半导体复习提纲1.doc

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1、第一章 半导体中的电子状态1半导体的三种结构：金刚石型（硅和锗）闪锌矿型（-族化合物半导体材料以及部分-族化合物如GaAs, InP, AlAs ，纤矿型（-族二元化合物半导体ZnS、ZnSe、CdS、CdSe）.结晶学原胞是立方对称的晶胞。2电子共有化运动：当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子壳层出现交叠，电子可由一个原子转移到相邻的原子，因此，电子可以在整个晶体中运动，称为电子的共有化运动。 由于内外壳层交叠程度很不相同，所以，只有最外层电子的共有化运动才显著。 4回旋共振就是当半导体中的载流子在一定的恒定磁场和高频电场同时作用下会发生抗磁共振的现象。该方法可直接测量出半导体中载

2、流子的有效质量，并从而可求得能带极值附近的能带结构。（母的） 要样品纯度更高，在低温 。 5直接带隙半导体材料：导带最小值(导带底)和满带最大值相应于相同的波矢k0间接带隙半导体材料：导带最小值(导带底)和满带最大值在k空间中不同位置 . 硅、锗与砷化镓的区别：硅锗为间接带隙半导体；砷化镓是直接带隙半导体。 6能带结构：固体的能带结构（又称电子能带结构）描述了禁止或允许电子所带有的能量，这是周期性晶格中的量子动力学电子波衍射引起的。第2章 半导体中杂质和缺陷能级1、 杂质类型：杂质原子进入半导体硅以后，只可能以两种方式存在。一种方式是杂质原子位于晶格原子间的间隙位置常称为间隙式杂质：另一种方式

3、是杂质原子取代晶格原子位于晶格点处，常称为替位式杂质。2、 使电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量称为杂质电离能。 能释放电子而产生导电电子并形成正电中心的杂质，称为施主杂质；受主杂质：能接受电子而产生导电空穴并形成负电中心的杂质。把被受主杂质所束缚的空穴的能量状态称为受主能级；and施主能级3 N,P型半导体，施主杂质失去电子，受主杂质得到电子。5施主电子刚好够填充受主能级，虽然杂质很多，但不能向导带和价带提供电子和空穴,这种现象称为杂质的高度补偿. （控制不当） 误认高纯半导体。 a、当ND远大于NA时 n型半导体：自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。 n电子浓度。b、当NA远大于ND

4、时 p型。. p空穴浓度热/点缺陷的数目随温度升高而增热第三章 半导体中载流子的统计分布1状态密度 ：在能量E附近每单位能量间隔内的量子态数。 费米能级EF由温度及施主杂质浓度所决定。 2费米能级的物理意义：费米能级标志了电子填充能级的水平.3记忆费米分布函数？【计算题？】，玻尔兹曼分布函数，前者重点 在热力学温度零度时，费米能级EF可看成量子态是否被电子占据的一个界限。 系统热力学温度 0时，如量子态的能量比费米能级低，则该量子态被电子占据的概率50%；量子态的能量比费米能级高，则该量子态被电子占据的概率50%。量子态的能量等于费米能级时，则该量子态被电子占据的概率是50%4服从玻耳兹曼统计

5、律的电子系统-非简并性系统；服从费米统计律的电子系统-简并性系统。7. N型半导体的载流子浓度：低温弱电离区（中间电离区 强电离区 过渡区 高温本征激发区） 温度很低，大部分施主杂质能级仍为电子占据，极少量施主杂质电离，极少量电子进入了导带，称之为弱电离。 导带中的电子全部由电离施主杂质所提供。显然低温弱电离区费米能级与温度、杂质浓度以及掺入何种杂质原子有关。8决定杂质全电离的因素：1）杂质电离能2）杂质浓度3）温度9高温本征激发区继续升高温度，本征激发占主导，1）杂质全部电离2）本征激发产生的本征载流子数远多于杂质电离产生的载流子数，n0ND，p0ND这时电中性条件是n0= p0 ，与未掺杂

6、的本征半导体情形一样，因此称为杂质半导体进入本征激发区。10禁带宽度越宽、杂质浓度越高，达到本征激发起主要作用的温度也越高。 第四章 半导体的导电性1电子迁移率：表示单位场强下电子的平均漂移速度，单位m2/V.s迁移率和单位载流子的电荷量、载流子的平均自由时间和载流子有效质量有关。 2影响迁移率的相关因素 ：迁移率主要受材料内部的散射因素影响。 3解释寿命 4散射几率：单位时间内一个载流子被散射的次数。5在外力和散射的影响下，使载流子以一定的平均速度沿力的方向漂移，这个平均速度是恒定的平均漂移速度。 6半导体中载流子在运动过程中被散射原因？周期性势场的被破坏！引入附加势场导致电子运动过程中状态

7、不断发生改变。7平均自由时间和散射概率是描述散射过程两重要参量。8电阻率决定于载流子浓度和迁移率，与杂质浓度和温度有关。9载流子在电场力的作用下加速理论上应该无限加速，电流密度无限增大，实际上保持不变，引入散射.10主要散射机制 电离杂质的散射（Ni越大，载流子遭受散射的机会越多T，载流子热运动的平均速度越大，不易散射）晶格振动的散射 （定，晶格中原子都各自在其平衡位置附近作微振动。波的叠加原理） 第5章 非平衡载流子2统一的费米能级是热平衡状态的标志。 3非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命。 寿命意义：寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值1/e所经历的时间。 寿命不同，非平衡载

8、流子衰减的快慢不同。 与半导体材料、材料制备工艺等因素有关. 掺金 、辐照寿命值的大小在很大程度上反映了晶格的完整性。它是衡量材料质量的一个重要指标。硅中掺金后寿命为什么会明显降低？?4 n和p就是非平衡载流子浓度。非平衡电子称非平衡多子，空穴为非平衡少子（p型相反）。光照半导体产生非平衡载流子，称非平衡载流子的光注入。光注入时n=p n、p多子浓度 -小注入。主要是非平衡少子起重要作用，说非平衡载流子都是指非平衡少数载流子。5许多半导体器件，如晶体管、光电器件（太阳能电池）等，都是利用非平衡载流子效应制成的。6产生过剩载流子的办法：光注入 电注入 热激发 高能粒子辐照7准费米能级：分别就价带

9、和导带中的电子讲，它们各自基本上处于平衡态，而导带和价带之间处于不平衡状态。因而费米能级和统计分布函数对价带和导带各自仍然是适用的，可以分别引入导带费米能级和价带费米能级，它们都是局部的费米能级，称为“准费米能级”. 为了方便讨论非平衡载流子的统计分布以及载流子浓度的能级而引入的。 费米能级代表电子的填充情况。8复合理论：非平衡载流子的复合。系统由非平衡态到平衡态。 A.直接复合：由电子在导带与价带间直接跃迁而引起非平衡载流子的复合过程。 B.间接复合：是指非平衡载流子通过(禁带的能级)复合中心进行的复合。 半导体中的杂质和缺陷有促进复合的作用，称促进复合的杂质和缺陷为复合中心复合中心在禁带中

10、引入能级复合中心对少数载流子的俘获决定着寿命，因复合中心总是基本上被多数载流子所填满。位于禁带中央附近的深能级是最有效的复合中心。为什么深能级才能起有效的复合中心作用？?C.表面复合：是指在半导体表面发生的复合过程。属于间接复合D.俄歇复合：载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量常以声子形式放出，这种复合称为俄歇复合。是一种非辐射复合9载流子复合时，要释放出多余的能量。放出能量的方法有三种：发射光子。伴随着复合，将有发光现象，常称为发光复合或辐射复合；发射声子。载流子半多余的能量传

11、给晶格，加强晶格的振动；将能量给予其他载流子，增加它们的动能。称为俄歇（Auger）复合。 10 杂质能级的积累非平衡载流子的作用称为陷阱效应，把有显著陷阱效应的杂质能级称为陷阱，相应的杂质和缺陷称为陷阱中心。陷阱的作用：增加少数载流子寿命11 复合中心和陷阱中心的区别？ 1）对于有效复合中心, rnrp 电子陷阱： rnrp ；空穴陷阱： rprn2）复合中心和电子陷阱中电子的运动途径不同。复合中心的电子直接落入价带与空穴复合；电子陷阱中的电子要和空穴复合，它必须重新激发到导带，再通过有效复合中心完成和空穴的复合。3）位于禁带中央附近的深能级是最有效的复合中心对于电子陷阱：EF以上的能级，越

12、接近EF，陷阱效应越显著 12 扩散运动是由于粒子浓度不均匀引起的扩散：由于浓度不均匀而导致载流子（电子或空穴）从高浓度处向低浓度处扩散的过程。13由于表面不断有注入，半导体内部各点的空穴浓度也不随时间改变，形成稳定的分布，称为稳定扩散。14 Lp标志非平衡载流子深入样品的平均距离，称为扩散长度。扩散长度由扩散系数和材料的寿命所决定。材料的扩散系数有标准数据，扩散长度测量是测量寿命方法之一。 15迁移率是反映载流子在电场作用下运动难易程度物理量，而扩散系数反映存在浓度梯度时载流子运动难易程度。爱因斯坦从理论上找到了扩散系数和迁移率之间的定量关系。爱因斯坦关系式将扩散和漂移两个过程整合 16扩散

13、、漂移电流区别：扩散非平衡载流子浓度梯度有关 漂移总的载流子有关 17漂移和扩散运动同时存在时少子所遵守的运动方程，称为连续性方程式。第6章 PN结1空间电荷区：通常把在pn结附近的电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷，它们所存在的区域称为空间电荷区，空间电荷区又叫势垒区。2引起pn结电流电压特性偏离理想方程的原因：1、表面效应2、势垒区中的产生及复合3、大注入条件4、串联电阻效应3获取PN结方法：合金法，扩散法，注入法4内建电场的作用，载流子作漂移运动。电子和空穴的漂移运动方向与相应扩散运动方向相反。5 qVD称pn结势垒高度计算：P161.？6 理想p-n结: 小注入条件 突变结,耗尽层

14、近似可认为外加电压全降落于耗尽层 +在扩散区,少子电流只需考虑扩散 忽略耗尽层中的产生,复合 通过耗尽层时,可认为电子电流和空穴电流均保持不变 玻耳兹曼边界条件 7 理想p-n结的电流电压方程计算！9电容效应的应用？！ 10 Pn结击穿：对pn结施加反向偏压增大到某一数值VBR时，反向电流密度突然开始迅速增大的现象称为pn结击穿。（雪崩击穿、隧道击穿、热电击穿） p-n结击穿的基本原因: 载流子数目的突然增加.11电容击穿原理 ？12击穿机理: 雪崩击穿强电场下的碰撞电离, 使载流子倍增 隧道击穿大反向偏压下, 隧道贯穿使反向电流急剧增加 热电击穿不断上升的结温, 使反向饱和电流持续地迅速增大

15、分别怎么计算？13为什么势垒区很薄得不到雪崩击穿？载流子动能的增加需要一个加速过程 如果势垒区很薄 即使电场很强 载流子在势垒区中加速达不到产生雪崩倍增效应所必须的动能 就不能产生雪崩击穿。14Pn结隧道效应：对于两边都是重掺杂的pn结，随着电压的增大电流反而减小的现象称为负阻，这一段电流电压特性曲线的斜率为负的，这一特性为负阻特性。反向时，反向电流随反向偏压增大而迅速增加，由重掺杂的p区和重掺杂的n区形成的pn结称为隧道结。15隧道效应能量低于势垒的粒子有一定的几率穿越势垒. 这是一种量子力学效应. 隧穿几率与势垒的高度有关, 与势垒的厚度有关. 隧道二极管利用量子隧穿现象的器件效应 第七章

16、 金属和半导体接触1功函数：E0表示真空中静止电子的能量，金属功函数的定义是E0与EF能量差。 Wm=E0-EFm 表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。半导体功函数是E0与费米能级EF之差 Ws=E0-EFs2电子亲合能表示要使半导体导带底电子逸出体外所需要的最小能量 3 在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。在空间电荷区中，电子浓度要比体内大得多，因此它是一个高电导的区域，称为反阻挡层 反阻挡层薄, 高电导, 对接触电阻影响小 阻挡层具有整流作用 电子的阻挡层就是空穴的积累层。4厚度依赖于

17、外加电压的势垒，叫肖特基势垒5扩散理论适用于迁移率小的半导体。 热电子发射理论得到的伏安特性与扩散理论的一致6. 四种接触方式？ 7.费米能级钉扎效应：在半导体表面，费米能级的位置由表面态决定，而与半导体掺杂浓度无关的现象。8.接触整流理论 整流接触肖特基势垒 非整流接触欧姆接触9.肖特基势垒二极管 ：利用金属半导体整流接触特性制成的二极管。正向导通时，从半导体中越过界面进入金属的电子并不发生积累，而是直接形成漂移电流而流走。因此，肖特基势垒二极管比pn结二极管有更好的高频特性。 10跟普通二极管的相同与不同，实际应用？都有单向导电性。肖特基势垒二极管比pn结二极管有更好的高频特性；有较低的正

18、向导通电压，一般为0.3V左右。 第八章 半导体表面与MIS结构1达姆表面能级：晶体自由表面的存在使其周期场在表面处发生中断，同样也应引起附加能级，这种能级称为达姆表面能级。2理想表面：是指表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面上不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。这种理想表面是不存在的3、 快界面态：是指存在于硅二氧化硅界面处而能级位于硅禁带中的一些分立或连续的电子能态。退火可以有效降低界面态密度。 3.表面电场效应 在外加电场作用下，在半导体的表面层内发生的物理现象，主要载流子的输运性质的改变。可归纳为多子积累，耗尽，反型，深耗尽四种情况 4.能带图 5.MIS结构电容特性

19、C-V曲线 存在一些因素影响着MIS的C-V特性，如：金属和半导体之间的功函数的差、绝缘层中的电荷等。理想MIS结构C-V特性小结：（1）半导体材料及绝缘层材料一定时，C-V特性将随绝缘层厚度do及半导体杂质浓度NA而变化；（2）C-V特性与频率有关，尤其是反型层时的C-V曲线的形状。6.界面态密度 111 110 100晶面的比较 ？ 第9章 半导体异质结构 考概念4、 Pn结是由导电类型相反的同一种半导体单晶材料组成的，通常称为同质结。而由两种不同的半导体单晶材料组成的结，则称为异质结。5、 反型异质结：导电类型相反的两种不同的半导体单晶材料所形成的异质结。6、 同型异质结：导电类型相同的

20、两种不同的半导体单晶材料所形成的异质结。7、 异质结也可以分为突变型异质结和缓变型异质结。8、 异质pn结的超注入现象：是指在异质pn结中由宽禁带半导体注入到窄禁带半导体中的少数载流子浓度可超过宽禁带半导体中的多数载流子浓度。9、 激子：半导体中电子和空穴因库仑力相互作用可形成束缚的电子空穴对，称为激子。10、 超晶格：半导体超晶格是指由交替生长两种半导体材料薄层组成的一维周期性结构，而其薄层厚度的周期小于电子的平均自由程的人造材料。11 调制掺杂：在形成异质结是一边掺杂一边不掺杂的掺杂方式。调制掺杂异质结就是在一边掺杂、另一边不掺杂的异质结 单量子阱和双量子阱区别？ 5势垒厚度 声子，光子

21、第10章 半导体的光学性质和光电与发光现象11、 本征吸收：由于电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。12、 导带极小值和价带极大值对应于相同的波矢k，常称为直接带隙半导体。否则称为间接带隙半导体。13、 激子吸收：光子能量不足以使价带电子受激进入导带成为自由电子，而仍然受到空穴的库伦场作用，形成新的系统激子，这样的光吸收称为激子吸收14、 自由载流子吸收：光子能量不足以使电子处带与带之间跃迁或形成激子时，仍然存在着吸收，自由载流子在同一带内的跃迁所引起的吸收称为自由载流子吸收。15、 杂质吸收：束缚在杂质能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收。电子可以吸收光子跃迁到导带能级，空穴

22、也可以吸收光子而跃迁到价带，这种光吸收称为杂质吸收。16、 晶格振动吸收：光子的动能直接转换为晶格振动动能的吸收17、 光电导：由光照引起半导体电导率增加的现象称为光电导。本征吸收引起的光电导称为本征光电导。18、 定态光电导是指在恒定光照下产生的光电导。19、 光电导灵敏度一般定义为单位光照度所引起的光电导。少数载流子陷阱有增加定态光电导灵敏度的作用。20、 本征跃迁：导带电子跃迁到价带，与价带空穴相复合，伴随着发射光子，称为本征跃迁21、 非本征跃迁：电子从导带跃迁到杂质能级，或杂质能级上的电子跃迁到价带，或电子在杂质能级之间的跃迁，都可以引起发光，这种跃迁称为非本征跃迁22、 激光的发射

23、要满足的3个条件：1、形成分布反转，使受激辐射占优势；2、具有共振腔，以实现光量子放大；3、至少达到阈值电流密度，使增益至少等于损耗。23、 SW效应：aSi：H样品在长时间的光照后其光电导和暗电导都显著减小，将光照后的样品置于150oC下退火30分钟，再冷却到室温，样品又恢复到原来状态，这一现象称为SW效应。第2章 ：7. 锑化铟的禁带宽度Eg=0.18eV，相对介电常数er=17，电子的有效质量 =0.015m0, m0为电子的惯性质量，求施主杂质的电离能，施主的弱束缚电子基态轨道半径。8. 磷化镓的禁带宽度Eg=2.26eV，相对介电常数er=11.1，空穴的有效质量m*p=0.86m0

24、,m0为电子的惯性质量，求受主杂质电离能；受主束缚的空穴的基态轨道半径。第3章 ：5. 利用表3-2中的m*n，m*p数值，计算硅、锗、砷化镓在室温下的NC , NV以及本征载流子的浓度。11. 若锗中施主杂质电离能DED=0.01eV，施主杂质浓度分别为ND=1014cm-3j及1017cm-3。计算99%电离；90%电离；50%电离时温度各为多少？18. 掺磷的n型硅，已知磷的电离能为.eV，求室温下杂质一半电离时费米能级的位置和浓度。第4章 ：2. 试计算本征Si在室温时的电导率，设电子和空穴迁移率分别为1350cm2/( V.S)和500cm2/( V.S)。当掺入百万分之一的As后，

25、设杂质全部电离，试计算其电导率。比本征Si的电导率增大了多少倍？解：300K时，查表3-2或图3-7可知，室温下Si的本征载流子浓度约为。本征情况下，金钢石结构一个原胞内的等效原子个数为个，查看附录B知Si的晶格常数为0.543102nm，则其原子密度为。掺入百万分之一的As,杂质的浓度为，杂质全部电离后，这种情况下，查图4-14（a）可知其多子的迁移率为800 cm2/( V.S)比本征情况下增大了倍3. 电阻率为10W.m的p型Si样品，试计算室温时多数载流子和少数载流子浓度。解：查表4-15(b)可知，室温下，10W.m的p型Si样品的掺杂浓度NA约为,查表3-2或图3-7可知，室温下S

26、i的本征载流子浓度约为,16. 分别计算掺有下列杂质的Si，在室温时的载流子浓度、迁移率和电阻率： 硼原子31015cm-3; 硼原子1.31016cm-3+磷原子1.01016cm-3 磷原子1.31016cm-3+硼原子1.01016cm 磷原子31015cm-3+镓原子11017cm-3+砷原子11017cm-3。解：室温下，Si的本征载流子浓度，硅的杂质浓度在1015-1017cm-3范围内，室温下全部电离，属强电离区。硼原子31015cm-3 查图4-14（a）知，硼原子1.31016cm-3+磷原子1.01016cm-3 ,，查图4-14（a）知，磷原子1.31016cm-3+硼原

27、子1.01016cm ,，查图4-14（a）知，磷原子31015cm-3+镓原子11017cm-3+砷原子11017cm-3 ,，查图4-14（a）知，第5章 ：3. 有一块n型硅样品，寿命是1us，无光照时电阻率是10Wcm。今用光照射该样品，光被半导体均匀的吸收，电子-空穴对的产生率是1022cm-3s-1,试计算光照下样品的电阻率，并求电导中少数在流子的贡献占多大比例？ 10. 一块n 型硅内掺有1016cm-3的金原子 ，试求它在小注入时的寿命。若一块p型硅内也掺有1016cm-3的金原子，它在小注入时的寿命又是多少？13. 室温下，p型半导体中的电子寿命为t=350us，电子的迁移率

28、un=3600cm-2/(Vs)。试求电子的扩散长度。18. 一块掺杂施主浓度为21016cm-3的硅片，在920oC下掺金到饱和浓度，然后经氧化等处理，最后此硅片的表面复合中心1010cm-2。计算体寿命，扩散长度和表面复合速度。如果用光照射硅片并被样品均匀吸收，电子-空穴对的产生率是1017cm-3s-1，试求表面的空穴浓度以及流向表面的空穴流密度是多少？第6章 ：第7章 ：5、某功函数为2.5eV的金属表面受到光的照射。 这个面吸收红色光或紫色光时，能发射电子吗？ 用波长为185nm的紫外线照射时，从表面发射出来的电子的能量是多少？解：设红光波长l700nm；紫光波长l400nm，则红光光子能量其值小于该金属的功函数，所以红光照射该金属表面不能令其发射电子；而紫光光子能量：其值大于该金属的功函数，所以紫光照射该金属表面能令其发射电子。 l185nm的紫外光光子能量为：发射出来的电子的能量：6、电阻率为的n型锗和金属接触形成的肖特基势垒高度为0.3ev。求加上5V反向电压时的空间电荷层厚度。解： 已知：，。由图4-15查得时，