半导体物理学复习提纲623汇总.docx

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半导体物理学复习提纲623汇总

、

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20分）

三、简答题（每小题10分，共20分）

四、证明题（10分）（第六章）

五、计算题（20分）（第五章）

第一章半导体中的电子状态

§1.1锗和硅的晶体结构特征

金刚石结构的基本特征

§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

导带底和价带顶附近的E（k）~k关系；

半导体中电子的平均速度；

有效质量的公式：

。

窄带、宽带与有效质量大小

§1.4本征半导体的导电机构空穴

空穴的特征：

带正电；；；

§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

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。

§2.2Ⅲ—Ⅴ族化合物中的杂质能级

杂质的双性行为

第三章半导体中载流子的统计分布

非简并热平衡载流子概念和性质（非简并—玻耳兹曼；统一费米能级；）

§3.1状态密度

定义式：

；

导带底附近的状态密度：

；

价带顶附近的状态密度：

§3.2费米能级和载流子的浓度统计分布

Fermi分布函数：

；

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，费米能级是系统的化学势；2）可看成量子态是否被电子占据的一个界限。

3）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：

；

载流子浓度表达式：

，导带底有效状态密度

，价带顶有效状态密度

载流子浓度的乘积的适用范围。

§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：

；

载流子浓度的乘积；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级的几率是

空穴占据受主能级的几率是

施主能级上的电子浓度为：

受主能级上的空穴浓度为

电离施主浓度为：

电离受主浓度为：

分析判断费米能级随温度及杂质浓度的变化，尤其是饱和区。

§3.5一般情况下的载流子统计分布

分析判断费米能级随温度及杂质浓度的变化，尤其是饱和区。

§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）：

，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：

；

漂移运动；漂移速度；迁移率，单位；

不同类型半导体电导率公式：

§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：

晶格振动的散射：

§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，；

1、电导率、迁移率与平均自由时间的关系。

2、（硅的）电导迁移率及电导有效质量公式：

、

3、迁移率与杂质浓度和温度的关系

§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：

；（掺杂、温度及光照）

本征半导体的电阻率与带隙宽度关系。

不同温区电阻率的变化/不同温区载流子的散射机制。

§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。

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：

§5.2非平衡载流子的寿命

非平衡载流子的衰减、寿命的含义；

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。

。

§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：

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：

◆Δn<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。

3）

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，

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（有效复合中心的特征与效果）。

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）

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

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：

；（单位时间通过单位面积的粒子数）。

2、空穴的扩散电流。

电子的扩散电流

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，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

漂移运动、扩散运动

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

其中

的含义是单位时间单位体积由于扩散而积累的空穴数；的含义是单位时间单位体积由于漂移而积累的空穴数；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。

牵引长度和扩散长度Lp的差别。

；

第六章p-n结

§6.1p-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

§6.2p-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：

p+-n结加正向偏压时，电流电压关系可表示为，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；

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。

§6.3p-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（利用重要结论分析问题）

§6.4p-n结击穿

不同类型半导体的击穿机理分析。

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

§6.5p-n结隧道效应

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

隧道结的特点和优势。

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（p型和n型阻挡层）概念及能带图。

3、表面态对接触势垒的影响

§7