1、半导体物理复习一、常见的半导体材料一、常见的半导体材料第一章第一章晶体的结构晶体的结构1 1）晶体和晶格：）晶体和晶格：由于构成晶体的粒子的不同性质，使由于构成晶体的粒子的不同性质，使得其空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结得其空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结构，构，将构成晶体的粒子抽象为一个点将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空，这样得到的空间点阵成为间点阵成为晶格晶格。2 2）晶体结构与原子结合的形式有关晶体结构与原子结合的形式有关 晶体结合的基本形式：共价结合、离子结合、金属结晶体结合的基本形式：共价结合、离子结合、金属结合、范德瓦耳斯结合合、范德瓦耳斯结合 半导体
2、的晶体结构：主要有半导体的晶体结构：主要有 金刚石结构金刚石结构（ GeGe、SiSi） 闪锌矿结构闪锌矿结构（GaAsGaAs等等III-VIII-V族和族和CdTeCdTe等等II-VIII-VI族化合物族化合物） 纤锌矿结构纤锌矿结构（部分（部分III-VIII-V族和族和II-VIII-VI族化合物族化合物) )晶格晶格 在点阵中把所有格点连接起来所构成网络在点阵中把所有格点连接起来所构成网络空间点阵晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的结点在空空间点阵晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的结点在空间有规则地作周期性的无限分布，结点的空间集合称为点阵。间有规则地作周期性的无限分布，结点
3、的空间集合称为点阵。 结点结点(格点格点) 构成晶体空间结构的质点的重心构成晶体空间结构的质点的重心NaClNaCl的晶体结构的晶体结构结点示意图结点示意图晶体结构晶体结构 = = 点阵点阵 + + 结构基元结构基元 晶体结构的拓扑描述晶体结构的拓扑描述SiSi、GeGe和和GaAsGaAs的能带结构的能带结构间接带隙半导体间接带隙半导体带隙半导体带隙半导体二、基本概念二、基本概念1. 能带，允带，禁带，能带，允带，禁带，K空间的能带图空间的能带图能带能带: 在晶体中可以容纳电子的一系列能级在晶体中可以容纳电子的一系列能级允带：允带：分裂的每一个能带都称为允带。分裂的每一个能带都称为允带。禁带
4、：禁带：晶体中不可以容纳电子的一系列能级晶体中不可以容纳电子的一系列能级K空间的能带图：空间的能带图：晶体中的电子能量随电子波矢晶体中的电子能量随电子波矢k的变化曲线，即的变化曲线，即E（K）关系。）关系。（1）越靠近内壳层的）越靠近内壳层的电子，共有化运动弱，电子，共有化运动弱，能带窄。能带窄。（2）各分裂能级间能）各分裂能级间能量相差小，看作准连续量相差小，看作准连续（3）有些能带被电子）有些能带被电子占满（满带），有些被占满（满带），有些被部分占满（半满带），部分占满（半满带），未被电子占据的是空带。未被电子占据的是空带。 原子能级原子能级 能带能带2、半导体的导带，价带和禁带宽度、半导
5、体的导带，价带和禁带宽度价带：价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带条件下被电子填充的能量最高的能带导带：导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带条件下未被电子填充的能量最低的能带禁带：禁带：导带底与价带顶之间能带导带底与价带顶之间能带禁带宽度禁带宽度：导带底与价带顶之间的能量差：导带底与价带顶之间的能量差3 3、电子和空穴的、电子和空穴的有效质量有效质量m m* * 半导体中的载流子的行为可以等效为自由粒子，半导体中的载流子的行为可以等效为自由粒子，但与真空中的自由粒子不同，是考虑了晶格作用但与真空中的自由粒子不同，是考虑了晶格作用后的等效粒子。后的等效粒子。 有效质量可正、可负，
6、取决于与晶格的作用有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用 如果把在晶体的周期势场作用下运动的电子，等如果把在晶体的周期势场作用下运动的电子，等效看成一个自由运动的准粒子，则该准粒子的等效看成一个自由运动的准粒子，则该准粒子的等效质量称为有效质量，一般由效质量称为有效质量，一般由E-kE-k关系给出，可正、关系给出，可正、可负，可负，电子正，空穴负。电子正，空穴负。有效质量概括了晶体势场对电子运动的影响有效质量概括了晶体势场对电子运动的影响0k222ndkEdh1m1有效质量：有效质量： 4.空穴：空穴：空穴是几乎被电子填满的能带中未被电子占据的空穴是几乎被电子填满的能带中未被电子占据的少数空的
7、量子态，这少量的空穴总是处于能带顶附近。是少数空的量子态，这少量的空穴总是处于能带顶附近。是价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带顶的价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带顶的电子空位。把半导体中的空穴看成一个带有电荷为电子空位。把半导体中的空穴看成一个带有电荷为+q，并，并以该空状态相应的电子速度以该空状态相应的电子速度v(k)运动的粒子，它具有正的运动的粒子，它具有正的有效质量，价带中大量电子的导电作用可以用少数空穴的有效质量，价带中大量电子的导电作用可以用少数空穴的导电作用来描写。导电作用来描写。 5.直接带隙半导体和间接带隙半导体直接带隙半导体和间接带隙半导体 直接带隙
8、半导体：直接带隙半导体：导带低和价带顶对应的电子波矢相同导带低和价带顶对应的电子波矢相同 间接带隙半导体：间接带隙半导体：导带低和价带顶对应的电子波矢不相同导带低和价带顶对应的电子波矢不相同二二. 基本公式基本公式222*dkEdhm dkdEh1dkFdt有效质量有效质量速度：速度：2 /( )aTv k第二章 基本概念基本概念 1.施主杂质，施主能级，施主杂质电离能施主杂质，施主能级，施主杂质电离能 施主杂质：施主杂质：能够施放能够施放电子电子而在导带中产生电子并形成正而在导带中产生电子并形成正电中心的杂质，称为电中心的杂质，称为施主杂质施主杂质，掺有施主杂质的半导体，掺有施主杂质的半导体
9、叫叫N型半导体。型半导体。 施主能级施主能级被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级ED，施主能级位于离导带低很近的禁带中。 施主杂质电离能：施主杂质电离能：导带底EC与施主能级ED的能量之差ED=EC-ED就是施主杂质的电离能。施主杂质未电离时是施主杂质未电离时是中性的，电离后成为正电中心。中性的，电离后成为正电中心。 2.受主杂质，受主能级，受主杂质电离能受主杂质，受主能级，受主杂质电离能 受主杂质：受主杂质：能够能够接受电子而在价带中产生空穴，并形能够能够接受电子而在价带中产生空穴，并形成负电中心的杂质，称为成负电中心的杂质，称为受主杂质受主杂质，掺有受主杂质的半导，掺有受主杂质的半导
10、体叫体叫P型半导体型半导体。 受主能级：受主能级：被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级级EA，受主能级位于离价带低很近的禁带中。，受主能级位于离价带低很近的禁带中。 受主杂质电离能受主杂质电离能：价带顶价带顶EV与受主能级与受主能级EA的能量之差的能量之差 EA=EV-EA就是就是受受主杂质的电离能。主杂质的电离能。受主杂质未电离时是受主杂质未电离时是中性的，电离后成为负电中心中性的，电离后成为负电中心施主能级施主能级受主能级受主能级EDEA 3.本征半导体，杂质半导体，杂质补偿半导体本征半导体，杂质半导体，杂质补偿半导体 本征半导体：本征半导体：
11、没有杂质原子且晶体中无晶格缺陷没有杂质原子且晶体中无晶格缺陷的纯净半导体的纯净半导体 杂质半导体：杂质半导体：掺有施主杂质的掺有施主杂质的N型半导体或掺有型半导体或掺有受主杂质的受主杂质的p型半导体都叫杂质半导体型半导体都叫杂质半导体 杂质补偿半导体：杂质补偿半导体：同一半导体区域内既含有施主同一半导体区域内既含有施主杂质又含有受主杂质的半导体杂质又含有受主杂质的半导体杂质的补偿原理杂质的补偿原理-pn-pn结实现原理结实现原理（a a）N ND DNNA A当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，这种两当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，这种两种不同类型的杂质有相互抵偿的作用
12、，称为杂质补偿作用。种不同类型的杂质有相互抵偿的作用，称为杂质补偿作用。补偿后半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度，只有有效的补偿后半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度，只有有效的杂质浓度才能有效地提供载流子浓度。杂质浓度才能有效地提供载流子浓度。（b b）N ND D N 0kT0k，若若E= EE= EF F ， 则则f(E) =1/2 f(E) =1/2 ；若若E EE1/2 f(E) 1/2 ；若若E EE EF F ， 则则f(E) 1/2 f(E) 空穴迁移率空穴迁移率 GaAs Ge Si-平均自由时间，即相邻两次碰撞之间的平均时间。平均自由时间，即相邻两次碰撞之间的平均时间。其影响
13、因素与散射模式相关其影响因素与散射模式相关电离杂质散射电离杂质散射晶格散射晶格散射半导体中有电子和空穴两种载流子，电场作用下的半导体中有电子和空穴两种载流子，电场作用下的电流密度电流密度得到电导率与迁移率的关系式得到电导率与迁移率的关系式一般情形，半导体电子和空穴的迁移率在同一数量级，一般情形，半导体电子和空穴的迁移率在同一数量级，因此，其电导率主要由多数载流子决定。因此，其电导率主要由多数载流子决定。)/(1pnnqnq第五章第五章 非平衡载流子非平衡载流子一、基本概念一、基本概念0nnn1。过剩电子，过剩空穴，过剩载流子（非平衡载流子），非。过剩电子，过剩空穴，过剩载流子（非平衡载流子），
14、非平衡载流子的寿命？平衡载流子的寿命？ 过剩电子：导带中超出热平衡状态浓度的电子浓度过剩电子：导带中超出热平衡状态浓度的电子浓度过剩空穴：价带中超出热平衡状态浓度的空穴浓度过剩空穴：价带中超出热平衡状态浓度的空穴浓度过剩载流子：过剩电子和空穴的总称过剩载流子：过剩电子和空穴的总称过剩少子在复合前存在的平均时间。过剩少子在复合前存在的平均时间。2。小注入和大注入。小注入和大注入小注入：过剩载流子的浓度远小于热平衡多子浓度的情况小注入：过剩载流子的浓度远小于热平衡多子浓度的情况大注入：过剩载流子的浓度接近或大于热平衡多子浓度的情况大注入：过剩载流子的浓度接近或大于热平衡多子浓度的情况 0ppp3.
15、什么是准费米能级？什么是准费米能级？ 在非平衡状态下，由于导带和价带在总体上处于非在非平衡状态下，由于导带和价带在总体上处于非平衡，因此就不能用统一的费米能级来描述导带中平衡，因此就不能用统一的费米能级来描述导带中的电子和价带中的空穴按能量的分布问题。但由于的电子和价带中的空穴按能量的分布问题。但由于导带中的电子和价带中的空穴按能量在各自的能带导带中的电子和价带中的空穴按能量在各自的能带中处于准平衡分布，可以有各自的费米能级中处于准平衡分布，可以有各自的费米能级 称为准费米能级，准费米能级分离的程度，即称为准费米能级，准费米能级分离的程度，即 的大小，反映了与平衡态分离的程度的大小，反映了与平
16、衡态分离的程度pFnFEEpFnFEE 和4. 解释载流子的产生和复合，直接复合，间接复合，复合率解释载流子的产生和复合，直接复合，间接复合，复合率 产产 生生：电子和空穴被形成的过程，如电子从价带跃迁到导：电子和空穴被形成的过程，如电子从价带跃迁到导 带，或带，或 电子从杂质能级跃迁到导带的过程或空穴从电子从杂质能级跃迁到导带的过程或空穴从 杂质能级跃迁到价带的过程杂质能级跃迁到价带的过程 复复 合合：电子和空穴被湮灭或消失的过程：电子和空穴被湮灭或消失的过程 直接复合直接复合：导带电子和价带空穴的直接湮灭过程，能带到能：导带电子和价带空穴的直接湮灭过程，能带到能 带的复合。带的复合。 间接
17、复合间接复合：电子和空穴通过禁带中的复合中心的复合：电子和空穴通过禁带中的复合中心的复合 复合率复合率：单位时间单位体积内复合的电子：单位时间单位体积内复合的电子-空穴对数。空穴对数。5 .什么是载流子的扩散运动？写出电子和空穴什么是载流子的扩散运动？写出电子和空穴的扩散电流密度方程的扩散电流密度方程 当半导体内部的载流子存在浓度梯度时，引当半导体内部的载流子存在浓度梯度时，引起载流子由浓度高的地方向浓度低的地方扩起载流子由浓度高的地方向浓度低的地方扩散，扩散运动是载流子的有规则运动。散，扩散运动是载流子的有规则运动。电子扩散电流：电子扩散电流：dxdnqDJndiffn,空穴扩散电流：空穴扩
18、散电流：dxdpqDJpdiffp,二、基本公式二、基本公式1. 漂移电流密度公式：EpqJEnqJppnn2.扩散电流密度公式dxdnqDJndiffn,dxdpqDJpdiffp,3.爱因斯坦关系爱因斯坦关系:qkTD （4）过剩载流子（非平衡载流子）过剩载流子（非平衡载流子）q由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子由于受外界因素如光、电的作用，半导体中载流子的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的的分布偏离了平衡态分布，称这些偏离平衡分布的载流子为过剩载流子。载流子为过剩载流子。q准费米能级准费米能级 当半导体的平衡被破坏，经常出现平衡有不平衡的局面，即当半导体的平衡被破坏，经
19、常出现平衡有不平衡的局面，即分别就导带和价带电子来说，它们各自基本上处于平衡状分别就导带和价带电子来说，它们各自基本上处于平衡状态，当导带和价带之间又是不平衡的，表现在它们各自的态，当导带和价带之间又是不平衡的，表现在它们各自的费米能级互不重合。在这种准平衡情况下，称各个局部的费米能级互不重合。在这种准平衡情况下，称各个局部的费米能级为费米能级为“准费米能级准费米能级”。q非平衡电子、空穴浓度分别为非平衡电子、空穴浓度分别为kTEEiinFennkTEEipFienp（4）.载流子的浓度载流子的浓度TkEEiiFnenn00)exp(00TkEENnFCc)exp(00TkEENpVFvTkE
20、EiFpienp00200inpn平衡态非平衡态TkEEiFpFnenpn0200q产生与复合是过剩载流子运动的主要形式产生与复合是过剩载流子运动的主要形式q在简单的情况下，过剩载流子随时间按指数规律在简单的情况下，过剩载流子随时间按指数规律衰减：衰减：tenn0)(非平衡载流子的寿命非平衡载流子的寿命 寿命寿命- 非平衡载流子的平均生存时间非平衡载流子的平均生存时间 寿命取决于载流子复合模式寿命取决于载流子复合模式直接复合直接复合间接复合间接复合直接复合直接复合间接复合间接复合)(100pnrpr1小注入：小注入：大注入：大注入：rNptp1如：小注入下强如：小注入下强n型半导体型半导体Nt
21、:复合中心浓度复合中心浓度rp:空穴复合几率空穴复合几率半导体中杂质、缺陷的主要作用：半导体中杂质、缺陷的主要作用：(1)(1)、 起施主或受主作用起施主或受主作用-(2)(2)、 复合中心作用复合中心作用-(3)(3)、陷阱效应作用、陷阱效应作用-引起半导体特性弛豫引起半导体特性弛豫浅杂质能级浅杂质能级深杂质能级、晶格缺陷深杂质能级、晶格缺陷决定半导体导电类决定半导体导电类型和电阻率型和电阻率决定非平衡载流子寿命决定非平衡载流子寿命陷阱中心陷阱中心n当半导体中存在载流子浓度梯度时，将发生载流子当半导体中存在载流子浓度梯度时，将发生载流子的扩散运动，满足扩散方程，并形成扩散电流。的扩散运动，满
22、足扩散方程，并形成扩散电流。n在一维分布情形下，载流子的扩散密度为：在一维分布情形下，载流子的扩散密度为： 扩散流密度扩散流密度 负号反映扩散流总是从高浓度向低浓度流动。负号反映扩散流总是从高浓度向低浓度流动。n电子扩散电流：电子扩散电流： 空穴扩散电流：空穴扩散电流：载流子的扩散运动载流子的扩散运动dxdND dxxdnqDjndiffn0, dxxdpqDjpdiffp0,爱因斯坦关系爱因斯坦关系n在平衡条件下，利用电流方程，可导出在平衡条件下，利用电流方程，可导出 爱因斯坦关系爱因斯坦关系n这是半导体中重要的基本关系式之一，反映了漂这是半导体中重要的基本关系式之一，反映了漂移和扩散运动的
23、内在联系移和扩散运动的内在联系qkTD n当同时存在电场和载流子浓度梯度时，载流子边漂当同时存在电场和载流子浓度梯度时，载流子边漂移边扩散。移边扩散。n如果在半导体一面稳定地注入非平衡载流子，它们如果在半导体一面稳定地注入非平衡载流子，它们将一边扩散一边复合，形成一个有高浓度到低浓度将一边扩散一边复合，形成一个有高浓度到低浓度的分布的分布N N（x x）：）：n非平衡载流子的扩散长度非平衡载流子的扩散长度L L：非平衡载流子在被复：非平衡载流子在被复合前扩散的平均距离。合前扩散的平均距离。LxeNxN/0)(辐射跃迁和光吸收辐射跃迁和光吸收 在固体中，光子和电子在固体中，光子和电子之间的相互作
24、用有三种之间的相互作用有三种基本过程：吸收、自发基本过程：吸收、自发发射和受激发射。发射和受激发射。两个能级之间的三种基本跃迁过程两个能级之间的三种基本跃迁过程(a) 吸收吸收 (b) 自发发射自发发射 (c) 受激发射受激发射十、半导体中的光电特性十、半导体中的光电特性电光效应和电光效应和光电效应光电效应pnpn结注入式场致发光原理结注入式场致发光原理n半导体发光包括激发过程和复合过程。这两个半导体发光包括激发过程和复合过程。这两个过程衔接，是发光必不可少的两个环节。过程衔接，是发光必不可少的两个环节。n在在pnpn结上施加正偏压，产生注入效应，使结区结上施加正偏压，产生注入效应，使结区及其
25、左右两边各一个少子扩散长度范围内的少及其左右两边各一个少子扩散长度范围内的少子浓度超过其热平衡少子浓度。超过部分就是子浓度超过其热平衡少子浓度。超过部分就是由电能激发产生的处于不稳定高能态的非平衡由电能激发产生的处于不稳定高能态的非平衡载流子，它们必须通过第二过程：复合，达到载流子，它们必须通过第二过程：复合，达到恒定正向注入下新稳态。恒定正向注入下新稳态。电光效应电光效应n复合分为辐射复合和非辐射复合。辐射复合过程复合分为辐射复合和非辐射复合。辐射复合过程中，自由电子和空穴具有的能量将变成光而自然中，自由电子和空穴具有的能量将变成光而自然放出。非辐射复合过程中，释放的能量将转变为放出。非辐射
26、复合过程中，释放的能量将转变为其它形式的能，如热能。因此，为提高发光效率其它形式的能，如热能。因此，为提高发光效率应尽量避免非辐射复合。应尽量避免非辐射复合。n辐射复合的几条途径是：带辐射复合的几条途径是：带- -带复合、浅施主带复合、浅施主- -价价带或导带带或导带- -浅受主间复合、施浅受主间复合、施- -受主之间复合、通受主之间复合、通过深能级复合等。过深能级复合等。内光电效应内光电效应 受光照物体电导率发生变化或产生光电动受光照物体电导率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。势的现象称为内光电效应。 (1) (1) 光电导效应光电导效应 在光线作用下，电子吸收光子能量从键在光线作
27、用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态而引起材料电阻率的变化，合状态过渡到自由状态而引起材料电阻率的变化，此现象称为光电导效应。此现象称为光电导效应。光电导可分为：本征光电导和杂质光电导。光电导可分为：本征光电导和杂质光电导。 导 带 Eg 价 带 (充 满 带 ) h (a) 本 征 半 导 体 h 导 带 价 带 (充 满 带 ) 价 带 (充 满 带 ) (b) n型 杂 质 半 导 体 (c) p型 杂 质 半 导 体 导 带 h 杂 质 能 级 (受 主 能 级 ) 杂 质 能 级 (施 主 能 级 ) EI EI 光电导材料的电导率光电导材料的电导率无光照时：无光照时：0
28、0 = n= n0 0qqn n+p+p0 0qqp p ( (暗电导暗电导) )有光照时：有光照时： = = 0 0+pnpn 其中：其中：pnpn= nq= nqn n+pq+pqp p ( (光电导光电导) )利用光电导效应可以制造出各种波长范围的光敏电阻，利用光电导效应可以制造出各种波长范围的光敏电阻，光敏二极管，光敏晶体管和光敏二极管，光敏晶体管和CCDCCD图象传感器。图象传感器。（2 2）光生伏特效应）光生伏特效应 半导体受光照射产生电势的现象称为光生伏特效应。半导体受光照射产生电势的现象称为光生伏特效应。光照引起光照引起pnpn结两端产生电动势的结两端产生电动势的现象称为现象称
29、为pnpn结光生伏特效应。当结光生伏特效应。当光照射到结区时，产生电子与空光照射到结区时，产生电子与空穴对，其中电子被内建电场扫向穴对，其中电子被内建电场扫向n n区、空穴被内建电场扫向区、空穴被内建电场扫向p p区，区，电子在电子在n n区积累而空穴在区积累而空穴在p p区积累，区积累，使使pnpn结两端出现由光照而产生的结两端出现由光照而产生的电动势。电动势。光 E + + + + + + p n 图 36 第六章pn结1. pn结热平衡时的能带图结热平衡时的能带图2.内建电势内建电势VD：热平衡条件下的耗尽区电压：热平衡条件下的耗尽区电压2lnlnln)()(1)()(1)()(1)()(iDAiDiApideniFsidepFinipincpcpnDnNNqkTnNnNqkTEEEEqxExEqxExEqxVxVV
