半导体物理学复习提纲(重点)

第一章半导体中的电子状态§1.1锗和硅的晶体结构特征金刚石结构的基本特征§1.2半导体中的电子状态和能带电子共有化运动概念绝缘体、半导体和导体的能带特征。几种常用半导体的禁带宽度；本征激发的概念§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2*2nkEkEm2h-0=；半导体中电子的平均速度dEvhdk；有效质量的公式：222*11dkEdhmn。§1.4本征半导体的导电机构空穴空穴的特征：带正电；pnmm；npEE；pnkk§1.5回旋共振§1.6硅和锗的能带结构导带底的位置、个数；重空穴带、轻空穴第二章半导体中杂质和缺陷能级§2.1硅、锗晶体中的杂质能级基本概念：施主杂质，受主杂质，杂质的电离能，杂质的补偿作用。§2.2Ⅲ—Ⅴ族化合物中的杂质能级杂质的双性行为第三章半导体中载流子的统计分布热平衡载流子概念§3.1状态密度定义式：()/gEdzdE；导带底附近的状态密度：3/2*1/232()4nccmgEVEEh；价带顶附近的状态密度：3/2*1/232()4pvVmgEVEEh§3.2费米能级和载流子的浓度统计分布Fermi分布函数：01()1exp/FfEEEkT；Fermi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FE是系统的化学势；2）FE可看成量子态是否被电子占据的一个界限。3）FE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。Boltzmann分布函数：0()FEEkTBfEe；导带底、价带顶载流子浓度表达式：0()()ccEBcEnfEgEdE00expFccEEnNkT，3*2322ncmkTNh导带底有效状态密度00expvFvEEpNkT，320322pvmkTNh价带顶有效状态密度载流子浓度的乘积0000expexpgCVCVCVEEEnpNNNNkTkT的适用范围。§3.3.本征半导体的载流子浓度本征半导体概念；本征载流子浓度：TkENNpnngVCi021002exp)(；载流子浓度的乘积200inpn；它的适用范围。§3.4杂质半导体的载流子浓度电子占据施主杂质能及的几率是TkEEEfFDD0exp2111)(空穴占据受主能级的几率是TkEEEfAFA0exp2111)(施主能级上的电子浓度Dn为：TkEENEfNnFDDDDD0exp211)(受主能级上的空穴浓度Ap为0()11exp2AAAAFANpNfEEEkT电离施主浓度Dn为：DDDnNn电离受主浓度Ap为：AAApNp费米能级随温度及杂质浓度的变化§3.5一般情况下的载流子统计分布§3.6.简并半导体1、重掺杂及简并半导体概念；2、简并化条件(n型)：0CFEE，具体地说：1）ND接近或大于NC时简并；2）ΔED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：JE；漂移运动；漂移速度dvE；迁移率，单位22//mVscmVs或；不同类型半导体电导率公式：npnqpq§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？主要散射机构有哪些？电离杂质的散射：32iiPNT晶格振动的散射：32sPT§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，1p；1、电导率、迁移率与平均自由时间的关系。22**;pnnnppnppqnqnqupqumm22**ppnpnpnqpqnqupqumm2、(硅的)电导迁移率及电导有效质量公式：nccqm、11123cltmmm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各种半导体的电阻率公式：1npnqpq；不同温区电阻率的变化/不同温区载流子的散射机制。§4.7多能谷散射耿氏效应用多能谷散射理论解释GaAs的负微分电导。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与非平衡载流子或过剩载流子；小注入；附加电导率：npnpnqpqpq§5.2非平衡载流子的寿命非平衡载流子的衰减、寿命；复合几率：表示单位时间内非平衡载流子的复合几率，1；复合率：单位时间、单位体积内净复合消失的电子-空穴对数。p。§5.3准Fermi能级1、“准Fermi能级”概念2、非平衡状态下的载流子浓度：0000exp()exp()nCFCpFVVEEnNnnnkTEEpNpppkT000000expexpexpexpnnFiFFippiFFFiEEEEnnnkTkTEEEEppnkTkT3、“准Fermi能级”的含义1）从（5-10）可以看出，EFn-EF，EF-EFp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的程度不同如n-type半导体n0p0。小注入条件下：Δnn0，n=n0+Δn，nn0，n≈n0，EFn比EF更靠近导带底，但偏离EF很小。Δpp0，p=p0+Δp，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）20000expexpnpnpFFFFiEEEEnpnpnkTkT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2、间接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，1nsrn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。§5.6.载流子的扩散运动。1、扩散流密度：ppdpxSDdx；nndnxSDdx（单位时间通过单位面积的粒子数）。2、空穴的扩散电流()ppdpxJqDdx扩。电子的扩散电流nnndnxJqSqDdx扩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0p，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。稳态扩散方程及其解。§5.7.载流子的漂移运动爱因斯坦关系爱因斯坦关系的表达式：0nnDkTq，0ppDkTq§5.8.连续性方程式1、连续性方程式的表达式22ppppEpxpppDEpgtxxx其中22ppxDx的含义是单位时间单位体积由于扩散而积累的空穴数；ppEpEpxx的含义是单位时间单位体积由于漂移而积累的空穴数；p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、稳态连续性方程及其解3、连续性方程式的应用。牵引长度PLE和扩散长度Lp的差别。pLpEEu；pLpD第六章p-n结§6.1p-n结及其能带图1、p-n结的形成和杂质分布2、空间电荷区3、p-n结能带图4、p-n结接触电势差5、p-n结的载流子分布§6.2p-n结的电流电压特性1、非平衡状态下的p-n结非平衡状态下p-n结的能带图2、理想p-n结模型及其电流电压方程式理想p-n结模型1)小注入条件2)突变耗尽层近似：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。理想p-n结的电压方程式，相应的J-V曲线。并讨论p-n结的整流特性。3、影响p-n结的电流电压特性偏离理想方程的各种因素理想p-n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F0qVJexpmkT，m在1~2之间变化，随外加正向偏压而定。正向偏压较小时，m=2，JF∝exp(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，JF∝exp(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，JF∝exp(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p-n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。§6.3p-n结电容1、p-n结电容的来源势垒电容：p-n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p-n结宽度，电荷分布§6.4p-n结击穿1、雪崩击穿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p-n结更容易发生隧道击穿。3、热电击穿不同类型半导体的击穿机理§6.5p-n结隧道效应1、隧道结及其电流电压特性什么是隧道结，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第七章金属和半导体的接触§7.1.金属半导体接触及其能带图1、金属和半导体的功函数定义式2、接触电势差阻挡层概念及能带图。3、表面态对接触势垒的影响§7.2.金属半导体接触整流理论一、以n型、p型阻挡层为例定性说明阻挡层的整流特性n型(p型)阻挡层的判断；表面势、能带弯曲情况二、定量得出阻挡层伏-安特性表达式1、扩散理论理论模型0exp1SDqVJJkT4、肖特基势垒二极管与p-n结二极管相比较，有哪些优点和用途？§7.3.少数载流子的注入和欧姆接触1、少数载流子的注入(正向偏压下)2、欧姆接触什么是欧姆接触？能否通过选择合适的金属来形成欧姆接触？如何制作欧姆接触？第八章半导体表面与MIS结构§8.2表面电场效应理想MIS结构1、空间电荷层及表面势熟练分析多子积累、耗尽和反型情况下，金属端所加的电压大小和方向、半导体表面势的大小和所带电荷、能带弯曲情况。2、表面空间电荷层的