导图社区 物理-半导体物理思维导图
- 364
- 3
- 5
- 举报
物理-半导体物理思维导图
一篇关于物理-半导体物理思维导图，包含自由电子、晶体、本征半导体等。希望可以对大家有所帮助。
编辑于2023-11-21 23:29:50- 半导体
- 相似推荐
- 大纲
半导体物理
自由电子
k波矢表达
晶体
原子密度
周期性
本征半导体
非本征半导体
缺陷
点缺陷:间隙 线缺陷:空位 面缺陷:层错和晶粒间界
波粒二象性
尺寸小
波动性
尺寸大
粒子性
薛定谔方程

布洛赫定理
布里渊区
本征半导体
概念
禁带宽度
硅Si=1.12eV 锗Ge=0.67eV 砷化镓GaAs=1.43eV
大部分
IV-VI化合物半导体禁带宽度得温度函数比较复杂 PbS、PbSe、PbTe 小于100K，与温度无关 大于100K，与温度成单调递增
高温易跃迁
有效质量
电子结构有效质量
有效质量公式中，E(0)随着电子的位置而变化，并非固定数值，有效质量具有相对性。（能带顶中的电子有效质量为负数） 导带中的电子有效质量>0 E(0)是导带底 价带中的电子有效质量<0 E(0)是价带顶 
状态密度有效质量
 导带底电子状态密度有效质量 硅，导带底共有6个对称状态，s=6  锗，s=4 
 价带顶空穴状态密度有效质量
电导有效质量
特点
准动能
电子空穴浓度相等
杂质半导体
杂质种类
间隙
替位
n型半导体
施主能级
释放电子
V族
p型半导体
受主能级
束缚电子
III族
能级位置
杂质能级是与杂质原子的电子壳层结构、杂质原子的大小、杂质在半导体晶格中的位置等因素有关
非简并半导体
浅能级
施主电离能
受主电离能
补偿
存在p、n型
深能级
多能级
距离远
复合中心
复合一对电子空穴对
陷阱效应
俘获一种载流子
弱简并半导体
简并半导体
费米能级不在禁带中
费米能级在导带或价带中
载流子分布
能级概念
能带能级
状态密度
导带底
价带顶
电子概率分布函数
费米分布函数
费米能级
由统计理论证明，费米能级是系统化学势 费米能级可看成量子态是否被电子占据得一个界限 它和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能力零点的选取有关。 
玻尔兹曼分布函数
浓度(非简并)

导带电子浓度
导带的有效状态密度
价带空穴浓度
价带的有效状态密度
浓度乘积
电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关。对一定的半导体材料，乘积只取决于温度T，与所含杂质无关
杂质能级
杂质能级与能带中能级区别，在能带中的能级可以容纳自旋方向相反的两个电子；而对于施主杂质能级只能是如下两种情况的一种。1.被一个有任一自旋方向的电子所占据；2.不接受电子
施主能级
电子概率
施主能级的基态简并度
通常取2
施主能级电子浓度
电离施主浓度
受主能级
空穴概率
受主能级的基态简并度
通常取4
受主能级空穴浓度
电离受主浓度
温度
施主
低温弱电离区
强电离(饱和区)
未电离的施主浓度
过渡区
高温本征区
受主
低温弱电离区
强电离(饱和区)
未电离的受主浓度
过渡区
高温本征区
导电性
概念
电导率
电阻率
n型
p型
本征
散射
电离杂质散射(i)
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。在电离施主或电离受主周围形成一个库仑势场，这一库仑势场局部地破坏杂质附近的周期性势场，而载流子运动到电离杂质附近时，使其运动速度和方向均发生变化，即为电离杂质散射。
杂质浓度

晶格振动散射
声学波散射(s)
光学波散射(o)
声子能量
其他散射
公式关系
散射概率
平均自由时间
载流子在电场中作漂移运动时，只有在连续两次散射之间的时间内才加速运动，这段时间称为自由时间
迁移率
迁移率
非平衡

少数载流子
概念
浓度
小注入
注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小得多。 对n型材料：， 对p型材料：，
非平衡载流子远小于多子浓度
大注入
非平衡载流子远多于多子浓度
非平衡载流子浓度
寿命：非平衡载流子浓度减小到1/e的时间
非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命。由于相对于非平衡多数载流子，非平衡少数载流子的影响处于主导的、决定的地位。因而非平衡载流子的寿命常称为少数载流子寿命。
准费米能级
电子准费米能级
空穴准费米能级
乘积
浓度与能级的对应关系
平衡载流子浓度对应费米能级 非平衡载流子浓度对应准费米能级 本征载流子浓度对应禁带中线 n与p是不同类的，只有同类才对应 玻尔兹曼近似的条件下
复合
形式
发射光子
发光
发射声子
晶格振动
俄歇复合
带间俄歇复合在窄禁带半导体中以及高温情况下起着重要作用，而与杂质和缺陷有关的俄歇复合过程，则常常是影响半导体发光器件的发光效率的重要原因
增加载流子动能
过程
内部
直接
直接净复合率
R复合率，G产生率，比例系数r：电子—空穴复合概率 U<0 抽取载流子 U=0 平衡 U>0 注入载流子
强n型 强p型 本征
间接
4个过程
发射电子、空穴
俘获电子、空穴
参数
复合中心能级的电子浓度
r俘获率 忽略了分布函数中的简并因子（杂质能级）
复合中心浓度
恰好等于费米能级与复合中心能级重合时的导带的平衡电子浓度
恰好等于费米能级与复合中心能级重合时的价带的平衡空穴浓度
净复合率
寿命
取决于费米能级是否在之中
俘获截面
表面

陷阱
陷阱能级上电子积累浓度
陷阱能级
深能级
扩散运动
普遍解
n型
够厚
扩散流密度
一定厚(W)
扩散长度
非平衡载流子平均扩散的距离 D为扩散系数
电流密度
漂移
电势差
扩散
浓度差
爱因斯坦关系式
平衡与非平衡都适用，表明非简并情况下载流子迁移率和扩散系数之间的关系
总结
双极输运方程
小注入n型
小注入p型
简化
稳定状态
过剩载流子均匀分布
零电场
无过剩载流子产生
无过剩载流子复合
pn结
合成方法 1.合金法 2.扩散法 3.离子注入法
空间电荷区
 空间电荷区的形成 载流子浓度梯度→扩散→破坏电中性→自建电场→漂移电流→动态平衡→零净电流
电势差
Si0.7 Ge0.3
同一区域的平衡时多子与少子的关系
正偏变小、反偏变大
理想pn结
1.小注入；2.突变耗尽层；3.通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层载流子的产生及复合作用；4.玻尔兹曼边界条件——在耗尽层两端，载流子分布满足玻尔兹曼统计分布
参数
非平衡少子

电流密度
肖克利方程式
单向导通性
反向饱和电流
J随温度上升
实际
正偏
a.势垒复合电流
复合电流密度
b.扩散电流
c.大注入
d.线性(串联电阻效应)
反偏
势垒产生电流
产生电流
击穿
雪崩击穿
倍增效应
正温度系数
隧道击穿
穿过禁带
负温度系数
热击穿
热不稳定性
电容
杂质分布
理想状态是突变结
势垒宽度
势垒电容
A为pn结面积
扩散电容
扩散电容随频率的增加而减小 因扩散电容随正向偏压按指数关系增加，所以在大的正向偏压时，扩散电容便起主要作用 A为pn结面积
突变结
合金法：简单、低温、只在结点低温熔融，不常用
重掺杂简化（pn结中少掺杂一方的浓度）
线性缓变结
扩散法：杂质扩散慢、精确

隧道效应
禁带宽度过窄
极高频、极高温
负电阻
MS
概念
功函数
电子逸出的最小能量
金属功函数
金属势垒高度

半导体功函数
半导体势垒高度
外加电压
半导体势垒
金属势垒
不变化
恒定
整流
接触
整流接触
扩散理论
厚阻挡层
载流子移动=漂移+扩散
势垒高度远大于k0T
耗尽层宽度
表面势是半导体表面和内部之间的电势差 
随电压变化，不饱和
热电子发射理论
超越势垒
有效理查逊常数
热电子向真空中发射的理查逊常数是
与电压无关，温度函数
镜像力
金属感应正电荷
势垒极大值位置
势垒降低量
隧道效应
穿透势垒
势垒降低量
临界势垒厚度
肖特基二极管
高频
反向饱和电流大
较低正向导通电压—0.3V
欧姆接触
势垒薄
贯穿势垒
金属—重掺杂半导体—掺杂半导体
表面态
MIS
参数
理想条件
p型
状态
表面能带
电压

表面处电场强度
表面的电荷面密度
单位面积上的电容
多子堆积
平带
 德拜长度
多子耗尽
反型
弱反型
强反型
耗尽层宽度极大值，由半导体材料的性质和掺杂浓度来决定
实际
金属与半导体功函数差为零
平带电压
恢复平带状态所需加的电压
在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电
绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态
C—V特性
通低阻高频
n型
低频情况
表面处少数载流子浓度等于多数载流子浓度 外电压=绝缘层+表面势 
陈沛铭
pn结
隧道效应
禁带宽度过窄
极高频、极高温
负电阻
电容
杂质分布
理想状态是突变结
势垒宽度
电容
A为pn结面积
扩散电容
扩散电容随频率的增加而减小 因扩散电容随正向偏压按指数关系增加，所以在大的正向偏压时，扩散电容便起主要作用
突变结
合金法：简单、低温、只在结点低温熔融，不常用
重掺杂简化（pn结中少掺杂一方的浓度）
线性缓变结
扩散法：杂质扩散慢、精确

理想pn结
1.小注入；2.突变耗尽层；3.通过耗尽层的电子和空穴电流为常量，不考虑耗尽层载流子的产生及复合作用；4.玻尔兹曼边界条件
非平衡少子

电流密度
肖克利方程式
单向导通性
反向饱和电流
J随温度上升
正偏
a.势垒复合电流
复合电流密度
b.扩散电流
c.大注入
d.线性
反偏
势垒产生电流
产生电流
击穿
雪崩击穿
倍增效应
正温度系数
隧道击穿
穿过禁带
负温度系数
热击穿
热不稳定性
空间电荷区

电势差
Si0.7 Ge0.3
同一区域的平衡时多子与少子的关系
正偏变小、反偏变大
热平衡时的能带和载流子分布
基本
单电子近似
单电子近似，假设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场及其他电子的平均势场中运动
每立方厘米
硅5*10E22
锗2.42*10E22
金刚石晶胞有效原子数8个
自由电子
k波矢表达
禁带宽度
金刚石6~7eV、硅1.12eV、锗0.67eV、砷化镓1.43eV
高温变小
有效质量

价带为负
准动能
空穴
杂质半导体
杂质
间隙
替位
n型半导体
施主能级
释放电子
V族
p型半导体
受主能级
束缚电子
III族
能级
杂质能级是与杂质原子的电子壳层结构、杂质原子的大小、杂质在半导体晶格中的位置等因素有关
非简并半导体
浅能级
施主电离能
受主电离能
补偿
存在p、n型
深能级
多能级
距离远
复合中心
复合一对电子空穴对
陷阱效应
俘获一种载流子
弱简并半导体
简并半导体
费米能级不在禁带中
费米能级在导带或价带中
载流子分布
能带能级
状态密度
导带底
价带顶
电子概率分布函数
费米分布函数
费米能级
由统计理论证明，费米能级是系统化学势 费米能级可看成量子态是否被电子占据得一个界限 它和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能力零点的选取有关。 
玻尔兹曼分布函数
浓度(非简并)

导带电子浓度
导带的有效状态密度
价带空穴浓度
价带的有效状态密度
浓度乘积
电子和空穴的浓度乘积和费米能级无关。对一定的半导体材料，乘积只取决于温度T，与所含杂质无关
本征浓度
杂质能级
杂质能级与能带中能级区别，在能带中的能级可以容纳自旋方向相反的两个电子；而对于施主杂质能级只能是如下两种情况的一种。1.被一个有任一自旋方向的电子所占据；2.不接受电子
施主能级
电子概率
施主能级的基态简并度
通常取2
施主能级电子浓度
电离施主浓度
受主能级
空穴概率
受主能级的基态简并度
通常取4
受主能级空穴浓度
电离受主浓度
温度
施主
低温弱电离区
强电离(饱和区)
未电离的施主浓度
过渡区
高温本征区
受主
低温弱电离区
强电离(饱和区)
未电离的受主浓度
过渡区
高温本征区
载流子的运输现象
导电性
电导率
电阻率
n型
p型
本征
散射
电离杂质散射(i)
杂质浓度

晶格振动散射
声学波散射(s)
光学波散射(o)
声子能量
其他散射
公式关系
散射概率
平均自由时间
载流子在电场中作漂移运动时，只有在连续两次散射之间的时间内才加速运动，这段时间称为自由时间
迁移率
迁移率
非平衡

少数载流子
浓度
小注入
注入的非平衡载流子浓度比平衡时的多数载流子浓度小得多。 对n型材料：， 对p型材料：，
非平衡载流子远小于多子浓度
大注入
非平衡载流子远多于多子浓度
非平衡载流子浓度
寿命：非平衡载流子浓度减小到1/e的时间
非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命。由于相对于非平衡多数载流子，非平衡少数载流子的影响处于主导的、决定的地位。因而非平衡载流子的寿命常称为少数载流子寿命。
准费米能级
电子准费米能级
空穴准费米能级
乘积
浓度与能级的对应关系
平衡载流子浓度对应费米能级 非平衡载流子浓度对应准费米能级 本征载流子浓度对应禁带中线 n与p是不同类的，只有同类才对应 玻尔兹曼近似的条件下
复合
形式
发射光子
发光
发射声子
晶格振动
俄歇复合
带间俄歇复合在窄禁带半导体中以及高温情况下起着重要作用，而与杂质和缺陷有关的俄歇复合过程，则常常是影响半导体发光器件的发光效率的重要原因
增加载流子动能
过程
内部
直接
直接净复合率
R复合率，G产生率，比例系数r：电子—空穴复合概率 U<0 抽取载流子 U=0 平衡 U>0 注入载流子
强n型 强p型 本征
间接
4个过程
发射电子、空穴
俘获电子、空穴
参数
复合中心能级的电子浓度
r俘获率 忽略了分布函数中的简并因子（杂质能级）
复合中心浓度
恰好等于费米能级与复合中心能级重合时的导带的平衡电子浓度
恰好等于费米能级与复合中心能级重合时的价带的平衡空穴浓度
净复合率
寿命
取决于费米能级是否在之中
俘获截面
表面

陷阱
陷阱能级上电子积累浓度
陷阱能级
深能级
扩散运动
普遍解
n型
够厚
扩散流密度
一定厚(W)
扩散长度
非平衡载流子平均扩散的距离 D为扩散系数
电流密度
漂移
电势差
扩散
浓度差
爱因斯坦关系式
平衡与非平衡都适用，表明非简并情况下载流子迁移率和扩散系数之间的关系
双极输运方程
小注入n型
小注入p型
简化
稳定状态
过剩载流子均匀分布
零电场
无过剩载流子产生
无过剩载流子复合