复习半导体物理中的施主

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 楼主| xukun977 发表于 2020-6-15 19:37 | 显示全部楼层 |阅读模式
 楼主| xukun977 发表于 2020-6-15 19:40 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-6-16 11:19 编辑

有个神奇的特点:每个汉字、单词都认识,但就是看不懂某句话是什么。

例如下图,这句话是什么意思?


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这段话的意思是这样的:

置于电场中的半导体材料,原子核与周围紧密束缚电子之间,相对位置之间会发生失真----原子核不再是在中心,电子轨道不是以原子荷为中心,而是如下图示,产生了电极化。

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物理学中知道,用介电常数来描述电极化,介电常数是真空中电场强度和加介质后电场强度之比,而半导体材料的介电常数特别大,硅是12,锗是16,介电常数特别大,意味着半导体材料中任意原子核上等效电场大大减小,这个特征决定了施主的第5个电子,行为上更像是氢原子中的电子,只不过做两个修改而已:一是用硅的介电常数代替氢的真空介电常数,二是用有效质量代替m。

有了上面的理由,才能合理的套用的类氢原子的波尔模型。
根据中学物理知,电力和离心力要平衡,于是有:


166285ee764b196811.png



也就是说:动能=势能的一半!

然后套用德布罗意假设和波尔条件:

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据此可得总能量E0=动能+势能


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 楼主| xukun977 发表于 2020-6-15 20:17 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-6-15 20:44 编辑

教科书上说的【结合能】,貌似是有问题的,应该说成是【电离能】,或者两者是一个意思?

教科书上公式2.5,是把5族掺杂的有效质量近似成m,即me*/m=1,然后介电常数取12,于是-13.6/144=0.09≈0.1eV


然后教课书又讲了第二个大问题:掺杂对半导体能带结构的影响,这个话题的难度也不小,虽然每句话读者都能看懂,但是很难看懂背后的含义。

仔细想想,问题太难了:
一,掺杂物分散在晶体中,是随机的,不是规则的周期性排列的。
二,施主所带的第5个电子,不是两个态,而是三个态----价带中、导带中和束缚态。
这样严格处理难度可就太大了,不近似处理不行了。
 楼主| xukun977 发表于 2020-6-15 20:54 | 显示全部楼层


关于能带图中的横坐标是什么,这个话题难度也不小。

288215ee76da4bed5f.png



严格来说,能带图本身只是提供一个信息----电子在相应系统中所允许拥有的各种动态能量。
前面推导本征半导体的能带图时,是基于相同的原子之间的耦合,而且原子在空间是重复的,周期的排列的。
如果没有周期性结构,也可以有能带图,只不过此时每给一个半导体样品,都要对应一个能带图,也就是半导体样品大小变化了,能带图也就变化了,而且每向材料中添加一个新原子,会引入一个新耦合,会改变原有材料的特性,这样能带图就不是唯一的了,和半导体尺寸有关。



 楼主| xukun977 发表于 2020-6-16 10:19 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-6-16 10:22 编辑

关于费米-狄拉克分布函数,绝大多数教材都是这样画的:


428545ee82bf011639.png



这个图画的很别扭,如何从a图看出来E=EF时,f=0.5??

把a图画成这样,不就OK了?

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 楼主| xukun977 发表于 2020-6-16 15:23 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-6-16 15:31 编辑

2.4节的态密度,没有点数理基础,也是不大容易看懂的。


163835ee8715e1cb03.png



其中的数学知识,前面复习过了,建议记住误差积分的结果。

41535ee8734e7a7f3.png


态密度的公式是直接给的,如果简单推导也是可以的:

778125ee875005ee84.png



注意到能量E和导带能量Ec之差在开根。





 楼主| xukun977 发表于 2020-6-17 10:07 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-6-17 10:24 编辑

复习思路:
先复习必备的数理功底,具体到电路,从器件(器件物理、器件模型)到系统。
相对来说,系统是很简单的,最底层的器件物理反而是困难的,因为信号与系统、自控原理一般都学过,多少都懂点,但量子力学不是每个专业都要学的。

凡是复习过的知识,以后都是拿过来就用,不再啰嗦。

一开始学习要受点罪,受点折磨,折磨过后就敞亮了,以后再看书就轻松了。

关于态密度的量子知识背景,是非常简单的。

对于一块晶体,可以在直角坐标系下对其建模,边长分别为Lx,Ly和Lz:


294125ee979a399d65.png



经典力学中的动态研究,主要是研究物体所在的位置和动量的,所以还要对动量建模:

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这个东西,就是传说中的线性动量空间。


联系位置和动量之间关系的,是中学就接触过的不确定原理:

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第一个图的体积公式,小学就学过了:


508005ee97b711ee04.png


受不确定原理的约束后,第二个图动量空间下的体积公式为:


987465ee97be30dfec.png


所以结论特别简单,所谓的电子允许态,或者说允许的动量,对于单位体积晶体,就是h^3

所以,公式中的h^3,就是这么来的:

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但是要完全表征一个量子态,需要4个量子数,而直角坐标系只有3个量,还缺一个,所以要把泡利不相容原理改成:每个动量空间的小盒子中,只能允许有两个电子,而且自旋方向要相反。


所以,实际上是个3重积分,教科书上简化成了一次积分:


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积分公式中允许的态数为何不是1/h^3,而是2/h^3?上面有两个红字:两个电子


 楼主| xukun977 发表于 2020-6-17 16:11 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-6-17 16:19 编辑


光产生:


560895ee9cdfa15651.png



这一段话,主要讲两个意思
一个是表层上的,光照强度定义了单位时间进入半导体的光子数目,相应地,也定义了载流子对产生的时间速率。
另一个是隐含的,表层意思决定了所谓的少子注入,随便举个数值例子:

493605ee9cf5f77c97.png



对于N型材料,虽然光照所导致的电子和空穴成对出现,两者数目一样多,但是站在百分比的角度看,少子空穴浓度所增加的比例,远大于多子电子的浓度比例,尽管平衡时n0远大于p0!

这就是和直觉不符的少子注入。








 楼主| xukun977 发表于 2020-6-18 18:40 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-6-18 20:47 编辑

关于本征载流子浓度的平方的理解:


96955eeb44a0dc926.png





要想解释清楚ni的形式为何如此,需要借助于量子的概念,用到不确定原理和泡利不相容原理,难度可不小。
下面简单的定性解释。


本征半导体为例,想把电子从价带顶升到导带低,所需的最小能量是带隙能量Eg,此时电子是静止的,空穴也是静止的。
也就是说,要产生静止的电子-空穴对,所需的电离能是Eg.

428225eeb459f287d0.png




能量的分配:可以随意分配给空穴的是E0,那么剩下部分Eg-E0分配给电子,后面将会看到,E0的大小对结果是没有影响的,所以E0随意。


933935eeb47a50541f.png




通过前面的复习已知,电子和空穴的浓度,可以理解成是由其能量决定的,而能量分为动能和势能,所以有:


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根据前面说的误差积分公式,可以计算出ni为:


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式中AB为与温度无关的常数。


使用相同的手段,可以计算出对于空穴有:


472245eeb487621bc3.png




对上面计算出的电子和空穴的ni相乘,得:

331515eeb48cdd17e8.png


ni^2是温度的函数(与参杂浓度无关),注意下面这两项和温度相关项,其中T^3/2项,相比于指数项,在较大温度范围内可以忽略。

609435eeb4996d1831.png



通过这种理解方式,可以获取对ni^2的直观理解,后面研究基准电路原理,要使用这个知识点。



275195eeb4b7520a6c.png







 楼主| xukun977 发表于 2020-6-19 11:33 | 显示全部楼层
本帖最后由 xukun977 于 2020-6-19 11:52 编辑

施主的能级表示,为何用点划线,而非普通的实线?


547915eec31f584ea4.png


上文已经说过,掺杂带来两个难题,一是掺杂原子是稀疏随机地分布在周期性晶格阵列中的,没有规则性,二是施主的电子有3种可能的状态,既不在导带也不在价带中,而是在一个类氢轨道上:

695675eec32e6e378f.png



也就是说,这个电子不敢太野,只能束缚于施主周围团团转,根据这个模型计算出的数据是:在硅中低于导带50m eV,锗中是10m eV级别的:

632505eec339b37633.png

图:在硅中的施主或受主的结合能,是50 m e V


注:根据这个模型的适用条件知,计算出的数据,电压要想有这个能量,只适用于该电子在掺杂原子周围情况,不允许这个电子位于普通晶体周期性阵列中,否则模型失效。
所以当施主没有被电子占领时,是局部中性的,所以施主的能级图,只是表示电子在该状态下的空间位置信息而已,点画线的含义就是这个。


而且上面数据计算出的只是最低能级而已,即便是氢原子,除了基态,还有激发态,所以实际能级占领了整个ED到EC之间的区域,绝非只占据ED能级:


646525eec35bf6f452.png

只不过由于电子优先占据最低能级,所以ED能级是主要的。



 楼主| xukun977 发表于 2020-6-19 12:09 | 显示全部楼层


半导体物理中,基本背景知识就这一点,下面部分就是运用物理定律,结合上面的背景知识,开始解决实际问题,尤其是载流子的非平衡状态下的传输知识。

物理定律,主要是高斯定律,所以后面部分相对来说好学多了,只要把上面部分比较抽象的几个概念搞懂。

例如有效态密度Nc和Nv是什么意思?它表示可用的电子或空穴状态密度,相当于稀释条件下的临界密度:

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要记住10^19这个数据。

447885eec389a22adf.png




室温下,本征硅的载流子浓度是10^10,而有效态密度是10^19,这意味着10^10个有效态是空闲的,即便掺杂浓度是10^16,仍旧有大量空闲态,这个特点决定了在室温下,掺杂几乎是100%电离的!!!!

如果不用这个数据,靠直觉来看,感觉是不可能电离率这么高,因为平均热能是26 m eV,而锗和硅中的电离能是10 m eV--50 m eV。





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