1、1.半導體中的電子狀態金剛石與共價鍵（硅鍺IV族）：兩套面心立方點陣沿對角線平移1/4套構而成閃鋅礦與混合鍵（砷化鎵III-V族）：具有離子性，面心立方+兩個不同原子纖鋅礦結構：六方對稱結構（AB堆積）晶體結構：原子周期性排列（點陣+基元）共有化運動：原子組成晶體后，由于電子殼層的交疊，電子不再完全局限在某一個原子上，可以由一個原于轉移到相鄰的原子上去，電子可以在整個晶體中運動。能帶的形成： 組成晶體的大量原子的相同軌道的電子被共有化后，受勢場力作用，把同一個能級分裂為相互之間具有微小差異的極其細致的能級，這些能級數目巨大，而且堆積在一個一定寬度的能量范圍內，可以認為是連續的。能隙（禁帶）的起

2、因：晶體中電子波的布喇格反射周期性勢場的作用。（邊界處布拉格反射形成駐波，電子集聚不同區域，造成能量差）自由電子與半導體的E-K圖：自由電子模型：半導體模型： 導帶底：E(k)>E(0)，電子有效質量為正值；價帶頂：E(k)<E(0)，電子有效質量為負值；能帶越窄，k=0處的曲率越小，二次微商就小，有效質量就越大。正負與有效質量正負有關。空穴：共價鍵上流失一個電子而出現空位置，認為這個空狀態帶正電。波矢為k的電子波的布喇格衍射條件：一維情況（布里淵區邊界滿足布拉格）：第一布里淵區內允許的波矢總數=晶體中的初基晶胞數N每個初基晶胞恰好給每個能帶貢獻一個獨立的k值；直接推廣到三維情況考

3、慮到同一能量下電子可以有兩個相反的自旋取向，于是每個能帶中存在2N個獨立軌道。若每個初基晶胞中含有一個一價原子，那么能帶可被電子填滿一半；若每個原子能貢獻兩個價電子，那么能帶剛好填滿；初基晶胞中若含有兩個一價原子，能帶也剛好填滿。雜質電離：電子脫離雜質原子的的束縛成為導電電子的過程。脫離束縛所需要的能力成為雜質電離能。雜質能級：1）替位式雜質（3、5族元素，5族元素釋放電子，正電中心，稱施主雜質；3族元素接收電子，負電中心，受主雜質。） 2）間隙式雜質（雜質原子小）雜質能帶是虛線，分離的。淺能級雜質電離能：施主雜質電離能 受主雜質電離能雜質補償作用：施主和受主雜質之間的相互抵消作用（大的起作用

4、）雜質高度補償：施主電子剛好能填充受主能級，雖然雜質多，但不能向導帶和價帶提供電子和空穴。深能級雜質：非III，V 族雜質在禁帶中產生的施主能級和受主能級距離導帶底和價帶頂都比較遠。1）雜質能級離帶邊較遠，需要的電離能大。2）多次電離多重能級，還有可能成為兩性雜質。（替位式）缺陷、錯位能級：1）點缺陷：原子獲得能量克服周圍原子的束縛，擠入晶格原子的間隙，形成間隙原子。弗倉克爾缺陷：間隙原子和空位成對出現。肖特基缺陷：只在晶體內形成空位而無間隙原子。 2）位錯（點缺陷，空穴、間隙原子；線缺陷，位錯；面缺陷，層錯、晶粒間界）導體、半導體、絕緣體的能帶：絕緣體：至一個全滿，其余全滿或空（初基晶胞內的

5、價電子數目為偶數,能帶不交疊）2N.金屬：半空半滿半導體或半金屬：一個或兩個能帶是幾乎空著或幾乎充滿以外，其余全滿（半金屬能帶交疊）Si、Ge和GaAs的能帶圖及其相關特性比較共同點：1）都存在一定大小的禁帶寬度，并且禁帶寬度都具有負的溫度系數。（鍺的Eg在邊界處；砷化鎵在中心處，有兩個谷能。） 2）價帶結構基本上相同價帶頂都位于布里淵區中心，并且該狀態都是三度簡并的態。 3）在計入電子自旋后，價帶頂能帶都將一分為二：出現一個二度簡并的價帶頂能帶和一個能量較低一些的非簡并能帶分裂帶。在價帶頂簡并的兩個能帶，較高能量的稱為重空穴帶，較低能量的稱為輕空穴帶 4）在0K時，導帶中完全是空著的（即其中

6、沒有電子），同時價帶中填滿了價電子是滿帶，這時沒有載流子。在0K以上時，滿帶中的一些價電子可以被熱激發（本征激發）到導帶，從而產生出載流子；溫度越高，被熱激發而成為載流子的數目就越多，因此就呈現出所有半導體的共同性質：電導率隨著溫度的升高而很快增大。不同點：Si和Ge是完全的共價晶體，而GaAs晶體的價鍵帶有約30%的離子鍵性質），因此它們的能帶也具有若干重要的差異，這主要是表現在禁帶寬度和導帶結構上的不同 1）不同半導體的鍵能不同，則禁帶寬度不同（GaAs>Si>Ge）造成：(1)本征載流子濃度ni不同；(2)載流子在強電場下的電離率不同；(3)光吸收和光激發的波長不同。 2）因

7、為導帶底（能谷）的狀況不完全決定于晶體的對稱性，則Si、Ge和GaAs的的導帶底狀態的性質以及位置等也就有所不同。 3）導帶底的三維形狀可以采用等能面來反映，因為Si和Ge的多個導帶底都不在k=0處，則它們的等能面都是橢球面；而GaAs的一個導帶底，正好是在k=0處，則其等能面是球面。 4）在強電場下，GaAs與Si、Ge的導帶的貢獻情況有所不同。而Si、Ge的導帶則不存在這種次能谷，也不可能產生負電阻。 5）在價帶頂與導帶底的相互關系上，Si、Ge具有間接躍遷的能帶結構（導帶底與價帶頂不在布里淵區區中的同一點，而GaAs具有直接躍遷的能帶結構（即電子與空穴的波矢基本相同）。3.半導體中載流子

8、的統計分布本征激發：電子從價帶躍遷到導帶，形成導帶電子和價帶空穴。載流子復合：電子從高能級躍遷到低能級，并向晶格釋放能量，從而使導帶的電子和價帶的空穴減少。狀態密度g(E)：能帶中能量E附近單位能量間隔內的量子態數。k空間中的每個最小允許體積元是 即這個體積中只存在一個允 許波矢 （電子態）。k空間的量子態密度（均勻）為： 導帶底的狀態密度： （拋物線） 對于橢球等能面： （硅s6，鍺s4）價帶頂的狀態密度：對于橢球等能面： （重輕空穴）費米能級：當系統處于熱平衡狀態，也不對外界做功的情況下，系統中增加一個電子所引起的系統自由能的變化。費米能級是T=0K時電子系統中電子占據態和未占據態的分界線

9、，是T=0K電子所具有的最高能量。標志了電子填充水平費米分布函數：f(E)表示能量為E的量子態被電子占據的概率，小于費米能級的量子態被占據概率大。（ 空穴的概率為1-f(E) ）玻爾茲曼分布：導帶中的電子濃度和價帶中的空穴濃度 非簡并導帶電子濃度：（Nc導帶有效狀態密度） 簡并時：非簡并價帶空穴濃度：簡并時：載流子濃度積與費米能級無關，只取決于溫度T，與雜質無關。本征半導體載流子濃度 電中性1）和T有關，對于某種半導體材料，T確定，ni也確定。（隨T增大） 2）本征費米能級Ei基本上在禁帶中線處。雜質半導體的載流子濃度與費米分布區別！雜質能級最多容納1個電子（能帶中的能級可以兩個），故要修正！

10、電子占據施主能級的幾率 空穴占據受主能級的幾率 （基態簡并度gD=2，gA=4）電離施主濃度施主能級上的電子濃度（未電離的施主濃度）ND為施主濃度（向導帶激發電子的濃度）受主能級上的空穴濃度（未電離的受主濃度）NA為受主濃度電離受主濃度（向價帶激發空穴的濃度）非補償情形：n型半導體中的載流子濃度（電中性條件和Ef）只要T確定，Ef也隨著確定，n0和p0也確定。不同溫區討論低溫弱電離區：導帶中的電子全部由電離施主提供。本征弱忽略。雜質能級從中線開始變，隨溫度先增后減，有極大值。 中等電離區強電離區（雜質全電離）:載流子濃度飽和！過渡區（強電離區本征激發）:（雜質全電離+部分本征）完全本征激發區:

11、 1）摻有某種雜質的半導體的載流子濃度和費米能級由溫度和雜質濃度決定；2）隨溫度升高，費米能級由雜質能級附近逐漸移近禁帶中線；3）費米能級（電子多少）：強N >弱N >本征（中線）>弱P >強P.電子濃度逐漸升高。補償情形多種施主、多種受主并存：討論：少量受主雜質情況：電中性：低溫弱電離區：強電離區：（全電離無本征）過渡區（考慮本征激發作用）：本征激發區：費米能級Ef在Ec之上，進入導帶（摻雜高或導帶底附近量子基態已被占據）簡并半導體：強電離飽和（重摻雜）簡并時雜質不能充分電離由電中性得： 解得ND的值，（簡并條件ND>>NC，或NA>>NV.）

12、4.半導體的導電性漂移運動：電子在電場力作用下的運動，定向運動的速度為漂移速度。漂移運動和遷移率J電流密度，u電子遷移率，電導率（電阻率的倒數）載流子的電導率與遷移率 在半導體中，兩種載流子，電子的遷移率大些。格波：晶格中原子振動都是由若干不同的基本波動按照波的疊加原理合成，這些基本波動就是格波。彈性散射：散射前后電子能量基本不變。非彈性散射：散射前后電子能量有較大的改變。谷間散射：對于多能谷的半導體，電子可以從一個極值附近散射到另一個極值附近。載流子散射：（載流子晶格振動或電離雜質碰撞） 根本原因：周期性勢場被破壞（附加電場影響）。散射機構： 1）電離雜質中心散射：電離，形成庫侖力勢場，彈性

13、散射。 電離雜質Ni越大，散射概率P越大，溫度越高，概率小。 （T大，平均速度大） 2）晶格振動散射(聲子散射) 長聲學波：彈性散射，縱波影響大 長光學波：非彈性散射，T大，概率大 3）等同的能谷間散射 電子與短波聲子發生作用，同時吸收或發射一個高能聲子，非彈性散射。 4）中性雜質散射重摻雜，低溫起作用 5）缺陷散射（位錯，各項異性，內電場造成） 6）合金散射（不同原子排列造成電場干擾）自由時間：載流子在電場中做漂移運動，只有在連續兩次散射之間的時間內才做加速運動，這段時間為自由時間。平均自由時間：電導率、遷移率與平均自由時間：等能面為橢球： 各向異性電流密度（n型半導體，等能面橫2縱4）幾種

14、散射機構同時存在時：遷移率與雜質濃度和溫度的關系：（平均自由時間也一樣）遷移率隨雜質濃度和溫度變化： 半導體：電離雜質散射+聲學波散射1）低雜質濃度下，隨溫度上升遷移率不斷下降。2）高雜質濃度下，隨溫度增加，先上升后下降。（上圖所示）少數載流子遷移率和多數載流子遷移率： 1）雜質濃度低，多子和少子的遷移率趨近相同。 2）雜質濃度增加，電子與空穴的多子和少子遷移率都單調下降。 3）給定雜質濃度，電子與空穴的少子遷移率均大于同雜質濃度的多子遷移率。 4）少子與多子的遷移率，隨雜質濃度增大差別越大。重摻雜時雜質能級擴展為雜質能帶，導致禁帶變窄，多數載流子運動會被雜質能級俘獲，導致漂移速度降低，遷移率

15、減小。電阻率與雜質濃度關系： 輕摻雜時：電阻率與雜質濃度成簡單反比關系 重摻雜時：雜質不能完全電離，出現簡并，遷移率隨濃度增加而顯著下降。（非線性）電阻率隨溫度變化： 本征半導體：本征載流子濃度隨溫度急劇增加，電阻率下降。 雜質半導體：（雜質電離+本征電離）AB：溫度低，載流子有雜質電離提供，隨溫度上升增大， 散射由雜質電離決定，遷移率隨溫度上升增大，電 阻率減小。 BC：雜質全部電離，部分本征。載流子基本不變，晶格 振動為主，遷移率隨溫度上升而下降，電阻率增大。 CD ：本征激為主，本征載流子增大，電阻率隨溫度下降。熱載流子：載流子的平均能量明顯高于熱平衡時的值。 熱載流子可以在等價或不等價

16、能谷間轉移強電場效應：弱電場：電導率為常數，平均漂移速度與場強成正比，遷移率與電場無關。強電場：偏離歐姆定律，電導率非常數，遷移率隨電場變化。 熱載流子能量比晶格大，散射時，速度大于熱平衡狀態的速度，平均自由時間減少，遷移率下降。平均漂移速度與電場強度關系：負阻效應：能谷1中的電子可以從電場獲取足夠的能量而轉移到能夠2，發生能谷間的散射，電子的準動量有較大的改變，伴隨散射就發射或吸收一個光學聲子，由能谷1進入能谷2的電子（能谷2曲率小，有效質量大，遷移率小），有效質量增加，遷移率降低，平均漂移速度減小，電導率下降，產生負阻效應。5.非平衡載流子非平衡載流子的復合：由于內部作用，使非平衡態恢復到

17、平衡態，過剩載流子逐漸消失。非平衡載流子的壽命：非平衡載流子的平均生存時間。（倒數為復合概率）非平衡載流子濃度與時間關系：準費米能級：非平衡時費米能級不重合，非平衡載流子越多，準費米能級偏離EF就越遠，越接近兩邊。 載流子濃度為偏離程度：復合理論：1）直接復合：電子在導帶和價帶之間直接躍遷，引起電子空穴的直接復合。2）間接復合：電子空穴通過禁帶的能級（復合中心）進行復合。復合時釋放能量：1）發射光子，發光復合或輻射復合； 2）發射聲子，將能量傳給晶格振動； 3）俄歇復合，將能量給予其他載流子。泡利不相容原理：價帶中電子不能激發到導帶中已被電子占據的狀態上去。直接復合： 熱平衡時可以看出，r越大

18、，復合率越大，壽命越短，壽命不僅與平衡載流子濃度有關，還和非平衡載流子濃度有關。（取決于多子）一般禁帶寬度越小，直接復合概率大。電子俘獲率：把單位體積、單位時間被復合中心俘獲的電子數。間接復合： 半導體雜志越多，晶格缺陷越大，非平衡載流子壽命越短。（促進復合）復合中心（雜質或缺陷）四個基本過程：小注入時：強N型半導體：少數載流子空穴俘獲系數決定高阻區：與多數載流子濃度反比強P型半導體：少數載流子決定位于禁帶中線附近的深能級才是最有效復合中心！表面復合：表面處的雜質和缺陷也能在禁帶形成復合中心，間接復合。 較高的表面復合速度，會嚴重影響器件特性。俄歇復合：載流子從高能級向低能級躍遷，發生復合，吧

19、多余能量傳給另一個載流子，是這個載流子被激發到更高的能級上去，當它重新躍遷回到低能級，多余能量常以聲子放出。陷阱效應：雜質能級積累非平衡載流子的作用。（增加少子壽命） 雜質能級與平衡時費米能級重合時，最有利于陷進作用。（接近顯著）擴散定理：非平衡少數載流子空穴的擴散規律。載流子擴散運動：空穴電流：電子電流愛因斯坦關系：代入的：連續性方程：漂移運動和擴散運動同時存在時少數載流子所遵循的運動方程。 N型：丹倍電場的來源：電子與空穴擴散不同步，電子比空穴快；丹倍電場的作用：降低電子擴散，加速空穴擴散，努力使它們同步；6.pn結PN結的形成：1）合金法-突變結 2）擴散法-緩變結 PN結能帶：N區電子

20、費米能級下移，P區空穴費米能級上移，兩者重合。平衡時：p-n結接觸電勢差：電勢差和兩邊的摻雜濃度、溫度、材料的禁帶寬度（ni與寬度反）有關。p-n結的載流子分布：勢壘區中載流子濃度可以忽略，空間電荷密度就等于電離雜質濃度p-n結電流電壓特性：正向電壓：勢壘減小，漂移削弱，擴散增強，繼續向內擴散。（電流分布如右圖）反向電壓：勢壘增大，漂移增強，擴散減弱，少數載流子被電場驅回，內部少子就補充，形成反向電壓下的電子擴散電流和空穴擴散電流。擴散電流小。p-n結能帶圖：p-n結電場電勢：突變結P+N結耗盡區主要在輕摻雜區的一邊理想p-n結J-V關系：1）單向導電性或整流特性 2）溫度影響大，溫度越大，J

21、越大偏離影響：1）表面效應；2）勢壘區產生電流及復合；3）大注入條件；4）串聯電阻效應p-n結電容：勢壘電容：pn結上外電壓的變化，引起電子和空穴在勢壘區的存入和取出作用，導致勢壘區的空間電荷數量隨外加電壓而變化，與電容器充放電相似。擴散電容：由于擴散區的電荷數量隨外加電壓的變化而產生的電容效應。 突變結：勢壘區空間電荷區寬度與濃度成反比 勢壘電容 1）和結的面積以及輕摻雜一邊濃度有關； 2）反向偏壓越大，勢壘電容越小 線性緩變結 等效為平行板電容，都與外加電壓有關。擴散電容(正向偏壓) 隨正電壓按指數關系增長，大的正向偏壓下，擴散電容為主。p-n結的擊穿：1）雪崩擊穿：載流子具很大的動能，與

22、勢壘區晶格原子碰撞，把價鍵上的電子碰撞出來，成為導電電子，同時產生空穴。由于倍增效應，使勢壘區單位時間產生大量載流子，迅速增大反向電流，從而發生擊穿。（雪崩擊穿除了與勢壘中電場強度有關，還和勢壘寬度有關。）2）齊納擊穿：重摻雜，在強電場作用下，由于隧道效應，是大量電子從價帶穿過禁帶而進入到導帶所引起。3）熱電擊穿：反向電流耗損，產生大量熱能，導致結溫上升，由于熱不穩定引起擊穿。負阻：隨電壓的增大電流反而減小的現象。隧道效應：重摻雜，費米能級進入價帶和導帶。 電流=隧道電流+擴散電流1）熱平衡，隧道不通過載流子2） 加小正V，n區電子穿過隧道到p區， 產生正隧道電流p到n。點13）增大正V，勢壘

23、下降，更多電子從n 到p，隧道電流不斷增大。點24）繼續增大V，兩邊能量相同的量子態減小，能穿過的電子減少，出現負阻，隧道電流減少。35）V增加使n導帶底和p價帶頂一樣高，沒有量子態， 不能發生隧道穿通，隧道電流為零，有谷值電流。點46）繼續加大，擴散電壓為主。7）加反向V，p區電子穿到n區，產生反向隧道電流。點57.金屬和半導體接觸金半接觸：金屬功函數半導體接觸電勢差：（費米能級差）（金屬功函數大，電勢差為負值）半導體邊的勢壘高度：（費米能下降）金屬邊的勢壘（肖特基）高度 金屬與n型半導體接觸：1）若Wm>Ws，表面形成正電荷空間，電場由體內指向表面，Vs<0，表面電子能量高，能

24、帶向上彎曲，形成表面勢壘，表面電子濃度小，高阻區域，稱為阻擋層。（高阻，整流）2）若Wm<Ws，電子由金屬流向半導體，半導體表面形成負空間電荷區，電場由表面指向體內，Vs>0，能帶下彎，表面電子濃度高，是一個高導區域，為反阻擋層。（低阻，歐姆）！（電子由費米能級高的流向費米能級低的，直到兩者費米能級一樣高）金屬與n型半導體接觸：1）若Wm>Ws，能帶上彎，形成p型反阻擋層。2）若Wm<Ws，能帶下彎，造成空穴勢壘，形成p型阻擋層。表面態的影響（釘扎）：表面態在三分之一的禁帶處（費米能級釘扎）表面能級以上基本被電子占據，帶負電；表面態能態密度高，能態海洋，可以完成所有交換

25、；半導體勢壘高度與金屬功函數基本無關；即使Wm< Ws，阻擋層依然存在。 半導體的功函數增大：金半接觸的整流理論：1）處于平衡狀態的阻擋層中沒有凈電流，電子動態平衡。2）外加正電壓，勢壘下降，正向電流增大。3）外加反向電壓，勢壘增大，半導體到金屬的電子減少，金屬流向半導體的電子占優勢，形成反向電流。 p型阻擋層相反：加正向電壓，形成反向電流；加負壓，形成半導體流向金屬的正向電流。厚阻擋層：當勢壘的寬度比電子的平均自由程大得多，電子通過勢壘區要發生多次碰撞，這樣的阻擋層稱。擴散理論：適用于勢壘寬度>>電子平均自由程。熱電子發射理論：適用于勢壘寬度<<電子平均自由程（

26、無碰撞）鏡像力和隧道效應：對反向特性的影響特別顯著，引起勢壘高度降低，反向電流增加，隨反向電壓的提高，降低更加顯著。少數載流子的注入：擴散效率越高，少數載流子對電流貢獻越大。（正壓）歐姆接觸：一種金屬與半導體的接觸，它不產生明顯的附加阻抗，而且不會使半導體內部的平衡載流子濃度發生顯著的改變。（重摻雜）8.半導體表面與MIS結構達姆表面能級：晶體自由表面的存在使其周期場在表面處發生中斷，引起附加能級。理想表面：表面層中原子排列的對稱性與體內原子完全相同，且表面上不附著任何原子或分子的半無限晶體表面。表面態：電子被局限在表面附近，這種電子狀態。 每個表面原子在禁帶中對應一個表面能級，表面能級組成表

27、面能帶。表面電場效應：MIS結構實際上就是個電容表面勢Vs：空間電荷層兩端的電勢差，表面比內部高為正三種狀態： 1）多數載流子堆積狀態（p型半導體） 加負壓，表面勢為負，半導體表面層出現空穴堆積帶正電。 2）多數載流子耗盡 加正壓，表面勢為正，半導體表面層空穴濃度低，耗盡。 3）少數載流子的反型狀態 增大正向電壓，表面處電子濃度超過空穴，形成與原來半導體襯底導電類型相反的一層，叫反型層。負電荷：1耗盡層中已電離的受主負電荷，2反型層中的電子。對于n型半導體：加正壓，表面電子堆積；加負壓，表面電子耗盡；加大負壓，形成少數載流子空穴堆積的反型層。表面空間電荷區五種基本狀態（p型為例）1）多子堆積狀

28、態2）平帶狀態（表面能帶不彎曲）3）耗盡狀態4）反型狀態 強反型表面處少子濃度開始超過體內多子濃度 表面電場增加，耗盡層增加，強反型達到最大值。5）深耗盡狀態從深耗盡到熱平衡反型層態所需的熱馳豫時間MIS結構的C-V特性 理想MIS電容的CV特性（p型） 氧化層完全絕緣； 氧化層中不存在任何電荷； 在氧化層與半導體界面上無界面態； 忽略金屬與半導體的接觸電勢差； 1）低頻情況(10100 Hz)2）高頻情況(104106Hz)1。反型層中電子的產生與復合跟不上高頻 信號的變化，即反型層中電子的數量不能隨高頻信號而變。此時，反型層中的電子對電容沒有貢獻。2。QS的變化只能靠耗盡層的電荷變化實現，

29、強反型時耗盡層已達最大厚度。 3）深耗盡情況 (快速CV掃描)實際MIS電容的CV特性 1）金半接觸電勢差的影響 2）絕緣層中電荷的影響10.半導體的光學性質及光電效應本征吸收：半導體價帶中的電子吸收足夠能量的光子使電子激發，越過禁帶躍遷入導帶，在價帶中留下空穴，形成電子-空穴對。本征吸收條件：光子能量必須等于或大于禁帶寬度Eg（最低限度光子能量），即本征吸收限：當角頻率低于0或波長大于0時，不發生本征吸收，吸收系數迅速下降，這種吸收迅速下降的特定波長0或特定頻率0，為半導體的本征吸收限（=2/）計算公式： 躍遷的選擇定則：電子吸收光子產生躍遷時波矢保持不變（電子能量增加）。直接躍遷：兩點位于

30、E(k)曲面同一垂直線。（拋物線）直接帶隙半導體：導帶極小值和價帶極大值對應同一波矢。直接光吸收系數與光子能量：間接帶隙半導體：導帶極小值和價帶極大值并不對應同一波矢。間接躍遷：電子不僅吸收光子，同時還和晶格交換能量，即放出或吸收一個聲子。間接光吸收系數（間接比直接躍遷的吸收系數小）：博斯坦移動：本征吸收的長波限要向短波方向移動。費朗茲-克爾德什效應：強電場的作用下，本征吸收的長波限將向長波方向移動。其他吸收：1）激子吸收：吸收光子不足以引起價帶電子直接激發到導帶而成為自由電子。（激子空穴相束縛，受庫侖力，不形成電流）2）自由載流子吸收：入射光子頻率不夠高，不足以引起電子從帶到帶的躍遷或形成激

31、子，存在吸收。自由載流子在同一帶內的躍遷。（伴隨吸收發射聲子） 3）雜質吸收： 束縛在雜質能級上的電子或空穴也能引起光的吸收，電子躍遷到導帶，空穴到價帶。 （隨光子能量增加，吸收系數下降，因低于價帶頂，躍遷概率下降） 4）晶格振動吸收： 光子能量轉換為晶格振動能量。半導體光電導：光吸收使載流子濃度增加，附加光電導。 一般只有一種光生載流子起作用，一般為多子。量子額度：每吸收一個光電子產生的電子-空穴對數。定態光電導：恒定光照下產生光電導電子濃度線性增加，一段時間后達到穩定，產生率等于復合率。弛豫現象：在光照下的光電導逐漸上升和光照停止后光電導逐漸下降的現象。 1）小注入光生載流子濃度按指數增長

32、，最終到達定態。光照結束后， 光電導和濃度有同樣上升下降關系。 2）強注入（弛豫過程比較復雜）光電導靈敏度：單位光照度所引起的光電導 要求靈敏度高（濃度ns大），弛豫時間短（長慢，短快）。光電導增益：光電導效應的增強 與光電子壽命，遷移率，兩電極距離有關復合與陷進效應：1）少數載流子陷進效應增大了自由非平衡電子的壽命，使光電導明敏度增大。 2）多數載流子陷進增長光電導上升和下降的弛豫時間，取決陷進深度。光生伏特效應：當用適當的光照射非均勻半導體（pn結）時，由內電場作用，半導體內部產生電動勢，這種由內電場引起的光電效應。（研究少數載流子運動）pn結的光生伏特效應：光生少流子運動，是P端電勢升高

33、，n端電勢降低，產生光生電動勢相當于pn接兩端加正向電壓（勢壘降低）。光電池的電流電壓：3電流，光生電流IL（N-P方向），pn結正向電流IF，外電流 負載：隨光強增大，Voc最大達到結勢壘。 電流線性增長，電壓指數增長。半導體發光：電子從高能級向低能級躍遷，伴隨著發射光子（光輻射釋放能量）。 （系統必須處于非平衡狀態）輻射躍遷：電子從高能級向低能級躍遷，必定釋放一定的能量，發射光子。 三種：1）有雜質或缺陷參與的躍遷 2）帶與帶之間的躍遷 3）熱載流子在帶內的躍遷本征躍遷（帶與帶之間的躍遷）：導帶的電子躍遷到價帶，與價帶空穴復合，伴隨著發射光子。 直接帶隙半導體：直接躍遷，效率高 間接帶隙半

34、導體：間接躍遷，發光微弱非本征躍遷：電子從導帶躍遷到雜質能級，或雜質能級上的電子躍遷入價帶，或電子在雜質能級之間的躍遷，都可以引起發光。 （施主與受主雜質之間的躍遷，效率高，發光二極管多屬）俄歇過程（非輻射）：電子從高能級向低能級躍遷時，可以將多余的能量傳給第三個載流子，使其受激發躍遷到更高能級。 復合時，也可以將能量轉化為晶格振動，伴隨發射聲子的無輻射復合過程發光效率：電致發光激發機構：1）pn結注入發光 加正電壓，勢壘減小，擴散大，非平衡少數載流子不斷與多數載流子復合發光（輻射復合。） 2）異質結注入發光 提高少數載流子注入效率半導體激光自發輻射：不受外界因素作用，原子自發地從激發態回到基

35、態引起的光子發射過程。（激發態不穩定） 光輻射隨機受激輻射：在光輻射的刺激下，受激原子從激發態向基態躍遷的輻射過程。 （光輻射與入射光輻射完全相同）光量子放大：由系統發射的某能量的光子數大于進入系統的同樣能量的光子數粒子數反轉：處于激發態（高能級）的原子數大于處于基態（低能級）的原子數。（分布反轉）受激輻射超過吸收條件：pn結激光器（激光二極管） 1）注入機構（重摻雜） 載流子的抽運（泵）：由外界輸入能量，使電子不斷激發到高能級。 形成分布反轉區（導帶電子濃度和價帶空穴濃度很高） 2）激光產生 非平衡電子-空穴復合，釋放光子，引起其他電子-空穴受激輻射，產生更多光子。 3）共振腔（反射）閾值：

36、增益等于損耗是的注入電流密度。 光譜：低于閾值電流時，輻射主要是自發輻射，譜線寬，隨電流增大，受激輻射增強，譜線變窄。接近閾值電流，譜線出現一系列峰值。激光形成條件：11.半導體的熱電性質賽貝克效應：當兩個不同導體兩端相接，組成閉合線路，如兩個接頭具有不同溫度，則線路中便有電流，這種電流稱為溫差電流，環路組成溫差電偶，產生溫差電動勢。珀耳貼效應：兩個不同半導體連接后通以電流，在接頭處便有吸熱或放熱現象。湯姆遜效應：當存在溫度梯度的均勻導體中通有電流時，導體中除了產生和電阻相關的焦耳熱外，還要吸收或放出熱量。一種載流子的絕對溫差電動勢率： n型半導體 （電場熱到冷） p型半導體 （電場冷到熱）兩

37、種載流子的絕對溫差電動勢率： 兩種材料的溫差電動勢率：1）具不同雜質濃度的同一種材料（n型半導體） 2）具不同雜質濃度的同一種材料（p型半導體） 3）金屬-半導體 金屬載流子濃度不隨溫度變化，費米能級基本不變。溫差電動勢率小。半導體的熱導率： 1）晶體的熱傳導可以通過載流子，也可以通過晶格的熱振動，即通過聲子。 2）金屬的熱傳導主要通過電子運動。3）絕緣體的熱傳導依靠格波傳播，即聲子的運動。載流子對熱傳導貢獻： 一種載流子：溫度梯度>載流子>高溫端>低溫端 兩種載流子：溫度梯度>電子空穴>電子擴散大于空穴>產生電場>兩者一同運動>雙極擴散>

38、復合>載流子不斷減少>釋放能量 激子的產生、運動和復合，將能量由高溫處傳向低溫處。聲子對傳導貢獻： 半導體中熱傳導絕大部分是聲子貢獻，即晶格振動。（擴散、碰撞、非線性）9.半導體異質結構同質結：由同種半導體單晶材料組成的結。異質結：由不同種半導體單晶材料組成的結。 1）反型異質結：導電類型相反 2）同型異質結：導電類型相同 1）突變型異質結（界面過渡窄） 2）緩變型異質結（界面過渡長）突變型異質結能帶圖p型接收界面電子，耗盡遠離費米能級，下翹n型給界面電子，遠離費米能級，上翹12.半導體磁和壓阻效應霍爾效應：當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會

39、產生一個橫向電場，出現電勢差。一種載流子的霍爾效應： 橫向電場與洛倫茲力相抵消，達到穩態 P型半導體 n型半導體 霍爾角： 考慮速度統計分布兩種載流子的霍爾效應： 空穴和電子都包含兩股電流，總電流為零。磁阻效應：在于電流垂直的方向加磁場后，沿外加電場方向的電流密度有所下降，即半導體電阻增大。（材料電阻率隨磁場增大）壓阻效應：對半導體施加應力時，半導體的電阻率要發生變化。單軸應力：最簡單的形變是沿某一方向進行縱向拉伸或壓縮。液體凈壓強作用下的效應： 1）晶格間距減小，禁帶寬度發生變化，對于本征半導體，濃度發生較大變化，電導率改變。（本征濃度降低，電導率減少） 2）鍺和砷化鎵隨壓強增大，禁帶寬度增

40、大，而硅隨壓強增大，禁帶降低。單軸拉伸或壓縮下的效應： 1）對稱性發生改變，各項異性，能帶結構發生變化2）遷移率的改變對電導率的影響名詞解釋共有化運動：原子組成晶體后，由于電子殼層的交疊，電子不再完全局限在某一個原子上，可以由一個原于轉移到相鄰的原子上去，電子可以在整個晶體中運動。布里淵區：晶體中電子的所有運動狀態都可以由K空間一個有限區域描述。費米能級：當系統處于熱平衡狀態，也不對外界做功的情況下，系統中增加一個電子所引起的系統自由能的變化。費米能級是T=0K時電子系統中電子占據態和未占據態的分界線，是T=0K電子所具有的最高能量。標志了電子填充水平陷阱效應：雜質能級積累非平衡載流子的作用。擴散電容：由于擴散區的電荷數量隨外加電壓的變化所產生的電容效應。光生伏特效應：半導體在受到光照射時，光生少數載流子的運動，使P端電勢升高，n端電勢降低，產生光生電動勢（相當于pn結兩端加正向電壓，勢壘降低）。非平衡載流子：處于非平衡狀態的半導體，可以比平衡狀態多出一部分。比平衡狀態多出來的這部分載流子稱為非平衡載流子。遷移率：單位電場強度載流子平均漂移速度。雜質電離：電子脫離雜質原子的的束縛成為導電電子的過程。雜質補償作用：施主和受主雜質之間的相互抵消作用。雜質高度補償：施主電子剛好能填充受主能級，雖然雜質多，但不能向導帶和價帶提供電子和空穴。點缺陷：原子獲