半导体复习提纲.doc

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（Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料以及部分Ⅱ-Ⅵ族化合物如GaAs, InP, AlAs ，纤矿型（Ⅱ-Ⅵ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。
3有效质量：将晶体中电子的加速度与外加的作用力联系起来，并且包含了晶体中的内力作用效果。
有效质量的物理意义：把晶体周期性势场的作用概括到电子的有效质量中去，使得在引入有效质量之后，就可把运动复杂的晶体电子看作为简单的自由电子。
有效质量的正负与位置有关。大小由共有化运动的强弱有关。
引入有效质量的用处：使讨论晶体电子运动时，问题变得很简单，否则几乎不可能。
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。
砷化镓的禁带宽度大，E。-1.43eV，宽于硅，更宽于锗，因此砷化镓半导体器件能在远高于硅半导体器件工作温度、更高于锗半导体器件工作温度的450℃下正常工作；其pn结的反向电压高，反向饱和电流低，适用于制作大功率半导体器件；能够引入深能级的杂质，制成体电阻率比锗和硅高出三个数量级以上的集成电路衬底。其次砷化镓的电子迁移率高、电子有效质量小、光电转换效率高。
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。
第二章 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
深能级杂质：非3、5族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，受主能级距离价带顶也较远，通常称这种能级为深能级，相应的杂质称为深能级杂质。
浅能级杂质：在硅、锗的3、5族杂质的电离能都很小，所以受主能级很接近价带顶，施主能级很接近导带底，通常将这些杂质能级称为浅能级，将产生浅能级的杂质称为浅能级杂质。

3 N,P型半导体，施主杂质失去电子，受主杂质得到电子。
4杂质的补偿作用（原理）：施主杂质和受主杂质之间有互相抵消的作用，通常称为杂质的补偿作用。可以该作用制造各种半导体器件！
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时 p型。. p空穴浓度

6点缺陷：间隙原子和空位是成对出现的，称为弗伦克耳缺陷；若只在晶体内形成空位而无间隙原子时，称为肖特基缺陷。
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。
5发生载流子简并化的半导体称为简并半导体，必须考虑泡利不相容原理!!!
6考虑泡利不相容原理与否（载流子浓度大 要考虑 用费米分布函数）
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，n0》ND，p0》ND这时电中性条件是n0= p0 ，与未掺杂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 （Ｔ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）

第五章 非平衡载流子
1非平衡状态：如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件n0p0=ni2，就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态。这时比平衡状态多出来的载流子称为非平衡载流子，有时也称为过剩载流子。
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：
①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；
②发射声子。载流子半多余的能量传给晶格，加强晶格的振动；
③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, rn≈rp 电子陷阱： rn≧rp ；空穴陷阱： rp≧rn
2）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、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。

第六章 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:
♦①小注入条件
♦②突变结,耗尽层近似—可认为外加电压全降落于耗尽层
①+②Þ在扩散区,少子电流只需考虑扩散
♦③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
♦④玻耳兹曼边界条件
7 理想p-n结的电流电压方程计算！！！！
8 电容效应：p-n结有存储和释放电荷的能力。
①势垒电容 CT—当p-n结上外加电压变化，势垒区的空间电荷相应变化所对应的电容效应.
②扩散电容 CD—当p-n结上外加电压变化，扩散区的非平衡载流子的积累相应变化所对应的电容效应.
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

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 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-EFs
2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；有较低的正向导通电压，一般为0.3V左右。
11欧姆接触：接触本身不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的变化。（利用隧道效应的原理）制作欧姆接触常用的办法是重掺杂的半导体与金属接触，在n型或p型半导体上制作一层重掺杂区后再与金属接触。形成金属—n+n或金属p+p结构。
利用隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触

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 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 ？？？
第九章 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

12量子阱（QW）是指由两种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。多量子阱是指多个量子阱组合在一起的系统。就材料结构和生长过程而言，多量子阱和超晶格没有实质差别，仅在于超晶格势垒层比较薄，势阱之间的耦合较强，形成微带；而多量子阱之间的势垒层厚，基本无隧穿耦合，也不形成微带。多量子阱结构主要应用于其光学特性。
单量子阱和双量子阱区别？？？？
5．势垒厚度 声子，光子
第十章 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、 光生伏特效应：当适当波长的光照射非均匀半导体时，由于内建电场的作用，半导体内部产生电动势，这种由内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。
21、 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
22、 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
23、 激光的发射要满足的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。
24、 非晶态半导体特点：1、长程无序，短程有序；2、亚稳性
25、 SW效应：a—Si：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。