半导体物理器件复习要点
半导体物理与器件知识点
半导体物理与器件知识点
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。
半导体器件物理复习重点
第一章PN结1.1 PN结是怎么形成的？耗尽区：正因为空间电荷区内不存在任何可动的电荷，所以该区也称为耗尽区。
空间电荷边缘存在多子浓度梯度，多数载流子便受到了一个扩散力。
在热平衡状态下，电场力与扩散力相互平衡。
p型半导体和n型半导体接触面形成pn结，p区中有大量空穴流向n区并留下负离子，n区中有大量电子流向p区并留下正离子（这部分叫做载流子的扩散），正负离子形成的电场叫做空间电荷区，正离子阻碍电子流走，负离子阻碍空穴流走（这部分叫做载流子的漂移），载流子的扩散与漂移达到动态平衡，所以pn结不加电压下呈电中性。
1.2 PN结的能带图（平衡和偏压）无外加偏压，处于热平衡状态下，费米能级处处相等且恒定不变。
1.3 内建电势差计算N区导带电子试图进入p区导带时遇到了一个势垒，这个势垒称为内建电势差。
1.4 空间电荷区的宽度计算n d p a x N x N =1.5 PN 结电容的计算第二章 PN 结二极管2.1理想PN 结电流模型是什么？ 势垒维持了热平衡。
反偏：n 区相对于p 区电势为正，所以n 区内的费米能级低于p 区内的费米能级，势垒变得更高，阻止了电子与空穴的流动，因此pn 结上基本没有电流流动。
正偏：p 区相对于n 区电势为正，所以p 区内的费米能级低于n 区内的费米能级，势垒变得更低，电场变低了，所以电子与空穴不能分别滞留在n 区与p 区，所以pn 结内就形成了一股由n 区到p 区的电子和p区到n 区的空穴。
电荷的流动在pn 结内形成了一股电流。
过剩少子电子：正偏电压降低了势垒，这样就使得n 区内的多子可以穿过耗尽区而注入到p 区内，注入的电子增加了p 区少子电子的浓度。
2.2 少数载流子分布（边界条件和近似分布） 2.3 理想PN 结电流⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛=1exp kT eV J J a s⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+=002011p p d n n a inp n pn p s D N D N en L n eD L p eD J ττ2.4 PN 结二极管的等效电路（扩散电阻和扩散电容的概念）？扩散电阻：在二极管外加直流正偏电压，再在直流上加一个小的低频正弦电压，则直流之上就产生了个叠加小信号正弦电流，正弦电压与正弦电流就产生了个增量电阻，即扩散电阻。
精简版-半导体物理与器件复习资料
精简版-半导体物理与器件复习资料(1).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。
(2).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。
(3).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。
(4).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。
(5).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。
(6).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。
(7).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。
(8).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。
(9).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。
(10).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。
(11).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。
(12).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。
(13).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。
n：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）。
(14).本征载流子浓度iE：本征半导体内的费米能级位置。
(15).本征费米能级Fi(16).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。
半导体器件物理重要知识点
Ø 导出半导体表面载流子浓度表达式。
Ø 导出电流－电压特性〔李查德－杜师曼方程〕。
Ø 了解MIS肖特基二极管工作原理。
Ø 掌握结型二极管相比肖特基势垒二极管的主要特点。 Ø 了解肖特基势垒二极管的主要应用。
Ø 掌握欧姆接触概念和形成欧姆接触的条件。
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第三章 双极结性晶体管
Ø 理解理想双极结型晶体管的基本假设及其意义。 Ø 写出发射区、基区、集电区少子满足的扩散方程并解之求出少子分布。 Ø 掌握正向有源模式基区输运因子公式。 Ø 掌握正向有源模式基区电子电流公式。
Ø 了解E－M方程中四个参数的物理意义 Ø 根据E－M方程写出四种模式下发射极电流和集电极电流表达式。 Ø 理解并记忆BJT四种工作模式下的少子分布边界条件 Ø 画出BJT四种工作模式下少子分布示意图。
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第五章 结型场效应晶体管与MS场效应晶体管
Ø 画出JFET的基本结构示意图 。
Ø 熟悉JFET的基本工作原理。 Ø 熟悉沟道夹断、漏电流饱和、夹断电压等概念。 Ø 掌握理想JFET的基本假设及其意义。
Ø 导出夹断前JFET的I－V特性方程。 Ø 深入理解沟道夹断和夹断电压的含义。 Ø 掌握线性区条件和I－V特性。
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第四章 金属半导体结
Ø 了解金属—半导体接触出现两个最重要的效应
Ø 画出热平衡情况下的肖特基势垒能带图。 Ø 掌握肖特基势垒、内建电势差和空间电荷区宽度计算公式 。
Ø 画出加偏压的的肖特基势垒能带图，解释肖特基势垒二极管的整流特性。
Ø 理解界面态和镜像力对肖特基势垒高度的影响。
半导体器件物理复习纲要word精品文档5页
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。
半导体物理期末复习知识要点汇编
一、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。
半导体物理复习归纳
半导体物理复习归纳————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期:一、半导体的电子状态1、金刚石结构（Ｓi、Ge）Si、Ge原子组成，正四面体结构，由两个面心立方沿空间对角线互相平移１/４个空间对角线长度套构而成。
由相同原子构成的复式格子。
2、闪锌矿结构（GaAｓ)３-5族化合物分子构成，与金刚石结构类似,由两类原子各自形成的面心立方沿空间对角线相互平移1/４个空间对角线长度套构而成。
由共价键结合,有一定离子键。
由不同原子构成的复式格子。
3、纤锌矿结构（ＺnＳ)与闪锌矿结构类似，以正四面体结构为基础,具有六方对称性,由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积而成。
是共价化合物，但具有离子性，且离子性占优。
4、氯化钠结构（NaＣl)沿棱方向平移1／2,形成的复式格子。
5、原子能级与晶体能带原子组成晶体时,由于原子间距非常小,于是电子可以在整个晶体中做共有化运动，导致能级劈裂形成能带。
6、脱离共价键所需的最低能量就是禁带宽度。
价带上的电子激发为准自由电子，即价带电子激发为导带电子的过程,称为本征激发。
7、有效质量的意义a.有效质量概括了半导体内部势场的作用（有效质量为负说明晶格对粒子做负功)b.有效质量可以直接由实验测定c.有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比。
能带越窄,二次微商越小，有效质量越大。
8、测量有效质量的方法回旋共振。
当交变电磁场角频率等于回旋频率时,就可以发生共振吸收。
测出共振吸收时电磁波的角频率和磁感应强度,就可以算出有效质量。
为能观测出明显的共振吸收峰，要求样品纯度较高,且实验要在低温下进行。
9、空穴价带中空着的状态被看成带正电的粒子，称为空穴。
这是一种假想的粒子，其带正电荷+q，而且具有正的有效质量m p＊。
10、轻／重空穴重空穴:有效质量较大的空穴轻空穴：有效质量较小的空穴11、间接带隙半导体导带底和价带顶处于不同k值的半导体。
半导体物理复习提纲
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；绝缘体能带中只有满带和空带，禁带宽度较宽一般大于2eV ；半导体T=0 K 时，能带中只有满带和空带，T>0 K 时，能带中有不满带，禁带宽度较小，一般小于2eV 。
（能带状况会发生变化）半导体的导带没有电子，但其价带中电子吸收能量，会跃迁至导带，价带中也会剩余空穴。
在外电场的情况下，跃迁到导带中的电子和价带中的空穴都会参与导电。
而金属中价带电子是非满带，在外场的作用下直接产生电流。
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。
（1）电阻率介于导体与绝缘体之间（2）对温度、光照、电场、磁场、湿度等敏感（3）性质与掺杂密切相关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用玻耳兹曼分布来描述？麦克斯韦-玻尔兹曼统计的粒子是可分辨的；费米-狄拉克统计的粒子不可分辨，而且每个状态只可能占据一个粒子。
低掺杂半导体中载流子遵循玻尔兹曼分布，称为非简并性系统；高掺杂半导体中载流子遵循费米分布，称为简并性系统。
费米分布：f (f )=ff +fff (f −f ff f f ) 玻尔兹曼分布：f (f )=ⅇ−f −f f f f f 空穴分布函数：f V (E )=1−f (E )=1exp (−E −E F k 0T )+1 （能态E 不被电子占据的几率） 当E-E F fk 0T 时有exp (E −EF k 0T )≫1，所以1+exp (E −E F k 0T )≈exp (E −E F k 0T )，则费米分布函数转化为f (E )=ⅇ−E −E Fk 0T ，即玻尔兹曼分布。
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• Discuss carrier drift current density. • Discuss the mechanisms of lattice scattering and impurity scattering. • Define mobility and discuss the temperature and ionized impurity concentration dependence on mobility.
1. Describe carrier drift current density and carrier diffusion current density. Define conductivity and resistivity. What’s the Einstein relationship? 2. Discuss the mechanisms of lattice scattering and impurity scattering. What are the temperature and ionized impurity concentration dependence on mobility? 3. Discuss velocity saturation.
3-Checkpoint • Discuss the concept of allowed and forbidden energy bands in a single crystal both qualitatively and more rigorously from the results of using the Kronig-Penney model. • Discuss the splitting of energy bands in silicon. • Discuss the concept of a hole in terms of the effective mass, covalent bonding and energy bands. • Qualitatively, in terms of energy bands, discuss the difference between metals, insulators, and semiconductors. • Understand the density of states function. • Understand the meaning of the Fermi-Dirac distribution and the Fermi energy.
• Derive the equations for the thermal equilibrium concentrations of electrons and holes in terms of the Fermi energy. • Derive the equation for the intrinsic carrier concentration. • State the value of the intrinsic carrier concentration for silicon at T=300K.
• List some elemental and compound semiconductor materials. • Sketch lattice structures: simple cubic, bodycentered cubic, face-centered cubic and the diamond structure. • Find the volume density and the surface density of atoms. • Obtain the Miller indices (lattice directions and planes).
quantum mechanics, energy quanta, wave-particle duality, the uncertainty principle.
Schrodinger's wave equation, eletrons in free space , the infinite potential well, the step potential function, the potential barrier.
List and explain priciples of quantum mechanics. Schrodinger's wave equation: Write the wave equation. What is the physical meaning of the wave funciton? What is the boundary conditions? Derive the wave function of an electron in free space. What conclusion could you obtain from this solution?
Terms:
• charge carriers, effective density of states function, the intrinsic carrier concentration, the intrinsic Fermi level.
Terms:
donor impurity, acceptor impurity, the charge neutrality condition, compensated semiconductor, degenerate, non-degenerate, position of EF, variation of EF with doping concentration and temperature.
List some elemental and compound semiconductor materials. Sketch lattice structures: simple cubic, body-centered cubic, facecentered cubic and the diamond structure. 1.1 1.16 (1.12 of the old edition)
• List the priciples of quantum mechanics. • Schrodinger’s wave equation: üWrite the wave equation. üWhat is the physical meaning of the wave funciton? üWhat is the boundary conditions? • Application of the wave equation: üElectron in free space: Derive the wave function of an electron in free space. What conclusion could you obtain from this solution? üThe quantized energy levels of bound particles. üThe penetration depth, the transmission coefysics and devices, Space lattice, unit cell, primitive cell, basic crystal structures (five types), Miller indices, volume density, surface density, atomic bonding.
• Derive the expression for the intrinsic Fermi level.
Checkpoint • Derive the equation for the extrinsic carrier concentration. • The product of n0 and p0. • Derive the expression for the extrinsic Fermi level. • Charge neutrality --- used to determine the concentration of electrons and holes. • Position of EF (influenced by doping density and T)
• Define conductivity and resistivity. • Discuss velocity saturation. • Discuss carrier diffusion current density. • State the Einstein relation. • Describe the Hall effect.
1. Derive the equation for the extrinsic carrier concentration, the product of n0 and p0. 2. Charge neutrality: how to determine the concentration of electrons and holes? 3. How to determine the position of EF? (---influenced by doping density and T)
Derive the energy levels, wave funtion and probability function from the schrodinger's wave function when an electron is in the infinite potential well.