半导体物理之名词解释.pdf

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参考答案:
单位电场作用下,载流子获得的平均定向运动速度,反映了载流子在电场作用下的输运能力,
q
是半导体物理中重要的概念和参数之一。迁移率的表达式为:
m*
可见,有效质量和弛豫时间(散射)是影响迁移率的因素。
影响迁移率的主要因素有能带结构(载流子有效质量)、温度和各种散射机构。
neupeu
np

参考答案:
在非平衡状态下,载流子的分布函数和浓度将与热平衡时的情形不同。非平衡状态下的载流
子称为非平衡载流子。将非平衡载流子浓度超过热平衡时浓度的部分,称为过剩载流子。
非平衡过剩载流子浓度:nnn,ppp,且满足电中性条件:np。可以产
00
生过剩载流子的外界影响包括光照(光注入)、外加电压(电注入)等。
npn2
对于注入情形,通过光照或外加电压(如碰撞电离)产生过剩载流子:,对于抽取
i
npn2
情形,通过外加电压使得载流子浓度减小:。
i
、p型半导体
N型半导体:
(如磷),使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了N型半
,自由电子为多子,空穴为少子,
质原子提供,,多子(自由电子)的浓度就越高,导电性能就
越强.
P型半导体:
(如硼),使之取代晶格中硅原子的位子,就形成P型半导
,空穴为多子,自由电子为少子,,
,多子(空穴)的浓度就越高,导电性能就越强.

当N个原子处于孤立状态时,相距较远时,它们的能级是简并的,当N个原子相接近形成
晶体时发生原子轨道的交叠并产生能级分裂现象。当N很大时,分裂能级可看作是准连续:.
的,形成能带。

这是讨论晶体(包括金属、绝缘体和半导体的晶体)中电子的状态及其运动的一种重要的
近似理论。它把晶体中每个电子的运动看成是独立的在一个等效势场中的运动,即是单电
子近似的理论;对于晶体中的价电子而言,等效势场包括原子实的势场、其他价电子的平
均势场和考虑电子波函数反对称而带来的交换作用,是一种晶体周期性的势场。能带理论
就是认为晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子,并且共有化电子是在晶体周期
性的势场中运动;结果得到:共有化电子的本征态波函数是Bloch函数形式,能量是由准
连续能级构成的许多能带。



空穴是未被电子占据的空量子态,代表价带顶附近的电子激发到导带后留下的价带空状
态,是一种为讨论方便而假设的粒子。

半导体中的深能级杂质原子对其价电子的束缚比较紧,则其产生的能级在半导体能带中位
于禁带较深处(即比较靠近禁带中央),故称为深能级杂质。杂质电离能大,施主能级远离
导带底,受主能级远离价带顶。深能级杂质有三个基本特点:
一、是不容易电离,对载流子浓度影响不大。
二、是一般会产生多重能级,甚至既产生施主能级也产生受主能级。
三、是能起到复合中心作用,使少数载流子寿命降低
四、是深能级杂质电离后变为带电中心,对载流子起散射作用,使载流子迁移率减小,导
电性能下降。

在半导体中,如果一个电子从满的价带激发到空的导带上去,则在价带内产生一个空穴,
而在导带内产生一个电子,从而形成一个电子-空穴对。空穴带正电,电子带负电,它们之
间的库仑吸引互作用在一定的条件下会使它们在空间上束缚在一起,这样形成的复合体称
为激子。

对导带中不同能级上所有的电子,看作是处于导带底Ec,密度为Nc的能级上。这里的
Nc就是电子有效能态密度,对于价带中的空穴同理。

费米能级标志电子填充能级的水平。费米能级位于禁带之中(即位于价带之上,导带之
下),费米能级是量子态是否被电子占据的分界线。在热力学温度0K时,能量高于费米能
级的量子态基本是空的,能量低于费米能级的量子态基本上全部被电子所占据。
对于N型半导体费米能级在禁带中央以上;掺杂浓度越大,费米能级离禁带中央越远,越
靠近导带底部:.
对于P型半导体费米能级在禁带中央以下;掺杂浓度越大,费米能级离禁带中央越远,越
靠近价带顶部

1
费米分布:f(E)表示能量为E的能级被电子占据的几率,而1f(E)表示能级被空
EEF
eKT1
穴占据的几率。
、光学波
声学波:基元的整体运动。
光学波:非共价键性化合物基元中原子的相对运动。
声学波:频率较低,接近声波频率。
光学波:1频率较高,与红外光频率相近。
2有偶极矩,可与光波相互作用。

(1)载流子散射的原因:只要是破坏晶格周期性势场,(即能够产生附加势场的因素),
就都是散射载流子的根源。
(2)散射分为:
晶格振动散射,杂质电离散射,还有等能谷散射,中性杂质散射,位错散射等。
(3)杂质电离散射
半导体电离的施主或受主杂质是带电的离子,在他们周围有库伦势场,当载流子从离
子周围通过时,由于库伦势场的作用,载流子会被散射。
3

电离杂质散射pNT2(N是电离杂质浓度),随着温度升高,散射几率变小。
(4)使用条件:低温时比较重要
(5)晶格振动散射
横声学波和横光学波不起作用。
只有长波起作用
长声学纵波:因为纵长声学波会使晶体产生体变——原子分布发生疏密变化,则将导
致禁带宽度随之发生变化,即能带极值在晶体中出现波动,从而使得载流子的势能发生了改
变,即产生了周期性势场之外的附加势场——称为形变势,所以就将散射载流子。
13
Pm*T2

ac
长光学纵波:对于极性晶体(如砷化镓)中的载流子,纵长光学波散射作用较大,因
为这种格波在晶体中会产生局部的极化电场——附加势场。:.
1

Pm*ekT

使用条件:高温时比较重要

电子和空穴通过禁带中的能级(复合中心)复合。
复合中心指的是晶体中的一些杂质或缺陷,他们在禁带中引入离导带底和价带顶都比较远的
局域化能级,即复合中心能级。在间接复合过程中,电子跃迁到负荷中心能级。然后再跃迁
到价带的空状态,使电子和空穴成对消失。换一种说法是复合中心从导带俘获一个电子,再
从价带俘获一个空穴,完成电子与空穴的复合。



公式:空穴的扩散长度LD
ppp
L1/e
含义:是空穴在一边扩散一边复合过程中其浓度减少到时所扩散的距离。
p
它标志着非平衡载流子深入样品的平均距离。扩散长度与非平衡少子的扩散系数和寿命有关
系。

在强电场作用下,半导体中载流子的平均动能显著超过热平衡载流子的平均动能。这种被显
著加热了的载流子称为热载流子。有关现象通常称热电子现象。
所谓热载流子,是指比零电场下的载流子具有更高平均动能的载流子。零电场下,载流子通
过吸收和发射声子与晶格交换能量,并与之处于热平衡状态,其温度与晶格温度相等。在有
电场的作用存在时,载流子可以从电场直接获取能量,而晶格却不能。晶格只能借助载流子
从电场间接获取能量,就从电场获取并积累能量又将能量传递给晶格的稳定之后,载流子的
平均动能将高于晶格的平均动能,自然也高于其本身在零电场下的动能,成为热载流子。
对于MOS器件,由于沟道存在热载流子,将引起陷阱(氧化层陷阱、界面陷阱)产生,导致器
件特性的退化。表现为漏电流减少,跨导减小,及阈值电压漂移等。

在空间电荷中,与电离杂质浓度相比,自由载流子浓度可以忽略,这称为耗尽近似。
:.

是指非平衡载流子中非平衡电子衰减到原来数值的1/e所需的时间。
载流子的寿命与复合率有关,复合率越大,寿命越短。


其中D就是扩散系数,N是载流子密度。
扩散系数与半导体中的密度差异有关。

杂质能级积累非平衡载流子的作用就称为陷阱效应。
陷阱效应是指非平衡载流子落入位于禁带中的杂质或缺陷能级Et中,使在Et上的电子或
空穴的填充情况比热平衡时有较大的变化,从引起Δn≠Δp,(如何没有陷阱存在时,杂
质半导体中产生非平衡载流子的Δn=Δp,如果存在陷阱,一部分非平衡载流子就会落入
陷阱之中,仅仅是落入位于禁带中的杂质或缺陷能级Et中,并没有复合,从而使得Δn≠
Δp)这种效应对瞬态过程的影响很重要。
【间接复合效应是指非平衡载流子通过位于禁带中特别是位于禁带中央的杂质或缺陷能级
Et而逐渐消失的效应,Et的存在可能大大促进载流子的复合;此外,最有效
的复合中心在禁带中央,而最有效的陷阱能级在费米能级附近。一般来说,所有的杂质
或缺陷能级都有某种程度的陷阱效应,而且陷阱效应是否成立还与一定的外界条件有关。】
?平均自由时间与非平衡载流子的寿命又有何不
同?
平均自由程是在连续两次散射之间载流子自由运动的平均路程。而扩散长度则是非平
衡载流子深入样品的平均距离。它们的不同之处在于平均自由程由散射决定,而扩散长
度由扩散系数和材料的寿命来决定。
平均自由时间是载流子连续两次散射平均所需的自由时间,非平衡载流子的寿命是指
非平衡载流子的平均生存时间。前者与散射有关,散射越弱,平均自由时间越长;后者
由复合几率决定,它与复合几率成反比关系。

间隙式扩散和替位式扩散
【Na、K、Fe、Cu、Au在半导体中为间隙式杂质,扩散系数要比替位式杂质大6~7个数
量级,掺入它们会污染器件,导致器件无法使用。】
、齐纳击穿以及,掺杂浓度和禁带宽度对他们的影响
齐纳击穿:在高掺杂的情况下,因耗尽层宽度很小,不大的反向电压就可在耗尽层形成很
强的电场,而直接破坏共价键,使价电子脱离共价键束缚,产生电子—空穴对,致使电流
急剧增大,这种击穿称为齐纳击穿。也称为隧道击穿。齐纳击穿是暂时性的,可以恢复。
齐纳击穿一般发生在低反压、高掺杂的情况下。
雪崩击穿:材料掺杂浓度较低的PN结中,当PN结反向电压增加时,空间电荷区中的电场随
着增强。这样通过空间电荷区的电子和空穴,就会在电场作用下,使获得的能量增大。在
晶体中运行的电子和空穴将不断的与晶体原子发生碰撞,通过这样的碰撞可使束缚在共价:.
键中的价电子碰撞出来,产生自由电子-空穴对。新产生的载流子在电场作用下撞出其他价
电子,又产生新的自由电子和空穴对。如此连锁反应,使得阻挡层中的载流子的数量雪崩
式地增加,流过PN结的电流就急剧增大击穿PN结,这种碰撞电离导致击穿称为雪崩击
穿,也称为电子雪崩现象。
雪崩击穿有正温度系数。而齐纳击穿有负温度系数。可以利用这一点减小温漂。
;这种输运机制的不同,对
器件性能有何影响。
肖特基二极管和PN结二极管具有类似的电流—电压关系,即它们都具有单向导电性;
但前者又具有区别于后者的一下显著特点:
首先,就载流子的运动形式而言,PN结正向导通时,由n区注入p区的电子或由p区注
入n区的空穴,都是少数载流子,它们先形成一定的积累,然后靠扩散运动形成电流。这
样引起电荷存储效应,严重影响pn结的高频性能。而肖特基二极管的正向电流,主要是由
半导体中的多数载流子进入金属形成的。它是多数载流子器件,不存在电荷存储效应。
因此,肖特基二极管比pn结二极管有更好的高频特性。
其次,对于同样的使用电流,肖特基二极管比pn结二极管具有更低的正向导通电压,
。
正因为有以上特点,肖特基二极管在高速集成电路、微波技术等多领域都有很重要的
应用。

欧姆接触指的是它不产生明显的附加阻抗,而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度
发生显著的改变。
是金属-半导体接触的非整流接触,具有线性和对称的电流-电压关系,无整流特性;
电阻很低,压降很小,且在结两边都能形成电流,不会使半导体内部的平衡载流子浓度发
生显著的变化。
欲形成好的欧姆接触,有二个先决条件:
(1)金属与半导体间有低的势垒高度(BarrierHeight)
(2)半导体有高浓度的杂质掺入(N≧10EXP12cm-3)
,使半导体与金属接触时形成很薄的表面耗尽层以至发生隧
道效应,具有较小的接触电阻;
,形成大量的复合中心,使表面耗尽区的复合成为控制电流的主要机
构,降低接触电阻;
。

热电子发射效应:载流子具有足够的热能时,电荷流过势垒的过程。对Ge、Si、
GaAs等有较高载流子迁移率的半导体,它们的肖特基势垒电流输运机构主要是多数载流
子的热发射。特基二极管的正向电流,主要是由半导体中的多数载流子进入金属形成的。
这种电流的载流子靠的就是热电子发射。

又称肖特基效应,金属与半导体接触时由于功函数的不同,在系统达到热平衡之后,在半
导体表面区域产生净电荷。这种净电荷会在金属感应形成镜像电荷,二者形成镜像力,这:.
种镜像力作用引起肖特基势垒降低的现象。

半导体表面由于体内周期场的终止形成不饱和键以及不可避免的沾污,在表面处引起局
域化的电子状态。表面态可以是施主型,也可以是受主型。理想表面是指表面层中原子排
列的对称性与体内原子完全相同,且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面(即晶
体的自由表面)。当一块半导体突然被中止时,表面理想的周期性晶格发生中断,从而导致
禁带中出现电子态(能级),该电子态称为表面态(Tammstate)

真空能级与导带底能量差,即。导带底电子逸出体外所需要的最小能量。

金属与半导体接触,由于其功函数的不同,发生电子转移,从而产生接触电势差。当金属
与半导体紧密接触(间距减小到原子间距)时,整个接触电势差全部降落在半导体表面,
形成表面空间电荷区,使能带发生弯曲,引起半导体表面和内部之间存在电势差,即表面
势。
(高度)
金属-半导体结中从金属到半导体的势垒。

若n型半导体表面存在受主型表面态,它们将从半导体体内夺取电子而带负电,使半导体
表面形成正的空间电荷区即电子势垒。当半导体表面态密度很大时,表面势的变化引起表
面态上的电子数目的变化比势垒区中电子数目的变化大很多倍,屏蔽了与金属接触的影
响,使半导体内的势垒高度与金属功函数几乎无关,完全由表面态为电中性时的费米能级
位置决定,这时的势垒高度被称为高表面态密度钉扎。

简并半导体(degeneratesemiconductor)是杂质半导体的一种,它具有较高的掺杂浓
度,因而它表现得更接近金属。导带中量子态被电子占据(或价带中量子态被空穴占据)的
概率比较大,必须考虑泡利不相容原理的限制。这时玻耳兹曼分布函数不再适用,而必须
应用费米分布函数来分析能带中的载流子统计分布问题。这种情况称为载流子简并化,发
生载流子简并化的半导体称为简并半导体。
①载流子浓度很高
②温度较低
③有效质量m*较小。
Ec-Ef<=0简并
0<Ec-Ef<=
Ec-Ef>:.

工作原理
-霍尔效应联合测量法
利用霍尔系数和电导率的联合测量,可以用来确定半导体的导电类型和载流子浓度。通过
测量霍尔系数与电导率随温度的变化,可以确定半导体的禁带宽度、杂质电离能及迁移率
的温度系数等基本参数。
霍尔效应是一种电流磁效应(如图1)。当半导体样品通以电流Is,并加一垂
直于电流的磁场B,则在样品两侧产生一横向电势差U这种现象称为“霍尔效
H,
应”,U称为霍尔电压,
H
URIB(1)
HS
Hd
则:
RUd
H
(2)
HIsB
R叫做霍尔系数,d为样品厚度。
H
对于P型半导体样品,
R1
Hqp(3)
式中q为空穴电荷电量,p为半导体载流子空穴浓度。
对于n型半导体样品,
R1
H(4)
qn
式中为n电子电荷电量。
对于电子、空穴混合导电的情况,在计算R时应同时考虑两种载流子在磁
H
场偏转下偏转的效果。对于球形等能面的半导体材料,可以证明:
A(pnb2)
R(7)
Hq(pnb)2
b
式中n,μ、μ分别为电子和空穴的迁移率,A为霍尔因子,A的大
pn
p
小与散射机理及能带结构有关。
从霍尔系数的表达式可以看出:由R的符号可以判断载流子的型,正为P
H:.
型,负为N型。由R的大小可确定载流子浓度,还可以结合测得的电导率算出
H
如下的霍尔迁移率μ
H
μ=|R|σ(8)
HH
对于P型半导体μ=μ,对于N型半导体μ=μ
HPHN
霍尔系数R可以在实验中测量出来,表达式为
H
RUd(9)
H
HIsB
式中U、Is、d,B分别为霍尔电势、样品电流、样品厚度和磁感应强度。单位
H
分别为伏特(V)、安培(A),米(m)和特斯拉(T)。但为与文献数据相对应,
一般所取单位为U伏(V)、Is毫安(mA)、d厘米(cm)、B高斯(Gs)、则
H
霍尔系数R的单位为厘米3/库仑(cm3/C)。
H
但实际测量时,往往伴随着各种热磁效应所产生的电位叠加在测量值U上,
H
引起测量误差。为了消除热磁效应带来的测量误差,可采用改变流过样品的电流
方向及磁场方向予以消除。

R与载流子浓度之间有反比关系,当温度不变时,载流子浓度不变,R不
HH
变,而当温度改变时,载流子浓度发生,R也随之变化。
H
实验可得|R|随温度T变化的曲线。
H

在半导体中若有两种载流子同时存在,其电导率σ为
σ=qpu+qnu(10)
Pn
实验中电导率σ可由下式计算出
σ=I/ρ=Il/Uad(11)
σ
式中为ρ电阻率,I为流过样品的电流,U、l分别为两测量点间的电压降和长
σ
度,a为样品宽度,d为样品厚度。
:.

载流子在磁场中受到洛伦兹力的作用而发生偏转,电子或空穴在极板上聚集,从而在两极
板之间出现电势差的效应叫做霍尔效应。

电子亲和能是指真空的自由电子能级与导带底能级之间的能量差,也就是把导带底的电子
拿出到真空去而变成自由电子所需要的能量。
电子亲和能有如下特点:
(1)大多数元素原子的第一电子亲和能是负值,少数是正值。这一点与电离能不同。
(2)第一亲和能值较小,与电离能相比,元素的第一电子亲和能的绝对值要小得多。
(3)第二电子亲和能是正值。这是因为使一个负一价的离子再结合一个电子必须克服负离
子与电子间的静电排斥力,克服排斥力需要吸收能量。

硅的导带极小值发生在<100>,有6个彼此对称的能谷,等能面是旋转椭球面,
旋转轴是<100>轴,
可以表示成

锗的导带极小值发生在<111>方向的布里渊区边界上,有4个彼此对称的能谷,等能面是旋
转椭球面,旋转轴是<111>轴,

简明教程P42
。:.
:.

异质结就是由带隙及折射率都不同的两种半导体材料构成的PN结。同质结就是同一种半导
体形成的结。双异质结是利用不同折射率的材料对光波进行限制,利用不同带隙的材料对
载流子进行限制。拿P-P-N型双异质结激光器来说,注入到“结”界面处的载流子受到异
质结的阻挡,形成很好的侧向限制,产生所谓的超注入现象。这就像是十字路口堵车一
样,这些载流子挤在一块,导致密度显著增加,只要加很小的泵浦电压即可以实现粒子束
反转。而同质结激光器则没有这种情况,它的能带图不像双异质结的那样在“结”处有褶
皱,而是平坦的,载流子不会在“结”处拥堵,密度远小于双异质结在“结”处的载流子
密度。这导致了泵浦时它们阈值电流密度的差异。
:.

耿氏效应(Gunneffect)是1963年,由耿氏()发现的一种效应。当高于临
界值的恒定直流电压加到一小块N型砷化镓相对面的接触电极上时,便产生微波振荡。在N
型砷化镓薄片的二端制作良好的欧姆接触电极,并加上直流电压使产生的电场超过
3kV/cm时,由于砷化镓的特殊性质就会产生电流振荡,其频率可达10^9Hz,这就是耿氏
二极管。这种在半导体本体内产生高频电流的现象称为耿氏效应。
砷化镓的能带结构中,导带有两个能谷,两能谷的能隙为0。36eV。把砷化镓材料置于外
电场中时,外电场的作用使体内电子在能谷之间跃迁,导致其电导率随电场的增加时而增
加,时而减小,从而形成了体内的高频振荡现象。


杂质能级都在禁带中,以N型半导体为例,杂质能级靠近导带,热激发后可以提供电子作
为载流子。但是随着掺杂浓度增加,杂质提供的电子变多,但是每个能级上能够提供的态
密度是一定的,所以杂质能级就会变成一个能带并向导带延伸,如果掺杂浓度足够高,杂
质能带就有可能和导带连在一起了形成一个整体的能带,从而看起来就是禁带宽度变小,
距离为价带到杂质能级的最低能级之差了
当杂质原子增多,原子间的间距减小,电子共有化现象发生。电子之前可以在所有杂质原
子同一能级自由运动,随着原子增多,间距减小,电子可以在所有原子所有能级自由运
动,这就表现为能级分裂,扩展成能带,所以禁带减小。能级分裂的程度与杂质材料和掺
杂浓度有关。当浓度超过一定值后,能级扩展成能带,进一步增加浓度,对能带宽度影响
不大,但是对当中的分裂能级之间的间隔有点影响,影响很小。所以禁带宽度趋于稳定
值。
:.

当杂质的价电子数等于其所替代的主晶格原子的价电子数时,这种杂质称为等电子杂
质.
所谓等电子杂质是与基质晶体原子具有相同数量价电子的杂质,它们替代了格点上的
同族原子后,基本上仍是电中性的。但是由于原子系数不同,这些原子的共价半径和电负
性有差别,因而他们能俘获某种载流子而形成带电中心。这个带电中心就称为等电子陷
阱。只有当掺入原子与基质晶体原子在电负性和共价半径方面具有较大差别时,才能形成
等电子陷阱
51.