【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 能級(jí),使少數(shù)載流子壽命降低(在第五章詳細(xì)討論).四是深能級(jí)雜質(zhì)電離后以為帶電中心,對(duì)載流子起散射作用,使載流子遷移率減少,導(dǎo)電性能下降.◆基本要求:掌握淺能級(jí)雜質(zhì)和深能級(jí)雜質(zhì)的基本特點(diǎn)和在半導(dǎo)體中起的作用,特別注意金在硅中既有施主能級(jí)又有受主能級(jí),它是有效的復(fù)合中心.167。 化合物半導(dǎo)體中底雜質(zhì)能級(jí) ◆本節(jié)內(nèi)容: 雜質(zhì)在砷化鎵中的存在形式各類雜質(zhì)在砷化鎵,磷化鎵中的雜質(zhì)能級(jí).◆課程重點(diǎn):四族元素硅在砷化鎵中的雙性行為,即硅的濃度較低時(shí)主要起施主雜質(zhì)作用,當(dāng)硅的濃度較高時(shí),:實(shí)驗(yàn)測(cè)得硅在砷化鎵中引入一淺施主能級(jí)()ev,硅應(yīng)起施主作用,那么當(dāng)硅雜質(zhì)電離后,每一個(gè)硅原子向?qū)峁┮粋€(gè)導(dǎo)電電子,當(dāng)硅雜質(zhì)濃度上升到一定程度之后,導(dǎo)帶電子濃度趨向飽和,是因?yàn)樵诠桦s質(zhì)濃度較高時(shí),硅原子不僅取代鎵原子起著受主雜質(zhì)的作用,而且硅也取代了一部分v族砷原子而起著受主雜質(zhì)的作用,因而對(duì)于取代ⅲ族原子鎵的硅施主雜質(zhì)起到補(bǔ)償作用,從而降低了有效施主雜質(zhì)的濃度,在這個(gè)粒子中,硅雜質(zhì)的總效果是起施主作用,砷化鎵單晶體中硅雜質(zhì)濃度為時(shí),:()ev處.◆課程難點(diǎn):無◆基本概念:等電子陷阱和等離子雜質(zhì)在某些化合物半導(dǎo)體中,例如磷化鎵中摻入v族元素氮或鉍,它們替代了格點(diǎn)上的同族原子后,這些原子的共價(jià)半徑和電負(fù)性有差別, 只有當(dāng)摻入原子與基質(zhì)晶體原子在電負(fù)性,共價(jià)半徑方面有較大差別時(shí),同族元素原子序數(shù)越小,電負(fù)性越大,取代后,,=,鉍取代磷后能俘獲空穴,它的電離能是=.◆基本要求:.167。 半導(dǎo)體中的缺陷能級(jí)(defect levels)◆本節(jié)內(nèi)容: 點(diǎn)缺陷(熱缺陷)point defects/thermaldefects 點(diǎn)缺陷的種類: 弗侖克耳缺陷:原子空位和間隙原子同時(shí)存在 肖特基缺陷:晶體中只有晶格原子空位 間隙原子缺陷:只有間隙原子而無原子空位 點(diǎn)缺陷(熱缺陷)特點(diǎn): 熱缺陷的數(shù)目隨溫度升高而增加熱缺陷中以肖特基缺陷為主(即原子空位為主).原因:三種點(diǎn)缺陷中形成肖特基缺陷需要的能量最小.(可參閱劉文明《半導(dǎo)體物理學(xué)》p70～p73,或葉良修《半導(dǎo)體物理學(xué)》p24和p94)淬火后可以凍結(jié),經(jīng)高溫加工(如擴(kuò)散) 點(diǎn)缺陷對(duì)半導(dǎo)體性質(zhì)的影響: 缺陷處晶格畸變,周期性勢(shì)場(chǎng)被破壞,在半導(dǎo)體中起復(fù)合中心作用,對(duì)載流子有散射作用,(dislocation) 位錯(cuò)形成原因 位錯(cuò)種類:刃位錯(cuò)(橫位錯(cuò))和螺位錯(cuò) : 位錯(cuò)線上的懸掛鍵可以接受電子變?yōu)樨?fù)電中心,表現(xiàn)為受主。懸掛鍵上的一個(gè)電子也可以被釋放出來而變?yōu)檎娭行?此時(shí)表現(xiàn)為施主,即不飽和的懸掛鍵具有雙性行為,可以起受主作用,導(dǎo)致能帶變形 位錯(cuò)線影響雜質(zhì)分布均勻性位錯(cuò)線若接受電子變成負(fù)電中心,對(duì)載流子有散射作用.(第四章)影響少子壽命,原因:一是能帶變形,禁帶寬度減小,有利于非平衡載流子復(fù)合。二是在禁帶中產(chǎn)生深能級(jí),促進(jìn)載流子復(fù)合.(第五章)偏離化學(xué)比缺陷:離子晶體或化合物半導(dǎo)體,由于組成晶體的元素偏離正?；瘜W(xué)比而形成的缺陷.◆課程重點(diǎn):點(diǎn)缺陷和位錯(cuò)對(duì)半導(dǎo)體性能的影響(參閱本節(jié)內(nèi)容).◆課程難點(diǎn):無.◆基本要求:: ,施主能級(jí)分別位于價(jià)帶之上或?qū)е?而且電離能的數(shù)值較小,硅中摻入ⅲ族或ⅴ族元素后,為什么使半導(dǎo)體電性能有很大的改變 雜質(zhì)半導(dǎo)體(p型或n型)應(yīng)用很廣,但為什么我們很強(qiáng)調(diào)對(duì)半導(dǎo)體材料的提純,雜質(zhì)的電離能和軌道半徑是否不同 把同一種雜質(zhì)摻入到不同的半導(dǎo)體材料中(例如鍺和硅),雜質(zhì)的電離能和軌道半徑又是否都相同 它們電離以后有說明特點(diǎn) 什么叫高度補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體 雜質(zhì)補(bǔ)償有何實(shí)際應(yīng)用第三章 半導(dǎo)體中熱平衡載流子的統(tǒng)計(jì)分布引言: 本章的主要任務(wù):計(jì)算本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體的熱平衡載流子濃度及費(fèi)米能級(jí)的位置,討論，與，:在一定溫度下,如果沒有其它外界作用半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子和空穴是依靠電子的熱激發(fā)作用而產(chǎn)生的,電子從不斷熱震動(dòng)的晶格中獲得一定的能量,就可能從低能量的量子態(tài)躍遷到高能量的量子態(tài),例如,電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶(這就是本征激發(fā)),當(dāng)電子從施主能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)帶電子。,還存在著相反的過程,即電子也可以從高能量的量子態(tài)躍遷到低能量的量子態(tài),并向晶格放出一定能量,從而使導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴不斷減少,這兩個(gè)相反的過程之間將建立起動(dòng)態(tài)的平衡,半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子濃度和空穴濃度都保持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值,破壞了原來的平衡狀態(tài),又重新建立起新的平衡狀態(tài),熱平衡載流子的濃度也將發(fā)生變化,:熱平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡,載流子在各個(gè)能級(jí)之間躍遷,是首先要解決下述問題: ①回顧幾率的概念及幾率的運(yùn)算法則載流子在允許的量子態(tài)上的分布函數(shù)(幾率函數(shù))允許的量子態(tài)按能量如何分布——能量狀態(tài)密度g(e)載流子在允許的量子態(tài)中如何分布 然后討論，～，t的關(guān)系167。 載流子的統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)及能量狀態(tài)密度(說明:本節(jié)內(nèi)容對(duì)講義167。167。)◆本節(jié)內(nèi)容: 幾率的基本運(yùn)算法則(簡(jiǎn)要回顧加法和乘法)分布函數(shù) maxwell速率分布函數(shù) boltzmann能量分布函數(shù) 費(fèi)米(fermi)分布函數(shù)能量狀態(tài)密度 k空間的狀態(tài)密度 導(dǎo)帶和價(jià)帶能量狀態(tài)密度 ◆課程重點(diǎn): 費(fèi)米分布函數(shù)的意義:它表示能量為e的量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率,它是描寫熱平衡狀態(tài)下電子在允許的量子態(tài)上如何分布的一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)。費(fèi)米分布函數(shù)還給出空穴占據(jù)各能級(jí)的幾率,一個(gè)能級(jí)要么被電子占據(jù),否則就是空的,即被空穴占據(jù), 與對(duì)稱于 可以證明:: 當(dāng)時(shí),則,當(dāng)時(shí) ,最常遇到的情況是費(fèi)米能級(jí)位于價(jià)帶內(nèi),而且與導(dǎo)帶底或價(jià)帶頂?shù)木嚯x遠(yuǎn)大于,所以,對(duì)導(dǎo)帶中的所有量子態(tài)來說,被電子占據(jù)的幾率,一般都滿足,f(e)迅速減小,對(duì)半導(dǎo)體價(jià)帶中的所有量子態(tài)來說,被空穴占據(jù)的幾率,一般都滿足,迅速增大,:稱為費(fèi)米能級(jí)或費(fèi)米能量,它和溫度,半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型,只要知道了的數(shù)值,在一定溫度下,即,將半導(dǎo)體中大量電子的集體看成一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng),由統(tǒng)計(jì)理論證明,費(fèi)米能級(jí)是系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì),即,代表系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì),:當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài),也不對(duì)外界做功的情況下,系統(tǒng)中增加一個(gè)電子所引起系統(tǒng)自由能的變化,等于系統(tǒng)的化學(xué)勢(shì),在溫度不很高時(shí),能量大于費(fèi)米能級(jí)的電子態(tài)基本上沒有被電子占據(jù),而能量小于費(fèi)米能級(jí)的幾率在各溫度下總是1/2,所以費(fèi)米能級(jí)的位置比較直觀的標(biāo)志了電子占據(jù)量子態(tài)的狀況,必須對(duì)一個(gè)能帶內(nèi)的所有能量積分,而不只是對(duì)布里淵區(qū)體積積分,:.可以通過下述步驟計(jì)算狀態(tài)密度:首先算出單位k空間中的量子態(tài)數(shù),即k空間中的狀態(tài)密度。然后算出k空間中與能量e到e+de間所對(duì)應(yīng)的k空間體積,并和k空間中的狀態(tài)密度相乘,從而求得在能量e到e+de間的量子態(tài)數(shù)de。最后,根據(jù)前式,求得狀態(tài)密度g(e).◆課程難點(diǎn): 空間量子態(tài)的分布是均勻的,量子態(tài)的密度為v(立方晶體的體積).如果計(jì)入自旋,k空間每個(gè)量子態(tài)實(shí)際上代表自旋方向相反的兩個(gè)量子態(tài),所以,在k空間,:,與費(fèi)米分布函數(shù)的定義就統(tǒng)一起來了(費(fèi)米分布函數(shù)是能量為e的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率).狀態(tài)密度表達(dá)式的推導(dǎo)過程作為課堂討論的課程重點(diǎn)內(nèi)容之一.◆基本概念:費(fèi)米分布函數(shù),k空間狀態(tài)密度和能量狀態(tài)密度的概念.◆基本要求:,不是電子的真實(shí)能級(jí),費(fèi)米能級(jí)的數(shù)值與溫度,半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型,雜質(zhì)濃度及零點(diǎn)的選取有關(guān),.167。 導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度 ◆本節(jié)內(nèi)容: 導(dǎo)帶電子濃度 價(jià)帶空穴濃度 ◆課程重點(diǎn): 導(dǎo)出導(dǎo)帶電子濃度和帶空穴濃度表達(dá)式理解,掌握電子濃度,空穴濃度表達(dá)式的意義(見基本要求)◆課程難點(diǎn):導(dǎo)出導(dǎo)帶電子濃度的基本思路是:和計(jì)算狀態(tài)密度是一樣,認(rèn)為能帶中的能級(jí)是連續(xù)分布的,則在能量到之間有個(gè)量子態(tài),而電子占據(jù)能量為的量子態(tài)的幾率是,則在到間有個(gè)被電子占據(jù)的量子態(tài),因?yàn)槊總€(gè)被占據(jù)的量子態(tài)上有一個(gè)電子,實(shí)際上是從導(dǎo)帶底到導(dǎo)帶頂對(duì)進(jìn)行積分,就得到了能帶中底電子總數(shù),導(dǎo)帶中的能級(jí)遠(yuǎn)高于費(fèi)米能級(jí),即當(dāng)時(shí),計(jì)算導(dǎo)帶電子濃度可用玻耳茲曼分布函數(shù).◆基本概念:,乘積只決定于溫度,對(duì)不同的半導(dǎo)體材料,因禁帶寬度不同,只要是熱平衡狀態(tài)下的非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體,都普遍適用,在一定的溫度下,當(dāng)半導(dǎo)體處于熱平衡狀態(tài)時(shí),載流子濃度的乘積保持恒定,如果電子濃度增加,空穴濃度就要減小。,在一定溫度時(shí),半導(dǎo)體導(dǎo)帶中電子濃度,價(jià)帶中空穴濃度就可以計(jì)算出來.◆基本要求:掌握導(dǎo)帶電子濃度和價(jià)帶空穴濃度公式: 與分別是導(dǎo)帶與價(jià)帶底有效狀態(tài)密度,相當(dāng)于把導(dǎo)帶中所有量子態(tài)都集中在導(dǎo)帶底,而它的狀態(tài)密度為。同理,相當(dāng)于把價(jià)帶中所有量子態(tài)都集中在價(jià)帶頂,前者是電子占據(jù)能量為的量子態(tài)幾率,價(jià)帶空穴濃度是中有空穴占據(jù)的量子態(tài)數(shù).167。 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 ◆本節(jié)內(nèi)容: 本征半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí) 本征半導(dǎo)體的載流子濃度 熱平衡條件◆課程重點(diǎn):利于電中性條件(所謂電中性條件,就是電中性的半導(dǎo)體,空穴帶正電,所以對(duì)本征半導(dǎo)體,電中性條件是導(dǎo)帶中的電子濃度應(yīng)等于價(jià)帶中的空穴濃度,即=,由此式可導(dǎo)出費(fèi)米能級(jí).)求解本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí):本征半導(dǎo)體就是沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體,在絕對(duì)零度時(shí),價(jià)帶中的全部量子態(tài)都被電子占據(jù),而導(dǎo)帶中的量子態(tài)全部空著,也就是說,半導(dǎo)體中共價(jià)鍵是飽和的,就有電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶中去,同時(shí)價(jià)帶中產(chǎn)生空穴,導(dǎo)帶中的電子濃度應(yīng)等于價(jià)帶中的空穴濃度,即=.,本征載流子濃度迅速增加。不同的半導(dǎo)體材料,在同一溫度下,禁帶寬度越大,一定溫度下,任何非簡(jiǎn)并半導(dǎo)體的熱平衡載流子的濃度的乘積對(duì)于該溫度時(shí)的本征載流子的濃度的平方,即,它不僅適用于本征半導(dǎo)體材料,的意義:，均為常數(shù),則也為常數(shù),這時(shí)單位時(shí)間單位體積內(nèi)產(chǎn)生的載流子數(shù)等于單位時(shí)間單位體積內(nèi)復(fù)合掉的載流子數(shù),此式可作為判斷半導(dǎo)體材料是否達(dá)到熱平衡的依據(jù)式.◆課程難點(diǎn): 這是一個(gè)容易忽視的問題,即本征半導(dǎo)體中導(dǎo)帶電子濃度等于價(jià)帶空穴濃度,根據(jù)載流子的分布函數(shù)及費(fèi)米年間的意義可知:本征半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)應(yīng)該位于導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂之間的中間位置,導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴才能