半导体知识构架(自己整理).pdf

Eva 出品.2014 半导体知识构架 • 晶体结构和材料性质（第一章） • 半导体中的杂质能级（第二章） • 载流子分布──平衡载流子（第三章） • 复合理论──非平衡载流子（第五章） • pn 结（第六章：同质结） • 异质结（第九章） • 半导体的光学性质（第十章） 半导体物理的主要内容 材料 •第一章：半导体中的电子状态──导电方式：电子、空穴 •第二章：半导体中的杂质和缺陷能级──掺杂的影响 •第三章：半导体中载流子的统计分布──本征半导体和杂质 半导体的载流子浓度 •第五章：非平衡载流子：准费米能级，注入、复合 结构 •第六章：pn 结──空间电荷区、能带图，半导体工艺 •第九章：异质结──异质结的能带图、电流- 电压特性 •第十章：半导体的光学性质和半导体激光器 第一章 半导体中的电子状态 一、半导体的一般特性 导电性：介于金属和绝缘体之间，热激发可产生载流子 两种载流子参与导电：电子、空穴 满带电子不导电：不改变电子状态。 满带情况下，横轴上的点表示均匀分布在k 轴上的个量子态为电子填满，外场F 下也不改变填充状态， 从A 中移出的电子同时从A ′中移入，而A 和A ′是同一状态，因此不产生宏观电流 非满带可导电：半导体导电性的能带解释 二、半导体的分类 组分：元素 （硅、锗）；化合物 （ZnS、GaAs、GaN ）；合金 带隙：直接带隙半导体 （GaAs、GaN ） ；间接带隙半导体 （Si 和Ge ） 掺杂：本征半导体 ；非本征半导体 导电类型 （载流子）：n 型半导体 （电子）；p 型半导体 （空穴） 1 Eva 出品.2014 三、半导体的晶体结构 •金刚石结构 （硅、锗）：由两个相同原子面心立方晶格沿立方对称晶胞的体对角线错开1/4 长度嵌套构成。 （面心立方密堆积ABCABC ）（Z=4 ；共价键） •闪锌矿结构（GaAs）：由两个不同原子面心立方晶格沿立方对称晶胞的体对角线错开1/4 长度嵌套构成。（面 心立方密堆积ABCABC ）（Z=4 ；共价键+离子键） •纤锌矿结构：由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积而成。（六角密堆ABAB ）（共价键+离子键） （注：以上三种都是以正四面体结构为基础构成的，只是原子和排列方式不同） •氯化钠结构 （非正四面体结构）：两个面心立方格子沿1/2 体对角线平移嵌套。 四、半导体的键 •离子键：靠正负离子间的库仑相互作用结合在一起的化学键。不易导电，通常为绝缘体 •共价键：靠共用电子之间的相互作用结合在一起的化学键。具有饱和性和方向性。一部分为绝缘体，一部 分为导体。（金刚石） •共价键+离子键（极化共价键）(闪锌矿、纤锌矿) •分子轨道（成键 反键） 把两个原子的轨道组合起来，形成一个分子轨道，有两种类型的键轨，成键轨道和反键轨道 成键轨道是由两个原子符号相同的部分相加重叠而成。，有σ 成键轨道和π 成键轨道 反键轨道有σ*反键轨道和π*反键轨道 五、半导体的能带图 •能带论：具有周期性结构的晶体的电子允许能及呈能带结构（绝热近似、单电子近似、周期场近似（布洛 赫定理）） 允带：晶体中可以接纳电子的一系列能级。 禁带：晶体中不可以接纳电子的一系列能级。 价带：原子中价电子能级对应的能带，Ev：价带能量最高称为价带顶。 导带：价带以上能量最低的允带，Ec：导带能量最低称为导带底。 •导带底和价带顶的等能面 锗（Ge ）导带底L(1,1,1,)——8 个等能椭球面 硅（Si ）导带底X(1,0,0)——6 个等能椭球面 砷化镓（GaAs ）导带底τ (0,0,0)——1 个等能球面 •直接带隙和间接带隙：动量守恒条件 直接带隙：Ev 与Ec 都处于K=0 处；p ′−p =0 自动满足动量守恒条件 间接带隙：Ec 移至K 不为0 处；p ′−p = ±ℏq 需声子参与后才满足动量守恒条件 •带隙的意义：带隙对应发射、吸收的光波长 禁带宽度：价带电子能够跃迁进入导带所需要的最低能量