半导体物理期末复习知识要点资料文档格式.docx
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浅能级杂质对半导体的导电性质有较大的影响。
深能级杂质-杂质能级位于半导体禁带中远离导带底(施主)或价带顶(受主),即杂质电离能很大的杂质。
深能级杂质对半导体导电性质影响较小,但对半导体中非平衡载流子的复合过程有重要作用。
位于半导体禁带中央能级附近的深能级杂质是有效的复合中心。
杂质补偿-在半导体中同时存在施主和受主杂质时,存在杂质补偿现象,即施主杂质束缚的电子优先填充受主能级,实际的有效杂质浓度为补偿后的杂质浓度,即两者之差。
直接带隙-半导体的导带底和价带顶位于k空间同一位置时称为直接带隙。
直接带隙材料中载流子跃迁几率较大。
间接带隙-半导体的导带底和价带顶位于k空间不同位置时称为间接带隙。
间接带隙材料中载流子跃迁时需有声子参与,跃迁几率较小。
平衡状态与非平衡状态-半导体处于热平衡态时,载流子遵从平衡态分布,电子和空穴具有统一的费米能级。
半导体处于外场中时为非平衡态,载流子分布函数偏离平衡态分布,电子和空穴不具有统一的费米能级,载流子浓度也比平衡时多出一部分,但可认为它们各自达到平衡,可引入准费米能级表示。
电中性条件-半导体在任何情况下都维持体内电中性,即单位体积内正电荷数与负电荷数相等。
非简并半导体-半导体中载流子分布可由经典的玻尔兹曼分布代替费米分布描述时,称之为非简并半导体。
简并半导体-半导体重掺杂时,其费米能级有可能进入到导带或价带中,此时载流子分布必须用费米分布描述,称之为简并半导体。
简并半导体有如下性质:
1)杂质不能充分电离;
2)杂质能级扩展为杂质能带。
如果杂质能带与导带或价带相连,则禁带宽度将减小。
本征半导体-本征半导体即纯净半导体,其载流子浓度随温度增加呈指数规律增加。
杂质半导体-在半导体中人为地,有控制地掺入少量的浅能级杂质的半导体,可在较大温度范围内保持半导体内载流子浓度不随温度改变。
即掺杂的主要作用是在较大温度范围维持半导体中载流浓度不变。
多数载流子与少数载流子-多数载流子是在半导体输运过程中起主要作用的载流子,如n-型半导体中的电子。
而少数载流子在是在半导体输运过程中起次要作用的载流子,如n-型半导体中的空穴。
费米分布-费米分布是费米子(电子)在平衡态时的分布,其物理意义是在温度T时,电子占据能量为E的状态的几率,或能量为E的状态上的平均电子数。
费米能级-费米能级是T=0K时电子系统中电子占据态和未占据态的分界线,是T=0K时系统中电子所能具有的最高能量。
漂移速度-载流子在外场作用下定向运动的平均速度,弱场下漂移速度大小正比于外场强度。
迁移率-描述半导体中载流子在外场中运动难易程度的物理量,若外场不太强,载流子运动遵从欧姆定律时,迁移率与电场强度无关,为一常数。
强场时,迁移率与外场有关。
电导率-描述材料导电性质的物理量。
半导体中载流子遵从欧姆定律时,电流密度正比于电场强度,其比例系数即为电导率。
电导率大小与载流子浓度,载流子的迁移率有关。
从微观机制看,电导率与载流子的散射过程有关。
电阻率-电导率的倒数。
本征半导体电阻率随温度上升而单调下降。
同样,电阻率与载流子的散射过程有关。
金属电阻率-随温度上升而上升。
(晶格振动散射)散射几率-载流子在单位时间内被散射的次数。
平均自由时间-载流子在两次散射之间自由运动的平均时间。
强场效应-电场强度较高时载流子的平均漂移速度与电场强度间的关系偏离线性关系的现象,此时迁移率不再是常数。
电场强度继续增加时,漂移速度不再随外场增加而变化,达到饱和。
热载流子-半导体处于强场中时,电子的平均能量高于晶格平均能量,以温度度量,则电子平均温度高于晶格平均温度,因此称强场中电子为热载流子。
多能谷散射-半导体中有多个能量值接近的导带底时,电子被散射到不同能谷的现象。
负微分电导(电阻)-定义dJ/dE为微分电导,当半导体中电流密度随电场增加而减小时,微分电导小于零,称为负微分电导。
耿氏振荡-存在负微分电导的半导体在强场中电流出现振荡的现象。
由于载流子分布不均匀,在高阻区形成偶极畴,偶极畴不断产生、长大、漂移和吸收的过程便产生微波振荡。
非平衡载流子-半导体处于非平衡态时,比平衡态时多出来的那一部分载流子称为非平衡载流子。
p=n非平衡载流子的注入与复合-非平衡载流子的产生过程称为注入,非平衡载流子湮灭的过程称为复合。
准费米能级-半导体处于非平衡态时,导带电子和价带空穴不再有统一的费米能级,但可以认为它们各自达到平衡,相应的费米能级称为电子和空穴的准费米能级。
少子寿命-非平衡少数载流子在半导体中存在的平均时间。
即产生非平衡载流子的因素去除后,非平衡载流子浓度衰减至初始时浓度的1/e倍所需的时间。
直接复合-电子从导带直接跃迁至价带与空穴相遇而复合。
间接复合-电子通过禁带中的能级而跃迁至价带与空穴相遇而复合。
表面复合-发生在半导体表面处的复合。
体内复合-发生在半导体内部的复合。
辐射复合-电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时,多余的能量以辐射光子的形式释放。
无辐射复合-电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时,多余的能量以辐射声子的形式释放。
俄歇复合-电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时,释放的能量用于其它载流子由较低能态跃迁至较高能态。
复合中心-对间接复合起促进作用的深能级杂质。
相应的杂质能级称为复合中心能级,通常位于半导体禁带中央能级附近。
载流子陷阱-对间接复合起阻碍作用的深能级杂质。
相应的杂质能级称为陷阱能级。
半导体物理学计算问题能态密度费米分布杂质电离能载流子浓度费米能级与准费米能级电阻率电导率例1.已知Si导带底在方向,等能面为旋转椭球面,等能面附近能谱:
式中mt和ml分别为横向和纵向有效质量。
试求Si导带的能态密度。
解:
由能态密度定义:
式中dZ为E-E+dE之间的能量状态数,也可以视为k空间中两等能面之间的状态数,对一支能带:
式中为k空间体积元。
等能面为椭球面,此等能面所围的体积为:
两等能面之间的体积:
Si导带底在方向,包括六个旋转椭球等能面,故能态密度:
能态密度有效质量例2.某晶体价电子具有球形等能面,电子能谱为:
试求其能态密度。
例3.求本征半导体的费米能级和载流子浓度。
本征半导体的电中性条件:
例4.已知处于平衡态的非简并半导体中施主浓度为ND,当半导体处于饱和区时,求其费米能级和载流子浓度。
只含一种施主杂质的半导体的电中性条件:
半导体处于饱和区时,载流子浓度:
半导体物理学作图问题半导体能带结构示意图分布函数曲线能态密度曲线准费米能级典型半导体的能带结构半导体的能带结构-价带为满带,价带与紧邻空带间禁带宽度较小;
室温下即有电子从价带跃升至导带:
Si、Ge的能带结构(间接带隙)GaAs的能带结构(直接带隙)分布函数曲线能态密度曲线半导体平衡时能带结构:
处于非平衡态时半导体的准费米能级:
半导体物理学实验规律费米能级与杂质浓度和温度的关系费米能级的位置与半导体的导电类型及电子填充能级水平的关系杂质半导体中载流子浓度与温度的关系杂质半导体中载流子浓度与杂质浓度的关系载流子的迁移率与杂质浓度和温度的关系半导体的电阻率与温度的关系半导体中非平衡载流子的运动图象费米能级的位置与半导体的导电类型及电子填充能级水平的关系杂质半导体中载流子浓度与温度的关系杂质半导体中载流子浓度与杂质浓度的关系半导体中非平衡载流子的运动图象二、基本概念题:
第一章半导体电子状态1.1半导体通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料,其导带在绝对零度时全空,价带全满,禁带宽度较绝缘体的小许多。
1.2能带晶体中,电子的能量是不连续的,在某些能量区间能级分布是准连续的,在某些区间没有能及分布。
这些区间在能级图中表现为带状,称之为能带。
1.2能带论是半导体物理的理论基础,试简要说明能带论所采用的理论方法。
答:
能带论在以下两个重要近似基础上,给出晶体的势场分布,进而给出电子的薛定鄂方程。
通过该方程和周期性边界条件最终给出E-k关系,从而系统地建立起该理论。
单电子近似:
将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑,这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。
绝热近似:
近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换,而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。
1.2克龙尼克潘纳模型解释能带现象的理论方法答案:
克龙尼克潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型,如下图所示利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式,进而确定波函数并给出E-k关系。
由此得到的能量分布在k空间上是周期函数,而且某些能量区间能级是准连续的(被称为允带),另一些区间没有电子能级(被称为禁带)。
从而利用量子力学的方法解释了能带现象,因此该模型具有重要的物理意义。
1.2导带与价带1.3有效质量有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。
它概括了周期性势场对载流子运动的影响,从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。
其大小由晶体自身的E-k关系决定。
1.4本征半导体既无杂质有无缺陷的理想半导体材料。
1.4空穴空穴是为处理价带电子导电问题而引进的概念。
设想价带中的每个空电子状态带有一个正的基本电荷,并赋予其与电子符号相反、大小相等的有效质量,这样就引进了一个假想的粒子,称其为空穴。
它引起的假想电流正好等于价带中的电子电流。
1.4空穴是如何引入的,其导电的实质是什么?
空穴是为处理价带电子导电问题而引进的概念。
这样引入的空穴,其产生的电流正好等于能带中其它电子的电流。
所以空穴导电的实质是能带中其它电子的导电作用,而事实上这种粒子是不存在的。
1.5半导体的回旋共振现象是怎样发生的(以n型半导体为例)答案:
首先将半导体置于匀强磁场中。
一般n型半导体中大多数导带电子位于导带底附近,对于特定的能谷而言,这些电子的有效质量相近,所以无论这些电子的热运动速度如何,它们在磁场作用下做回旋运动的频率近似相等。
当用电磁波辐照该半导体时,如若频率与电子的回旋运动频率相等,则半导体对电磁波的吸收非常显著,通过调节电磁波的频率可观测到共振吸收峰。
这就是回旋共振的机理。
1.5简要说明回旋共振现象是如何发生的。
半导体样品置于均匀恒定磁场,晶体中电子在磁场作用下运动运动轨迹为螺旋线,圆周半径为r,回旋频率为当晶体受到电磁波辐射时,在频率为时便观测到共振吸收现象。
1.6直接带隙材料如果晶体材料的导带底和价带顶在k空间处于相同的位置,则本征跃迁属直接跃迁,这样的材料即是所谓的直接带隙材料。
1.6间接带隙材料如果半导体的导带底与价带顶在k空间中处于不同位置,则价带顶的电子吸收能量刚好达到导带底时准动量还需要相应的变化第二章半导体杂质和缺陷能级2.1施主杂质受主杂质某种杂质取代半导体晶格原子后,在和周围原子形成饱和
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