级从禁带中线逐渐移向导带底方向。

对于p型半导体，随着受主浓度的增加费米能级从禁带中线逐渐移向价带顶附近。

这说明，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。

对于n型半导体，费米能级位于禁带中线以上，越大，费米能级位置越高。

对于p型半导体，费米能级位于中线以下，越大，费米能级位置越低。

参考教材图3－13和图3－14
一般半导体的总电流：
一般半导体的电导率：
n型半导体(n>>p)：
p型半导体(p>>n)：
本征半导体(n=p=ni)：
费米分布函数：它是描写热平衡状态下电子在允许的量子态上如何分布的一个统计分布函数。

它表示能量为E的量子态被一个电子占据的几率。

被空穴占据
通常把服从波耳兹曼统计率的电子系称为非简并系统；把服从费米统计率的电子系统称为简并性系统。

2、半导体的主要散射机构
散射的原因：周期性势场遭到破坏。

破坏的因素主要有：杂质，缺陷，晶格热振动
2、1 电离杂质散射
施主杂质电离后是一个带正电的离子，受主杂质电离后是一个带负电的离子。

在电离施主或受主周围形成一个库仑势场。

这一库仑势场局部地破坏了杂质附近地周期性势场，它就是使载流子散射地附加势场。

当载流子运动到电离杂质附近时，由于库仑势场地作用，就使载流子运动的方向发生改变。

电离施主和电离受主对电子和空穴散射，它们在散射过程中的轨迹是以施主或受主为一个焦点的双曲线。

2、2 晶格振动散射
格波:晶格中原子都在其平衡位置附近作微振动,形成的基本波动。

格波波矢q表示格波的波长及传播方向。

N个原胞的半导体晶体有N个不同的波矢q的格波。

一个q=3支光学波（高频）＋3支声学波（低频）格波散射几率Pc=Ps+Po
晶格散射主要是长纵声学波和长纵光学波。

长纵声学波传播时和气体中的声波类似，会造成原子分布的疏密变化，产生体变，即疏处体积膨胀，密处压缩，如教材P93图4－10（b）所示。

在一个波长中，一半处于压缩状态，一半处于膨胀状态，这种体变表示原子间距的减小或增大。

由第一章知道，禁带宽度随原子间距变化，疏处禁带宽度减小，密度增大，使能带结构发生波形起伏。

禁带宽带的改变反映出导带底和价带顶的升高和降低，引起能带极值的改变。

这时，同是处于导带底和价带顶的电子或空穴，在半导体的不同地点，其能量就有差别。

所以，纵波引起的能带起伏，就其对载流子的作用讲，如同产生了一个附加势场，这一附加势场破坏了原来势场的严格周期性，就使电子从K状态散射到状态。

长纵光学波散射主要发生在离子晶体中。

在离子晶体中，每个原胞内有正负两个离子，它们和纵声学波一样，形成疏密相间的区域。

如讲义图4－10（b）所示。

由于正负离子位移相反，所以，正离子的密区和负离子的疏区相合，正离子的疏区和负离子的密区相合，从而造成在半个波长区域内带正电，另半个波长区域内带负电，带正负电的区域将产生电场，对载流子增加了一个势场的作用，这个势场就是引起载流子散射的附加势场。

电离杂质散射特点是随温度升高，迁移率增大，随电离杂质增加迁移率减小；声学波散射特点是随温度升高迁移率下降。

同时存在这两种散射机构时，就要考虑它们的共同作用对迁移率的影响。

当掺杂浓度较低时，可以忽略电离杂质的影响。

迁移率主要受晶格散射影响，即随温度升高迁移率下降；
当掺杂浓度较高时，低温时晶格振动较弱，晶格振动散射比电离杂质散射作用弱，主要是电离杂质散射，所以随温度升高迁移率缓慢增大；当温度较高时，随温度升高，晶格振动加剧，晶格散射作用，所以高温时迁移率随温度升高而降低。

参考P100
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⏹低温区段温度很低，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
主要由杂质电离决定，迁移率也随温度升高而增大，所以，电阻率随温度升高而下降。

⏹电离饱和区段，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
子基本上不随温度变化，晶格振动散射上升为主要矛盾，迁移率随温度升高而降低，所以，电阻率随温度升高而增大。

⏹本征激发区段，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的
减小对电阻率的影响，这时，本征激发成为矛盾的主要方面，杂质半导体的电阻率将随温度的升高而急剧地下降，表现出同本征半导体相似的特性。

⏹影响迁移的因素 ~ 散射
⏹表征迁移的参量 ~ 迁移率
载流子的迁移率 (与掺杂浓度和温度的关系)
⏹表征导电性的参量 ~ 电导率、电阻率
⏹半导体的电阻率ρ与掺杂浓度N的关系: ρ= 1/σ= (n qμ)-1.
室温下, 轻掺杂半导体的电阻率ρ基本上与掺杂浓度N有线性关系;
但是在高掺杂时电阻率将偏离线性关系.
半导体的电阻率ρ与温度T的关系:
①低温区: 杂质电离使 n↑; 杂质散射也使μ↑. 电阻率↓.
②全电离区: n不变化; 晶格散射使μ降低. 电阻率↑.
③本征区: 电阻率主要决定于ni, 电阻率单调下降.。