半导体物理复习new

《半导体物理复习new》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、半导体物理复习一．平衡载流子与Fermi能级半导体中的载流子有2种：电子和空穴。在半导体器件中，电子和空穴一般都看作是具有一定有效质量的自由粒子，即有E∝k2。如果载流子的能量较高，则需要考虑能带的非抛物线性影响：E（1+E/Eg）∝k2;meff*=（1+2E/Eg）m*.*（施主或受主杂质+热激发）→产生载流子：电子来自于施主，空穴来自于受主。温度对载流子浓度的影响：热激发~载流子浓度与温度和禁带宽度有指数关系。若温度较高时，杂质将全电离→继而本征激发。但若温度降低到很低时，载流子将可能回到杂质中心~载流子“冻结”→低温半导体器件的开发比较困难。*掺

2、杂浓度的高低对半导体性质的影响：电子处在导带，占据能级E的几率为Fermi分布函数f(E）；空穴处在价带，占据几率为1－f(E).一般，掺杂浓度不很高，载流子浓度不很大，分布函数可用Boltzmann分布来近似~非简并半导体；若掺杂浓度很高，载流子浓度很大时，则必须采用Fermi分布~简并(退化)半导体→杂质能带→有效禁带宽度减小。*能态密度函数g(E):是指能量在E和E+dE间隔内的量子态总数.对导带~gc(E)=(1/2π2)(2mdn/ħ2)3/2(E-Ec)1/2,电子的态密度有效质量mdn=（s2m1m2m3)1/3；s是等价能谷数(对GaAs

3、:s=1,mdn=mn;对Si和Ge:s=6和4,mdn=（s2mlmt2)1/3).对价带~gv(E)=(1/2π2)(2mdP/ħ2)3/2(E-Ec)1/2,空穴的态密度有效质量mdP=(mPl3/2mPh3/2)2/3；mPl和mPh分别为轻、重空穴的有效质量.*半导体中的热平衡载流子浓度:n=∫Ecf(E)gc(E)dE=NcF1/2([EF-Ec]/kT),非简并时n=Ncexp{-[(Ec-EF）/kT]}=niexp[(EF–Ei)/kT].p=∫Ev[1-f(E)]gv(E)dE=NvF1/2([Ev-EF]/kT),非简并时p=Nve

4、xp{-[(EF-Ev）/kT]}=niexp[(Ei–EF)/kT].：导带的有效态密度(300K)：价带的有效态密度(300K)•[计算例]在硅中掺有As浓度为1016cm-3,求出室温下的载流子浓度和Fermi能级的位置.解:n≈ND=1016cm-3,p≈ni2/ND=(1.45×1010)2/1016=2.1×104cm-3.EC–EF≈kTln(NC/ND)=0.0259ln(2.8×1019/1016)=0.206eV;EF–Ei=kTln(n/ni)≈kTln(ND/ni)=0.0259ln(1016/1.45×1010)=0.354eV

5、.二．非平衡载流子与准Fermi能级近似•两种非平衡载流子：（1）注入的非平衡载流子；（2）电场加速的热载流子。•准Fermi能级：因为载流子在一个能带内达到平衡所需要的时间大约<10-10s,这比复合时间(通常是μs数量级)要短得多,故可认为注入到能带内的非平衡载流子与晶格不发生能量交换,在各自的能带内处于“准平衡状态”.从而可引入所谓准Fermi能级EFn和EFP来分别描述电子和空穴在能态上的分布:非平衡电子的Fermi分布函数fn(E)={[exp(E–EFn)/kT]+1}-1,非平衡空穴的Fermi分布函数fP(E)={[exp(EFP–E)/

6、kT]+1}-1;则有n=∫Ecfn(E)gc(E)dE==Ncexp{-[(Ec-EFn）/kT]},p=∫EvfP(E)gv(E)dE==Nvexp{-[(EFP-Ev）/kT]}.三．热载流子效应•热载流子：*是动能(qEvdτE≡3kTe/2)≥热运动平均能量(3kT/2)的非平衡载流子.热载流子的漂移速度接近热运动速度(室温下约为107cm/s),热载流子的温度Te高于晶格温度T.(τE是能量弛豫时间;vd是漂移速度,在高电场下趋于饱和速度.)*热载流子效应(1)~非线性速度与电场的关系(迁移率与电场有关):对Si:足够高能量的热载流子与光学波

7、声子相互作用时,热载流子即发射光学波声子(能量≈0.05eV)而损失能量,从而热载流子速度趋于饱和值(vs≈1.7×107cm/s).对n-GaAs:当热载流子能量(kTe)高到与主能谷-次能谷的能量差(≈0.31eV)可相比较时,大多数电子即移入次能谷,从而漂移速度↓(迁移率减小),出现负阻.*热载流子效应(2)~碰撞电离:当热载流子动能足够高、与晶格碰撞时,可打破一个价键,即将一个价电子从价带电离(激发)到导带,从而产生一个电子-空穴对~碰撞电离.碰撞电离的电离能Ei≈3Eg/2(因需要满足能量守恒和动量守恒,故Ei比Eg要大).只有能量大于Ei的热

8、载流子(其中所占的比例是exp[-Ei/kTe])才能产生碰撞电离.电离率α~是