半导体物理复习归纳.doc

半导体的电子状态 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。 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。 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。 氯化钠结构（NaCl） 沿棱方向平移1/2，形成的复式格子。 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。 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。 有效质量的意义 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） 有效质量可以直接由实验测定 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。 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*。 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 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 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。 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） 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。 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。 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。 缺陷 点缺陷、位错 载流子统计分布 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。 获得热平衡载流子浓度的思路： 允许的量子态按能量如何分布——状态密度 电子在允许的量子态中如何分布——分布函数 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： 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） 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 两者相乘即为能量E~(E+dE)间的量子态数 g(E)=dZ/dE，由E-k关系化简得 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。 玻尔兹曼分布 热平衡条件 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）。 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） 载流子浓度随温度变化 低温弱电离区：杂质少量电离，本征激