半导体物理期末考复习材料.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除福州大学至诚学院09级半导体物理学期末考复习材料信息工程 系 微电子学 专业 1 班 姓名： 陈长彬 学号： 210991803第一章 半导体中的电子状态1.元素半导体 硅 和 锗 都是 金刚石 结构 。2.结构上，金刚石结构由 两套面心立方格子 沿其立方体对角线位移 1/4 的长度套构而成的，3.在四面体结构的共价晶体中，四个共价键是 sp3杂化 。4.第III族元素铝、镓、铟和第V族元素磷、砷、锑组成的 III-V族化合物 。也是正四面体结构，四个共价键也是sp3杂化，但具有一定程度的离子性。是 闪锌矿 结构。5. ZnS、GeS、ZnSe和GeSe等 -族化合物 都可以 闪锌矿型 和 纤锌矿型 两种方式结晶，也是以 正四面体结构 为基础构成的，四个混合共价键也是 sp3 杂化，也有一定程度的离子性。6. Ge、Si的禁带宽度具有 负温度系数 。禁带宽度Eg随温度增加而减小( 负温度系数特性 )7.半导体与导体的最大差别： 半导体的电子和空穴均参与导电 。半导体与绝缘体的最大差别： 在通常温度下，半导体已具有一定的导电能力 。8有效质量的意义 半导体中的电子在外场作用下运动时，外力并不是电子受力的总和，电子一方面受到外电场力的作用，另一方面还和内部的原子、电子相互作用着。电子的加速度应该是 半导体内部势场 和 外电场作用 的综合效果。 为了简化问题，借助有效质量来描述电子加速时内部受到的阻力。引入有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用。使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。有效质量可以通过实验直接测得。 有效质量的大小取决于 晶体内电子与电子周围环境 的作用。9本征半导体：不含 任何杂质 和 缺陷 的半导体。10 回旋共振 的实验是用来测量 有效质量 的。导体、半导体、绝缘体的能带l 能带理论提出：一个晶体是否具有导电性，关键在于它是否有不满的能带存在。l 导体下面的能带是满带，上面的能带是半满带；或者上下能带重叠了一部分，结果上下能带都成了半满带l 绝缘体下面能带（价带）是满带，上面能带（导带）是空带，且禁带宽度比较大。l 半导体下面能带（价带）是满带，上面能带（导带）是空带，且禁带宽度比较小，数量级约在1eV左右。当温度升高或者光照下，满带中的少量电子可能被激发到上面的空带中去。满带中少了一些电子，将出现一些空的量子状态，称为空穴。在半导体中，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电。大题：设晶格常数为a的一维晶格，导带极小值附近能量Ec(k)和价带极大值附近能量Ev(k)分别为: m0为电子惯性质量，k11/2a；a为已知量。试求：禁带宽度；导带底电子有效质量；价带顶电子有效质量；价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化。 解 根据 可求出对应导带能量极小值Emin的k值：代入题中EC式可得： 根据 可求出对应价带能量极大值Emax的k值：代入题中Ev式可得： 动量 第二章 半导体中杂质和缺陷能级1 以As掺入Ge中为例,说明什么是施主杂质,施主杂质电离过程和n型半导体?2半导体硅单晶的介电常数 ，电子和空穴的有效质量各为：利用类氢模型估计：（1）施主和受主电离能; （2）基态电子轨道半径。解： 因此施主和受主电能离各为：半径为3 杂质的补偿作用因为施主杂质和受主杂质之间有相互抵消的作用，通常称为 杂质的补偿作用 。当NDNA时，则NDNA为有效施主浓度； 当NAND时，则NAND为有效受主浓度。 当NAND时，不能向导带和价带提供电子和空穴，称为杂质的高度补偿。利用杂质补偿作用，就能根据需要用扩散或离子注入方法改变半导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件。4 非III、V族杂质在Si、Ge禁带中产生的受主能级和施主能级距离价带顶和导带底较远，称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质。这些深能级杂质能够产生多次电离，每一次电离相应地有一个能级。因此，这些杂质在硅、锗的禁带中往往引入若干个能级。深能级杂质，一般情况下含量极少，而且能级较深，它们对半导体中的导电电子浓度、导电空穴浓度和导电类型的影响没有浅能级杂质显著，但对于载流子的复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称为复合中心。金是一种很典型的复合中心，在制造高速开关器件时，常有意地掺入金以提高器件的速度。 5 两性杂质：既能起施主作用，又能起受主作用的杂质，如III-V族化合物半导体中掺入的硅第三章 半导体中载流子的统计分布1. 1 现有三块半导体硅材料，已知室温下（300K）它们的空穴浓度分别为：2.251016cm-3, 1.51010cm-3, 2.25104cm-3。 分别计算这三块材料的电子浓度； 判断这三块材料的导电类型； 分别计算这三块材料的费米能级的位置。（已知室温时硅的 ）解： 代入计算得电子浓度分别为：1104cm-3, 1.51010cm-3, 11016cm-3。第一块半导体，空穴浓度p电子浓度n （2.251016cm-3 1104cm-3）, 故为p型半导体。即费米能级在禁带中线下0.37eV处。 第二块半导体，n=p= 1.51010cm-3, 故为本征半导体 即费米能级位于禁带中心位置。第三块半导体，pn （2.25104cm-3T2 正向和反向电流密度均随温度上升而增加。 5 p-n结的电容主要包括 势垒电容 和 扩散电容 两部分。6 单边突变结势垒区宽度主要取决于低掺杂一侧的杂质浓度，为什么？ （势垒区内正，负电荷总量相等，掺杂浓度低的，相应的电离杂质浓度也低，需要更大的体积才能获得同样的总量，因此势垒区宽度要宽得多）7 p-n结的击穿机构共有三种：雪崩击穿（与电场强度和势垒区宽度有关）隧道击穿（齐纳击穿）热电击穿（反向饱和电流随温度的升高而迅速增大）8 雪崩击穿机理：破坏性不可逆击穿9 隧道击穿（齐纳击穿）非破坏性可逆击穿10 热电击穿机理分析：破坏性击穿反向电压Vr在p-n结中产生一个反向饱和电流Js ，Js随温度按指数规律上升；热击穿机构对禁带宽度比较小的半导体影响较显著。11 两种击穿机制的主要区别：隧道击穿取决于空间电荷区中电场强度；而雪崩击穿除要求一定的电场外，还需要一定宽度的空间电荷区。隧道击穿电压随温度的升高而减小；而雪崩击穿电压随温度的升高而增加。（隧道击穿：温度升高，电子能量状态更高，则隧穿的几率更大，因而齐纳击穿电压随温度的升高而减小。雪崩击穿：温度升高后，晶格振动加剧，致使载流子运动的平均自由路程缩短，碰撞前动能减小，必须加大反向电压才能发生雪崩击穿） 空间电荷区中光注入的电子（或空穴）影响雪崩击穿，但对隧道击穿无明显作用。一般，击穿电压VB 6Eg/q时是雪崩击穿；VB处于两者之间时两种击穿都存在 。(反向偏压升高，势垒宽度增大，隧道长度变长，不利隧穿)12 两边都是重掺杂的p-n结，又称为隧道结，正向电流由扩散电流和隧道电流两部分构成。例题1：一个硅p-n结二极管具有如下参数ND=1016cm-3，NA=51018 cm-3，p-n结的截面积S=0.01cm2。求室温下，外加电压为0.6V时，流过p-n结的电流。已知室温下硅的本征载流子浓度ni=1.5 1010cm-3，另外n=p=1s，p型区电子的迁移率n= 500cm2/(V.s) ，n型区空穴的迁移率p=180cm2/(V.s) 扩散长度：少子浓度：所以：例题2：一硅突变p-n结的n区掺杂浓度 ，p区掺杂浓度 ，计算下列电压下的势垒区宽度和单位面积上的势垒电容：10V；0V；0.3V。(ni=1.51010cm-3) 解：因为NAND，所以这是p+n结，其势垒宽度其中：外加偏压U后，势垒高度变为VD U ，因而： U=10V时，势垒区宽度和单位面积势垒电容分别为： U=0V时： U=0.3V时：正向偏压下的p-n结势垒电容不能按平行板电容器模型计