半导体物理(刘恩科第七版)复习重点

1、复习课2007.11.1半导体物理学半导体物理学电子科学与技术系 周维龙复习课试卷结构试卷结构考试时间考试时间: 100 分钟分钟 满分：100分一、填空题 (每空1分，共20分)二、选择题（每小题2分，10分）三、解答题（每小题9分、共18分）四、计算题（每小题13分、共52分）复习课第一章第一章 半导体中的电子状态半导体中的电子状态v 晶体结构与共价键金刚石型结构闪锌矿型结构纤锌矿型结构氯化钠型结构复习课能级与能带能级与能带电子在原子核势场和其他电子作用下分列在不同能级相邻原子壳层形成交叠原子相互接近 形成晶体共有化运动v 共有化运动：由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可

2、以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动v 只有外层电子共有化运动只有外层电子共有化运动最显著最显著复习课能级分裂能级分裂复习课能带形成能带形成满带或价带导带复习课半导体中电子状态和能带半导体中电子状态和能带晶体中的电子VSVS自由电子严格周期性重复排列的原子间运动恒定为零的势场中运动单电子近似单电子近似：晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场 以及其他大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期变化的， 并且它的周期与晶格周期相同。复习课半导体中的电子运动半导体中的电子运动v 半导体中E(k)与k的关系 2022dd210kkEEkEk kEhdd1

3、222*nddkEhm v 电子速度与能量关系v 电子有效质量复习课有效质量的意义：有效质量的意义：fa1、概括了半导体内部势场的作用2、a是半导体内部势场和外电场作用的综合效果3、直接将外力与电子加速度联系起来*nm复习课常见半导体能带结构常见半导体能带结构v直接带隙：砷化镓v间接带隙：硅、锗复习课第二章第二章 半导体中的杂质和缺陷能级半导体中的杂质和缺陷能级v所处位置不同：替位式杂质、间隙式杂质v所处能级不同：施主杂质、受主杂质施放电子而产生导电电子并形成正电中心接受电子成为负电中心复习课第三章第三章 半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布热平衡状态低能量的量子态高能量的量子态产

4、生电子空穴对使电子空穴对 不断减少热平衡载流子：处于热平衡状态下的导电电子和空穴复习课状态密度状态密度v 状态密度：能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数。 EZEgdd状态密度的计算：为简单起见，考虑等能面为球面的情况 21c323*nc24ddEEhmVEZEg复习课费米能级与分布函数费米能级与分布函数v 费米分布函数：（描述热平衡状态下，电子在允许的量子态上如何分布） )exp(110TkEEEfFv T=0K时，若EEF，则f (E)=0标志了电子填充能级的水平E-EFk0T复习课玻尔兹曼分布函数玻尔兹曼分布函数条件：E-EFk0T TkEEBFeEf0费米统计分布：受到泡利不相容

5、原理限制玻尔兹曼分布：泡利原理不起作用复习课v 导带电子浓度( )cdZgE dE能量E到E+dE之间的量子态电子占据能量为E的量子态几率将所有能量区间中电子数相加除以半导体体积导带电子浓度n0( )f E( )( )ccEcEf E gE dEV* 3/23/21/200300(2)4()exp()xncFmEEnk Txe dxhk T载流子浓度是与温度、杂质数量及种类有关的量复习课载流子浓度乘积载流子浓度乘积n0p0v 与费米能级无关v 只决定与温度T，与所含杂质无关v 适用于热平衡状态下的任何半导体v 温度一定， n0p0一定g00cv0expEn pN Nk TNc：导带有效状态密度

6、Nv：价带有效状态密度复习课杂质半导体中的载流子浓度杂质半导体中的载流子浓度 TkEEEf0FDDexp2111 TkEEEf0AFAexp21110( )11exp()2DDDDDFNnN fEEEk T电子占据施主能级的几率：空穴占据受主能级的几率：施主能级上的电子浓度电离施主浓度DDDnNn复习课n型硅中电子浓度与温度关系型硅中电子浓度与温度关系v五个区 低温弱电离区 中间电离区 强电离区 过渡区 高温本征激发区v各区特点及变化趋势复习课v掺有某种杂质的半导体的载流子浓度和费米能级由温度和杂质浓度所决定。v在杂质半导体中，费米能级的位置不但反映了半导体导电类型，而且还反映了半导体的掺杂水

7、平。复习课第四章第四章 半导体的导电性半导体的导电性v 漂移运动：电子在电场力作用下的运动v 迁移率：单位场强下电子的平均漂移速度|dE电导率电流密度/|n pn pJnqE/n pn pnq复习课散射及散射机构散射及散射机构v 平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程v 散射机构 （1）电离杂质散射3/2iiPN T （2）晶格振动散射声学波光学波 （3）其他散射：能谷散射、中性杂质散射、位错散射23TP 长纵声学波在长声学波中起主要作用复习课电阻率与温度的关系电阻率与温度的关系载流子主要由电离杂质提供杂质全部电离，晶格振动散射上升为主要矛盾本征激发成为主要矛盾复习课强电场效应强电场效应

8、v现象：偏离欧姆定律v解释：从载流子与晶格振动散射时的能量交换过程来说明复习课第五章第五章 非平衡载流子非平衡载流子施加外界作用偏离热平衡态产生非平衡载流子破坏热平衡条件比平衡态多出来一部分载流子复习课非平衡载流子非平衡载流子n = n n0p = p p0n：非平衡态下的电子浓度p：非平衡态下的空穴浓度n0：平衡态下的电子浓度p0：平衡态下的电子浓度非平衡载流子的复合非平衡载流子的复合：当半导体由非平衡态恢复为平衡态，过剩载流子消失的过程。复习课准费米能级准费米能级v 当半导体处于非平衡状态，不再具有统一的费米能级，引入准费米能级niFi0expEEnnk T非平衡态下电子浓度：非平衡态下空

9、穴浓度：piFi0expEEpnk T复习课复合理论复合理论v直接复合 电子在导带和价带之间的直接跃迁v间接复合 非平衡载流子通过复合中心的复合间接复合的四个过程间接复合的四个过程过程前过程前过程后过程后复习课陷阱效应陷阱效应(熟悉概念熟悉概念)v杂质能级积累非平衡载流子的作用v陷阱：具有显著效应的杂质能级v陷阱中心：相应的杂质和缺陷复习课载流子的扩散运动载流子的扩散运动稳定扩散的条件： 单位时间在单位体积内 积累的载流子由于复合而消失的载流子p22pddpxpD空穴扩散系数非平衡少数载流子的寿命非平衡少数载流子浓度复习课爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式(意义，推导意义，推导)v 从理论上找到扩散

10、系数和迁移率之间的定量关系nnn()0JJJ漂扩（ ）迁移率电场作用下运动的难易程度扩散系数存在浓度梯度下载流子运动的难易程度0nnp0p:k TDqDk Tq电子空穴nnn()0JJJ漂扩（ ）复习课第六章第六章 p-n结结1、内建电场结果2、费米能级相等标志了载流子的扩散电流和漂移电流互相抵消复习课p-n结接触电势差结接触电势差VD20lniADDnNNqTkV VD和p-n结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关。在一定温度下，突变结两边的掺杂浓度掺杂浓度越高，接触电势差VD越大； 禁带宽度禁带宽度越大，ni越小，接触电势差VD越大；复习课p-n结电流电压特性结电流电压特性正向偏压下正

11、向偏压下p-n结的费米能级结的费米能级复习课反向偏压下反向偏压下p-n结的费米能级结的费米能级复习课p-n结隧道效应结隧道效应v原理及描述v重掺杂的p区和n区形成的p-n结称为隧道结复习课第七章第七章 金属和半导体接触金属和半导体接触v 功函数v 电子亲和能金属和金属和n型半导体接触能带图（型半导体接触能带图（WmWs）（a）接触前；（）接触前；（b）间隙很大；）间隙很大； （c）紧密接触；（）紧密接触；（d）忽略间隙）忽略间隙电势降落在空间电荷区和金属半导体表面之间电子的流向复习课两种金半接触两种金半接触v欧姆接触 不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子发生显著的变化。v整流

12、接触复习课模拟题：模拟题：一、填空题 (每空1分，共20分)1、金刚石结构中，每个原子周围都有（ ）最近邻的原子，组成一个（ ）；2、固体按其导电性可分为（ ）、（ ）和（ ）；3 、 在 电 场 强 度 不 是 太 大 时 ， 半 导 体 的 电 导 率 为（ ）；复习课二、选择题：二、选择题：1、在某半导体掺入硼的浓度为1014cm-3, 磷为1015 cm-3，则该半导体为（B）半导体；其有效杂质浓度约为（ E ）。A. 本征， B. n型， C. p型， D. 1.11015cm-3, E. 91014cm-32、 当半导体材料处于热平衡时，其电子浓度与空穴浓度的乘积为（ B ），并且

13、该乘积和（E、F ）有关，而与（ C、D ）无关。A、变化量； B、常数； C、杂质浓度； D、杂质类型； E、禁带宽度； F、温度3、在一定温度下，对一非简并n型半导体材料，减少掺杂浓度，会使得（ C ）靠近中间能级Ei； 如果增加掺杂浓度，有可能使得（ C ）进入（ A ），实现重掺杂成为简并半导体。A、Ec； B、Ev； C、EF； D、Eg； E、Ei。复习课三、简答题：三、简答题：1、用能带图分别描述直接复合、间接复合过程。2、试画出中等掺杂的Si的电阻率随温度变化的曲线，并分析解释各段对应的原因和特点。3、分别画出导体、半导体、绝缘体的能带图示意图。4、什么叫浅能级杂质？复习课四、

14、计算题：四、计算题：1、室温下Ge中掺入锑的浓度为1014cm-3，设杂质全电离，且n=2600cm2/Vs，p=1300cm2/Vs，已知本征载流子浓度ni=2.51013cm-3，试求：（1）室温下电子和空穴浓度；（2）室温下该材料的电阻率。复习课掺杂浓度为ND=1016cm-3的n型单晶硅材料和金属Au接触，忽略表面态的影响，已知：WAu=4.20eV, n=3.0eV, Nc=1019cm-3,ln103=6.9 在室温下kT=0.026eV, 半导体介电常数r=12, 0=8.85410-12 F/m，q=1.610-19 库，试计算：（1）半导体的功函数； (2) 在零偏压时，半导体表面的势垒高度； (3) 半导体表面的势垒宽度。复习