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1、物理物理(wl)半导体物理半导体物理(wl)学期末复习学期末复习第一页，共37页。回旋共振回旋共振回旋共振回旋共振-半导体中的电子半导体中的电子半导体中的电子半导体中的电子(dinz)(dinz)在恒定磁场中受洛仑在恒定磁场中受洛仑在恒定磁场中受洛仑在恒定磁场中受洛仑兹力作用将作回旋运动，此时在半导体上再加垂直于磁场的兹力作用将作回旋运动，此时在半导体上再加垂直于磁场的兹力作用将作回旋运动，此时在半导体上再加垂直于磁场的兹力作用将作回旋运动，此时在半导体上再加垂直于磁场的交变磁场，当交变磁场的频率等于电子交变磁场，当交变磁场的频率等于电子交变磁场，当交变磁场的频率等于电子交变磁场，当交变磁场的
2、频率等于电子(dinz)(dinz)的回旋频率的回旋频率的回旋频率的回旋频率时，发生强烈的共振吸收现象，称为回旋共振。时，发生强烈的共振吸收现象，称为回旋共振。时，发生强烈的共振吸收现象，称为回旋共振。时，发生强烈的共振吸收现象，称为回旋共振。施主施主施主施主-在半导体中起施予电子在半导体中起施予电子在半导体中起施予电子在半导体中起施予电子(dinz)(dinz)作用的杂质。作用的杂质。作用的杂质。作用的杂质。受主受主受主受主-在半导体中起接受电子在半导体中起接受电子在半导体中起接受电子在半导体中起接受电子(dinz)(dinz)作用的杂质。作用的杂质。作用的杂质。作用的杂质。杂质电离能杂质电
3、离能杂质电离能杂质电离能-使中性施主杂质束缚的电子使中性施主杂质束缚的电子使中性施主杂质束缚的电子使中性施主杂质束缚的电子(dinz)(dinz)电离电离电离电离或使中性受主杂质束缚的空穴电离所需要的能量。或使中性受主杂质束缚的空穴电离所需要的能量。或使中性受主杂质束缚的空穴电离所需要的能量。或使中性受主杂质束缚的空穴电离所需要的能量。n-n-型半导体型半导体型半导体型半导体-以电子以电子以电子以电子(dinz)(dinz)为主要载流子的半导体。为主要载流子的半导体。为主要载流子的半导体。为主要载流子的半导体。p-p-型半导体型半导体型半导体型半导体-以空穴为主要载流子的半导体。以空穴为主要载
4、流子的半导体。以空穴为主要载流子的半导体。以空穴为主要载流子的半导体。第1页/共37页第二页，共37页。浅能级杂质浅能级杂质浅能级杂质浅能级杂质-杂质能级位于半导体禁带中靠近导带底或价带杂质能级位于半导体禁带中靠近导带底或价带杂质能级位于半导体禁带中靠近导带底或价带杂质能级位于半导体禁带中靠近导带底或价带顶，即杂质电离能很低的杂质。浅能级杂质对半导体的导电顶，即杂质电离能很低的杂质。浅能级杂质对半导体的导电顶，即杂质电离能很低的杂质。浅能级杂质对半导体的导电顶，即杂质电离能很低的杂质。浅能级杂质对半导体的导电(dodin)(dodin)性质有较大的影响。性质有较大的影响。性质有较大的影响。性质
5、有较大的影响。深能级杂质深能级杂质深能级杂质深能级杂质-杂质能级位于半导体禁带中远离导带底（施杂质能级位于半导体禁带中远离导带底（施杂质能级位于半导体禁带中远离导带底（施杂质能级位于半导体禁带中远离导带底（施主）或价带顶（受主），即杂质电离能很大的杂质。深能级杂主）或价带顶（受主），即杂质电离能很大的杂质。深能级杂主）或价带顶（受主），即杂质电离能很大的杂质。深能级杂主）或价带顶（受主），即杂质电离能很大的杂质。深能级杂质对半导体导电质对半导体导电质对半导体导电质对半导体导电(dodin)(dodin)性质影响较小，但对半导体中非平衡性质影响较小，但对半导体中非平衡性质影响较小，但对半导体中非
6、平衡性质影响较小，但对半导体中非平衡载流子的复合过程有重要作用。位于半导体禁带中央能级附近载流子的复合过程有重要作用。位于半导体禁带中央能级附近载流子的复合过程有重要作用。位于半导体禁带中央能级附近载流子的复合过程有重要作用。位于半导体禁带中央能级附近的深能级杂质是有效的复合中心。的深能级杂质是有效的复合中心。的深能级杂质是有效的复合中心。的深能级杂质是有效的复合中心。杂质补偿杂质补偿杂质补偿杂质补偿-在半导体中同时存在施主和受主杂质时，存在杂在半导体中同时存在施主和受主杂质时，存在杂在半导体中同时存在施主和受主杂质时，存在杂在半导体中同时存在施主和受主杂质时，存在杂质补偿现象，即施主杂质束缚
7、的电子优先填充受主能级，实际质补偿现象，即施主杂质束缚的电子优先填充受主能级，实际质补偿现象，即施主杂质束缚的电子优先填充受主能级，实际质补偿现象，即施主杂质束缚的电子优先填充受主能级，实际的有效杂质浓度为补偿后的杂质浓度，即两者之差。的有效杂质浓度为补偿后的杂质浓度，即两者之差。的有效杂质浓度为补偿后的杂质浓度，即两者之差。的有效杂质浓度为补偿后的杂质浓度，即两者之差。第2页/共37页第三页，共37页。直接带隙直接带隙直接带隙直接带隙-半导体的导带底和价带顶位于半导体的导带底和价带顶位于半导体的导带底和价带顶位于半导体的导带底和价带顶位于k k空间同一位置时称为空间同一位置时称为空间同一位置
8、时称为空间同一位置时称为直接带隙。直接带隙材料中载流子跃迁几率较大。直接带隙。直接带隙材料中载流子跃迁几率较大。直接带隙。直接带隙材料中载流子跃迁几率较大。直接带隙。直接带隙材料中载流子跃迁几率较大。间接带隙间接带隙间接带隙间接带隙-半导体的导带底和价带顶位于半导体的导带底和价带顶位于半导体的导带底和价带顶位于半导体的导带底和价带顶位于k k空间不同位置时称为空间不同位置时称为空间不同位置时称为空间不同位置时称为间接带隙。间接带隙材料中载流子跃迁时需有声子参与，跃迁几率间接带隙。间接带隙材料中载流子跃迁时需有声子参与，跃迁几率间接带隙。间接带隙材料中载流子跃迁时需有声子参与，跃迁几率间接带隙。
9、间接带隙材料中载流子跃迁时需有声子参与，跃迁几率较小。较小。较小。较小。平衡状态与非平衡状态平衡状态与非平衡状态平衡状态与非平衡状态平衡状态与非平衡状态-半导体处于热平衡态时，载流子遵从半导体处于热平衡态时，载流子遵从半导体处于热平衡态时，载流子遵从半导体处于热平衡态时，载流子遵从平衡态分布，电子和空穴具有统一的费米能级。半导体处于外场中平衡态分布，电子和空穴具有统一的费米能级。半导体处于外场中平衡态分布，电子和空穴具有统一的费米能级。半导体处于外场中平衡态分布，电子和空穴具有统一的费米能级。半导体处于外场中时为非平衡态，载流子分布函数偏离平衡态分布，电子和空穴不具时为非平衡态，载流子分布函数
10、偏离平衡态分布，电子和空穴不具时为非平衡态，载流子分布函数偏离平衡态分布，电子和空穴不具时为非平衡态，载流子分布函数偏离平衡态分布，电子和空穴不具有统一的费米能级，载流子浓度也比平衡时多出一部分，但可认为有统一的费米能级，载流子浓度也比平衡时多出一部分，但可认为有统一的费米能级，载流子浓度也比平衡时多出一部分，但可认为有统一的费米能级，载流子浓度也比平衡时多出一部分，但可认为(rnwi)(rnwi)它们各自达到平衡，可引入准费米能级表示。它们各自达到平衡，可引入准费米能级表示。它们各自达到平衡，可引入准费米能级表示。它们各自达到平衡，可引入准费米能级表示。第3页/共37页第四页，共37页。电中
11、性条件电中性条件电中性条件电中性条件-半导体在任何情况下都维持体内电中性，即单半导体在任何情况下都维持体内电中性，即单半导体在任何情况下都维持体内电中性，即单半导体在任何情况下都维持体内电中性，即单位体积内正电荷数与负电荷数相等。位体积内正电荷数与负电荷数相等。位体积内正电荷数与负电荷数相等。位体积内正电荷数与负电荷数相等。非简并半导体非简并半导体非简并半导体非简并半导体-半导体中载流子分布半导体中载流子分布半导体中载流子分布半导体中载流子分布(fnb)(fnb)可由经典的玻尔可由经典的玻尔可由经典的玻尔可由经典的玻尔兹曼分布兹曼分布兹曼分布兹曼分布(fnb)(fnb)代替费米分布代替费米分布
12、代替费米分布代替费米分布(fnb)(fnb)描述时，称之为非简并半描述时，称之为非简并半描述时，称之为非简并半描述时，称之为非简并半导体。导体。导体。导体。简并半导体简并半导体简并半导体简并半导体-半导体重掺杂时，其费米能级有可能进入到导半导体重掺杂时，其费米能级有可能进入到导半导体重掺杂时，其费米能级有可能进入到导半导体重掺杂时，其费米能级有可能进入到导带或价带中，此时载流子分布带或价带中，此时载流子分布带或价带中，此时载流子分布带或价带中，此时载流子分布(fnb)(fnb)必须用费米分布必须用费米分布必须用费米分布必须用费米分布(fnb)(fnb)描描描描述，称之为简并半导体。简并半导体有
13、如下性质：述，称之为简并半导体。简并半导体有如下性质：述，称之为简并半导体。简并半导体有如下性质：述，称之为简并半导体。简并半导体有如下性质：1 1）杂质不能）杂质不能）杂质不能）杂质不能充分电离；充分电离；充分电离；充分电离；2 2）杂质能级扩展为杂质能带。如果杂质能带与导带）杂质能级扩展为杂质能带。如果杂质能带与导带）杂质能级扩展为杂质能带。如果杂质能带与导带）杂质能级扩展为杂质能带。如果杂质能带与导带或价带相连，则禁带宽度将减小。或价带相连，则禁带宽度将减小。或价带相连，则禁带宽度将减小。或价带相连，则禁带宽度将减小。第4页/共37页第五页，共37页。本征半导体本征半导体本征半导体本征半
14、导体-本征半导体即纯净半导体，其载流子浓度随温度本征半导体即纯净半导体，其载流子浓度随温度本征半导体即纯净半导体，其载流子浓度随温度本征半导体即纯净半导体，其载流子浓度随温度增加呈指数规律增加。增加呈指数规律增加。增加呈指数规律增加。增加呈指数规律增加。杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体-在半导体中人为地，有控制在半导体中人为地，有控制在半导体中人为地，有控制在半导体中人为地，有控制(kngzh)(kngzh)地掺入少量地掺入少量地掺入少量地掺入少量的浅能级杂质的半导体，可在较大温度范围内保持半导体内载流子的浅能级杂质的半导体，可在较大温度范围内保持半导体内载流子的浅能级杂质的半导体，可
15、在较大温度范围内保持半导体内载流子的浅能级杂质的半导体，可在较大温度范围内保持半导体内载流子浓度不随温度改变。即掺杂的主要作用是在较大温度范围维持半导浓度不随温度改变。即掺杂的主要作用是在较大温度范围维持半导浓度不随温度改变。即掺杂的主要作用是在较大温度范围维持半导浓度不随温度改变。即掺杂的主要作用是在较大温度范围维持半导体中载流浓度不变。体中载流浓度不变。体中载流浓度不变。体中载流浓度不变。多数载流子与少数载流子多数载流子与少数载流子多数载流子与少数载流子多数载流子与少数载流子-多数载流子是在半导体输运过程中多数载流子是在半导体输运过程中多数载流子是在半导体输运过程中多数载流子是在半导体输运
16、过程中起主要作用的载流子，如起主要作用的载流子，如起主要作用的载流子，如起主要作用的载流子，如n-n-型半导体中的电子。而少数载流子在是型半导体中的电子。而少数载流子在是型半导体中的电子。而少数载流子在是型半导体中的电子。而少数载流子在是在半导体输运过程中起次要作用的载流子，如在半导体输运过程中起次要作用的载流子，如在半导体输运过程中起次要作用的载流子，如在半导体输运过程中起次要作用的载流子，如n-n-型半导体中的空穴。型半导体中的空穴。型半导体中的空穴。型半导体中的空穴。第5页/共37页第六页，共37页。费米分布费米分布费米分布费米分布-费米分布是费米子（电子）在平衡态时的分布，费米分布是费
17、米子（电子）在平衡态时的分布，费米分布是费米子（电子）在平衡态时的分布，费米分布是费米子（电子）在平衡态时的分布，其物理意义是在温度其物理意义是在温度其物理意义是在温度其物理意义是在温度T T时，电子占据能量为时，电子占据能量为时，电子占据能量为时，电子占据能量为E E的状态的几率，或能的状态的几率，或能的状态的几率，或能的状态的几率，或能量为量为量为量为E E的状态上的平均的状态上的平均的状态上的平均的状态上的平均(pngjn)(pngjn)电子数。电子数。电子数。电子数。费米能级费米能级费米能级费米能级-费米能级是费米能级是费米能级是费米能级是T=0 KT=0 K时电子系统中电子占据态和时
18、电子系统中电子占据态和时电子系统中电子占据态和时电子系统中电子占据态和 未未未未占据态的分界线，是占据态的分界线，是占据态的分界线，是占据态的分界线，是T=0 KT=0 K时系统中电子所能具有的最高能量。时系统中电子所能具有的最高能量。时系统中电子所能具有的最高能量。时系统中电子所能具有的最高能量。漂移速度漂移速度漂移速度漂移速度-载流子在外场作用下定向运动的平均载流子在外场作用下定向运动的平均载流子在外场作用下定向运动的平均载流子在外场作用下定向运动的平均(pngjn)(pngjn)速速速速度，弱场下漂移速度大小正比于外场强度。度，弱场下漂移速度大小正比于外场强度。度，弱场下漂移速度大小正比
19、于外场强度。度，弱场下漂移速度大小正比于外场强度。迁移率迁移率迁移率迁移率-描述半导体中载流子在外场中运动难易程度的物理量，描述半导体中载流子在外场中运动难易程度的物理量，描述半导体中载流子在外场中运动难易程度的物理量，描述半导体中载流子在外场中运动难易程度的物理量，若外场不太强，载流子运动遵从欧姆定律时，迁移率与电场强度若外场不太强，载流子运动遵从欧姆定律时，迁移率与电场强度若外场不太强，载流子运动遵从欧姆定律时，迁移率与电场强度若外场不太强，载流子运动遵从欧姆定律时，迁移率与电场强度无关，为一常数。强场时，迁移率与外场有关。无关，为一常数。强场时，迁移率与外场有关。无关，为一常数。强场时，
20、迁移率与外场有关。无关，为一常数。强场时，迁移率与外场有关。第6页/共37页第七页，共37页。电导率电导率电导率电导率-描述材料导电性质的物理量。半导体中载流子遵从描述材料导电性质的物理量。半导体中载流子遵从描述材料导电性质的物理量。半导体中载流子遵从描述材料导电性质的物理量。半导体中载流子遵从欧姆定律时，电流密度正比于电场强度，其比例系数即为电导欧姆定律时，电流密度正比于电场强度，其比例系数即为电导欧姆定律时，电流密度正比于电场强度，其比例系数即为电导欧姆定律时，电流密度正比于电场强度，其比例系数即为电导率。电导率大小与载流子浓度，载流子的迁移率有关。从微观率。电导率大小与载流子浓度，载流子
21、的迁移率有关。从微观率。电导率大小与载流子浓度，载流子的迁移率有关。从微观率。电导率大小与载流子浓度，载流子的迁移率有关。从微观机制看，电导率与载流子的散射过程有关。机制看，电导率与载流子的散射过程有关。机制看，电导率与载流子的散射过程有关。机制看，电导率与载流子的散射过程有关。电阻率电阻率电阻率电阻率-电导率的倒数电导率的倒数电导率的倒数电导率的倒数(do sh)(do sh)。本征半导体电阻率随温。本征半导体电阻率随温。本征半导体电阻率随温。本征半导体电阻率随温度上升而单调下降。同样，电阻率与载流子的散射过程有关。度上升而单调下降。同样，电阻率与载流子的散射过程有关。度上升而单调下降。同样
22、，电阻率与载流子的散射过程有关。度上升而单调下降。同样，电阻率与载流子的散射过程有关。金属电阻率金属电阻率金属电阻率金属电阻率-随温度上升而上升。（晶格振动散射）随温度上升而上升。（晶格振动散射）随温度上升而上升。（晶格振动散射）随温度上升而上升。（晶格振动散射）第7页/共37页第八页，共37页。散射几率散射几率散射几率散射几率-载流子在单位时间内被散射的次数。载流子在单位时间内被散射的次数。载流子在单位时间内被散射的次数。载流子在单位时间内被散射的次数。平均自由时间平均自由时间平均自由时间平均自由时间-载流子在两次散射之间自由运动的平均时间。载流子在两次散射之间自由运动的平均时间。载流子在两
23、次散射之间自由运动的平均时间。载流子在两次散射之间自由运动的平均时间。强场效应强场效应强场效应强场效应-电场强度较高时载流子的平均漂移速度与电场强电场强度较高时载流子的平均漂移速度与电场强电场强度较高时载流子的平均漂移速度与电场强电场强度较高时载流子的平均漂移速度与电场强度间的关系偏离线性关系的现象，此时迁移率不再是常数。电度间的关系偏离线性关系的现象，此时迁移率不再是常数。电度间的关系偏离线性关系的现象，此时迁移率不再是常数。电度间的关系偏离线性关系的现象，此时迁移率不再是常数。电场强度继续增加时，漂移速度不再随外场场强度继续增加时，漂移速度不再随外场场强度继续增加时，漂移速度不再随外场场强
24、度继续增加时，漂移速度不再随外场(wichng)(wichng)增加而变增加而变增加而变增加而变化，达到饱和。化，达到饱和。化，达到饱和。化，达到饱和。热载流子热载流子热载流子热载流子-半导体处于强场中时，电子的平均能量高于晶格半导体处于强场中时，电子的平均能量高于晶格半导体处于强场中时，电子的平均能量高于晶格半导体处于强场中时，电子的平均能量高于晶格平均能量，以温度度量，则电子平均温度高于晶格平均温度，平均能量，以温度度量，则电子平均温度高于晶格平均温度，平均能量，以温度度量，则电子平均温度高于晶格平均温度，平均能量，以温度度量，则电子平均温度高于晶格平均温度，因此称强场中电子为热载流子。因
25、此称强场中电子为热载流子。因此称强场中电子为热载流子。因此称强场中电子为热载流子。第8页/共37页第九页，共37页。多能谷散射多能谷散射多能谷散射多能谷散射-半导体中有多个能量值接近的导带底时，半导体中有多个能量值接近的导带底时，半导体中有多个能量值接近的导带底时，半导体中有多个能量值接近的导带底时，电子电子电子电子(dinz)(dinz)被散射到不同能谷的现象。被散射到不同能谷的现象。被散射到不同能谷的现象。被散射到不同能谷的现象。负微分电导（电阻）负微分电导（电阻）负微分电导（电阻）负微分电导（电阻）-定义定义定义定义dJ/dEdJ/dE为微分电导，当半为微分电导，当半为微分电导，当半为微
26、分电导，当半导体中电流密度随电场增加而减小时，微分电导小于零，导体中电流密度随电场增加而减小时，微分电导小于零，导体中电流密度随电场增加而减小时，微分电导小于零，导体中电流密度随电场增加而减小时，微分电导小于零，称为负微分电导。称为负微分电导。称为负微分电导。称为负微分电导。耿氏振荡耿氏振荡耿氏振荡耿氏振荡-存在负微分电导的半导体在强场中电流出存在负微分电导的半导体在强场中电流出存在负微分电导的半导体在强场中电流出存在负微分电导的半导体在强场中电流出现振荡的现象。由于载流子分布不均匀，在高阻区形成现振荡的现象。由于载流子分布不均匀，在高阻区形成现振荡的现象。由于载流子分布不均匀，在高阻区形成现
27、振荡的现象。由于载流子分布不均匀，在高阻区形成偶极畴，偶极畴不断产生、长大、漂移和吸收的过程便偶极畴，偶极畴不断产生、长大、漂移和吸收的过程便偶极畴，偶极畴不断产生、长大、漂移和吸收的过程便偶极畴，偶极畴不断产生、长大、漂移和吸收的过程便产生微波振荡。产生微波振荡。产生微波振荡。产生微波振荡。第9页/共37页第十页，共37页。非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子-半导体处于非平衡态时，比平衡态时多出来的半导体处于非平衡态时，比平衡态时多出来的半导体处于非平衡态时，比平衡态时多出来的半导体处于非平衡态时，比平衡态时多出来的那一部分载流子称为非平衡载流子。那一部分载流子称为非平衡载流子
28、。那一部分载流子称为非平衡载流子。那一部分载流子称为非平衡载流子。p=np=n非平衡载流子的注入与复合非平衡载流子的注入与复合非平衡载流子的注入与复合非平衡载流子的注入与复合-非平衡载流子的产生过程称非平衡载流子的产生过程称非平衡载流子的产生过程称非平衡载流子的产生过程称为注入，非平衡载流子湮灭的过程称为复合。为注入，非平衡载流子湮灭的过程称为复合。为注入，非平衡载流子湮灭的过程称为复合。为注入，非平衡载流子湮灭的过程称为复合。准费米能级准费米能级准费米能级准费米能级-半导体处于非平衡态时，导带电子半导体处于非平衡态时，导带电子半导体处于非平衡态时，导带电子半导体处于非平衡态时，导带电子(di
29、nz)(dinz)和价带空穴不再有统一的费米能级，但可以认为它们各自达和价带空穴不再有统一的费米能级，但可以认为它们各自达和价带空穴不再有统一的费米能级，但可以认为它们各自达和价带空穴不再有统一的费米能级，但可以认为它们各自达到平衡，相应的费米能级称为电子到平衡，相应的费米能级称为电子到平衡，相应的费米能级称为电子到平衡，相应的费米能级称为电子(dinz)(dinz)和空穴的准费米和空穴的准费米和空穴的准费米和空穴的准费米能级。能级。能级。能级。少子寿命少子寿命少子寿命少子寿命-非平衡少数载流子在半导体中存在的平均时间。非平衡少数载流子在半导体中存在的平均时间。非平衡少数载流子在半导体中存在的
30、平均时间。非平衡少数载流子在半导体中存在的平均时间。即产生非平衡载流子的因素去除后，非平衡载流子浓度衰减即产生非平衡载流子的因素去除后，非平衡载流子浓度衰减即产生非平衡载流子的因素去除后，非平衡载流子浓度衰减即产生非平衡载流子的因素去除后，非平衡载流子浓度衰减至初始时浓度的至初始时浓度的至初始时浓度的至初始时浓度的1/e1/e倍所需的时间。倍所需的时间。倍所需的时间。倍所需的时间。第10页/共37页第十一页，共37页。直接复合直接复合直接复合直接复合-电子从导带直接跃迁至价带与空穴相遇而复合。电子从导带直接跃迁至价带与空穴相遇而复合。电子从导带直接跃迁至价带与空穴相遇而复合。电子从导带直接跃迁
31、至价带与空穴相遇而复合。间接复合间接复合间接复合间接复合-电子通过禁带中的能级而跃迁至价带与空穴相电子通过禁带中的能级而跃迁至价带与空穴相电子通过禁带中的能级而跃迁至价带与空穴相电子通过禁带中的能级而跃迁至价带与空穴相遇而复合。遇而复合。遇而复合。遇而复合。表面复合表面复合表面复合表面复合-发生发生发生发生(fshng)(fshng)在半导体表面处的复合。在半导体表面处的复合。在半导体表面处的复合。在半导体表面处的复合。体内复合体内复合体内复合体内复合-发生发生发生发生(fshng)(fshng)在半导体内部的复合。在半导体内部的复合。在半导体内部的复合。在半导体内部的复合。辐射复合辐射复合辐
32、射复合辐射复合-电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时，多电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时，多电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时，多电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时，多余的能量以辐射光子的形式释放。余的能量以辐射光子的形式释放。余的能量以辐射光子的形式释放。余的能量以辐射光子的形式释放。无辐射复合无辐射复合无辐射复合无辐射复合-电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时，电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时，电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时，电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时，多余的能量以辐射声子的形式释放。多余的能量以辐射声子的形式释放。多余的能量以辐射声子的形式释放。多余的能量以辐
33、射声子的形式释放。第11页/共37页第十二页，共37页。俄歇复合俄歇复合俄歇复合俄歇复合-电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时，释放的电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时，释放的电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时，释放的电子从高能级跃迁至低能级与空穴复合时，释放的能量用于其它载流子由较低能态跃迁至较高能态。能量用于其它载流子由较低能态跃迁至较高能态。能量用于其它载流子由较低能态跃迁至较高能态。能量用于其它载流子由较低能态跃迁至较高能态。复合中心复合中心复合中心复合中心-对间接复合起促进作用的深能级杂质对间接复合起促进作用的深能级杂质对间接复合起促进作用的深能级杂质对间接复合起促进作用的深能级
34、杂质(zzh)(zzh)。相。相。相。相应的杂质应的杂质应的杂质应的杂质(zzh)(zzh)能级称为复合中心能级，通常位于半导体禁带中能级称为复合中心能级，通常位于半导体禁带中能级称为复合中心能级，通常位于半导体禁带中能级称为复合中心能级，通常位于半导体禁带中央能级附近。央能级附近。央能级附近。央能级附近。载流子陷阱载流子陷阱载流子陷阱载流子陷阱-对间接复合起阻碍作用的深能级杂质对间接复合起阻碍作用的深能级杂质对间接复合起阻碍作用的深能级杂质对间接复合起阻碍作用的深能级杂质(zzh)(zzh)。相应的杂质相应的杂质相应的杂质相应的杂质(zzh)(zzh)能级称为陷阱能级。能级称为陷阱能级。能级
35、称为陷阱能级。能级称为陷阱能级。第12页/共37页第十三页，共37页。半导体物理学半导体物理学 计算计算(j sun)问题问题能态密度能态密度能态密度能态密度费米分布费米分布费米分布费米分布杂质杂质杂质杂质(zzh)(zzh)电离能电离能电离能电离能载流子浓度载流子浓度载流子浓度载流子浓度费米能级与准费米能级费米能级与准费米能级费米能级与准费米能级费米能级与准费米能级电阻率电阻率电阻率电阻率电导率电导率电导率电导率第13页/共37页第十四页，共37页。例例1.1.已知已知SiSi导带底在导带底在方向，等能面为旋转方向，等能面为旋转(xunzhun)(xunzhun)椭椭球面，等能面附近能谱：球
36、面，等能面附近能谱：式中mt和ml分别(fnbi)为横向和纵向有效质量。试求Si导带的能态密度。解：由能态密度(md)定义：式中dZ为E-E+dE之间的能量状态数，也可以视为k空间中两等能面之间的状态数，对一支能带：第14页/共37页第十五页，共37页。式中为k空间(kngjin)体积元。由等能面为椭球面，此等(c dn)能面所围的体积为：第15页/共37页第十六页，共37页。两等能面之间的体积两等能面之间的体积(tj)(tj)：第16页/共37页第十七页，共37页。SiSi导带底在导带底在方向方向(fngxing)(fngxing)，包括六个旋转椭球等能面，包括六个旋转椭球等能面，故能态密度
37、：故能态密度：能态密度有效(yuxio)质量第17页/共37页第十八页，共37页。例例2.2.某晶体某晶体(jngt)(jngt)价电子具有球形等能面，电子能谱为：价电子具有球形等能面，电子能谱为：试求其能态密度(md)。解：第18页/共37页第十九页，共37页。例例3.3.求本征半导体的费米能级求本征半导体的费米能级(nngj)(nngj)和载流子浓度。和载流子浓度。解：本征半导体的电中性条件：解：本征半导体的电中性条件：第19页/共37页第二十页，共37页。第20页/共37页第二十一页，共37页。例例4.4.已知处于平衡态的非简并半导体中施主浓度为已知处于平衡态的非简并半导体中施主浓度为N
38、DND，当，当半导体处于饱和区时，求其费米半导体处于饱和区时，求其费米(fi m)(fi m)能级和载流子浓能级和载流子浓度。度。解：只含一种施主(shzh)杂质的半导体的电中性条件：半导体处于(chy)饱和区时，第21页/共37页第二十二页，共37页。载流子浓度(nngd)：第22页/共37页第二十三页，共37页。半导体能带结构示意图半导体能带结构示意图半导体能带结构示意图半导体能带结构示意图分布分布分布分布(fnb)(fnb)函数曲线函数曲线函数曲线函数曲线能态密度曲线能态密度曲线能态密度曲线能态密度曲线准费米能级准费米能级准费米能级准费米能级半导体物理学半导体物理学 作图问题作图问题(w
39、nt)第23页/共37页第二十四页，共37页。典型半导体的能带结构典型半导体的能带结构典型半导体的能带结构典型半导体的能带结构半导体的能带结构半导体的能带结构半导体的能带结构半导体的能带结构-价带为满带，价带与紧邻空带间价带为满带，价带与紧邻空带间价带为满带，价带与紧邻空带间价带为满带，价带与紧邻空带间禁带宽度较小；室温下即有电子禁带宽度较小；室温下即有电子禁带宽度较小；室温下即有电子禁带宽度较小；室温下即有电子(dinz)(dinz)从价带跃从价带跃从价带跃从价带跃升至导带：升至导带：升至导带：升至导带：Eg2eV空带（导带）满带（价带）T=0K。.Eg0K第24页/共37页第二十五页，共3
40、7页。SiSi、GeGe的能带结构的能带结构的能带结构的能带结构(jigu)(jigu)（间接带隙）（间接带隙）（间接带隙）（间接带隙）第25页/共37页第二十六页，共37页。GaAsGaAs的能带结构的能带结构的能带结构的能带结构(jigu)(jigu)（直接带隙）（直接带隙）（直接带隙）（直接带隙）第26页/共37页第二十七页，共37页。分布分布(fnb)(fnb)函数曲线函数曲线E01f(E)T0 能态密度(md)曲线0EN(E)第27页/共37页第二十八页，共37页。半导体平衡半导体平衡半导体平衡半导体平衡(pnghng)(pnghng)时能带结构：时能带结构：时能带结构：时能带结构：
41、p型半导体型半导体EvEFEc 处于非平衡态时半导体的准费米处于非平衡态时半导体的准费米(fi m)能级：能级：EFEcEvn型半导体型半导体EFEcEvn型半导体型半导体EFnEFpp型半导体型半导体EvEFEcEFpEFn第28页/共37页第二十九页，共37页。半导体物理学半导体物理学 实验实验(shyn)规律规律费米能级与杂质费米能级与杂质费米能级与杂质费米能级与杂质(zzh)(zzh)浓度和温度的关系浓度和温度的关系浓度和温度的关系浓度和温度的关系费米能级的位置与半导体的导电类型及电子填费米能级的位置与半导体的导电类型及电子填费米能级的位置与半导体的导电类型及电子填费米能级的位置与半导
42、体的导电类型及电子填充能级水平的关系充能级水平的关系充能级水平的关系充能级水平的关系杂质杂质杂质杂质(zzh)(zzh)半导体中载流子浓度与温度的关半导体中载流子浓度与温度的关半导体中载流子浓度与温度的关半导体中载流子浓度与温度的关系系系系杂质杂质杂质杂质(zzh)(zzh)半导体中载流子浓度与杂质半导体中载流子浓度与杂质半导体中载流子浓度与杂质半导体中载流子浓度与杂质(zzh)(zzh)浓度的关系浓度的关系浓度的关系浓度的关系载流子的迁移率与杂质载流子的迁移率与杂质载流子的迁移率与杂质载流子的迁移率与杂质(zzh)(zzh)浓度和温度的浓度和温度的浓度和温度的浓度和温度的关系关系关系关系半导
43、体的电阻率与温度的关系半导体的电阻率与温度的关系半导体的电阻率与温度的关系半导体的电阻率与温度的关系半导体中非平衡载流子的运动图象半导体中非平衡载流子的运动图象半导体中非平衡载流子的运动图象半导体中非平衡载流子的运动图象第29页/共37页第三十页，共37页。第30页/共37页第三十一页，共37页。费米费米(fi m)能级的位置与半导体的导电类型及电子填充能级水平的关系能级的位置与半导体的导电类型及电子填充能级水平的关系第31页/共37页第三十二页，共37页。杂质杂质(zzh)半导体中载流子浓度与温度的关系半导体中载流子浓度与温度的关系第32页/共37页第三十三页，共37页。杂质杂质(zzh)半导体中载流子浓度与杂质半导体中载流子浓度与杂质(zzh)浓度的关系浓度的关系第33页/共37页第三十四页，共37页。第34页/共37页第三十五页，共37页。第35页/共37页第三十六页，共37页。半导体中非平衡半导体中非平衡(pnghng)载流子的运动图象载流子的运动图象第36页/共37页第三十七页，共37页。