半導(dǎo)體物理期末考復(fù)習(xí)材料

1、第一章 半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)1.元素半導(dǎo)體 硅 和 鍺 都是 金剛石 結(jié)構(gòu) 。2.結(jié)構(gòu)上，金剛石結(jié)構(gòu)由 兩套面心立方格子 沿其立方體對(duì)角線(xiàn)位移 1/4 的長(zhǎng)度套構(gòu)而成的，3.在四面體結(jié)構(gòu)的共價(jià)晶體中，四個(gè)共價(jià)鍵是 sp3雜化 。4.第III族元素鋁、鎵、銦和第V族元素磷、砷、銻組成的 III-V族化合物 。也是正四面體結(jié)構(gòu)，四個(gè)共價(jià)鍵也是sp3雜化，但具有一定程度的離子性。是 閃鋅礦 結(jié)構(gòu)。5. ZnS、GeS、ZnSe和GeSe等 -族化合物 都可以 閃鋅礦型 和 纖鋅礦型 兩種方式結(jié)晶，也是以 正四面體結(jié)構(gòu) 為基礎(chǔ)構(gòu)成的，四個(gè)混合共價(jià)鍵也是 sp3 雜化，也有一定程度的離子性。6. Ge、S

2、i的禁帶寬度具有 負(fù)溫度系數(shù) 。禁帶寬度Eg隨溫度增加而減小( 負(fù)溫度系數(shù)特性 )7.半導(dǎo)體與導(dǎo)體的最大差別： 半導(dǎo)體的電子和空穴均參與導(dǎo)電 。半導(dǎo)體與絕緣體的最大差別： 在通常溫度下，半導(dǎo)體已具有一定的導(dǎo)電能力 。8有效質(zhì)量的意義 半導(dǎo)體中的電子在外場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，外力并不是電子受力的總和，電子一方面受到外電場(chǎng)力的作用，另一方面還和內(nèi)部的原子、電子相互作用著。電子的加速度應(yīng)該是 半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng) 和 外電場(chǎng)作用 的綜合效果。 為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，借助有效質(zhì)量來(lái)描述電子加速時(shí)內(nèi)部受到的阻力。引入有效質(zhì)量的意義在于它概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用。使得在解決半導(dǎo)體中電子在外力作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，可以不涉及到

3、半導(dǎo)體內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)的作用。有效質(zhì)量可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)得。有效質(zhì)量的大小取決于 晶體內(nèi)電子與電子周?chē)h(huán)境 的作用。電子有效質(zhì)量的意義是什么？它與能帶有什么關(guān)系？答：有效質(zhì)量概括了晶體中電子的質(zhì)量以及內(nèi)部周期勢(shì)場(chǎng)對(duì)電子的作用，引入有效質(zhì)量后，晶體中電子的運(yùn)動(dòng)可用類(lèi)似于自由電子運(yùn)動(dòng)來(lái)描述。有效質(zhì)量與電子所處的狀態(tài)有關(guān)，與能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)：（1）、有效質(zhì)量反比于能譜曲線(xiàn)的曲率：（2）、有效質(zhì)量是k的函數(shù)，在能帶底附近為正值，能帶頂附近為負(fù)值。（3）、具有方向性沿晶體不同方向的有效質(zhì)量不同。只有當(dāng)?shù)饶苊媸乔蛎鏁r(shí)，有效質(zhì)量各向同性。9本征半導(dǎo)體：不含 任何雜質(zhì) 和 缺陷 的半導(dǎo)體。10 回旋共振 的實(shí)驗(yàn)是用來(lái)測(cè)量

4、 有效質(zhì)量 的。導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶l 能帶理論提出：一個(gè)晶體是否具有導(dǎo)電性，關(guān)鍵在于它是否有不滿(mǎn)的能帶存在。l 導(dǎo)體下面的能帶是滿(mǎn)帶，上面的能帶是半滿(mǎn)帶；或者上下能帶重疊了一部分，結(jié)果上下能帶都成了半滿(mǎn)帶l 絕緣體下面能帶（價(jià)帶）是滿(mǎn)帶，上面能帶（導(dǎo)帶）是空帶，且禁帶寬度比較大。l 半導(dǎo)體下面能帶（價(jià)帶）是滿(mǎn)帶，上面能帶（導(dǎo)帶）是空帶，且禁帶寬度比較小，數(shù)量級(jí)約在1eV左右。當(dāng)溫度升高或者光照下，滿(mǎn)帶中的少量電子可能被激發(fā)到上面的空帶中去。滿(mǎn)帶中少了一些電子，將出現(xiàn)一些空的量子狀態(tài)，稱(chēng)為空穴。在半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電。大題：設(shè)晶格常數(shù)為a的一維晶格，導(dǎo)帶極小值附

5、近能量Ec(k)和價(jià)帶極大值附近能量Ev(k)分別為: m0為電子慣性質(zhì)量，k11/2a；a為已知量。試求：禁帶寬度；導(dǎo)帶底電子有效質(zhì)量；價(jià)帶頂電子有效質(zhì)量；價(jià)帶頂電子躍遷到導(dǎo)帶底時(shí)準(zhǔn)動(dòng)量的變化。 解 根據(jù) 可求出對(duì)應(yīng)導(dǎo)帶能量極小值Emin的k值：代入題中EC式可得： 根據(jù) 可求出對(duì)應(yīng)價(jià)帶能量極大值Emax的k值：代入題中Ev式可得： 動(dòng)量 第二章 半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級(jí)1 以As摻入Ge中為例,說(shuō)明什么是施主雜質(zhì),施主雜質(zhì)電離過(guò)程和n型半導(dǎo)體?2半導(dǎo)體硅單晶的介電常數(shù) ，電子和空穴的有效質(zhì)量各為：利用類(lèi)氫模型估計(jì)：（1）施主和受主電離能;  （2）基態(tài)電子軌道半徑。解： 因此施主和

6、受主電能離各為：半徑為3 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用因?yàn)槭┲麟s質(zhì)和受主雜質(zhì)之間有相互抵消的作用，通常稱(chēng)為 雜質(zhì)的補(bǔ)償作用 。當(dāng)ND>NA時(shí)，則NDNA為有效施主濃度； 當(dāng)NA>ND時(shí)，則NAND為有效受主濃度。 當(dāng)NAND時(shí)，不能向?qū)Ш蛢r(jià)帶提供電子和空穴，稱(chēng)為雜質(zhì)的高度補(bǔ)償。利用雜質(zhì)補(bǔ)償作用，就能根據(jù)需要用擴(kuò)散或離子注入方法改變半導(dǎo)體中某一區(qū)域的導(dǎo)電類(lèi)型，以制成各種器件。4 非III、V族雜質(zhì)在Si、Ge禁帶中產(chǎn)生的受主能級(jí)和施主能級(jí)距離價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底較遠(yuǎn)，稱(chēng)為深能級(jí)，相應(yīng)的雜質(zhì)稱(chēng)為深能級(jí)雜質(zhì)。這些深能級(jí)雜質(zhì)能夠產(chǎn)生多次電離，每一次電離相應(yīng)地有一個(gè)能級(jí)。因此，這些雜質(zhì)在硅、鍺的禁帶中往往引入

7、若干個(gè)能級(jí)。深能級(jí)雜質(zhì)，一般情況下含量極少，而且能級(jí)較深，它們對(duì)半導(dǎo)體中的導(dǎo)電電子濃度、導(dǎo)電空穴濃度和導(dǎo)電類(lèi)型的影響沒(méi)有淺能級(jí)雜質(zhì)顯著，但對(duì)于載流子的復(fù)合作用比淺能級(jí)雜質(zhì)強(qiáng)，故這些雜質(zhì)也稱(chēng)為復(fù)合中心。金是一種很典型的復(fù)合中心，在制造高速開(kāi)關(guān)器件時(shí)，常有意地?fù)饺虢鹨蕴岣咂骷乃俣取?5 兩性雜質(zhì)：既能起施主作用，又能起受主作用的雜質(zhì)，如III-V族化合物半導(dǎo)體中摻入的硅第三章 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布1. 1 現(xiàn)有三塊半導(dǎo)體硅材料，已知室溫下（300K）它們的空穴濃度分別為：2.25×1016cm-3, 1.5×1010cm-3, 2.25×104cm-3。 分別計(jì)

8、算這三塊材料的電子濃度； 判斷這三塊材料的導(dǎo)電類(lèi)型； 分別計(jì)算這三塊材料的費(fèi)米能級(jí)的位置。（已知室溫時(shí)硅的 ）解： 代入計(jì)算得電子濃度分別為：1×104cm-3, 1.5×1010cm-3, 1×1016cm-3。第一塊半導(dǎo)體，空穴濃度p>電子濃度n （2.25×1016cm-3> 1×104cm-3）, 故為p型半導(dǎo)體。即費(fèi)米能級(jí)在禁帶中線(xiàn)下0.37eV處。 第二塊半導(dǎo)體，n=p= 1.5×1010cm-3, 故為本征半導(dǎo)體 即費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中心位置。第三塊半導(dǎo)體，p<n （2.25×104cm-3&l

9、t;1×1016cm-3）, 故為n型半導(dǎo)體。 即費(fèi)米能級(jí)在禁帶中心線(xiàn)上0.35eV處。2. 有一塊摻磷的 n型硅，ND=1015cm-3, 分別計(jì)算溫度為 300K ； 500K ； 800K 時(shí)導(dǎo)帶中電子濃度 。 （已知硅的ni 300K=1.5×1010cm-3， ni 500K=4×1014 cm-3， ni 800K=1017cm-3）解：3. 含受主濃度為8.0×106cm-3和施主濃度為7.25×1017 cm-3的Si材料，試求溫度為300K時(shí)此材料的載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)的相對(duì)位置。 （已知300K時(shí)硅的ni為1.5×

10、1010cm-3）解：300K時(shí)，雜質(zhì)補(bǔ)償之后，有效施主濃度： 強(qiáng)電離區(qū)，2 載流子的產(chǎn)生：本征激發(fā) 和 雜質(zhì)電離 。3 在一定溫度下，載流子產(chǎn)生和復(fù)合的過(guò)程建立起動(dòng)態(tài)平衡，即單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)數(shù)等于復(fù)合掉的電子-空穴對(duì)數(shù)，稱(chēng)為熱平衡狀態(tài)。4 費(fèi)米分布函數(shù)：服從泡利不相容原理的電子遵循費(fèi)米統(tǒng)計(jì)規(guī)律。 其中，k0玻爾茲曼常數(shù)，T絕對(duì)溫度，EF費(fèi)米能級(jí)。5 費(fèi)米分布函數(shù)的特性：6在熱平衡狀態(tài)下，非簡(jiǎn)并情況下，導(dǎo)帶中的電子濃度： 同理可得，價(jià)帶中的空穴濃度（熱平衡狀態(tài)，非簡(jiǎn)并情況下）： 載流子濃度乘積： N型半導(dǎo)體載流子的濃度（在過(guò)渡區(qū)）： p型半導(dǎo)體載流子的濃度（在過(guò)渡區(qū)）： 摻有某種雜

11、質(zhì)的半導(dǎo)體的載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)由 溫度 和 雜質(zhì)濃度 決定。隨著T升高，多數(shù)載流子從以 雜質(zhì)電離 為主過(guò)渡到 本征激發(fā) 為主。費(fèi)米能級(jí)位置的變化：（1）低溫弱電離區(qū)（2）中間電離區(qū)（3）強(qiáng)電離區(qū)（4）過(guò)渡區(qū)（5）高溫本征激發(fā)區(qū) 在低溫弱電離區(qū)時(shí)，T0K時(shí)，費(fèi)米能級(jí)EF接 近(Ec+ED)/2，T, EF先上升再下降，又回到(Ec+ED)/2附近 中間電離區(qū)，EF在（Ec+ED）/2和ED之間 EF在ED之下 EF較接近禁帶中線(xiàn)Ei EF靠近Ei即：當(dāng)雜質(zhì)濃度不變時(shí)，隨著溫度的升高，費(fèi)米能級(jí)先上升后下降，直到接近中線(xiàn)位置。1. 隨著溫度T升高，多數(shù)載流子從以雜質(zhì)電離為主過(guò)渡到本征激發(fā)為主。2.

12、 n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)處在導(dǎo)帶底和Ei之間，p型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)處在Ei和價(jià)帶頂之間。3. 在一定溫度下，施主雜質(zhì)濃度越高，費(fèi)米能級(jí)越接近導(dǎo)帶底；受主雜質(zhì)濃度越高，費(fèi)米能級(jí)越接近價(jià)帶頂。4. 隨著T升高， n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)從施主能級(jí)以上先升后降至施主能級(jí)以下直至禁帶中線(xiàn)。 p型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)從受主能級(jí)以下先降后升至受主能級(jí)以上直至禁帶中線(xiàn)。對(duì)本征材料而言，材料的禁帶寬度越窄，載流子濃度越高；第四章 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性1 電子在 電場(chǎng)力 作用下所作的 定向 運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng)。2遷移率：表示單位場(chǎng)強(qiáng)下電子的平均漂移速度，表示存在電場(chǎng)作用下載流子運(yùn)動(dòng)的難易程度的物理量。3電阻產(chǎn)生的原因在于載流子的

13、散射。4自由時(shí)間：載流子在連續(xù)兩次散射之間的時(shí)間間隔稱(chēng)為自由時(shí)間t。自由程：載流子在連續(xù)兩次碰撞內(nèi)所經(jīng)過(guò)的距離稱(chēng)為自由程l。電子與聲子的碰撞遵循兩大守恒法則：準(zhǔn)動(dòng)量守恒、能量守恒半導(dǎo)體中的散射機(jī)構(gòu)：電離雜質(zhì)散射 ，晶格振動(dòng)散射 。晶格振動(dòng)的散射中，光學(xué)波散射在能帶具有單一極值的半導(dǎo)體中起主要散射作用的是長(zhǎng)波，在長(zhǎng)聲學(xué)波中，只有縱波在散射中起主要作用。在半導(dǎo)體中長(zhǎng)波起主要作用的是：縱聲學(xué)波散射。在離子晶體中起主要作用的是：縱光學(xué)波散射。6 電離雜質(zhì)散射：當(dāng)載流子運(yùn)動(dòng)到電離雜質(zhì)附近時(shí)，由于 庫(kù)倫勢(shì)場(chǎng)（庫(kù)倫斥力） 的作用，就使載流子運(yùn)動(dòng)的方向發(fā)生改變，以速度v接近電離雜質(zhì)，在原子核附近的散射。各種不

14、同類(lèi)型材料的電導(dǎo)率:N 型：P 型：混合型：6. 歐姆定律的微分形式：載流子的遷移率由其主要作用的散射機(jī)構(gòu)決定。低溫時(shí)，雜質(zhì)散射占主導(dǎo)地位；因此，遷移率是雜質(zhì)濃度Ni的函數(shù)。高溫時(shí)，晶格散射占主導(dǎo)地位；因此遷移率對(duì)Ni的依賴(lài)很小。雜質(zhì)濃度小時(shí)，遷移率趨于一定值，不隨雜質(zhì)濃度而變化，說(shuō)明此時(shí)晶格散射相對(duì)占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著雜質(zhì)濃度Ni的增大，電離雜質(zhì)散射相對(duì)占據(jù)主導(dǎo)地位.（7）溫度T越高，晶格散射越強(qiáng)，此時(shí)遷移率越小。（8）雜質(zhì)Ni越大，雜質(zhì)電離散射越強(qiáng)，此時(shí)遷移率越小。電阻率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系電阻率與雜質(zhì)濃度Ni的關(guān)系電阻率決定于載流子的濃度和遷移率，兩者均與雜質(zhì)濃度和溫度有關(guān)。所以，半導(dǎo)體

15、的電阻率隨雜質(zhì)濃度和溫度而變化。（1）對(duì)于非補(bǔ)償型半導(dǎo)體：當(dāng)雜質(zhì)濃度Ni增大時(shí)，遷移率將下降；但是此時(shí)，載流子濃度（n或p ）將增大，故電阻率將趨于減小。 （2）對(duì)于補(bǔ)償型半導(dǎo)體：當(dāng)雜質(zhì)濃度Ni增大時(shí)，遷移率將下降；此時(shí)，如果N有效增大，則電阻率將減小；如果N有效減小，則電阻率將增大。電阻率與溫度T的關(guān)系（1）對(duì)于本征型半導(dǎo)體：當(dāng)溫度升高時(shí)，載流子濃度（n0或p0 ）將增大，故電阻率將趨于減小。 （2）對(duì)于雜質(zhì)型半導(dǎo)體： 在低溫區(qū)：當(dāng)溫度升高時(shí)，載流子濃度（n或p）將增大，故電阻率將趨于減??； 在電離飽和區(qū)：載流子濃度一定，當(dāng)溫度升高時(shí)，遷移率將下降。此時(shí)電阻率將增大。 在高溫本征區(qū)：類(lèi)似于本

16、征半導(dǎo)體，當(dāng)溫度升高時(shí)，載流子濃度（n或p）將增大，故電阻率將減小。對(duì)純半導(dǎo)體材料，電阻率主要由本征載流子濃度ni決定。第五章 非平衡載流子1非平衡載流子的產(chǎn)生：電注入，光注入，高能粒子激發(fā)2熱平衡時(shí)，用統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí) EF 描述平衡態(tài)時(shí)載流子在能級(jí)之間的分布，非簡(jiǎn)并時(shí) 統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)是熱平衡狀態(tài)的標(biāo)志。在非平衡態(tài)時(shí)，上式不再成立，不存在統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)需要分別引入導(dǎo)帶費(fèi)米能級(jí)和價(jià)帶費(fèi)米能級(jí)，稱(chēng)為“準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)”，包括導(dǎo)帶準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) （電子準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)）和價(jià)帶準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí) （空穴準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)）。當(dāng) 和 重合時(shí)， 回到平衡態(tài)，無(wú) 和 擴(kuò)散機(jī)理：濃度梯度作用下 載流子定向運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)：表征載流子運(yùn)動(dòng)的難易程

17、度。遷移率是反映在電場(chǎng)作用下載流子運(yùn)動(dòng)難易程度的物理量，而擴(kuò)散系數(shù)D是反映在有濃度梯度存在時(shí)，載流子運(yùn)動(dòng)難易程度的物理量愛(ài)因斯坦關(guān)系式： 電子的連續(xù)性方程： 右側(cè)第一項(xiàng)為擴(kuò)散流密度不均勻引起的載流子變化；第二項(xiàng)為載流子濃度不均勻引起的積累；第三項(xiàng)為不均勻電場(chǎng)導(dǎo)致漂移速度隨空間位置變化引起的積累，第四項(xiàng)為復(fù)合率；第五項(xiàng)為產(chǎn)生率。復(fù)合機(jī)理中，載流子復(fù)合式，放出能量的方法有三種：發(fā)射光子 （電子與電磁波的作用） ，發(fā)射聲子（電子與晶格振動(dòng)的作用） ，俄歇效應(yīng)（電子間的相互作用）按復(fù)合釋能的方式分為輻射復(fù)合（發(fā)射光子）、發(fā)射聲子和俄歇效應(yīng)。位于禁帶中央附近的深能級(jí)是最有效的復(fù)合中心。強(qiáng)N型區(qū)： 壽命是

18、與載流子濃度無(wú)關(guān)的常數(shù)，僅取決復(fù)合中心對(duì)空穴的俘獲幾率。 強(qiáng) P型 區(qū)：壽命與載流子濃度無(wú)關(guān), 是由復(fù)合中心對(duì)電子的俘獲幾率決定的常數(shù)§ 壽命的長(zhǎng)短主要取決于載流子的復(fù)合。復(fù)合越容易，壽命越短，反之越長(zhǎng)。§ 按復(fù)合躍遷的方式分為直接復(fù)合和間接復(fù)合；§ 按復(fù)合位置可分為體內(nèi)復(fù)合和表面復(fù)合；最有效的復(fù)合中心在禁帶中央，而最有效的陷阱能級(jí)在費(fèi)米能級(jí)附近。簡(jiǎn)答題：1. 平均自由程與擴(kuò)散長(zhǎng)度有何不同？平均自由時(shí)間與非平衡載流子的壽命又有何不同？答：平均自由程是在連續(xù)兩次散射之間載流子自由運(yùn)動(dòng)的平均路程。而擴(kuò)散長(zhǎng)度則是非平衡載流子深入樣品的平均距離。它們的不同之處在于平均自由

19、程由散射決定，而擴(kuò)散長(zhǎng)度由擴(kuò)散系數(shù)和材料的壽命來(lái)決定。 平均自由時(shí)間是載流子連續(xù)兩次散射平均所需的自由時(shí)間，非平衡載流子的壽命是指非平衡載流子的平均生存時(shí)間。前者與散射有關(guān)，散射越弱，平均自由時(shí)間越長(zhǎng)；后者由復(fù)合幾率決定，它與復(fù)合幾率成反比關(guān)系。2. 漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)有什么不同？漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)之間有什么聯(lián)系？ 答：不同：漂移運(yùn)動(dòng)是載流子在外電場(chǎng)的作用下發(fā)生的定向運(yùn)動(dòng)，而擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是由于濃度分布不均勻?qū)е螺d流子從濃度高的地方向濃度底的方向的定向運(yùn)動(dòng)。前者的推動(dòng)力是外電場(chǎng)，后者的推動(dòng)力則是載流子的分布不勻。 聯(lián)系：漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)之間通過(guò)遷移率與擴(kuò)散系數(shù)相聯(lián)系。而遷移率與擴(kuò)散系數(shù)則通過(guò)愛(ài)因斯

20、坦關(guān)系相聯(lián)系，二者的比值與溫度成反比關(guān)系。即： （本題最好看一下）2.某N型半導(dǎo)體摻雜濃度 ND1016cm-3，少子壽命10µs，在均勻光的照射下產(chǎn)生非平衡載流子，產(chǎn)生率為1018 cm-3s-1，試計(jì)算室溫時(shí)光照情況下的費(fèi)米能級(jí)并和原來(lái)無(wú)光照時(shí)的費(fèi)米能級(jí)比較。設(shè)ni1010cm-3解：無(wú)光照： 穩(wěn)定光照后：同理：第六章 p-n結(jié)載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)方向相反。平衡時(shí)的能帶圖正向偏置下的能帶圖反向偏置下的能帶圖理想p-n結(jié)電流電壓特性隧道結(jié)的電流電壓特性1 證明題：從電流密度方程證明p-n結(jié)熱平衡時(shí)各區(qū)費(fèi)米能級(jí)處處相等。證明：設(shè)流過(guò)p-n結(jié)總電子電流密度為Jn，假定電場(chǎng)E沿x方向

21、，結(jié)區(qū)電子濃度n只隨x變化：利用愛(ài)因斯坦關(guān)系： 因?yàn)樗陨鲜娇苫癁椋阂驗(yàn)?，所以上式變?yōu)椋罕菊髻M(fèi)米能級(jí)Ei與電子的附加電勢(shì)能-qV(x) 變化一致，即：則：以上兩式說(shuō)明通過(guò)pn結(jié)的電流密度與費(fèi)米能級(jí)的變化有關(guān)，對(duì)于平衡p-n結(jié)，Jn、Jp均為零所以可推得：即費(fèi)米能級(jí)為常數(shù)，各處相等。2 VD和p-n結(jié)兩邊的摻雜濃度、溫度、材料的禁帶寬度有關(guān)3 問(wèn)答題：從勢(shì)壘、載流子及能帶等方面的變化定性的分析p-n結(jié)的電流電壓特性，并利用公式定量的予以說(shuō)明。答：在正向偏壓下，外電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)減弱，空間電荷減少，勢(shì)壘區(qū)減薄，勢(shì)壘高度降低。載流子的擴(kuò)散電流大于漂移電流，產(chǎn)生了電子從N區(qū)向P區(qū)以

22、及空穴從P區(qū)向N區(qū)的凈擴(kuò)散電流構(gòu)成正向電流。電子從N區(qū)向P區(qū)擴(kuò)散，形成電子擴(kuò)散電流Jp，空穴從P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散，形成空穴擴(kuò)散電流Jn，兩者之和為pn結(jié)的正向偏置電流J。在p-n結(jié)的擴(kuò)散區(qū)和勢(shì)壘區(qū)的任一截面上， Jn和Jp并不一定相等，但其總和J保持相等。隨著正向偏壓的增加，勢(shì)壘高度越來(lái)越小，載流子漂移越來(lái)越小，擴(kuò)散進(jìn)一步增加。注入的少子增多，少子濃度梯度增大。因此隨外加正向電壓的增加，正向電流迅速增大。 在反向偏壓下，外電場(chǎng)與內(nèi)建電場(chǎng)方向相同，勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)增強(qiáng)，空間電荷增加，勢(shì)壘區(qū)變厚，勢(shì)壘高度增高。 載流子的漂移電流大于擴(kuò)散電流，邊界處的少數(shù)載流子被抽取后，內(nèi)部的少數(shù)載流子來(lái)補(bǔ)充，形成反向偏壓下

23、的電子擴(kuò)散流和空穴擴(kuò)散流。結(jié)區(qū)截面上，兩者之和為p-n結(jié)的反向偏置電流。因少子濃度較低，少子濃度梯度較小，p-n結(jié)反向電流較?。ǚ聪蚪刂梗?，當(dāng)反向電壓較大時(shí)，邊界處少子已被抽取光，濃度為0，少子濃度梯度不再隨電壓變化， Jn、Jp 及J也不隨電壓變化，反向電流將達(dá)到飽和。 當(dāng)加正向電壓時(shí)，增大時(shí)，呈指數(shù)性增大，所以，在正向偏壓，正向電流密度隨正向偏壓呈指數(shù)關(guān)系迅速增大。當(dāng)加反向電壓時(shí)，負(fù)號(hào)表示電流密度方向與正向時(shí)相反，而且反向電流密度為常數(shù)，與外加電壓無(wú)關(guān)，故稱(chēng)為反向飽和電流密度。所以反向電流達(dá)到飽和狀態(tài)。T1>T24 正向和反向電流密度均隨溫度上升而增加。 5 p-n結(jié)的電容主要包括

24、勢(shì)壘電容 和 擴(kuò)散電容 兩部分。6 單邊突變結(jié)勢(shì)壘區(qū)寬度主要取決于低摻雜一側(cè)的雜質(zhì)濃度，為什么？ （勢(shì)壘區(qū)內(nèi)正，負(fù)電荷總量相等，摻雜濃度低的，相應(yīng)的電離雜質(zhì)濃度也低，需要更大的體積才能獲得同樣的總量，因此勢(shì)壘區(qū)寬度要寬得多）7 p-n結(jié)的擊穿機(jī)構(gòu)共有三種：雪崩擊穿（與電場(chǎng)強(qiáng)度和勢(shì)壘區(qū)寬度有關(guān)）隧道擊穿（齊納擊穿）熱電擊穿（反向飽和電流隨溫度的升高而迅速增大）8 雪崩擊穿機(jī)理：破壞性不可逆擊穿9 隧道擊穿（齊納擊穿）非破壞性可逆擊穿10 熱電擊穿機(jī)理分析：破壞性擊穿反向電壓Vr在p-n結(jié)中產(chǎn)生一個(gè)反向飽和電流Js ，Js隨溫度按指數(shù)規(guī)律上升；熱擊穿機(jī)構(gòu)對(duì)禁帶寬度比較小的半導(dǎo)體影響較顯著。11 兩種擊穿機(jī)制的主要區(qū)別：隧道擊穿取決于空間電荷區(qū)中電場(chǎng)強(qiáng)度；而雪崩擊穿除要求一定的電場(chǎng)外，還需要一定寬度的空間電荷區(qū)。隧道擊穿電壓隨溫度的升高而減小；而雪崩擊穿電壓隨溫度的升高而增加。（隧道擊穿：溫度升高，電子能量狀態(tài)更高，則隧穿的幾率更大，因而齊納擊穿電壓隨溫度的升高而減小。雪崩擊穿：溫度升高后，晶格振動(dòng)加劇，致使載流子運(yùn)動(dòng)的平均自由路程縮短，碰撞前動(dòng)能減小，必須加大反向電壓才能發(fā)生雪崩擊穿） 空