最新半导体物理总复习教学讲义ppt.ppt

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1、半导体物理总复习下图为砷化镓的动量-能量关系曲线，其价带顶与导带底发生在相同动量处（p=0）。因此，电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。直接带隙半导体：能量/eV对Si、Ge而言，其动量-能量曲线中价带顶在p=0，导带最低处则在p=pC。因此，电子从价带顶转换到导带最低处时，不仅需要能量转换(≥Eg)，也需要动量转换(≥pC)。间接带隙半导体：能量/eV0pc2用能带理论解释金属、半导体及绝缘体的电导率之间的巨大差异：电子在最高能带或最高两能带的占有率决定此固体的导电性。价带导带填满的价带空导带部分填满的导

2、带EgEg≈9eV金属价带导带半导体绝缘体3热平衡情况下，无论对于本征还是非本征半导体，该式都成立，称为质量作用定律。只要满足近似条件（EC-EF>3kT或EF-EV>3kT），下式即可成立只要满足近似条件，np的乘积为本征载流子浓度（和材料性质有关，与掺杂无关）的平方。热平衡状态半导体的基本公式。若施主与受主同时存在，则由较高浓度的杂质决定半导体传导类型。费米能级调整以保持电中性，即总负电荷（包括导带电子和受主离子）必须等于总正电荷（包括价带空穴和施主离子）。一般净杂质浓度

3、ND－NA

4、比本征载流子浓度ni大

5、，因此7下图显示施主浓度ND为1015cm-3时，硅的电子浓度对温度的函数关系图。低温，晶体中热能不足以电离所有施主杂质。有些电子被冻结在施主能级，因此电子浓度小于施主浓度。温度上升，完全电离的情形即可达到（即nn=ND）。温度继续上升，电子浓度基本上在一段长的温度范围内维持定值，此为非本征区。温度进一步上升，达到某一值，此时本征载流子浓度可与施主浓度相比，超过此温度后，半导体便为本征的。半导体变成本征时的温度由杂质浓度及禁带宽度值决定。电子浓度n/cm-38最重要的两种散射机制：影响迁移率的因素：晶格散射：当

6、晶体温度高于0K时，晶格原子的热振动随温度增加而增加；在高温下晶格散射变得显著，迁移率因此随着温度的增加而减少。杂质散射：是一个带电载流子经过一个电离杂质所引起的。由于库仑力的交互作用，带电载流子的路径会偏移。µI随着T3/2/NT而变化，其中NT为总杂质浓度。散射机制平均自由时间迁移率第三章漂移运动：小电场E施加于半导体，每一个电子上受到-qE的作用力，且在各次碰撞之间，沿着电场的反向被加速。因此，一个额外的速度（漂移速度）成分将加到热运动的电子上。9n型半导体p型半导体电导率爱因斯坦关系式当浓度梯度与电场同

7、时存在时，总电流密度即为漂移及扩散成分的总和，因此总传导电流密度为适用：低电场状态。高电场时，μnE及μpE应以饱和速度vs替代。10在热平衡下，pn=ni2。如果有超量载流子导入半导体中，pn>ni2，称此状态为非平衡状态。净复合率俄歇复合：电子-空穴对复合所释放出的能量及动量转换至第三个粒子而发生的，此第三个粒子可能为电子或空穴。半导体表面，假如载流子具有足够的能量，它们可能会被发射至真空能级，这称为热电子发射过程。电子亲和力qχ为半导体中导带边缘与真空能级间的能量差；功函数qs为半导体中费米能级与真空能

8、级间的能量差。假如一个电子的能量超过qχ，它就可以被热电子式发射至真空能级。连续性方程是描述半导体物质内当漂移、扩散及复合同时发生时的总和效应的方程式。11第四章p-n结：由p型半导体和n型半导体接触形成的结。整流性：只容许电流流经单一方向。p-n结形成前p型和n型半导体材料分离。费米能级在p型材料中接近价带边缘，在n型中则接近导带边缘。p型，空穴为多子，电子为少子；n型刚好相反。12p型和n型半导体结合空穴离开p侧，结附近部分受主离子NA-未能够受到补偿，因受主被固定在半导体晶格。结附近部分施主离子ND+，在

9、电子离开n侧时未能得到补偿。负空间电荷在接近结p侧形成，正空间电荷在接近结n侧形成。空间电荷区域产生了一电场（内建电场）：由正空间电荷指向负空间电荷。热平衡时，整个样品上的费米能级是常数（亦即与x无关）。13热平衡时，p型和n型中性区的总静电势差即为内建电势Vbi无外加偏压，横跨结的总静电势是Vbi。从p端到n端其对应的电势能差是qVbi。p端加一相对于n端的电压VF，p-n结正偏。跨过结的总静电势减少VF，即Vbi-VF。因此，正偏降低耗尽区宽度。在n端加上相对于p端的电压VR，p-n结反偏，总静电势增加VR

10、，即Vbi+VR。反向偏压会增加耗尽区宽度。反偏，耗尽层势垒电容为主要结电容。正偏，对结电容会产生显著的附加电容（即扩散电容）。14pn结理想电流-电压特性的假设：①耗尽区为突变边界，且假设在边界之外，半导体为电中性。②边界的载流子浓度和跨过结的静电电势有关。③小注入情况，亦即注入的少子浓度远小于多子浓度，即在中性区边界上，多子浓度因加上偏压而改变的量可忽略。④耗尽区内无产生和复合电流