半导体物理复习提纲.docx

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1、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？h）绝缘体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，T0 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

2、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和具有正有效质量昂甘|、 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

3、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:玻尔兹曼分布:空穴分布函数： （能态E不被电子占据的几率）当- 时有 ，所以 ，则费米分布函数转化为，即玻尔兹曼分布。半导体中常见费米能级 位于禁带中，满足-的条件，因此导带和价带中的所有量子态来说，电子和空穴都可以用玻尔兹曼分布描述。5. 由电子能带图中费米能级的位置和形态（如，水平、倾斜、分裂），分析半导体材料特性。靠近费米能级的能带上的载流子远大于远离费米能级那边，因此将该能带上的载流子称 为多数载流子简称多子。反之则为少数载流子，简称少子。受热不均匀时，费米能级

4、产生倾斜，导致电子从能量高的一侧流向能量低的一侧。费米能级分裂时，有非平衡载流子产生。6. 何谓准费米能级？它和费米能级的区别是什么？当外界有大能量注入，或很多载流子注入时，载流子数量会发生突然的变化。不在遵循费米分布，费米能级暂时失灵，将这种情形下的载流子称为非平衡载流子。非平衡态下，统 一的费米能级分裂为导带费米能级和价带费米能级，称其为准费米能级GaAs能带结构的特点，并说明各自在不同器件中应用的优势。7. 比较Si，Ge，错、硅的导带在简约布里渊区分别存在 四个（8个半个的椭球等能面）和六个能量 最小值，导带电子主要分布在这些极值附件， 称为错、硅的导带具有多能谷结构。硅和错的导带底和

5、价带顶在k空间处于 不同的k值，电子跃迁时伴随着声子的发射 和吸收，称为间接带隙半导体。适用于制作 半导体器件。砷化镓的导带底和价带顶位于k空间的 同一 k值，电子发生跃迁时，仅电子的能量发生变化，称为直接带隙半导体。用于制备发光器件时，其内部量子效率较高。8. 重空穴，轻空穴的概念。当存在极大值相重合的两个价带时，外能带曲率小，对应的有效质量大，称该能带中的 空穴为重空穴；内能带曲率大，对应的有效质量小，称该能带中的空穴为轻空穴。9. 有效质量、状态密度有效质量、电导有效质量概念。有效质量概括了半导体内部势场的作用，使得我们在解决电子的运动规律时不涉及内部 势场作用。有效质量：一一上电导有效

6、质量：一-一一状态密度有效质量：导带底电子能态密度有效质量：一价带顶空穴能态密度有效质量：10. 什么是本征半导体和本征激发？本征半导体：没有杂质和缺陷的纯净半导体。本征激发：T0K时，电子通过热运动从价带激发到导带，同时价带中产生空穴。11. 何谓施主杂质和受主杂质？浅能级杂质与深能级杂质?各自的作用。施主杂质：电离时能够释放电子而产生导电电子，并形成正电中心的杂质。受主杂质：电离时能够获取电子而产生导电空穴，并形成负电中心的杂质。浅能级杂质：电离能小的杂质称为浅能级杂质。所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底， 受主能级靠近价带顶。可以通过控制掺杂杂质数量控制载流子数量，并可以通过补偿掺杂进

7、行追加式的浓度控制。深能级杂质：非III、V族元素在硅、错的禁带中产生的施主能级距离导带底较远和受 主能级距离价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。深能级能起到减少非平衡载流子寿 命的作用。12. 何谓杂质补偿？举例说明有何实际应用。半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，施主和受主之间有相互抵消的作用。利用杂 质的补偿作用，根据扩散或离子注入的方法来改变半导体某一区域的导电类型，制成各种器 件。在一块n型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就 成为p型半导体。13. 金原子的带电状态与浅能级杂质的关系？不容易电离，对载流子浓度影响不大。深能级杂质能够产生多次电离，

8、每次电离均对应一个能级，甚至既产生施主能级也产生 受主能级。深能级杂质的复合作用比浅能级杂质强，可作为复合中心。14画出）本征半导体、（b）n型半导体、（c）p型半导体的能带图，标出费米能级、导 带底、价带顶、施主能级和受主能级的位置15.重掺杂的半导体其能带结构会发生何种变化？在重掺杂的简并半导体中，杂质浓度很高。杂质原子相互靠近，被杂质原子束缚的电子的波函数显著重叠，这时电子作共有化运动。那么，杂质能级扩展为杂质能带。杂质能带中的电子，可以通过杂质原子间共有化运动参加导电-杂质带导电。大量杂质中心的电势会影响晶体周期势场，从而对能带产生扰动，使得在禁带中靠近导 带或价带处出现带尾。当杂质能

9、带展宽，并与导带底或价带顶连接上时，相当于禁带宽度变窄。16. 何谓非简并半导体、简并半导体？简并化条件？非简并半导体：可用玻尔兹曼分布近似费米分布的半导体。简并半导体：不可用玻尔兹曼分布近似费米分布的半导体。当掺杂浓度很高时，会使ef接近或进入了导带一半导体简并化了。EC-EF2k0T非简并0Ec-Ef 2k0T弱简并ec-Ef p= p0+A p 代入得：Ud= r(n0+p0) Ap+r( Ap)2非平衡载流子寿命：t=L A小注入情况下Ap (n0+p0)，则有：t=4 3. 了解间接复合的净复合率公式中各参量代表的意义，并从间接复合的净复合率公式出发 说明深能级是最有效的复合中心。K

10、 时双曲函数 h 有最小值，此时净复合率U取最大值，非平衡载流子的寿命达到极小值。这意味着复合中心能级Et的位置越靠近禁带中央，复合中心的复合作用越强。 因此，通过掺入深能级杂质来降低非平衡载流子寿命是确实有效的。4. 已知间接复合的非平衡载流子寿命公式的一般形式，会化简不同费米能级位置下的寿命 公式。 ttt 弓萤n型区(Et Ef Ec): t t 弱 n 型区(E. Ef Et): t t -弱 p 型区(Et Ef E.)：t t 强 p 型区(Ev EFEt): t t 5. 半导体的主要散射机制？温度对它们的影响，原因？晶格振动（声子）散射:OC温度升高散射增加。温度越高电子热运动

11、速度越大或者声子数目越多，电子遭声学波声子散射的概率越大。电离杂质散射：8-，温度升高散射减少。温度越高载流子热运动的平均速度越大，于是可以很快掠过杂质中心，偏转小，受到电离杂质的影响小。对于杂质半导体，温度低时，电离杂质散射起主要作用；温度高时，晶格振动散射起 主要作用6. 何谓漂移运动？半导体中的载流子在外场的作用下，作定向运动。7. 迁移率的定义、量纲。影响迁移率的因素。漂移速度：因电场加速而获得的平均速度。迁移率：单位电场下，载流子的平均漂移速度（cm2/Vs）口 E影响因素：有效质量、散射8. 解释迁移率与杂质浓度、温度的关系。掺杂很轻（忽略电离杂质散射）：TTT晶格振动散射TTI1

12、J一般情况低温：TTT电离杂质散射JT.T一般情况高温：TTT晶格振动散射TT 口9. 解释电阻率随温度的变化关系。低温：TTT电离杂质散射T|dTTpJipln （未全电离）：TT nTTpJ中温：TT 晶格振动散射TT|iTpTpTn （全电离）：n=ND饱和高温：TT 晶格振动散射TiiJTpTplln （本征激发开始）：TT nTTpll10. 强电场下Si、Ge和GaAs的漂移速度的变化规律，并解释之。无电场时：载流子与晶格散射，交换的净能量为零，载流子与晶格处于热平衡状态。弱电场时：载流子从电场获得能量，与声子作用过程中，一部分通过发射声子转移给晶 格，其余部分用于提高载流子的漂移

13、速度。但漂移速度很小，仍可认为载流子系统与晶格系 统近似保持热平衡状态。电场较强时：载流子从电场获得很多能量，载流子的平均能量比热平衡状态时的大，因 而载流子系统与晶格系统不再处于热平衡状态。电场很强时：载流子从电场获得的能量与晶格散射时，以光学波声子的方式转移给了晶 格。所以获得的大部分能量又消失，故平均漂移速度可以达到饱和。GaAs特殊性：因为GaAs的多能谷结构决定的。卫星能谷的曲率比中心能谷要小，因此 有效质量大。当电场不强时，导带电子都集中在中心能谷，但是随着电场强度的增加，能谷 1中的电子从电场中获得足够能量后开始转移到卫星能谷中，发生能谷间的散射。由于卫星 能谷有效质量大，所以电

14、子转移的结果使平均迁移率下降，从而出现电场强度增加漂移速度 下降，即电导率下降的负微分电导区域。11. 何谓热载流子？载流子的平均能量比热平衡时大，即载流子的动能高于平均热运动能量。12. 载流子在什么情况下做扩散运动？扩散系数的定义、量纲。载流子依靠浓度梯度所产生的一种定向运动。扩散系数D：表征载流子在一定分布下扩散的快慢，主要由晶体内部的散射机制决定。单位：cm/S213. 爱因斯坦关系式？理解推导过程。表征了非简并情况下载流子迁移率和扩散系数之间的关系。U14. 扩散长度和牵引长度的定义。扩散长度：表征少数载流子一边扩散，一边复合所能够走过的平均距离。T牵引长度：载流子在寿命时间内所漂移

15、的距离。口 T15. 在不同条件下，对连续性方程进行化简。光照恒定：一一掺杂均匀：一一电场均匀：一均匀照射：16. 平均自由时间、非平衡载流子寿命概念。平均自由时间：载流子在电场中作漂移运动时，只有在连续两次散射之间的时间内才做 加速运动，这段时间称为自由时间，其平均值为平均自由时间。非平衡载流子寿命：寿命T表示光照停止之后，非平衡载流子浓度衰减到原来的数值 1/e所经历的时间，也表示非平衡载流子的平均生存时间。17. 平均自由程与扩散长度概念。扩散长度：非平衡载流子深入样品的平均距离，称为扩散长度。平均自由程：相邻两次碰撞之间的平均距离，即称为载流子的平均自由程。18. 小注入、大注入概念小

16、注入：获得能量后非平衡载流子，尤其是非平衡少子的数量远远小于原来热平衡时多 子的数量，称为非平衡少子的小注入。大注入：非平衡少子的数量已达到或超过热平衡多子的数量，那么就会出现所有的少子 的总量会达到与多子总量接近的程度，产生多子不多少子不少的情形，将其称为非平衡少子 的大注入。半导体与外界作用、半导体接触现象1. 本课程中哪几种外界作用能够改变单一半导体的电导率，试述原理。温度：温度可以影响载流子浓度和载流子的分布。低温弱电离，中文全电离，高温本 征激发。温度不均匀使载流子浓度不均匀，导致扩散运动，产生温差电动势。光照：光照使半导体吸收光子，价带电子激发到导带产生非平衡载流子，产生光生伏特

17、效应。磁场：霍尔效应，通了电流的半导体在垂直电流方向的磁场作用下，在与电流和磁场垂直的方向上形成电荷积累和出现电势差的现象。一些物质如半导体中的载（电）流子在一定的 恒定（直流）磁场和高频磁场同时作用下会发生抗磁共振（常称回旋共振）。外力：对半导体施加外力，使内部晶格间距发生变化，改变半导体内部势场，导致能带变化。由于载流子迁移率的变化，电阻率发生变化2. 请说出判断半导体导电类型的实验方法。n型半导体 0。3. 试述平衡p-n结形成的物理过程，画出势垒区中载流子漂移运动和扩散运动的方向。受主杂质负离子施主杂质正离子本征激发p区少子若式由*0-n区多子P区多子接触后，载漳子滋度差引起扩散运动当

18、p型半导体和n型半导体接触在一起时，扩散和漂 移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没 有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。在两者的交界 面处存在着一个过渡区，通常称为p-n结。p区空穴扩散电子漂移，n区电子扩散空穴漂移。4. 内建电势差VD的公式。分析影响接触电势差的因素。接触电势差与PN结两侧掺杂浓度、温度、材料等参数有关。5. 平衡p-n结、正向偏置p-n结、反向偏置p-n结的空间图、能带图，各区域载流子浓度 表达式、载流子运动方向、电流方向。qVD qV (x) nx)= n e n0（Ev）p! 中 1 $0 +、性I ?01散区 1区/ rip/W0 / ,Ln，xp

19、xXqV (x ) n x ) = n e)0qDq(A_qv(x)=p 00k0Tp x)=p oe 知6. 分别说明空间电荷区、耗尽区、势垒区的三个概念空间电荷区：也称耗尽层。在PN结中，由于自由电子的扩散运动和内电场导致的漂移运 动，使PN结中间的部位（P区和N区交界面）产生一个很薄的电荷区，它就是空间电荷区。耗尽区：耗尽区是指在半导体pn结、肖特基结、异质结中，由于界面两侧半导体原有 化学势的差异导致界面附近能带弯曲，从而形成能带弯曲区域电子或空穴浓度的下降的界面 区域。势垒区：存在内建电场的区域就是势垒区。7. 理想p-n结I-V方程。8. p-n结的理想伏-安特性与实际伏-安特性有

20、哪些区别？定性分析原因。正向小电压时忽略了势垒区的复合电流;正向大电压时忽略了扩散区的漂移电流和体电 阻上的压降。在反向偏置时忽略了势垒区的产生电流。9 .p-n结电容包括哪两种？在正向偏置或反向偏置下哪种电容起主要作用？为什么？势垒电容：由于势垒区电荷变化导致的p-n结电容，记为Ct。反偏电压越大，势垒电容 越大。扩散区电容：由于扩散区电荷变化导致的p-n结电容，记为Cd。正偏电压越大，扩散区 电容越大，因为只有此时扩散区才存在足够多数量的非平衡少子；10. 定性分析影响p-n结电容大小的因素？并举例说明p-n结电容对器件性能的影响。Ct与CD都与p-n结的面积A成正比，与掺杂浓度有关，且随

21、外加电压而变化。寄生电容 能短路高频信号。寄生电容会使p-n结的整流特性显著削弱甚至消除。11. p-n结击穿主要有哪几种?说明各种击穿产生的原因和条件。并分析影响它们的主要因素雪崩击穿：p-n结中的电场随着反向电压的增加而增加，少数载流子通过反向扩散进入 势垒区时获得的动能也就越来越大，当载流子的动能大到一定数值后，与中性原子碰撞时， 可以把中性原子的价电子激发到导带，形成电子-空穴对一碰撞电离。连锁反应使载流子 的数量倍增式的急剧增多，因而p-n结的反向电流也急剧增大，形成了雪崩击穿。掺杂浓度 大，击穿电压小。禁带宽度越宽，击穿电压越大。温度升高，击穿电压增大。齐纳击穿：根据量子力学的观点

22、，当隧道长度XAB足够窄时，将有p区电子穿透禁带. 当外加反向电压很大时，能带倾斜严重，势隧道长度X变得更窄.造成很大的反向电流，使 p-n结击穿。掺杂浓度大，击穿电压小。禁带宽度越宽A：击穿电压越大。温度升高，击穿电 压下降。与一般p-n二极管的伏-安特性有什12. 从能带图出发，分析p-n结隧道效应的基本原理，么不同？它有什么优点？当p-n结的两边都是重掺杂时：（1）费米能级分别进入导带和价带。（2）势垒十分薄。在外加正向或反向电压下，有些载流子将可能穿透势垒产生额外的电流一隧道电流。隧道二极管优点是开关特性好，速度快、工作频 率高。14. 实际半导体通过什么方式实行欧姆接触？在生产实际中

23、，主要是利用隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触。采用重掺杂半导 体与金属接触（金半接触）。15. 比较pn结和肖特基结伏安特性的主要异同点。为什么肖特基结更适应高频条件下使用？（1）SDB是多数载流子器件，而p-n结二极管电流取决于非平衡少数载流子的扩散运 动。（2）p-n结二极管中，少数载流子注入造成非平衡载流子在势垒区两侧界面的积累， 外加电压变化，电荷积累和消失需有一弛豫过程（电荷存储效应），严重影响了 p-n结二极管 的高频性能。SDB器件不发生电荷存储现象，使得它在高频、高速器件中有重要作用。（3）SDB的正向开启电压比p-n的低；而反向饱和电流比p-n的大。这是因为多数载 流子电流远高于少数载流子电流。SDB中通常存在额外的漏电流。16. 异质结能带结构特点及应用p-p型n-p型n-n型接触后