国科大-半导体器件物理讲述.docx

第一章 半导体物理基础 1.主要半导体材料的晶体结构。 简单立方(P/Mn)、体心立方(Na/W)、面心立方(Al/Au) 金刚石结构：属立方晶系， 由两个面心立方子晶格相互 嵌套而成。Si Ge 闪锌矿结构（立方密堆积）， 两种元素，GaAs, GaP等 主要是共价键 纤锌矿结构（六方密堆积），CdS, ZnS 闪锌矿和纤锌矿结构的异同点 共同点：每个原子均处于另一种原子构成的四面体中心，配种原子构成的四面体中心，配位数4 不同点：闪锌矿的次近邻，上下彼此错开60，而纤锌矿上下相对 2.金属、半导体和绝缘体能带特点。 1）绝缘体 价电子与近邻原子形成强键，很难打破，没有电子参与导电。 能带图上表现为大的禁带宽度，价带内能级被填满，导带空着，热能或外场不能把价带顶电子激发到导带。 2）半导体 近邻原子形成的键结合强度适中，热振动使一些键破裂，产生电子和空穴。能带图上表现为禁带宽度较小，价带内的能级被填满，一部分电子能够从价带跃迁到导带，在价带留下空穴。外加电场，导带电子和价带空穴都将获得动能，参与导电。 3）导体 导带或者被部分填充，或者与价带重叠。很容易产生电流 3.Ge, Si，GaAs能带结构示意图及主要特点。 1）直接、间接禁带半导体，导带底，价带顶所对应的k是否在一条竖直线上 2）导带底电子有效质量为正，带顶有效质量为负 3）有效质量与能带的曲率成反比，导带的曲率大于价带，因此电子的有效质量大；轻空穴带的曲率大，对应的有效质量小 4.本征半导体的载流子浓度，本征费米能级。 n=NCexp(-EC-EFkT) n=niexp(EF-EikT) p=Nvexp(-EF-EVkT) p=niexp(Ei-EFkT) 5.非本征半导体载流子浓度和费米能级。 100K 载流子主要由杂质电离提供 杂质部分电离区(凝固区) 。 100~500K，杂质渐渐全部电离，在很大温度范围内本征激发的载流子数目小于杂质浓度，载流子主要由掺杂浓度决定。?饱和电离区。 500K，本征激发的载流子浓度大于掺杂浓度，载流子主要由本征激 发决定。?本征区。 6.Hall效应，Hall迁移率。 当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电势差。 Ey=RHJxBz 霍尔系数RH=r(-1/qn) n型 or RH=r(+1/qn) p型 霍耳迁移率 7.半导体中的复合过程。 复合速率： 带间复合：辐射、俄歇过程 间接复合（单能级复合）：电子俘获发射、空穴俘获发射 SRH复合理论，当Et=Ei时，复合率最大，因此最有效的复合中心是带隙中央附近的能级 间接复合（多能级陷阱） 表面复合:表面的各种缺陷作为复合中心 8。半导体器件工作基本方程及用途。 9*。载流子主要的散射机制 A, 晶格振动或声子散射： B, 电离杂质散射：通常以这两种散射为主 C, 中性杂质散射：在杂质浓度不是很高时，可以忽略 D, 电子或空穴散射：在载流子浓度很高时要考虑 E, 晶格缺陷散射：对于多晶等缺陷较多的材料要考虑 F, 表面散射：载流子在表面区域 (如反型层) 运动时，受到表面因素(如粗糙度）引起的散射，主要是对薄膜材料要考虑. 第二章 半导体接触的物理机制——pn结 1。突变结的电荷、电场、电势分布，耗尽区宽度和电容。 电荷 电场 E(x)= or , 电势 耗尽区宽度 电容 2。Pn结的理想电流电压特性—肖克莱方程的推导。 I = Xn处的电子漂移电流 + Xn处的空穴扩散电流 = Xp处的电子(少子)扩散电流 + Xn处的空穴(少子)扩散电流 归纳为求少子扩散电流 a.准费米能级分裂，电子和空穴的电流密度正比于各自的费米能级梯度 b.耗尽区边界处的少子浓度（边界条件），正偏时，边界处的少子浓度比平衡时大，反偏时小 c.连续性方程的得到少子分布 稳态、电中性、小注入、无电场 d.耗尽区边界的少子扩散电流 e.总电流（肖克莱方程） 3。耗尽区产生复合、大注入、串联电阻效应等造成偏离理想情况的定性分析。 1）产生复合 Jgen/rec=q|U|W a.反偏 载流子发射 产生电流（随偏压缓慢增加 不饱和） 室温下： 若ni很大(例如Ge)，扩散电流为主，反向电流符合理想情况 若ni很小(例如Si)，产生电流占优势 高温下：（中性区）扩散电流为主 b.正偏 复合过程是耗尽区内的主要产生复合过程 假定在大部分耗尽区内，有最大的复合率，用Umax给出复合电流 复合电流占优势: n=2，扩散占优势: n=1, 两种相当:1n2 . 2）大注入 空穴电流密度大注入作用好像是使扩散系数加倍 大注入时，结上的