半導體物理復習資料(修訂版)總結：王釗 -PAGE6- 和諧無機和美三班歡迎提出寶貴意見半導體物理復習資料(修訂版)寫在前面的話：根據金老師的最新答疑課程，對上一版的復習資料進行修訂與完善，僅供參考，具體內容請以教材為準。所涉及的知識是根據第七版《半導體物理學》標注的，與第四版的有所不同。第一章半導體中的電子狀態1.導體、半導體、絕緣體的劃分：Ⅰ導體內部存在部分充滿的能帶，在電場作用下形成電流；Ⅱ絕緣體內部不存在部分充滿的能帶，在電場作用下無電流產生；Ⅲ半導體的價帶是完全充滿的，但與之上面靠近的能帶間的能隙很小，電子易被激發到上面的能帶，使這兩個能帶都變成部分充滿，使固體導電。2.電子的有效質量是，空穴的有效質量是；，電量等值反號，波矢與電子相同能帶底電子的有效質量是正值，能帶頂電子的有效質量是負值。能帶底空穴的有效質量是負值，能帶頂空穴的有效質量是正值。3.半導體中電子所受的外力的計算。4.引進有效質量的意義：概括了半導體內部勢場的作用，使得在解決半導體中電子在外力作用下的運動規律時，可以不涉及半導體內部勢場的作用。第二章半導體中雜質和缺陷能級1.施主能級：被施主雜質束縛的電子的能量狀態稱為施主能級ED；施主能級很接近于導帶底；受主能級：被受主雜質束縛的空穴的能量狀態稱為受主能級EA；受主能級很接近于價帶頂。施主能級圖受主能級圖2.淺能級雜質：雜質的電離能遠小于本征半導體禁帶寬度的雜質，電離后向相應的能帶提供電子或空穴。深能級雜質：能級位于禁帶中央位置附近，距離相應允帶差值較大。深能級雜質起復合中心、陷阱作用；淺能級雜質起施主、受主作用。3.雜質的補償作用：半導體中同時含有施主和受主雜質，施主和受主先相互抵消，剩余的雜質發生電離。在Ⅲ-Ⅴ族半導體中(Ga-As)摻入Ⅳ族雜質原子(Si)，Si為兩性雜質，既可作施主，亦可作受主。設，；則由，可得p值；①時，近似認為本征半導體，；②時，本征電導；時，雜質能級靠近導帶底；第三章半導體中載流子的統計分布1.費米分布函數(簡并半導體)(本征)；(雜質)；玻爾茲曼分布函數(非簡并半導體)；2.費米能級：；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系統自由能的變化，等于系統的化學勢，也就是等于系統的費米能級。費米能級的位置：本征半導體的費米能級位于本征能級(禁帶寬度的一半)上，根據雜質離子的不同，費米能級的位置有所不同；3.由得到本征半導體載流子濃度乘積：；4.n型雜質半導體在低溫弱電離區的費米能級的推導：低溫下，導帶中的電子全部由電離施主雜質提供，此時p0=0，，故電中性條件：；由得：，因此：；取對數并化簡得：；它與溫度、雜質濃度以及摻入何種雜質原子有關。在低溫極限T→0K時，；故；即在低溫極限T→0K時，費米能級位于導帶底和施主能級間的中線處。此外，還需會計算相關電子濃度，及費米能級的位置等。5.有一半導體，，；已知：，；解：①，故半導體1為p型半導體；，故半導體2為本征半導體；②已知：；；，求的關系(費米能級相對本征能級的位置)。第四章半導體的導電性1.載流子散射的概念：所謂自由載流子，實際上只在兩次散射之間才真正是自由運動的，其連續兩次散射間自由運動的平均路程稱為平均自由程，而平均時間稱為平均自由時間。2.半導體的主要散射機構：Ⅰ電離雜質的散射；Ⅱ晶格振動的散射：①聲學波散射；②光學波散射；Ⅲ其他因素引起的散射：①等同的能谷間散射；②中性雜質散射；③位錯散射；④合金散射；3.平均自由時間與散射概率之間關系式的推導：設有N個電子以速度v沿某方向運動，N(t)表示在t時刻尚未遭到散射的電子數，按散射概率的定義，在t到（t+Δt）時間內被散射的電子數為；∴∴；解微分方程：；其中N0是t=0時未遭散射的電子數；∴t到（t+Δt）時間內被散射的電子數為；∴平均自由時間；等于散射概率的倒數。4.電阻率與溫度的關系曲線：AB段：溫度很低，本征激發可忽略，載流子主要由雜質電離提供，它隨溫度升高而增加；散射主要由電離雜質決定，遷移率也隨溫度升高而增大，所以，電阻率隨溫度升高而下降。BC段：溫度繼續升高，雜質已全部電離，本征激發還不十分顯著，載流子基本上不隨溫度變化，晶格振動散射上升為主要矛盾，遷移率隨溫度升高而降低，所以，電阻率隨溫度升高而增大。C段：溫度繼續升高，本證激發很快增加，大量本征載流子的產生遠遠超過遷移率減小對電阻率的影響，這時，本證激發成為矛盾的主要方面，雜質半導體的電阻率將隨溫度的升高而急劇地下降，表現出同本征半導體相似的特征。電阻率與溫度關系曲線曲線趨勢原因載流子濃度變化AB段下降趨勢雜質激發載流子濃度增加BC段上升趨勢晶格散射載流子濃度不變C段下降趨勢半導體本征激發第五章非平衡載流子1.非平衡載流子的壽命：是指非平衡載流子的平均生存時間，用τ表示；2.非平衡載流子的壽命的推導：假定一束光在一塊n型半導體內部均勻地產生非平衡載流子和，在t=0時，光照突然停止，的變化應等于非平衡載流子的復合率：；小注入時，是一恒量，與無關，上述微分方程的通解為：；當t=0時，，得，則；非平衡載流子的復合率：通常把單位時間單位體積內凈復合消失的電子-空穴對數。3.推導在小注入條件下，當溫度和摻雜一定時，壽命是一個常數：。熱平衡時，產生率等于復合率，n=n0，p=p0；此時；∴非平衡載流子的直接凈復合率；由，，得：；∴非平衡載流子的壽命小注入條件下，即，；n型材料，即，當時，4.深能級的最有效位置是禁帶的中央；5.俄歇復合：載流子從高能級向低能級躍遷，發生電子-空穴復合是，把多余的能量傳給另一個載流子，使這個載流子被激發到能量更高的能級上去，當它重新躍遷回低能級時，多余的能量以聲子形式放出，這種復合稱為俄歇復合。6.陷阱效應：雜質能級積累非平衡載流子的作用稱為陷阱效應；把具有顯著陷阱效應的雜質能級稱為陷阱；把相應的雜質和缺陷稱為陷阱中心。最有效的深能級在費米能級上；7.漂移運動的作用場是電場——遷移率；擴散運動的作用場是濃度場——擴散系數；遷移率與散射有關；8.愛因斯坦方程的推導：一塊處于熱平衡狀態的非均勻的n型半導體，其中施主雜質濃度隨x增加而下降，電子和空穴濃度都是x的函數，設為n0(x)，p0(x)；由于濃度梯度的存在，必然引起載流子沿x方向的擴散，電子擴散產生的電流密度為，空穴擴散產生的電流密度為；半導體內的靜電場又產生漂移電流：，；熱平衡條件下：，；；又，；求導得：；(對電子)；(對空穴)第六章p-n結1.p-n結的能帶圖：n、p型半導體的能帶平衡狀態p-n結能帶圖2.外加正向偏壓時p-n結勢壘的變化:3.p-n結中載流子及電流的運動形式：電子的擴散運動方向←空穴的擴散運動方向→電子的漂移運動方向→空穴的漂移運動方向←擴散電流方向→漂移電流方向←第十章半導體的光學性質和光電與發光現象1.直接躍遷：為了滿足選擇定則，以使電子在躍遷過程中波矢保持不變，則原來在價帶中狀態A的電子只能躍遷到導帶中的狀態B。A與B在E(k)曲線上位于同一垂線上，這種躍遷稱為直接躍遷；間接躍遷：除了吸收光子外還與晶格交換能量的非直接躍遷，也稱間接躍遷。4.光生伏特效應：由內建場引起的光電效應；p-n結能帶圖：無光照光照激發6.半導體發光：電子從高能級向低能級躍遷，伴隨著發射光子的現象；場致發光(電致發光)：是由電流(電場)激發載流子，是電能直接轉變為光能的過程。7.內部量子效率：單位時間內輻射復合產生的光子數與單位時間內注入的電子-