半导体物理复习教案..

半导体物理基础QUST半导体物理半导体物理第一章1.1半导体中电子的运动有效质量－半导体中起作用的常常是接近于能带底部或顶部的电子，因此只要掌握这些能带极值附近的E-k关系即可QUST半导体物理半导体物理第一章对于给定半导体是个定值QUST半导体物理半导体物理第一章定义能带底电子有效质量－导带底：E(k)E(0)，电子有效质量为正值－能带越窄，k=0处的曲率越小，二次微商就小，有效质量就越大－价带顶的有效质量QUST半导体物理半导体物理第一章－价带顶：E(k)E(0)，电子有效质量为负值---半导体中电子的平均速度*gnkvm---半导体中电子的加速度*nFamQUST半导体物理半导体物理第一章引进有效质量的概念后，电子在外电场作用下的表现和自由电子相似，都符合牛顿第二定律描述3.1.4有效质量的意义－半导体中的电子需要同时响应内部势场和外加场的作用，有效质量概括了半导体内部势场对电子的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。QUST半导体物理半导体物理第一章1.2硅和锗的能带结构---硅的能带结构Eg(300K)=1.12eV间接带隙结构禁带宽度随温度增加而减小QUST半导体物理半导体物理第一章---锗的能带结构Eg(300K)=0.67eV间接带隙结构禁带宽度随温度增加而减小QUST半导体物理半导体物理第一章---砷化镓的能带结构Eg(300K)=1.43eV直接带隙结构禁带宽度随温度增加而减小，dEg/dT=-3.95×10-4eV/KQUST半导体物理半导体物理第一章---能带结构与温度的关系QUST半导体物理半导体物理第一章P351.(1)QUST半导体物理半导体物理第一章QUST半导体物理半导体物理第二章第二章半导体中杂质和缺陷能级QUST半导体物理半导体物理第二章2.1硅、锗晶体中的杂质能级---替位式杂质和间隙式杂质－按照球形原子堆积模型，金刚石晶体的一个原胞中的8个原子只占该晶胞体积的34％，还有66％是空隙！A－间隙式杂质原子：原子半径比较小B－替位式杂质原子：原子的大小与被取代的晶体原子大小比较相近QUST半导体物理半导体物理第二章－浅能级杂质特点：ΔEDEgT=0K，束缚态T≠0K，能带角度：电子从ED跃迁到EC，成为导带电子空间角度：电子脱离P+离子的库仑束缚，运动到无穷远电离的原因：热激发，远红外光的照射QUST半导体物理半导体物理第二章施主杂质施主能级受主杂质受主能级－当V族元素P在Si中成为替位式杂质且电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质.成键后，P原子多余1个价电子QUST半导体物理半导体物理第二章当III族元素B在Si中成为替位式杂质且电离时，能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称它们为受主杂质或p型杂质QUST半导体物理半导体物理第二章---杂质的补偿作用－当半导体中同时存在施主和受主时，考虑杂质补偿作用空间角度的理解：施主周围有多余的价电子，受主周围缺少价电子，施主多余的价电子正好填充受主周围空缺的价键电子，使价键饱和，使系统能量降低---稳定状态能带角度的理解：QUST半导体物理半导体物理第二章1.杂质能级离带边较远，ΔED，ΔEA可与Eg相比拟；2.ΔED，ΔEA较大，杂质电离作用较弱，对载流子（导电电子和空穴）浓度影响较小；3.对载流子的复合作用较大（复合中心），降低非平衡载流子的寿命.---深能级杂质特点：QUST半导体物理半导体物理第二章空位：不饱和键，倾向于接受电子---受主间隙原子：4个之外多余的价电子---施主2.2缺陷、位错能级2.2.1点缺陷---杂质原子（替位式，间隙式）QUST半导体物理半导体物理第一章思考题什么是浅能级杂质和深能级杂质？它们对半导体有和影响？第三章半导体中载流子的统计分布QUST半导体物理半导体物理第三章3.1费米能级和载流子的统计分布---费米分布函数f(E)能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率为T＝0K时:EEff(E)=1EEff(E)=0费米分布函数的性质T0K时:QUST半导体物理半导体物理第三章当E-Ef5kT时，f0.007，当E-Ef-5kT时，f0.993费米能级的物理意义－标志了电子填充水平玻尔兹曼分布函数QUST半导体物理半导体物理第三章－电子的费米统计分布函数E-EfkT－空穴的费米统计分布函数Ef-EkTQUST半导体物理半导体物理第三章导带有效状态密度－导带平衡电子浓度300KNC(Si)=2.8×1019cm-3－导带平衡电子浓度－导带电子浓度QUST半导体物理半导体物理－价带空穴浓度价带有效状态密度电子浓度和空穴浓度满足：只与me*，mh*，Eg和T有关，与EF或掺杂浓度无关无论本征半导体还是杂质半导体，只要是热平衡状态的非简并半导体，都适用！材料参数QUST半导体物理半导体物理第三章3.2本征半导体中的载流子统计3.2.1本征载流子浓度ni－热激发所产生的载流子－没有杂质和缺陷的半导体T=0K，价带全满，导带全空T≠0K，热激发，电子从价带激发到导带（本征激发）QUST半导体物理半导体物理第三章本征载流子浓度ni与禁带宽度EgT=300K测量值本征载流子浓度ni与温度TQUST半导体物理半导体物理第三章3.2.2本征半导体的费米能级位置本征费米能级(n=p取对数得到)（禁带中线）本征费米能级Ei基本上在禁带中线处QUST半导体物理半导体物理弱强过渡本征一般地，NCND由上式看出，ND越大，Ef越接近导带EC；T越大，Ef越接近本征费米能级Ei。－杂质能级的分布函数3.3杂质半导体中的载流子统计QUST半导体物理半导体物理第三章N型半导体中的电子浓度随温度的变化关系QUST半导体物理半导体物理第三章Ef~ND（强电离，室温）－费米能级：反应半导体导电类型和掺杂水平ND高强n型ND低弱n型NA低弱P型NA高强P型ND≈NA本征型QUST半导体物理半导体物理第三章3.4.1简并半导体的载流子浓度－单一杂质，n型半导体，处于强电离区（饱和区）费米积分简并半导体不适用！3.4简并半导体－简并判据QUST半导体物理半导体物理SemiconductorPhysics第四章半导体的导电性QUST半导体物理半导体物理SemiconductorPhysics4.1.2半导体的电导率和迁移率强n型，np强p型，pn本征迁移率电导率QUST半导体物理半导体物理SemiconductorPhysics4.2.1平均自由时间及其与迁移率的关系－平均弛豫时间（自由时间）τ的物理意义载流子的自由时间有一个统计分布，但简单地可以认为所有电子从时间t=0开始被加速“自由”地运动，平均来说当t=τ时，电子受到一次散射。QUST半导体物理半导体物理SemiconductorPhysics4.2.2载流子的主要散射机制散射的原因：周期势场被破坏（晶体偏离理想）微扰势ΔV1.电离杂质中心散射库仑力的作用，弹性散射QUST半导体物理半导体物理声子是一种准粒子，它既有能量又有动量.电子受晶格振动的散射---电子与声子的散射（吸收或释放一个声子）（格波）2.晶格振动散射(声子散射)QUST半导体物理半导体物理SemiconductorPhysics4.3迁移率与杂质浓度和温度的关系4.3.1迁移率与杂质浓度和温度的关系电离杂质散射声学波散射QUST半导体物理半导体物理SemiconductorPhysics4.3.2电阻率与杂质浓度的关系n型p型本征重掺杂：不完全电离；N增加，μ减小偏离直线关系QUST半导体物理半导体物理SemiconductorPhysics4.3.2电阻率与温度的关系杂质半导体载流子来源迁移率因素杂质电离1本征激发2电离杂质散射3晶格散射4QUST半导体物理半导体物理第一章思考题什么是迁移率？迁移率的影响因素有哪些？QUST半导体物理半导体物理第五章非平衡载流子第五章非平衡载流子QUST半导体物理半导体物理5.2.2准费米能级0000expexpexpcFnFnFFniciEEEEEEnNnnkTkTkT0000expexpexpFpvFFpiFpviEEEEEEpNpnkTkTkTQUST半导体物理半导体物理－τ与Et能级位置的关系净复合率U=简单假设rn=rp=r，则当Et=Ei时，U极大当|Et－Ei|kT时，U→0深能级---有效的复合中心双曲余弦QUST半导体物理半导体物理5.3陷阱效应5.3.1陷阱现象Δp≠ΔnΔp=Δn+Δnt若Δnt0，电子陷阱作用若Δnt0，空穴陷阱作用有效的陷阱：在Nt较低的条件下，ΔntΔn（Δp）.杂质能级积累非平衡载流子的作用称为陷阱效应QUST半导体物理半导体物理5.3.2成为陷阱的条件成为有效电子陷阱的条件：1当n1=n0（即Et＝EF）时2要使Δnt大，n0最好为少子，即p型半导陷阱的作用---增加少子寿命QUST半导体物理半导体物理5.4爱因斯坦关系爱因斯坦关系QUST半导体物理半导体物理第六章pn结第6章pn结QUST半导体物理半导体物理6.1.3平衡p-n结能带图QUST半导体物理半导体物理6.1.4p-n结接触电势差例如：NA=1017cm-3，ND=1015cm-3SiVD≈0.7VGeVD≈0.3VQUST半导体物理半导体物理1.外加电压下，pn结势垒的变化及载流子的运动正向偏压：非平衡载流子的电注入6.2p-n结电流电压特性反向偏压：少数载流子的抽取或吸出6.2.1非平衡状态下的pn结---pn结势垒的变化-+pnp’pn’nqVDq(VD-V)+-pnp’pn’nqVDq(VD+V)QUST半导体物理半导体物理－正向偏压下的非平衡少子注入到P区的非平衡电子注入到N区的非平衡空穴无限厚样品的稳态扩散解QUST半导体物理半导体物理6.2.3理想p-n结的J-V关系前提：－小注入－突变耗尽层条件（耗尽层外电中性）－忽略势垒区中载流子的产生、复合－非简并电流密度扩散电流组成QUST半导体物理半导体物理－整流特性－强烈依赖温度Js：反向饱和电流密度qV/kT1−qV/kT1QUST半导体物理半导体物理6.3p-n结电容－突变结p+-n电荷分布耗尽近似6.3.1p-n结中的电场和电势分布正负电荷总量相等耗尽区主要在轻掺杂区的一边势垒区宽度DnpXxxQUST半导体物理半导体物理第六章pn结泊松方程电场分布边界条件耗尽区主要在轻掺杂区的一边QUST半导体物理半导体物理电场分布电势分布边界条件22AAPp00()2prrqNxxqNxxVx22DnDnnDr0r0()2qNxxqNxxVxVn0xxQUST半导体物理半导体物理势垒宽度n+-p结p+-n结22AAPp00()2prrqNxxqNxxVx22DnDnnDr0r0()2qNxxqNxxVxVQUST半导体物理半导体物理第六章pn结-几点说明1单边突变结VD随低掺杂浓度增大而增大2突变结XD与VD-V的平方根成正比。正向电压增大而减小，反向电压增大而增大。单边突变结XD随低掺杂浓度增大而减小3mD2DEXV外加电压时r0ADDDAD2NNVVXqNNQUST半导体物理半导体物理6.3.2势垒电容－突变结势垒电容扩散电容(耗尽层近似)平行板电容NB：轻掺杂浓度突变结DnpXxxQUST半导体物理半导体物理轻掺杂浓度耗尽层近似反向适用－突变结（正向偏压）考虑势垒区中的载流子作用QUST半导体物理半导体物理第六章pn结-几点说明1突变结势垒电容和结面积以及轻掺杂一边的杂质浓度的平方根成正比2突变结势垒电容与VD-V的平方根成反比QUST半导体物理半导体物理6.4p-n结的击穿6.4.1雪崩击穿影响因素：E、XDQUST半导体物理半导体物理6.4.2齐纳击穿