半导体物理复习归纳.doc

一、 半导体的电子状态
1、 金刚石结构（Si、Ge）
Si、Ge原子组成，正四面体结构，由两个面心立方沿空间对角线互相平移1/4个空间对角线长度套构而成。由相同原子构成的复式格子。
2、 闪锌矿结构（GaAs）
3-5族化合物分子构成，与金刚石结构类似，由两类原子各自形成的面心立方沿空间对角线相互平移1/4个空间对角线长度套构而成。由共价键结合，有一定离子键。由不同原子构成的复式格子。
3、 纤锌矿结构（ZnS）
与闪锌矿结构类似，以正四面体结构为基础，具有六方对称性，由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积而成。是共价化合物，但具有离子性，且离子性占优。
4、 氯化钠结构（NaCl）
沿棱方向平移1/2，形成的复式格子。

5、 原子能级与晶体能带
原子组成晶体时，由于原子间距非常小，于是电子可以在整个晶体中做共有化运动，导致能级劈裂形成能带。
6、 脱离共价键所需的最低能量就是禁带宽度。价带上的电子激发为准自由电子，即价带电子激发为导带电子的过程，称为本征激发。
7、 有效质量的意义
a. 有效质量概括了半导体内部势场的作用（有效质量为负说明晶格对粒子做负功）
b. 有效质量可以直接由实验测定
c. 有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比。能带越窄，二次微商越小，有效质量越大。
8、 测量有效质量的方法
回旋共振。当交变电磁场角频率等于回旋频率时，就可以发生共振吸收。测出共振吸收时电磁波的角频率和磁感应强度，就可以算出有效质量。为能观测出明显的共振吸收峰，要求样品纯度较高，且实验要在低温下进行。
9、空穴
价带中空着的状态被看成带正电的粒子，称为空穴。这是一种假想的粒子，其带正电荷+q，而且具有正的有效质量mp*。
10、 轻/重空穴
重空穴：有效质量较大的空穴
轻空穴：有效质量较小的空穴
11、 间接带隙半导体
导带底和价带顶处于不同k值的半导体。

二、半导体中的杂质和缺陷能级
1、 晶胞空间体积计算
Si晶胞中有8个硅原子，每个原子看做半径为r的圆球，则8个原子占晶胞空间的百分数：
立方体某顶角的圆球中心与距此顶角1/4体对角线长度处的圆球中心间的距离为2r，且等于边长为a的立方体体对角线长（）的1/4。
2、 杂质类型
间隙式：原子较小，存在于晶格原子间的间隙位置
替位式：原子大小及价电子壳层结构与晶格原子相近，取代晶格原子而位于晶格格点处（3、5族元素属于替位式）
3、 杂质能级
被施主/受主杂质束缚的电子/空穴的能量状态称为施主ED/受主EA能级，位于离导带/价带很近的禁带中。电子/空穴挣脱杂质束缚成为导电粒子所需的能量称为杂质电离能。杂质电离能小的杂质能级很接近导带底/价带顶，称为浅能级，在室温下就几乎全部离化。
4、 杂质补偿
施主、受主杂质间的相互抵消作用称为杂质补偿。高度补偿的半导体虽然导电性类似高纯半导体，但实际性能很差。
5、 深能级杂质
施主杂质能级距离导带底、受主杂质能级距离价带顶很远的能级称为深能级。深能级杂质能够多次电离，往往在禁带引入若干个能级。有的杂质既能引入施主能级，又能引入受主能级。深能级杂质对载流子浓度和导电类型的影响没有浅能级杂质显著，但对于载流子复合作用比浅能级杂质强，故也称为复合中心。
6、 缺陷
点缺陷、位错

三、 载流子统计分布
1、 热平衡
载流子产生：
本征激发（电子从晶格获取能量从价带跃迁到导带形成导带电子和价带空穴）
杂质电离（电子从施主能级跃迁到导带产生导带电子，从价带跃迁到受主能级产生价带空穴）
载流子复合：电子从高能量量子态跃迁到低能量量子态，并向晶格放出能量。
载流子产生与复合达到动态平衡，称为热平衡，此时导电的电子与空穴浓度均保持稳定。
2、 获得热平衡载流子浓度的思路：
A. 允许的量子态按能量如何分布——状态密度
B. 电子在允许的量子态中如何分布——分布函数
3、 状态密度
状态密度g(E)是能带中，能量E附近每单位能量间隔内的量子态数。电子/空穴能量越高，状态密度越大。
计算步骤：
A. 算出k空间中的量子态密度（量子态数除以k空间体积）
在k空间中坐标是2π/L（L是k半导体晶体线度，L3等于晶体体积）的整数倍，每个单位立方体中有1个量子态（计入电子自旋则为2个量子态）
B. 算出k空间中与能量E~(E+dE)间所对应的k空间体积
等能球面的球壳体积4πk2dk
C. 两者相乘即为能量E~(E+dE)间的量子态数
D. g(E)=dZ/dE，由E-k关系化简得

4、 费米分布
电子占据费米能级的概率在各种温度下总是1/2。费米能级标志了电子填充能级的水平。
5、 玻尔兹曼分布
6、 热平衡条件

7、 杂质能级与能带中的能级有区别：能带中的能级可以容纳自旋方向相反的两个电子，而施主能级不允许同时被自旋方向相反的两个电子占据（要么容纳一个，要么空着）。
8、 费米能级远在施主能级下时施主杂质几乎完全电离，费米能级远在受主能级上时受主杂质几乎完全电离。（简并。重掺杂时费米能级很靠近甚至进入导带/价带）
9、 载流子浓度随温度变化
A. 低温弱电离区：杂质少量电离，本征激发可忽略。该段EF随温度先上升再下降，在温度上升到使NC=0.11ND时EF达到极值。杂质浓度越高，达到极值的温度越高。
B. 中间电离区
C. 强电离区（饱和区）：杂质几乎完全电离。载流子浓度随温度保持不变。
D. 过渡区
E. 本征激发区
10、 费米能级随温度及杂质浓度变化

11、 简并半导体
重掺杂情况下，费米能级进入导带（或价带）的情况。此时必须考虑泡利不相容原理，因而不能再使用玻尔兹曼分布必须使用费米分布。发生简并时的杂质浓度与杂质电离能△ED（掺杂类型）和温度T有关。△ED越小，则发生简并的杂质浓度较小时。发生简并化有一个温度范围，杂质浓度越大，发生简并的温度范围越宽。
12、 禁带变窄效应
简并半导体中，杂质浓度高，杂质原子相互间比较靠近，导致孤立的杂质能级扩展为杂质能带。这会使杂质电离能减小。当杂质能带与导带或价带相连，将使禁带宽度变窄。
杂质能带中的电子在杂质原子间做共有化运动参与导电，称为杂质带导电。
13、 载流子冻析效应
温度低于100K时，施主杂质部分电离，尚有部分载流子被冻析在杂质能级上，对导电没有贡献，这称为低温载流子冻析效应。

四、 导电性
1、 迁移率
表示单位场强下电子的平均漂移速率，习惯上迁移率只取正值。
2、 连续两次散射间自由运动的平均路程称为平均自由程，平均时间称为平均自由时间。
3、 载流子在外电场作用下的实际运动轨迹是热运动和漂移运动的叠加。
4、 恒定电场下，电流密度恒定。

5、 主要散射机制
A. 电离杂质散射：
散射概率Pi∝Ni*T - 3/2
B.晶格振动散射
晶格中原子的振动都是由若干不同基本波叠加，这些基本波称为格波。
对于Si等半导体，原胞中有2个原子，对应每个q有6个格波（1个原子对应每个q有一纵两横），频率最低的3个是声学波，频率最高的3个是光学波。晶格振动散射起主要作用的是长纵声学波。Ps∝T 3/2

6、迁移率随温度和杂质浓度变化

五、 非平衡载流子
1、 外界作用破坏了热平衡状态，此时比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子。
2、 小注入条件：注入的非平衡载流子浓度比平衡时多子浓度小的多。
3、 非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，寿命的倒数称为单位时间内非平衡载流子的复合概率。单位时间单位体积内净复合的电子空穴对数称为复合率。寿命标志着非平衡载流子浓度减少到原值的1/e所经历的时间。
4、 非平衡时导带和价带分别处于平衡状态，而导带和价带间处于不平衡状态。于是引入导带费米能级和价带费米能级，它们都是局部的费米能级，称为准费米能级。非平衡载流子越多，准费米能级偏离费米能级越远。在非平衡态，多子的准费米能级与费米能级相差不远，而少子的准费米能级与费米能级相差较远。两者靠的越近，说明越接近平衡态。
5、 复合
按复合过程分为：
直接复合：电子在导带和价带间直接跃迁，引起电子空穴复合
间接复合：电子和空穴通过禁带的能级（复合中心）进行复合
按复合位置分为：表面复合和体内复合
复合时会放出能量，发射光子或者发射声子或者将能量给其他载流子增加它们的动能（俄歇复合）。
6、 直接复合
禁带越宽，直接复合概率越小
产生率基本不变，且等于热平衡时的复合率G=rn0p0，而复合率R=rnp，故非平衡载流子净复合率U=R-G=r(np-ni2)。其中r是平均电子空穴复合概率。
7、 间接复合
杂质和缺陷在禁带中形成能级，对复合有促进作用
位于禁带中央附近的深能级是最有效的复合中心。
8、 表面复合
大多数期间总是希望获得良好的表面，以尽量降低表面复合速度，然而另一方面，在某些物理测量中，为了消除金属探针注入效应的影响，却要设法增大表面复合。
9、 陷阱效应
杂质能级具有积累非平衡载流子的作用，称为陷阱效应。所有杂质能级都有一定陷阱效应。有显著陷阱效应的杂质能级称为陷阱，相应的杂质和缺陷称为陷阱中心。
复合中心：俘获电子和空穴的能力差不多，rp=rn，无显著陷阱效应。
电子陷阱：rn>>rp
空穴陷阱：rp>>rn
杂质能级与平衡时费米能级重合时最有利于陷阱作用。
陷阱的存在大大增加了从非平衡态恢复到平衡态的弛豫时间。
陷阱效应对多子不明显，对少子明显。

六、 金半接触
1、 表面态对接触势垒的影响
表面处的禁带存在表面态。
施主型表面态：能级被电子占据时呈电中性，释放电子后显正电。要保证这个表面态电中性，就需要他在中性能级以下。
受主型表面态：能级空着时显电中性，接收电子后显负电。中性能级以上。
中性能级：电子正好填满中性能级以下所有表面态时，表面显电中性。距离价带顶Eg/3处。
2、 表面态密度很大，只要EF比中性能级高一点，在表面态就会累积很多负电荷（对电子而言是势垒），由于能带向上弯，表面处EF很接近中性能级，势垒高度就等于原来费米能级和中性能级之差，这时势垒高度称为被高表面态密度钉扎，半导体费米能级几乎不随金属改变而改变，只与表面性质有关，即屏蔽金属接触的影响。（费米能级钉扎效应）因此，Wm相当高的势垒（金半功函数差）才能到达半导体，所以反向电流很小。且由于该势垒高度不随外加电压变化，所以金属到半导体的电子数保持不变，而半导体到金属的电子数减小到忽略不计，反向电流趋于饱和。
4、 肖特基势垒二极管
利用金半整流接触特性制成的二极管称为肖特基二极管。
优点：多子器件，无论正偏反偏其载流子都不发生明显累积，开关特性好，适合高频。肖特基二极管具有较低的正向导通电压。
5、 金属探针与半导体接触测量半导体电阻率时要避免少子注入，为此需要增加表面复合。
6、 欧姆接触
非整流接触，即表面处形成势阱（n型能带在表面下弯，p型能带在表面上弯）。
不考虑表面态的影响时Wm型半导体或者Wm>Ws的p型半导体。
实际上，Si等半导体一般具有很高的表面态密度，无论n型还是p型与金属接触都会形成势垒，因此不能采取选择金属材料（改变功函数差）的方法来实现欧姆接触。但是可以通过采取在半导体表面重掺杂后再与金属接触，利用隧道效应得到欧姆接触。

七、 MIS结构
1、 表面态对应的能级叫做表面能级。
2、 晶格表面最外层每个原子都有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，称为悬挂键。
3、 理想表面指表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。
4、 表面场效应
堆积、耗尽、反型
空间电荷层内的电荷由反型层的载流子和耗尽层的电离杂质组成。

5、 Q-V特性

6、 深耗尽状态（CCD工作基础）
当表面电场幅度较大，变化快（如脉冲阶跃正电压）
少子产生速率跟不上电压变化，反型层来不及产生，为了维持电中性，耗尽层向半导体体内深处延伸，产生大量电离杂质。（深耗尽状态）
此时耗尽层宽度远大于Xdm，且随Vg幅度增大而增大。
热弛豫时间：从初始的深耗尽状态到热平衡反型层状态所经历的时间。即耗尽层宽度减小到Xdm的时间。（反型层的建立时间并非很快，1~100s）

7、C-V特性

八、 异质结
1、 异质结的优点：高迁移率、高辐射复合效率，适宜制作超高速开关、太阳能电池、半导体激光器。
2、 异质结：同型（导电类型相同）、反型（导电类型相反）
3、 反型异质结：交界面两侧都是耗尽层
4、 同型异质结：交界面一侧是耗尽层，另一侧是积累层（禁带宽度小的一侧是阱，大的一侧是垒）
5、 二维电子气：半导体的载流子主要来自杂质电离，然而载流子会与电离后的杂质发生碰撞散射，而降低其行动能力。在某些异质结中，高掺杂宽禁带区中杂质提供的电子会掉到中间势阱层，称为二维电子气，这种异质结称为调制掺杂异质结。因为在空间上电子与杂质分开，电子的行动不会因与杂质碰撞而受限制，所以迁移率大大提高，这是高速器件的基本要素。（高载流子浓度、高迁移率）
6、 异质pn结高注入特性
高注入比，作发射区可获得高的注入比和发射效率。使基区厚度大大减薄，改善高频特性。
7、 异质pn结超注入
宽禁带半导体注入到窄禁带半导体的少子浓度超过宽禁带半导体的多子浓度。
P区少子准费米能级上升到可与n区多子准费米能级持平，并且更接近导带底，所以电子浓度高于n区。实现异质结激光器。
8、 超晶格
交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构，而其薄层厚度的周期小于电子的平均自由程。

九、 光电、热电效应
1、 对于吸收系数很大的情况下，光的吸收集中在晶体很薄的表面层。
2、 渗入深度：光子流衰减为表面处1/e时的距离。
3、 直接跃迁：电子吸收光子产生跃迁时波失保持不变
4、 间接跃迁：电子不仅吸收光子，同时还与晶格交换了一定能量。
5、 间接跃迁的光吸收系数比直接跃迁小很多。
6、 光电二极管：光生电压相当于正偏，产生一定正向电流
7、 发光二极管：正偏，少子注入，与多子复合发光
8、 热电效应：
温差生成电势差（赛贝克），原因：温生浓度差，冷热端扩散。P型热端电势低。
电势差生成温差（帕尔贴），原因：电子运动