半导体物理学1-5章

低温：本征激发忽略，杂质电离为主，温度升高，电阻率下降室温：杂质全部电离，晶格散射为主，温度升高，电阻率增加高温：本征激发为主，温度升高，电阻率急剧下降。

半导体物理学

• 半导体中载流子的统计分布
  • 状态密度
    • 状态密度 在能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数
  • 费米能级和载流子的统计分布
    • 费米能级 绝对零度时，电子系统中电子占据的最高能级
  • 本征半导体的载流子浓度
  • 杂质半导体的载流子浓度
    • 杂质能带 在简并半导体中，杂质原子相互间比较靠近 导致杂质原子之间电子波函数发生交叠，使孤 立的杂质能级扩展为能带，称为杂质能级。
  • 简并半导体
    • 禁带变窄效应
      • 杂质能带进入导带或价带，并与导带或价带相连，形成新的简并能带，使能带的状态密度发生了变化，导致禁带宽度由Eg减小为Eg'，所以重掺杂时禁带宽度变窄。
    • 低温载流子的冻析效应
      • 温度低于100K时，施主杂质只有部分电离.尚有部分载流子被冻析在杂质能级上，对导电没有贡献。
• 半导体的导电性
  • 载流子的漂移运动和迁移率
  • 载流子的散射
    • 电离杂质的散射
      • 双曲线轨迹 电离杂质浓度越高，散射机会越多 温度越高，越不易被杂质散射
    • 晶格振动的散射：只与长波声子作用
      • 声波散射：弹性散射
        • 长波：10E-8m（几十个原子间距) 长波中的纵波起主要作用，引起禁带宽度变 化及附加势场 温度越高，散射概率越高
      • 光波散射：非弹性散射
        • 主要体现在离子晶体 长纵光学波，光学声子 正负离子的位移产生附加势场 低温时作用很小；温度升高，概率迅速增加
    • 其他散射
      • 等同能谷间散射
        • 长声学波散射：弹性散射 长光学波散射：非弹性散射 低温时谷间散射很小
      • 中性杂质的散射
        • 未电离中性杂质的散射 低温起作用 重掺杂半导体
      • 位错散射：位错附加势场
      • 合金散射：化合物半导体
  • 迁移率与杂志浓度和温度的关系
    • 高纯样品：晶格散射为主，温度升高，迁移率迅速 减小
    • 杂质样品：低温时以杂质散射为主，温度升高，迁移率缓 慢增加 温度升高：以晶格散射为主，温度升高，迁移率 下降
    • 少子和多子迁移率：以硅为例
      • 低杂质浓度：电子作为多子和少子迁移率相同 为1330；空穴为495 杂质浓度增加，电子和空穴的少子和多子迁移
      • 相同浓度下少子与多子迁移率差别随杂质浓度 增加而增大
  • 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系
    • 低温：本征激发忽略，杂质电离为主，温度升 高，电阻率下降 室温：杂质全部电离，晶格散射为主，温度升 高，电阻率增加 高温：本征激发为主，温度升高，电阻率急剧下 降
    • 杂质浓度越高，电阻率越小
• 非平衡载流子
  • 非平衡载流子的注入与复合
    • 定义：光照或电子注入等非平衡态下的载流子
  • 非平衡载流子的寿命
    • 非平衡载流子寿命：非平衡载流子浓 心小国R世/e所经历的时间
  • 准费米能级
    • 非平便态下费米能级的动态变化
  • 复合理论
    • 按过程分
      • 直接复合：导带和价带之间的直接复合
      • 间接复合：禁带区能级上的复合中心
    • 按复合的位置分
      • 表面复合
      • 体内复合
    • 按释放能量方式分
      • 发射光子：辐射复合 发射声子：能量传递给晶格振动 俄歇复合：能量传递给其他载流子
  • 陷阱效应
    • 电子陷阱：费米能级以上的能级，越 接近费米能级，陷阱效应越显著
    • 空穴陷阱：费米能级以下的能级，越 接近费米能级，陷阱效应越显著
  • 载流子的扩散运动
    • 非平衡态下载流子浓度差异
    • 扩散长度：非平衡载流子深入样品的平均距离
    • 扩散系数：存在浓度梯度时载流子运动的且现开
  • 载流子的漂移扩散
    • 爱因斯坦关系式：扩散系数与迁移率之间的定量关系
  • 连续性方程
• 半导体中的杂质和缺陷能级
  • 硅和锗晶体中的杂质能级
    • 按杂质进入半导体的方式分
    • 按照杂质影响半导体的导电类型
      • 施主杂质
        • 施主杂质释放电子，即向导带提供电子 施主处于离化态时，成为正电中心 · 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。 施主电离能为△ED 施主能级——被施主杂质束缚的电子的能 量状态，记为ED。 通常在室温下，杂质可以完全电离。电子浓 度等于杂质浓度。 n型半导体：主要依靠导带电子导电的半导 体。
      • 受主杂质
        • 受主杂质释放空穴的过程，即向价带提供空 穴。 受主杂质处于离化态时，成为负电中心 l||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 受主电离能为△EA 受主能级——被受主杂质束缚的空穴的能 量状态，记为EA。 在室温下，受主杂质完全电离，则空穴浓度 等于受主杂质浓度。 p型半导体：主要依靠价带空穴导电的半导 体。
  • Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级
    • 等电子杂质
      • 杂质原子常取代电负性相近或原子半径相近的 基质原子。
    • 等电子陷阱
      • 由于电负性的不同，某些化合物半导体中的等 电子杂质仍然能够俘获载流子而成为带电中心 1.只有当掺入原子与基质晶体原子在电负性、 共价半径方面具有较大差别时，才能形成等电 子陷阱 2.同族元素原子序数越小，电负性越大，共价 半径越小，若杂质电负性大于基质晶体原子 时，取代后俘获电子成为负电中心，反之俘获 空穴成为正电中心 3.等电子陷阱带电后能够通过库仑力作用俘获 另一种相反符号的载流子，形成束缚激子，可 以改善间接带隙半导体材料的光学性能。
    • 杂质的双性行为
      • 在Ⅲ-V族化合物半导体中掺入VA族元素如： 硅，既可能起施主作用，又可能起受主作用。
  • 缺陷，位错能级
    • 点缺陷
      • 弗仑克尔缺陷——空位和间隙原子成对出现； 肖特基缺陷——只在晶体内形成空位而无间隙 原子的缺陷
    • 位错
      • 在位错所在处，有一个不成对的电子（不饱和的 共价键)：若获得一个电子，起受主作用；若 失去一个价电子，则起施主作用。 位错周围的晶格发生畸变，周期性势场被破 坏，引起能带结构的变化，导致能带变形，晶格 伸张区禁带宽度减小，晶格压缩区禁带宽度变 大
    • 其他
      • Si，Ge中空位周围有四个不成对电子，所以 空位表现出受主作用；每个间隙原子有四个 可以失去的电子，所以间隙原子表现出施主作用 M 间隙原子时为施主，X 间隙原子时为受主。 正离子空位VM是受主，负离子空位VX是 施主。 离子性弱的二元化合物AB，替位原子AB是受 主，BA是施主，形成反结构缺陷。
• 半导体中的电子状态
  • 半导体的晶格结构和结合性质
    • 晶体结构的特点
      • 周期性排列
      • 固定熔点
      • 单品各向异性
    • 点阵十基元
      • 晶胞
      • 原胞
      • 基元 可以多个原子
    • 晶向和晶面
  • 半导体中的电子状态和能带
    • 自由电子 势场=0，波函数，能量连续
    • 晶体中电子 周期势场，单电子近似，bloch波函数
    • 能带
  • 半导体中的电子的运动 有效质量
  • 本征半导体的导电机构 空穴
  • 回旋共振
    • 各向异性
    • 各向同性
  • 硅和锗的能带结构