最新尼尔曼第三版半导体物理与器件小结+重要术语解释+知识点+复习题

尼尔曼第三版半导体物理与器件小结+重要术语解释+知识点+复

习题

第一章固体晶体结构 (4)

小结 (4)

重要术语解释 (4)

知识点 (5)

复习题 (5)

第二章量子力学初步 (6)

小结 (6)

重要术语解释 (6)

第三章固体量子理论初步 (7)

小结 (7)

重要术语解释 (7)

知识点 (8)

复习题 (9)

第四章平衡半导体 (9)

小结 (9)

重要术语解释 (10)

知识点 (11)

复习题 (12)

第五章载流子运输现象 (12)

小结 (12)

重要术语解释 (13)

知识点 (14)

复习题 (14)

第六章半导体中的非平衡过剩载流子 (15)

小结 (15)

重要术语解释 (15)

知识点 (16)

复习题 (17)

第七章pn结 (18)

小结 (18)

重要术语解释 (19)

知识点 (20)

复习题 (20)

第八章pn结二极管 (21)

小结 (21)

重要术语解释 (22)

知识点 (23)

复习题 (23)

第九章金属半导体和半导体异质结 (24)

小结 (24)

重要术语解释 (25)

知识点 (26)

复习题 (26)

第十章双极晶体管 (27)

小结 (27)

重要术语解释 (28)

知识点 (29)

复习题 (29)

第十一章金属-氧化物-半导体场效应晶体管基础 (30)

小结 (30)

重要术语解释 (31)

知识点 (32)

复习题 (32)

第十二章金属-氧化物-半导体场效应管：概念的深入 (33)

小结 (33)

重要术语解释 (34)

知识点 (35)

复习题 (35)

第一章固体晶体结构

小结

1.硅是最普遍的半导体材料。

2.半导体和其他材料的属性很大程度上由其单晶的晶格结构决定。晶胞是晶体

中的一小块体积，用它可以重构出整个晶体。三种基本的晶胞是简立方、体心立方和面心立方。

3.硅具有金刚石晶体结构。原子都被由4个紧邻原子构成的四面体包在中间。

二元半导体具有闪锌矿结构，它与金刚石晶格基本相同。

4.引用米勒系数来描述晶面。这些晶面可以用于描述半导体材料的表面。密勒

系数也可以用来描述晶向。

5.半导体材料中存在缺陷，如空位、替位杂质和填隙杂质。少量可控的替位杂

质有益于改变半导体的特性。

6.给出了一些半导体生长技术的简单描述。体生长生成了基础半导体材料，即

衬底。外延生长可以用来控制半导体的表面特性。大多数半导体器件是在外延层上制作的。

重要术语解释

1.二元半导体：两元素化合物半导体，如GaAs。

2.共价键：共享价电子的原子间键合。

3.金刚石晶格：硅的院子晶体结构，亦即每个原子有四个紧邻原子，形成一个

四面体组态。

4.掺杂：为了有效地改变电学特性，往半导体中加入特定类型的原子的工艺。

5.元素半导体：单一元素构成的半导体，比如硅、锗。

6.外延层：在衬底表面形成的一薄层单晶材料。

7.离子注入：一种半导体掺杂工艺。

8.晶格：晶体中原子的周期性排列。

9.密勒系数：用以描述晶面的一组整数。

10.原胞：可复制以得到整个晶格的最小单元。

11.衬底：用于更多半导体工艺比如外延或扩散的基础材料，半导体硅片或其他

原材料。

12.三元半导体：三元素化合物半导体，如AlGaAs。

13.晶胞：可以重构出整个晶体的一小部分晶体。

14.铅锌矿晶格：与金刚石晶格相同的一种晶格，但它有两种类型的原子而非一

种。

知识点

1.学完本章后，读者应具备如下能力：

2.确定不同晶格结构的体密度。

3.确定某晶面的密勒指数。

4.根据密勒指数画出晶面

5.确定给定晶面的原子面密度。

6.理解并描述单晶中的各种缺陷。

复习题

1.例举两种元素半导体材料和两种化合物半导体材料。

2.画出三种晶格结构：(a)简立方；(b)体心立方；(c)面心立方。

3.描述求晶体中原子的体密度的方法。

4.描述如何得到晶面的密勒指数。

5.何谓替位杂质？何谓填隙杂质？

第二章量子力学初步

小结

1.我们讨论了一些量子力学的概念，这些概念可以用于描述不同势场中的电

子状态。了解电子的运动状态对于研究半导体物理是非常重要的。

2.波粒二象性原理是量子力学的重要部分。粒子可以有波动态，波也可以具

有粒子态。

3.薛定谔波动方程式描述和判断电子状态的基础。

4.马克思·玻恩提出了概率密度函数|fai（x）|2.

5.对束缚态粒子应用薛定谔方程得出的结论是，束缚态粒子的能量也是量子

化的。

6.利用单电子原子的薛定谔方程推导出周期表的基本结构。

重要术语解释

1.德布罗意波长：普朗克常数与粒子动量的比值所得的波长。

2.海森堡不确定原理：该原理指出我们无法精确确定成组的共轭变量值，从

而描述粒子的状态，如动量和坐标。

3.泡利不相容原理：该原理指出任意两个电子都不会处在同一量子态。

4.光子：电磁能量的粒子状态。

5.量子：热辐射的粒子形态。

6.量子化能量：束缚态粒子所处的分立能量级。

7.量子数：描述粒子状态的一组数，例如原子中的电子。

8.量子态：可以通过量子数描述的粒子状态。

9.隧道效应：粒子穿过薄层势垒的量子力学现象。

10.波粒二象性：电磁波有时表现为粒子状态，而粒子有时表现为波动状态的

特性。

第三章固体量子理论初步

小结

1.我们讨论了一些量子力学的概念，这些概念可以用于描述不同势场中的电

子状态。了解电子的运动状态对于研究半导体物理是非常重要的。

2.波粒二象性原理是量子力学的重要部分。粒子可以有波动态，波也可以具

有粒子态。

3.薛定谔波动方程式描述和判断电子状态的基础。

4.马克思·玻恩提出了概率密度函数|fai（x）|2。

5.对束缚态粒子应用薛定谔方程得出的结论是，束缚态粒子的能量也是量子

化的。

6.利用单电子原子的薛定谔方程推导出周期表的基本结构。

重要术语解释

1.允带：在量子力学理论中，晶体中可以容纳电子的一系列能级。

2.状态密度函数：有效量子态的密度。它是能量的函数，表示为单位体积单位

能量中的量子态数量。

3.电子的有效质量：该参数将晶体导带中电子的加速度与外加的作用力联系起

来，该参数包含了晶体中的内力。

4.费米-狄拉克概率函数：该函数描述了电子在有效能级中的分布，代表了一

个允许能量状态被电子占据的概率。

5.费米能级：用最简单的话说，该能量在T=0K时高于所有被电子填充的状态

的能量，而低于所有空状态能量。

6.禁带：在量子力学理论中，晶体中不可以容纳电子的一系列能级。

7.空穴：与价带顶部的空状态相关的带正电“粒子”。

8.空穴的有效质量：该参数同样将晶体价带中空穴的加速度与外加作用力联系

起来，而且包含了晶体中的内力。

9.k空间能带图：以k为坐标的晶体能连曲线，其中k为与运动常量有关的动

量，该运动常量结合了晶体内部的相互作用。

10.克龙尼克-潘纳模型：由一系列周期性阶跃函数组成，是代表一维单晶晶格

周期性势函数的数学模型。

11.麦克斯韦-波尔兹曼近似：为了用简单的指数函数近似费米-狄拉克函数，从

而规定满足费米能级上下若干kT的约束条件。

12.泡利不相容原理：该原理指出任意两个电子都不会处在同一量子态。

知识点

1.对单晶中的允带和禁带的概念进行定性的讨论，并利用克龙尼-潘纳模型对

结果进行严格的推导。

2.讨论硅中能带的分裂。

3.根据E-k关系曲线论述有效质量的定义，并讨论它对于晶体中粒子运动的

意义。

4.讨论空穴的概念。

5.定性地讨论金属、绝缘体和半导体在能带方面的差异。

6.讨论有效状态密度函数。

7.理解费米-狄拉克分布函数和费米能级的意义。

复习题

1.什么是克龙尼克．潘纳模型？

2.叙述克龙尼克·潘纳模型的薛定谔波动方程的两个结果。

3.什么是有效质量？

4.什么是直接带隙半导体？什么是间接带隙半导体？

5.状态密度函数的意义是什么？

6.推导状态密度函数的数学模型是什么？

7.一般来说，状态密度与能量之间有什么联系？

8.费米-狄拉克概率函数的意义是什么？

9.什么是费米能级？

第四章平衡半导体

小结

1.当原子聚集在一起形成晶体时，电子的分立能量也就随之分裂为能带。

2.对表征单晶材料势函数的克龙克尼-潘纳模型进行严格的量子力学分析和薛

定谔波动方程推导，从而得出了允带和禁带的概念。

3.有效质量的概念将粒子在晶体中的运动与外加作用力联系起来，而且涉及

到晶格对粒子运动的作用。

4.半导体中存在两种带点粒子。其中电子是具有正有效质量的正电荷粒子，

一般存在于允带的顶部。

5.给出了硅和砷化镓的E-k关系曲线，并讨论了直接带隙半导体和间接带隙

半导体的概念。

6.允带中的能量实际上是由许多的分立能级组成的，而每个能级都包含有限

数量的量子态。单位能量的量子态密度可以根据三维无限深势阱模型确

定。

7.在涉及大量的电子和空穴时，就需要研究这些粒子的统计特征。本章讨论

了费米-狄拉克概率函数，它代表的是能量为E的量子态被电子占据的几率。

重要术语解释

1.受主原子：为了形成p型材料而加入半导体内的杂质原子。

2.载流子电荷：在半导体内运动并形成电流的电子和（或）空穴。

3.杂质补偿半导体：同一半导体区域内既含有施主杂质又含有受主杂质的半导

体。

4.完全电离：所有施主杂质原子因失去电子而带正电，所有受主杂质原子因获

得电子而带负电的情况。

5.简并半导体：电子或空穴的浓度大于有效状态密度，费米能级位于导带中

（n型）或价带中（p型）的半导体。

6.施主原子：为了形成n型材料而加入半导体内的杂质原子。

7.有效状态密度：即在导带能量范围内对量子态密度函数gc（E）与费米函数

fF（E）的乘积进行积分得到的参数Nc；在价带能量范围内对量子态密度函数gv（E）与【1-fF（E）】的乘积进行积分得到的参数N。

8.束缚态：低温下半导体内的施主与受主呈现中性的状态。此时，半导体内的

电子浓度与空穴浓度非常小。

9.非本征半导体：进行了定量施主或受主掺杂，从而使电子浓度或空穴浓度偏

离本征载流子浓度产生多数载流子电子（n型）或多数载流子空穴（p型）的半导体。

10.本征载流子浓度ni：本征半导体内导带电子的浓度和价带空穴的浓度（数值

相等）。

11.本征费米能级Efi：本征半导体内的费米能级位置。

12.本征半导体：没有杂质原子且晶体中无晶格缺陷的纯净半导体材料。

13.非简并半导体：参入相对少量的施主和（或）受主杂质，使得施主和（或）

受主能级分立、无相互作用的半导体。

知识点

1.推导出热平衡电子浓度与空穴浓度关于费米能级的表达式。

2.推导出本征载流子浓度的表达式。

3.说出T= 300K下的本征载流子浓度值。

4.推导出本征费米能级的表达式。

5.描述半导体内掺人施主与受主杂质后的影响。

6.理解完全电离的概念。

7. 了解公式002

p n n i 的推导过程。

8. 描述简并与非简并半导体的概念。

9. 讨论电中性的概念。

10. 推导出n0与p0关于掺杂浓度的表达式。

11. 描述费米能级随温度与掺杂浓度的变化情况。

复习题

1. 写出n(E)与p(E)关于状态密度与费米统计分布的函数表达式。

2. 在根据费米能级推导，n 0的表达式时，积分的上限应为导带顶的能量，说明

可以用正无穷替代它的原因。

3. 假设玻尔兹曼近似成立，写出n 0与p 0关于费米能级的表达式。

4. T= 300 K 时硅的本征载流子浓度值是多少？

5. 在什么情况下本征费米能级处于禁带中央？

6. 什么是施主杂质？什么是受主杂质？

7. 完全电离是什么意思？束缚态又是什么意思？

8. n 0与p 0的乘积等于什么？

9. 写出完全电离条件下的电中性方程。

10. 绘制出n 型材料的，n0随温度变化的曲线。

11. 分别绘制出费米能级随温度和掺杂浓度变化的曲线。

第五章 载流子运输现象

小结

1. 导带电子浓度是在整个导带能量范围上，对导带状态密度与费米-狄拉克概

率分布函数的乘积进行积分得到的。

2. 价带空穴浓度是在整个价带能量范围上，对价带状态密度与某状态为空的

概率【1-fF （E ）】的乘积进行积分得到的。

3. 本章讨论了对半导体渗入施主杂质（V 族元素）和受主杂质（111族元素）

形成n 型和p 型非本征半导体的概念。

4. 推导出了基本关系式002p n n i 。

5. 引入了杂质完全电离与电中性的概念，推导出了电子与空穴浓度关于掺杂

浓度的函数表达式。

6. 推导出了费米能级位置关于掺杂浓度的表达式。

7. 讨论了费米能级的应用。在热平衡态下，半导体内的费米能级处处相等。

重要术语解释

1. 电导率：关于载流子漂移的材料参数；可量化为漂移电流密度和电场强度之

比。

2. 扩散：粒子从高浓度区向低浓度区运动的过程。

3. 扩散系数：关于粒子流动与粒子浓度梯度之间的参数。

4. 扩散电流：载流子扩散形成的电流。

5. 漂移：在电场作用下，载流子的运动过程。

6. 漂移电流：载流子漂移形成的电流。

7. 漂移速度：电场中载流子的平均漂移速度。

8. 爱因斯坦关系：扩散系数和迁移率的关系。

9. 霍尔电压：在霍尔效应测量中，半导体上产生的横向压降。

10.电离杂质散射：载流子和电离杂质原子之间的相互作用。

11.晶格散射：载流子和热震动晶格原子之间的相互作用。

12.迁移率：关于载流子漂移和电场强度的参数。

13.电阻率：电导率的倒数；计算电阻的材料参数。

14.饱和速度：电场强度增加时，载流子漂移速度的饱和值。

知识点

1.论述载流子漂移电流密度。

2.解释为什么在外加电场作用下载流子达到平均漂移速度。

3.论述晶格散射和杂质散射机制。

4.定义迁移率，并论述迁移率对温度和电离杂质浓度的依赖关系。

5.定义电导率和电阻率。

6.论述饱和速度。

7.论述载流子扩散电流密度。

8.叙述爱因斯坦关系。

9.描述霍尔效应。

复习题

1.写出总漂移电流密度方程。

2.定义载流子迁移率。其单位是什么？

3.解释迁移率的温度依赖性。为什么载流子迁移率是电离杂质浓度的函数？

4.定义电导率、电阻率。它们各自的单位是什么？

5.分别画出硅、砷化镓中电子漂移速度与电场强度的关系曲线。

6.写出电子和空穴的扩散电流密度方程。

7.爱因斯坦关系是什么？

8.描述霍尔效应。

9.解释为什么霍尔电压的正负反映了半导体的导电类型（n型或p型）。

第六章半导体中的非平衡过剩载流子

小结

1.讨论了过剩电子和空穴产生与复合的过程，定义了过剩载流子的产生率和

复合率。

2.过剩电子和空穴是一起运动的，而不是互相独立的。这种现象称为双极疏

运。

3.推导了双极疏运方程，并讨论了其中系数的小注入和非本征掺杂约束条

件。在这些条件下，过剩电子和空穴的共同漂移和扩散运动取决于少子的特性，这个结果就是半导体器件状态的基本原理。

4.讨论了过剩载流子寿命的概念。

5.分别分析了过剩载流子状态作为时间的函数作为空间的函数和同事作为实

践与空间的函数的情况。

6.定义了电子和空穴的准费米能级。这些参数用于描述非平衡状态下，电子

和空穴的总浓度。

7.半导体表面效应对过剩电子和空穴的状态产生影响。定义了表面复合速

度。

重要术语解释

1.双极扩散系数：过剩载流子的有效扩散系数。

2.双极迁移率：过剩载流子的有效迁移率。

3.双极疏运：具有相同扩散系数，迁移率和寿命的过剩电子和空穴的扩散，

迁移和复合过程。

4.双极输运方程：用时间和空间变量描述过剩载流子状态函数的方程。

5.载流子的产生：电子从价带跃入导带，形成电子-空穴对的过程。

6.载流子的复合：电子落入价带中的空能态（空穴）导致电子-空穴对消灭的

过程。

7.过剩载流子：过剩电子和空穴的过程。

8.过剩电子：导带中超出热平衡状态浓度的电子浓度。

9.过剩空穴：价带中超出热平衡状态浓度的空穴浓度。

10.过剩少子寿命：过剩少子在复合前存在的平均时间。

11.产生率：电子-空穴对产生的速率（#/cm3-ms）。

12.小注入：过剩载流子浓度远小于热平衡多子浓度的情况。

13.少子扩散长度：少子在复合前的平均扩散距离：数学表示为，其中D和分

别为少子的扩散系数和寿命。

14.准费米能级：电子和空穴的准费米能级分别将电子和空穴的非平衡状态浓

度与本征载流子浓度以及本征费米能级联系起来。

15.复合率：电子－空穴对复合的速率（#/cm3-s）。

16.表面态：半导体表面禁带中存在的电子能态。

知识点

1.论述非平衡产生和复合的概念。

2.论述过剩载流子寿命的概念。

3.论述电子和空穴与时间无关的扩散方程的推导过程。

4.论述双极输运方程的推导过程。

5.理解在小注入状态和非本征半导体中，双极输运方程系数可以归纳为少子

系数的结论。

6.运用双极输运方程解决不同问题。

7.理解介电弛豫时间常数的概念。

8.计算电子和空穴的准费米能级。

9.计算给定浓度的过剩载流子的复合率。

10.理解过剩载流子浓度的表面效应。

复习题

1.为什么热平衡状态电子的产生率与复合率相等？

2.举例说明粒子流的变化如何影响空穴的浓度。

3.为什么一般的双极输运方程为非线性方程？

4.定性解释为什么在外加电场作用下，过剩电子和空穴会向同一方向移动。

5.定性解释为什么在小注入条件下，过剩载流子寿命可以归纳为少子的寿

命。

6.当产生率为零时，与过剩载流子密度有关的时间是什么？

7.外加作用力之后，为什么过剩载流子密度不能随时间持续增加？

8.当半导体中瞬问产生了一种类型的过剩载流子时，用什么原理解释净电荷

密度会迅速变为零？

9.分别论述电子和空穴的准费米能级的定义。

10.一般情况下，为什么半导体表面的过剩载流子浓度要低予内部的过剩载流

子浓度？

第七章pn结

小结

1.首先介绍了均匀掺杂的pn结。均匀掺杂pn结是指：半导体的一个区均匀

掺杂了受主杂质，而相邻的区域均匀掺杂了施主杂质。这种pn结称为同质结

2.在冶金结两边的p区与n区内分别形成了空间电荷区或耗尽区。该区内不

存在任何可以移动的电子或空穴，因而得名。由于n区内的施主杂质离子的存在，n区带正电；同样，由于p区内受主杂质离子存在，p区带负电。

3.由于耗尽区内存在净空间电荷密度，耗尽区内有一个电场。电场的方向为

由n区指向p区。

4.空间电荷区内部存在电势差。在零偏压的条件下，该电势差即内建电势差

维持热平衡状态，并且在阻止n区内多子电子向p区扩散的同时，阻止p 区内多子空穴向n区扩散。

5.反骗电压（n区相对于p区为正）增加了势垒的高度，增加了空间电荷区的

宽度，并且增强了电场。

6.随着反偏电压的改变，耗尽区内的电荷数量也改变。这个随电压改变的电

荷量可以用来描述pn结的势垒电容。

7.线性缓变结是非均匀掺杂结的典型代表。本章我们推导出了有关线性缓变

结的电场，内建电势差，势垒电容的表达式。这些函数表达式与均匀掺杂结的情况是不同的。

8.特定的掺杂曲线可以用来实现特定的电容特性。超突变结是一种掺杂浓度

从冶金结处开始下降的特殊pn结。这种结非常适用于制作谐振电路中的变容二极管。

重要术语解释

1.突变结近似：认为从中性半导体区到空间电荷区的空间电荷密度有一个突

然的不连续。

2.内建电势差：热平衡状态下pn结内p区与n区的静电电势差。

3.耗尽层电容：势垒电容的另一种表达式。

4.耗尽区：空间电荷区的另一种表达。

5.超变突结：一种为了实现特殊电容－电压特性而进行冶金结处高掺杂的pn

结，其特点为pn结一侧的掺杂浓度由冶金结处开始下降。

6.势垒电容（结电容）：反向偏置下pn结的电容。

7.线性缓变结：冶金结两侧的掺杂浓度可以由线性分布近似的pn结。

8.冶金结：pn结内p型掺杂与n型掺杂的分界面。

9.单边突变结：冶金结一侧的掺杂浓度远大于另一侧的掺杂浓度的pn结。

10.反偏：pn结的n区相对于p区加正电压，从而使p区与n区之间势垒的大

小超过热平衡状态时势垒的大小。

11.空间电荷区：冶金结两侧由于n区内施主电离和p区内受主电离而形成的

带净正电与负电的区域。

12.空间电荷区宽度：空间电荷区延伸到p区与n区内的距离，它是掺杂浓度

与外加电压的函数。

13.变容二极管：电容随着外加电压的改变而改变的二极管。

知识点

1.描述空间电荷区是怎样形成的。

2.画出零偏与反偏状态下pn结的能带图。

3.推导出pn结内建电势差的表达式。

4.推导出pn结空问电荷区电场的表达式。

5.描述当pn结外加反偏电压时空间电荷区的参数有什么变化。

6.给出势垒电容的定义并做出解释。

7.描述单边突变结的特性与属性。

8.描述线性缓变结是怎样形成的。

9.给出超突变结的定义。

复习题

1.给出内建电势差的定义并描述它是怎样维持热平衡的。

2.为什么空间电荷区内会有电场？为什么均匀掺杂pn结的电场是距离的线性

函数？

3.空间电荷区内什么位置的电场最大？

4.为什么pn结低掺杂一侧的空间电荷区较宽？

5.空间电荷区宽度与反偏电压的函数关系是什么？

6.为什么空间电荷区宽度随着反偏电压的增大而增加？

7.为什么反偏状态下的pn结存在电容？为什么随着反偏电压的增加，势垒电

容反而下降？

8.什么是单边突变结？我们可确定单边突变结的哪些参数？