半导体物理学习笔记（1）——半导体物理基本概念

学习资料：ppt课件，半导体物理学电子书（刘恩科版）

一、基础

1、晶体结构

金刚石型结构

例如：Si、Ge
描述：原子的最外层都有四个价电子，原子组合成的晶体靠共价键结合。
结构特点：每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成一个如图的正四面体结构。

正四面体结构

共价键：任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，共有的电子在两个原子之间形成较大的电子云密度,通过它们对原子实的引力把两个原子结合在一起,这就是共价键。

金刚石型结构

闪锌矿型结构

例如：GaAs
描述：与金刚石型结构类似,所区别的是闪锌矿型结构由两类不同的原子组成。

纤锌矿型结构

例如：ZnS
描述：纤锌矿型结构和闪锌矿型结构相接近,它也是以正四面体结构为基础构成的,但是它具有六方对称性,而不是立方对称性。

2、能带结构

共有化运动：当原子相互接近形成晶体时,不同原子的内外各电子壳层之间就有了一定程度的交叠,相邻原子最外壳层交叠最多,内壳层交叠较少。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,可以由一个原子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。

共有化运动

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。

原子能级分裂为能带

下面一个能带填满了电子,它们相应于共价键中的电子,这个带通常称为满带或价带;上面一个能带是空的,没有电子.通常称为导带;中间隔以禁带。

能带示意图

金属中,由于组成金属的原子中的价电子占据的能带是部分占满的，所以金属是良好的导体。绝缘体和半导体的能带类似，即下面是已被价电子占满的满带(其下面还有为内层电子占满的若干满带未画出),亦称价带,中间为禁带.上面是空带:

绝缘体、半导体和导体的能带示意图

当外界条件发主变化时,例如温度升高或有光照时,满带中有少量电子可能被激发到上面的空带中去使能带底部附近有了少量电子,因而在外电场作用下,这些电子将参与导电;同时，满带中主于少了一些电子,在满带顶部附近出现了一些空的量子状态,满带变成了部分占满的能带.在外电场的作用下,仍留在满带中的电子也能够起导电作用,满带电子的这种导电作甲等效于把这些空的量子状态看作带正电荷的准粒子的导电作用,常称这些空的量子状态为空穴。所以在半导体中,导带的电子和价带的空穴均参与导电,这是与金属导体的最大差别。

一定温度下半导体的能带

本征激发：价键上的电子激发成为准自由电子,亦即价带电子激发成为导带电子的过程,称为本征激发。
E_v称为价带顶,它是价带电子的最高能量。
脱离共价键所需的最低能量就是禁带宽度E_g。
E_c称为导带底,它是导带电子的最低能量。

二、主体

载流子

半导体中的杂质,主要来源于制备半导体的原材料纯度不够,半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污，或是为了控制半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。
杂质原子进入半导体硅以后，只可能以两种方式存在。一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，常称为间隙式杂质；另一种方式是杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处,常称为替位式杂质。

间隙式杂质和替位式杂质

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。它释放电子的过程叫做施主电离。施主杂质未电离时是中性的，称为束缚态或中性态，电离后成为正电中心，称为离化态。
将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级，记为E_D
通常把主要依靠导带电子导电的半导体称为电子型或n型半导体。

施主能级和施主电离

因为Ⅲ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，所以称它们为受主杂质或p型杂质。
空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离。受主杂质未电离时是中性的,称为束缚态或中性态。电离后成为负电中心，称为受主离化态。

受主能级和受主电离

纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离,使价带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力，通常把主要依靠空穴导电的半导体称为空穴型或p型半导体。
假如在半导体中，同时存在着施主和受主杂质,半导体究竟是n型还是p型呢?这要看那一种杂质浓度大，因为施主和受主杂质之间有互相抵消的作用，通常称为杂质的补偿作用。

杂质的补偿作用

当N_D>>N_A时,因为受主能级低于施主能级，所以施主杂质的电子首先跃迁到N_A个受主能级上,还有N_D-N_A个电子在施主能级上,在杂质全部电离的条件下，它们跃迁到导带中成为导电电子，这时，n = N_D-N_A =N_D，半导体是n型的。
当N_A>N_D时，施主能级上的全部电子跃迁到受主能级后，受主能级上还有N_A- N_D个空穴，它们可以跃迁入价带成为导电空穴，所以，p= N_A-N_D=N_A，半导体是p型的。

载流子的漂移运动

有外加电压时,导体内部的自由电子受到电场力的作用，沿着电场的反方向作定向运动构成电流。电子在电场力作用下的这种运动称为漂移运动，定向运动的速度称为漂移速度。

载流子的漂移运动

电子漂移电流与空穴漂移电流

因为电子带负电，空穴带正电，所以两者漂移运动的方向不同，电子反电场方向漂移，空穴沿电场方向漂移。但是，形成的电流都是沿着电场方向，因而，半导体中的导电作用应该是电子导电和空穴导电的总和。

载流子的扩散运动

分子、原子、电子等徽观粒子，在气体、液体、固体中都可以产生扩散运动。只要微观粒子在各处的浓度不均匀，由于粒子的无规则热运动,就可以引起粒子由浓度高的地方向浓度低的地方扩散。扩散运动完全是由粒子浓度不均匀所引起，它是粒子的有规则运动，但它与粒子的无规则运动密切相关。

非平衡载流子的扩散

浓度梯度

扩散定律

三、应用

pn节

金属/半导体接触

MIS结构

肖特基接触

金属半导体接触伏-安特性

欧姆接触是指这样的接触: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。从电学上讲，理想欧姆接触的接触电阻与半导体样品或器件相比应当很小,当有电流流过时，欧姆接触上的电压降应当远小于样品或器件本身的压降，这种接触不影响器件的电流-电压特性，或者说，电流-电压特性是由样品的电阻或器件的特性决定的。
MIS参考知乎理解：
https://www.zhihu.com/question/63286547

由p型半导体构成的理想MIS结构的表面势和空间电荷分布

表面多子积累

表面多子耗尽

表面少子反型