半导体物理期末复习大纲ppt课件.ppt

半导体物理,期末复习大纲,复习提示,书本、作业通读有帮助基本常数、核心公式、重要物理图像要记牢各个概念、基础物理常识要熟悉该理解的要自己推导一遍，理顺思路上课只讲n (p)型Si的内容，最好自己推导对应的p (n)型Si的内容。复习大纲只是重点提示，考试内容则覆盖全部授课内容。,11 半导体的晶体结构和结合性质,1. 常见半导体的3种晶体结构；2. 常见半导体的2种化合键。,1. 电子的共有化运动，导带、价带、禁带的形成； 2. 周期性波函数(布洛赫波函数)； 3. 导体、半导体、绝缘体的能带与导电性能的差异。, 1.2 半导体中电子的状态与能带的形成,1. 有效质量的意义和计算；2. 半导体平均速度和加速度。,1.3 半导体中电子的运动 和 有效质量 (重点）,1. 硅和锗的导带结构2. 硅和锗的价带结构3. GaAs的能带结构,1.5 半导体的能带结构,两种载流子的比较,直接带隙半导体和间接带隙半导体,第一章 半导体中的电子状态,1.4 半导体中载流子的产生及导电机构,1. 杂质在Si、Ge、GaAs中的存在形式2. 浅能级杂质的特点及在半导体中的作用；3. 浅能级杂质电离能的计算；4. 杂质补偿作用5. 各类杂质在GaAs、GaP中的杂质能级6. 掌握等电子陷阱和等电子杂质的概念7. 能解释硅在GaAs中的双性行为,2.1半导体中的浅能级杂质,1. 深能级杂质的特点2. 深能级杂质在半导体中起的作用3. 特别注意Au在硅中既有施主能级又有受主能级，它是有效的复合中心,2.2半导体中的深能级杂质,1. 掌握点缺陷对半导体性能的影响2. 掌握位错缺陷对半导体性能的影响,2.3半导体中的缺陷、位错能级,第二章 半导体中的杂质和缺陷,第三章 热平衡态下半导体载流子的统计分布,掌握费米分布函数的概念掌握费米分布函数和玻耳兹曼分布函数及费米能级的意义,3.2热平衡态时电子在量子态上的分布几率,掌握概念：k空间状态密度、能量状态密度推导：导带底和价带顶状态密度表达式,3.3 状态密度,导带电子和价带空穴浓度表达式的推导理解、掌握电子浓度、空穴浓度表达式的意义理解、掌握浓度积 nopo 及影响因素,3.4 热平衡时非简并半导体的载流子浓度no和po,计算本征半导体和杂质半导体的热平衡载流子浓度及费米能级位置讨论no、po 、EF 与ND、NA、T的关系,本章主要任务,本节要点能够写出本征半导体的电中性方程，并导出费米能级的表达式熟悉半导体载流子浓度与温度和禁带宽度的关系了解通过测量不同温度下本征载流子浓度如何得到绝对零度时的禁带宽度正确使用热平衡判断式nopo=ni2记住常用数据：300K时Si、Ge、GaAs的禁带宽度（1.12eV、0.67eV、1.428eV）；本征载流子浓度（1.5*1010cm-3、2.4*1013cm-3 、1.1*107cm-3 ）,3.5 本征半导体的费米能级和载流子浓度,本节要点根据电中性方程导出各个温度区间的费米能级和载流子浓度表达式杂质电离程度与温度、掺杂浓度及杂质电离能有关。温度高、电离能小，有利于杂质电离。但杂质浓度过高，则杂质不能充分电离。通常所说的室温下杂质全部电离，实际上忽略了杂质浓度的限制。基本要求能够写出只掺杂一种杂质的半导体的一般性电中性方程能够较熟练地计算室温下的载流子浓度和费米能级（N型和P型）在掺杂浓度一定的情况下，能够解释多子浓度随温度的变化关系。,3.6 非简并杂质半导体的载流子浓度,第四章半导体的导电性,本节要点 1. 欧姆定律的微分形式； 2. 漂移速度和迁移率，电导率和迁移率。,4.1 载流子的漂移运动 迁移率,本节要点 1. 几种主要的散射机构 2. 决定散射几率的因素；,4.2 载流子的散射,本节要点1. 平均自由时间和散射几率的关系；2. 电导率、迁移率与平均自由时间的关系；3. 迁移率与杂质浓度和温度的关系；,4.3 迁移率与 温度 和 杂质浓度的关系,本节要点 1. 电阻率与温度的关系； 2. 电阻率与杂质浓度的关系,4.4 电阻率与温度和杂质浓度的关系,本节要点 1. 热载流子的概念； 2. 迁移率与温度关系,4.6 强电场效应 热载流子,4.7 多能谷散射、耿式效应、负阻效应,本节要点 应用谷间散射解释负微分电导,第五章 非平衡载流子,5.1 非平衡载流子的注入与复合,本节要点1. 非平衡载流子的产生注入与复合；2. 非平衡载流子对电导率的影响,5.2 非平衡载流子的寿命,本节要点1、寿命与复合几率的关系2、注入条件消失后，非平衡载流子的衰减规律,5.3 准费米能级和非平衡载流子浓度,本节要点1、准费米能级的概念；2、用准费米能级表示非平衡状态下的载流子浓度,5.4 复合理论,本节要点1、几种主要的复合机构；2、直接复合中寿命的计算3、间接复合中强n/p型材料寿命的计算,5.5 陷阱效应,1. 陷阱现象2. 成为陷阱的条件,5.6 非平衡载流子的扩散运动和扩散电流,5.7 非平衡载流子的漂移运动和爱因斯坦关系,5.8 电流连续性方程,6.1 pn结及其能带图(平衡pn结特性)6.2 pn结电流电压特性 6.3pn结电容 6.4pn结的击穿 6.5pn结隧道效应,基本要求：能定性描述雪崩击穿、隧道击穿、和热电击穿的机理。,基本要求：理解pn结的形成原因，能够证明平衡pn结中费米能级处处相等，能画出平衡pn结载流子的分布图。,基本要求：掌握非平衡pn结能带图及其与平衡pn结能带图的主要不同。掌握肖克莱方程。了解影响pn结电流电压特性方程偏离肖克莱方程的原因。,基本要求：产生pn结电容的原因，掌握基本概念，能够计算势垒高度、势垒宽度，能导出突变结电场分布。,基本要求：了解隧道结的伏安特性，能够定性解释隧道结的伏安特性。,第六章 pn结,第七章 金属和半导体的接触,7.1 金属-半导体接触和能带图重点 功函数；电子亲和势；接触电势势垒；阻挡层与反阻挡层7.1.1 金属和半导体的功函数7.1.2 接触电势差7.1.3 表面态对接触势垒的影响7.1.4 势垒区的电势分布7.1.5 肖特基接触的势垒电容,7.2 金-半接触整流理论,重点 *阻挡层的整流特性和整流理论7.2.1 厚阻挡层的扩散理论7.2.2 热电子发射理论7.2.3 镜像力和隧道效应的影响7.2.4 肖特基势垒二极管,7.3 少数载流子的注入 和欧姆接触重点 *欧姆接触7.3.1 少数载流子的注入7.3.2 欧姆接触,第八章 半导体表面与MIS结构, 8.1 表面态概念 8.2 表面电场效应1. 空间电荷层及表面势2. 空间电荷层中的泊松方程3. 半导体表面电场、电势和电容4. 半导体表面层的五种基本状态 8.3 Si-SiO2系统的性质Si-SiO2系统中的电荷状态 8.4 MIS结构的C-V特性1. MIS电容结构的能带图2. 理想MIS结构的C-V特性3. 实际MIS结构的C-V特性(1)金半接触电势差的影响(2)绝缘层中电荷的影响(3)表面态的影响 8.5 表面电导及迁移率垂直于表面方向的电场对表面电导起控制作用 8.6 表面电场对pn结特性的影响,第九章 异质结,9.1 异质结及其能带图 1. 异质结的分类 2. 半导体异质结的能带图1)不考虑界面态情况，突变反型异质结的能带图2)不考虑界面态情况，突变同型异质结的能带图 3) 考虑界面态情况 3. 突变反型异质结的接触电势差及势垒区宽度 4. 突变反型异质结的势垒电容 9.2 异质结的电流输运机构 9.3 异质结在器件中的应用 9.4 半导体超晶格,第一章 半导体中的电子状态,晶体结构与共价键,金刚石型结构,闪锌矿型结构,纤锌矿型结构,氯化钠型结构,能级与能带,电子在原子核势场和其他电子作用下分列在不同能级,相邻原子壳层形成交叠,原子相互接近 形成晶体,共有化运动,共有化运动：由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动只有外层电子共有化运动最显著,能级分裂,能带形成,满带或价带,导带,半导体中电子状态和能带,晶体中的电子,VS,自由电子,Difference?,严格周期性重复排列的原子间运动,恒定为零的势场中运动,单电子近似：晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场 以及其他大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期变化的， 并且它的周期与晶格周期相同。,半导体中的电子运动,半导体中E(k)与k的关系,电子速度与能量关系,电子有效质量,有效质量的意义：,f,a,1、概括了半导体内部势场的作用2、a是半导体内部势场和外电场作用的综合效果3、直接将外力与电子加速度联系起来,常见半导体能带结构,直接带隙：砷化镓间接带隙：硅、锗,半导体中的杂质,所处位置不同：替位式杂质、间隙式杂质所处能级不同：施主杂质、受主杂质,施放电子而产生导电电子并形成正电中心,接受电子成为负电中心,第二章 半导体中的杂质和缺陷,第三章 半导体中载流子的统计分布,热平衡状态,低能量的量子态,高能量的量子态,产生电子空穴对,使电子空穴对 不断减少,热平衡载流子：处于热平衡状态下的导电电子和空穴,状态密度,状态密度：能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数。,状态密度的计算：为简单起见，考虑等能面为球面的情况,推导过程书上P51,费米能级与分布函数,费米分布函数：（描述热平衡状态下，电子在允许的量子态上如何分布）,T=0K时，,若EEF，则f (E)=0,标志了电子填充能级的水平,E-EFk0T,？,玻尔兹曼分布函数,条件：E-EFk0T,费米统计分布：受到泡利不相容原理限制玻尔兹曼分布：泡利原理不起作用,导带电子浓度,能量E到E+dE之间的量子态,电子占据能量为E的量子态几率,将所有能量区间中电子数相加,除以半导体体积,导带电子浓度n0,V,载流子浓度是与温度、杂质数量及种类有关的量,载流子浓度乘积n0p0,与费米能级无关只决定与温度T，与所含杂质无关适用于热平衡状态下的任何半导体温度一定， n0p0一定,Nc：导带有效状态密度Nv：价带有效状态密度,杂质半导体中的载流子浓度,电子占据施主能级的几率：,空穴占据受主能级的几率：,施主能级上的电子浓度,电离施主浓度,n型硅中电子浓度与温度关系,五个区低温弱电离区中间电离区强电离区过渡区高温本征激发区各区特点及变化趋势,掺有某种杂质的半导体的载流子浓度和费米能级由温度和杂质浓度所决定。在杂质半导体中，费米能级的位置不但反映了半导体导电类型，而且还反映了半导体的掺杂水平。,第四章 载流子输运（导电性）,漂移运动：电子在电场力作用下的运动迁移率：单位场强下电子的平均漂移速度,电导率,电流密度,散射及散射机构,平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程散射机构 （1）电离杂质散射,（2）晶格振动散射,声学波,光学波,（3）其他散射：能谷散射、中性杂质散射、位错散射,长纵声学波在长声学波中起主要作用,电阻率与温度的关系,载流子主要由电离杂质提供,杂质全部电离，晶格振动散射上升为主要矛盾,本征激发成为主要矛盾,强电场效应,现象：偏离欧姆定律解释：从载流子与晶格振动散射时的能量交换过程来说明,半导体磁电效应（不考）,与载流子浓度、温度有关,霍尔系数,可确定半导体类型及载流子浓度,第五章 非平衡载流子,施加外界作用,偏离热平衡态,产生非平衡载流子,破坏热平衡条件,比平衡态多出来一部分载流子,非平衡载流子,n = n n0p = p p0,n：非平衡态下的电子浓度p：非平衡态下的空穴浓度n0：平衡态下的电子浓度p0：平衡态下的电子浓度,非平衡载流子的复合：当半导体由非平衡态恢复为平衡态，过剩载流子消失的过程。,准费米能级,当半导体处于非平衡状态，不再具有统一的费米能级，引入准费米能级,非平衡态下电子浓度：,非平衡态下空穴浓度：,复合理论,直接复合电子在导带和价带之间的直接跃迁间接复合非平衡载流子通过复合中心的复合,间接复合的四个过程,过程前,过程后,陷阱效应(熟悉概念),杂质能级积累非平衡载流子的作用陷阱：具有显著效应的杂质能级陷阱中心：相应的杂质和缺陷,载流子的扩散运动,稳定扩散的条件： 单位时间在单位体积内 积累的载流子由于复合而消失的载流子,空穴扩散系数,非平衡少数载流子的寿命,非平衡少数载流子浓度,爱因斯坦关系式(意义，推导),从理论上找到扩散系数和迁移率之间的定量关系,迁移率,电场作用下运动的难易程度,扩散系数,存在浓度梯度下载流子运动的难易程度,第六章 p-n结,1、内建电场结果2、费米能级相等标志了载流子的扩散电流和漂移电流互相抵消,-n结接触电势差VD,VD和p-n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，突变结两边的掺杂浓度越高，接触电势差VD越大； 禁带宽度越大，ni越小，接触电势差VD越大；,-n结电流电压特性,正向偏压下p-n结的费米能级,反向偏压下p-n结的费米能级,-n结隧道效应,原理及描述,重掺杂的p区和n区形成的p-n结称为隧道结,第七， 八章 半导体表面与MIS结构,表面电场效应MIS结构（金属绝缘层半导体）表面势：空间电荷层内的电场从表面到体内逐渐减弱直到为零，电势发生相应变化，电势变化迭加在电子的电位能上，使得空间电荷层内的能带发生弯曲，“表面势VS”就是为描述能带变曲的方向和程度而引入的。,多子堆积,多子耗尽,少子反型,强反型条件（推导、理解）,强反型：,Vs2VB,T，NA衬底杂质浓度越高，Vs就越大，越不容易达到反型。,NA=pp0,CV特性（不考）,(1) VG0，多子积累绝对值较大时，空穴聚集表面， CC0，AB段（半导体看成导通）绝对值较小时，C0和Cs串联，C随 V增加而减小，BC段,(2)VG0 CFB表面平带电容,(3) VG0耗尽状态：VG增加，xd增大，Cs减小，CD段Vs2VB时：EF段（低频）强反型，电子聚集表面， CC0GH段（高频）：反型层中电子数量不能随高频信号而变，对电容无贡献，还是由耗尽层的电荷变化决定（强反型达到xdm不随VG变化，电容保持最小值）；GH段,第七章 金属和半导体接触,功函数电子亲和能,金属和n型半导体接触能带图（WmWs）（a）接触前；（b）间隙很大； （c）紧密接触；（d）忽略间隙,电势降落在空间电荷区和金属半导体表面之间,电子的流向,两种金半接触,欧姆接触不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子发生显著的变化。,整流接触,