半导体器件物理复习资料

半导体器件物理复习资料

元素（Element）

半导体：

在周期表第Ⅳ族中的元素如硅（Si）

及锗（Ge）

都是由单一原子所组成的元素（element）

半导体。

几种常见的晶体结构晶体：

组成固体的原子（或离子）

在微观上的排列具有长程周期性结构非晶体：

组成固体的粒子只有短程序，但无长程周期性准晶：

有长程的取向序，沿取向序的对称轴方向有准周期性，但无长程周期性能带的形成原子靠近→电子云发生重叠→电子之间存在相互作用→分立的能级发生分裂。从另外一方面来说，这也是泡利不相容原理所要求的。

一个能带只能有N个允许的状态；

考虑电子有两种自旋状态，故一个能带能容纳2N个电子；

对于复式格子，每个能带允许的电子数还要乘上原胞内的原子个数；

对于简并能带，状态总数要乘以简并度。

金属、半导体、绝缘体金属导体： 最高填充带部分填充；

绝缘体和半导体：T=0K，最高填充带为填满电子的带。

T>0K，一定数量电子激发到上面的空带。绝缘体的Eg大，导带电子极少；

半导体的Eg小，导带电子较多。根据能带填充情况和Eg大小来区分金属、半导体和绝缘体。

（全满带中的电子不导电；

部分填充带：

对称填充，未加外场宏观电流为零。加外场，电子逆电场方向在k空间移动。散射最终造成稳定的不对称分布，产生宏观电流（电场方向）。）

有效质量电子共有化运动的加速度与力的关系和经典力学相同，即：m*具有质量量纲，称为晶体中电子的有效质量。（能带越宽，有效质量越小；

能带越窄，有效质量越大。）

m*的意义：晶体中的电子除受到外力，还受到周期场力。引入m*，可得出外力F和加速度a的简单关系，把复杂的周期场力包括到m*中去了。引入共有化运动速度和有效质量后，可将晶体中的电子视为经典粒子，将其运动规律等效成自由电子运动规律。

硅及砷化镓的能带结构。圆圈(○)为价带中的空穴，黑点(•)为导带中的电子。

本征载流子浓度本征半导体： 在恒温下，连续的热扰动造成电子从价态激发到导带，同时在价带上留下等量的空穴。当半导体的杂质远小于由热产生的电子空穴时，此种半导体称为本征半导体。

一个电子占据能量E的能态的几率可由费米-狄拉克分布函数（Fermi-Diracdistributionfunction），也称为费米分布函数（Fermidistributionfunction)。

对本征半导体而言，导带中每单位体积的电子数与价带中每单位体积的空穴数相同；

换言之，n=p=ni,ni称为本征载流子浓度。

导带的电子浓度价带中的空穴浓度质能作用定律禁带宽度越大本征载流子浓度越小。

我们假设电子或空穴的浓度分别远低于导带或价带中有效态密度。换言之，费米能级EF至少比EV高3kT，或比EC低3kT。对于这种情形，半导体称为非简并（nondegenerate）半导体。

半导体变成本征时的温度是由杂质浓度及禁带宽度值而定。

对于非常重掺杂的n型或p型半导体,EF将高于EC，或低于EV。

此种半导体称为简并（degenerate）半导体。

迁移率电子漂移速度正比于所施加的电场，而比例因子则视平均自由程与有效质量而定。

这个比例因子称为电子迁移率（electronmobility），其单位为厘米2/伏特·秒（cm2/V·s）。 电子迁移率（）

它描述了施加电场影响电子运动的强度。

迁移率直接与碰撞间的平均自由时间相关，而平均自由时间则决定于各种散射的机制。

晶格散射归因于在任何高于绝对零度下，晶格原子的热振动。

电导率（conductivity）

其中电子及空穴对电导率的贡献是相加的。

测量电阻率最常用的方法为四探针法其中探针间的距离相等。一个从恒定电流源来的小电流I，流经靠外侧的两个探针；

而于内侧的两个探针间，测量其电压值V。就一个薄的半导体样品而言，若其厚度为W，且W远帏于样品直径d，其电阻率为：

霍耳效应载流子的浓度可能不同于杂质的浓度，此乃因电离的杂质浓度视温度以及杂质能级而定。而直接测量载流子浓度最常使用的方法为霍耳效应。霍耳测量也是能够幕现出空穴以带电载流子方式存在的最令人信服的方法之一，因为测量本身即可直接判别出载流子的型态。

扩散电流：载流子倾向于从浓度高的区域移往浓度低的区域，而这个电流成分即称为扩散电流。

爱因斯坦关系式扩散系数扩散电流正比于电子浓度在空间上的导数。而扩散电流是由于载流子在一个浓度梯度下的随机热运动所造成。

电流密度方程式（非重点） 在热平衡下，关系式pn=ni2是成立的。假如超量载流子（excesscarriers）

导入一半导体中，以致于pn>ni2，此时我们将有一个非平衡状态（nonequilibriumsituation）。

导入超量载流子的过程，称为载流子注入（carrierinjection）。

回复平衡的机制是将注入的少数载流子与多数载流子复合。

经由光脉冲照射，整个样品中均匀产生超量载流子，因而造成电导率瞬间增加。而电导率的增加，可由将一定电流通过样品而样品两端产生一小电压降来显示出来。

电导率的衰减可由示波器上观察得知，它同时又是测量超量少数载流子寿命的一种方式。

第2页表面复合的机制与之前所考虑的本体部份的复合中心相似。

俄歇复合过程是由电子-空穴对复合所释放出的能量及动量转换至第三个粒子而发生，此第三个粒子可能为电子或空穴。

Δn及Δp为超量载流子浓度且Δn=Δp，以维持整体电中性。

电子的基本连续性方程式空穴的基本连续性方程式单边稳态注入扩散长度=假如距离够小，既使电子的能量远小于势垒高，在左边半导体中的电子亦可能会跨过势垒输运，并移至右边的半导体。这个过程与量子隧穿现象（quantumtunnelingphenomenon）

有关。 接着，它们将产生其它电子-空穴对（例如3及3＇，4及4＇），以此类推。

这个过程称为雪崩过程，亦称为冲击离子化（impactionization）

过程。

P62-63例6:光照射在一个的硅晶样品上，且每微秒产生电子-空穴对变化。

Solution：

照光前照光后，求少数载流子浓度的PhysicsofSemiconductorDevicesp-n结：

由p型半导体和n型半导体接触形成的结。

p-n结最重要的特性是具有整流性，只容许电流轻易流经单一方向。

在热平衡时，p型和n型中性区的总静电势差被称为内建电势（built-inpotential）Vbi：

越过了过渡区域，进入移动载流子浓度为零的完全耗尽区。

这个区域称为耗尽区（depletionregion；

也叫做空间电荷区（space-chargeregion））。

对于一给定掺杂的浓度，因为砷化镓有较小的本征浓度ni，其静电势较高。

突变结，是浅扩散或低能离子注入形成的p-n结。结的杂质分布可以用掺杂浓度在n型和p型区之间突然变换来近似。 对于深扩散或高能离子注入，杂质浓度分布可以被近似成线性缓变结，亦即浓度分布在结呈线性变化。

以内建电势为函数的总耗耗尽宽度单边突变结耗尽区宽度与偏压的函数当突变结一侧的掺杂浓度远比另一侧高，称为单边突变结（one-sideabruptjunction）。

双极型晶体管晶体管的工作原理理想二极管方程式Js是饱和电流密度在大注入浓度的情况，注入的少数载流子浓度和多数载流子浓度差不多，亦即在n端的结，此即为大注入情况。

大注入的情况代入式。利用此作为一个边界条件，成正比。因此，在大注入情况下，电流增加率较缓慢。

MOS存储器结构半导体存储器可区分为挥发性（volatile）与非挥发性（nonvolatile）

存储器。挥发性存储器，如像动态随机存储器（dynamicrandomaccessmemory，DRAM），以及静态随机存储器（staticrandomaccessmemory，SRAM），若电源供应关闭时，将会丧失所储存的信息。相比之下，非挥发性存储器却能在电源供应关闭时，还能够保持所储存的信息。

一个TED的工作特性取决于下面五个因素：器件内的掺杂浓度与掺杂均匀性、有源区的长度、阴极接触特性、电路的形式和工作的偏压值。

SiO2的相对介电常数为3.9。

因此Cmin约为Co的13%Solution： Wm可由例1中得到于VT时的最小电容Cmin为P234例4：当T=300K时，考虑一个以金（gold）作接触的n沟道砷化镓MESFET。假设势垒高度为0.89V。若n型沟道浓度为2×1015cm-3，且沟道厚度为0.6μm。请计算夹断电压以及内建电势。砷化镓的介电常数为12.4。

Solution：

夹断电压为导带与费米能级间的差为内建电势为引入空穴概念的意义：用少量空穴的运动等效价带中大量电子的集体运动，从而使问题变为和处理导带电子的导电问题一样简单。

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