【半导体物理 精】总复习课
半导体物理学[第十二章半导体磁和压阻效应]课程复习
第十二章半导体磁和压阻效应 12．1 理论概要与重点分析 (1)把通有电流的半导体放在磁场中，在垂直于电流和磁场的方向上会产生横向电场，这个现象称为霍尔效应。横向电场称为霍尔电场。霍尔效应的实质是带电粒子在磁场中运动受到洛仑兹力作用的结果。 实验测定表明：霍尔电场Ey与电流密度j x 和磁感应强度B z 成正比，即 E y -R H j x B z (12．1) 比例系数R H 称为霍尔系数。对于不同的材料，其弱场霍尔系数R H 如表12-1所示。 利用霍尔效应可以判断半导体材料的导电类型，测量半导体的载流子浓度和迁移率。低温下霍尔效应试验还是研究半导体材料补偿度和杂质电离的有效方法。利用霍尔效应可制成霍尔器件，且由于霍尔器件可在静止状态下感受磁场，多数载流子工作，响应频率宽、寿命长、可靠性高，因而得到广泛的应用。 (2)在磁场的作用下，半导体的电阻要增大，这种效应称为磁阻效应。它可分为两种，一种是半导体的电阻率随磁场增大而增大，这种效应称为物理磁阻效应。另一种磁阻效应与样品的形状有关，不同几何形状的样品，在同样大小的磁场作用下，其电阻不同，这种效应称为几何磁阻效应。 若磁场和外加电场相互垂直时，产生的磁阻效应称为横向磁阻效应。通常用电阻率的相对改变形容磁阻。
(4)光磁电效应：用能被半导体强烈吸收的光照射，在半导体表面薄层产生光生载流子，电子和空穴均向内部做扩散运动，再把样品置于与入射光垂直的磁场中，在垂直于磁场和载流子扩散方向产生横向电场，这种现象称为光磁电效应。产生电场的原因是磁场使向同一方向扩散的电子和空穴，分别向横向两端偏转形成的。光磁电效应，可用来测量短寿命半导体的非子寿命和制作红外探测器。 (5)压阻效应是指应变引起半导体的电阻率变化。其物理原因在于，应变使
《半导体物理学》课程辅导教案
《半导体物理学》课程辅导教案 关于教案的几点说明: 教案的基本内容:包括课程的课程重点,课程难点,基本概念,基本要求,参考资料,思考题和自测题,教学进度及学时分配. 教材:采用高等学校工科电子类(电子信息类)规划教材《半导体物理学》,由刘思科,朱秉升,罗晋生等编写.本教材多次获奖,如全国高等学校优秀教材奖,电子类专业优秀教材特等奖,普通高等学校教材全国特等奖. 参考资料(书目) 叶良修(北大)《半导体物理学》 刘文明(吉大)《半导体物理学》 顾祖毅(清华)《半导体物理学》 格罗夫(美)A.S.Grove《半导体器件物理与工艺》 王家骅(南开)《半导体器件物理》 施敏(Sze.S.M美)《半导体器件物理》 施敏(Sze.S.M美)《现代半导体器件物理》 目录 第一章半导体中的电子状态 §1.1 晶体结构预备知识,半导体晶体结构 §1.2 半导体中的电子状态 §1.3 电子在周期场中的运动——能带论 §1.4 半导体中电子(在外力下)的运动,有效质量,空穴 §1.5 半导体的导电机构 §1.6 回旋共振 §1.7 硅和锗的能带结构 §1.8 化合物半导体的能带结构 第二章半导体中杂质和缺陷能级 §2.1 硅,锗晶体中的杂质能级 §2.2 化合物半导体中的杂质能级 §2.3 半导体中的缺陷能级(defect levels) 第三章半导体中热平衡载流子的统计分布
§3.1 载流子的统计分布函数及能量状态密度 §3.2 导带电子浓度和价带空穴浓度 §3.3 本征半导体的载流子浓度 §3.4 杂质半导体的载流子浓度 §3.5 一般情况下地载流子统计分布 §3.6 简并半导体 第四章半导体的导电性 §4.1 载流子的漂移运动,迁移率 §4.2 载流子的散射 §4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系 §4.4 电阻率及其与杂质浓度的关系 §4.6 强电场效应,热载流子 §4.7 耿氏效应,多能谷散射 第五章非平衡载流子 §5.1 非平衡载流子的注入 §5.2 非平衡载流子的复合和寿命 §5.3 准费米能级 §5.4 复合理论 §5.5 陷阱效应 §5.6 载流子的扩散运动 §5.7 载流子的漂移运动,爱因斯坦关系 §5.8 连续性方程及其应用 第六章p–n结 §6.1 p–n结及其能带图 §6.2 p–n结电流电压特性 §6.3 p–n结电容 §6.4 p–n结击穿 §6.5(*) p–n结隧道效应 第一章半导体中的电子状态（光14学时微14学时）§1.1 晶体结构预备知识半导体晶体结构 ◆本节内容:
半导体物理习题及答案复习课程
半导体物理习题及答 案
复习思考题与自测题 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， dk f h 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。 2.为什么半导体满带中的少量空状态可以用具有正电荷和一定质量的空穴来描述? 答：空穴是一个假想带正电的粒子，在外加电场中，空穴在价带中的跃迁类比 当水池中气泡从水池底部上升时，气泡上升相当于同体积的水随气泡的上升而 下降。把气泡比作空穴，下降的水比作电子，因为在出现空穴的价带中，能量 较低的电子经激发可以填充空穴，而填充了空穴的电子又留下了一个空穴。因 此，空穴在电场中运动，实质是价带中多电子系统在电场中运动的另一种描
《半导体物理》课程教学大纲
《半导体物理》课程教学大纲 课程编号：C030001 适用专业：微电子技术，微电子学 学时数：72（实验12）学分数：4．5 先修课程：《热力学与统计物理学》、《量子力学》和《固体物理学》 考核方式：闭卷 执笔者：刘诺编写日期：2004.5 一、课程性质和任务 《半导体物理学》是面向电子科学与技术方向本科生所开设的微电子技术专业和微电子学专业的一门专业基础课和学位课，是培养方案中的核心课程之一。开设的目的是使学生熟悉半导体物理的基础理论和半导体的主要性质，以适应后续专业课程的学习和将来工作的需要。 二、教学内容和要求 ?理论教学（60学时） 半导体中的电子状态（8学时）： 理解能带论。掌握半导体中的电子运动、有效质量，本征半导体的导电机构、空穴，锗、硅、砷化镓和锗硅的能带结构。
半导体中的杂质和缺陷能级（5学时）： 掌握锗、硅晶体中的杂质能级，Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的杂质能级。理解缺陷、位错能级。 热平衡时半导体中载流子的统计分布（10学时）： 掌握状态密度，费米能级和载流子的统计分布，本征半导体的载流子浓度，杂质半导体的载流子浓度。理解一般情况下的载流子的统计分布。了解简并半导体。半导体的导电性（8学时）： 掌握载流子的漂移运动，载流子的散射，迁移率与杂质浓度和温度的关系，玻尔兹曼方程。了解电导的统计理论。理解强电场效应，热载流子。 非平衡载流子（8学时）： 掌握非平衡载流子的注人与复合，非平衡载流子的寿命，准费米能级，复合理论，陷阱效应，载流子的扩散运动、爱因斯坦关系，理解连续性方程。 p-n结（0学时）： 了解p-n结及能带图，p-n结的电流电压特性，p-n结电容，p-n结击穿和p-n 结隧道效应。 异质结（0学时）： 了解异质结及其能带图和异质结的电流输运机构。
半导体物理学课后习题解第1章习题解
半导体物理学 第一章习题 (公式要正确显示，请安装字体MT extra) 1．设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能 量E V (k)分别为： ............................ 错误!未定义书签。 2. 晶格常数为的一维晶格，当外加102V/m ，107 V/m 的电场时，试分别计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。 .............. 错误!未定义书签。 1．设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附 近能量E V (k)分别为： 0 2 20122021202236)(,)(3Ec m k m k k E m k k m k V 0m 。试求： 为电子惯性质量，nm a a k 314.0,1 （1）禁带宽度; （2）导带底电子有效质量; （3）价带顶电子有效质量; （4）价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化
解：10911010314.0＝ a k （1） J m k m k m k E k E E m k k E E k m dk E d k m k dk dE J m k Ec k k m m m dk E d k k m k k m k dk dE V C g V V V V c C 1731210340212012202 1210 12202220 217312 103402 12102 02022210 120210*02.110108.912)1010054.1(1264)0()43(6)(0,0600610*05.310108.94)1010054.1(4Ec 430382324 30)(232 因此：取极大值处，所以又因为得价带： 取极小值处，所以：在又因为：得：由导带： 04 3222* 83)2(1m dk E d m k k C nC s N k k k p k p m dk E d m k k k k V nV /1095.71010054.14 310314.0210625.643043)() ()4(6 )3(251034934104300 222 *1 所以：准动量的定义：
半导体物理学(第七版)完整课后答案
第一章习题 1．设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近 能量E V (k)分别为： E C （K ）=0 2 20122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V - =-+ 0m 。试求： 为电子惯性质量，nm a a k 314.0,1== π （1）禁带宽度; （2）导带底电子有效质量; （3）价带顶电子有效质量; （4）价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化 解：（1） eV m k E k E E E k m dk E d k m k dk dE Ec k k m m m dk E d k k m k k m k V C g V V V c 64.012)0()43 (0,060064 3 382324 3 0) (2320 212102220 202 02022210 1202==-==<-===-==>=+===-+ 因此：取极大值 处，所以又因为得价带： 取极小值处，所以：在又因为：得：由导带： 04 32 2 2*8 3)2(1 m dk E d m k k C nC ===
s N k k k p k p m dk E d m k k k k V nV /1095.704 3 )() ()4(6 )3(25104 3002 2 2*1 1 -===?=-=-=?=- == 所以：准动量的定义： 2. 晶格常数为0.25nm 的一维晶格，当外加102V/m ，107 V/m 的电场时，试分别 计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。 解：根据：t k h qE f ??== 得qE k t -?=? s a t s a t 137 19 282 1911027.810 10 6.1)0(102 7.810106.1) 0(----?=??-- =??=??-- = ?π π 补充题1 分别计算Si （100），（110），（111）面每平方厘米内的原子个数，即原子面 密度（提示：先画出各晶面内原子的位置和分布图） Si 在（100），（110）和（111）面上的原子分布如图1所示： （a ）(100)晶面 （b ）(110)晶面
半导体物理学[第一章半导体中的电子状态]课程复习
第一章半导体中的电子状态 (1)固体可分为晶体、非晶体两大类。晶体是其原子按一定规律周期性重复排列而组成的，周期性是晶体结构的主要特征。半导体硅、锗是金刚石结构，它的晶胞是正立方体，可看成是由两个面心立方沿体对角线方向移动1／4套构而成的。闪锌矿结构与金刚石结构相似，唯一差别是在体对角线1／4处的4个原子和格点上其他原子不同，Ⅲ-V族化合物半导体如GaAs即为此例。 (2)晶体的周期性决定了晶体中电子势场的周期性，在周期性势场中电子的运动状态，可用单电子近似来描写，其薛定谔方程所决定的波函数为布洛赫函数，即 ψk (r)=u k (r)e i2πk·r (1．1) 式中 u k (r)=u k (r+nα) 是与晶格周期相同的周期性函数。它反映了周期势场对电子运动的影响，晶体中的电子在某一原胞中的不同位置出现的概率不同，而在不同的原胞的各等价位置出现的概率相同。平面波因子e i2πk·r表明晶体中的电子不再是局域化，而是扩展到整个晶体中。布洛赫函数表明了晶体中各原子层电子的共有化运动。 (3)单电子近似结果直接表明孤立原子凝聚成为晶体时其中的电子状态形成能带，这就是通常所说的能带论。根据能带论的结果，晶体中电子能量随其电子波波矢k的不同而变化，即E(k)关系。能量E在波矢k=n/2α处出现不连续而发生阶跃，这部分不允许电子存在的能量范围，称为禁带。其他部分E随k连续变化，形成允带，晶体中的电子处在一系列的允带中。k=n/2α处的界面把k空间分割成若干个相等的区域，这些区域称为布里渊区。对有限大的晶体，利用周期性边界条件，在布里渊区中k的取值是量子化的，其可能取值为 ke x =n x /L (n x =0，±1，±2，…)
半导体物理学[第六章pn结]课程复习(精)
山东大学《半导体物理》期末复习知识点 第六章 pn结 6．1 理论概要与重点分析 (1)pn结是将同种半导体材料的n型和p型两部分紧密结合在一起，在交界处形成一个结，即称为pn结。为使性能优越，一般采用合金法、扩散法、外延生长法和离子注入法等，改变其掺杂性质来实现这种“紧密接触”的。pn结是重要半导体器件，如结型晶体管及其相应的集成电路的工作核心。 设两种杂质的交界面为xj，如果 杂质有一个较宽的补偿过度阶段，为缓变结，较深的扩散法一般属此种情况。(2)由于在结的两边两种载流子相差悬殊而发生扩散。n区中的电子流入p区，在结附近留下不可以移动的电离施主；同样p区中的空穴流入n区在结的附近留下不可移动的电离受主，形成一个n区为正，p区为负的电偶极层，产生由n区指向p区的自建电场，此电场的作用是阻止载流子进一步相互扩散。或者说产生了一个与扩散相反的载流子漂移，当两者达到平衡时，载流子通过结的净流动为零，达到平衡。建立起一个稳定的空间电荷区和一个稳定的自建电场。n型的一边带正电，电动势高；p型一边带负电，电势低，所产生电动势差称为pn结接触电动势差。这个电动势差对n型区的电子和p型区的空穴各自向对方，运动都形成势垒，使整个结构在结区形成能带弯曲，其弯曲的高度称为势垒高度，它恰恰补偿了原来两边半导体中费米能级的高度差，使两边达到等高的统一费米能级。山东大学《半导体物理》期末复习知识点 (3)pn结上加正向电压V(p型一端接正，n型一端接负)时，外加电压电场与内建电场的方向相反，使内建电场减弱，势垒区变窄，势垒高度由平衡时的q VD变
为q(VD-V)。两区的费米能级分开为EnF-EpF=qV这时由内建电场引起载流子的漂 移减弱，扩散相对增强。于是有一个净的扩散电流从p区通过结流入n区，这便是pn结的正向电流。随外加电压V的增加，势垒高度越来越小，载流子漂移越来越小，扩散进一步增加。因此随外加正向电压的增加，正向电流迅速增大。在pn结上加反向电压(p型一端接负，n型一端接正)时，其外加电场方向与自建电场的方向相同，使势垒由平衡时的q VD增高为q(VD+V)，势垒区宽度变宽， 减少了多子的相互扩散，增加了少子的漂移。因此形成了一个由n区流向p区的净电流，称之为反向电流。但因少子的浓度低，而且只有扩散到势垒边界的少子才能被势垒区的强电场拉向另一边。所以反向电流很小，而且不随外加反向电压的增加而增加，达到饱和，因此称之为反向饱和电流。 这就定性地说明了pn结的整流效应。 (4)要推导出pn结的电流电压关系，可按下面的思路得到。 在外加偏压V下(暂时设其为正偏)，pn结势垒区的自建电场减弱，使p区和n区有少子的净注入，n区的电子注入p区变成p区的少子，p区的空穴注入n区，成为n区的少子，而积累在势垒区的边界。由于内部少子浓度比边界低，因此它们会从注入的边界向各自内部扩散。在忽略掉势垒区载流子的复合、产生和小注入的条件下，解两边少数载流子的稳态扩散方程，分别求出电压为V时，在势垒边界xn和(-xp)处空穴和电子的扩散电流密度，两者相加，即得到通过pn 山东大学《半导体物理》期末复习知识点
半导体物理课程
第二章半导体中的杂质和缺陷能态 §2.1杂质和杂质能级 一、杂质的类型 杂质——在半导体材料中存在着一些与组成半导体材料的元素不同的其他元素原子。杂质在半导体中存在的形态： 替位：要求杂质原子的大小与被替代的晶格原子的大小相近，它们的价电子层结构比较相近。III,V 族元素在Si ，Ge 晶体中都是替位式杂质。 填隙：通常这种杂质的原子半径是比较小的。杂质的类型： 有两种分法，一种按其对载流子的贡献来分；一种是按其能级的深浅来分。第一种，按对载流子的贡献可分为以下四种类型：①施主杂质——对半导体材料提供导电电子的杂质②受主杂质——对半导体材料提供导电空穴的杂质③中性杂质——不提供载流子 ④双性杂质——有时是施主杂质，有时又是受主杂质第二种，按能级的深浅可分为以下两种类型：①浅能级杂质；②深能级杂质 二、浅能级杂质 1.浅施主杂质 用P 原子代替一个Si 原子后，形成了一个正电中心P +和一个多余的价电子，这个价电子很容易在外界作用下变成一个自由电子。P 为半导体材料提供了一个自由电子，故P 称为施主杂质或n 型杂质。 价电子脱离杂质原子成为自由电子的过程称为杂质电离，所需要的能量称为杂质电离能。 D E ? S S i S i S S i S i S i S C D E V 通常在室温下，杂质可以完全电离。当杂质浓度为N D 时，晶体的电子浓度n 即为。把主要D N n ≈依靠导带电子导电的半导体称为电子型或n 型半导体。 2.浅受主杂质 以一个硼原子替代一个Si 原子，形成负电中心和一个空穴。空穴很容易成为在晶体的共价键中自由运动的导电空穴。B 能够在晶体中接受一个电子而产生一个导电空穴，故称为受主杂质或 P 型杂质 。 S i S S i S i S i S i S A A A A A A B A A A A A A C A A A A A A A A A A A A A A A A A A B C
半导体物理课程教学大纲
《半导体物理实验》课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称、所属专业、课程性质、学分； 课程名称：半导体物理实验 所属专业：电子材料与器件工程专业本科生 课程性质：专业必修课 学分: 4 （二）课程简介、目标与任务； 本课程是为物理科学与技术学院电子材料与器件工程专业大四本科生所开设的实验课，是一门专业性和实践性都很强的实践教学课程。开设本课程的目标和任务是使学生熟练掌握半导体材料和器件的制备、基本物理参数以及物理性质的测试原理和表征方法，为半导体材料与器件的开发设计与研制坚定基础。 （三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接； 由于是实验课，所以需要学生首先掌握《半导体物理》和《半导体器件》的基本知识，再通过本课程培养学生对半导体材料和器件的制备及测试方法的实践能力。其具体要求包括：1、了解半导体材料与器件的基本研究方法；2、理解半导体材料与器件相关制备与基本测试设备的原理、功能及使用方法，并能够独立操作；3、通过亲自动手操作提高理论与实践相结合的能力，提高理论学习的主动性。开设本课程的目的是培养学生实事求是、严谨的科学作风，培养学生的实际动手能力，提高实验技能。 （四）教材与主要参考书。 教材：《半导体物理实验讲义》,自编教材 参考书：1. 半导体器件物理与工艺(第三版)，施敏，苏州大学出版社， 2. [美]A.S.格罗夫编,齐健译.《半导体器件物理与工艺》.科学出版社，1976 二、课程内容与安排 实验一绪论
1、介绍半导体物理实验的主要内容 2、学生上课要求，分组情况等 实验二四探针法测量电阻率 一、实验目的或实验原理 1、了解四探针电阻率测试仪的基本原理； 2、了解的四探针电阻率测试仪组成、原理和使用方法； 3、能对给定的薄膜和块体材料进行电阻率测量，并对实验结果进行分析、处理。 二、实验内容 1、测量单晶硅样品的电阻率； 2、测量FTO导电层的方块电阻； 3、对测量结果进行必要的修正。 三、实验仪器与材料 四探针测试仪、P型或N型硅片、FTO导电玻璃。 实验三椭圆偏振法测量薄膜的厚度和折射率 一、实验目的或实验原理 1、了解椭圆偏振法测量薄膜参数的基本原理； 2、掌握椭圆偏振仪的使用方法，并对薄膜厚度和折射率进行测量。 二、实验内容 1、测量硅衬底上二氧化硅膜的折射率和厚度； 三、实验主要仪器设备及材料 椭圆偏振仪、硅衬底二氧化硅薄膜。 实验四激光测定硅单晶的晶向 一、实验目的或实验原理 1、理解激光测量Si单晶晶面取向的原理；