半导体物理重点.doc

半导体物理复习重点
第一章
1. 某一维晶体的电子能带为

其中E0=3eV，晶格常数a=5х10-11m。求：
（1） 能带宽度；（2）能带底和能带顶的有效质量。
（1） 解答要点：由题意得：

（2）

（1）

（1）

（2）

答：能带宽度约为1.1384eV，能带顶部电子的有效质量约为1.925x10-27kg，能带底部电子的有效质量约为-1.925x10-27kg。

2. 试用能带理论解释导体、半导体、绝缘体的导电性。
解答要点：固体按其导电性分为导体、半导体、绝缘体，其机理可以根据电子填充能带的情况来说明。
固体能够导电，是固体中的电子在外场的作用下定向运动的结果。由于电场力对电子的加速作用，使电子的运动速度和能量都发生了变化。换言之，即电子与外电场间发生能量交换。从能带论来看，电子的能量变化，就是电子从一个能级跃迁到另一个能级上去。对于满带，其中的能级已被电子所占满，在外电场作用下，满带中的电子并不形成电流，对导电没有贡献，通常原子中的内层电子都是占据满带中的能级，因而内层电子对导电没有贡献。对于被电子部分占满的能带，在外电场作用下，电子可从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的的能级去，起导电作用，常称这种能带为导带。金属中，由于组成金属的原子中的价电子占据的能带是部分占满的，所以金属是良好的导电体
半导体和绝缘体的能带类似，即下面是已被价电子占满的满带（其下面还有为内层电子占满的若干满带），亦称价带，中间为禁带，上面是空带。因此，在外电场作用下并不导电，但是这只是绝对温度为零时的情况。当外界条件发生变化时，例如温度升高或有光照射时，满带中有少量电子可能被激发到上面的空带中去，使能带底部附近有了少量电子，因而在外电场作用下，这些电子将参与导电；同时，满带中由于少了一些电子，在满带顶部附近出现了一些空的量子状态，满带变成了部分占满的能带，在外电场作用下，仍留在满带中的电子也能够起导电作用，满带电子的这种导电作用等效于把这些空的量子状态看作带正电荷的准粒子的导电作用，常称这些空的量子状态为空穴。所以在半导体中导带的电子和价带的空穴参与导电，这是与金属导体的最大差别。绝缘体的禁带宽度很大，激发电子需要很大的能量，在通常温度下，能激发到导带中的电子很少，所以导电性很差。半导体禁带宽度比较小，数量级在1eV左右，在通常温度下已有不少电子被激发到导带中去，所以具有一定的导电能力，这是绝缘体和半导体的主要区别。室温下，金刚石的禁带宽度为6～7eV，它是绝缘体；硅为1.12eV，锗为0.67eV，砷化镓为1.43eV，所以它们都是半导体。
导带

价带

导带

价带

半满带

价带

禁带

禁带

禁带

第二章
1、（1）什么叫施主？什么叫施主电离？施主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出n型半导体。
（2）什么叫受主？什么叫受主电离？受主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出p型半导体。
解答要点：（1）半导体中掺入施主杂质后，施主电离后将成为带正电离子，并同时向导带提供电子，这种杂质就叫施主。
施主电离成为带正电离子（中心）的过程就叫施主电离。
施主电离前不带电，电离后带正电。例如，在Si中掺P，P为Ⅴ族元素，
本征半导体Si为Ⅳ族元素，P掺入Si中后，P的最外层电子有四个与Si的最外层四个电子配对成为共价电子，而P的第五个外层电子将受到热激发挣脱原子实的束缚进入导带成为自由电子。这个过程就是施主电离。
n型半导体的能带图如图所示：其费米能级位于禁带上方

（2）半导体中掺入受主杂质后，受主电离后将成为带负电的离子，并同时向价带提供空穴，这种杂质就叫受主。
受主电离成为带负电的离子（中心）的过程就叫受主电离。
受主电离前带不带电，电离后带负电。
例如，在Si中掺B，B为Ⅲ族元素，而本征半导体Si为Ⅳ族元素，P掺入B中后，B的最外层三个电子与Si的最外层四个电子配对成为共价电子，而B倾向于接受一个由价带热激发的电子。这个过程就是受主电离。
p型半导体的能带图如图所示：其费米能级位于禁带下方

2、掺杂半导体与本征半导体之间有何差异？试举例说明掺杂对半导体的导电性能的影响。
解：在纯净的半导体中掺入杂质后，可以控制半导体的导电特性。掺杂半导体又分为n型半导体和p型半导体。
例如，在常温情况下，本征Si中的电子浓度和空穴浓度均为1.5╳1010cm-3。当在Si中掺入1.0╳1016cm-3 P元素后，半导体中的电子浓度将变为1.0╳1016cm-3，而空穴浓度将近似为2.25╳104cm-3。半导体中的多数载流子是电子，而少数载流子是空穴。
第三章
1、 什么叫统计分布函数？费米分布和玻耳兹曼分布的函数形式有何区别？在怎样的条件下前者可以过渡到后者？为什么半导体中载流子分布可以用玻耳兹曼分布描述？
解答要点：（略）
2、 说明费米能级的物理意义。如何理解费米能级是掺杂类型和掺杂程度的标志？
解答要点：（1）费米能级的物理意义：费米能级和温度、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。是一个很重要的物理参数，只要知道了的数值，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定。它可以由半导体中能带内所以量子态中被电子占据的量子态数应等于电子总数N这一条件来决定，即，将半导体中大量电子的集体看成一个热力学系统，由统计理论证明，费米能级是系统的化学势，即，代表系统的化学势，F式系统的自由能。上式的意义是：当系统处于热平衡状态，也不对外界做功的情况下，系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化，等于系统的化学势，所以处于热平衡状态的电子系统有统一的费米能级。
一般可以认为，在温度不很高时，能量大于费米能级的电子态基本上没有被电子占据，而能量小于费米能级的几率在各温度下总是1/2，所以费米能级的位置比较直观的标志了电子占据量子态的状况，通常就说费米能级标志了电子填充能级的水平。费米能级位置越高，说明有较多的能量较高的电子态上有电子。
（2）略
第四章
1.何谓迁移率？影响迁移率的主要因素有哪些？
解：迁移率是单位电场强度下载流子所获得的漂移速率。影响迁移率的主要因素有能带结构（载流子有效质量）、温度和各种散射机构。
2、对于重掺杂半导体和一般掺杂半导体，为何两者的迁移率随温度的变化趋势不同？试加以定性分析。
解：对于重掺杂半导体，在低温时，杂质散射起主体作用，而晶格振动散射与一般掺杂半导体的相比较，影响并不大，所以这时侯随着温度的升高，重掺杂半导体的迁移率反而增加；温度继续增加后，晶格振动散射起主导作用，导致迁移率下降。对一般掺杂半导体，由于杂质浓度较低，电离杂质散射基本可以忽略，起主要作用的是晶格振动散射，所以温度越高，迁移率越低。
第五章
1、漂移运动和扩散运动有什么不同？它们之间有什么联系？非简并半导体的迁移率与扩散系数之间有什么联系？
解：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引起的。漂移运动与扩散运动之间通过迁移率与扩散系数相联系。而非简并半导体的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

2、何谓非平衡载流子？非平衡状态与平衡状态的差异何在？
解：半导体处于非平衡态时，附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度，额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子。通常所指的非平衡载流子是指非平衡少子。
热平衡状态下半导体的载流子浓度是一定的，产生与复合处于动态平衡状态，跃迁引起的产生、复合不会产生宏观效应。在非平衡状态下，额外的产生、复合效应会在宏观现象中体现出来。
第六章
1、 定性地画出正向偏置时p–n结能带图；在图上标出准费米能级的位置，加以简单说明。并与平衡时p–n结能带图进行比较。
解答要点（略）
第七章
1.试定性说明阻挡层的整流作用。
解答要点（略）
2.试说明金属与半导体接触后为什么会形成接触电势差。
解答要点（略）
第八章
1.试定性分析MIS结构在外加不同电压VG时表面空间电荷层的几种状态（以p型衬底为例）。
解答要点：
（1） 多数载流子堆积状态：当金属以后与半导体间加负电压（指金属接电源负极）时，表面势为负值，表面处能带向上弯曲。在热平衡情况下半导体内费米能级应保持定值，故随着向表面接近，价带顶将逐渐移近甚至高过费米能级，同时价带中空穴浓度也将随之增加。这样，表面层内就出现空穴底堆积而带正电荷。越接近表面空穴浓度越高，这表明堆积的空穴分布在最靠近表面的薄层内。
（2） 平带状态：外加电压为零，此时表面势等于零，能带不弯曲，称作平带状态。表面层内电场和表面层内电荷均为零。
（3） 多数载流子耗尽状态：当金属与半导体间加正电压，即金属接正极时表面势为正值，表面处能带向下弯曲，这时越接近表面，费米能级离价带顶越远，价带中空穴浓度随之降低。在靠近表面的一定区域内，价带顶位置比费米能级低的多，根据玻耳兹曼分布，表面处空穴浓度将比体内空穴浓度低得多，表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质浓度。表面层的这种状态称作耗尽状态，表面层也叫耗尽层。
少数载流子反型状态：当加于金属和半导体之间的正电压进一步增大时，表面处能带相对于体内将进一步向下弯曲。这时，表面处费米能级位置可能高于禁带中央能量，也就是说，费米能级离导带底比离价带顶更近一些。这意味着表面处的电子浓度将超过空穴浓度，即形成与原来半导体衬底导电类型相反的一层，叫做反型层。反型层发生在近表面处，从反型层到半导体内部还夹着一层耗尽层。在这种情况下，半导体空间电荷层内的负电荷由两部分构成，一部分是耗尽层中已电离的受主负电荷，另一部分是反型层中的电子，后者重要堆积在近表面区。
2.试推导MIS结构电容相当于绝缘层电容C0和半导体空间电荷层电容Cs的串联（即1/C=1/C0+1/Cs）,并作出MIS结构的等效电路。
解答要点（略）等效电路如图：

第十章
1.半导体对光的吸收有哪几种主要过程？并简述各种吸收过程的机理。
解答要点（略）
2.试分析pn结的光生伏特效应。
解答要点（略）