半导体器件物理(第五章)_59230712
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基本概念题:第一章半导体电子状态1.1 半导体通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料,其导带在绝对零度时全空,价带全满,禁带宽度较绝缘体的小许多。
1.2能带晶体中,电子的能量是不连续的,在某些能量区间能级分布是准连续的,在某些区间没有能及分布。
这些区间在能级图中表现为带状,称之为能带。
1.2能带论是半导体物理的理论基础,试简要说明能带论所采用的理论方法。
答:能带论在以下两个重要近似基础上,给出晶体的势场分布,进而给出电子的薛定鄂方程。
通过该方程和周期性边界条件最终给出E-k关系,从而系统地建立起该理论。
单电子近似:将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑,这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。
绝热近似:近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换,而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。
1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法答案:克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型,如下图所示利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式,进而确定波函数并给出E-k关系。
由此得到的能量分布在k空间上是周期函数,而且某些能量区间能级是准连续的(被称为允带),另一些区间没有电子能级(被称为禁带)。
从而利用量子力学的方法解释了能带现象,因此该模型具有重要的物理意义。
1.2导带与价带1.3有效质量有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。
它概括了周期性势场对载流子运动的影响,从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。
其大小由晶体自身的E-k关系决定。
1.4本征半导体既无杂质有无缺陷的理想半导体材料。
1.4空穴空穴是为处理价带电子导电问题而引进的概念。
设想价带中的每个空电子状态带有一个正的基本电荷,并赋予其与电子符号相反、大小相等的有效质量,这样就引进了一个假想的粒子,称其为空穴。
它引起的假想电流正好等于价带中的电子电流。
第五章结•平衡态PN结;•PN结的伏安特性;•PN结的电容;•PN结的击穿特性;•PN结二极管的开关特性;•金-半肖特基接触和欧姆接触;•异质结:半导体器件的基本结构-PN结、金半结和异质结PN结空间电荷区•由于PN结两边载流子浓度不同造成载流子扩散运动,载流子扩散的结果在结附近出现了空间电荷区,该区域内电离施主和受主杂质的浓度远大于载流子浓度,有电离杂质产生的自建电场,阻止载流子进一步扩散。
•在空间电荷的区内有载流子的漂移流和扩散流,平衡情况下净电流为零。
平衡PN结能带图•空间电荷区内部各点不是电中性,但是整个空间电荷区正负电荷相等;•空间电荷区的电场使PN结两边出现电势差;•热平衡情况下费米能级保持水平;•空间电荷区以外均匀掺杂,是电中性区。
在该区域:导带、价带和费米能级之间的相对位置保持原样。
注意:P区电子的势能高于N区,空穴的势能正好相反,电势N区高于P。
⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=T k qV p p B D p n exp 00⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=T k qV n n B D n p exp 000exp F V V B E E p N k T ⎛⎞−=−⎜⎟⎝⎠0exp C F C B E E n N k T ⎛⎞−=−⎜⎟⎝⎠2l n B D ADik T N NVq n =正向电压下的窄势垒模型•势垒区(空间电荷区)很窄,势垒区两边边界处电子准费米能级保持水平;•势垒区以外的非平衡载流子扩散复合区由于非平衡载流子复合减少逐步趋于平衡,准费米能级趋向平衡费米能级。
该区域内非平衡少数载流子准费米能级变化大而非平衡多数载流子准费米能级变化很小。
从何入手计算伏安特性•假设理想情况包括:低掺杂的突变结、忽略势垒区复合、外加电压全部加在势垒区、小注入。
•因为外电压全部加在势垒区,所以选择势垒区边界计算电流。
•势垒边界的少子和多子都有扩散流和漂移流,非平衡少数载流子的漂移流非常小可以忽略。
•在忽略势垒区复合的情况下,势垒两边的非平衡少数载流子的扩散电流相加就是总电流。