《半导体物理》(科目代码879)考试大纲 .doc
《半导体物理》(科目代码879)考试大纲
特别提醒：本考试大纲仅适合2019年硕士研究生入学考试。
1．考研建议参考书目
《半导体物理学》(第7版)，刘恩科编著，电子工业出版社。
2．基本要求
（1）知晓Si、GaAs、InP、GaN、SiC等半导体材料的晶格结构、能带特点。
（2）掌握晶体材料能带产生的原因，明确导体、半导体、绝缘体的能带特点，掌握半导体中电子的状态和能带；掌握布里渊区、有效质量、空穴等概念及其意义。
（3）掌握半导体中杂质所引入的能级，掌握施主杂质、受主杂质、杂质的补偿、等电子陷阱、深能级杂质等概念，熟悉点缺陷、位错等概念。
（4）掌握半导体中载流子的统计分布，明确费米能级的意义，明确玻耳兹曼近似的条件与简并化条件，掌握电子浓度和空穴浓度的计算公式，明确载流子浓度乘积的特性；了解低温载流子冻析效应、禁带变窄效应等概念。
（5）掌握本征半导体与非本征半导体的载流子分布的特点、基本关系式、温度特性等，明确多子与少子的概念与特性。
（6）掌握载流子迁移率的概念和意义，熟悉载流子散射及其对迁移率的影响；掌握电导率与迁移率和载流子浓度的关系，掌握温度在其中的作用规律；明确强电场下载流子的运动特点，熟悉多能谷散射与耿氏效应。
（7）掌握载流子的复合与产生、非平衡载流子的寿命、准平衡与准费米能级；熟悉复合理论，明确复合中心与陷阱的特点。。
（8）掌握爱因斯坦关系、连续性方程，掌握非平衡载流子在电场作用下的运动特点。
（9）掌握pn结形成机制、能带图、结电容，掌握空间电荷区、接触电势差等基本概念；熟悉pn结电流电压特性，了解pn结电流电压特性偏离理想方程的因素；熟悉pn结击穿特点、pn结隧道效应等概念。
（10）掌握金属与半导体接触下的能级图、接触电势差，掌握表面态对接触势垒的影响，熟悉肖特基二极管概念，熟悉其与pn二极管的不同。
（11）熟悉MIS结构的基本特点，熟悉半导体异质结构的产生。
（12）掌握霍耳效应，了解半导体发光的基本原理。
半导体物理带图
施主与受主:半导体中掺入施主杂质后,施主电离后将成为带正电离子,并同时向导带提供电子,这种杂质就叫施主;半导体中掺入受主杂质后,受主电离后将成为带负电的离子,并同时向价带提供空穴,这种杂质就叫受主.直接带隙与间接带隙:直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在k 空间中同一位置.间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k 空间中不同位置.简并与非简并半导体:简并半导体:掺杂浓度高,对于n 型半导体,其费米能级EF 接近导带或进入导带中;对于p 型半导体,其费米能级EF 接近价带或进入价带中的半导体.非简并半导体:掺杂浓度较低,其费米能级EF 在禁带中的半导体.少子与多子:半导体中有电子和空穴两种载流子.半导体材料中某种载流子占大多数,则称它为多子,另一种为少子.表面重构与表面弛豫:其表面的分子链、链段和基团会随着环境改变而重新排列以适应环境的变化,使界面能最低达到稳定状态.表面为了适应环境从一个状态到另一个状态的变化过程,称表面重构.空穴与空位:在电子挣脱价键的束缚成为自由电子后,其价键中所留下的空位.一个空穴带一个单位的正电子电量.空位:晶体中的原子或离子由于热运动离开了原来的晶格位置后而留下的.少子寿命与扩散长度:非平衡载流子的平均生存时间,扩散长度则是非平衡载流子深入样品的平均距离.杂质与杂质能级:杂质,半导体中存在的于本体元素不同的其他元素.半导体材料的电磁性质可以通过掺入不同类型和浓度的杂质而加以改变,半导体中的杂质或缺陷可以在禁带中形成电子的束缚能级,称为杂质能级.本征半导体:纯净的,不含任何杂质和缺陷的半导体.杂质带导电:杂质能带中的电子通过杂质电子之间的共有化运动参加导电的现象称为杂质导电.电中性条件:电中性条件是半导体在热平衡情况下,它的内部所必须满足的一个基本条件.电中性条件即是说半导体内部总是保持为电中性的,其中没有多余的空间电荷,即处处正电荷密度等于负电荷密度.禁带窄化效应:杂质能带进入导带或价带,并与导带或价带相连,形成新的简并能带,使能带的状态密度发生了变化,简并能带的尾部伸入到禁带中,称为带尾,导致禁带宽度由Eg 减小到Eg ’,所以重掺杂时,禁带宽度变窄了,称为禁带变窄效应.负阻效应 直接复合与间接复合:直接复合:导带电子和价带空穴之间直接跃迁复合.间接复合:导带电子通过复合中心（禁带中的能级）和价带空穴间接复合. 什么叫浅能级杂质?它们电离后有何特点?答:浅能级杂质是指杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质.它们电离后将成为带正电（电离施主）或带负电（电离受主）的离子,并同时向导带提供电子或向价带提供空穴.漂移运动与扩散运动之间有什么联系?非简并半导体的迁移率与扩散系数之间有什么联系?解:漂移运动与扩散运动之间通过迁移率与扩散系数相联系.而非简并半导体的迁移率与扩散系数则通过爱因斯坦关系相联系,二者的比值与温度成反比关系,即q 0=μ.何谓非平衡载流子?非平衡状态与平衡状态的差异何在?解:半导体处于非平衡 态时,附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度,额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子.通常所指的非平衡载流子是指非平衡少子.热平衡状态下半导体的载流子浓度是一定的,产生与复合处于动态平衡状态,跃迁引起的产生、复合不会产生宏观效应.在非平衡状态下，额外的产生、复合效应会在宏观现象中体现出来.何谓迁移率?影响迁移率的主要因素有哪些?解:迁移率是单位电场强度下载流子所获得的漂移速率.影响迁移率的主要因素有能带结构（载流子有效质量）温度和各种散射机构.何谓本征半导体?为什么制造半导体器件一般都用含有适当杂质的半导体材料?完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体.杂质能够为半导体提供载流子,对半导体材料的导电率影响极大.简要说明什么是载流子的漂移运动,扩散运动和热运动?他们有何不同?解:载流子因浓度差而引起的扩散运动;在电场力作用下载流子的漂移运动;由外加温度引起的载流子的热运动等.热运动:在没有任何电场作用时,一定温度下半导体中的自由电子和空穴因热激发所产生的运动是杂乱无障的,好像空气中气体的分子热运动一样.由于是无规则的随机运动,合成后载流子不产生定向位移,从而也不会形成电流.漂移运动:在半导体的两端外加一电场E,载流子将会在电场力的作用下产生定向运动.电子载流子逆电场方向运动,而空穴载流子顺着电场方向运动.从而形成了电子电流和空穴电流,它们的电流方向相同.所以,载流子在电场力作用下的定向运动称为漂移运动,而漂移运动产生的电流称漂移电流.扩散运动: 在半导体中,载流子会因浓度梯度产生扩散.如在一块半导体中,一边是N 型半导体,另一边是P 型半导体,则N 型半导体一边的电子浓度高,而P 型半导体一边的电子浓度低.反之,空穴载流子是P 型半导体一边高,而N 型半导体一边低.由于存在载流子浓度梯度而产生的载流子运动称为扩散运动.就你在任何知识渠道所获得的信息，举出一个例子来说明与半导体物理相关的最新知识进展。简述pn 结的形成及平衡pn 结的特点.将P 型半导体与N 型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成PN 结.PN 结具有单向导电性.在半导体中,费米能级标志了什么?它与哪些因素有关?系统处于热平衡状态,也不对外做功时,系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化.其标志了电子填充能级的水平.温度,半导体材料的导电类型,杂质的含量,能量零点的选取等.简述浅能级杂质和深能级杂质的主要区别.解:深能级杂质在半导体中起复合中心或陷阱的作用.浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用.浅能级杂质就是指在半导体中、其价电子受到束缚较弱的那些杂质原子,往往就是能够提供载流子—电子或空穴的施主、受主杂质;它们在半导体中形成的能级都比较靠近价带顶或导带底,因此称其为浅能级杂质.深能级杂质:杂质电离能大,施主能级远离导带底,受主能级远离价带顶.深能级杂质有三个基本特点:一是不容易电离,对载流子浓度影响不大.二是一般会产生多重能级,甚至既产生施主能级也产生受主能级.三是能起到复合中心作用,使少数载流子寿命降低.四是深能级杂质电离后以为带电中心,对载流子起散射作用,使载流子迁移率减小,导电性能下降.简述金半结的形成过程及金半结接触的类型.轻掺杂半导体上的金属与半导体形成整流接触,其接g 半导体中出现成对的电子-空穴对.如果温度升高,则禁带宽度变窄,跃迁所需的能量变小,将会有更多的电子被激发到导带中. 试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因.解:电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带,即允带和禁带.温度升高,则电子的共有化运动加剧,导致允带进一步分裂,变宽;允带变宽,则导致允带与允带之间的禁带相对变窄.反之,温度降低,将导致禁带变宽.因此,Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数. 试指出空穴的主要特征.解:空穴是未被电子占据的空量子态,被用来描述半满带中的大量电子的集体运动状态,是准粒子.主要特征如下:A 、荷正电:+q;B 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）;C 、E P =-E n ;D 、m P *=-m n *.简述Ge 、Si 和GaAS 的能带结构的主要特征.解: Ge 、Si: a ）Eg (Si ：0K) = 1.21eV ；Eg (Ge ：0K) = 1.170eV ； b ）间接能隙结构c ）禁带宽度E g 随温度增加而减小； GaAs a ）E g （300K ）= 1.428eV ，Eg (0K) = 1.522eV ；b ）直接能隙结构；c ）Eg 负温度系数特性： dE g /dT = -3.95×10-4eV/K ；什么叫浅能级杂质?它们电离后有何特点?解:浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质.它们电离后将成为带正电（电离施主）或带负电（电离受主）的离子,并同时向导带提供电子或向价带提供空穴. 什么叫施主?什么叫施主电离?施主电离前后有何特征?试举例说明之,并用能带图表征出n 型半导体.解:半导体中掺入施主杂质后,施主电离后将成为带正电离子,并同时向导带提供电子,这种杂质就叫施主.施主电离成为带正电离子（中心）的过程就叫施主电离.施主电离前不带电,电离后带正电.例如,在Si 中掺P,P 为Ⅴ族元素,本征半导体Si 为Ⅳ族元素,P 掺入Si 中后,P 的最外层电子有四个与Si 的最外层四个电子配对成为共价电子,而P 的第五个外层电子将受到热激发挣脱原子实的束缚进入导带成为自由电子.这个过程就是施主电离.n 型半导体的能带图如图所示:其费米能级位于禁带上方. 什么叫受主?什么叫受主电离?受主电离前后有何特征?试举例说明之,并用能带图表征出p 型半导体.解:半导体中掺入受主杂质后，受主电离后将成为带负电的离子,并同时向价带提供空穴,这种杂质就叫受主.受主电离成为带负电的离子（中心）的过程就叫受主电离.受主电离前带不带电,电离后带负电.例如,在Si 中掺B,B 为Ⅲ族元素,而本征半导体Si 为Ⅳ族元素,P 掺入B 中后,B 的最外层三个电子与Si 的最外层四个电子配对成为共价电子,而B 倾向于接受一个由价带热激发的电子.这个过程就是受主电离.p 型半导体的能带图如图所示:其费米能级位于禁带下方.掺杂半导体与本征半导体之间有何差异?试举例说明掺杂对半导体的导电性能的影响.解:在纯净的半导体中掺入杂质后,可以控制半导体的导电特性.掺杂半导体又分为n 型半导体和p 型半导体.例如,在常温情况下,本征Si 中的电子浓度和空穴浓度均为1.5╳1010cm -3.当在Si 中掺入1.0╳1016cm -3 后,半导体中的电子浓度将变为1.0╳1016cm -3,而空穴浓度将近似为2.25╳104cm -3.半导体中的多数载流子是电子,而少数载流子是空穴.两性杂质和其它杂质有何异同?解:两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的杂质.如Ⅲ-Ⅴ族GaAs 中掺Ⅳ族Si.如果Si 替位Ⅲ族As,则Si 为施主;如果Si 替位Ⅴ族Ga,则Si 为受主.所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关.深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响?解:深能级杂质在半导体中起复合中心或陷阱的作用.浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用.何谓杂质补偿?杂质补偿的意义何在?当半导体中既有施主又有受主时,施主和受 画出Si 和GaAs 的能带结构简图，并分析其能带结构特点Ge 、Si: a ）Eg (Si ：0K) = 1.21eV ；Eg (Ge ：0K) = 1.170eV ； b ）间接能隙结构c ）禁带宽度E g 随温度增加而减小； GaAs ： a ）E g （300K ）= 1.428eV ，Eg (0K) = 1.522eV ；b ）直-4段温度很低，本征激发可忽略。 半导体接触形成阻 其接触后的能带图如图
半导体物理学基础知识_图文(精)
1半导体中的电子状态 1.2半导体中电子状态和能带 1.3半导体中电子的运动有效质量 1半导体中E与K的关系 2半导体中电子的平均速度 3半导体中电子的加速度 1.4半导体的导电机构空穴 1硅和锗的导带结构 对于硅，由公式讨论后可得： I.磁感应沿【1 1 1】方向，当改变B（磁感应强度）时，只能观察到一个吸收峰 II.磁感应沿【1 1 0】方向，有两个吸收峰 III.磁感应沿【1 0 0】方向，有两个吸收峰 IV磁感应沿任意方向时，有三个吸收峰 2硅和锗的价带结构 重空穴比轻空穴有较强的各向异性。 2半导体中杂质和缺陷能级 缺陷分为点缺陷，线缺陷，面缺陷(层错等 1.替位式杂质间隙式杂质
2.施主杂质：能级为E(D,被施主杂质束缚的电子的能量状态比导带底E(C低ΔE(D,施主能级位于离导带底近的禁带中。 3. 受主杂质：能级为E(A,被受主杂质束缚的电子的能量状态比价带E(V高ΔE(A,受主能级位于离价带顶近的禁带中。 4.杂质的补偿作用 5.深能级杂质： ⑴非3，5族杂质在硅，锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，离价带顶也较远，称为深能级。 ⑵这些深能级杂质能产生多次电离。 6.点缺陷：弗仑克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现。 肖特基缺陷：只在晶体内部形成空位而无间隙原子。 空位表现出受主作用，间隙原子表现出施主作用。 3半导体中载流子的分布统计 电子从价带跃迁到导带，称为本征激发。 一、状态密度 状态密度g(E是在能带中能量E附近每单位间隔内的量子态数。 首先要知道量子态，每个量子态智能容纳一个电子。 导带底附近单位能量间隔内的量子态数目，随电子的能量按抛物线关系增大，即电子能量越高，状态密度越大。 二、费米能级和载流子的统计分布
半导体物理学简答题及答案(精)
第一章 1.原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同, 原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同。答：原子中的电子是在原子核与电子库伦相互作用势的束缚作用下以电子云的形式存在，没有一个固定的轨道；而晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子，在晶体周期性势场中运动。当原子互相靠近结成固体时，各个原子的内层电子仍然组成围绕各原子核的封闭壳层,和孤立原子一样;然而，外层价电子则参与原子间的相互作用，应该把它们看成是属于整个固体的一种新的运动状态。组成晶体原子的外层电子共有化运动较强，其行为与自由电子相似，称为准自由电子，而内层电子共有化运动较弱，其行为与孤立原子的电子相似。2.描述半导体中电子运动为什么要引入"有效质量"的概念, 用电子的惯性质量描述能带中电子运动有何局限性。 答：引进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，可以不涉及半导体内部势场的作用。惯性质量描述的是真空中的自由电子质量，而不能描述能带中不自由电子的运动，通常在晶体周期性势场作用下的电子惯性运动，成为有效质量3.一般来说, 对应于高能级的能带较宽,而禁带较窄,是否如此，为什么？ 答：不是，能级的宽窄取决于能带的疏密程度，能级越高能带越密，也就是越窄；而禁带的宽窄取决于掺杂的浓度，掺杂浓度高，禁带就会变窄，掺杂浓度低，禁带就比较宽。 4.有效质量对能带的宽度有什么影响，有人说:"有效质量愈大,能量密度也愈大,因而能带愈窄.是否如此，为什么？ 答：有效质量与能量函数对于K的二次微商成反比，对宽窄不同的各个能带，1（k）随k的变化情况不同，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大，内层电子的能带窄，有效质量大；外层电子的能带宽，有效质量小。 5.简述有效质量与能带结构的关系；答：能带越窄，有效质量越大，能带越宽，有效质量越小。 6.从能带底到能带顶,晶体中电子的有效质量将如何变化？外场对电子的作用效果有什么不同； 答：在能带底附近，电子的有效质量是正值，在能带顶附近，电子的有效质量是负值。在外电F作用下，电子的波失K不断改变，f=h(dk/dt,其变化率与外力成正比，因为电子的速度与k有关，既然k状态不断变化，则电子的速度必然不断变化。 7.以硅的本征激发为例,说明半导体能带图的物理意义及其与硅晶格结构的联系，为什么电子从其价键上挣脱出来所需的最小能量就是半导体的禁带宽度? 答：沿不同的晶向，能量带隙不一样。因为电子要摆脱束缚就能从价带跃迁到导带，这个时候的能量就是最小能量，也就是禁带宽度。
半导体物理知识点总结
半导体物理知识点总结 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，为了深入理解能带的形成，介绍了电子的共有化运动。介绍半导体中电子的状态和能带特点，并对导体、半导体和绝缘体的能带进行比较，在此基础上引入本征激发的概念。（重点掌握）在1.3节，引入有效质量的概念。讨论半导体中电子的平均速度和加速度。（重点掌握）在1.4节，阐述本征半导体的导电机构，由此引入了空穴散射的概念，得到空穴的特点。（重点掌握）在1.5节，介绍回旋共振测试有效质量的原理和方法。（理解即可）在1.6节，介绍Si、Ge的能带结构。（掌握能带结构特征）在1.7节，介绍Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带结构，主要了解GaAs的能带结构。（掌握能带结构特征）本章重难点： 重点： 1、半导体硅、锗的晶体结构（金刚石型结构）及其特点； 三五族化合物半导体的闪锌矿型结构及其特点。 2、熟悉晶体中电子、孤立原子的电子、自由电子的运动有何不同：孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中运动，自由电子是在恒定为零的势场中运动，而晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动（共有化运动），单电子近似认为，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它大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格周期相同。 3、晶体中电子的共有化运动导致分立的能级发生劈裂，是形成半导体能带的原因，半导体能带的特点： ①存在轨道杂化，失去能级与能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带，上能带称为导带，下能带称为价带②低温下，价带填满电子，导带全空，高温下价带中的一部分电子跃迁到导带，使晶体呈现弱导电性。
半导体物理学 基本概念
半导体物理学基本概念 有效质量-----载流子在晶体中的表观质量，它体现了周期场对电子运动的影响。其物理意义：1）有效质量的大小仍然是惯性大小的量度；2）有效质量反映了电子在晶格与外场之间能量和动量的传递，因此可正可负。 空穴-----是一种准粒子，代表半导体近满带（价带）中的少量空态，相当于具有正的电子电荷和正的有效质量的粒子，描述了近满带中大量电子的运动行为。 回旋共振----半导体中的电子在恒定磁场中受洛仑兹力作用将作回旋运动，此时在半导体上再加垂直于磁场的交变磁场，当交变磁场的频率等于电子的回旋频率时，发生强烈的共振吸收现象，称为回旋共振。 施主-----在半导体中起施予电子作用的杂质。 受主-----在半导体中起接受电子作用的杂质。 杂质电离能-----使中性施主杂质束缚的电子电离或使中性受主杂质束缚的空穴电离所需要的能量。 n-型半导体------以电子为主要载流子的半导体。 p-型半导体------以空穴为主要载流子的半导体。 浅能级杂质------杂质能级位于半导体禁带中靠近导带底或价带顶，即杂质电离能很低的杂质。浅能级杂质对半导体的导电性质有较大的影响。 深能级杂质-------杂质能级位于半导体禁带中远离导带底（施主）或价带顶（受主），即杂质电离能很大的杂质。深能级杂质对半导体导电性质影响较小，但对半导体中非平衡载流子的复合过程有重要作用。位于半导体禁带中央能级附近的深能级杂质是有效的复合中心。 杂质补偿-----在半导体中同时存在施主和受主杂质时，存在杂质补偿现象，即施主杂质束缚的电子优先填充受主能级，实际的有效杂质浓度为补偿后的杂质浓度，即两者之差。 直接带隙-----半导体的导带底和价带顶位于k空间同一位置时称为直接带隙。直接带隙材料中载流子跃迁几率较大。间接带隙-----半导体的导带底和价带顶位于k空间不同位置时称为间接带隙。间接带隙材料中载流子跃迁时需有声子参与，跃迁几率较小。 平衡状态与非平衡状态-----半导体处于热平衡态时，载流子遵从平衡态分布，电子和空穴具有统一的费米能级。半导体处于外场中时为非平衡态，载流子分布函数偏离平衡态分布，电子和空穴不具有统一的费米能级，载流子浓度也比平衡时多出一部分，但可认为它们各自达到平衡，可引入准费米能级表示。 电中性条件-----半导体在任何情况下都维持体内电中性，即单位体积内正电荷数与负电荷数相等。 非简并半导体----半导体中载流子分布可由经典的玻尔兹曼分布代替费米分布描述时，称之为非简并半导体。 简并半导体-----半导体重掺杂时，其费米能级有可能进入到导带或价带中，此时载流子分布必须用费米分布描述，称之为简并半导体。简并半导体有如下性质：1）杂质不能充分电离；2）杂质能级扩展为杂质能带。如果杂质能带与导带或价带相连，则禁带宽度将减小。 本征半导体-----本征半导体即纯净半导体，其载流子浓度随温度增加呈指数规律增加。 杂质半导体----在半导体中人为地，有控制地掺入少量的浅能级杂质的半导体，可在较大温度范围内保持半导体内载流子浓度不随温度改变。即掺杂的主要作用是在较大温度范围维持半导体中载流浓度不变。 多数载流子与少数载流子------多数载流子是在半导体输运过程中起主要作用的载流子，如n-型半导体中的电子。而少数载流子在是在半导体输运过程中起次要作用的载流子，如n-型半导体中的空穴。 费米分布------费米分布是费米子（电子）在平衡态时的分布，其物理意义是在温度T时，电子占据能量为E的状态的几率，或能量为E的状态上的平均电子数。 费米能级-----费米能级是T=0 K时电子系统中电子占据态和未占据态的分界线，是T=0 K时系统中电子所能具有的最高能量。 漂移速度----载流子在外场作用下定向运动的平均速度，弱场下漂移速度大小正比于外场强度。 迁移率----描述半导体中载流子在外场中运动难易程度的物理量，若外场不太强，载流子运动遵从欧姆定律时，迁移率与电场强度无关，为一常数。强场时，迁移率与外场有关。 电导率-----描述材料导电性质的物理量。半导体中载流子遵从欧姆定律时，电流密度正比于电场强度，其比例系数即为电导率。电导率大小与载流子浓度，载流子的迁移率有关。从微观机制看，电导率与载流子的散射过程有关。 电阻率-----电导率的倒数。本征半导体电阻率随温度上升而单调下降。同样，电阻率与载流子的散射过程有关。 金属电阻率-----随温度上升而上升。（晶格振动散射） 散射几率-----载流子在单位时间内被散射的次数。 平均自由时间-----载流子在两次散射之间自由运动的平均时间。 强场效应-----电场强度较高时载流子的平均漂移速度与电场强度间的关系偏离线性关系的现象，此时迁移率不再是常
半导体物理
半导体物理思考题 第一章半导体中的电子状态 1、为什么内壳层电子能带窄，外层电子能带宽？ 答：内层电子处于低能态，外层电子处于高能态，所以外层电子的共有化运动能力强，因此能带宽。（原子的内层电子受到原子核的束缚较大，与外层电子相比，它们的势垒强度较大。） 2、为什么点阵间隔越小，能带越宽？ 答：点阵间隔越小，电子共有化运动能力越强，能带也就越宽。3、简述半导体的导电机构 答：导带中的电子和价带中的空穴都参与导电。 4、什么是本征半导体、n型半导体、p型半导体？ 答：纯净晶体结构的半导体称为本征半导体；自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体称为n型半导体；空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体称为p型半导体。 5、什么是空穴？电子和空穴的异同之处是什么？ 答：（1）在电子脱离价键的束缚而成为自由电子后，价键中所留下的空位叫空穴。 （2）相同点：在真实空间的位置不确定；运动速度一样；数量 一致(成对出现)。 不同点：有效质量互为相反数；能量符号相反；电子带负 电，空穴带正电。
6、为什么发光器件多半采用直接带隙半导体来制作？ 答：直接带隙半导体中载流子的寿命很短，同时，电子和空穴只要一相遇就会发生复合，这种直接复合可以把能量几乎全部以光的形式放出，因此发光效率高。 7、半导体的五大基本特性 答：(1)负电阻温度效应：温度升高，电阻减小。 (2)光电导效应：由辐射引起的被照射材料的电导率改变的现象。 (3)整流效应：加正向电压时，导通；加反向电压时，不导通。 (4)光生伏特效应：半导体和金属接触时，在光照射下产生电动势。 (5)霍尔效应：通有电流的导体在磁场中受力的作用，在垂直于电 流和磁场的方向产生电动势的现象。 第二章半导体中杂质和缺陷能级 1、简述实际半导体中杂质与缺陷来源。 答：①原材料纯度不够；②制造过程中引入；③人为控制掺杂。 2、什么是点缺陷、线缺陷、面缺陷？ 答：（1）点缺陷：三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷； （2）线缺陷：三维空间中在二维方向上尺寸较小，在另一维方 向上尺寸较大的缺陷； （3）面缺陷：二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。 3、点缺陷类型有哪些？ 答：①空位；②基质原子的填隙；③杂质原子的填隙与替位。
(完整版)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 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空间上是周期函数，而且某些能量区间能级是准连续的（被称为允带），另一些区间没有电子能级（被称为禁带）。从而利用量子力学的方法解释了能带现象，因此该模型具有重要的物理意义。 1.2导带与价带 1.3有效质量 有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。它概括了周期性势场对载流子运动的影响，从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。其大小由晶体自身的E-k
半导体物理知识
半导体物理知识整理
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基础知识 1.导体,绝缘体和半导体的能带结构有什么不同?并以此说明半导体的导电机理（两种载流子参与导电）与金属有何不同？ 导体：能带中一定有不满带 半导体：T=0K，能带中只有满带和空带；T>0K,能带中有不满带 禁带宽度较小，一般小于2eV 绝缘体：能带中只有满带和空带 禁带宽度较大，一般大于2eV 在外场的作用下，满带电子不导电，不满带电子可以导电 总有不满带的晶体就是导体，总是没有不满带的晶体就是绝缘体 半导体不时最容易导电的物质，而是导电性最容易发生改变的物质，用很方便的方法，就可以显著调节半导体的导电特性 金属中的电子，只能在导带上传输，而半导体中的载流子：电子和空穴，却能在两个通道：价带和导带上分别传输信息 2.什么是空穴?它有哪些基本特征?以硅为例，对照能带结构和价键结构图理解空穴概念。 当满带附近有空状态k’时，整个能带中的电流，以及电流在外场作用下的变化，完全如同存在一个带正电荷e和具有正有效质量|m n* | 、速度为v(k’)的粒子的情况一样，这样假想的粒子称为空穴 3.半导体材料的一般特性。 电阻率介于导体与绝缘体之间 对温度、光照、电场、磁场、湿度等敏感（温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降；适当波长的光照可以改变半导体的导电能力） 性质与掺杂密切相关（微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力） 4.费米统计分布与玻耳兹曼统计分布的主要差别是什么？什么情况下费米分布函数可以转化为玻耳兹曼函数。为什么通常情况下，半导体中载流子分布都可以
半导体物理知识点梳理
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： 晶体中电子运动的基本方程为： ，K 为波矢，uk(x)为一个与晶格同周期的周期性函数， 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： 第一布里渊区:－1/2a m0=9.109 382 15(45) × 10^(-31) kg K B T=0.026eV (T=300K) h=6.62606896（33）×10^（-34）J·s K B=1.3806488(13)×10^-23J/K Chapter 1 1.熟悉常见的半导体的三种晶体结构，并理解他们的解离特性并标注闪锌矿结构 （如GaAs）原子坐标。 1)金刚石结构： 硅、锗；以共价键结合的正四面体，通过4个顶角原子又组成4个正四面体，这样的累积形成了金刚石型结构； 由两个面心立方结构套构而成； 每个晶胞中的原子个数：8 每个原子坐标：(000)，(?0 ?), (0 ??), (??0), (???), (???), (???), (???) 近邻原子数或配位数：4 2)闪锌矿 GaAs、InP、ZnSe、CdTe 每个晶胞中的原子个数？8 每个原子坐标：(000)As，(?0 ?)As, (0 ??)As, (??0)As, (???)Ga, (???)Ga, (???)Ga, (???)Ga 近邻原子数或配位数：4(四面体结构) 3)纤锌矿（六方晶系） GaN、ZnO 纤锌矿结构也由两个密排六方结构套构而成？每个晶胞中的原子个数：12 原胞如何？ 每个原胞中 的原子个数？ 每个原胞中的原子坐标： (000)Ga，(1/3 2/3 1/2)Ga, (0 0 5/8)N, (1/3 2/3 1/8)N 晶格常数a和c(对GaN，a=0.3189 nm, c=0.5185 nm) 2.计算金刚石和闪锌矿结构的原子体密度（已知：晶胞晶格常数为a=0.5nm） 3.计算半导体Si的（001）、（110）和（111）晶面的原子面密度（晶格常数 a=0.543nm） 4.GaN纤锌矿结构的晶胞和原胞各分别有多少个原子？ 5.闪锌矿结构的极性方向为<001>晶向，纤锌矿结构的极性方向为<0001> 6.半导体的解离特性除了与晶面之间的键密度有关，还与成键性质有关 7.晶格缺陷的种类 第一章、 半导体中的电子状态习题 1-1、 什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？试定性说 明之。 1-2、 试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。 1-3、试指出空穴的主要特征。 1-4、简述Ge 、Si 和GaAS 的能带结构的主要特征。 1-5、某一维晶体的电子能带为 [])sin(3.0)cos(1.01)(0ka ka E k E --= 其中E 0=3eV ，晶格常数a=5х10-11m 。求： （1） 能带宽度； （2） 能带底和能带顶的有效质量。 题解： 1-1、 解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（≥E g ）被激发到导带成 为导电电子的过程就是本征激发。其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。如果温度升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。 1-2、 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。温 度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。反之，温度降低，将导致禁带变宽。因此，Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数。 1-3、 解：空穴是价带中未被电子占据的空量子态，被用来描述半满带中的大量 电子的集体运动状态，是准粒子。主要特征如下： A 、荷正电：+q ； B 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）； C 、E P =-E n D 、m P *=-m n *。 1-4、 解： （1） Ge 、Si: a ）Eg (Si ：0K) = 1.21eV ；Eg (Ge ：0K) = 1.170eV ； b ）间接能隙结构 c ）禁带宽度E g 随温度增加而减小； （2） GaAs ： a ）E g （300K ）= 1.428eV ，Eg (0K) = 1.522eV ； b ）直接能隙结构； c ）Eg 负温度系数特性： dE g /dT = -3.95×10-4eV/K ； 1-5、 解： （1） 由题意得： [][] )sin(3)cos(1.0)cos(3)sin(1.002 22 0ka ka E a k d dE ka ka aE dk dE +=-= 掌握 熟悉 了解 第一章半导体物理基础 一、能带理论 1、能带的形成、结构：导带、价带、禁带 ?当原子结合成晶体时，原子最外层的价电子实际上是被晶体中所有原子所共有，称为共有化。 ?共有化导致电子的能量状态发生变化，产生了密集能级组成的准连续能带---能级分裂 ?价带：绝对0度条件下被电子填充的能量最高的能带；结合成共价键的电子填充的能带。 ?导带：绝对0度条件下未被电子填充的能量最低的能带 2、导体、半导体、绝缘体的能带结构特点 ?禁带的宽度区别了绝缘体和半导体；而禁带的有无是导体和半导体、绝缘体之间的区别；绝缘体是相对的，不存在绝对的绝缘体。 3、导电的前提：不满带的存在 二、掺杂半导体 1、两种掺杂半导体的能级结构。 2、杂质补偿的概念 三、载流子统计分布 1、费米函数、费米能级：公式1-7-9和1-7-10，及其简化公式1-7-11 和1-7-12 2、质量作用定律，只用于本征半导体：公式1-7-27 3、用费米能级表示的载流子浓度：公式1-7-28和1-7-29 4、杂质饱和电离的概念（本征激发） 5、杂质半导体费米能级的位置：公式1-7-33和1-7-37。意义（图 1-13，费米能级随着掺杂浓度和温度的变化）。 6、杂质补充半导体的费米能级 四、载流子的运输 1、（1.8节）载流子的运动模式：散射－漂移－散射。平均弛豫时间的概念 2、迁移率，物理意义：公式1-9-4和1-9-5（迁移率与电子自由运 动时间和有效质量有关），迁移率与温度和杂质浓度的关系 3、电导率，是迁移率的函数：公式1-9-10和1-9-11 4、在外电场和载流子浓度梯度同时存在的条件下，载流子运输公 式：1-9-24～1-9-27 5、费米势：公式1-10-5：电势与费米能级的转换 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 附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图 三、异质结：两种不同的半导体形成一个结 小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。 2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。 10双极型晶体管 双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。 一、工作原理 附npn型和pnp型的结构图 发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低 附常规npn截面图 造成实际结构复杂的原因是：1.各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，必须要有重掺杂的N+型掩埋层。2.一片半导体材料上要做很多的双极型晶体管，各自必须隔离，应为不是所有的集电极都是同一个电位。 通常情况下，BE结是正偏的，BC结是反偏的。称为正向有源。附图： 由于发射结正偏，电子就从发射区越过发射结注入到基区。BC结反偏，所以在BC结边界，理想情况下少子电子浓度为零。 附基区中电子浓度示意图： 电子浓度梯度表明，从发射区注入的电子会越过基区扩散到BC结的空间电荷区， 半导体物理学基本概念 有效质量----- 载流子在晶体中的表观质量，它体现了周期场对电子运动的影响。其物理意义：1）有效质量的大小仍然是惯性大小的量度；2）有效质量反映了电子在晶格与外场之间能量和动量的传递，因此可正可负。 空穴----- 是一种准粒子，代表半导体近满带（价带）中的少量空态，相当于具有正的电子电荷和正的有效质量的粒子，描述了近满带中大量电子的运动行为。 回旋共振---- 半导体中的电子在恒定磁场中受洛仑兹力作用将作回旋运动，此时在半导体上再加垂直于磁场的交变磁场，当交变磁场的频率等于电子的回旋频率时，发生强烈的共振吸收现象，称为回旋共振。施主-----在半导体中起施予电子作用的杂质。受主-----在半导体中起接受电子作用的杂质。 杂质电离能----- 使中性施主杂质束缚的电子电离或使中性受主杂质束缚的空穴电离所需要的能量。 n-型半导体------以电子为主要载流子的半导体。 p-型半导体------ 以空穴为主要载流子的半导体。 浅能级杂质------ 杂质能级位于半导体禁带中靠近导带底或价带顶，即杂质电离能很低的杂质。浅能级杂质对半导体的导电性质有较大的影响。 深能级杂质------- 杂质能级位于半导体禁带中远离导带底（施主）或价带顶（受主），即杂质电离能很大的杂质。深能级杂质对半导体导电性质影响较小，但对半导体中非平衡载流子的复合过程有重要作用。位于半导体禁带中央能级附近的深能级杂质是有效的复合中心。 杂质补偿----- 在半导体中同时存在施主和受主杂质时，存在杂质补偿现象，即施主杂质束缚的电子优先填充受主能级，实际的有效杂质浓度为补偿后的杂质浓度，即两者之差。 直接带隙-----半导体的导带底和价带顶位于k 空间同一位置时称为直接带隙。直接带隙材料中载流子跃迁几率较大。 间接带隙-----半导体的导带底和价带顶位于k 空间不同位置时称为间接带隙。间接带隙材料中载流子跃迁时需有声子参与，跃迁几率较小。 平衡状态与非平衡状态----- 半导体处于热平衡态时，载流子遵从平衡态分布，电子和空穴具有统一的费米能级。半导体处于外场中时为非平衡态，载流子分布函数偏离平衡态分布，电子和空穴不具有统一的费米能级，载流子浓度也比平衡时多出一部分，但可认为它们各自达到平衡，可引入准费米能级表示。电中性条件----- 半导体在任何情况下都维持体内电中性，即单位体积内正电荷数与负1 电荷数相等。 非简并半导体---- 半导体中载流子分布可由经典的玻尔兹曼分布代替费米分布描述时，称之为非简并半导体。 简并半导体----- 半导体重掺杂时，其费米能级有可能进入到导带或价带中，此时载流子分布必须用费米分布描述，称之为简并半导体。简并半导体有如下性质：1）杂质不能充分电离；2）杂质能级扩展为杂质能带。如果杂质能带与导带或价带相连，则禁带宽度将减小。 半导体物理学基本概念 1.离子晶体：由正负离子或正负离子集团按一定比例组成的晶体称作离子晶体。离子晶体 中，正负离子或离子集团在空间排列上具有交替相间的结构特征。离子间的相互作用以库仑静电作用为主导。 2.共价晶体：主要由共价键结合而成的晶体。共价晶体中共价键的方向性和饱和性规定了 共价晶体中原子间结合的方向性和配位数。由于共价键非常稳定，所以一般来说，共价晶体的结构很稳定，具有很高的硬度和熔点。由于所有的价电子都参与成键，不能自由移动，因而共价晶体通常不导电。 3.晶胞：晶格中最小的空间单位。一般为晶格中对称性最高、体积最小的某种平行六面体。弗仑克耳缺陷（肖特基缺陷）：在一定温度下，晶格原子不仅在平衡位置附近做振动运动，而且一部分原子会获得足够的能量，克服周围原子对它的束缚，挤入晶格原子间的间隙，形成间隙原子，原来的位置便成为空位。这时间隙原子和空位是成对出现的，称为弗仑克耳缺陷。若只在晶体内形成空位而无间隙原子时，称为肖特基缺陷。 施主（受主）杂质及施主（受主）电离能：V族杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质。使多余的价电子挣脱束缚成为 导电电子所需的能量称为杂质电离能，用△表示。 Ⅲ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，称它们为受主杂质或 p型杂质。使空穴挣脱受主杂质束缚成为导电空穴所需的能量称为受主杂质电离能，用Δ. 直接（间接）复合：电子在导带和价带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合。电子和空穴通过禁带的能级（复合中心）进行复合。根据复合过程发生的位置，又可以把它区分为体内复合和表面复合。 复合率：n和p分别表示电子浓度和空穴浓度。单位体积内，每一个电子在单位时间内都有一定概率和空穴复合，这个概率显然和空穴浓度成正比，可以用rp表示，那么复合率R就有如下的形式：R=rnp ，比例系数r 称为电子--空穴复合概率。 量子态密度：单位k空间中的量子态数，称为k空间的量子态密度。 状态密度：在能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数，g(E)=. 有效状态密度：把导带中所有量子态都集中在导带底（把价带中所有量子态都集中在价带顶）. 绝缘体（导体、半导体）能带特点：绝缘体的禁带宽度很大，激发电子需要很大能量，在通常温度下，能激发到导带去的电子很少，所以导电性很差。 半导体禁带宽度比较小，数量级在1eV左右，在通常温度下已有不少电子被激发到导带中去，所以具有一定的导电能力。半导体在热力学温度为零时，满带（价带）被价电子占满，在外电场作用下并不导电。当温度升高或有光照时，导带的电子和价带的空穴均参与导电。黄昆班-半导体物理基础复习
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