半导体物理与器件知识点总结

一、半导体物理知识大纲

? 核心知识单元A：半导体电子状态与能

级（课程基础——掌握物理概念与物理过程、是后面知识的基础）

? ?

半导体中的电子状态（第1章） 半导体中的杂质和缺陷能级（第2章）

? 核心知识单元B：半导体载流子统计分

布与输运（课程重点——掌握物理概念、掌握物理过程的分析方法、相关参数的计算方法）

? ? ?

半导体中载流子的统计分布（第3章） 半导体的导电性（第4章） 非平衡载流子（第5章）

? 核心知识单元C：半导体的基本效应（物

理效应与应用——掌握各种半导体物理效应、分析其产生的物理机理、掌握具体的应用）

? ? ?

半导体光学性质（第10章） 半导体热电性质（第11章） 半导体磁和压阻效应（第12章）

二、半导体物理知识点和考点总结

第一章 半导体中的电子状态

本章各节内容提要：

本章主要讨论半导体中电子的运动状态。主要介绍了半导体的几种常见晶体结构，半导体中能带的形成，半导体中电子的状态和能带特点，在讲解半导体中电子的运动时，引入了有效质量的概念。阐述本征半导体的导电机构，引入了空穴散射的概念。最后，介绍了Si、Ge和GaAs的能带结构。

在1.1节，半导体的几种常见晶体结构及结合性质。（重点掌握）

在1.2节，为

半导体物理考点归纳

一·

1.金刚石

1) 结构特点：

a. 由同类原子组成的复式晶格。其复式晶格是由两个面心立方的子晶格彼此沿其空间对角线位移1/4的长度形成

b. 属面心晶系，具立方对称性，共价键结合四面体。

c. 配位数为4，较低，较稳定。(配位数：最近邻原子数)

d. 一个晶体学晶胞内有4+8*1/8+6*1/2=8个原子。

2) 代表性半导体：IV族的C，Si，Ge等元素半导体大多属于这种结构。

2.闪锌矿

1) 结构特点：

a. 共价性占优势，立方对称性；

b. 晶胞结构类似于金刚石结构，但为双原子复式晶格；

c. 属共价键晶体，但有不同的离子性。

2) 代表性半导体：GaAs等三五族元素化合物均属于此种结构。

3.电子共有化运动：

原子结合为晶体时，轨道交叠。外层轨道交叠程度较大，电子可从一个原子运动到另一原子中，因而电子可在整个晶体中运动，称为电子的共有化运动。

4.布洛赫波： i2 kx 晶体中电子运动的基本方程为： k ( x ) u k ( x ) e ，K为波矢，uk(x)为一个与晶格同周期的周期性函数， uk(x) uk(x na)5.布里渊区：

禁带出现在k=n/2a处，即在布里渊区边界上；

允带出现在以下几个区：

半导体物理知识点及重点习题总结

基本概念题:

第一章半导体电子状态

1、1 半导体

通常就是指导电能力介于导体与绝缘体之间的材料,其导带在绝对零度时全空,价带全满,禁带宽度较绝缘体的小许多。

1、2能带

晶体中,电子的能量就是不连续的,在某些能量区间能级分布就是准连续的,在某些区间没有能及分布。这些区间在能级图中表现为带状,称之为能带。

1、2能带论就是半导体物理的理论基础,试简要说明能带论所采用的理论方法。

答:

能带论在以下两个重要近似基础上,给出晶体的势场分布,进而给出电子的薛定鄂方程。通过该方程与周期性边界条件最终给出E-k关系,从而系统地建立起该理论。

单电子近似:

将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑,这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。

绝热近似:

近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换,而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。

1、2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法

答案:

克龙尼克—潘纳模型就是为分析晶体中电子运动状态与E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型,如下图所示

利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式,进而确定波函数并给出E-k关系。由此得到的能量分布在k空间上

基本概念题：

第一章 半导体电子状态 1.1 半导体

通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料，其导带在绝对零度时全空，价带全满，禁带宽度较绝缘体的小许多。

1.2能带

晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。

1.2能带论是半导体物理的理论基础，试简要说明能带论所采用的理论方法。 答：

能带论在以下两个重要近似基础上，给出晶体的势场分布，进而给出电子的薛定鄂方程。通过该方程和周期性边界条件最终给出E-k关系，从而系统地建立起该理论。 单电子近似：

将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑，这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。 绝热近似：

近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换，而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。

1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法 答案：

克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型，如下图所示

V X 克龙尼克—潘纳模型的势场分布

利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式，进

9金属半导体与半导体异质结

一、肖特基势垒二极管

欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。接触电阻很低。

金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。之间形成势垒为肖特基势垒。

在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。

影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。附图：

电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。

肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。2.开关特性肖特基二极管更好。应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。 二、金属-半导体的欧姆接触

1

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论1现代半导体器件物理与工艺

概论

Physics and Technology of Modern

Semiconductor Devices

2004,7,30

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论2/

课程概论

课程名：现代半导体器件物理与工艺 学分：4

时间：秋季学期1-16周 先修课程：

z 固体物理学z 半导体物理

z

热力学与统计物理学z 量子力学

z 模拟电子技术基础z

数字电子技术基础

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论3/学习目标

掌握半导体物理基本理论

掌握基本器件物理知识 掌握IC制造工艺知识 Pspice建模

了解什么是微电子学和研究什么方面 了解微电子学的过去、现状和未来

初步了解集成电路设计、集成电路CAD方法等基本概念

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论4/

教材和参考资料

半导体器件物理与工艺施敏苏州大学出版社

半导体制造技术Michael Quirk et al. 电子工业出版社 微电子学概论张兴北京大学出版社

固体物理

黄昆高等教育出版社

Handbook of Semiconductor Fabrication Technology New York :Marcel Dekker,

2014/10/16

2.2 PN结的直流电流电压方程PN结在正向电压下电流很大，在反向电压下电流很小，这说明 PN结具有单向导电性，可作为二极管使用。 PN结二极管的直流电流电压特性曲线，及二极管在电路中的符号为

本节的重点 1、中性区与耗尽区边界处的少子浓度与外加电压的关系。这称为“结定律”,并将被用做求解扩散方程的边界条件； 2、PN结两侧中性区内的少子浓度分布和少子扩散电流； 3、PN结的势垒区产生复合电流

P区 -xp xn

N区

2.2.1外加电压时载流子的运动情况平衡 PN结的能带图 P区 N区外加正向电压 V后，PN结势垒高度由 qVbi降为 q(Vbi -V), xd与 Emax减小，使扩散电流大于漂移电流，形成正向电流。外加电场内建电场

EC Ei

EF EVqVbi

EC EF Ei EV

P

N

E

平衡时外加正向电压时面积为 Vbi面积为 Vbi-V

0

x

正向电流密度由三部分组成： 1、空穴扩散电流密度 Jdp (在 N区中推导 ) 2、电子扩散电流密度 Jdn (在 P区中推导 ) 3、势垒区复合电流密度 Jr (在势垒区中推导 ) P区

J J dp J dn J r

Jdp N区

Jdn

势垒高度降低后不能再阻止 N区电子向 P区的扩散及

2014/10/16

2.2 PN结的直流电流电压方程PN结在正向电压下电流很大，在反向电压下电流很小，这说明 PN结具有单向导电性，可作为二极管使用。 PN结二极管的直流电流电压特性曲线，及二极管在电路中的符号为

本节的重点 1、中性区与耗尽区边界处的少子浓度与外加电压的关系。这称为“结定律”,并将被用做求解扩散方程的边界条件； 2、PN结两侧中性区内的少子浓度分布和少子扩散电流； 3、PN结的势垒区产生复合电流

P区 -xp xn

N区

2.2.1外加电压时载流子的运动情况平衡 PN结的能带图 P区 N区外加正向电压 V后，PN结势垒高度由 qVbi降为 q(Vbi -V), xd与 Emax减小，使扩散电流大于漂移电流，形成正向电流。外加电场内建电场

EC Ei

EF EVqVbi

EC EF Ei EV

P

N

E

平衡时外加正向电压时面积为 Vbi面积为 Vbi-V

0

x

正向电流密度由三部分组成： 1、空穴扩散电流密度 Jdp (在 N区中推导 ) 2、电子扩散电流密度 Jdn (在 P区中推导 ) 3、势垒区复合电流密度 Jr (在势垒区中推导 ) P区

J J dp J dn J r

Jdp N区

Jdn

势垒高度降低后不能再阻止 N区电子向 P区的扩散及

习题1

1.1 确定晶胞中的原子数：（a）面心立方；（b）体心立方；(c)金刚石晶格。 解：（a）面心立方： 8个拐角原子×1=1个原子

8 6个面原子×1=3个原子

2 ? 面心立方中共含4个原子

（b）体心立方：8个拐角原子×1=1个原子

8 1个中心原子 =1个原子 ? 体心立方中共含2个原子

（c）金刚石晶格：8个拐角原子×1=1个原子

8 6个面原子×1 =3个原子

2 4个中心原子 =4个原子 ? 金刚是晶格中共含8个原子

1.15 计算如下平面硅原子的面密度：（a）（100），（b）（110），（c）（111）。 解：(a):（100）平面面密度，通过把晶格原子数与表面面积相除得：

面密度=

2个原子?5.43?10?-82=6.78?1014个原子/cm2

4个原子25.43?104个原子35.43?10-8(b):(110)表面面密度=

?-82?=

（ ）半导体中的电子浓度越大，则空穴浓度越小。 （ ）同一种材料中，电子和空穴的迁移率是相同的。 （ ）非简并半导体处于热平衡状态的判据是n0p0=ni2。 （ ）PN结空间电荷区宽度随反偏电压的增大而减小。 （ ）MOSFET只有一种载流子（电子或空穴）传输电流。 （ ）平衡PN结中费米能级处处相等。

（ ）双极性晶体管的放大作用是在工作在饱和区。

（ ）要提高双极晶体管的直流电流放大系数α、β值，就必须提高发射结的注入系数和基区输运系数。

（ ）金属与N型半导体接触，如果金属的功函数大于半导体的功函数则形成欧姆接触，反之形成肖特基势垒接触。

（ ）场效应晶体管的源极和漏极可以互换，双极型晶体管的发射极和集电极也是可以互换的。

1．下列固体中，禁带宽度Eg最大的是（ ）

A金属 B 半导体 C 绝缘体 D超导体

2．受主杂质电离后向半导体提供（ ）

A 空穴 B 电子 C质子 D中子

3．硅中非平衡载流子的复合主要依靠（ ）

A 直接复合 B 间接复合 C 俄歇复合 D直接和间接复合

4．衡量电子填充能级水平的是