半導(dǎo)體物理復(fù)習(xí)

第1頁(yè)2012年12月17日星期一半導(dǎo)體物理從物理上，微觀結(jié)構(gòu)上解釋什么是半導(dǎo)體(晶格結(jié)構(gòu)和能帶)，導(dǎo)電能力為什么處于導(dǎo)體和絕緣體之間（載流子的運(yùn)動(dòng)），以及半導(dǎo)體有那些特性（電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)）？

第2頁(yè)2012年12月17日星期一第一章半導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)和能帶

本章主要討論半導(dǎo)體材料的晶格結(jié)構(gòu)以及能帶理論。目的？

第3頁(yè)2012年12月17日星期一第一章、半導(dǎo)體的電子狀態(tài)1.1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)和釬鋅礦結(jié)構(gòu)1.2晶體中的能帶原子能級(jí)和固體能帶、晶體中的電子狀態(tài)1.3導(dǎo)電電子和空穴1.4常見(jiàn)半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)

第4頁(yè)2012年12月17日星期一1、Si、GaAs半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶底、價(jià)帶頂分別在k空間什么位置？其晶體結(jié)構(gòu)和解理面分別是什么？哪個(gè)是直接帶隙，哪個(gè)是間接帶隙？(2006)2、對(duì)于金剛石結(jié)構(gòu)的硅Si和閃鋅礦結(jié)構(gòu)的砷化鎵GaAs，在（111）晶面上，其原子面密度和面間距都是最大，為什么Si的解理面是（111），而GaAs不是？(2007)

歷年真題

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第二章、雜質(zhì)和缺陷能級(jí)

施主能級(jí)和受主能級(jí)、n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體、深能級(jí)雜質(zhì)

3、高阻的本征半導(dǎo)體材料和高阻的高度補(bǔ)償?shù)陌雽?dǎo)體材料的區(qū)別是什么？(2006)2.什么是淺能級(jí)雜質(zhì)？什么是深能級(jí)雜質(zhì)？列舉出半導(dǎo)體硅中各一種雜質(zhì)元素的例子。半導(dǎo)體中摻入這些雜質(zhì)分別起什么作用?(2011)

第6頁(yè)2012年12月17日星期一第三章、半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布

本章將討論在熱平衡條件下，電子和空穴在導(dǎo)帶和價(jià)帶的分布情況

第7頁(yè)2012年12月17日星期一主要內(nèi)容：狀態(tài)密度（g(E))費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)計(jì)分布（f(E))本征半導(dǎo)體的載流子濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度一般情況下載流子的統(tǒng)計(jì)分布兼并半導(dǎo)體

第8頁(yè)2012年12月17日星期一11、定性畫(huà)出N型半導(dǎo)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(biāo)出本征激發(fā)隨溫度的曲線。設(shè)該樣品的摻雜濃度為ND。比較兩曲線，論述寬帶隙半導(dǎo)體材料器件工作溫度范圍更寬。(2006-20分)4、一塊N型半導(dǎo)體，隨溫度升高，載流子濃度如何變化？費(fèi)米能級(jí)如何變化？（2009-7分）

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第10頁(yè)2012年12月17日星期一a段：溫度很低，電子熱運(yùn)動(dòng)能量很低，只有雜質(zhì)能級(jí)上少部分能量較高的電子能躍遷到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)帶電子；隨著溫度升高，電子熱運(yùn)動(dòng)加快，動(dòng)能提高，更多的雜質(zhì)能級(jí)上的電子躍遷到導(dǎo)帶，使得導(dǎo)帶中的電子數(shù)目增加。此時(shí)，電子熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)能相對(duì)帶隙而言很小，本征激發(fā)相對(duì)于雜質(zhì)電離可以忽略，故此時(shí)，電中性方程可以寫成：

n0

≈nD+

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b段：隨著溫度升高，電子熱動(dòng)能繼續(xù)增加，幾乎雜質(zhì)能級(jí)上的所有電子都可以躍遷至導(dǎo)帶了；此時(shí)，本征激發(fā)相比較而言仍然較小，可以忽略，故導(dǎo)帶中電子濃度基本不變；此時(shí)電中性方程為n0≈ND

第12頁(yè)2012年12月17日星期一c段：隨著溫度繼續(xù)升高，電子熱動(dòng)能越來(lái)越大，越來(lái)越多的價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，本征激發(fā)迅速增多，此時(shí)，價(jià)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?jī)r(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶，本征激發(fā)的電子遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了雜質(zhì)電離的電子的濃度時(shí)，占據(jù)了主導(dǎo)地位，電中性方程可以寫成：n0=p0

第13頁(yè)2012年12月17日星期一n0=p0>nn0/p0為溫度和禁帶寬度的函數(shù)Eg大則n0p0小,更難于大于n

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第15頁(yè)2012年12月17日星期一2.本征費(fèi)米能級(jí)本征費(fèi)米能級(jí)位于禁帶中央，和導(dǎo)帶底及價(jià)帶頂一樣，均可作為電勢(shì)的參考點(diǎn)（很好的近似）由于半導(dǎo)體的禁帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于kT，所以，上式的第二項(xiàng)可忽略，即

第16頁(yè)2012年12月17日星期一10、（20分）設(shè)某一種半導(dǎo)體材料室溫下（300K）本征載流子濃度為1.0×1010cm?3，價(jià)帶和導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度NV=NC=1019cm?3，1） 求禁帶寬度；2） 如果摻入施主雜質(zhì)ND=1016cm?3，求300K下，熱平衡下的電子和空穴濃度；3） 對(duì)于上面的樣品，在又摻入NA=2×1016cm?3的受主雜質(zhì)后，求新的熱平衡電子和空穴濃度（300K）。4）求3）中，費(fèi)米能級(jí)的位置EF?Ei；(2010)

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第18頁(yè)2012年12月17日星期一隨溫度升高，導(dǎo)帶中的電子增多，為什么費(fèi)米能級(jí)下降？(Nc變大更快）

第19頁(yè)2012年12月17日星期一第四章、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

本章在已知電子和空穴在導(dǎo)帶和價(jià)帶的分布情況的情況下，討論載流子在外加電場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。目的：？？

第20頁(yè)2012年12月17日星期一主要內(nèi)容：載流子的漂移運(yùn)動(dòng)遷移率載流子的散射遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系電阻率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系強(qiáng)場(chǎng)下的效應(yīng)熱載流子多能谷散射

第21頁(yè)2012年12月17日星期一4、半導(dǎo)體中主要的兩種散射機(jī)構(gòu)是什么？在有多種散射機(jī)構(gòu)存在的情況下，為什么遷移率主要由自由時(shí)間短的機(jī)理決定？（2006）9、（16分）在T=300K下，一N型半導(dǎo)體Si樣品，測(cè)得的電阻率為0.1-cm。（1）求此時(shí)的電子濃度和空穴濃度（查圖）。（2）若在此樣品中，再摻入91016cm-3P型雜質(zhì)，求此時(shí)樣品的電阻率、多子濃度和少子濃度。并求出此時(shí)多子的遷移率（查圖）。（2006）

第22頁(yè)2012年12月17日星期一遷移率與雜質(zhì)和溫度的關(guān)系總的散射幾率平均自由時(shí)間同時(shí)存在多種散射機(jī)構(gòu)時(shí)，哪種起主要作用？

第23頁(yè)2012年12月17日星期一11、（13分）1） 什么是載流子的遷移率？影響遷移率的主要散射機(jī)理有幾種。討論載流子類型、摻雜和環(huán)境溫度對(duì)遷移率的影響關(guān)系。2） 論述用霍爾效應(yīng)測(cè)量載流子遷移率的實(shí)驗(yàn)方法。(2010)

第24頁(yè)2012年12月17日星期一第五章、非平衡載流子（ExcessCarriers）

本章在已知電子和空穴在導(dǎo)帶和價(jià)帶的分布情況以及載流子在外加電場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的情況下，討論非平衡載流子的產(chǎn)生、復(fù)合、及擴(kuò)散。目的：？？有濃度梯度時(shí)如何運(yùn)動(dòng)（簡(jiǎn)化情況）（濃度梯度如何產(chǎn)生？?jī)煞N：內(nèi)部，外部）摻雜梯度（引入電場(chǎng)），非平衡載流子

第25頁(yè)2012年12月17日星期一主要內(nèi)容：非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合非平衡載流子的壽命存在非平衡載流子時(shí)的費(fèi)米能級(jí)——準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)復(fù)合理論載流子擴(kuò)散方程連續(xù)性方程

第26頁(yè)2012年12月17日星期一摻有5×1015cm－3磷原子和1×1016cm－3硼原子的硅樣品，室溫下分別計(jì)算；A、熱平衡態(tài)下多子、少子濃度，費(fèi)米能級(jí)的位置（Ei為參考）B、樣品的電阻率；C、光注入Δn＝Δp＝3×1013cm－3的非平衡載流子，是否小注入，為什么？D、光注入下準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)（Ei為參考）；E、畫(huà)出平衡態(tài)下能帶圖，在此基礎(chǔ)上再畫(huà)出光注入時(shí)的準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)，說(shuō)明其偏離EF程度不同的原因；F、光注入時(shí)的樣品電導(dǎo)率

第27頁(yè)2012年12月17日星期一

第28頁(yè)2012年12月17日星期一11、（15分）光均勻照射一個(gè)5cm的p型Si樣品，電子－空穴對(duì)的產(chǎn)生率為5x1016cm-3s-1，樣品壽命為10s，計(jì)算光照前、后樣品電阻率的改變，以及費(fèi)米能級(jí)位置的變化（假定此問(wèn)題中，電子和空穴的遷移率相同）。（2008）

第29頁(yè)2012年12月17日星期一第六章、p－n結(jié)

本章在已知載流子分布以及電場(chǎng)和濃度梯度下載流子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的前提下，討論P(yáng)N結(jié)電流電壓特性、電容效應(yīng)、擊穿特性等。目的：了解半導(dǎo)體器件最基礎(chǔ)單元具有的特性。

第30頁(yè)2012年12月17日星期一主要內(nèi)容：1、熱平衡條件下的p-n結(jié)(無(wú)電狀態(tài))

p-n結(jié)定義及形成

p-n結(jié)的空間電荷區(qū)及自建電場(chǎng)

p-n結(jié)的能帶圖空間電荷區(qū)中的電場(chǎng)、電位分布

p-n結(jié)接觸電勢(shì)差

p-n結(jié)載流子分布

第31頁(yè)2012年12月17日星期一主要內(nèi)容：2、p-n結(jié)直流電壓特性(直流狀態(tài))

非平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)理想p-n結(jié)電流電壓方程影響p-n結(jié)電流電壓特性偏離理想電流電壓方程的因素

第32頁(yè)2012年12月17日星期一3、p-n結(jié)電容(交流特性)

勢(shì)壘電容、擴(kuò)散電容4、p-n結(jié)擊穿(反向功率特性)5、p-n結(jié)隧道效應(yīng)（重?fù)诫s特性）

第33頁(yè)2012年12月17日星期一10、（1）寫出理想PN結(jié)的I-V特性，即電流密度J與電壓V的關(guān)系方程。分別在直角線性坐標(biāo)系和半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，示意畫(huà)出PN結(jié)電流－電壓特性曲線。(2)在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中的曲線上，如何將正向小電壓下勢(shì)壘區(qū)復(fù)合電流和反向電壓下勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生電流產(chǎn)生的作用反映在曲線上？簡(jiǎn)單解釋之。(3）如果PN結(jié)電流中，同時(shí)考慮擴(kuò)散電流和復(fù)合電流時(shí)，即采用理想因子m，寫出含有理想因子m的J-V特性方程，并描述一種測(cè)量m的實(shí)驗(yàn)方法。(4)分別分析PN結(jié)加正向偏置和反向偏置，對(duì)PN結(jié)邊界處少子濃度的改變，以此論述，PN結(jié)具有正向?qū)ê头聪蝻柡吞匦浴?/p>

（2008）（32分）

第34頁(yè)2012年12月17日星期一11、（20分）PN結(jié)的N型一側(cè)摻雜濃度為ND，P型一側(cè)摻雜濃度為NA，采用雜質(zhì)飽和電離近似，證明PN結(jié)的接觸電勢(shì)差為：

ni是本征載流子濃度另有一N+N結(jié)，摻雜濃度分別為N+，N，證明此時(shí)N+N結(jié)的接觸電勢(shì)差為：比較兩者的大小，并解釋其內(nèi)在的物理機(jī)理。

（2007）

第35頁(yè)2012年12月17日星期一第七章、金屬-半導(dǎo)體接觸

本章在已知半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)及J－V方程后，討論金屬與半導(dǎo)體接觸的特性。目的：？？

第36頁(yè)2012年12月17日星期一主要內(nèi)容：金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖金半接觸整流理論及肖特基接觸歐姆接觸

第37頁(yè)2012年12月17日星期一9、金屬和半導(dǎo)體接觸主要有幾種？舉例給出它們的形成條件，并定性畫(huà)出它們的能