半导体物理学复习提纲2015-6-23

1、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 1.1错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h2k2导带底和价带顶附近的E(k)k关系E(k)-E(0A；2m n半导体中电子的平均速度v=qE； hdk2 .mn h dk有效质量的公式：,=4

2、d4。窄带、宽带与有效质量大小§1.4 1.4本征半导体的导电机构空穴空穴的特征：带正电；mp = -mn; En=-Ep； kp = -k§1.5 回旋共振§1.6 硅和错的能带结构硅和错的能带结构特征：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。硅和错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、错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 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

3、念和性质(非简并一玻耳兹曼；统一费米能级；n0 p0=n2)§ 3.1 态密度定义式：g(E)=dz/dE；* 3/2导带底附近的状态密度： gc(E) =4皿3；)(E Ec )/2 ;h3* 3/2价带顶附近的状态密度： gv(E) :4村3?(ev -E )/2 h§ 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 expE -Ef /k0TFermi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

4、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。E_EfBoltzmann 分布函数：fB(E) =e载流子浓度表达式：Ec'no = E fB(E)gc(E)dE cno = NcexpEf -Eck°T，Nc二22 二 mn kTh3导带底有效状态密度zEv - EfP0 =Nexp k°T二2(2nmpk°Th3价带顶有效状态密度载流子浓度的乘积n0p0 =NcNv expEC - EV=Nc Nv exp的适用范围。§ 3.

5、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:A = n0 = Po =(NcNv)；2 exp 一Eg2k°T ,载流子浓度的乘积n0p0=ni2；它的适用范围§ 3.4 质半导体的载流子浓度电子占据施主杂质能级的几率是fD(E)1 1 expEd - Efk°TfA(E)空穴占据受主能级的几率是Ef -Ea<k°T施主能级上的电子浓度nD为:nD= Nd£d(E)=Nd1 1 expEd - Efk°T受主能级上的空穴浓度Pa为,NaPa =NAfA（E）A一厂1 +-exp1 EF - A2 I k0T，电离施

6、主浓度为:niD = Nd - niD电离受主浓度pA 一为:Pa" = Na - Pa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 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K时简并；2）A Ed小，则杂质浓度M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

7、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 E1 ;I漂移运动；漂移速度vd = H E1;迁移率N ,单位 m2 /V ,或cm2 /V s ;不同类型半导体电导率公式：n n nq± + pqp 4.2 4.2.载流子的散射.半导体中载流子在运动过程中会受到放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工NT斗 品格振动的散射：Ps oc T32 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T ,散射几率P。他们之间的关系,pq2 p*mp1、电导率、迁移率与平均自由时间的关系。_nq n _-n=nqun*

8、； - p = pqupmn22nq p pq p;"nqun pqup*mnmp2、（硅的）电导迁移率及电导有效质量公式:c5 mzmc mc 31mmit3、迁移率与杂质浓度和温度的关系M =AT1_q_ _ _ . * 32 . BNi m 4.4 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：p=1;（掺杂、温度及光照）nqJn pq，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

9、衡载流子§ 5.1 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：.：二 n . nq Jnpq JppqE. Ln+.：p§ 5.2 平衡载流子的寿命 非平衡载流子的衰减、寿命t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，-;T复合率：单位时间、单位体积内净复合消失的电子 -空穴对数。如八§ 5.3 Fermi能级1、“准Fermi能级”概念2、非平衡状态下的载流子浓度:n = NC expEc-EFnp = Nvexp -koTEFp -Ev（n 二 n°n）（p = p。P）n = n0 expp = p。

10、expe；-ef、koT"Ef -Efp=ni exp=ni expEf -Ei< koT .七-EfpkoT3、“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，牛”和Epp偏离Ef越远。2) EFn和EFp偏离Ef的程度不同如n-type半导体no>p。小注入条件下：Anvvno，n=n0+A n, n>n0, n=n。，Epn 比 Ep更靠近导带底，但偏离Ep很小。A p>>po，p=po+A p, p>po，Epp比Ef更靠近价带顶，且比Epn更偏

11、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。EF - eT2 但-e?”3) np =nopo exp exp I koT JI koT J反映了半导体偏离热平衡态的程度。EFn-EFp越大，np越偏离ni2。年三年时,2 np=q o§ 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-、，s_=rnnii俘获空穴过程：空

12、穴俘获率=rppnt发射空穴的过程：空穴产生率=s+(Nt-nt) , s+=rpp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-1cm2)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

13、特点(1)典型的陷阱对电子和空穴的俘获系数 r门和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 An和Ap中，An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

14、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空咆；Sn =_Dn ,吧3 (单位时间通过单位面积dxdx的粒子数)。2、空穴的扩散电流凡I =_qDp空旭。电子的扩散电流旷dxdLn x(Jn 卜=Y& =qDn' 'dx3、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(p0,半导体内部各

15、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:Dn工k0Tqdp§ 5.8 连续性方程式1、连续性方程式的表达式Er：pE E pp exp . cgp其中Dp- 2.x的含义是单位时间单位体积由于扩散而积累的空穴数；-，E至 N pE目的含义是单位时间单位体积由于漂移而积累的空穴数；细p 1cp , Cexex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Lp（，| ）和扩散长度Lp的差别。Lp

16、（|E）=|Eupi ； Lp =Dpr第六章 p-n 结§ 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

17、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JF exp -qV- , m在12<mkoT ； 之间变化，随外加正向偏压而定。正向偏压较小时，m=2 J f0cexp(qV/2k 0T),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, jF8exp(qV/k 0T),扩散电流起主要作用，与理想情 形吻合；正向

18、偏压很大，即大注入时，m=2 Jvexp(qV/2k 0T),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=V+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

19、，以 G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)§ 6.4 p -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

20、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§ 6.5 p-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§ 7.2 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（模型）理论模型一；卬）,1J =Jsd |exp -1一<koT J2、热电子发射理论（模型）I fqVJ =JsT exp -1 J<k0TJ J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？（降低势垒高度）4、肖特基势垒