半导体物理学复习提纲2010-1-5

半导体物理学复习提纲

试卷结构：

一、选择题（每小题2分，共30分） 二、填空题(每空2分，共30分) 三、简答题（2小题，共20分） 四、计算与推导(20分)

计算1题(需要计算器)，推导1题

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第一章 半导体中的电子状态

§1.1 锗和硅的晶体结构特征

§1.2 半导体中的电子状态和能带 电子共有化运动概念

绝缘体、半导体和导体的能带特征。几种常用半导体的禁带宽度； 本征激发的概念

§1.3 半导体中电子的运动 有效质量

h2k2

导带底和价带顶附近的E(k)~k关系E k -E 0 =*；

2mn半导体中电子的平均速度v

dE

； hdk

11d2E

有效质量的公式：* 2。窄带、宽带与有效质量大小 2

mnhdk

§1.4本征半导体的导电机构 空穴

空穴的特征：带正电；m mpn；En Ep；kp kn

§1.5 回旋共振

§1.6 硅和锗的能带结构 硅和锗的能带结构特征： 导带底的位置、个数；

价带结构：价带顶的位置，重空穴带、轻空穴带以及自旋-轨道耦合分裂出来的能带。

硅和锗是间接带隙半导体

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第二章 半导体中杂质和缺陷能级

§2.1 硅、锗晶体中的杂质能级

基本概念：施主杂质，受主杂质，杂质的电离能，杂质的补偿作用。

§2.2 Ⅲ—Ⅴ族化合物中的杂质能级

第三章 半导体中载流子的统计分布

热平衡载流子概念

§3.1状态密度

定义式：g(E) dz/dE；

导带底附近的状态密度：gc(E) 4 V

2mn*

h

3

3/2

E Ec EV

1/2

；

2m 价带顶附近的状态密度：g(E) 4 V

v

*3/2

p

h3

E

1/2

§3.2 费米能级和载流子的浓度统计分布 Fermi分布函数：f(E)

1；

1 exp E EF/k0T

Fermi能级的意义：它和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。1）将半导体中大量的电子看成一个热力学系统，费米能级EF是系统的化学势；2）EF可看成量子态是否被电子占据的一个界限。3）EF的位置比较直观地标志了电子占据量子态的情况，通常就说费米能级标志了电子填充能级的水平。费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子。

Boltzmann分布函数：fB(E) e

E EF

k0T

；

导带底、价带顶载流子浓度表达式：

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n0

Ec

Ec

fB(E)gc(E)dE

2 mkT EF Ec

， Nc 2n0 Ncexp

h3k0T

*n p0

导带底有效状态密度

2 mkT Ev EF

， Nv 2p0 Nvexp

h3k0T

价带顶有效状态密度

E EV

载流子浓度的乘积n0p0 NCNVexp C

k0T

§3.3. 本征半导体的载流子浓度 本征半导体概念；

本征载流子浓度：ni n0 p0 (NCNV)

2

Eg

NNexp 的适用范围。 CV k0T

Eg exp 2kT ；

0

载流子浓度的乘积n0p0 ni；它的适用范围。

§3.4杂质半导体的载流子浓度 电子占据施主杂质能及的几率是

fD(E)

1

ED EF1

1 exp kT20

空穴占据受主能级的几率是

fA(E)

1

EF EA 1

1 exp kT 20

施主能级上的电子浓度nD为：

nD NDfD(E)

ND

ED EF1

1 exp kT20

受主能级上的空穴浓度pA为

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pA NAfA(E)

NA

E EA 1

1 exp F 2kT0

电离施主浓度nD为：nD ND nD 电离受主浓度pA为：pA NA pA 费米能级随温度及杂质浓度的变化

§3.5 一般情况下的载流子统计分布

§3.6. 简并半导体

1、重掺杂及简并半导体概念；

2、简并化条件(n型)：EC EF 0，具体地说：1）ND接近或大于NC时简并；2）ΔED小，则杂质浓度ND较小时就发生简并；3）杂质浓度越大，发生简并的温度范围越宽；4）简并时杂质没有充分电离；5）简并半导体的杂质能级展宽为能带，带隙宽度会减小。

3、杂质能带及杂质带导电。

第四章 半导体的导电性

§4.1 载流子的漂移运动 迁移率

欧姆定律的微分形式：J E；

v E；迁移率 ，单位 m2/V s或cm2/V s； 漂移运动；漂移速度d

不同类型半导体电导率公式： nq n pq p

§4.2. 载流子的散射.

半导体中载流子在运动过程中会受到散射的根本原因是什么？ 主要散射机构有哪些？

电离杂质的散射：P i NiT

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晶格振动的散射：Ps T

§4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系

描述散射过程的两个重要参量：平均自由时间 ，散射几率P。他们之间的关系，

p；

1、电导率、迁移率与平均自由时间的关系。

pq2 pnq2 n

n nqun ; p pqup *

mnm*p nqun pqup

nq2 pm

*

n

pq2 pm

*p

2、(硅的)电导迁移率及电导有效质量公式：

11 12 q n

、 c mc3 mlmt mc

3、迁移率与杂质浓度和温度的关系

q

*BNmAT i

T.

1

§4.4 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 各种半导体的电阻率公式：

1

；

nq n pq p

不同温区电阻率的变化/不同温区载流子的散射机制。计算电阻率。

§4.6 强电场下的效应 热载流子 热载流子概念。

§4.7 多能谷散射 耿氏效应

用多能谷散射理论解释GaAs的负微分电导。

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第五章 非平衡载流子

§5.1 非平衡载流子的注入与复合 非平衡态与非平衡载流子或过剩载流子； 小注入；

附加电导率： nq n pq p pq n p

§5.2非平衡载流子的寿命 非平衡载流子的衰减、寿命 ；

1复合几率：表示单位时间内非平衡载流子的复合几率，；

复合率：单位时间、单位体积内净复合消失的电子-空穴对数。 p。

§5.3 准Fermi能级 1、“准Fermi能级”概念

2、非平衡状态下的载流子浓度：

n

EC EF

n NCexp

kT0 p

EF EV

p NVexp

k0T

(n n0 n)

(p p0 p)

nn

EF EF Ei EF

n n0exp nexp i

kTkT0 0

pp

E EF Ei EF

p p0exp F nexp i

kTkT0 0

3、“准Fermi能级”的含义

1）从（5-10）可以看出，EFn-EF，EF-EFp越大，n和p值越大，越偏离平衡状态。反之也可以说，n和p越大，EFn和EFp偏离EF越远。 2）EFn和EFp偏离EF的程度不同 如n-type半导体n0>p0。小注入条件下：

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Δn<<n0，n=n0+Δn，n>n0，n≈n0，EFn比EF更靠近导带底，但偏离EF很小。

Δp>>p0，p=p0+Δp，p>p0，EFp比EF更靠近价带顶，且比EFn更偏离EF。

可以看出：一般情况下，在非平衡状态时，往往总是多数载流子的准Fermi能级和平衡时的Fermi能级偏离不多，而少数载流子的准Fermi能级则偏离很大。

npnp EF EF EF EF2

3）np n0p0exp nexp i

k0T k0T

反映了半导体偏离热平衡态的程度。EFn-EFp越大，np越偏离ni2。EFn=EFp时，np=ni2。

§5.4. 复合理论

非平衡载流子复合的分类以及复合过程释放能量的方式 1、直接复合 2、间接复合

定量说明间接复合的四个微观过程： 俘获电子过程：电子俘获率=rnn(Nt-nt) 发射电子过程：电子产生率=s-nt，s rnn1 俘获空穴过程：空穴俘获率=rppnt

发射空穴的过程：空穴产生率=s+(Nt-nt)，s+=rpp1 有效复合中心能级的位置为禁带中线附近。 3、表面复合

1）表面复合率：单位时间内通过单位面积复合掉的电子-空穴对数Us(s-1cm-2) 表明复合速度

2）为什么说非平衡载流子的寿命是“结构灵敏”的参数？ 4、俄歇复合

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概念：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更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量常以声子形式放出，这种复合被称为俄歇复合。-----非辐射复合

§5.5. 陷阱效应。

1、陷阱效应、陷阱、陷阱中心 2、最有效陷阱的特点

(1) 典型的陷阱对电子和空穴的俘获系数rn和rp必须有很大差别。 (2) 少数载流子的陷阱效应更显著

(3) 一定的杂质能级能否成为陷阱，还决定于能级的位置。并说明电子和空穴陷阱的能级位置。

3、比较陷阱中心和复合中心的异同。

4、陷阱中心的存在，对非平衡载流子的寿命有很大影响，进而影响寿命的测量。实验中，如何消除这种影响？

在脉冲光照的同时，再加上恒定的光照，使陷阱始终处于饱和状态。例如，测量非平衡电子的寿命，用恒定光照射半导体，使陷阱中始终填满电子。再用脉冲光照射半导体，这时，产生的Δn和Δp中，Δn中的电子就不会再被陷阱俘获。这就相当于在电子行进的道路上有陷阱，有些电子就会掉进陷阱里，很难出来，而耽误了与空穴相遇复合，延长了电子-空穴相遇复合所需要的时间。但现在，先用恒定的光照在半导体上，产生的电子将陷阱填满，即将道路填平，达到另一个平衡态，再用脉冲光照射半导体，测量非平衡载流子寿命。

§5.6. 载流子的扩散运动。 1、扩散流密度：Sp Dp的粒子数）。

2、空穴的扩散电流

d p x d n x

S D ；n（单位时间通过单位面积n

dxdx

J

p扩

qDp

d p(x)

。电子的扩散电流dx

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Jn 扩 qSn qDn

d n x

dx

3、光注入下的稳定扩散：

稳定扩散：若用恒定光照射样品，那么在表面处非平衡载流子浓度保持恒定值

p 0，半导体内部各点的空穴浓度也不随时间改变，形成稳定的分布。这叫稳

定扩散。

稳态扩散方程及其解。

§5.7. 载流子的漂移运动 爱因斯坦关系 爱因斯坦关系的表达式：

§5.8. 连续性方程式 1、连续性方程式的表达式

Dn

n

Dk0TkT

，p 0 q pq

p p x p p

Dp E p gp pp2 t x x x

2

E

其中

2p x

的含义是单位时间单位体积由于扩散而积累的空穴数；Dp

2 x

p p

的含义是单位时间单位体积由于漂移而积累的空穴数； pE pp

x x的含义是单位时间单位体积由于复合而消失的电子-空穴对数。 2、稳态连续性方程及其解

3、连续性方程式的应用。

牵引长度LPE和扩散长度Lp的差别。

E

LpE Eup ；Lp

第六章 p-n结

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§6.1 p-n结及其能带图 1、p-n结的形成和杂质分布 2、空间电荷区 3、p-n结能带图 4、p-n结接触电势差 5、p-n结的载流子分布

§6.2 p-n结的电流电压特性 1、非平衡状态下的p-n结 非平衡状态下p-n结的能带图

2、理想p-n结模型及其电流电压方程式 理想p-n结模型 1) 小注入条件

2) 突变耗尽层近似：电荷突变、结中载流子耗尽(高阻)、电压全部降落在耗尽层上、耗尽层外载流子纯扩散运动；

3) 不考虑耗尽层中载流子的产生与复合作用；

4) 玻耳兹曼边界条件：在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。 理想p-n结的电压方程式，相应的J-V曲线。并讨论p-n结的整流特性。 3、影响p-n结的电流电压特性偏离理想方程的各种因素

理想p-n结的电流是少数载流子扩散形成的。但实际上还存在复合电流、大注入效应、体电阻效应以及产生电流，使得实际电流-电压特性偏离理想情形。归纳如下：

qV

p+-n结加正向偏压时，电流电压关系可表示为JF exp

mk0T

，m在1~2

之间变化，随外加正向偏压而定。

正向偏压较小时，m=2， JF∝exp(qV/2k0T)，势垒区的复合电流起主要作用，偏离理想情形；

正向偏压较大时，m=1，JF∝exp(qV/k0T)，扩散电流起主要作用，与理想情形吻合；

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正向偏压很大，即大注入时，m=2，JF∝exp(qV/2k0T)，偏离理想情形； 在大电流时，还必须考虑体电阻上的电压降VR’，于是V=VJ+Vp+VR’，忽略电极上的压降，这时在p-n结势垒区上的电压降就更小了，正向电流增加更缓慢。

在反向偏压下，因势垒区中的产生电流，从而使得实际反向电流比理想方程的计算值大并且不饱和。

§6.3 p-n结电容 1、p-n结电容的来源

势垒电容：p-n结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区中的“存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。这种p-n结的电容效应称为势垒电容，以CT表示。 扩散电容：外加电压变化时，n区扩散区内积累的非平衡空穴和与它保持电中性的电子数量变化，同样，p区扩散区内积累的非平衡电子和与它保持电中性的空穴也变化。这种由于扩散区的电荷数量随外加电压变化所产生的电容效应，称为p-n结的扩散电容。用符号CD表示。 2、突变结的势垒电容 p-n结宽度，电荷分布

§6.4 p-n结击穿 1、雪崩击穿

2、隧道击穿(或齐纳击穿)

隧道击穿是在强反向电场作用下，势垒宽度变窄，由隧道效应，使大量电子从p区的价带穿过禁带而进入到n区导带所引起的一种击穿现象。因为最初是由齐纳提出来解释电介质击穿现象的，故叫齐纳击穿。重掺杂的半导体形成的p-n结更容易发生隧道击穿。 3、热电击穿

不同类型半导体的击穿机理

§6.5 p-n结隧道效应

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1、隧道结及其电流电压特性

什么是隧道结，隧道结的电流电压特性。 2、隧道结热平衡时的能带图 3、隧道结电流电压特性的定性解释

第七章 金属和半导体的接触

§7.1. 金属半导体接触及其能带图 1、金属和半导体的功函数 定义式 2、接触电势差 阻挡层概念及能带图。 3、表面态对接触势垒的影响

§7.2. 金属半导体接触整流理论

一、以n型、p型阻挡层为例定性说明阻挡层的整流特性 n型(p型)阻挡层的判断；表面势、能带弯曲情况 二、定量得出阻挡层伏-安特性表达式 1、扩散理论 理论模型

qVJ JSD exp

k0T

1

2、热电子发射理论

qV

J JsT exp

k0T

1

两种模型的适用范围

3、镜象力和隧道效应是如何影响M-S接触整流特性的？

4、肖特基势垒二极管与p-n结二极管相比较，有哪些优点和用途？

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§7.3. 少数载流子的注入和欧姆接触 1、少数载流子的注入(正向偏压下) 2、欧姆接触

什么是欧姆接触？能否通过选择合适的金属来形成欧姆接触？如何制作欧姆接触？

第八章 半导体表面与MIS结构

§8.1 表面态

§8.2表面电场效应 理想MIS结构

1、空间电荷层及表面势

熟练分析多子积累、耗尽和反型情况下，金属端所加的电压大小和方向、半导体表面势的大小和所带电荷、能带弯曲情况。 2、表面空间电荷层的电场、电势和电容

由p型半导体构成的MIS结构，在半导体表面处于耗尽状态时，用“耗尽层近似”推导出耗尽层宽度xd和空间电荷面密度Qs随表面势Vs的变化。(设p型半导体是均匀掺杂的，杂质浓度为NA。)

§8.3. MIS结构的电容-电压特性 1、理想MIS结构的电容-电压特性

111C1 ,

CCC0CSC01 0Cs

画出由p型半导体构成的MIS结构的C-V图。标出积累、平带、反型的大致区间。并说明为什么积累和反型(VG低频)时MIS结构的电容等于绝缘层电容？为什么金属端所加电压VG高频变化时会出现最小电容值？ 2、金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性的影响

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3、绝缘层中电荷对MIS结构C-V特性的影响

VFB

xQ

d0c0

VFB

1

C

d0

xp x

dx d0

§8.4 硅—二氧化硅系统的性质 1、二氧化硅中的可动离子 熟练掌握BT实验。 2、SiO2层中的固定表面电荷 3、在Si-SiO2界面处的快界面态 4、SiO2中的陷阱电荷

第九章

§9.1. 异质结及其能带图 异质结的分类及表示方法 §9.4. 半导体超晶格

什么是超晶格？生成超晶格的技术。

异质结

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/i9pi.html