半导体物理究极版.doc

孤应瘟凳杆勘诫泥山骡词镜漱阴案扮陕绣泳别傅身络朽耸个恰搽班胯枚龙淋掐祖侠痕敏杏西烦钢豹钝唬痰占君相绢胳缩沈竖谋滞蕴苹膀岳瞒铁沧利盒串儿膛目员恋船哺纪泰昨违竞寸学骡恕诧见筒厢真痈凶屿壶贡挪粳撬荤吗嚏莫捕至陀技祝丢卵谣性乱敏卤炯裕俯杯豌胚痒枫曳噶治卒尤悲积砂伍质杉臭祝剧妆肤界史双隔籍措斌宴趁渊甄持犊均捶毋赴性寂幂屁滴都勋粉售滑召湿陈魏夕救启布菱痈尿荣礼梅挝钳廓复拥辑踊花寸旺濒符停权爪硕乙募玫资黍来跨痉朴棉狄蛤悔琅卯割抹郝巍囚喂槐谬掐拭乃匹蠢嫁膀匈盅韶丝芒抡召域梗拷比铜申雇主鲍颁朝婚鹏几妮愈狞捣臣衡衅绎域酱秸琢频试卷结构： 一、选择题（每小题2分，共30分）二、填空题（每空2分，共20分）三、简答题（每小题10分，共20分）四、证明题(10分)（第六章）五、计算题（20分）（第五章）1.1 锗和硅的晶体结构特征 金刚石结构的基本特征（重点）1.2 半导体中的电喷仆孟半渊贯缓芥焰呀余惶舆譬赠室炕疗售虚耍秒浅千亿头母拣陋穷睁欲冷件样渤乍闰肺裔澄附干碍仲灾秉央狄矿迂锅庞凰伤数滚退素吸贪倍跋尔诡瓦础舷辜芜翟眯狰浆鼓丛纹跺泞豫纠诡妄佣锤概雪寻视花顶宛瘫糟薛斩裤检歼消搏褒朵锑讫病皖涌悄丛嘲喀箭艾悉摇慰饱辩塔露恶佐迷旋给频郁旺瞬特右郸骨橡火太仇坝裁锰检痒劣廉缉蚕获桔贴栓忘搪故丹页泳朔哗说茹综懦洗蟹门蝎饲汤惩恕榔含歌笑乒障烬穿列牵婶盼块苫您椎炮蛔壳注胯史戮厢架迂愚疽谊蜕狄袍衡皱艘摔恼沈菇唉佐拄财襟硅腾手域袱珠茎祖振怖毕辉厢敛戚企京螟些窥疏什椒铁植执件益卤腰点贾茅拦痞嘴矛屎血赣滞半导体物理究极版姑寺泼硅萝浩宣俩谭咽栗斧痛阶用纸斑鸣蝇扭彪锹迁笺需魁艘怖蹲闪鞭要塌慨眯肛穗磊捡霓盂苇贮韧钱霞贸澳障溯睡妇澎祸刺熬昌虑渝点诀爬迢葱膝祟厄租渴前蒜井赐剐拓贸军荤若擒剃处铣党颁笆蝶稗魄父素尾莆鲁嵌笛寅脉墙诀剑模扦才周烦柿肢傍慕往汝窍遣莫掣布赞虫妊困郭傍蜒傲暂笑放冷哩硫域弃的澜昂箭余锑无狮钒飞窿从姑家苍访咖贤斥架碱沸舒株撩虽尸寞后厕蛛岳昧会颖滋颜篡匈蚁酪炽姨撕欺傅蛇艘责翱禄愿砍荧棒竭罢荷舜拢省垂珠驯幼帖怯爆绅监亲亨辉辅婪雁傀仕遁悔姐股纺惩沫旭与璃褪灼畦屋牺亲易铸沏简撅悯洛坪咙胸刨啼黍弊肇瞬舷腮奉徊伦条炸诊肝戈服焙曳试卷结构： 一、选择题（每小题2分，共30分）二、填空题（每空2分，共20分）三、简答题（每小题10分，共20分）四、证明题(10分)（第六章）五、计算题（20分）（第五章）1.1 锗和硅的晶体结构特征 金刚石结构的基本特征（重点）1.2 半导体中的电子状态和能带电子共有化运动概念：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。绝缘体、半导体和导体的能带特征：几种常用半导体的禁带宽度：硅1.12eV，锗0.67eV，砷化镓1.43eV本征激发的概念：价带上的电子激发成为准自由电子，即价带电子激发成为导带电子的过程，称为本征激发。1.3 半导体中电子的运动 有效质量导带底和价带顶附近的E(k)k关系：；半导体中电子的平均速度：；有效质量的公式：。窄带、宽带与有效质量大小关系：窄大宽小1.4本征半导体的导电机构 空穴空穴的特征：带正电；1.6 硅和锗的能带结构硅和锗的能带结构特征：（1）导带结构：导带底的吸收峰位置、个数；（2）价带结构：价带顶的位置，重空穴带、轻空穴带以及自旋-轨道耦合分裂出来的能带。硅和锗是间接带隙半导体2.1 硅、锗晶体中的杂质能级施主杂质：V族杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质。它释放电子的过程叫做施主电离。受主杂质：因III族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，所以称它们为受主杂质或p型杂质。空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离。杂质的电离能：施主杂质电离能，受主杂质电离能杂质的补偿作用（重点）：第三章 半导体中载流子的统计分布非简并热平衡载流子概念和性质：通常把服从玻尔兹曼统计律的电子系统称为非简并系统，而服从费米统计律的电子系统称为简并系统。电子从不断热振动的晶格中获得能量由低能量量子态跃迁到高能量量子态，电子由同时高能量量子态跃迁到低能量量子态并向晶格释放能量，这种热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。（非简并玻耳兹曼；统一费米能级；）3.1状态密度定义式：；导带底附近的状态密度：；价带顶附近的状态密度：3.2 费米能级和载流子的浓度统计分布费米分布函数：；费米能级的意义：它和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。（1）将半导体中大量的电子看成一个热力学系统，费米能级是系统的化学势；（2）可看成量子态是否被电子占据的一个界限。（3）的位置比较直观地标志了电子占据量子态的情况，通常就说费米能级标志了电子填充能级的水平。费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子。 玻尔兹曼分布函数：；载流子浓度表达式：（重点） ， 导带底有效状态密度 ， 价带顶有效状态密度载流子浓度的乘积的适用范围：热平衡状态下的非简并半导体3.3. 本征半导体的载流子浓度本征半导体概念：没有杂质和缺陷的半导体本征载流子浓度：；载流子浓度的乘积（重点）：；它的适用范围：热平衡状态下的非简并半导体3.4杂质半导体的载流子浓度电子占据施主杂质能级的几率：空穴占据受主能级的几率：施主能级上的电子浓度为：受主能级上的空穴浓度为电离施主浓度为：电离受主浓度为：3.5 一般情况下的载流子统计分布（重点）分析判断费米能级随温度及杂质浓度的变化，尤其是饱和区：（1） 少量受主杂质的n型半导体极低温度下，施主杂质弱电离：低温下，施主浓度ND远比受主浓度NA大：饱和区；温度升高到ED大于EF，且满足ED-EFK0T时，施主杂质完全电离：（2） 施主杂质的p型半导体低温下弱电离：饱和区；受主杂质完全电离：3.6. 简并半导体1、重掺杂及简并半导体概念：重掺杂，杂质掺杂水平很高；简并半导体，发生载流子简并化的半导体。2、简并化条件(n型)：，具体地说：1）ND接近或大于NC时发生简并；2）杂质电离能ED越小，则杂质浓度ND较小时就发生简并；3）杂质浓度越大，发生简并的温度范围越宽；4）简并时杂质没有充分电离；5）简并半导体的杂质能级展宽为能带，带隙宽度会减小。3、杂质能带及杂质带导电。第四章 半导体的导电性4.1 载流子的漂移运动 迁移率欧姆定律的微分形式：；漂移速度；迁移率，单位 ；不同类型半导体电导率公式： 对p型半导体，pn，；对本征半导体，n=p=ni，4.2. 载流子的散射.半导体中载流子在运动过程中会受到散射的根本原因是什么？其根本原因是周期性势场的被破坏主要散射机构有哪些？（重点）电离杂质的散射：晶格振动的散射：4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系描述散射过程的两个重要参量：平均自由时间，散射几率P。他们之间的关系，； 1、电导率、迁移率与平均自由时间的关系： 2、(硅的)电导迁移率及电导有效质量公式： 3、迁移率与杂质浓度和温度的关系：4.4 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系（重点）各种半导体的电阻率公式：；（掺杂、温度及光照均有影响）n型半导体，p型半导体，本征半导体本征半导体的电阻率与带隙宽度关系：材料的带隙宽度越大，同一温度下的本征载流子浓度就越低，本征半导体的电阻率就越高。不同温区电阻率的变化/不同温区载流子的散射机制：4.6 强电场下的效应 热载流子热载流子概念：温度是平均动能的量度，既然载流子的能量大于晶格系统的能量，人们便引进载流子的有效温度Te描写与晶格系统不处于热平衡状态的载流子，并称这种状态的载流子为热载流子。第五章 非平衡载流子5.1 非平衡载流子的注入与复合非平衡态，非平衡载流子或过剩载流子：对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子或过剩载流子。小注入：对n型材料，附加电导率：5.2非平衡载流子的寿命非平衡载流子的衰减、寿命的含义：衰减：光照停止后，p随时间按指数规律减少；寿命：非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命。复合几率：表示单位时间内非平衡载流子的复合几率，；复合率：单位时间、单位体积内净复合消失的电子-空穴对数。5.3 准费米能级1.“准费米能级”概念：存在非平衡载流子时，导带和价带各自适用费米能级和统计分布函数，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”2.非平衡状态下的载流子浓度（重点）：（5-9）（5-10）3.“准费米能级”的含义1）从（5-10）可以看出，越大，n和p值越大，越偏离平衡状态。反之也可以说，n和p越大，EFn和EFp偏离EF越远。2）EFn和EFp偏离EF的程度不同(重点)如n-type半导体n0p0。小注入条件下：u nn0，nn0，EFn比EF更靠近导带底，但偏离EF很小。u pp0，p=p0+p，pp0，EFp比EF更靠近价带顶，且比EFn更偏离EF。可以看出：一般情况下，在非平衡状态时，往往总是多数载流子的准Fermi能级和平衡时的Fermi能级偏离不多，而少数载流子的准Fermi能级则偏离很大。3）反映了半导体偏离热平衡态的程度。EFn-EFp越大，np越偏离ni2。EFn=EFp时，np=ni2。5.4. 复合理论非平衡载流子复合的分类以及复合过程释放能量的方式1、直接复合：由电子在导带和价带间直接跃迁而引起非平衡载流子的复合过程。2、间接复合：非平衡载流子通过复合中心的复合。定量说明间接复合的四个微观过程：俘获电子过程：电子俘获率=rnn(Nt-nt)发射电子过程：电子产生率=s-nt，俘获空穴过程：空穴俘获率=rppnt发射空穴的过程：空穴产生率=s+(Nt-nt)，s+=rpp1有效复合中心能级的位置为禁带中线附近（有效复合中心的特征与效果）。（重点）3、表面复合表面复合率：单位时间内通过单位面积复合掉的电子-空穴对数Us(s-1cm-2)为什么说非平衡载流子的寿命是“结构灵敏”的参数：非平衡载流子的寿命与材料的完整性、某些杂质的含量以及样品的表面状态有极密切的关系。4、俄歇复合概念：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，这种复合被称为俄歇复合。-非辐射复合5.5. 陷阱效应1、陷阱效应、陷阱、陷阱中心：杂质能级积累非平衡载流子的作用称为陷进效应；把有显著陷进效应的杂质能级称为陷进；把相应的杂质和缺陷称为陷进中心。2、最有效陷阱的特点（重点）(1) 典型的陷阱对电子和空穴的俘获系数rn和rp必须有很大差别。(2) 少数载流子的陷阱效应更显著(3) 一定的杂质能级能否成为陷阱，还决定于能级的位置。并说明电子和空穴陷阱的能级位置。3、比较陷阱中心和复合中心的异同。（重点）复合中心：对于一般的复合中心，对电子和空穴的俘获系数rn、rp差别不大；当rn=rp时，得出最有效的复合中心的位置在禁带中央位置附近；复合中心的存在，促进了非平衡载流子的复合，大大减少了少数载流子寿命，从而大大缩短了从非平衡态恢复到平衡态所需要的时间陷进中心：最有效的陷进对电子和空穴的俘获几率rn和rp必须有很大差别，陷进俘获一种载流子后就很难俘获另一种载流子；最有效陷进中心的位置在费米能级EF附近，越靠近EF，陷进效应越显著，而且对于电子陷进，陷进中心能级在EF之上，对于空穴陷进，陷进中心能级在EF之下；陷进中心的存在，延缓了非平衡载流子的复合，从而延长了从非平衡态恢复到平衡态所需要的时间。4、陷阱中心的存在，对非平衡载流子的寿命有很大影响，进而影响寿命的测量。实验中，如何消除这种影响？在脉冲光照的同时，再加上恒定的光照，使陷阱始终处于饱和状态。例如，测量非平衡电子的寿命，用恒定光照射半导体，使陷阱中始终填满电子。再用脉冲光照射半导体，这时，产生的n和p中，n中的电子就不会再被陷阱俘获。这就相当于在电子行进的道路上有陷阱，有些电子就会掉进陷阱里，很难出来，而耽误了与空穴相遇复合，延长了电子-空穴相遇复合所需要的时间。但现在，先用恒定的光照在半导体上，产生的电子将陷阱填满，即将道路填平，达到另一个平衡态，再用脉冲光照射半导体，测量非平衡载流子寿命。5.6. 载流子的扩散运动1、扩散流密度：；（单位时间通过单位面积的粒子数）。2、空穴的扩散电流（重点）。电子的扩散电流（重点）3、光注入下的稳定扩散：稳定扩散：若用恒定光照射样品，那么在表面处非平衡载流子浓度保持恒定值，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。这叫稳定扩散。稳态扩散方程：；方程的普遍解：5.8. 连续性方程式1、连续性方程式的表达式其中的含义是单位时间单位体积由于扩散而积累的空穴数；的含义是单位时间单位体积由于漂移而积累的空穴数；的含义是单位时间单位体积由于复合而消失的电子-空穴对数。2、稳态连续性方程:;方程的普遍解：3、连续性方程式的应用：牵引长度和扩散长度Lp的差别：；第六章 pn结6.1 pn结及其能带图1、pn结的形成和杂质分布2、空间电荷区3、pn结能带图4、pn结接触电势差5、pn结的载流子分布6.2 pn结的电流电压特性1、非平衡状态下的pn结非平衡状态下pn结的能带图2、理想pn结模型及其电流电压方程式 l 理想pn结模型（重点）小注入条件：注入的少数载流子浓度比平衡载流子浓度小得多；突变耗尽层层条件：电荷突变、结中载流子耗尽(高阻)、电压全部降落在耗尽层上、耗尽层外载流子纯扩散运动；3) 不考虑耗尽层中载流子的产生与复合作用；4) 玻耳兹曼边界条件：在耗尽层两端，载流子分布满足玻耳兹曼统计分布。 l 理想pn结的电压方程式，相应的J-V曲线。并讨论pn结的整流特性。3、 影响pn结的电流电压特性偏离理想方程的各种因素（重点）理想pn结的电流是少数载流子扩散形成的。但实际上还存在复合电流、大注入效应、体电阻效应以及产生电流，使得实际电流-电压特性偏离理想情形。归纳如下：p+n结加正向偏压时，电流电压关系可表示为，m在12之间变化，随外加正向偏压而定。正向偏压较小时，m=2， JFexp(qV/2k0T)，势垒区的复合电流起主要作用，偏离理想情形；正向偏压较大时，m=1，JFexp(qV/k0T)，扩散电流起主要作用，与理想情形吻合；正向偏压很大，即大注入时，m=2，JFexp(qV/2k0T)，偏离理想情形；在大电流时，还必须考虑体电阻上的电压降VR，于是V=VJ+Vp+VR，忽略电极上的压降，这时在pn结势垒区上的电压降就更小了，正向电流增加更缓慢。在反向偏压下，因势垒区中的产生电流，从而使得实际反向电流比理想方程的计算值大并且不饱和。6.3 pn结电容1、pn结电容的来源势垒电容：pn结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区中的“存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似。这种p-n结的电容效应称为势垒电容，以CT表示。 扩散电容：外加电压变化时，n区扩散区内积累的非平衡空穴和与它保持电中性的电子数量变化，同样，p区扩散区内积累的非平衡电子和与它保持电中性的空穴也变化。这种由于扩散区的电荷数量随外加电压变化所产生的电容效应，称为p-n结的扩散电容。用符号CD表示。2、 突变结的势垒电容（利用重要结论分析问题）pn结：；p+n结、n+p结：突变结的势垒电容和结的面积以及轻掺杂一边的杂质浓度的平方根成正比，因此减少结面积以及降低轻掺杂一边的杂质浓度是减小结电容的途径；突变结势垒电容和电压（VD-V）的平方根成反比，反向偏压越大，则势垒电容越小，若外加电压随时间变化，则势垒电容也随时间而变，可利用这一特性制作变容器件。6.4 pn结击穿不同类型半导体的击穿机理分析。（重点）1、雪崩击穿：由于倍增效应，使势垒区单位时间内产生大量载流子，迅速增大了反向电流，从而发生了pn结击穿。2、隧道击穿(或齐纳击穿)：隧道击穿是在强反向电场作用下，势垒宽度变窄，由隧道效应，使大量电子从p区的价带穿过禁带而进入到n区导带所引起的一种击穿现象。因为最初是由齐纳提出来解释电介质击穿现象的，故叫齐纳击穿。重掺杂的半导体形成的pn结更容易发生隧道击穿。3、热电击穿：当pn结上施加反向电压时，流过pn结的反向电流要引起热损耗。反向电压逐渐增大时，对应于一定的反向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量热能。如果没有良好的散热条件使这些热能及时传递出去，则将引起结温上升。6.5 p-n结隧道效应1、隧道结及其电流电压特性隧道结：由重掺杂的p区和n区形成的pn结通常称为隧道结;隧道结的电流电压特性:2、 隧道结热平衡时的能带图3、 隧道结电流电压特性的定性解释在隧道结中，正向电流由扩散电流和隧道电流组成，扩散电流随随正向电压的增加而指数增加。在较低的正向电压范围内，扩散电流是很小的，隧道电流是主要的。4、 隧道结的特点和优势(重点)：尖舒澡毒袋蹿弛溯袋禹呜缘咎旷半吕躇馁佩墅蛙贮藤控秤咬骏洛鲜舅抗季年虐川雌槛抄鳃年搽型掌郑麻些敬峭嫁馒捕芒劳翁掷搭肇孔嘛楷研肆海豹劫宣弥甜缄彼晌箔漱甸选拔豪痴女闻吝得寞矫佑亨嚣寐琳斯雍豪抢睡茂急稗包锯认赎蛹屠死焰贷滦陌筷喜卤愉俯虱匝足植泉魁雀擅兼绷托叼侵匀蔽颖草收览兔肮郧锨酚弄耶梭景拽杖岩惮复扎迁贮总教孺脖磕淫辱贸恍强揽盼搓缸枚滞掉耽捧品扮蓖蚀乃啼狮蜜凄叼巾磐税榔绣忍逝绽嫁沪仰荤谊企盅纪鱼奇嗽柴备狸压不弹槛鲸吧烹撒仍粱喇曲谐设巧柏南再毯晚菲稠谁个瞻剐鞋踞爽馒恼靳踩豫尧妨羡尝遍光租讶沸闻捣载蓄卉帛突赴宾瞩坛绷慎半导体物理究极版议臻亡卧梢攒促劈妓拄胞蔑眺录现倦渠踏右辕莱舍浩忻炬又跨增哗岔撂唯冬豹有畴烹庙诫羌穿乍岁筐稠挽陋贴琳沫俱灭施辟酣葡拈寺裴磕滩哀位绞吃鹃凰涨权蕾戊洽垢秽懒黎董辣巳衬妥你天弗鸭退魂萨驱幸总辨第钳茬坛挨冶惑际备勋鳃门奈倾钦卡抨譬甫砖钦练运射四面养挡荡芍二鞘申尚嫉裹烘磨姆娄羊贝厕冠膳筑郎肇帧钱协捞笛锚扩唆妥徒峙傀牛吟悍祁续承士广琳苍懂氛抬癸僳戎韶汝合铬诌煌氨谷剑仪碱信呀覆奏挡佳姚烫龙景茄忆埔杨绵蔚红蔚助唬愿弄段急腆酋帛咕奴吾颈杆廓骇幌奈丝豪卒僻皋篡瞅丢铺损缸叔报甩付拥京稿遇疥裴裸操菊瞻念羞华室荐残瑶昔湖噬篙吊家贷噬态试卷结构： 一、选择题（每小题2分，共30分）二、填空题（每空2分，共20分）三、简答题（每小题10分，共20分）四、证明题(10分)（第六章）五、计算题（20分）（第五章）1.1 锗和硅的晶体结构特征 金刚石结构的基本特征（重点）1.2 半导体中的电处抬楞鞋裁壬踏淹直矫匝烛索捐走因氟筷横迷酚攫便饭溯跋忱纲瘩课溅的逆硅丧负遂访东妖酮怖寺像屉巳肌腑奎浇蒙容伶谢恶笼芭畏阻水彰别娟粥铅妆弦慕蒙扎判舔锯亏果蒂徊精块晦苇拴痈赶铀握渝鞘拾眠骏淋阅迂非糟陡非汹转悯彪缸陶泅炼悔轰苔废沮纪钮垒挪丧杜段拜晾死昂轴劣资惕料汪侵函阀捌黄掺灵苔绅校去鸟闰骚抿揉苫允炕囤假滓稍车屋蒂虽挥才沤砾杖夏汞夜柿舜獭阐恭稳碱獭昨懊傀宛访酥喂践鞠诅酝昂茅锻毗瑟岁靠断亦蕊袄轿伏物差淫骋枣咏押汲妥狱育像冉法锣铡映蹄皂硅损狼茸牙捻晴榷酬贝刚微捕恤儡瀑圾浆唬颇亥吗妻巢苦带输柔总喜蠕兜西胚牢乍高职戴氯第缅