半導體物理復習-2014

1、半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第1 1頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一半導體物理 從物理上，微觀結(jié)構(gòu)上解釋什么是半導體(晶格結(jié)構(gòu)和能帶)，導電能力為什么處于導體和絕緣體之間（載流子的運動），以及半導體有那些特性（電學、光學、磁學、熱學）？半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第2 2頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 本章主要討論半導體材料的晶格結(jié)構(gòu)以本章主要討論半導體材料的晶格結(jié)構(gòu)以及能帶理論。及能帶理論。 目的？目的？半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第3 3頁頁2020

2、1212年年1212月月1717日星期一日星期一第一章第一章 、半導體的電子狀態(tài)、半導體的電子狀態(tài)1.1 晶體的結(jié)構(gòu)晶體的結(jié)構(gòu) 晶格的周期性、金剛石結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu)和晶格的周期性、金剛石結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu)和釬鋅礦結(jié)構(gòu)釬鋅礦結(jié)構(gòu)1.2晶體中的能帶晶體中的能帶 原子能級和固體能帶、晶體中的電子狀態(tài)原子能級和固體能帶、晶體中的電子狀態(tài)1.3 導電電子和空穴導電電子和空穴1.4 常見半導體的能帶結(jié)構(gòu)常見半導體的能帶結(jié)構(gòu)半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第4 4頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一1、Si、GaAs半導體材料的導帶底、價帶半導體材料的導帶底、價

3、帶頂分別在頂分別在k空間什么位置？其晶體結(jié)構(gòu)和空間什么位置？其晶體結(jié)構(gòu)和解理面分別是什么？哪個是直接帶隙，解理面分別是什么？哪個是直接帶隙，哪個是間接帶隙？哪個是間接帶隙？(2006)2、對于金剛石結(jié)構(gòu)的硅、對于金剛石結(jié)構(gòu)的硅Si和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的砷化鎵砷化鎵GaAs，在（，在（111）晶面上，其原）晶面上，其原子面密度和面間距都是最大，為什么子面密度和面間距都是最大，為什么Si的解理面是（的解理面是（111），而），而GaAs不是？不是？(2007) 半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第5 5頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 第二章

4、、雜質(zhì)和缺陷能級第二章、雜質(zhì)和缺陷能級 施主能級和受主能級、施主能級和受主能級、n n型半導體和型半導體和p p型型半導體、深能級雜質(zhì)半導體、深能級雜質(zhì) 3、高阻的本征半導體材料和高阻的高度補償?shù)陌雽w材料的區(qū)別是什么？(2006)2.什么是淺能級雜質(zhì)？什么是深能級雜質(zhì)？列舉出半導體硅中各一種雜質(zhì)元素的例子。半導體中摻入這些雜質(zhì)分別起什么作用 ? (2011)半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第6 6頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一第三章、半導體中載流子的統(tǒng)計分布第三章、半導體中載流子的統(tǒng)計分布 本章將討論在熱平衡條件下，電子和空穴在本章將討論

5、在熱平衡條件下，電子和空穴在導帶和價帶的分布情況導帶和價帶的分布情況dEEfEgn)()(半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第7 7頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一主要內(nèi)容： 狀態(tài)密度（狀態(tài)密度（g(E) 費米能級和載流子的統(tǒng)計分布（費米能級和載流子的統(tǒng)計分布（f(E) 本征半導體的載流子濃度本征半導體的載流子濃度 雜質(zhì)半導體的載流子濃度雜質(zhì)半導體的載流子濃度 一般情況下載流子的統(tǒng)計分布一般情況下載流子的統(tǒng)計分布 兼并半導體兼并半導體dEEfEgn)()(半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第8 8頁頁20201212年年1

6、212月月1717日星期一日星期一 11、定性畫出N型半導體樣品，載流子濃度n隨溫度變化的曲線（全溫區(qū)），討論各段的物理意義，并標出本征激發(fā)隨溫度的曲線。設該樣品的摻雜濃度為ND。比較兩曲線，論述寬帶隙半導體材料器件工作溫度范圍更寬。 (2006-20分) 4、一塊N型半導體，隨溫度升高，載流子濃度如何變化？費米能級如何變化？（2009-7分）半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第9 9頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第1010頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一a

7、段：溫度很低，電子熱運動能量很低，只有雜質(zhì)能級上少部分能量較高的電子能躍遷到導帶，形成導帶電子；隨著溫度升高，電子熱運動加快，動能提高，更多的雜質(zhì)能級上的電子躍遷到導帶，使得導帶中的電子數(shù)目增加。 此時，電子熱運動動能相對帶隙而言很小，本征激發(fā)相對于雜質(zhì)電離可以忽略，故此時，電中性方程可以寫成： n0 nD+半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第1111頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 b 段：隨著溫度升高，電子熱動能繼續(xù)增加，幾乎雜質(zhì)能級上的所有電子都可以躍遷至導帶了；此時，本征激發(fā)相比較而言仍然較小，可以忽略，故導帶中電子濃度基本不變；此時電

8、中性方程為n0ND 半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第1212頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一c 段：隨著溫度繼續(xù)升高，電子熱動能越來越大，越來越多的價帶電子躍遷到導帶，本征激發(fā)迅速增多，此時，價帶中空穴已不可忽略，電中性方程為：n0 = ND + p0 溫度再升高，大量價電子躍遷到導帶，本征激發(fā)的電子遠遠超出了雜質(zhì)電離的電子的濃度時，占據(jù)了主導地位，電中性方程 可以寫成： n0 = p0半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第1313頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 n0 =p0 n n0 /p

9、0為溫度和禁帶寬度的函數(shù) Eg大則n0 p0小,更難于大于n半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第1414頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一DCCFNNkTEEln半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第1515頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一2. 本征費米能級本征費米能級VCVCfiNNkTEEEEln22本征費米能級位于禁帶中央，和導帶底及價帶頂本征費米能級位于禁帶中央，和導帶底及價帶頂一樣，均可作為電勢的參考點（很好的近似）一樣，均可作為電勢的參考點（很好的近似）由于半導體的禁帶寬度遠遠大于由于半

10、導體的禁帶寬度遠遠大于kT，所以，上式，所以，上式的第二項可忽略，即的第二項可忽略，即2VCiEEE*3ln24pCVifnMEEkTEEM半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第1616頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 10、（、（20分）分）設某一種半導體材料室溫下（300 K）本征載流子濃度為1.0 1010 cm3，價帶和導帶有效狀態(tài)密度NV = NC = 1019 cm3， 1）求禁帶寬度； 2）如果摻入施主雜質(zhì)ND = 1016 cm3，求300 K下，熱平衡下的電子和空穴濃度； 3）對于上面的樣品，在又摻入NA = 2 1016 cm

11、3的受主雜質(zhì)后，求新的熱平衡電子和空穴濃度（300 K）。 4）求3）中，費米能級的位置EF Ei； (2010)半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第1717頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一00gEkTCVn pN Ne0000exp()exp()exp()exp()FFFFciciviviEEEEnNnk Tk TEEEEpNnk Tk T半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第1818頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一隨溫度升高，導帶中隨溫度升高，導帶中的電子增多，為什么的電子增多，為什么費米能級

12、下降？費米能級下降？(Nc變大更快）變大更快）半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第1919頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一第四章、第四章、 半導體的導電性半導體的導電性 本章在已知電子和空穴在導帶和價帶的分布本章在已知電子和空穴在導帶和價帶的分布情況的情況下，討論載流子在外加電場下的運情況的情況下，討論載流子在外加電場下的運動規(guī)律。動規(guī)律。目的：？目的：？半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第2020頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一主要內(nèi)容： 載流子的漂移運動 遷移率 載流子的散射 遷移率與雜質(zhì)濃

13、度和溫度的關(guān)系 電阻率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系 強場下的效應 熱載流子 多能谷散射半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第2121頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 4、半導體中主要的兩種散射機構(gòu)是什么？在、半導體中主要的兩種散射機構(gòu)是什么？在有多種散射機構(gòu)存在的情況下，為什么遷移率有多種散射機構(gòu)存在的情況下，為什么遷移率主要由自由時間短的機理決定？主要由自由時間短的機理決定？ （2006） 9、（、（16分）在分）在T=300K下，一下，一N型半導體型半導體Si樣樣品，測得的電阻率為品，測得的電阻率為0.1 -cm。 （1）求此時的電子濃度和空穴濃度

14、（查圖）。）求此時的電子濃度和空穴濃度（查圖）。 （2）若在此樣品中，再摻入）若在此樣品中，再摻入9 1016cm-3P型雜型雜質(zhì)，求此時樣品的電阻率、多子濃度和少子濃質(zhì)，求此時樣品的電阻率、多子濃度和少子濃度。并求出此時多子的遷移率（查圖）。度。并求出此時多子的遷移率（查圖）。（2006）半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第2222頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一.321PPPP.11321PPPP.111.1321321PPP1231111.總的散射幾率總的散射幾率平均自由時間平均自由時間同時存在多種散射機構(gòu)時，哪種起主要作用？半導體物理學

15、半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第2323頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 11、（、（13分）分） 1）什么是載流子的遷移率？影響遷移率的主要散射機理有幾種。討論載流子類型、摻雜和環(huán)境溫度對遷移率的影響關(guān)系。 2）論述用霍爾效應測量載流子遷移率的實驗方法。(2010)2/32/31*TBNATmqPmqI半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第2424頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一第五章、第五章、 非平衡載流子（非平衡載流子（ Excess Carriers） 本章在已知電子和空穴在導帶和價帶的分布本章在

16、已知電子和空穴在導帶和價帶的分布情況以及載流子在外加電場下的運動規(guī)律的情情況以及載流子在外加電場下的運動規(guī)律的情況下，討論非平衡載流子的產(chǎn)生、復合、及擴況下，討論非平衡載流子的產(chǎn)生、復合、及擴散。散。目的：？有濃度梯度時如何運動（簡化情況）目的：？有濃度梯度時如何運動（簡化情況）（濃度梯度如何產(chǎn)生？兩種：內(nèi)部，外部）（濃度梯度如何產(chǎn)生？兩種：內(nèi)部，外部）摻雜梯度（引入電場），摻雜梯度（引入電場），非平衡載流子半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第2525頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一主要內(nèi)容： 非平衡載流子的產(chǎn)生與復合 非平衡載流子的壽命 存在

17、非平衡載流子時的費米能級準費米能級 復合理論 載流子擴散方程 連續(xù)性方程半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第2626頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 摻有摻有51015cm3磷原子和磷原子和11016cm3硼原子硼原子的硅樣品，室溫下分別計算；的硅樣品，室溫下分別計算； A、熱平衡態(tài)下多子、少子濃度，費米能級的、熱平衡態(tài)下多子、少子濃度，費米能級的位置（位置（Ei為參考）為參考） B、樣品的電阻率；、樣品的電阻率； C、光注入、光注入np31013cm3的非平衡載的非平衡載流子，是否小注入，為什么？流子，是否小注入，為什么？ D、光注入下準費米

18、能級（、光注入下準費米能級（ Ei為參考）；為參考）； E、畫出平衡態(tài)下能帶圖，在此基礎上再畫出、畫出平衡態(tài)下能帶圖，在此基礎上再畫出光注入時的準費米能級，說明其偏離光注入時的準費米能級，說明其偏離EF程度不程度不同的原因；同的原因； F、光注入時的樣品電導率、光注入時的樣品電導率半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第2727頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一kTEEikTEEiFiiFenpenn00,半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第2828頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 11、（、（15分

19、）光均勻照射一個分）光均勻照射一個5 cm的的p型型Si樣品，電子空穴對的產(chǎn)生樣品，電子空穴對的產(chǎn)生率為率為5x1016cm-3s-1，樣品壽命為，樣品壽命為10 s ，計算光照前、后樣品電阻率的，計算光照前、后樣品電阻率的改變，以及費米能級位置的變化改變，以及費米能級位置的變化（假定此問題中，電子和空穴的遷（假定此問題中，電子和空穴的遷移率相同）。移率相同）。（2008）半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第2929頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一第六章、第六章、 pn結(jié)結(jié) 本章在已知載流子分布以及電場和濃度梯度本章在已知載流子分布以及電場和濃

20、度梯度下載流子運動規(guī)律的前提下，討論下載流子運動規(guī)律的前提下，討論PN結(jié)電流電結(jié)電流電壓特性、電容效應、擊穿特性等。壓特性、電容效應、擊穿特性等。目的：了解半導體器件最基礎單元具有的特性。目的：了解半導體器件最基礎單元具有的特性。半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第3030頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：1 、熱平衡條件下的、熱平衡條件下的p-n結(jié)結(jié)(無電狀態(tài)無電狀態(tài)) p-n結(jié)定義及形成結(jié)定義及形成 p-n結(jié)的空間電荷區(qū)及自建電場結(jié)的空間電荷區(qū)及自建電場 p-n結(jié)的能帶圖結(jié)的能帶圖 空間電荷區(qū)中的電場、電位分布空間電荷區(qū)中

21、的電場、電位分布 p-n結(jié)接觸電勢差結(jié)接觸電勢差 p-n結(jié)載流子分布結(jié)載流子分布半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第3131頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一主要內(nèi)容主要內(nèi)容：2、p-n結(jié)直流電壓特性結(jié)直流電壓特性(直流狀態(tài)直流狀態(tài)) 非平衡狀態(tài)下的非平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)結(jié) 理想理想p-n結(jié)電流電壓方程結(jié)電流電壓方程 影響影響p-n結(jié)電流電壓特性偏離理想電流電壓方結(jié)電流電壓特性偏離理想電流電壓方程的因素程的因素半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第3232頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一3、p-n結(jié)

22、電容結(jié)電容(交流特性交流特性) 勢壘電容、擴散電容勢壘電容、擴散電容4、p-n結(jié)擊穿結(jié)擊穿 (反向功率特性反向功率特性)5、p-n結(jié)隧道效應（重摻雜特性）結(jié)隧道效應（重摻雜特性）半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第3333頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一10、（、（1）寫出理想）寫出理想PN結(jié)的結(jié)的I-V特性，即電流密特性，即電流密度度J與電壓與電壓V的關(guān)系方程。分別在直角線性坐標的關(guān)系方程。分別在直角線性坐標系和半對數(shù)坐標系中，示意畫出系和半對數(shù)坐標系中，示意畫出PN結(jié)電流結(jié)電流電壓特性曲線。電壓特性曲線。 (2) 在半對數(shù)坐標系中的曲線上，

23、如何將正向在半對數(shù)坐標系中的曲線上，如何將正向小電壓下勢壘區(qū)復合電流和反向電壓下勢壘區(qū)小電壓下勢壘區(qū)復合電流和反向電壓下勢壘區(qū)產(chǎn)生電流產(chǎn)生的作用反映在曲線上？簡單解釋產(chǎn)生電流產(chǎn)生的作用反映在曲線上？簡單解釋之。之。 (3）如果）如果PN結(jié)電流中，同時考慮擴散電流和復結(jié)電流中，同時考慮擴散電流和復合電流時，即采用理想因子合電流時，即采用理想因子m，寫出含有理想，寫出含有理想因子因子m的的J-V特性方程，并描述一種測量特性方程，并描述一種測量m的實的實驗方法。驗方法。 (4) 分別分析分別分析PN結(jié)加正向偏置和反向偏置，對結(jié)加正向偏置和反向偏置，對PN結(jié)邊界處少子濃度的改變，以此論述，結(jié)邊界處少子

24、濃度的改變，以此論述，PN結(jié)具有正向?qū)ê头聪蝻柡吞匦?。結(jié)具有正向?qū)ê头聪蝻柡吞匦浴?（2008）（32分）分）半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第3434頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一11、（、（20分）分）PN結(jié)的結(jié)的N型一側(cè)摻雜濃度為型一側(cè)摻雜濃度為ND，P型一側(cè)摻雜濃度為型一側(cè)摻雜濃度為NA，采用雜質(zhì)飽和電離近，采用雜質(zhì)飽和電離近似，證明似，證明PN結(jié)的接觸電勢差為：結(jié)的接觸電勢差為： ni是本征載流子濃度是本征載流子濃度另有一另有一N+N結(jié)，摻雜濃度分別為結(jié)，摻雜濃度分別為N+，N，證，證明此時明此時N+N結(jié)的接觸電勢差為：結(jié)的接

25、觸電勢差為： 比較兩者的大小，并解釋其內(nèi)在的物理機比較兩者的大小，并解釋其內(nèi)在的物理機理。理。 （2007）)ln(20iADDnNNqTkV)ln(0NNqTkVD半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第3535頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一第七章、第七章、金屬金屬- -半導體接觸半導體接觸 本章在已知半導體結(jié)構(gòu)及本章在已知半導體結(jié)構(gòu)及JV方程后，討論方程后，討論金屬與半導體接觸的特性。金屬與半導體接觸的特性。目的：？目的：？半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第3636頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一主要內(nèi)容： 金屬半導體接觸及其能級圖 金半接觸整流理論及肖特基接觸 歐姆接觸半導體物理學半導體物理學北工大電控學院北工大電控學院 第第3737頁頁20201212年年1212月月1717日星期一日星期一9、金屬和半導體接觸主要有幾種？舉例給出它們的、金屬和半導體接觸主要有幾種？舉例給出它們的形成條件，并定性畫出它們的能帶圖。形成條件，并定性畫出它們的能帶圖。(