半导体物理复习-2014

1、半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1 1页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一半导体物理 从物理上，微观结构上解释什么是半导体(晶格结构和能带)，导电能力为什么处于导体和绝缘体之间（载流子的运动），以及半导体有那些特性（电学、光学、磁学、热学）？半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第2 2页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 本章主要讨论半导体材料的晶格结构以本章主要讨论半导体材料的晶格结构以及能带理论。及能带理论。 目的？目的？半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第3 3页页2020

2、1212年年1212月月1717日星期一日星期一第一章第一章 、半导体的电子状态、半导体的电子状态1.1 晶体的结构晶体的结构 晶格的周期性、金刚石结构、闪锌矿结构和晶格的周期性、金刚石结构、闪锌矿结构和钎锌矿结构钎锌矿结构1.2晶体中的能带晶体中的能带 原子能级和固体能带、晶体中的电子状态原子能级和固体能带、晶体中的电子状态1.3 导电电子和空穴导电电子和空穴1.4 常见半导体的能带结构常见半导体的能带结构半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第4 4页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一1、Si、GaAs半导体材料的导带底、价带半导体材料的导带底、价

3、带顶分别在顶分别在k空间什么位置？其晶体结构和空间什么位置？其晶体结构和解理面分别是什么？哪个是直接带隙，解理面分别是什么？哪个是直接带隙，哪个是间接带隙？哪个是间接带隙？(2006)2、对于金刚石结构的硅、对于金刚石结构的硅Si和闪锌矿结构的和闪锌矿结构的砷化镓砷化镓GaAs，在（，在（111）晶面上，其原）晶面上，其原子面密度和面间距都是最大，为什么子面密度和面间距都是最大，为什么Si的解理面是（的解理面是（111），而），而GaAs不是？不是？(2007) 半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第5 5页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 第二章

4、、杂质和缺陷能级第二章、杂质和缺陷能级 施主能级和受主能级、施主能级和受主能级、n n型半导体和型半导体和p p型型半导体、深能级杂质半导体、深能级杂质 3、高阻的本征半导体材料和高阻的高度补偿的半导体材料的区别是什么？(2006)2.什么是浅能级杂质？什么是深能级杂质？列举出半导体硅中各一种杂质元素的例子。半导体中掺入这些杂质分别起什么作用 ? (2011)半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第6 6页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一第三章、半导体中载流子的统计分布第三章、半导体中载流子的统计分布 本章将讨论在热平衡条件下，电子和空穴在本章将讨论

5、在热平衡条件下，电子和空穴在导带和价带的分布情况导带和价带的分布情况dEEfEgn)()(半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第7 7页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一主要内容： 状态密度（状态密度（g(E) 费米能级和载流子的统计分布（费米能级和载流子的统计分布（f(E) 本征半导体的载流子浓度本征半导体的载流子浓度 杂质半导体的载流子浓度杂质半导体的载流子浓度 一般情况下载流子的统计分布一般情况下载流子的统计分布 兼并半导体兼并半导体dEEfEgn)()(半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第8 8页页20201212年年1

6、212月月1717日星期一日星期一 11、定性画出N型半导体样品，载流子浓度n随温度变化的曲线（全温区），讨论各段的物理意义，并标出本征激发随温度的曲线。设该样品的掺杂浓度为ND。比较两曲线，论述宽带隙半导体材料器件工作温度范围更宽。 (2006-20分) 4、一块N型半导体，随温度升高，载流子浓度如何变化？费米能级如何变化？（2009-7分）半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第9 9页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1010页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一a

7、段：温度很低，电子热运动能量很低，只有杂质能级上少部分能量较高的电子能跃迁到导带，形成导带电子；随着温度升高，电子热运动加快，动能提高，更多的杂质能级上的电子跃迁到导带，使得导带中的电子数目增加。 此时，电子热运动动能相对带隙而言很小，本征激发相对于杂质电离可以忽略，故此时，电中性方程可以写成： n0 nD+半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1111页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 b 段：随着温度升高，电子热动能继续增加，几乎杂质能级上的所有电子都可以跃迁至导带了；此时，本征激发相比较而言仍然较小，可以忽略，故导带中电子浓度基本不变；此时电

8、中性方程为n0ND 半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1212页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一c 段：随着温度继续升高，电子热动能越来越大，越来越多的价带电子跃迁到导带，本征激发迅速增多，此时，价带中空穴已不可忽略，电中性方程为：n0 = ND + p0 温度再升高，大量价电子跃迁到导带，本征激发的电子远远超出了杂质电离的电子的浓度时，占据了主导地位，电中性方程 可以写成： n0 = p0半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1313页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 n0 =p0 n n0 /p

9、0为温度和禁带宽度的函数 Eg大则n0 p0小,更难于大于n半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1414页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一DCCFNNkTEEln半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1515页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一2. 本征费米能级本征费米能级VCVCfiNNkTEEEEln22本征费米能级位于禁带中央，和导带底及价带顶本征费米能级位于禁带中央，和导带底及价带顶一样，均可作为电势的参考点（很好的近似）一样，均可作为电势的参考点（很好的近似）由于半导体的禁带宽度远远大于由于半

10、导体的禁带宽度远远大于kT，所以，上式，所以，上式的第二项可忽略，即的第二项可忽略，即2VCiEEE*3ln24pCVifnMEEkTEEM半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1616页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 10、（、（20分）分）设某一种半导体材料室温下（300 K）本征载流子浓度为1.0 1010 cm3，价带和导带有效状态密度NV = NC = 1019 cm3， 1）求禁带宽度； 2）如果掺入施主杂质ND = 1016 cm3，求300 K下，热平衡下的电子和空穴浓度； 3）对于上面的样品，在又掺入NA = 2 1016 cm

11、3的受主杂质后，求新的热平衡电子和空穴浓度（300 K）。 4）求3）中，费米能级的位置EF Ei； (2010)半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1717页页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半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1818页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一随温度升高，导带中随温度升高，导带中的电子增多，为什么的电子增多，为什么费米能级

12、下降？费米能级下降？(Nc变大更快）变大更快）半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第1919页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一第四章、第四章、 半导体的导电性半导体的导电性 本章在已知电子和空穴在导带和价带的分布本章在已知电子和空穴在导带和价带的分布情况的情况下，讨论载流子在外加电场下的运情况的情况下，讨论载流子在外加电场下的运动规律。动规律。目的：？目的：？半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第2020页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一主要内容： 载流子的漂移运动 迁移率 载流子的散射 迁移率与杂质浓

13、度和温度的关系 电阻率与杂质浓度和温度的关系 强场下的效应 热载流子 多能谷散射半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第2121页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 4、半导体中主要的两种散射机构是什么？在、半导体中主要的两种散射机构是什么？在有多种散射机构存在的情况下，为什么迁移率有多种散射机构存在的情况下，为什么迁移率主要由自由时间短的机理决定？主要由自由时间短的机理决定？ （2006） 9、（、（16分）在分）在T=300K下，一下，一N型半导体型半导体Si样样品，测得的电阻率为品，测得的电阻率为0.1 -cm。 （1）求此时的电子浓度和空穴浓度

14、（查图）。）求此时的电子浓度和空穴浓度（查图）。 （2）若在此样品中，再掺入）若在此样品中，再掺入9 1016cm-3P型杂型杂质，求此时样品的电阻率、多子浓度和少子浓质，求此时样品的电阻率、多子浓度和少子浓度。并求出此时多子的迁移率（查图）。度。并求出此时多子的迁移率（查图）。（2006）半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第2222页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一.321PPPP.11321PPPP.111.1321321PPP1231111.总的散射几率总的散射几率平均自由时间平均自由时间同时存在多种散射机构时，哪种起主要作用？半导体物理学

15、半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第2323页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 11、（、（13分）分） 1）什么是载流子的迁移率？影响迁移率的主要散射机理有几种。讨论载流子类型、掺杂和环境温度对迁移率的影响关系。 2）论述用霍尔效应测量载流子迁移率的实验方法。(2010)2/32/31*TBNATmqPmqI半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第2424页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一第五章、第五章、 非平衡载流子（非平衡载流子（ Excess Carriers） 本章在已知电子和空穴在导带和价带的分布本章在

16、已知电子和空穴在导带和价带的分布情况以及载流子在外加电场下的运动规律的情情况以及载流子在外加电场下的运动规律的情况下，讨论非平衡载流子的产生、复合、及扩况下，讨论非平衡载流子的产生、复合、及扩散。散。目的：？有浓度梯度时如何运动（简化情况）目的：？有浓度梯度时如何运动（简化情况）（浓度梯度如何产生？两种：内部，外部）（浓度梯度如何产生？两种：内部，外部）掺杂梯度（引入电场），掺杂梯度（引入电场），非平衡载流子半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第2525页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一主要内容： 非平衡载流子的产生与复合 非平衡载流子的寿命 存在

17、非平衡载流子时的费米能级准费米能级 复合理论 载流子扩散方程 连续性方程半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第2626页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 掺有掺有51015cm3磷原子和磷原子和11016cm3硼原子硼原子的硅样品，室温下分别计算；的硅样品，室温下分别计算； A、热平衡态下多子、少子浓度，费米能级的、热平衡态下多子、少子浓度，费米能级的位置（位置（Ei为参考）为参考） B、样品的电阻率；、样品的电阻率； C、光注入、光注入np31013cm3的非平衡载的非平衡载流子，是否小注入，为什么？流子，是否小注入，为什么？ D、光注入下准费米

18、能级（、光注入下准费米能级（ Ei为参考）；为参考）； E、画出平衡态下能带图，在此基础上再画出、画出平衡态下能带图，在此基础上再画出光注入时的准费米能级，说明其偏离光注入时的准费米能级，说明其偏离EF程度不程度不同的原因；同的原因； F、光注入时的样品电导率、光注入时的样品电导率半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第2727页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一kTEEikTEEiFiiFenpenn00,半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第2828页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一 11、（、（15分

19、）光均匀照射一个分）光均匀照射一个5 cm的的p型型Si样品，电子空穴对的产生样品，电子空穴对的产生率为率为5x1016cm-3s-1，样品寿命为，样品寿命为10 s ，计算光照前、后样品电阻率的，计算光照前、后样品电阻率的改变，以及费米能级位置的变化改变，以及费米能级位置的变化（假定此问题中，电子和空穴的迁（假定此问题中，电子和空穴的迁移率相同）。移率相同）。（2008）半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第2929页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一第六章、第六章、 pn结结 本章在已知载流子分布以及电场和浓度梯度本章在已知载流子分布以及电场和浓

20、度梯度下载流子运动规律的前提下，讨论下载流子运动规律的前提下，讨论PN结电流电结电流电压特性、电容效应、击穿特性等。压特性、电容效应、击穿特性等。目的：了解半导体器件最基础单元具有的特性。目的：了解半导体器件最基础单元具有的特性。半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第3030页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一主要内容：主要内容：1 、热平衡条件下的、热平衡条件下的p-n结结(无电状态无电状态) p-n结定义及形成结定义及形成 p-n结的空间电荷区及自建电场结的空间电荷区及自建电场 p-n结的能带图结的能带图 空间电荷区中的电场、电位分布空间电荷区中

21、的电场、电位分布 p-n结接触电势差结接触电势差 p-n结载流子分布结载流子分布半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第3131页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一主要内容主要内容：2、p-n结直流电压特性结直流电压特性(直流状态直流状态) 非平衡状态下的非平衡状态下的p-n结结 理想理想p-n结电流电压方程结电流电压方程 影响影响p-n结电流电压特性偏离理想电流电压方结电流电压特性偏离理想电流电压方程的因素程的因素半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第3232页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一3、p-n结

22、电容结电容(交流特性交流特性) 势垒电容、扩散电容势垒电容、扩散电容4、p-n结击穿结击穿 (反向功率特性反向功率特性)5、p-n结隧道效应（重掺杂特性）结隧道效应（重掺杂特性）半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第3333页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一10、（、（1）写出理想）写出理想PN结的结的I-V特性，即电流密特性，即电流密度度J与电压与电压V的关系方程。分别在直角线性坐标的关系方程。分别在直角线性坐标系和半对数坐标系中，示意画出系和半对数坐标系中，示意画出PN结电流结电流电压特性曲线。电压特性曲线。 (2) 在半对数坐标系中的曲线上，

23、如何将正向在半对数坐标系中的曲线上，如何将正向小电压下势垒区复合电流和反向电压下势垒区小电压下势垒区复合电流和反向电压下势垒区产生电流产生的作用反映在曲线上？简单解释产生电流产生的作用反映在曲线上？简单解释之。之。 (3）如果）如果PN结电流中，同时考虑扩散电流和复结电流中，同时考虑扩散电流和复合电流时，即采用理想因子合电流时，即采用理想因子m，写出含有理想，写出含有理想因子因子m的的J-V特性方程，并描述一种测量特性方程，并描述一种测量m的实的实验方法。验方法。 (4) 分别分析分别分析PN结加正向偏置和反向偏置，对结加正向偏置和反向偏置，对PN结边界处少子浓度的改变，以此论述，结边界处少子

24、浓度的改变，以此论述，PN结具有正向导通和反向饱和特性。结具有正向导通和反向饱和特性。 （2008）（32分）分）半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第3434页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一11、（、（20分）分）PN结的结的N型一侧掺杂浓度为型一侧掺杂浓度为ND，P型一侧掺杂浓度为型一侧掺杂浓度为NA，采用杂质饱和电离近，采用杂质饱和电离近似，证明似，证明PN结的接触电势差为：结的接触电势差为： ni是本征载流子浓度是本征载流子浓度另有一另有一N+N结，掺杂浓度分别为结，掺杂浓度分别为N+，N，证，证明此时明此时N+N结的接触电势差为：结的接

25、触电势差为： 比较两者的大小，并解释其内在的物理机比较两者的大小，并解释其内在的物理机理。理。 （2007）)ln(20iADDnNNqTkV)ln(0NNqTkVD半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第3535页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一第七章、第七章、金属金属- -半导体接触半导体接触 本章在已知半导体结构及本章在已知半导体结构及JV方程后，讨论方程后，讨论金属与半导体接触的特性。金属与半导体接触的特性。目的：？目的：？半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第3636页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一主要内容： 金属半导体接触及其能级图 金半接触整流理论及肖特基接触 欧姆接触半导体物理学半导体物理学北工大电控学院北工大电控学院 第第3737页页20201212年年1212月月1717日星期一日星期一9、金属和半导体接触主要有几种？举例给出它们的、金属和半导体接触主要有几种？举例给出它们的形成条件，并定性画出它们的能带图。形成条件，并定性画出它们的能带图。(