半导体物理复习提纲
半导体器件原理课程复习提纲
半导体器件原理课程复习提纲第一篇：半导体器件原理课程复习提纲《半导体器件原理》课程复习提纲基础：半导体物理基本概念、物理效应，p－n结。
重点：双极型晶体管、JFET、GaAs MESFET、MOSFET。
了解：材料物理参数、器件直流参数和频率参数的意义。
根据物理效应、重要方程、实验修正，理解半导体器件工作原理和特性，进行器件设计、优化、仿真与建模。
第一章：半导体物理基础主要内容包括半导体材料、半导体能带、本征载流子浓度、非本征载流子、本征与掺杂半导体、施主与受主、漂移扩散模型、载流子输运现象、平衡与非平衡载流子。
半导体物理有关的基本概念，质量作用定律，热平衡与非平衡、漂移、扩散，载流子的注入、产生和复合过程，描述载流子输运现象的连续性方程和泊松方程。
（红色部分不作考试要求）第二章：p－n 结主要内容包括热平衡下的p－n结，空间电荷区、耗尽区（耗尽层）、内建电场等概念，p－n结的瞬态特性，结击穿，异质结与高低结。
耗尽近似条件，空间电荷区、耗尽区（耗尽层）、内建电势等概念，讨论pn结主要以突变结（包括单边突变结）和线性缓变结为例，电荷分布和电场分布，耗尽区宽度，势垒电容和扩散电容的概念、定义，直流特性：理想二极管IV方程的推导对于考虑产生复合效应、大注入效应、温度效应对直流伏安特性的简单修正。
PN的瞬态特性，利用电荷控制模型近似计算瞬变时间。
结击穿机制主要包括热电击穿、隧道击穿和雪崩击穿。
要求掌握隧道效应和碰撞电离雪崩倍增的概念，雪崩击穿条件，雪崩击穿电压、临界击穿电场及穿通电压的概念，异质结的结构及概念，异质结的输运电流模型。
高低结的特性。
（红色部分不作考试要求）第三章：双极型晶体管主要内容包括基本原理，直流特性，频率响应，开关特性，异质结晶体管。
晶体管放大原理，端电流的组成，电流增益的概念以及提高电流增益的原则和方法。
理性晶体管的伏安特性，工作状态的判定，输入输出特性曲线分析，对理想特性的简单修正，缓变基区的少子分布计算，基区扩展电阻和发射极电流集边效应，基区宽度调制，基区展宽效应，雪崩倍增效应，基区穿通效应，产生复合电流和大注入效应，晶体管的物理模型E－M模型和电路模型G－P模型。
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第一章、第二章1.能带理论的基本假定是什么？①绝热近似：离子的波函数与电子的位置及状态无关。
多粒子问题→多电子问题。
②平均场近似：忽略电子和电子件的相互作用，用平均场代替电子与电子间的相互作用。
③周期场近似：单电子问题→单电子在周期场中运动的问题。
2.用能带理论解释绝缘体半导体和金属的导电性固体能够导电是固体中的电子在外场作用下做定向运动的结果.从能带理论看,是电子从一个能级跃迁到另一个能级上去。
对于满带（价带）,其中能级已被电子占满,在外电场的作用下满带中的电子并不形成电流,对导电没有贡献。
对于被电子部分占满的能带，在外电场的作用下，电子可以从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去，形成了电流，起导电作用，我们称之为导带。
金属：由于组成金属的原子中的价电子占据的能级是部分占满的，在外电场作用下，电子可以吸收能量跃迁到违背电子占据的能级，所以金属是良好的导体。
绝缘体和半导体类似，下面都是已被电子占满的满带（价带），中间是禁带，上面是空带（导带），所以在热力学零度时，在外电场的作用下并不导电。
当外界条件变化时，就有少量电子被激发到空带上去，使能带处于几乎为满或几乎为空的状态，在半导体中，价带顶产生的空的量子状态也称为空穴，相当于正电荷的导电作用，电子和空穴在外场作用下就会参与导电。
而绝缘体只是禁带宽度太大，激发电子需要很大的能量，在通常温度下，激发上去的电子很小，导电性差。
3.解释直接带隙和间接带隙半导体直接带隙：导带最底边和价带最顶边处于K空间的相同点的半导体，跃迁只吸收能量。
性质：跃迁时电子波矢不变，动量守恒，直接复合（不需声子接受或提供能量），载流子寿命短，发光效率高。
间接带隙：导带边和价带边处于K空间不同点，形成半满带不止吸收能量还要改变动量。
性质：大几率将能量释放给晶格转化为声子，变成热能释放掉。
4.什么是施主杂质，受主杂质？施主杂质：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，称他们为施主杂质会n型杂质；受主杂质：III族杂质在硅、锗中电离时，能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称他们为受主杂质会p型杂质。
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《半导体物理学》复习提纲第二章平衡状态下半导体体材的特性重点掌握描述每个量子态被电子占据的几率随能量E变化的分布函数；费米能级E F；本征半导体的载流子浓度；掺杂半导体的载流子浓度；第三章非平衡状态下半导体体材的特性重点掌握非平衡状态指的是什么；载流子的漂移输运现象；载流子的扩散输运现象；电导率方程；爱因斯坦关系；布尔兹曼关系；连续性-输运方程第四章平衡和偏置状态下的PN结特性重点掌握PN的能带图；接触势；PN结的偏置；耗尽区厚度与电压的关系；结电容第五章PN结的伏-安特性重点掌握肖克莱定律；正偏条件下的PN 结特性；反偏条件下的PN 结特性；PN 结的瞬态特性第六章半导体表面和MIS 结构重点掌握p 型和n 型半导体积累、耗尽、反型和强反型状态下的表面感生电荷层 表面势；p 型和 n 型半导体在积累、耗尽、反型和强反型状态下的能带结构MIS 结构的 C-V 第七章 金属-半导体接触和异质结重点掌握金属和掺杂半导体形成的接触； 肖特基势垒； 功函数；半导体的亲和能；例题：1，分别计算比E F 高2kT 、3 kT 和低2 kT 、3 kT 能级电子的占有几率（e = 2.7183）。
解：(1) 比E F 高2kT 的能级2FEE kT根据21110.1192117.38911FE E kTf Ee e(2) 比E F 高3kT 的能级3FEE kT根据31110.0474121.08591FE E kTf Eee(3) 比E F 低2kT 的能级2FE EkT根据21110.8807110.13531FE E kTf Eee(4) 比E F 高3kT 的能级3FE EkT根据31110.95251 1.04981FE E kTf Eee比E F 高2kT ，3 kT 和低2 kT ，3 kT 能级电子的占有几率分别是12%、5%、88% 和95%。
2，设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近的能量能量E c (k ) 为222213C k k k E kmm价带极大值附近的能量E v (k ) 为式中m 为电子质量，k 1 = π/a ，a = 3.14Å 试求：（1）该晶体的禁带宽度；（2）导带底电子的有效质量； （3）价带顶电子的有效质量。
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一、半导体物理知识大纲核心知识单元 A：半导体电子状态与能级（课程基础——掌握物理概念与物理过程、是后面知识的基础）半导体中的电子状态（第 1 章）半导体中的杂质和缺陷能级（第 2 章）核心知识单元 B：半导体载流子统计分布与输运（课程重点——掌握物理概念、掌握物理过程的分析方法、相关参数的计算方法）半导体中载流子的统计分布（第 3 章）半导体的导电性（第 4 章）非平衡载流子（第 5 章）核心知识单元 C：半导体的基本效应（物理效应与应用——掌握各种半导体物理效应、分析其产生的物理机理、掌握具体的应用）半导体光学性质（第10 章）半导体热电性质（第11 章）半导体磁和压阻效应（第12 章）二、半导体物理知识点和考点总结第一章半导体中的电子状态本章各节内容提要：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。
半导体物理学复习纲要
练习1
1。写出三种立方单胞的名称，并分别计算 单胞中所含的原子数。 （简立方，体心立方，面心立方，1，2，4）
2. 计算金刚石型单胞中的原子数。
（8）
练习2
1、简化能带图，指出各符号意义。
2、什么是载流子？金属和半导体中载流子分别是 什么？ 材料中荷载电流的粒子，金属中为电子，半导体 中为电子和空穴
第四章
第四节 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 • 电阻率和杂质浓度的关系 • 电阻率随温度的变化 第六节 强电场下的效应、热载流子 • 欧姆定律的偏移 • 平均漂移速度与电场强度的关系 第七节 多能谷散射 耿氏散射 • 多能谷散射、 体内负微分电导 • 高场畴区及耿氏振荡
练习6
• 图中C是空穴电流方向，问A、B、D中哪个 是电子漂移方向？哪个是电子电流方向？ 哪个是空穴漂移方向？
第1章 半导体中的电子状态
要求1-7节
1.1 半导体的晶格结构和结合性质 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.3 半导体中电子的运动 有效质量 1.4 本征半导体的导电机构 空穴 1.5 回旋共振 1.6 硅和锗的能带结构 1.7 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构 1.8 Ⅱ-Ⅵ族公合物半导体的能带结构 1.9 SI1-xGex合金的能带 1.10 宽禁带半导体材料
1、T>0K时，电子占据费米能级的概率是（ 1/2 ）。
Chap4 载流子的输运现象
（5-6不要求）
§4.1 §4.2 §4.3 §4.4 §4.5 §4.6 §4.7
载流子的漂移运动，迁移率 载流子的散射 迁移率与杂质浓度和温度的关系 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 玻尔兹曼方程 电导率的统计理论 强电场效应 热载流子 耿氏效应 多能谷散射
第五章 非平衡载流子（要求1-7）
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第一章 半导体物理基础能带：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？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及引入空穴的意义。
1-4、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：2222100()()3C k k k E k m m -=＋和22221003()6v k k E k m m =－；m 0为电子惯性质量，1k a π=；a ＝0.314nm ，341.05410J s -=⨯⋅，3109.110m Kg -=⨯，191.610q C -=⨯。
试求：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。
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、准粒子、荷正电：+q ； 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）； 、E P =-E n （能量方向相反）、m P *=-m n *。
空穴的意义：引入空穴后，可以把价带中大量电子对电流的贡献用少量空穴来描述，使问题简化。
1-4、①禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(＝2023k m ＋2102()k k m -＝0；可求出对应导带能量极小值E min 的k 值： k min ＝143k ， 由题中E C 式可得：E min ＝E C (K)|k=k min =2104k m ；由题中E V 式可看出，对应价带能量极大值Emax 的k 值为：k max ＝0；并且E min ＝E V (k)|k=k max ＝22106k m ；∴Eg ＝E min －E max ＝221012k m ＝222012m a π ＝23423110219(1.05410)129.110(3.1410) 1.610π----⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯＝0.64eV②导带底电子有效质量m n2222200022833C d E dk m m m =+=；∴ 22023/8C n d E m m dk == ③价带顶电子有效质量m ’ 22206V d E dk m =-，∴2'2021/6V n d E m m dk ==- 掺杂：2-1、什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？2-2、什么叫施主？什么叫施主电离？2-3、什么叫受主？什么叫受主电离？2-4、何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？题解：2-1、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。
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第一章 半导体中的电子状态1. 如何表示晶胞中的几何元素？规定以阵胞的基矢群为坐标轴，即以阵胞的三个棱为坐标轴，并且以各自的棱长为单位，也称晶轴。
2. 什么是倒易点阵（倒格矢）？为什么要引入倒易点阵的概念？它有哪些基本性质？ 倒格子： 2311232()a a b a a a π⨯=⋅⨯3122312()a a b a a a π⨯=⋅⨯1233122()a a b a a a π⨯=⋅⨯ 倒格子空间实际上是波矢空间，用它可很方便地将周期性函数展开为傅里叶级数，而傅里叶级数是研究周期性函数的基本数学工具。
3. 波尔的氢原子理论基本假设是什么？（1）原子只能处在一系列不连续的稳定状态。
处在这些稳定状态的原子不辐射。
（2）原子吸收或发射光子的频率必须满足。
（3）电子与核之间的相互作用力主要是库仑力，万有引力相对很小，可忽略不计。
（4）电子轨道角动量满足：h m vr nn π== 1,2,3,24. 波尔氢原子理论基本结论是什么？ （1） 电子轨道方程：0224πεe r mv = （2） 电子第n 个无辐射轨道半径为：2022meh n r n πε= （3） 电子在第n 个无辐射轨道大巷的能量为：222042821hn me mv E n n ε== 5. 晶体中的电子状态与孤立原子中的电子状态有哪些不同？（1）与孤立原子不同，由于电子壳层的交迭，晶体中的电子不再属于某个原子，使得电子在整个晶体中运动，这样的运动称为电子共有化运动，这种运动只能在相似壳间进行，也只有在最外层的电子共有化运动才最为显著。
（2）孤立原子钟的电子运动状态由四个量子数决定，用非连续的能级描述电子的能量状态，在晶体中由于电子共有化运动使能级分裂为而成能带，用准连续的能带来描述电子的运动状态。
6. 硅、锗原子的电子结构特点是什么？硅电子排布：2262233221p s p s s锗电子排布：22106262244333221p s d p s p s s价电子有四个：2个s 电子，2个p 电子。
半导体物理学复习提纲(重点)教学提纲
第一章 半导体中的电子状态§1.1 锗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 有效质量导带底和价带顶附近的E(k)~k 关系()()2*2nk E k E m 2h -0=； 半导体中电子的平均速度dEv hdk=； 有效质量的公式：222*11dk Ed h m n =。
§1.4本征半导体的导电机构 空穴空穴的特征：带正电；p n m m **=-；n p E E =-；p n k k =-§1.5 回旋共振§1.6 硅和锗的能带结构 导带底的位置、个数； 重空穴带、轻空穴第二章 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 Ⅲ—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热平衡载流子概念§3.1状态密度定义式：()/g E dz dE =；导带底附近的状态密度：()()3/2*1/232()4ncc m g E VE E h π=-；价带顶附近的状态密度：()()3/2*1/232()4p v Vm g E V E E hπ=-§3.2 费米能级和载流子的浓度统计分布 Fermi 分布函数：()01()1exp /F f E E E k T =+-⎡⎤⎣⎦；Fermi 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F E 是系统的化学势；2）F E 可看成量子态是否被电子占据的一个界限。
3）F E 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。
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4 金属和半导体接触的整流理论 接触整流特性（n，p），电流－电压特性（扩 散理论和热电子发射理论的适用范围) 5 肖特基势垒二级管 与pn结的异同性 6 欧姆接触的概念
第8章 半导体表面与MIS结构
1 表面态 概念（理想表面和实际表面），受主表面 态和施主表面态 2 表面电场效应 表面空间电荷层，表面电势，表面空间 电荷层几种状态的定性分析 （多子堆积， 平带，多子耗尽，少子反型）
第5章 非平衡载流子
1 非平衡载流子的注入
非平衡状态、非平衡载流子、小注入、注入条
件、注入使半导体产生附加电导率
2 非平衡载流子的复合和寿命
非平衡载流子的复合、复合率、净复合率、产生
率、非平衡载流子的寿命
3 准费米能级
概念、准费米能级与费米能级的关系
4 复合理论
直接复合、间接复合、表面复合机理以及各种因 素对非平衡载流子寿命的影响、有关的基本概 念、金在硅中起的作用
3 半导体的光生伏特效应 光生伏特效应及光电池的基本原理，掌握光电 池的伏安特性，了解光生伏特效应的基本应用。 4 半导体发光及半导体激光 发光效率；掌握电致发光机构（同质p–n结）； 掌握产生受激辐射的条件并能定性解释其原理
4 回旋共振 k空间等能面、实验原理及条件、等能面 的形状与有效质量的关系 5 半导体能带结构 硅的导带和价带结构
第2章半导体中杂质和缺陷能级
1 硅锗中的杂质能级 间隙式杂质、替位式杂质 施主杂质（正电中心、施主电离、中性态 或束缚态、施主电离能、施主能级、 n型 半导体）、受主杂质（负电中心、受主电 离、受主电离能、受主能级、 p型半导体） 浅能级、浅能级杂质 杂质补偿、高度补偿
4 本征半导体的载流子浓度
电中性条件、本征费米能级、本征载流子浓度
5杂质半导体的载流子浓度
多数载流子和少数载流子（多子和少子）的概念； 计算室温下载流子浓度和费米能级（n型和p型）； 在掺杂浓度一定情况下，能够解释多子浓度和费米 能级随温度变化关系。 掌握饱和区和过渡区的载流子浓度和费米能级表达式
2 深能级杂质 概念、形成、特点 3 化合物半导体中的杂质能级 等电子杂质、等电子陷阱 4 半导体中的缺陷能级 点缺陷特点及影响
第3章 半导体中载流子的统计分布
1 状态密度 概念、导带底和价带顶状态密度表达式（k=0， 等能面为球面） 2 费米能级 费米分布函数、费米能级定义和物理意 义、波尔兹曼分布函数 3载流子的统计分布 简并半导体和非简并半导体、导带电子浓 度、价带空穴浓度、载流子浓度的乘积
能导出爱因斯坦关系式并应用
8 连续性方程
应用连续性方程解决具体问题
第6章 p–n结
1 p–n结及其能带图
空间电荷区、平衡p–n结、势垒区；理解p–n结 的 形成原因；平衡p–n结能带图
2 p–n结电流电压特性
非平衡p–n结能带图
第7章 金属和半导体接触
1 金属和半导体的功函数 金属功函数，半导体功函数，电子亲和能 2 金属与半导体接触 金属与n(p)型半导体接触能级图，阻挡 层与反阻挡层 3 表面态对接触势垒的影响
影响；晶格失配是产生界面态的主要原因。
第10章半导体的光学性质和光电 与发光现象
1 半导体的光吸收 吸收系数、消光系数、反射系数、透射系数等 光学参数的意义；本征半导体吸收特点及直接跃 迁和间接跃迁的特点 ；熟悉其它吸收机构产生 吸收的机理 2 半导体的光电导 定态光电导及其弛豫过程和弛豫时间的关系；了 解复合和陷阱对光电导的影响杂质基本上全部电离的条件 Nhomakorabea
6一般情况下地载流子统计分布
同时含有施主杂质和受主杂质情况下电中性方程 的一般表达式
分析和计算半导体的载流子浓度和费米能级
7 简并半导体
简并半导体的载流子浓度；简并化条件； 简并时的杂质浓度
第4章 半导体的导电性
1 载流子的漂移运动、迁移率
漂移运动、漂移速度、迁移率、几个重要的公 式，欧姆定律的微分形式
5 陷阱效应 机理、陷阱、陷阱中心、电子陷阱、空穴陷
阱、陷阱中心和复合中心的区别
6 载流子的扩散运动
基本概念（扩散、扩散流密度、扩散定律、扩散长 度、扩散速度、扩散电流密度）；扩散方程是研究半 导体非平衡载流子运动规律的重要方程，因此要掌握 扩散方程及其应用；掌握扩散电流密度的计算方法。
7 载流子的漂移运动，爱因斯坦关系
2 载流子的散射
载流子散射的概念、散射几率、电离杂质散 射、晶格散射（声学波和光学波）、其他散射 3 电导率、迁移率和平均自由时间的关系
4 迁移率与杂质浓度和温度的关系 5 电阻率与杂质浓度和温度的关系 6 强电场效应
定性解释强电场下欧姆定律发生偏离的原因；平 均漂移速度与电场强度的关系；耿氏效应
3 理想MIS结构的C-V特性 理想MIS结构的3个条件， 各种情形（积累，平 带，耗尽，强反型，高频） 4 MIS结构的C-V特性 金属和半导体的功函数差，绝缘层中电荷 ，平 带电压 5 硅–二氧化硅系统的性质 存在的4种形式电荷
第9章 异质结
1异质结种类及其能带图
异质结的基本概念（同型、反型）；理解突 变异质结的能带图及界面态对异质结能带图的