半导体物理第七章总结复习_北邮全新
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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。
半导体物理第7章概要
加反向电压时，势垒增高，从半导体到金属的电子数目 减少，金属到半导体的电子流占优势，形成一股半导体 到金属的反向电流。 由于金属中的电子要越过相当高的势垒才能到达半导体 中，因此反向电流是很小的。 金属一边的势垒不随外加电压变化，所以从金属到半导 体的电子流是恒定的。 当反向电压提高，使半导体到金属的电子流可以忽略不 计时，反向电流趋于饱和。 以上的讨论说明这样的阻挡层具有类似pn结的伏—安特 性，即有整流作用
功函数越大，电子越不容易离开金属。 金属的功函数约为几个电子伏特。 铯的功函数最低，为1.93eV 铂的最高．为5.36eV。
功函数的值与表面状况有关
金属功函数随原子序数的递增呈现周期性变化。
半导体功函数
半导体功函数
Ws E0 ( EF ) s 电子亲合能,它表示要使半导体导带底的电子逸 出体外所需要的最小能量。
1 * 2 E E c mn v 2 * dE mn vdv
带入上式，并利用 Ec E F n0 N c exp( ) k 0T
可得
* * 2 3 mn m nv 2 2 dn 4n0 ( ) v exp( )dv 2k 0T 2k 0T
7.2.2热电子发射理论
当n型阻挡层很薄，电子平均自由程远大于势垒 宽度。
起决定作用的是势垒高度而不是势垒宽度。
电流的计算归结为超越势垒的载流子数目。
由于越过势垒的电子数只占半导体总电子数很 少一部分，故半导体内的电子浓度可以视为常 数。 讨论非简并半导体的情况。
半导体单位体积能量在E~E+dE范围内的电子数
但绝大多数所处的能级都低于体外能级。要使电子从金 属中逸出，必须由外界给它以足够的能量
半导体物理(刘恩科第七版)复习重点
复习课
掺杂浓度为ND=1016cm-3的n型单晶硅材料和金属Au接触， 忽略表面态的影响，已知：WAu=4.20eV, χn=3.0eV, Nc=1019cm-3,ln103=6.9 在室温下kT=0.026eV, 半导体介 电常数εr=12, ε0=8.854×10-12 F/m，q=1.6×10-19 库， 试计算：
复习课
半导体中的电子运动
半导体中E(k)与k的关系
电子速度与能量关系
电子有效质量
mn*
h2 d2E
dk 2
复习课
有效质量的意义：
f
a
1、概括了半导体内部势场 的作用
2、a是半导体内部势场和 外电场作用的综合效果 3、直接将外力与电子加速 度联系起来
复习课
常见半导体能带结构
直接带隙：砷化镓 间接带隙：硅、锗
复习课
第四章 半导体的导电性
漂移运动：电子在电场力作用下的运动 迁移率：单位场强下电子的平均漂移速度
| d |
E
电导率 n / p nqn / p
电流密度 Jn/ p nqn/ p | E |
复习课
散射及散射机构
平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程 散射机构
扩散系数
存在浓度梯度下载流子运动的难易程度
Jn (Jn )漂 （Jn）扩＝0
电子 : Dn k0T
n q
空穴 : Dp k0T
p q
复习课
第六章 p-n结
1、内建电场 结果 2、费米能级 相等标志了 载流子的扩 散电流和漂 移电流互相 抵消
复习课
p-n结接触电势差VD
半导体物理学期末总复习
与理想情况的偏离的原因
理论分析认为，杂质和缺陷的存在使得 原本周期性排列的原子所产生的周期性 势场受到破坏，并在禁带中引入了能级， 允许电子在禁带中存在，从而使半导体 的性质发生改变。
间隙式杂质、替位式杂质
杂质原子位于晶格原子间的间隙位置， 该杂质称为间隙式杂质。
间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、 GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。
电子占据或基本上是空的一
个标志
玻尔兹曼分布函数
当E EF
所以
k0T
时，由于
exp(
E EF k0T
)
1 exp( E EF ) exp( E EF )
k0T
k0T
费米分布函数转化为
1，
fB
(E)
exp(
E EF k0T
)
exp( EF k0T
)
exp(
E k0T
ED
As
N型半导体
施主能级
EC ED
EV
半导体的掺杂
受主：掺入在半导体中的杂质原子，能够向半导体中提供导电的空穴， 并成为带负电的离子。如Si中的B
B
P型半导体
EA
受主能级
EC
EA EV
半导体的掺杂
Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受主和施主杂 质，它们在禁带中引入了能级；受主能级比价带顶 高 E，A 施主能级比导带底低 ED ，均为浅能级，这两 种杂质称为浅能级杂质。
考虑电子的自旋情况，电子的允许量子态密度
为V （/ 4 3），每个量子态最多只能容纳一个电子。
kx
2
nx L
(nx
半导体物理第七章总结复习_北邮分析
第七章一、基本概念1.半导体功函数: 半导体的费米能级E F 与真空中静止电子的能量E 0的能量之差。
金属功函数：金属的费米能级E F 与真空中静止电子的能量E 0的能量之差2.电子亲和能: 要使半导体导带底的电子逸出体外所需的最小能量。
3. 金属-半导体功函数差o: (E F )s-(E F )m=Wm-Ws4. 半导体与金属平衡接触平衡电势差: q W W V sm D -=5.半导体表面空间电荷区 : 由于半导体中自由电荷密度的限制，正电荷分布在表面相当厚的一层表面层内，即空间电荷区。
表面空间电荷区=阻挡层=势垒层6.电子阻挡层：金属功函数大于N 型半导体功函数（Wm>Ws ）的MS 接触中，电子从半导体表面逸出到金属，分布在金属表层，金属表面带负电。
半导体表面出现电离施主，分布在一定厚度表面层内，半导体表面带正电。
电场从半导体指向金属。
取半导体内电位为参考，从半导体内到表面，能带向上弯曲，即形成表面势垒，在势垒区，空间电荷主要有带正电的施主离子组成，电子浓度比体内小得多，因此是是一个高阻区域，称为阻挡层。
【电子从功函数小的地方流向功函数大的地方】7.电子反阻挡层：金属功函数小于N 型半导体功函数（Wm<Ws ）的MS 接触,电子从金属流向半导体,半导体表面带负电,金属表面带正电,电场方向指向半导体。
从半导体内到表面，能带下弯曲，半导体表面电子浓度比体内高（N 型反阻挡层）。
8.半导体表面势垒(肖特基势垒)高度:s m s D W W qV qV -=-=9.表面势垒宽度：10.半导体表面势: 取半导体体内为参考电位，半导体表面的势能Vs 。
11 .表面态: 在半导体表面处的禁带中存在着表面态，对应的能级称为表面能级。
表面态一般分为施主型和受主型两种。
若能级被电子占据时呈中性，施放电子后呈正电性，成为施主型表面态；若能级空着的时候为电中性，接收电子后带负电，则成为受主型表面态。
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 关系决定。
1.4本征半导体既无杂质有无缺陷的理想半导体材料。
1.4空穴空穴是为处理价带电子导电问题而引进的概念。
设想价带中的每个空电子状态带有一个正的基本电荷，并赋予其与电子符号相反、大小相等的有效质量，这样就引进了一个假想的粒子，称其为空穴。
它引起的假想电流正好等于价带中的电子电流。
半导体物理知识要点总结
第一章 半导体的能带理论1. 基本概念✧ 共有化运动：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不在局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而电子可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。
✧ 单电子近似：假设每个电子是在大量周期性排列且固定不动的原子核势场及其他电子的平均势场中运动。
该势场也是周期性变化的。
✧ 能带的形成：原子相互接近，形成壳层交替→电子共有化运动→能级分裂（分成允带、禁带）→形成能带✧ 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。
✧ 价带：P6✧ 导带：P6✧ 禁带：P5✧ 导体✧ 半导体✧ 绝缘体的能带✧ 本征激发：价带上的电子激发成为准自由电子，即价带电子激发成为导带电子的过程，称为本征激发。
✧ 空穴：具有正电荷q 和正有效质量的粒子✧ 电子空穴对✧ 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 关系决定。
✧ 载流子及载流子浓度2. 基本理论✧ 晶体中的电子共有化运动✧ 载流子有效质量的物理意义 ：当电子在外力作用下运动时，它一方面受到外电场力f的作用，同时还和半导体内部原子、电子相互作用着，电子的加速度应该是半导体内部势场和外电场作用的综合效果。
但是，要找出内部势场的具体形式并且求得加速度遇到一定的困难，引进有效质量后可使问题变得简单，直接把外力f 和电子的加速度联系起来，而内部势场的作用则由有效质量加以概括，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。
第二章 半导体中的杂质与缺陷能级1. 基本概念✧ 杂质存在的两种形式：间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置。
替位式杂质：杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处。
半导体复习笔记
温度上升，费米能级是否会变化？会，费米能级与温度、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。 温度上升时， 电子占据能量小于费米能级的量子态的概率下降， 而占据能量大于费米能 级的量子态的概率增大。 玻尔兹曼分布： 能量为 E 的量子态被电子占据的概率： （E 为电子的能量）
能量为 E 的量子态被空穴占据的概率：
三种电子： 孤立原子中的电子：收到该原子的核、其他电子的势场 晶体中的电子（单电子近似） ：周期性排列且固定不动的原子核势场 自由电子：恒定为零的势场 半导体的特点：易受温度、光照、磁场及微量杂质原子的影响。即对电导率具有高度的灵敏 特性。 描述晶胞的六个物理量为晶格常数：据此可分为七大晶系和十四中布拉菲格子。 七大晶系：三斜、单斜、正交、四方、六角、三角、立方 十四种布拉菲格子：每种晶系包含原始格子、底心格子、体心格子、和面心格子四种。考虑 之，一共有十四种。 金刚石：面心立方 闪锌矿：双原子复式格子、两类原子套构组成面心立方晶格。 （看笔记补充） 电子公有化运动：孤立原子相互接近形成晶体时，电子壳层发生交叠，电子不再完全局限在 某一个原子上， 可以由一在个原子转移到相邻的原子上去， 因为电子将可以 在整个晶体中运动，我们称之为电子的公有化运动。 能带结构：电子的公有化运动导致能级分裂，形成能带结构。 近自由电子：最外层电子公有化运动较强，其行为与自由电子相似，常称为准自由电子。 注：不计原子本身的简并，一个能级对应两个态；两个原子靠得越近，分裂越厉害；每一个 N 度简并的能级都分裂为 N 个彼此相距很近的能级 重点：原子能级分裂为能带 实际晶体的能带不一定与孤立原子的能级相当（金刚石的电子能带图） 允带出现在布里渊区，禁带出现在布里渊区边界上；
杂质半导体的载流子浓度和费米能级由温度和杂质浓度所决定。 （与本征有区别） 温度一定时， 费米能级的位置由杂质的种类和浓度来决定， 费米能级的位置反应导电类型和 掺杂水平;
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第七章
一、基本概念
1.半导体功函数: 半导体的费米能级E F 与真空中静止电子的能量E 0的能量之差。
金属功函数：金属的费米能级E F 与真空中静止电子的能量E 0的能量之差
2.电子亲和能: 要使半导体导带底的电子逸出体外所需的最小能量。
3. 金属-半导体功函数差o: (E F )s-(E F )m=Wm-Ws
4. 半导体与金属平衡接触平衡电势差: q W W V s
m D -=
5.半导体表面空间电荷区 : 由于半导体中自由电荷密度的限制，正电荷分布在表面相当厚的一层表面层内，即空间电荷区。
表面空间电荷区=阻挡层=势垒层
6.电子阻挡层：金属功函数大于N 型半导体功函数（Wm>Ws ）的MS 接触中，电子从半导体表面逸出到金属，分布在金属表层，金属表面带负电。
半导体表面出现电离施主，分布在一定厚度表面层内，半导体表面带正电。
电场从半导体指向金属。
取半导体内电位为参考，从半导体内到表面，能带向上弯曲，即形成表面势垒，在势垒区，空间电荷主要有带正电的施主离子组成，电子浓度比体内小得多，因此是是一个高阻区域，称为阻挡层。
【电子从功函数小的地方流向功函数大的地方】
7.电子反阻挡层：金属功函数小于N 型半导体功函数（Wm<Ws ）的MS 接触,电子从金属流向半导体,半导体表面带负电,金属表面带正电,电场方向指向半导体。
从半导体内到表面，能带下弯曲，半导体表面电子浓度比体内高（N 型反阻挡层）。
8.半导体表面势垒(肖特基势垒)高度:
s m s D W W qV qV -=-=
9.表面势垒宽度：
10.半导体表面势: 取半导体体内为参考电位，半导体表面的势能Vs 。
11 .表面态: 在半导体表面处的禁带中存在着表面态，对应的能级称为表面能级。
表面态一般分为施主型和受主型两种。
若能级被电子占据时呈中性，施放电子后呈正电性，成为施主型表面态；若能级空着的时候为电中性，接收电子后带负电，则成为受主型表面态。
一般表面处存在一个距离价带顶为qf 的能级，
电子刚好填满该能级以下所有表面态时呈电中性。
电子填充了该能级以上部分则表面带负电，电子未填充满该能级以下的所有能级则表面带正电。
12.钉扎效应:若表面态密度高，金属半导体接触时，电子充入或放出表面态，半导体表面形成与体内符号相反的电荷、形成高度为2/3半导体禁带宽度的表面势垒，费米能级钉住在表面中性能级上。
半导体电子逸出到金属的势垒高度基本不变，与半导体掺杂浓度、金属功函数无关，只与表面中性能级位置有关。
功函数差产生的接触电势差大部分降落在金属表面与半导体表面之间，少部分降落在半导体表面势垒区。
13.施主型表面态: 电子占据时为电中性、无电子时带正电的表面态为施主型表面态。
14.受主型表面态: 无电子时为电中性，有电子时带负电的表面态为受主型表面态。
15.表面中性能级: 价带顶以上约1/3禁带宽度处的能级是表面中性能级。
16.表面态密度：
17.理想欧姆接触:非整流接触，不产生明显阻抗，不使半导体平衡载流子浓度发生显著改变，线性对称电流-电压关系。
18.接触电阻:
19.高低结: N+N 结或 P+P 结, 内建电场从高杂质浓度区指向低杂质浓度区。
20.肖特基势垒二极管:特点： <1>正向电流由半导体多子注入金属形成，注入电子在金属中不积累，直接漂移流走，高频特性好；<2>正向导通电压0.3V左右，比PN结二极管低；<3>制作工艺简单；<4>制作MS结构后，不能有高于金属-半导体合金温度的工艺；
21.MS肖特基模型: 当金属和半导体接触时，不考虑接触界面状态的影响，电子从功函数较小材料逸出到功函数较大材料，接触面附近两种材料表面状态变化，
产生阻止半导体多子继续转移的接触电势差，当功函数差引起的电子转移和接触电势差阻止转移达到平衡时，金属和半导体的费米能级相等，形成稳定的MS接触势垒。
22.MS巴丁模型:<1>表面态在禁带中准连续分布；<2>价带顶以上约1/3禁带宽度处的能级是表面中性能级。
<3>平衡过程中，表面中性能级高于体费米能级时，表面态放出电子带正电，表面附近体内带负电，能带下弯曲；表面中性能级低于体费米能级时，电子充入表面态带负电，表面附近体内带正电，能带上弯曲；<4>若表面态密度很高，体费米能级被“钉住”在表面中性能级，表面中性能级始终等于体费米能级。
二、图像
1.金属-N型半导体接触形成电子阻挡层情况下的能带图
2.金属-N型半导体接触形成电子反阻挡层情况下的能带图
3.正向偏压下，金属/N型半导体接触能带图表示
4.金属与半导体欧姆接触的基本结构示意图
三、论述题
1.扩散理论模型对肖特基势垒二极管电流-电压关系的解释
答：
扩散理论在计算肖特基势垒二极管的IV 特性时，以“厚势垒层”方式进行，即根据电流密度的连续性，计算通过势垒区任意点的电流密度，该电流密度包括扩散和漂移，通过对整个势垒区积分，将外加偏压的作用考虑在电流中（势垒区厚度时外加偏压的函数），从而得到IV 特性。
扩散理论：半导体表面与金属自由交换电子，即使在外加电压下，半导体表面电子浓度始终等于表面平衡电子浓度，电流主要由因子exp(qV/k0T)-1决定。
扩散理论适合阻挡层宽度远大于载流子平均自由程（半导体杂质浓度很低）的情况
2.热电子发射理论模型对肖特基势垒二极管电流-电压关系的解释
答：
热电子发射理论在计算肖特基势垒二极管的IV 特性时，以“薄势垒层”方式进行，通过计算垂直于MS 接触面、能量高于半导体势垒顶点的电子浓度（这部分浓度与外加偏压有关）得到电流密度与偏压的关系。
热电子发射理论：金属电子进入半导体的势垒高度不随外加电压变化，其电子电流密度等于不加电压时从半导体到金属的电子电流密度（方向相反），流过MS 接触的热
电子发射总电流密度)1()1(0002-=-=+=-*→→T k qV sT T k qV T k q s m m s e J e e T A J J J ns
φ，与外加电压无关，强烈依赖
温度。
热电子发射理论适合阻挡层宽度远小于载流子平均自由程（半导体杂质浓度很高）的情况。
【MS 肖特基势垒二极管两种理论的推导不必掌握其每个步骤，只要求掌握方法】
3.形成金属与半导体欧姆接触的基本原理和手段
答:
重掺杂的pn结可以产生显著的隧道电流。
金属和半导体接触时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变得很薄，电子也要通过隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道电流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分。
当隧道电流占主导地位时，它的接触电阻可以很小，可以用作欧姆接触。
4.肖特基势垒二极管的主要特点
答：特点：
<1>正向电流由半导体多子注入金属形成，注入电子在金属中不积累，直接漂移流走，高频特性好；
<2>正向导通电压0.3V左右，比PN结二极管低；
<3>制作工艺简单；
<4>制作MS结构后，不能有高于金属-半导体合金温度的工艺；
公式：
半导体功函数计算
按肖特基功函数模型计算MS接触电势差、势垒高度
3.MS 接触中，电子隧道穿透半导体表面势垒的几率 []⎰=-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-*2121212)(24x x n dx E x E h m e
P π
三、公式
1.半导体功函数计算；
2.按肖特基功函数模型计算MS接触电势差、势垒高度；
3.MS接触中，电子隧道穿透半导体表面势垒的几率；
1.生活如意，事业高升。
2.前程似锦，美梦成真。
3.年年今日，岁岁今朝。
4.百事大吉，万事顺利。
5.愿与同僚，共分此乐。
6.事业有成，幸福快乐。
7.生日快乐，幸福安康。
8.幸福快乐，与君同在。