半導(dǎo)體物理學(xué)復(fù)習(xí)提綱2014-6-19

1、試卷結(jié)構(gòu)：一、選擇題（每小題2分，共20分）二、填空題（每空1分，共20分）三、簡答題（每小題5分，共20分）四、證明題(每小題10分，共20分)（第四章和第六章）五、計(jì)算題（每小題10分，共20分）（第四章和第五章）第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)1.1 鍺和硅的晶體結(jié)構(gòu)特征金剛石結(jié)構(gòu)的基本特征1.2 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶電子共有化運(yùn)動概念絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體的能帶特征。幾種常用半導(dǎo)體的禁帶寬度；本征激發(fā)的概念1.3 半導(dǎo)體中電子的運(yùn)動 有效質(zhì)量導(dǎo)帶底和價帶頂附近的E(k)k關(guān)系；半導(dǎo)體中電子的平均速度；有效質(zhì)量的公式：。窄帶、寬帶與有效質(zhì)量大小1.4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu) 空穴空穴的特征：帶正

2、電；1.5 回旋共振1.6 硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)硅和鍺的能帶結(jié)構(gòu)特征：導(dǎo)帶底的位置、個數(shù)；價帶結(jié)構(gòu)：價帶頂?shù)奈恢茫乜昭◣?、輕空穴帶以及自旋-軌道耦合分裂出來的能帶。硅和鍺是間接帶隙半導(dǎo)體第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級2.1 硅、鍺晶體中的雜質(zhì)能級基本概念：施主雜質(zhì)，受主雜質(zhì)，雜質(zhì)的電離能，雜質(zhì)的補(bǔ)償作用。2.2 族化合物中的雜質(zhì)能級雜質(zhì)的雙性行為第三章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布非簡并熱平衡載流子概念和性質(zhì)（非簡并玻耳茲曼；統(tǒng)一費(fèi)米能級；）3.1狀態(tài)密度定義式：；導(dǎo)帶底附近的狀態(tài)密度：；價帶頂附近的狀態(tài)密度：3.2 費(fèi)米能級和載流子的濃度統(tǒng)計(jì)分布Fermi分布函數(shù)：；Fermi能級的意義：它和溫度

3、、半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類型、雜質(zhì)的含量以及能量零點(diǎn)的選取有關(guān)。1）將半導(dǎo)體中大量的電子看成一個熱力學(xué)系統(tǒng)，費(fèi)米能級是系統(tǒng)的化學(xué)勢；2）可看成量子態(tài)是否被電子占據(jù)的一個界限。3）的位置比較直觀地標(biāo)志了電子占據(jù)量子態(tài)的情況，通常就說費(fèi)米能級標(biāo)志了電子填充能級的水平。費(fèi)米能級位置較高，說明有較多的能量較高的量子態(tài)上有電子。 Boltzmann分布函數(shù)：；載流子濃度表達(dá)式： ， 導(dǎo)帶底有效狀態(tài)密度 ， 價帶頂有效狀態(tài)密度載流子濃度的乘積的適用范圍。3.3. 本征半導(dǎo)體的載流子濃度本征半導(dǎo)體概念；本征載流子濃度：；載流子濃度的乘積；它的適用范圍。3.4雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度電子占據(jù)施主雜質(zhì)能級的幾率是空穴占

4、據(jù)受主能級的幾率是施主能級上的電子濃度為：受主能級上的空穴濃度為電離施主濃度為：電離受主濃度為：3.5 一般情況下的載流子統(tǒng)計(jì)分布分析判斷費(fèi)米能級隨溫度及雜質(zhì)濃度的變化，尤其是飽和區(qū)。3.6. 簡并半導(dǎo)體1、重?fù)诫s及簡并半導(dǎo)體概念；2、簡并化條件(n型)：，具體地說：1）ND接近或大于NC時簡并；2）ED小，則雜質(zhì)濃度ND較小時就發(fā)生簡并；3）雜質(zhì)濃度越大，發(fā)生簡并的溫度范圍越寬；4）簡并時雜質(zhì)沒有充分電離；5）簡并半導(dǎo)體的雜質(zhì)能級展寬為能帶，帶隙寬度會減小。3、雜質(zhì)能帶及雜質(zhì)帶導(dǎo)電。第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性4.1 載流子的漂移運(yùn)動 遷移率歐姆定律的微分形式：；漂移運(yùn)動；漂移速度；遷移率，單位

5、；不同類型半導(dǎo)體電導(dǎo)率公式： 4.2. 載流子的散射.半導(dǎo)體中載流子在運(yùn)動過程中會受到散射的根本原因是什么？主要散射機(jī)構(gòu)有哪些？電離雜質(zhì)的散射：晶格振動的散射：4.3 遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系描述散射過程的兩個重要參量：平均自由時間，散射幾率P。他們之間的關(guān)系，； 1、電導(dǎo)率、遷移率與平均自由時間的關(guān)系。 2、(硅的)電導(dǎo)遷移率及電導(dǎo)有效質(zhì)量公式：、3、遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系 4.4 電阻率及其與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系各種半導(dǎo)體的電阻率公式：；（摻雜、溫度及光照）本征半導(dǎo)體的電阻率與帶隙寬度關(guān)系。不同溫區(qū)電阻率的變化/不同溫區(qū)載流子的散射機(jī)制。4.6 強(qiáng)電場下的效應(yīng) 熱載流子熱載流子概

6、念。4.7 多能谷散射 耿氏效應(yīng)用多能谷散射理論解釋GaAs的負(fù)微分電導(dǎo)。第五章 非平衡載流子5.1 非平衡載流子的注入與復(fù)合非平衡態(tài)與非平衡載流子或過剩載流子；小注入；附加電導(dǎo)率：5.2非平衡載流子的壽命非平衡載流子的衰減、壽命的含義；復(fù)合幾率：表示單位時間內(nèi)非平衡載流子的復(fù)合幾率，；復(fù)合率：單位時間、單位體積內(nèi)凈復(fù)合消失的電子-空穴對數(shù)。5.3 準(zhǔn)Fermi能級1、“準(zhǔn)Fermi能級”概念2、非平衡狀態(tài)下的載流子濃度：3、“準(zhǔn)Fermi能級”的含義1）從（5-10）可以看出，EFn-EF，EF-EFp越大，n和p值越大，越偏離平衡狀態(tài)。反之也可以說，n和p越大，EFn和EFp偏離EF越遠(yuǎn)。

7、2）EFn和EFp偏離EF的程度不同如n-type半導(dǎo)體n0p0。小注入條件下：u nn0，nn0，EFn比EF更靠近導(dǎo)帶底，但偏離EF很小。u pp0，p=p0+p，pp0，EFp比EF更靠近價帶頂，且比EFn更偏離EF?？梢钥闯觯阂话闱闆r下，在非平衡狀態(tài)時，往往總是多數(shù)載流子的準(zhǔn)Fermi能級和平衡時的Fermi能級偏離不多，而少數(shù)載流子的準(zhǔn)Fermi能級則偏離很大。3）反映了半導(dǎo)體偏離熱平衡態(tài)的程度。EFn-EFp越大，np越偏離ni2。EFn=EFp時，np=ni2。5.4. 復(fù)合理論非平衡載流子復(fù)合的分類以及復(fù)合過程釋放能量的方式1、直接復(fù)合2、間接復(fù)合定量說明間接復(fù)合的四個微觀過程

8、：俘獲電子過程：電子俘獲率=rnn(Nt-nt)發(fā)射電子過程：電子產(chǎn)生率=s-nt，俘獲空穴過程：空穴俘獲率=rppnt發(fā)射空穴的過程：空穴產(chǎn)生率=s+(Nt-nt)，s+=rpp1有效復(fù)合中心能級的位置為禁帶中線附近。3、表面復(fù)合1）表面復(fù)合率：單位時間內(nèi)通過單位面積復(fù)合掉的電子-空穴對數(shù)Us(s-1cm-2)2）為什么說非平衡載流子的壽命是“結(jié)構(gòu)靈敏”的參數(shù)？4、俄歇復(fù)合概念：載流子從高能級向低能級躍遷，發(fā)生電子-空穴復(fù)合時，把多余的能量傳給另一個載流子，使這個載流子被激發(fā)到更高的能級上去，當(dāng)它重新躍遷回低能級時，多余的能量常以聲子形式放出，這種復(fù)合被稱為俄歇復(fù)合。-非輻射復(fù)合5.5. 陷

9、阱效應(yīng)。1、陷阱效應(yīng)、陷阱、陷阱中心2、最有效陷阱的特點(diǎn)(1) 典型的陷阱對電子和空穴的俘獲系數(shù)rn和rp必須有很大差別。(2) 少數(shù)載流子的陷阱效應(yīng)更顯著(3) 一定的雜質(zhì)能級能否成為陷阱，還決定于能級的位置。并說明電子和空穴陷阱的能級位置。3、比較陷阱中心和復(fù)合中心的異同。4、陷阱中心的存在，對非平衡載流子的壽命有很大影響，進(jìn)而影響壽命的測量。實(shí)驗(yàn)中，如何消除這種影響？在脈沖光照的同時，再加上恒定的光照，使陷阱始終處于飽和狀態(tài)。例如，測量非平衡電子的壽命，用恒定光照射半導(dǎo)體，使陷阱中始終填滿電子。再用脈沖光照射半導(dǎo)體，這時，產(chǎn)生的n和p中，n中的電子就不會再被陷阱俘獲。這就相當(dāng)于在電子行進(jìn)

10、的道路上有陷阱，有些電子就會掉進(jìn)陷阱里，很難出來，而耽誤了與空穴相遇復(fù)合，延長了電子-空穴相遇復(fù)合所需要的時間。但現(xiàn)在，先用恒定的光照在半導(dǎo)體上，產(chǎn)生的電子將陷阱填滿，即將道路填平，達(dá)到另一個平衡態(tài)，再用脈沖光照射半導(dǎo)體，測量非平衡載流子壽命。5.6. 載流子的擴(kuò)散運(yùn)動。1、擴(kuò)散流密度：；（單位時間通過單位面積的粒子數(shù)）。2、空穴的擴(kuò)散電流。電子的擴(kuò)散電流3、光注入下的穩(wěn)定擴(kuò)散：穩(wěn)定擴(kuò)散：若用恒定光照射樣品，那么在表面處非平衡載流子濃度保持恒定值，半導(dǎo)體內(nèi)部各點(diǎn)的空穴濃度也不隨時間改變，形成穩(wěn)定的分布。這叫穩(wěn)定擴(kuò)散。穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方程及其解。5.7. 載流子的漂移運(yùn)動 愛因斯坦關(guān)系漂移運(yùn)動、擴(kuò)散運(yùn)動

11、愛因斯坦關(guān)系的表達(dá)式：，5.8. 連續(xù)性方程式1、連續(xù)性方程式的表達(dá)式其中的含義是單位時間單位體積由于擴(kuò)散而積累的空穴數(shù)；的含義是單位時間單位體積由于漂移而積累的空穴數(shù)；的含義是單位時間單位體積由于復(fù)合而消失的電子-空穴對數(shù)。2、穩(wěn)態(tài)連續(xù)性方程及其解3、連續(xù)性方程式的應(yīng)用。牽引長度和擴(kuò)散長度Lp的差別。；第六章 p-n結(jié)6.1 p-n結(jié)及其能帶圖1、p-n結(jié)的形成和雜質(zhì)分布2、空間電荷區(qū)3、p-n結(jié)能帶圖4、p-n結(jié)接觸電勢差5、p-n結(jié)的載流子分布6.2 p-n結(jié)的電流電壓特性1、非平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)非平衡狀態(tài)下p-n結(jié)的能帶圖2、理想p-n結(jié)模型及其電流電壓方程式 l 理想p-n結(jié)模型1

12、) 小注入條件2) 突變耗盡層近似：電荷突變、結(jié)中載流子耗盡(高阻)、電壓全部降落在耗盡層上、耗盡層外載流子純擴(kuò)散運(yùn)動；3) 不考慮耗盡層中載流子的產(chǎn)生與復(fù)合作用；4) 玻耳茲曼邊界條件：在耗盡層兩端，載流子分布滿足玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)分布。 l 理想p-n結(jié)的電壓方程式，相應(yīng)的J-V曲線。并討論p-n結(jié)的整流特性。3、影響p-n結(jié)的電流電壓特性偏離理想方程的各種因素理想p-n結(jié)的電流是少數(shù)載流子擴(kuò)散形成的。但實(shí)際上還存在復(fù)合電流、大注入效應(yīng)、體電阻效應(yīng)以及產(chǎn)生電流，使得實(shí)際電流-電壓特性偏離理想情形。歸納如下：p+-n結(jié)加正向偏壓時，電流電壓關(guān)系可表示為，m在12之間變化，隨外加正向偏壓而定。正向偏

13、壓較小時，m=2， JFexp(qV/2k0T)，勢壘區(qū)的復(fù)合電流起主要作用，偏離理想情形；正向偏壓較大時，m=1，JFexp(qV/k0T)，擴(kuò)散電流起主要作用，與理想情形吻合；正向偏壓很大，即大注入時，m=2，JFexp(qV/2k0T)，偏離理想情形；在大電流時，還必須考慮體電阻上的電壓降VR，于是V=VJ+Vp+VR，忽略電極上的壓降，這時在p-n結(jié)勢壘區(qū)上的電壓降就更小了，正向電流增加更緩慢。在反向偏壓下，因勢壘區(qū)中的產(chǎn)生電流，從而使得實(shí)際反向電流比理想方程的計(jì)算值大并且不飽和。6.3 p-n結(jié)電容1、p-n結(jié)電容的來源勢壘電容：p-n結(jié)上外加電壓的變化，引起了電子和空穴在勢壘區(qū)中的

14、“存入”和“取出”作用，導(dǎo)致勢壘區(qū)的空間電荷數(shù)量隨外加電壓而變化，這和一個電容器的充放電作用相似。這種p-n結(jié)的電容效應(yīng)稱為勢壘電容，以CT表示。 擴(kuò)散電容：外加電壓變化時，n區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡空穴和與它保持電中性的電子數(shù)量變化，同樣，p區(qū)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)積累的非平衡電子和與它保持電中性的空穴也變化。這種由于擴(kuò)散區(qū)的電荷數(shù)量隨外加電壓變化所產(chǎn)生的電容效應(yīng)，稱為p-n結(jié)的擴(kuò)散電容。用符號CD表示。2、突變結(jié)的勢壘電容（利用重要結(jié)論分析問題）6.4 p-n結(jié)擊穿不同類型半導(dǎo)體的擊穿機(jī)理分析。1、雪崩擊穿2、隧道擊穿(或齊納擊穿)隧道擊穿是在強(qiáng)反向電場作用下，勢壘寬度變窄，由隧道效應(yīng)，使大量電子從p區(qū)的

15、價帶穿過禁帶而進(jìn)入到n區(qū)導(dǎo)帶所引起的一種擊穿現(xiàn)象。因?yàn)樽畛跏怯升R納提出來解釋電介質(zhì)擊穿現(xiàn)象的，故叫齊納擊穿。重?fù)诫s的半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)更容易發(fā)生隧道擊穿。3、熱電擊穿6.5 p-n結(jié)隧道效應(yīng)1、隧道結(jié)及其電流電壓特性什么是隧道結(jié)，隧道結(jié)的電流電壓特性。2、隧道結(jié)熱平衡時的能帶圖 3、隧道結(jié)電流電壓特性的定性解釋隧道結(jié)的特點(diǎn)和優(yōu)勢。第七章 金屬和半導(dǎo)體的接觸7.1. 金屬半導(dǎo)體接觸及其能帶圖1、金屬和半導(dǎo)體的功函數(shù)定義式2、接觸電勢差阻擋層(p型和n型阻擋層)概念及能帶圖。3、表面態(tài)對接觸勢壘的影響7.2. 金屬半導(dǎo)體接觸整流理論一、以n型、p型阻擋層為例定性說明阻擋層的整流特性n型(p型)阻

16、擋層的判斷；表面勢、能帶彎曲情況二、定量得出阻擋層伏-安特性表達(dá)式1、擴(kuò)散理論（模型）理論模型2、熱電子發(fā)射理論（模型）兩種模型的適用范圍3、鏡象力和隧道效應(yīng)是如何影響M-S接觸整流特性的？（降低勢壘高度）4、肖特基勢壘二極管與p-n結(jié)二極管相比較，有哪些優(yōu)點(diǎn)和用途？7.3. 少數(shù)載流子的注入和歐姆接觸1、少數(shù)載流子的注入(正向偏壓下)2、歐姆接觸 什么是歐姆接觸？能否通過選擇合適的金屬來形成歐姆接觸？如何制作歐姆接觸？第八章 半導(dǎo)體表面與MIS結(jié)構(gòu)8.1 表面態(tài)8.2表面電場效應(yīng)理想MIS結(jié)構(gòu)1、空間電荷層及表面勢熟練分析多子積累、耗盡和反型情況下，金屬端所加的電壓大小和方向、半導(dǎo)體表面勢的大小和所帶電荷、能帶彎曲情況。2、表面空間電荷層的電場、電勢和電容用“耗盡層近似”推導(dǎo)出耗盡層寬度和空間電荷面密度隨表面勢的變化。8.3. MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性1、理想MIS結(jié)構(gòu)的電容-電壓特性畫出由p型半導(dǎo)體構(gòu)成的MIS結(jié)構(gòu)的C-V圖。標(biāo)出積