微电子技术物理基础的问题解答.docVIP

（1）为什么元素周期表上的第13号元素Al是金属、而第14号元素Si却是半导体？ 答：虽然它们的原子序数只差一个，但是性质却截然不同，这主要是由于其原子负电性不同，导致晶体能带结构不同的缘故。因为Al的负电性较小，价电子容易失去，则在形成晶体时倾向于采用金属键，故价电子所形成的能带没有禁带——属于金属。而Si的负电性较大，价电子不容易失去，则倾向于形成共价键，成为共价晶体，从而价电子能带存在禁带，并且禁带宽度正好不大（～1.12eV），所以属于半导体。 （2）为什么半导体中载流子的平均自由程往往要比晶体的晶格常数大得多？ 答：晶格常数是结晶学原胞的边长,一般比原子间距要大一些.平均自由程是指载流子在运动过程中相继两次遭受散射(或碰撞)之间的距离.因为按照能带理论,排列规则、且不动的原子构成的晶格周期性势场,决定了电子的能量状态,即决定了能带结构;但是这种严格周期性的势场并不引起电子状态的改变,即不散射电子.这就意味着,排列规则、且不动的原子本身也并不散射电子.所以载流子的平均自由程往往要比晶体的晶格常数大数十到数百倍.(注意:排列不规则或者运动的原子,即不具有周期性的晶格势场,或者说杂质和缺陷所产生的势场,将要散射电子.) （3）为什么Si、Ge等半导体的禁带宽度（Eg）将随着温度（T）的升高而下降？ 答：因为Si、Ge等半导体的价带、导带和禁带都是由原子外层的s态和p态价电子通过杂化而形成的;当许多原子靠近而构成晶体、原子外层的价电子——公有化电子形成能带时,并不是导带对应于原子的s态电子、价带对应于原子的p态电子,所以禁带宽度也就不是随着原子间距的减小而变窄.因此,当温度升高时,原子间距增大,禁带宽度也就不是随之变宽,相反却是变窄.实际上,只有少数几种半导体的价带和导带是分别对应于原子的单一电子状态,这种半导体的禁带宽度确实是随着温度的升高而增大的. （4）为什么在半导体的禁带中可以存在有杂质、缺陷等的能级？ 答: 半导体禁带这个能量范围,是晶体中的价电子所不能具有的能量;而价电子是属于整个晶体所有的,即是所谓公有化电子.这就意味着,禁带中不能存在公有化电子状态,但是这并不排斥在禁带中可以出现非公有化电子状态——杂质和缺陷等所谓局域性的电子状态.因此,在禁带中可以有杂质、缺陷等的能级. （5）为什么Si可以吸收光、并产生电子-空穴对？但是为什么Si中电子-空穴对的复合却一般不能够发出光来？ 答: 因为Si的能带是间接跃迁的结构,即价带顶与导带底不在Brillouin区的同一点处.这也就是说,价带顶处的电子(或空穴),与导带底处的电子具有不同的动量(或不同的波矢).电子在价带与导带之间跃迁时需要满足能量守恒和动量守恒.当价带顶处的电子吸收了能量足够高的光子后,即可跃迁到导带去,至于跃迁前后动量的差别可以在电子进入导带以后再通过弛豫过程来调整解决,所以这种吸收光的过程是可以发生的.但是,如果导带底电子下落到价带时,除了放出能量以外,还要同时放出动量,这时若把能量以光子的形式发射出来,但是还必须要有第三者来接受所放出的动量(因为光子的动量=0),而这个第三者主要就是晶体中的声子(晶格振动的能量量子);因此,当电子-空穴对复合时,由于声子在接受动量的同时,也可以接受能量,即复合所释放出的动量和能量都将可能交给声子,从而一般也就不再发出光子了. （6）为什么价带中的许多价电子不能导电？ 答: 因为填满价带的电子都是被原子束缚的电子——价电子，在电场作用下不能改变其能量状态，故不能导电。只有当它们摆脱价键的束缚（即本征激发）而成为导带电子以后才能够导电，与此同时在价带中留下价键空位。导带中的电子和价带中的空位——空穴就是载流子。 （7）为什么半导体中载流子浓度不大时，可以近似认为它们是服从Boltzmann统计的（即为非简并半导体）？ 答：因为能带中包含有许多分立的能级——能量状态，当半导体掺杂浓度不高、多数载流子浓度不大时，这些载流子基本上都可以处于能带极值（导带底或者价带顶）附近，并且不需要考虑Pauli不相容原理（即不会出现几个载流子占据一个状态的情况，亦即不必考虑量子效应）。因此，这些载流子是非简并的，即为具有一定有效质量的经典自由载流子。 也可从载流子按能量的分布函数的状况来进行讨论。经典Boltzmann分布函数就是一种指数式下降的函数。而Fermi分布函数是一种量子分布函数，在能量E=EF时函数值等于1/2，在EEF时函数值几乎为1（即在EF以下的能级差不多都被载流子所占据），在EEF时几乎为0（即在EF以上的能级差不多都未被载流子所占据）。因为当载流子浓度不大时，Fermi能级总将位于禁带中间（即离开能带极值有一定的间隔），所以，作为晶体中的载流子所应该满足的Fermi分布函数，在靠近能带极值时即将下降到很小的数值；