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Mindmap-Galerie Halbleiterphysik und -geräte

Halbleiterphysik und -geräte

Die Halbleiterphysik ist eine Disziplin, die die atomaren und elektronischen Zustände von Halbleitern sowie die internen elektronischen Prozesse verschiedener Halbleiterbauelemente untersucht. Ist ein Teilgebiet der Festkörperphysik. Die Untersuchung atomarer Zustände in Halbleitern basiert auf der Kristallstruktur und der Gitterdynamik. Dabei werden hauptsächlich die Kristallstruktur und das Kristallwachstum von Halbleitern sowie Verunreinigungen und verschiedene Arten von Defekten in Kristallen untersucht.

Bearbeitet um 2022-05-31 21:49:40

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Halbleiterphysik und -geräte

Notwendige Kenntnisse zum Selbststudium

Quantenmechanik

fortgeschrittene Mathematik

partielles Differential

Derivat

Einige Kenntnisse der Hochschulphysik

Hinweise zu Formeln

1. Achten Sie auf Randbedingungen und Szenenbeschränkungen

2. Ausdruck

(1), die durch die Formel ausgedrückte Bedeutung

(2) Die Bedeutung der Buchstaben

(3) Verschiedene Bücher haben unterschiedliche Ausdrücke, aber die Bedeutung kann dieselbe sein.

Der Zustand der Elektronenbewegung in einem Kristall

solide Gitterstruktur

Halbleitermaterial

Einstufung

Elementhalbleiter

Verbindungshalbleiter

Stoffklassifizierung

Leitfähigkeit: Leiter, Halbleiter, Isolatoren

Form: fest, flüssig, gasförmig

festes Gitter

Rasterpunkte: Achten Sie auf das Gitter

Gitter: die gesamte Gitterstruktur

Gittervektor, Gittervektor

Elementarzelle: Eine kleine Anzahl von Gitterpunkten entspricht einer kleinen Anzahl von Kristallen Elementarzelle: Die kleinste Elementarzelle, die zur Nachbildung des gesamten Kristalls verwendet wird

Hinweis: Die Möglichkeit, eine orthogonale Kantenelementarzelle auszuwählen, ist geringer als die Möglichkeit, eine orthogonale Elementarzelle auszuwählen.

Grundgitterstruktur

Einfacher Würfel

körperzentrierter Würfel

flächenzentrierter Würfel

Kristallebene, Miller-Index (beschreibt die Ebene)

Kristallographische Orientierung: die Ausrichtung paralleler Linien

Verunreinigungen und Mängel

Punktfehler, Linienfehler, Oberflächenfehler

Substitutionelle Verunreinigungen, interstitielle Verunreinigungen

Quantenmechanik

Drei Grundprinzipien

Energiequantisierung

Welle-Teilchen-Dualität: λ=h/p (λ spiegelt die Wellennatur wider, p spiegelt die Teilchennatur wider)

Unschärferelation

Schrödinger-Gleichung

Wellenfunktion (Anmerkung: Wahrscheinlichkeitswelle)

Freie Elektronen und gebundene Elektronen

Freie Elektronen: unterliegen keiner äußeren Kraft

Gebundene Elektronen: Elektronen in einem eindimensionalen unendlich tiefen Potentialtopf, ihr Bewegungsraum ist innerhalb des eindimensionalen unendlich tiefen Potentialtopfs begrenzt.

Einzelnes Elektron: repräsentiert: H-Atom

Quantenzahl n

Winkelquantenzahl ι=n-1

Magnetische Quantenzahl｜m｜=n-1

Polyelektronen: Ihre Quantenzustände sind diskret

Elektronischer Bewegungszustand

Bildung von Energiebändern

elektronische Kommunikation

Erlaubt

verbotene Band

Hybridisierung

sp-Hybridorbital

Eindimensionales unendliches Kristallenergieband

Kronik-Panner-Modell

Schrödinger-Gleichung

Randbedingungen, Lösungsbedingungen ungleich Null

K-Raum-Energiebanddiagramm

Träger

elektronisch

Loch

Ladungsträgerkonzentration in Halbleitern ausgleichen

Zustandsdichtefunktion und Fermi-Freisetzungsfunktion

Zustandsdichtefunktion

Fermi-Dirac-Verteilungsfunktion

Gleichgewichtsträgerkonzentration

Formel

Intrinsischer Halbleiter: Ein reiner Halbleiter, der keine anderen Verunreinigungen und keine Gitterfehler aufweist.

Produkt der Trägerkonzentration

Intrinsische Position des Fermi-Niveaus

1. Wenn die effektive Elektronenmasse des Elektrons und die effektive Elektronenmasse des Lochs gleich sind, liegt das intrinsische Fermi-Niveau genau in der Mitte des verbotenen Bandes.

2. Wenn die beiden phasenverschoben sind, sind die Zustandsdichtefunktion der Leitungsbandelektronen und die Zustandsdichtefunktion der Valenzbandlöcher asymmetrisch. Um die intrinsische Elektronenkonzentration und die intrinsische Lochkonzentration gleich zu machen, muss die Das intrinsische Fermi-Niveau liegt ebenfalls bei. Dementsprechend sollte das Auftreten und die Hyperaktivität nahe der Mitte der verbotenen Zone erfolgen.

3. In der Praxis sind die effektive Masse der Elektronen im Leitungsband und die effektive Masse der Löcher im Valenzband von Halbleitermaterialien nicht gleich. Streng genommen weicht die Position des intrinsischen Fermi-Niveaus vom Zentrum des verbotenen Bandes ab Diesmal ist die Abweichung aus verschiedenen Gründen jedoch sehr gering. In zukünftigen Berechnungen und Anwendungen wird diese Abweichung ignoriert und das intrinsische Fermi-Niveau wird ungefähr in der Mitte des verbotenen Bandes liegend angenommen.

Verunreinigungs-Halbleiterträgerkonzentration mit nur einer Verunreinigung

Donor-Verunreinigungen: entstehen durch die Einführung von Verunreinigungen und werden als Donor-Elektronen bezeichnet, was der Dotierung von Donor-Verunreinigungen entspricht.

Akzeptorverunreinigung: Nach der Dotierung mit anderen Elementen nimmt es Elektronen im Valenzband zur Ionisierung auf und erzeugt Löcher im Valenzband.

Stromneutralitätsbedingung: Alle positiv geladenen Ladungsdichten in einem gleichmäßig dotierten thermisch ausgeglichenen Halbleiter sind gleich allen negativ geladenen Ladungsdichten.

Extrinsischer Halbleiter: Dotierter Halbleiter

Kompensationshalbleiter

Definition: Ein Halbleiter, der sowohl Donor- als auch Akzeptorverunreinigungen enthält.

Einstufung

Kompensationshalbleiter vom P-Typ: Na>Nd

Kompensationshalbleiter vom N-Typ: Na<Nd

Vollkompensierter Halbleiter: Na=Nd

Fermi-Level-Position

1. Das Fermi-Niveau bewegt sich mit zunehmender Dotierungskonzentration auf beide Seiten des verbotenen Bandes.

2. Das Fermi-Niveau ändert sich auch mit der Temperatur. Mit zunehmender Temperatur bewegt sich das Fermi-Niveau sowohl der N-Typ- als auch der P-Typ-Halbleiter näher an die Mitte des verbotenen Bandes. Dieses Ergebnis stimmt mit dem Verhalten von Halbleitern im intrinsischen Anregungsbereich mit der höchsten Temperatur überein, da es erfüllt ist 10=po, daher nähert sich das Fermi-Niveau auch dem intrinsischen Fermi-Niveau, das die Mitte des verbotenen Bandes darstellt.

3. Wenn das Fermi-Niveau in der Mitte des verbotenen Bandes liegt, handelt es sich um einen intrinsischen Halbleiter.

Entarteter Halbleiter

Trägerkonzentration

Klassifizierung: Wenn die Konzentration an dotierten Verunreinigungen gering ist (im Vergleich zu Nc, Nv), spricht man von einem nicht entarteten Halbleiter. Wenn der Grad der dotierten Verunreinigung groß ist (größer als Nc, Nv), spricht man von einem entarteten Halbleiter. Vorausgesetzt, der dazwischen liegende Halbleiter wird als schwach entarteter Halbleiter bezeichnet.

Bandlückenverkleinerungseffekt: Die untere Position des Leitungsbandes wird abgesenkt und die Bandlückenbreite verringert.

Trägertransport

Driftbewegung: Da der Träger geladen ist, bewegt er sich unter der Wirkung des elektrischen Feldes.

Trägerstreuung und Mobilität

Streuung

Streuung ionisierter Verunreinigungen

Gitterschwingungsstreuung

Mobilität versus Temperatur und Dopingkonzentration

Spezifischer Widerstand: ρ=1/σ=1/e (Nμn Pμp)

Sättigungsgeschwindigkeit und starke Feldmobilität

Diffusionsbewegung

Diffusion: Der Prozess, bei dem sich Träger unter dem Einfluss eines Konzentrationsgradienten von einem Bereich mit hoher Konzentration in einen Bereich mit niedriger Konzentration bewegen.

Einstein-Beziehung

Mobilität: Eine Größe, die die Leichtigkeit beschreibt, mit der sich Träger unter dem Einfluss eines externen elektrischen Feldes bewegen.

Diffusionskoeffizient: Eine Größe, die die Leichtigkeit beschreibt, mit der sich Träger unter dem Einfluss von Konzentrationsgradienten bewegen

Einsteins Beziehung ist die Beziehung zwischen Miaos Trägermobilität und dem Diffusionskoeffizienten

überschüssige Träger

Erzeugung und Rekombination von Trägern

Definition

Generation: Generation von Trägern

Rekombination: Verschwinden von Trägern

Produktionsrate und Rekombinationsrate

Generierungsrate: Wie schnell Träger generiert werden

Rekombinationsrate: Wie schnell Träger verschwinden

Quelle: Temperatur, Licht usw.

Faktoren, die die Trägerrekombination beeinflussen: Elektronen, Löcher usw.

Erzeugung und Rekombination von Ladungsträgern im thermischen Gleichgewicht

Trägerrekombination im Nichtgleichgewicht

Natur

Kontinuitätsgleichung

Diffusionsgleichung

Bipolarer Transport und seine Gleichungen

Definition: Überschüssige Elektronen und überschüssige Löcher sind eng miteinander verbunden, um zusammen mit einem einzigen Mobilitäts- oder Diffusionskoeffizienten zu driften oder zu diffundieren.

Bipolare Transportgleichung

Bipolare Transportgleichung bei kleiner Injektion

Für Halbleiter vom P-Typ gelten unter der Annahme von P0>>n0 kleine Injektionsbedingungen: Die überschüssige Ladungsträgerkonzentration ist viel kleiner als die Konzentration der Mehrheitsträgerlöcher im thermischen Gleichgewicht, d. h. p0>>δn=δp. Das Gegenteil gilt für Halbleiter vom N-Typ.

Anwendung

Quasi-Fermi-Niveau

EFn-EFp=qV

PN-Übergang

Entsprechend der Verunreinigungsverteilung auf beiden Seiten der metallurgischen Verbindung

Mutationsknoten (wenn die Konzentration auf einer Seite viel größer ist als auf der anderen Seite – einseitiger Mutationsknoten)

linearer Gefälleübergang

Gleichgewichtsträger

Viele Kinder

P-Bereich: Loch pp0=NA

N-Bereich: Elektron nn0=ND

Kleiner Sohn

P-Bereich: Elektron np0

N-Bereich: Loch pn0

Raumladungsgebiet (N zeigt auf P)

Positiv und negativ ionisierte Verunreinigungen haben gleiche Ladungen

Im Gleichgewichtszustand beträgt die Nettoloch- und Elektronenstromdichte 0 -> Ableitung von Vbi

Allgemeines integriertes Potenzial des PN-Übergangs

Abrupte Verbindung mit eingebautem Potenzial

Bei Raumtemperatur beträgt Si Vbi 0,8 V

Ge Vbi 0,35V

Verarmungsnäherung (Träger vollständig wegdiffundiert) Verarmungsbereich

Die Verteilung des elektrischen Feldes in der Raumladungszone kann aus der Verarmungsnäherung abgeleitet werden

Ableitung der Breite der Verarmungsregion

Verwenden Sie Vbi, um die Breite des Verarmungsbereichs darzustellen

Breite der Verarmungszone der einseitigen Mutationsverbindung

neutrale Annäherung neutrale Zone

Die oben abgeleiteten Formeln für symmetrische PN-Übergänge können auf den Fall erweitert werden, dass eine externe Spannung vorhanden ist. Wenn davon ausgegangen wird, dass die externe Spannung vollständig auf den Verarmungsbereich fällt, muss Vbi in der Formel nur durch Vbi- ersetzt werden. V Hinweis: 1. Die Referenzrichtung der angelegten Spannung ist entgegengesetzt zu Vbi und V<=Vbi 2. Wenn V sich Vbi nähert, entsteht eine große Stromsituation, und der Spannungsabfall im quasi neutralen Bereich kann nicht ignoriert werden.

Energiebanddiagramm des ausgeglichenen PN-Übergangs und Ladungsträgerverteilung im Raumladungsbereich

Energiebanddiagramm

Barrierebereich

Trägerverteilung im Raumladungsbereich

Gleichgewichtsträgerkonzentration

n0(x)

p0(x)

Bewegung von Ladungsträgern im PN-Übergang mit externer Vorspannung

Im Gleichgewicht

Diffusion ist gleich Drift

Vorwärtsvorspannung V>0

Die Barrierenhöhe wird zu q(Vbi-V)

Die Diffusion ist größer als die Drift

Die Potentialbarriere nimmt linear mit der angelegten Spannung ab, aber die Verteilung der Minoritätsträger ändert sich exponentiell mit der Position des Energieniveaus (Boltzmann-Verteilung).

Da die Quelle des Vorwärtsstroms Elektronen aus der N-Region und Löcher aus der P-Region sind, die beide Multiplikatoren sind, ist der Vorwärtsstrom groß.

Vorwärtsstromdichte

Lochstromdichte

Elektronenstromdichte

Rückwärtsvorspannung V<0

Die Barrierenhöhe wird zu q(Vbi-V)

Drift ist größer als Diffusion

Da es in der Nähe der Schnittstelle nur begrenzte Minoritätsträger gibt, erreicht der Rückstrom die Sättigung.

Da die Quelle des Rückstroms der Minoritätsträger ist, ist der Rückstrom sehr klein und gesättigt.

Der Grund, warum der Rückstrom sehr klein und gesättigt ist

Rückstromdichte

Lochstromdichte

Elektronenstromdichte

Ideale Gleichstrom- und Spannungseigenschaften des PN-Übergangs

Lösungsideen

Ohne Berücksichtigung der potenziellen Barrierefläche sind Jn und Jp Konstanten.

Jn(xn)=Jn(-xp)

Jp(xn)=Jp(-xp)

Geburtenverteilung bei Minderheiten

Minoritätsträgerverteilung unter externer Vorspannung, Knotengesetz

Diffusionsstrom

Faktoren, die den Sperrsättigungsstrom beeinflussen

Materialtyp

Dopingkonzentration

Temperatur

Auswirkung der Stromrekombination im Barrierebereich auf die IV-Eigenschaften des PN-Übergangs

Der Barrierebereich erzeugt einen Rekombinationsstrom

nach vorne

J=Jdp Jdn Jr

umkehren

J=Jdp Jdn Jg

Berechnung des zusammengesetzten Stroms

große Injektionswirkung

kleine Injektionsbedingungen

Große Injektionsbedingungen

Große Einspritzstromkonzentration

Selbst aufgebautes elektrisches Feld unter großer Injektion

Metall-Halbleiter-Kontakte und Heteroübergänge

Metallhalbleiterkontakt

Austrittsarbeit von Metallen und Halbleitern

Idealer Metall-Halbleiter-Kontakt

Hinweis: Sperrschicht Anti-Barriere-Schicht

Ideale Halbleiterkontakteigenschaften

Die Leiterleistung der aus Metall und Halbleiter gebildeten Struktur hat nichts mit der externen Vorspannung zu tun und ist stets niederohmig.

Metallhalbleiter verwenden meist Polyonen, und diejenigen, die Polyonen verwenden, sind thermionische Emissionstheorie; Der homogene pn-Übergang nutzt Minderheitsträger und nutzt den Speichereffekt des pn-Übergangs.

Strom-Spannungs-Beziehung

Ohmscher Kontakt: Wenn der Halbleiter mit der positiven Elektrode der Stromversorgung verbunden ist, wird die Energiebandbiegung verringert und Elektronen können die Potentialbarriere leicht passieren und vom Metall zum Halbleiter fließen.

Heteroübergang

Einstufung

Inversions-Heteroübergang

Homoübergang

Sein Energiebanddiagramm

Abrupte Inversion des eingebauten elektrischen Feldes des Heteroübergangs und Breite des Raumladungsbereichs

mutierter Homoübergang

Strom-Spannungs-Eigenschaften von Heteroübergängen

Aktuelles Transportmodell im mutierten Inversions-Heteroübergang

Heteroübergangsbarriere

Strom-Spannungs-Kennlinien des pn-Übergangs mit negativer Peak-Barriere-Mutation: Der Wert des Elektronenstroms ist kleiner als der Wert des Löcherstroms.

Positive Peak-Barriere: An der Heteroübergangsschnittstelle ist die Barriere-Peak-Position des N-Typ-Halbleiters mit großer Bandlücke höher als die Leitungsbandunterseite des P-Typ-Halbleiters mit großer Bandlücke außerhalb des Barrierebereichs.

Aktuelles Transportmodell in mutierten Homoheteroübergängen