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半导体物理知识
半导体物理知识整理
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基础知识
1.导体,绝缘体和半导体的能带结构有什么不同?
并以此说明半导体的导电机理(两种载流子参与导电)与金属有何不同?
导体:
能带中一定有不满带
半导体:
T=0K,能带中只有满带和空带;T>0K,能带中有不满带
禁带宽度较小,一般小于2eV
绝缘体:
能带中只有满带和空带
禁带宽度较大,一般大于2eV
在外场的作用下,满带电子不导电,不满带电子可以导电
总有不满带的晶体就是导体,总是没有不满带的晶体就是绝缘体
半导体不时最容易导电的物质,而是导电性最容易发生改变的物质,用很方便的方法,就可以显著调节半导体的导电特性
金属中的电子,只能在导带上传输,而半导体中的载流子:
电子和空穴,却能在两个通道:
价带和导带上分别传输信息
2.什么是空穴?
它有哪些基本特征?
以硅为例,对照能带结构和价键结构图理解空穴概念。
当满带附近有空状态k’时,整个能带中的电流,以及电流在外场作用下的变化,完全如同存在一个带正电荷e和具有正有效质量|mn*|、速度为v(k’)的粒子的情况一样,这样假想的粒子称为空穴
3.半导体材料的一般特性。
电阻率介于导体与绝缘体之间
对温度、光照、电场、磁场、湿度等敏感(温度升高使半导体导电能力增强,电阻率下降;适当波长的光照可以改变半导体的导电能力)
性质与掺杂密切相关(微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力)
4.费米统计分布与玻耳兹曼统计分布的主要差别是什么?
什么情况下费米分布函数可以转化为玻耳兹曼函数。
为什么通常情况下,半导体中载流子分布都可以用玻耳兹曼分布来描述。
费米分布受到了泡利不相容原理的限制,而在E-EF>>k0T的条件下,泡利原理失去作用,可以化简为玻尔兹曼分布。
在半导体中,最常遇到的情况是费米能级EF位于禁带内,而且与导带底和价带顶的距离远大于k0T,所以,对导带中的所有量子态来说,被电子占据的概率一般都满足f(E)<<1,故半导体导带中的电子分布可以用电子的玻尔兹曼分布函数描写
5.由电子能带图中费米能级的位置和形态(如,水平、倾斜、分裂),分析半导体材料特性。
水平:
热平衡
倾斜:
费米能级朝哪边下倾斜,电子就往哪个方向流动,而电流的流动就是相反的方向,倾斜越大,电子流动程度越强,电流越大
分裂:
掺杂(准费米能级)
6.何谓准费米能级?
它和费米能级的区别是什么?
当外界有很大能量注入,或者很多载流子注入时,载流子的数量会发生突然的变化,不再遵循费米-狄拉克分布,费米能级的调控暂时失灵
当半导体的平衡态被破坏,而且存在非平衡载流子时,分别就价带和导带中的电子讲,他们各自基本上处于平衡态,而导带和价带之间处于不平衡态,因而,费米能级和统计分布函数对导带和价带各自仍然是适用的,它们都是局部费米能级,成为“准费米能级”
电子和空穴的准费米能级的差反映了半导体偏离平衡态的程度。
当电子的准费米能级和空穴的准费米能级相重合时,形成统一费米能级,系统处于热平衡状态
7.比较Si,Ge,GaAs能带结构的特点,并说明各自在不同器件中应用的优势。
硅的价带顶在中心点k=0处,导带底不在中心点k=0处,而是沿[100]轴,位于布里渊区中心至边缘0.85倍处
锗的价带顶在中心点k=0处,导带底也不在中心点k=0处,而是沿[111]轴,导带极小值正好位于布里渊区边界
砷化镓的价带顶在中心点k=0处,,导带能量的最小值位于k=0处,在[111]和[100]方向布里渊区边界L和X处还各有一个极小值。
砷化镓的导带底和价带顶对应的k值相同
硅和锗是间接带隙半导体,砷化镓是直接带隙半导体
砷化镓用于制备发光器件时,其内部量子效率较高
8.重空穴,轻空穴的概念。
硅、锗、砷化镓存在极大值相重合的两个价带
重空穴:
外能带曲率小,对应的有效质量大
轻空穴:
内能带曲率大,对应的有效质量小
9.有效质量、状态密度有效质量、电导有效质量概念。
10.什么是本征半导体和本征激发?
本征半导体:
没有杂质和缺陷的纯净的半导体
本征激发:
T>0K时,电子从价带激发到导带,同时价带中产生空穴
本征半导体的费米能级Ei基本位于禁带中央
11.何谓施主杂质和受主杂质?
浅能级杂质与深能级杂质?
各自的作用。
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型杂质被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级,记为ED。
施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子,同时向导带提供电子,使半导体成为电子导电的n型半导体
III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型杂质被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级,记为EA。
受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子,同时向价带提供空穴,使半导体成为空穴导电的p型半导体
电离能小的杂质称为浅能级杂质。
施主能级靠近导带底,受主能级靠近价带顶。
室温下,掺杂浓度不很高的情况下,浅能级杂质几乎可以全部电离。
浅能级杂质电离能比禁带宽度小得多,杂质种类对半导体的导电性影响很大
优点:
室温下有很低的电离能,可以进行追加式的浓度控制
非III、V族元素在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远和受主能级距离价带顶较远,形成深能级,称为深能级杂质。
有些深能级杂质会发生多次电离,在禁带中产生对应的多个能级,有的深能级杂质既能引入施主能级,又能引入受主能级
特点:
不容易电离,对载流子浓度影响不大;深能级杂质能够产生多次电离,每次电离均对应一个能级,甚至既产生施主能级也产生受主能级;深能级杂质的复合作用比浅能级杂质强,可作为复合中心
12.何谓杂质补偿?
举例说明有何实际应用。
半导体中存在施主杂质和受主杂质时,它们的共同作用会使载流子减少,这种作用称为杂质补偿
在制造半导体器件的过程中,通过采用杂质补偿的方法来改变半导体某个区域的导电类型或电阻率
利用杂质的补偿作用,根据扩散或离子注入的方法来改变半导体某一区域的导电类型,制成各种器件。
例如:
在一块n型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质,由于杂质的补偿作用,该区就成为p型半导体
13.金原子的带电状态与浅能级杂质的关系?
14.画出(a)本征半导体、(b)n型半导体、(c)p型半导体的能带图,标出费米能级、导带底、价带顶、施主能级和受主能级的位置
15.重掺杂的半导体其能带结构会发生何种变化?
能带图中,杂质能级就不再是一根根分立的曲线,而是一条具有一定宽度的杂质能带。
如果掺杂浓度过高,杂质能带会进入导带或价带,与导带或价带相连形成新的简并能带,使半导体变成简并半导体,能带状态密度变化,禁带宽度变窄
16.何谓非简并半导体、简并半导体?
简并化条件?
当费米能级距导带和价带位置都较远时,导带/价带上的电子/空穴数量很少,因此不太容易出现多个能态电子处于同一能级的简并情况,利用玻尔兹曼分布近似费米分布,称这种半导体为非简并半导体
繁殖如果费米能级靠近导带或价带,则会出现电子/空穴拥挤,发生载流子煎饼华,被迫使用泡利不相容原理对电子/空穴加以限制,因此不可用玻尔兹曼分布近似费米分布,称为简并半导体
EC-EF>2k0T非简并
0 EC-EF<0简并 17.写出热平衡时,非简并半导体的表达式,n0、p0用ni表示的表达式。 18.n型、p型(包括同时含有施主和受主杂质)半导体的电中性方程。 19.解释载流子浓度随温度的变化关系,并说明为什么高温下半导体器件无法工作。 一定的半导体材料,其本征载流子浓度随温度T的升高而迅速增加 一般半导体器件中,载流子主要来源于杂质电离,本征激发忽略不计,而当温度足够高,本征激发占主要地位,器件就不能正常工作(极限工作温度) 20.温度、杂质浓度对费米能级位置的影响。 21.热平衡态、非平衡态、稳态概念. 22.非平衡状态下载流子浓度表达式(用准费米能级表示),比较平衡与非平衡下电子浓度n和空穴浓度p的乘积。 载流子的各种运动 1.何谓直接复合? 间接复合? 载流子的产生和复合: 电子和空穴增加和消失的过程 直接复合: 导带电子与价带空穴直接复合 间接复合: 通过位于禁带中的杂质或缺陷能级的中间过渡 表面复合: 在半导体表面发生的复合过程 2.推导直接复合的非平衡载流子寿命公式,从直接复合的非平衡载流子寿命公式出发说明小注入条件下,寿命为定值。 3.了解间接复合的净复合率公式中各参量代表的意义,并从间接复合的净复合率公式出发说明深能级是最有效的复合中心。 Et=Ei时,净复合率U取最大值,偏离越多,U越小。 这意味着复合中心能级的位置越靠近禁带中央,复合中心的复合作用越强。 当复合中心偏离禁带中央时,若靠近导带一侧,俘获电子的能力会增强,但是对空穴的俘获能力却下降了,这样使得总的复合作用减弱,反之也然。 当复合中心能级处禁带中央时,复合中心的复合作用最强,这是非平衡载流子的寿命达到极小值。 因此,通过掺入深能级杂质来降低非平衡载流子寿命 4.已知间接复合的非平衡载流子寿命公式的一般形式,会化简不同费米能级位置下的寿命公式。 5.半导体的主要散射机制? 温度对它们的影响,原因? 散射是指运动粒子受到力场(或势场)的作用时运动状态发生变化的一种现象 晶格振动散射: 温度越高,晶格振动越强,晶格散射越强 电离杂质散射: 温度越高,载流子速度越高,越容易掠过杂质中心,散射越弱 对于杂质含量较多的半导体,温度很低时,晶格振动产生的声子数很少,因此电离杂质散射起主要作用,随着温度的升高,晶格振动产生的声子越来越多,晶格振动散射将呈现主导作用 载流子的散射决定了载流子的平均自由时间,从而决定了载流子迁移率和电导率 载流子的复合决定了非平衡载流子的寿命 6.何谓漂移运动? 外加一定电场后,就会使载流子在电场方向的速度分量比其他方向大,从而呈现定向运动的态势,产生电流。 由电场引起的载流子的定向运动称为漂移运动,定向运动的速度成为漂移速度,由此产生的电流称为漂移电流 7.迁移率的定义、量纲。 影响迁移率的因素。 在弱电场范围内,平均漂移速度的大小与电场强度成正比,比例系数用μ表示,称为迁移率,表示单位场强下电子的平均漂移速度,单位是m2/V*s,习惯上只取正值。 迁移率的大小反映了载流子迁移的难易程度 有效质量,散射。 载流子本身的有效质量越大,移动就越困难;载流子运动时遭受的散射越频繁,移动也会越困难 8.解释迁移率与杂质浓度、温度的关系。 杂质浓度升高,电离杂质散射上升,迁移率下降 掺杂很轻,忽略电离杂质散射 温度↑,晶格振动散射↑,μ↓ 一般情况下: 低温: 电离杂质散射为主 温度↑,电离杂质散射↓,μ↑ 高温: 晶格振动散射为主 温度↑,晶格振动散射↑,μ↓ 随温度升高,晶格振动散射增强,载流子的平均自由时间变小,由此迁移率下降 对于掺杂半导体,两种散射机制都必须考虑,温度很低时,晶格振动微弱,这是电离杂质散射占主导地位,电离杂质散射随温度升高反而减小,因此迁移率随温度升高增大的。 但是,当温度继续上升后,晶格振动越来越强烈,使得晶格振动散射逐渐占据主导地位 9.解释电阻率随温度的变化关系。 电阻率随温度上升而下降,这是因为金属中载流子的迁移率只受到晶格振动散射影响,而半导体的迁移率同时受到散射和载流子浓度的变化 轻掺杂时,迁移率约为常数,n=ND,p=NA,电阻率与杂质浓度成简单反比关系 非轻掺杂时,杂质浓度增高时,曲线严重偏离直线。 原因: 杂质浓度升高,迁移率下降,电阻率上升;未完全电离,杂质浓度上升,n升高,电阻率下降 10.强电场下Si、Ge和GaAs的漂移速度的变化规律,并解释之。 硅和锗的漂移速度随电场强度增大成亚线性增加,最终达到一饱和值,这就是强电场效应 砷化镓随电场增强而增大到一个极大值后,漂移速度反而下降 11.何谓热载流子? 在强电场作用下,载流子从电场获得的能量很大,从而使载流子不再与晶格系统处于热平衡状态,这时载流子的平均能量比热平衡时的大,即载流子的动能高于平均热运动能量。 换句话说,载流子的温度明显高于晶格温度,相应的载流子称为热载流子 12.载流子在什么情况下做扩散运动? 扩散系数的定义、量纲。 扩散是指载流子从浓度高的区域向浓度低的区域移动的过程。 分子、原子、电子等微观粒子在气体、液体或固体中只要在各处的浓度分布不均匀,都可以产生扩散 定义单位时间通过垂直x轴的单位面积的载流子数位扩散流密度sp,那么式中比例系数Dp称为扩散系数,单位为cm2/s,表征了载流子在一定分布下扩散的快慢,主要由晶体内部的散射机制决定 13.爱因斯坦关系式? 理解推导过程。 14.扩散长度和牵引长度的定义。 由表面注入的非平衡载流子深入样品的平均距离,在电场很强时为牵引长度,而电场很弱时为扩散长度 15.在不同条件下,对连续性方程进行化简。 16.平均自由时间、非平衡载流子寿命概念。 由于存在散射作用,外电场E作用下定向漂移的载流子只在连续两次散射之间才能被加速,这期间所经历的时间称为自由时间,平均值为平均自由时间 平均自由时间等于散射概率的倒数 非平衡载流子全部消失所需花费的时间称为非平衡载流子寿命 17.平均自由程与扩散长度概念。 载流子与载流子碰撞所通过的(两次散射的)平均距离称为平均自由程 少数载流子在扩散过程中,一边扩散一边复合,逐渐减少,当载流子浓度减少至原值的1/e时,走过的这一段距离就是扩散长度,对应的时间即为扩散运动的时间也就是非平衡载流子的寿命 18.小注入、大注入概念 如果获得能量后,非平衡载流子,尤其是非平衡少子的数量远小于原热平衡时多子的数量,那么称为非平衡少子的小注入 如果非平衡少子的数量已达到或超过热平衡多子的数量,那么就会出现所有少子的总量会达到与多子总量接近的程度,产生少子不少,多子不多的情形,将其称为非平衡少子的大注入 半导体与外界作用、半导体接触现象 1.本课程中哪几种外界作用能够改变单一半导体的电导率,试述原理。 热,光,磁,力 光: 光子通常都将价带电子直接激发到导带 磁: 洛伦兹力总是与运动方向垂直的特点在这里起到的反作用,它减少了沿电场方向直线前进的载流子总数目,等效的降低了载流子的速度,即削弱了整个有效电流的大小,增大了半导体的电阻。 磁阻效应 力: 当对半导体施加外力时,晶格距离变化,使载流子的周期势场改变,进而影响整个E-k能带解,载流子有效质量,载流子分布,迁移率等一系列参数均会发生变化,半导体导电性也发生改变 2.请说出判断半导体导电类型的实验方法。 霍尔效应可以测定载流子浓度及载流子迁移率等重要参数,以及判断材料的导电类型。 n型半导体,RH<0,p型半导体,RH>0 3.试述平衡p-n结形成的物理过程,画出势垒区中载流子漂移运动和扩散运动的方向. 4.内建电势差VD的公式。 分析影响接触电势差的因素。 和pn结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关,在一定温度下,突变结两遍掺杂浓度越高,接触电势差越大;禁带宽度越大,ni越小,接触电势差也越大 5.平衡p-n结,正向偏置p-n结,反向偏置p-n结的空间图、能带图,各区域载流子浓度表达式、载流子运动方向、电流方向。 6.分别说明空间电荷区、耗尽区、势垒区的三个概念 空间电荷区: 通常把就在pn结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷,他们所存在的区域称为空间电荷区 耗尽区: 一般室温附近,对于绝大部分势垒区,其中杂质虽然都已电离,但载流子浓度比起n区和p区的多数载流子浓度小很多,好像已经耗尽了,所以通常也称势垒区为耗尽层 势垒区: 因能带弯曲,电子从势能低的n区向势能高的p区运动时,必须克服这一势能高坡,才能达到p区;同理,空穴也必须克服这一势能高坡,才能从p区到达n区,这一势能高坡通常称为pn结的势垒,故空间电荷区也叫势垒区 7.理想p-n结I-V方程。 8.p-n结的理想伏-安特性与实际伏-安特性有哪些区别? 定性分析原因。 区别: 正向电流小,理论计算值比实验值小 正向电流较大时,曲线c段J正比于exp[qV/(2k0T)] 在曲线d段,J-V关系不是指数关系,而是线性关系 反向偏压时,实际测得的反向电流比理论计算值大很多,而且反向电流是不饱和的,随反向偏压的增大略有增加 原因: 表面效应;势垒区中的产生及复合;大注入调节;串联电阻效应 正向小电压时忽略了是势垒区的复合;正向大电压时忽略了扩散区的漂移电流和体电阻上的压降,反向偏置时忽略了势垒区的产生电流 9.p-n结电容包括哪两种? 在正向偏置或反向偏置下哪种电容起主要作用? 为什么? 势垒电容和扩散电容 大正向偏置时,以扩散电容为主,小正向偏置或反向偏置p-n结时,以势垒电容为主 10.定性分析影响p-n结电容大小的因素? 并举例说明p-n结电容对器件性能的影响。 与pn结的面积A成正比,且随外加电压而变化 当外加偏压变化速度很快时,电子/空穴来不及填充/抽取势垒区/扩散区,这些区域中的载流子注入/抽曲程度就会显著减弱,输出电流变化也将会随之降低。 寄生电容能短路高频信号。 因为该电容实在太小,一般只有较高频率电路,欧式一些具有电容放大功能的电路结构中才会加以考虑。 此时寄生电容会使pn结的整流特性显著削弱甚至消除,它的常规功能将因此失效。 因此,pn结电容往往是决定器件、电路乃至系统工作频率上限的决定性因素 11.p-n结击穿主要有哪几种? 说明各种击穿产生的原因和条件。 并分析影响它们的主要因素 雪崩击穿: 当反向偏压很大时,势垒区中的电场很强,在势垒区内的电子和空穴由于受到强电场的漂移作用,具有很大的动能,它们与势垒区内的晶格院子发生碰撞时,能把价键上的电子碰撞出来,称为导电电子,同时产生一个空穴,从能带观点来看,就是高能量的电子和空穴把满带中的电子激发到导带,产生了电子-空穴对。 由于倍增效应,使势垒区单位时间内产生大量载流子,迅速增大了反向电流。 除了与势垒区中电场强度有关外,还与势垒区的宽度有关,因为载流子动能的增加需要一个加速过程,如果势垒区很薄,即使电场很强,载流子在势垒区中加速达不到产生雪崩倍增效应所必须的动能,就不能产生雪崩击穿 隧道击穿: 隧道击穿是在强电场作用下,有隧道效应,使大量电子从价带穿过禁带而进入导带所引起的一种击穿现象。 随着反向偏压的增大,势垒区内的电场增强,能带更加倾斜,△x将变得更短,当反相偏压达到一定数值,△x短到一定程度时,量子力学证明,p区价带中的电子将通过隧道校园穿过禁带而到达n区导带中。 势垒区中的电场越大,或隧道长度△x越短,则电子穿过隧道的概率P越大,当电场大到一定程度,或△x短到一定程度时,将使p区价带中大量的电子隧道穿过势垒到达n区导带中去,使反向电流急剧增大,于是pn结发生隧道击穿。 隧道击穿时要求一定的NVA值。 杂质浓度较低时,必须加大的反相偏压才能发生隧道击穿。 流过pn结的反向电流要引起热损耗,产生大量热能,随着结温的上升,反向饱和电流密度也迅速上升,产生的热能也迅速增大,进而又导致结温上升,反向饱和电流密度增大,如此反复循环,最后是Js无限增大而发生击穿。 对于禁带宽度比较小的半导体,反向饱和电流密度较大 杂质浓度较低时,反向偏压大,势垒宽度增大,隧道长度边长,不利于隧道击穿,但是却有利于雪崩倍增效应,所以在一般杂质浓度下,雪崩击穿机构是主要的。 杂质浓度高时,反向偏压不高的情况下就能发生隧道击穿,由于势垒区宽度小,不利于雪崩倍增效应,所以在重掺杂的情况下,隧道击穿机构变为主要的 12.从能带图出发,分析p-n结隧道效应的基本原理,隧道二极管与一般p-n二极管的伏-安特性有什么不同? 它有什么优点? 隧道二极管即使反向电压很小时,反向电流也比较大 隧道二极管的噪声较低,工作温度范围大,可以在极高频率下工作 13.金属与半导体两系统接触前后的能带图,指出何种为肖特基接触,何种为欧姆接触。 14.实际半导体通过什么方式实行欧姆接触? 微观世界中当势垒足够窄时,将发生隧穿效应,两边的导带电子将直接隧穿势垒,变肖特基接触为欧姆接触。 因此,在实际加工中将半导体的接触区进行重掺杂后再与金属接触 15.比较pn结和肖特基结伏安特性的主要异同点。 为什么肖特基结更适应高频条件下使用? SDB是多数载流子器件,而pn结二极管取决于非平衡少数载流子的扩散运动 Pn结二极管中少数载流子注入造成非平衡载流子在势垒区两侧界面的积累,外加电压变化,电荷积累和消失需要一驰豫过程,严重影响了pn结二极管的高频性能,SDB器件不发生电荷存储现象,使得他在高频、高速器件中有重要作用 SDB的正向开启电压比pn的低,而反向饱和电流比pn的大。 SDB中通常存在额外的漏电流和软击穿 16.异质结能带结构特点及应用 晶格匹配由两种不同的半导体材料形成的结 提高注入比,窗口效应,限制光子的光波导壁界,限制载流子的势垒
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