空穴平衡载流子

半导体物理名词解释1.单电子近似：假设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场及其他电子的平均势场中运动。

该势场是具有与晶格同周期的周期性势场。

2.电子的共有化运动：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原于转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动。

这种运动称为电子的共有化运动。

3.允带、禁带： N个原子相互靠近组成晶体，每个电子都要受到周围原子势场作用，结果是每一个N度简并的能级都分裂成距离很近能级，N个能级组成一个能带。

分裂的每一个能带都称为允带。

允带之间没有能级称为禁带。

4.准自由电子：内壳层的电子原来处于低能级，共有化运动很弱，其能级分裂得很小，能带很窄，外壳层电子原来处于高能级，特别是价电子，共有化运动很显著，如同自由运动的电子，常称为“准自由电子”，其能级分裂得很厉害，能带很宽。

6.导带、价带：对于被电子部分占满的能带，在外电场的作用下，电子可从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去，形成了电流，起导电作用，常称这种能带为导带。

下面是已被价电子占满的满带，也称价带。

8.（本证激发）本征半导体导电机构：对本征半导体，导带中出现多少电子，价带中相应地就出现多少空穴，导带上电子参与导电，价带上空穴也参与导电，这就是本征半导体的导电机构。

9.回旋共振实验意义：这通常是指利用电子的回旋共振作用来进行测试的一种技术。

该方法可直接测量出半导体中载流子的有效质量，并从而可求得能带极值附近的能带结构。

当交变电磁场角频率W等于回旋频率Wc时，就可以发生共振吸收，Wc=qB/有效质量10.波粒二象性，动量，能量P=m0v E=12P2m0P=hk1.间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称为间隙式杂质。

2.替位式杂质：杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，称为替位式杂质。

3.施主杂质与施主能级：能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心。

它们称为施主杂质或n型杂质。

●有效质量：粒子在晶体中运动时具有的等效质量，它概括了半导体内部势场的作用。

其物理意义：1.有效质量的大小仍然是惯性大小的量度；2.有效质量反映了电子在晶格与外场之间能量和动量的传递，因此可正可负。

●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。

●空穴：假想的粒子，与价带顶部的空状态相关的带正电“粒子”。

●空穴：在电子挣脱价键的束缚成为自由电子，其价键中所留下来的空位。

●空穴：定义价带中空着的状态看成是带正电荷的粒子，称为空穴。

●替位式杂质：杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处。

●间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子的间隙位置。

●点缺陷：是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷。

包括：间隙原子和空位是成对出现的弗仓克耳缺陷和只在晶体内形成空位而无间隙原子的肖特基缺陷。

●施主能级：通过施主掺杂在半导体的禁带中形成缺陷能级，被子施主杂质束缚的电子能量状态称为施主能级。

●施主能级：离化能很小，在常温下就能电离而向导带提供电子，自身成为带正电的电离施主，通常称这些杂质能级为施主能级。

●受主杂质：能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心的杂质。

●受主杂质：Ⅲ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负点中心，所以称它们为受主杂质或p型杂质。

●受主能级：通过受主掺杂在半导体的禁带中形成缺陷能级。

正常情况下，此能级为空穴所占据，这个被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级。

●n型半导体：以电子为主要载流子的半导体。

●p型半导体：以空穴为主要载流子的半导体。

●多数载流子：指的是半导体中的电子流。

n型半导体中的电子和p型半导体中的空穴称之为多数载流子。

●少数载流子：指的是半导体中的电子流。

n型半导体中的空穴和p型半导体中的电子称之为少数载流子。

●（半导体材料中有电子和空穴两种载流子。

（热平衡条件和非平衡条件分别怎样？在室温下，为什么多数载流子浓度与温度的关系不大、而少数载流子浓度则否？在热平衡的不均匀系统中，为什么会出现内建电场？Fermi能级和准Fermi能级的适用条件分别怎样？什么是电中性条件？为什么根据电中性条件可以求出普遍情况下的平衡载流子浓度？为什么向半导体中能够注入少数载流子、而不能注入多数载流子？为什么非平衡电子浓度必须等于非平衡空穴浓度？）————————————————————半导体中的多数载流子浓度与少数载流子浓度之间，在热平衡状态时，存在着一定的关系，这就是所谓热平衡条件。

对于存在多种带电粒子（载流子和电离杂质中心）的半导体，不管是在热平衡状态、还是在非平衡状态，它的内部总是保持为电中性——电中性条件。

（1）热平衡条件：在一定的温度下，半导体不管是否已经掺杂，由于半导体禁带宽度不是很大，则其中必然存在一定数量的载流子——电子和空穴；而且这两种载流子的浓度之间存在着一定的制约关系，这种关系就决定于热平衡条件。

①对于本征半导体，其中的载流子（本征载流子）都是由于共价键的断裂而产生出来的；断裂一个共价键（称为本征激发，即价带电子跃迁到导电），就产生出一个电子-空穴对（一个空穴也就是一个共价键空位）。

而在本征激发的同时，也有相反的一种过程——电子-空穴对的直接复合（即导带电子落入共价键空位）。

在一定温度下，本征激发与直接复合这两个过程不断相互竞争，就使得系统达到热平衡状态。

这种竞争过程类似于平衡的化学反应，则根据“电化学反应”的质量作用定律有：电子+ 空穴←→ 完整的共价键若电子和空穴的热平衡浓度分别为nno和pno，则有nno pno = 常数。

这就是所谓的热平衡条件（或者热平衡关系）。

由于本征半导体有nno = pno = ni，则可把热平衡条件表示为热平衡条件说明，在温度一定时，当其中一种载流子浓度增大时，则必将引起另一种载流子浓度减小。

②对于掺杂半导体，例如n型半导体，掺杂就使得电子浓度大大增加，则电子-空穴对的复合几率增大，与此同时，电子-空穴对的产生几率也将增大，因此仍然维持着以上的热平衡条件。

………密………封………线………以………内………答………题………无………效……电子科技大学二零一零至二零一一学年第一学期期末考试1．对于大注入下的直接辐射复合，非平衡载流子的寿命与（D ）A. 平衡载流子浓度成正比B. 非平衡载流子浓度成正比C. 平衡载流子浓度成反比D. 非平衡载流子浓度成反比2．有3个硅样品，其掺杂情况分别是：甲．含铝1×10-15cm-3乙.含硼和磷各1×10-17cm-3丙.含镓1×10-17cm-3室温下，这些样品的电阻率由高到低的顺序是（C ）A.甲乙丙B. 甲丙乙C. 乙甲丙D. 丙甲乙3．题2中样品的电子迁移率由高到低的顺序是（ B ）4．题2中费米能级由高到低的顺序是（ C ）5. 欧姆接触是指（ D ）的金属一半导体接触A. Wms = 0 B. Wms< 0C. Wms> 0 D. 阻值较小且具有对称而线性的伏安特性6．有效复合中心的能级必靠近( A )A.禁带中部B.导带C.价带D.费米能级7．当一种n型半导体的少子寿命由直接辐射复合决定时，其小注入下的少子寿命正比于（C ）A.1/n0B.1/△nC.1/p0D.1/△p8．半导体中载流子的扩散系数决定于其中的( A )A.散射机构B. 复合机构C.杂质浓变梯度D.表面复合速度9．MOS 器件绝缘层中的可动电荷是（ C ）A. 电子B. 空穴C. 钠离子D. 硅离子10．以下4种半导体中最适合于制作高温器件的是（ D ）A. SiB. GeC. GaAsD. GaN二、解释并区别下列术语的物理意义（30 分，7+7+8+8，共4 题）1. 有效质量、纵向有效质量与横向有效质量（7 分）答：有效质量：由于半导体中载流子既受到外场力作用，又受到半导体内部周期性势场作用。

有效概括了半导体内部周期性势场的作用，使外场力和载流子加速度直接联系起来。

在直接由实验测得的有效质量后，可以很方便的解决电子的运动规律。

半导体物理学名词解释1、直接复合：电子在导带与价带间直接跃迁而引起非平衡载流子的复合。

2、间接复合：指的是非平衡载流子通过复合中心的复合。

3、俄歇复合：载流子从高能级向低能级跃迁发生电子-空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回到低能级时，多余的能量常以声子的形式放出，这种复合称为俄歇复合，显然这是一种非辐射复合。

4、施主杂质：V族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质。

5、受主杂质：Ⅲ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负点中心，所以称它们为受主杂质或p型杂质。

6、多数载流子：半导体材料中有电子和空穴两种载流子。

在N 型半导体中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。

在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。

7、能谷间散射：8、本征半导体：本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。

9、准费米能级：半导体中的非平衡载流子，可以认为它们都处于准平衡状态（即导带所有的电子和价带所有的空穴分别处于准平衡状态）。

对于处于准平衡状态的非平衡载流子，可以近似地引入与Fermi能级相类似的物理量——准Fermi能级来分析其统计分布；当然，采用准Fermi能级这个概念，是一种近似，但确是一种较好的近似。

基于这种近似，对于导带中的非平衡电子，即可引入电子的准Fermi能级；对于价带中的非平衡空穴，即可引入空穴的准Fermi能级。

10、禁带：能带结构中能态密度为零的能量区间。

11、价带：半导体或绝缘体中，在绝对零度下能被电子沾满的最高能带。

12、导带：导带是自由电子形成的能量空间，即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。

13、束缚激子：等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心，这一中心由于库仑作用又能俘获另一种带电符号相反的载流子从而成为定域激子，称为束缚激子。

14、浅能级杂质：在半导体中、其价电子受到束缚较弱的那些杂质原子，往往就是能够提供载流子（电子或空穴）的施主、受主杂质，它们在半导体中形成的能级都比较靠近价带顶或导带底，因此称其为浅能级杂质。

上一次课：半导体物理基础 半导体、N型半导体、P型半导体、本征半导体、非本征半导体载流子、电子、空穴、多子、少子、平衡载流子、非平衡载流子掺杂、施主杂质、受主杂质能带、导带、价带、禁带、费米能级、准费米能级载流子浓度n，p；迁移率载流子输运："扩散、漂移、产生、复合电流连续性方程12服从玻尔兹曼分布的载流子浓度φF :体费米势φF)ln()ln(iD t i D F n N n N q kT φφ==)ln()ln(Ai t A i F N n N n q kT φφ==3电流连续方程()R G qt n n −+∇=j 1∂∂()R G q tp p −+∇−=j 1∂∂电子：空穴•载流子输运影响载流子浓度随时间变化：漂移、扩散：电流变化间接或直接热复合、间接或直接产生4电流密度方程载流子的输运方程在漂移－扩散模型中nqD n q n n n ∇+=E j μpqD p q p p p ∇−=E j μ方程形式1方程形式2半导体器件物理基础5半导体器件据统计：半导体器件主要有67种，另外还有110个相关的变种所有这些器件都由少数基本模块构成：•PN结•金属－半导体接触•MIS结构•异质结•超晶格和量子阱61907：发光二极管1947：第一个晶体管: 诺贝尔奖1949：PN结晶体管1952：JFET1954：太阳电池1957: HBT：2000年诺贝尔奖1958: 隧道二极管(稳压管)：诺贝尔奖1962: CMOS1967: 非挥发存储器196+: 微波器件(IMPATT, 渡越电子二极管)1970：CCD器件1971：Intel CPU1974: 共振隧穿二极管1980: MODFET198＋：异质结构和基于量子效应的器件：纳米电子学7PN结/PN结二极管PN结"双极晶体管"MOS场效应晶体管、JFET"光电器件"电力电子器件（如可控硅器件等）的基本组成部分本身作为二极管"开关、整流、稳压、变容等8PN结的结构工作原理"平衡情况"非平衡情况PN结静电量的定量描述PN结二极管电流特性的定量描述(稳态响应)PN结二极管的击穿PN结二极管的小信号特性PN结二极管的瞬态响应基本电路应用910PN 结的结构突变结线性缓变结注入或扩散相反类型杂质＋退火冶金结11有代表性：•两种载流子•漂移、扩散、产生复合基本运动形式PN 结：二极管（diode ）PNiPN结的单向导电性（整流特性）：P区接正，N区接负"正向导电性很好，电流随电压增加迅速增大，正向电阻小"反向导电性差，电流很小，趋于饱和，反向电阻大"反向击穿分析"平衡情况"非平衡情况¾正向¾反向1213自建电场P 型N 型准中性区准中性区空间电荷区x px n•假设P 区、N 区均匀掺杂•突变结自建电场引起的电子、空穴漂移运动与它们的扩散运动方向相反，直到两者相抵，达到动态平衡空间电荷区耗尽层:高阻区PN 结的形成14平衡的PN 结：没有外加扰动能带图平衡情况下，费米能级一致势垒、位垒P 区能带上移是自建场的影响，P 区静电势能高能带按电子能量定自建势qV biN 区和P 区的电势差：自建势、接触电势差V bi15静电势由本征费米能级Ei 的变化决定qE i−=ϕ能带向下弯，静电势增加16与掺杂浓度有关自建势Vbi正向偏置的PN结情形正向偏置时的能带图正向偏置时，扩散大于漂移N区P区空穴：电子：P区N区扩散扩散漂移漂移电子和空穴扩散电流相加运动的是多子势垒须下降到一定程度：导通电压，电流指数增加171819PN 结的反向特性反向偏置时的能带图反向偏置时，漂移大于扩散20P 区N 区电子：扩散漂移反向偏置时，漂移大于扩散•N 区中空穴、P 区中的电子被反向抽取•少子运动：电流小•反向电流：产生电流(产生率大于复合率)•边界处少子变化量不超过平衡少子浓度：电流趋于饱和•边界少子注入很多•光照: 光电二极管（光电探测）+－空穴N 区P 区扩散漂移单向导电性•正向导通，多数载流子电流：大、陡边界少子浓度增加形成积累注入多子•反向截止，少数载流子电流：小边界少子浓度减少抽取少子21PN结的结构工作原理"平衡情况"非平衡情况PN结静电量的定量描述：二极管和其他器件建模的基础"平衡"非平衡PN结二极管电流特性的定量描述击穿小信号特性2223PN 结耗尽区中电场、电势分布出发点：泊松方程：半导体器件基本方程描述半导体中静电势的变化规律形式1()02x,εερϕs t −=∇形式2()∫=ss dx x x ρεεε01)(24平衡情况(不加外偏压)()np NNq AD−+−=−+ρ耗尽近似：在冶金结附近载流子浓度与净杂质浓度相比近似忽略不计为了获得解析解：耗尽近似25N区P区最大电场在x＝0处积分积分2627P 区积分n 区积分20)(2)(x x qN x p sA +=εεϕ20)(2)(x x qN V x n sD bi −−=εεϕ在x ＝0处电势连续突变结耗尽近似正负电荷28耗尽区宽度例：单边突变结：P＋/N结，NA>>N DP型N型x p 0x n掺杂浓度高，耗尽区宽度小29加外偏压后30•两边费米能级之差为外加电压qV•能带弯曲q(V bi－V)31加外偏压VP型xpx nP型x p x nN型N型加正压：w变小电荷减少场减弱加负压：w变大电荷增加场增强32PN结的结构工作原理"平衡情况"非平衡情况PN结静电变量的定量描述：二极管和其他器件建模的基础"平衡"非平衡"线性缓变结（自学）PN结二极管电流－电压特性的定量描述PN结击穿小信号特性3334PN 结二极管的电流－电压特性：稳态响应 假设："无光照等"外偏压全部加在耗尽区上，耗尽区以外没有电场（仅考虑扩散电流）"小注入情况：注入的少子浓度远低于多子浓度"耗尽区中无产生复合"载流子分布服从玻尔兹曼分布P 型x px nN 型35xn n qD xn qD J p p np nN ∂−∂=∂∂=)(0xp p qD x p qD J n n pn p P ∂−∂−=∂∂−=)(0P 型x px nN 型假设耗尽区中无产生、复合：J ＝J N ＋J P ＝J N (－x p )＋J P (x n )扩散方程36()R G qt n n −+∇=j 1∂∂()R G qt pp −+∇−=j 1∂∂从电流连续性方程出发求出少子分布无产生，G=0；稳态，上式左边＝0pn n pnp p p R ττ)(0−−=Δ−=np p npn n n R ττ)(0−−=Δ−=以求解空穴少子分布为例边界条件的推出：37平衡少子浓度P型x p x nN型ppp DLτ=边界条件Wn>>Lp情况下38394041反向饱和电流：与ni 有关，与浓度有关Is42与理想情况的偏差Log 坐标的斜率q/nkT ，斜率越陡越好 理想情况60mV/dec 低温下性能会好 高掺杂n ＝2•串联电阻压降•大注入电导调制P 型x px nN 型PN结的结构工作原理"平衡情况"非平衡情况PN结静电变量的定量描述：二极管和其他器件建模的基础"平衡"非平衡"线性缓变结（自学）PN结二极管电流－电压特性的定量描述PN结击穿小信号特性43PN结的反向击穿：可恢复•反向击穿区反向击穿电压Vrb，PN结承受的反向偏压的上限击穿机制•雪崩击穿•齐纳击穿/隧穿击穿4445PN 结的击穿(1)雪崩击穿：电场很强，获得很大的能量，碰撞，电子激发，在耗尽区产生电子空穴对:碰撞电离产生的额外载流子被加速，又发生碰撞电离载流子倍增在平均自由程中可以获得足够大的能量，与电场相关。