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2268半导体器件与物理考试大纲2268半导体器件与物理[1]《半导体物理学》，刘恩科、朱秉升、罗晋生，国防工业出版社；[2]《半导体物理学》，顾祖毅、田立林、富力文等，电子工业出版社；[3]《半导体器件物理》，孟庆巨、刘海波、孟庆辉，科学出版社。网上提供考试大纲。第一部分：半导体中的电子状态一、理解下列基本概念能级：原子中的电子只能在一些特定的分离能级上运动，这些特定能级称为原子的能级；能层（英语：Energylevel）理论是一种解释原子核外电子运动轨道的一种理论。它认为电子只能在特定的、分立的轨道上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量，这些能量值即为能级。电子可以在不同的轨道间发生跃迁，电子吸收能量可以从低能级跃迁到高能级或者从高能级跃迁到低能级从而辐射出光子。能级简并化：共有化运动：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。注意：因为各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量，电子只能在相似壳层间转移。因此，共有化运动的产生是由于不同原子的相似壳层间的交叠，例如2p、3s支壳层的交叠。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。能带（导带，价带，满带，空带）：晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。能带：原子聚集在一起形成晶体时，电子的分立能量随之分裂为能带。当N个原子处于孤立状态时，相距较远时，它们的能级是简并的，当N个原子相接近形成晶体时发生原子轨道的交叠并产生能级分裂现象。当N很大时，分裂能级可看作是准连续的，形成能带。分裂的每一个能带都称为允带。导带：价带以上能量最低的允许带称为导带。导带能量最低称为导带底，Ec；整个能带中只有部分能态被电子填充。价带：原子中最外层的电子称为价电子，与价电子能级相对应的能带称为价带。价带能量最高称为价带顶，Ev。绝缘体、半导体的价带是满带。满带：整个能带中所有能态都被电子填满。空带：整个能带中完全没有电子填充；如有电子由于某种原因进入空带，也具有导电性，所以空带也称导带。禁带：晶体中不可以容纳电子的一系列能级；能带之间的能量间隙，没有允许的电子能态。根据电子先填充低能这一原理，下面一个能级填满了电子，这个能带通常称为满带或价带；上面一个能带是空的没有电子，通常称为导带；中间隔以禁带。因为每个能级可以容纳自旋相反的两个电子，所以每个能级可以容纳2N个电子。有效质量：能带中电子受外力时，外力与加速度的一个比例系数。意义：a、它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用；b、可以由实验测定，因而可以很方便的解决电子的运动规律。有效质量为负值的含义：有效质量概括了晶体内部势场的作用，外力作用不足以补偿内部势场的作用时，电子的真实动量是下降的。设能带底位于k=0，能带底部附近的k值必然很小。E(K)能带底部附近能量；E(0)导带底能量；mn*为能带底电子的有效质量。因为E(K)E(0)，所以能带底电子的有效质量mn*是正值。同样，设能带底位于k=0。E(K)能带顶部附近能量；E(0)价带顶能量；mn*为能带顶电子的有效质量。因为E(K)E(0)，所以能带顶电子的有效质量mn*是负值。纵向（横向）有效质量：k空间等能面：本征半导体：纯净的半导体中费米能级位置和载流子浓度只是由材料本身的本征性质决定的，这种半导体称为本征半导体；纯净的、既无杂质有无缺陷的理想半导体材料。本征激发：在一定温度下，如果没有其他外界作用，半导体中的导电电子和空穴是依靠电子的热激发作用而产生的，电子从不断热振动的晶格中获得一定的能量，就可以从低能级的量子态跃迁到高能级的量子态，这就是本征激发。本征半导体中载流子只能通过把价带电子激发到导带产生，这种激发过程称为本征激发。特点：导带中的电子和价带中的空穴是成对出现的。价键上的电子激发称为准自由电子，亦即价电子激发成为导带电子的过程，称为本征激发。P17空穴：空穴是未被电子占据的空量子态，代表价带顶附近的电子激发到导带后留下的价带空状态，是一种为讨论方便而假设的粒子。意义：a把价带中大量电子对电流的贡献仅用少量的空穴表达出来；金属中仅有电子一种载流子，而半导体中有电子和空穴两种载流子，正是这两种载流子的相互作用，使得半导体表现出许多奇异的特性，可用来制造形形色色的器件。空穴是为处理价带电子导电问题而引进的概念。设想价带中的每个空电子状态带有一个正的基本电荷，并赋予其与电子符号相反、大小相等的有效质量，这样就引进了一个假想的粒子，称其为空穴。它引起的假想电流正好等于价带中的电子电流。价带顶电子激发到导带底后带顶附近出现的空的量子态称为空穴；性质：空穴具有正有效质量，空穴具有正电荷（空状态所在处，由于失去了一个价键上的电子，因而破坏了局部电中性，出现了一个未被抵消的正电荷，这个正电荷为空状态所具有，它带的电荷是+q），空穴的速度等于该状态有电子时其电子的速度，空穴的能量是向下增加的，位于满带顶附近。重空穴，轻空穴：载流子：金属中只有一种荷载电流的粒子，称为载流子。而半导体中有电子和空穴两种载流子。二、分析掌握下列基本问题1、能带的特点，能带的杂化，能带的描述。2、导体，半导体，绝缘体能带结构的区别。能带论认为电子参与导电是由于在外力作用下电子状态以及分布发生变化。a.满带中的电子在外力作用下不导电外电场存在时不改变布里渊区电子的分布状态，所以电子尽管运动但不导电。b.半满带中电子在外力作用下可参与导电电子能量状态和分布都发生变化，所以导电。c.导体、半导体、绝缘体的能带因为电子对电子加速，电子的状态和速度都发生变化能带论认为，电子从一个能级跃迁到另一能级晶体能够导电是因为电子加速，所以跃迁，内层电子位于满带的能级上，所以内层电子不参与导电。半导体中其导电作用的电子只集中在能量极值附近T0K时，半导体内满带电子获得能量发生跃迁↘满带变半满带，剩余电子参与导电——用p描述↘空带变半满带，空带电子参与导电——用n描述绝缘体与半导体的唯一区别在绝缘体的禁带宽度远大于半导体，如室温下Si：Eg=12.1eV，金刚石Eg=6~7eV半导体在常温下已有相当数量的电子被激发到导带，所以常温下具有一定的导电能力。T=0K时，半导体的能带结构与绝缘体相似绝缘体、半导体、导体的能带结构即电子填充情况有什么不同呢?答：电子填充情况及能带结构不同：绝缘体最高能带电子填满，导体最高能带电子未填满，半导体最高能带电子填满能带。导体中一定存在电子未填满的带，绝缘体、半导体的能带只有满带和空带。绝缘体的能带与价带相互独立，禁带较宽；半导体能带与价带相互独立，禁带较窄，一般在2eV以下；导体价电子是奇数的金属，导带是半满的，价电子是偶数的碱土金属，能带交迭，禁带消失。（在半导体中，导带的电子和价带的空穴均参与导电，这是与金属导体的最大差别；绝缘体的禁带宽度很大，激发电子需要很大能量，在通常温度下，能激发到导带去的电子很少，所以导电性很差。半导体的禁带宽比较小，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。）3、本征半导体的导电原理。半导体呈本征型的条件?答：半导体呈本征型的条件：高纯、无缺陷的半导体或在高温时的杂质半导体。半导体中除了导带上电子导电作用外，价带中还有空穴的导电作用。对于本征半导体，导带中出现多少电子，价带中相应地就出现多少空穴，导带上的电子参与导电，价带上空穴也参与导电，这就是本征半导体的导电机构。这一点是半导体同金属的最大差异P224、Si，Ge，GaAs能带结构的异同点。第二部分：半导体中杂质和缺陷能级一、理解下列基本概念杂质：在半导体晶格中存在着与组成半导体材料的元素不同的其他化学元素的原子。单位体积中杂质原子数称为杂质浓度。替位式杂质：杂质原子进入半导体硅以后，杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，称为替位式杂质。形成替位式杂质的条件：杂质原子大小与晶格原子大小相近；替位式杂质一般要求原子大小与被取代原子大小比较接近，且价电子壳层结构也比较接近（对Si、Ge而言），如IIIA、VA组元素在硅锗晶体中都是替位式杂质。间隙式杂质：杂质原子进入半导体硅以后，杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称为间隙式杂质。形成间隙式杂质的条件：(1)杂质原子大小比较小；(2)晶格中存在较大空隙。形成间隙式杂质的成因：半导体晶胞内除了晶格原子以为还存在着大量空隙，而间隙式杂质就可以存在在这些空隙中。杂质能级：杂质电离：磷原子替换硅原子后，其效果是形成一个正电中心P+和一个多余的价电子。这个多余的价电子就束缚在正电中心P+的周围。但是这个束缚作用比共价键的束缚作用弱的多，只要很少的能量就可以使它挣脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动，这时磷原子就成为少一个价电子的磷离子(P+)，它是一个不能移动的正电中心。上述电子脱离杂质原子束缚成为导电电子的过程称为杂质电离。使这个多余的价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△ED。V族元素在Si、Ge中释放出电子并形成正电中心，称V族元素为n型杂质（施主）；III族元素在Si、Ge中释放出电子并形成正电中心，称III族元素为p型杂质（受主）。施主杂质：束缚在杂质能级上的电子被激发到导带Ec成为导带电子，该杂质电离后形成-正电中心，这种杂质称为施主杂质。(受主杂质同理)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，因此称这种杂质为施主杂质；施主能级：施主未电离时，在饱和共价键外还有一个电子被施主杂质所束缚，该束缚态所对应的能级称为施主能级。特征：①施主杂质电离，导带中出现施主提供的导电电子；②电子浓度大于空穴浓度，即np。施主杂质束缚电子的能量状态成为施主能级，记作Ed。由于杂质含量通常较少，因此杂质原子间的相互作用可以忽略，所以施主能级是相互孤立的能级。正电中心：III、V族元素在硅、锗金属中是替位式杂质。硅中掺磷时，一个磷原子占据了硅原子的位置。磷原子有5个价电子，其中4个价电子与周围的4个硅原子形成共价键，还剩一个价电子。同时磷原子所在处也多余一个正电荷+q（硅原子去掉价电子有正电荷4q，磷原子去电价电子有正电荷5q），称这个正电荷为正电中心磷离子（P+）。施主电离：杂质电离——电子脱离杂质原子束缚成为导电电子的过程；释放电子的过程称为施主杂质电离；电离能：杂质电离能是杂质电离所需的最少能量，施主型杂质的电离能等于导带底与杂质能级之差，受主型杂质的电离能等于杂质能级与价带顶之差。n型半导体：也称为电子型半导体。N型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体。在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子，通常把主要依靠自由电子导电的半导体称为N型半导体。自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成；掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。受主杂质：因为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，因此称其为受主杂质。受主能级：受主杂质电离后所接受的电子被束缚在原来的空状态上，该束缚态所对应的能级称为受主能级。特征：①受主杂质电离，价带中出现受主提供的导电空穴；②空穴浓度大于电子浓度，即pn。受主杂质电离能——受主杂质电离所需的能量，记作△EA负电中心：硅晶体掺入硼，一个硼原子占据了硅原子的位置。硼原子有三个价电子，当它和周围四个硅原子形成共价键时，还缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子，于是在硅晶体的共价键中形成一个空穴。而硼原子接受一个电子后，成为带负电的硼离子（B-），称为负电中心。受主电离：空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主杂质电离。（受主电离过程实际上是电子的运动，是价带中的电子得到能量△EA后，跃迁到