半导体物理期末考复习材料

1、福州大学至诚学院09级半导体物理学期末考复习材料信息工程系微电子学专业1班姓名：陈长彬学号：210991803第一章半导体中的电子状态1 .元素半导体硅和错都是金刚石结构。2 .结构上，金刚石结构由两套面心立方格子沿其立方体对角线位移1/4的长度套构而成的，3 .在四面体结构的共价晶体中，四个共价键是sp3杂化。4 .第III族元素铝、钱、锢和第V族元素磷、碑、睇组成的III-V族化合物。也是正四面体结构，四个共价键也是sp3杂化，但具有一定程度的离子性。是闪锌矿结构。5 .ZnS、GeSZnSe和GeSe等n-VI族化合物都可以闪锌矿型和纤锌矿型两种方式结晶，也是以正四面体结构为基础构成的，

2、四个混合共价键也是sp3杂化，也有一定程度的离子性。6 .Ge、Si的禁带宽度具有负温度系数。禁带宽度E随温度增加而减小(负温度系数特性)7 .半导体与导体的最大差别：半导体的电子和空穴均参与导电。半导体与绝缘体的最大差别：在通常温度下，半导体已具有一定的导电能力。8 .有效质量的意义半导体中的电子在外场作用下运动时，外力并不是电子受力的总和，电子一方面受到外电场力的作用，另一方面还和内部的原子、电子相互作用着。电子的加速度应该是半导体内部势场和外电场作用的综合效果。为了简化问题，借助有效质量来描述电子加速时内部受到的阻力。引入有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用。使得在解决半导体中

3、电子在外力作用下的运动规律时,可以不涉及到半导体内部势场的作用。有效质量可以通过实验直接测得。有效质量的大小取决于晶体内电子与电子周围环境的作用。电子有效质量的意义是什么？它与能带有什么关系？答：有效质量概括了晶体中电子的质量以及内部周期势场对电子的作用，引入有效质量后，晶体中电子的运动可用类似于自由电子运动来描述。有效质量与电子所处的状态有关，与能带结构有关：(1)、有效质量反比于能谱曲线的曲率:(2)、有效质量是k的函数，在能带底附近为正值，能带顶附近为负值(3)、具有方向性一一沿晶体不同方向的有效质量不同。只有当等能面是球面时，有效质量各向同性。9 .本征半导体：不含任何杂质和缺陷的半导

4、体。10 .回旋共振的实验是用来测量有效质量的。导体、半导体、绝缘体的能带能带理论提出：一个晶体是否具有导电性，关键在于它是否有不满的能带存在。导体一一下面的能带是满带，上面的能带是半满带；或者上下能带重叠了一部分，结果上下能带都成了半满带绝缘体一一下面能带(价带)是满带，上面能带(导带)是空带，且禁带宽度比较大。半导体一一下面能带(价带)是满带，上面能带(导带)是空带，且禁带宽度比较小，数量级约在1eV左右。当温度升高或者光照下,满带中的少量电子可能被激发到上面的空带中去。满带中少了一些电子，将出现一些空的量子状态，称为空穴。在半导体中，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电。大题：设晶格常数

5、为a的一维晶格，导带极小值附近能量E(k)和价带极大值附近能量E(k)分别为：2k22(k-k1)22k；32k2Ev(k)=3m0m,6mom0m为电子惯性质量，k=1/2a;a为已知量。试求：禁带宽度；导带底电子有效质量；价带顶电子有效质量；价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化。解根据dECk)dk22k22(k一k1)3m)mo可求出对应导带能量极小值E的卜值：kminmin3k4k152k12代入题中E式可得:CEc(min)=4mdEv(k)62k根据=0dkm)可求出对应价带能量极大值E的k值：kmax=0max代入题中E式可得:vEv(max)=2k；6moEg=Emin2kl2

6、_h2_Z212m)48m)a这二4.21;汽dk23m)m3m)-2/d2Eodk2d2EVmndk21一”kmax)=3k1maxi4第二章半导体中杂质和缺陷能级1.以As掺入Ge中为例,说明什么是施主杂质,施主杂质电离过程和n型半导体？=11.8电子和空穴的有效质量各为mni=0.97m),mnt0.19m0,mPi0.16m),mpt=0.53mo,利用类氢模型估计:(i)施主和受主电离能(2)基态电子轨道半径。3/0.98、3.8491)=因此施主和受主电能离各为:半径为=0,025(序匕)二0029(叼二0幽QJ耀;二118x10x0.53/3=2.08x1。掰明二118x3,84

7、9x053=241x1加3,杂质的补偿作用因为施主杂质和受主杂质之间有相互抵消的作用，通常称为杂质的补偿作用。当NNA时，则ND-K为有效施主浓度；当KND时，则NND为有效受主浓度。当NA=Nd时，不能向导带和价带提供电子和空穴，称为杂质的高度补偿。利用杂质补偿作用，就能根据需要用扩散或离子注入方法改变半导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件。4,非川、V族杂质在Si、Ge禁带中产生的受主能级和施主能级距离价带顶和导带底较远，称为深能级，相应的杂质称为深能级杂质。这些深能级杂质能够产生多次电离，每一次电离相应地有一个能级。因此，这些杂质在硅、错的禁带中往往引入若干个能级。深能级杂质，一般情

8、况下含量极少，而且能级较深，它们对半导体中的导电电子浓度、导电空穴浓度和导电类型的影响没有浅能级杂质显著，但对于载流子的复合作用比浅能级杂质强，故这些杂质也称为复合中心。金是一种很典型的 复合中心，在制造高速开关器件时，常有意地掺入金以提高器件的速度。III-V族化合物半导体中掺入的硅5.两性杂质：既能起施主作用，又能起受主作用的杂质，如第三章半导体中载流子的统计分布1. 1.现有三块半导体硅材料，已知室温下(300K)它们的空穴浓度分别为：2.25x1016cm-3,1.5x1010cm3,2.25x104cm3分别计算这三块材料的电子浓度;判断这三块材料的导电类型;分别计算这三块材料的费米

9、能级的位置。(已知室温时硅的& = i = 1.5xlOuc代人计算得电子浓度分别为:p电子浓度n (2.25 x 1016cm3 1 x 104cm-3),故为p型半导体。第一块半导体，空穴浓度ND ND4ni2n0 :21.14 1015 / cm31x104cm3,1.5x1010cm-3,1x1016cm-3.E-kJlnNA=Ei-0.37eVni即费米能级在禁带中线下0.37eV处。第二块半导体，n=p=1.5x1010cm-3,故为本征半导体EF=Ei即费米能级位于禁带中心位置。第三块半导体，pn(2.25x104cm-3Ef,fF(E-0E0E=EFfF(E)=,6 .在热平衡

10、状态下，非简并情况下，导带中的电子浓度:nO=Nc exp Ec EFIkT=Ncf(Ec)其中Nc(2 二而kT)3/2h3同理可得，价带中的空穴浓度（热平衡状态，非简并情况下）P0 = Nv exp 一Ef -EvkJ)=Nvf(Ev)其中Nv*3/ 2(2二以h3载流子浓度乘积：n0p0=NcNv exp -Ec -EvkJ=NcNvexp -EgkT=2. 33 1031m*mp 3/2T3exp -N型半导体载流子的浓度（在过渡区）n。= 2 MD + JND 十 4ni2Ef一 n0EkT ln 一n,p型半导体载流子的浓度（在过渡区）&=1Na.欧4n2Ef=匕-kJlnp2ni

11、掺有某种杂质的半导体的载流子浓度和费米能级由温度和杂质浓度决定。随着T升高，多数载流子从以杂质电离为主过渡到本征激发为主。费米能级位置的变化:Npmpr,T（1）低温弱电离区（2）中间电离区（3）强电离区（4）过渡区（5）高温本征激发区 在低温弱电离区时，L0K时，费米能级&接近（EC+ED）/2,Tf,8先上升再下降，又回到（E+Ed）/2附近 中间电离区，Ef在（E+Ed）/2和0之间 &在ED之下 &较接近禁带中线E &靠近E即：当杂质浓度不变时，随着温度的升高，费米能级先上升后下降，直到接近中线位置。1. 随着温度T升高，多数载流子从以杂质电离为主过渡到本征激发为主。2. n型半导体的

12、费米能级处在导带底和Ei之间，p型半导体的费米能级处在日和价带顶之间。3. 在一定温度下，施主杂质浓度越高，费米能级越接近导带底；受主杂质浓度越高，费米能级越接近价带顶。4. 随着T升高，n型半导体的费米能级从施主能级以上先升后降至施主能级以下直至禁带中线。p型半导体的费米能级从受主能级以下先降后升至受主能级以上直至禁带中线。对本征材料而言，材料的禁带宽度越窄，载流子浓度越高;第四章半导体的导电性1 .电子在电场力作用下所作的定向运动称为漂移运动。2 .迁移率：表示单位场强下电子的平均漂移速度，表示存在电场作用下载流子运动的难易程度的物理量。3 .电阻产生的原因在于载流子的散射。4 .自由时间

13、：载流子在连续两次散射之间的时间间隔称为自由时间t。自由程：载流子在连续两次碰撞内所经过的距离称为自由程l。电子与声子的碰撞遵循两大守恒法则：准动量守恒、能量守恒半导体中的散射机构：电离杂质散射，晶格振动散射。晶格振动的散射中，光学波散射在能带具有单一极值的半导体中起主要散射作用的是长波，在长声学波中，只有纵波在散射中起主要作用在半导体中长波起主要作用的是：纵声学波散射。在离子晶体中起主要作用的是：纵光学波散射。6.电离杂质散射：当载流子运动到电离杂质附近时，由于电离杂质，在原子核附近的散射。库伦势场(库伦斥力)的作用，就使载流子运动的方向发生改变，以速度v接近各种不同类型材料的电导率P型:p

14、q-r仃尸=pq/ =-N型:,P叫、呵飞仃二呈串户-+-V2混合型:6.欧姆定律的微分形式:J=a lEl载流子的迁移率由其主要作用的散射机构决定。低温时，杂质散射占主导地位；因此，迁移率(1是杂质浓度N的函数。高温时，晶格散射占主导地位；因此迁移率对N的依赖很小。杂质浓度小时，迁移率趋于一定值，不随杂质浓度而变化，说明此时晶格散射相对占据主导地位。随着杂质浓度N的增大，电离杂质散射相对占据主导地位(7)温度T越高，晶格散射越强，此时迁移率越小。(8)杂质N越大，杂质电离散射越强，此时迁移率越小。电阻率p与杂质浓度和温度的关系电阻率p与杂质浓度N的关系电阻率决定于载流子的浓度和迁移率，两者均

15、与杂质浓度和温度有关。所以，半导体的电阻率随杂质浓度和温度而变化。(1)对于非补偿型半导体：当杂质浓度N增大时，迁移率也将下降；但是此时，载流子浓度(n或p)将增大，故电阻率将趋于减小。则电阻率将(2)对于补偿型半导体：当杂质浓度N增大时，迁移率将下降；此时，如果N,增大，则电阻率将减小；如果N,减小,增大。电阻率P与温度T的关系(1)对于本征型半导体：当温度升高时，载流子浓度(为或po)将增大，故电阻率p将趋于减小。(2)对于杂质型半导体：在低温区：当温度升高时，载流子浓度(n或p)将增大，故电阻率p将趋于减小；在电离饱和区：载流子浓度一定，当温度升高时，迁移率将下降。此时电阻率将增大。在高

16、温本征区：类似于本征半导体，当温度升高时，载流子浓度(n或p)将增大，故电阻率p将减小。对纯半导体材料，电阻率主要由本征载流子浓度m决定。第五章非平衡载流子1 .非平衡载流子的产生：电注入，光注入，高能粒子激发22 .热平衡时，用统一的费米能级e描述平衡态时载流子在能级之间的分布，非简并时n0P0=n,F统一的费米能级是热平衡状态的标志。在非平衡态时，上式不再成立，不存在统一的费米能级需要分别引入导带费米能级和价带费米能级,子准费米能级）和价带准费米能级（空穴准费米能级）。称为准费米能级”，包括导带准费米能级（电n P当 EF和EF 重合时， , 回到平衡态，无扩散机理：浓度梯度作用下一载流子

17、定向运动扩散系数：表征载流子运动的难易程度。迁移率n是反映在电场作用下载流子运动难易程度的物理量，而扩散系数D是反映在有浓度梯度存在时，载流子运动难易程度的物理量爱因斯坦关系式:kJdpk0T电子的连续性方程:n :tDn.x2.x二E -n -nnG：x右侧第一项为扩散流密度不均匀引起的载流子变化；第二项为载流子浓度不均匀引起的积累；第三项为不均匀电场导致漂移速度随空间位置变化引起的积累，第四项为复合率；第五项为产生率。复合机理中，载流子复合式，放出能量的方法有三种：发射光子（电子与电磁波的作用），发射声子（电子与晶格振动的作用）歇效应（电子间的相互作用）按复合释能的方式分为辐射复合（发射光

18、子）、发射声子和俄歇效应。位于禁带中央附近的深能级是最有效的复合中心。强N型区：寿命是与载流子浓度无关的常数，仅取决复合中心对空穴的俘获几率。强P型区：寿命与载流子浓度无关，是由复合中心对电子的俘获几率决定的常数寿命的长短主要取决于载流子的复合。复合越容易，寿命越短，反之越长。按复合跃迁的方式分为直接复合和间接复合；按复合位置可分为体内复合和表面复合；最有效的复合中心在禁带中央，而最有效的陷阱能级在费米能级附近。简答题：1 .平均自由程与扩散长度有何不同？平均自由时间与非平衡载流子的寿命又有何不同？答：平均自由程是在连续两次散射之间载流子自由运动的平均路程。而扩散长度则是非平衡载流子深入样品的

19、平均距离。它们的不同之处在于平均自由程由散射决定，而扩散长度由扩散系数和材料的寿命来决定。平均自由时间是载流子连续两次散射平均所需的自由时间，非平衡载流子的寿命是指非平衡载流子的平均生存时间。前者与散射有关，散射越弱，平均自由时间越长；后者由复合几率决定，它与复合几率成反比关系。2 .漂移运动和扩散运动有什么不同？漂移运动与扩散运动之间有什么联系？答：不同：漂移运动是载流子在外电场的作用下发生的定向运动，而扩散运动是由于浓度分布不均匀导致载流子从浓度高的地方向浓度底的方向的定向运动。前者的推动力是外电场，后者的推动力则是载流子的分布不匀。联系：漂移运动与扩散运动之间通过迁移率与扩散系数相联系。

20、而迁移率与扩散系数则通过爱因斯坦关系相联系，二者的比值与温度成反比关系。即：qk0T*= 1010cm3（本题最好看一下）2.某N型半导体掺杂浓度ND=1016cm3,少子寿命10（1,在均匀光的照射下产生非平衡载流子，产生率为1018cm3s-1室温时光照情况下的费米能级并和原来无光照时的费米能级比较。设Ei-Ef、解：无光照:n=Nd=nexp()kTN10=EF=Ei+k0TlnNA=E+0.026ln0eV=E+0.3592eVni1010趋定赤昭尸.=gr=10lsxl0Ti=10Dew3标7E光照后：-n = n0 + ,；n二niexp(EF1 - EkTEi0.0261n *1

21、3-eV=Ei0. 3594eVEi-Er同理p=p0二p=ni/n0：.p=1010:.p=niexp()kT.El 二 E kJ In 也二 Ei 0.0261nni10-i0 eV10=Ei一 0. 18eV第六章p-n结载流子扩散运动和漂移运动方向相反。平衡时的能带图反向偏置下的能带图理想p-n结电流电压特性隧道结的电流电压特性1证明题:从电流密度方程证明p-n结热平衡时各区费米能级处处相等。证明：设流过p-n结总电子电流密度为Jn,假定电场E沿x方向，结区电子浓度n只随x变化:利用爱因斯坦关系:D“=kJ艮/q10因为所以上式可化为：Jnk0TnqEq1nqnndndxqdx所以上式

22、变为:IdE.%dx本征费米能级E与电子的附加电势能-qVx）变化一致，即:dxdx则:以上两式说明通过pn结的电流密度与费米能级的变化有关,对于平衡p-n结，Jn、Jp均为零邑=0,所以可推得：，,即费米能级为常数，各处相等。VD和p-n结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关3 .问答题:从势垒、载流子及能带等方面的变化定性的分析p-n结的电流电压特性，并利用公式定量的予以说明。答：在正向偏压下，外电场与内建电场方向相反，势垒区电场减弱，空间电荷减少，势垒区减薄，势垒高度降低。载流子的扩散电流大于漂移电流，产生了电子从 N区向P区以及空穴从 P区向N区的净扩散电流构成正向电流。电子从N区

23、向P区扩散，形成电子扩散电流Jp,空穴从P区向N区扩散，形成空穴扩散电流Jn,两者之和为 pn结的正向偏置电流 J。在p-n结的扩散区和势垒区的任一截面上,Jn和Jp并不一定相等，但其总和J保持相等。随着正向偏压的增加，势垒高度越来越小，载流子漂移越来越小，扩散进一步增加。注入的少子增多，少子浓度梯度增大。因此随外加正向电压的增加，正向电流迅速增大。在反向偏压下，外电场与内建电场方向相同，势垒区电场增强，空间电荷增加，势垒区变厚，势垒高度增高。载流子的漂移电流大于扩散电流，边界处的少数载流子被抽取后，内部的少数载流子来补充，形成反向偏压下的电子扩散流和空穴扩散流。结区截面上，两者之和为p-n结

24、的反向偏置电流。因少子浓度较低,少子浓度梯度较小，p-n结反向电流较小（反向截止），当反向电压较大时，边界处少子已被抽取光,浓度为0,少子浓度梯度不再随电压变化,Jn、Jp及J也不随电压变化，反向电流将达到饱和。J=JsexplqV-1IL3当加正向电压时,k0TV q:0.026V ,expqv1局部升温一C电流增加一|热击穿机构对禁带宽度比较小的半导体影响较显著。11两种击穿机制的主要区别:隧道击穿取决于空间电荷区中电场强度；而雪崩击穿除要求一定的电场外，还需要一定宽度的空间电荷区。隧道击穿电压随温度的升高而减小；而雪崩击穿电压随温度的升高而增加。（隧道击穿：温度升高，电子能量状态更高，则

25、隧穿的几率更大,（反向偏压升高，势垒宽度增0.6V时，流过p-n结的电流。已知室温下硅的本征载流子浓度门=1.5 x 1010cm3,另外t n= t p=1四s, p型区电子的迁移率四n= 500cm2/(V.s),n型区空穴的迁移率 四因而齐纳击穿电压随温度的升高而减小。雪崩击穿：温度升高后，晶格振动加剧，致使载流子运动的平均自由路程缩短，碰撞前动能减小，必须加大反向电压才能发生雪崩击穿）空间电荷区中光注入的电子（或空穴）影响雪崩击穿，但对隧道击穿无明显作用。一般，击穿电压Vb6Eg/q时是雪崩击穿；VB处于两者之间时两种击穿都存在。大，隧道长度变长，不利隧穿）12两边都是重掺杂的p-n结，又称为隧道结，正向电流由扩散电流和隧道电流两部分构成。例题1:一个硅p-n结二极管具有如下参数N=1016cm3,Na=5x1018cm-3,p-n结的截面积S=0.01cm2o求室温下，外加电压为_2p=180cm/(V.s)*T由爱因斯坦关系：&=+餐=。皿6为眦=13（皿1周尸岂%=0.026x的-J|