电子材料与电子元器件期末复习

1电子材料与电子元器件期末复习填空10*3=30简答题6*6=36问答题4*8.5=34第二章晶体材料的结构1.晶体的主要特征自范性均匀性对称性各向异性解理性2.基本概念（1）点阵结构•把基元抽象成一个几何质点，由这些质点的规则几何排列，构成质点在三维空间的点阵结构，称为晶体的点阵结构。（2）晶体结构•点阵结构+基元=晶体结构（晶体结构可以看成是由点阵结构加上基元构成的）（3）晶胞•如果晶格中的一个平行四边形（二维），沿其相邻的两个边不断重复运动，就可得到整个晶体的结构，这个平行四边形就叫单位晶胞。•三维空间中，能反映晶体对称性的最小结构单元。（4）晶胞常数（晶格常数）•决定晶胞形状和大小的主要参数。也叫晶格常数；•包括：晶胞的边长a、b、c表示三个轴向上的基矢；α、β、γ分别表示基矢间的夹角。（5）晶面（指数）晶面是至少三个不同线的布拉维格点构成的平面。（l1l2l3）（6）晶向（指数）•布拉维格子中的所有格点，可以看成是分别在一系列互相平行的直线上，这一族平行直线可以把一个平面内所有格点包括。并且，通过任一格点可以有无穷多条直线，每条直线代表一个特定方向，称为晶向。•一组表示晶向的数。[l1l2l3]（7）密堆积•把晶体中的原子或离子看作是具有一定刚度的等径球，则这些球在三维空间中可以按照不同的方式堆积，其中能够最大限度占据空间的堆积方式叫密堆积。•这种堆积方式应该是：使任一球体尽可能与周围同样的球体接触的数目最多。（8）配位数•和某一圆球相切的相邻空间圆球数，叫配位数。3.原子结合方式离子键、共价键、金属键、范德瓦耳斯力4.晶体常见的微观缺陷：点、线、面2第三章半导体材料与应用1.基本概念•（1）能级：核外各层电子间的能量差是量子化的，电子在原子中运动的量子态（2）能带：•多能级间的间隔足够小，可近似看作是连成一条具有一定宽度的能带。（3）禁带宽度：•导带底与价带顶之差。（4）N型（施主杂质）：•以施主杂质掺杂为主的半导体，其导电性主要由施主激发到导带底的电子决定，这种主要依靠电子导电的半导体叫N型半导体。（5）P型（受主杂质）：•以受主杂质掺杂为主的半导体，其导电性主要由受主激发到价带顶的空穴决定，这种主要依靠空穴导电的半导体叫P型半导体。（6）费米能级:由杂质能级或满带所激发的电子，使导带产生电子或使价带产生空穴，这些电子或空穴致使半导体导电，统称为载流子。导带中电子的分布遵循费米分布的一般规律。（7）非平衡载流子：在外界作用下，有可能使电子浓度和空穴浓度偏离平衡值。例如，在光照下，由价带激发电子至导带而产生电子空穴对，使电子密度增加Δn，空穴密度增加Δp，多余的载流子称为非平衡载流子。（8）霍尔效应：当电流垂直于外磁场通过导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应。2.半导体性质：（1）光电效应在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。（2）压阻效应压阻效应，是指当半导体受到应力作用时，由于应力引起能带的变化，能谷的能量移动，使其电阻率发生变化的现象。（3）磁阻效应半导体材料受到与电流方向垂直的外加磁场作用时，不但具3有霍尔效应，还会出现电流密度下降和电阻率增大的现象，这种外加磁场使电阻变化的现象称为磁阻效应。3.常见元素半导体、化合物半导体及性质1元素半导体材料-Si、Ge、Se、Diamond1.是目前应用于半导体工业的主要材料；•储量丰富，禁带较宽（1.1eV），使用温度较高；•间接跃迁半导体；•高、中阻硅-整流二极管、晶闸管整流器，中阻P型硅-集成电路；•硅单晶越做越大。2.锗（Ge）•是开发较早的半导体材料；•Eg=0.67eV，间接跃迁；•迁移率较高-适于做高频器件和低噪音器件；•非常好的红外材料和光导材料；•目前在激光和红外领域中有广泛应用。3.硒（Se）•黑色玻璃态半金属，有非晶态和结晶态两种类型；•结晶态硒具有金属光泽，对光敏感，是一种半导体光电材料；•主要用于复印行业，有一半产量用于制作硒鼓（光电转换）。4.金刚石（C）•是碳的同素异形体，结构与硅相似；•导热性极好，可做IC的热衬；•硬度最高，用于钻头、磨削工具；•对远红外到紫外光的透射性好，用于制造紫外探测器；•具有宽的光谱透光性，用于各种透镜的硬质保护膜和窗口材料。2.化合物半导体材料（1）砷化镓（GaAs）•是目前应用最广泛的化合物半导体材料。•禁带宽度1.4eV，比Si大，温度更高，反向电压更大-大功率器件。•迁移率高，是Si的6倍，可工作在更高的频率下，适于作高速集成电路、微波IC、光IC。（2）磷化铟（InP）•是继Si、GaAs之后的新一代半导体功能材料；Eg=1.35eV•载流子极限速度较高，工作频率比GaAs更高；•电子的扩散速率与迁移率之比小于GaAs，更有利于制作低噪声器件；•热导率比GaAs大，适于作大功率器件。（3）锗化硅（SiGe）•“第二代硅微电子材料”；•载流子迁移率高，带隙可调；•热导率是GaAs的3倍，更适于作大功率器件；•直接跃迁发光波长是1.3~1.55μm，长距离光纤通信的理想波长。（4）碳化硅（SiC）•能级宽，其电子器件可在极高温下工作；•可发射或检测短波长的光，用以制作蓝色发光二极管或几乎不受太阳光影4响的紫外线探测器；•可经受高电压和高电场强度，是Si的8倍，适于作高压大功率器件，如高压二极管、功率三极管、晶闸管以及大功率微波器件等。第四章化合物半导体基础1.正格子•在坐标空间的数学表示形式-正基矢a1a2a32.倒格子定义及关系•在倒空间的数学表示形式-波矢k3.（第一）布里渊区•在k空间，作原点和所有倒格矢的垂直平分面，这些面把k空间分割为许多区域；•每个区域内E~k是连续变化的，而在这些区域的边界上能量E(k)发生突变，这些区域称为布里渊区4.能带图电子状态的分类是按照晶体对称性来划分的，把布里渊区中各个方向上的电子能量E和波矢k的关系画出来，就可得到所谓的能带图。5.载流子的常见散射机制杂质散射晶体缺陷散射晶格散射6.速度过冲与弹道输运在强电场作用下，半导体中载流子的瞬间漂移速度远超过其饱和速度值的现象，称为速度过冲。弹道输运是指在半导体材料中，电子运动过程中没有任何碰撞所导致的散射作用影响的瞬态输运过程。7.二维电子气、异质结、超晶格概念及性质（发光、高速）（1）二维电子气在宽禁带半导体和窄禁带半导体所构成的超晶格系统中，处于窄禁带半导体5侧的导带或价带的势阱呈现一系列的子带，即电子所取的能量是量子状态的，因此这种势阱中的电子系统称为二维电子气。二维电子气的存在，使有关的材料和器件具有很多独特的性能，如高的电子迁移率、良好的光学性能、二维体系的电导特性等。（2）异质结由两种不同的半导体材料接触而组成的结称为半导体异质结。不同能带形式的异质结，其电流传输机理是不同的，因此将有不同形式的伏安特性。（3）超晶格由几种成分不同或掺杂不同的超薄层周期性地堆叠起来而构成的一种特殊晶体，每层的厚度只有1-10nm，超薄层堆叠的周期(称为超晶格周期)要小于电子的平均自由程。非晶态半导体超晶格的性质：多层结构材料的光学和电学带隙变宽光电导增强光致发光的峰值位置产生偏离平行和垂直于多层结构的电导特性具有不对称性在室温条件下观察到明显的持续光电导效应第五章化合物半导体器件1.直接、间接跃迁半导体（发光）•直接跃迁型：k空间中，价带顶和导带底是在同一能量轴上；•直接跃迁半导体吸收外界能量后，跃迁时直接以光子的形式发射出来，发光效率高。•间接跃迁型：k空间中，价带顶和导带底不在同一能量轴上；•间接跃迁半导体吸收能量后，跃迁时大部分以热的形式（晶格振动-声子）散发掉了，发光效率低。2.MESFET的高频特性及提高途径MESFET具有很高的频率。为了得到高的截止频率，栅极电容和寄生电阻都必须尽可能的小，而与此同时，跨导则必须尽可能大。这就要求：沟道的载流子有效速度要高；栅极长度要短；寄生电阻要小。3.HBT、HEMT名称含义、类别（单双极）、特性（1）HBT：异质结双极型晶体管HBT器件的直流特性即使是在NE远小于NB的时候，也能获得很高的βmax值。HBT器件的高频特性：6功率增益与截至频率成正比，与基区寄生电阻和集电极-基极结电容成反比（2）HEMT调制掺杂场效应晶体管（MODFET）又称为高电子迁移率晶体管（HEMT）、二维电子气场效应晶体管（TEGFET）。MODFET的独特性在于异质结构，在该结构中对宽能隙材料进行掺杂，载流子扩散到未掺杂的窄能隙材料中，并在此形成沟道，沟道中电子在垂直方向上的动量是量子化的（即二维电子气）。这种调制掺杂的实际结果是，未掺杂异质界面上的载流子在空间上与掺杂区隔离，且由于不存在杂质散射而具有极高的迁移率。4.半导体光电器件分类及其定义半导体光电器件，即半导体光源和半导体光电探测器，这些器件主要是用化合物半导体来制备的，这主要是基于以下两个方面的原因：一是大部分化合物半导体是直接跃迁半导体，其光电转化效率高；其次，化合物半导体材料禁带宽度有一个较大的变化范围。未来化合物半导体光子器件可用来构建光电集成电路和光学计算机半导体光源是将输入的电能转化为光能的器件，其机理是电致发光，即在一定的偏置下，由通过器件的电流产生光的现象。LED（Light,发光二极管）LD（Laser,激光二极管）半导体光电探测器是一种将光信号转变成电信号的半导体器件。第六章电子材料与器件1.光纤结构及作用、传输原理、制备工艺步骤光纤的基本结构一般是双层或多层的同心圆柱体。一般可以分为三部分：纤芯、包层和涂覆层。光纤的制备主要包括原料的制备与提纯、预制棒或晶锭的制作与拉丝光的折射，反射和全反射。2.固体激光器的结构及基本工作原理固体激光器是研究最早的一类激光器，它以固体作为工作物质，包括绝缘晶体和玻璃两大类。工作物质是在基质材料中掺入激活离子(金属离子或稀土离子)而制成。固体激光器的构成通常包括工作物质、谐振腔、泵浦光源这三个基本组成部分73.液晶分类、TN显示原理液晶的分类按分子量大小，可分为低分子液晶与高分子液晶。按形成条件和组成，可分为热致液晶和溶致液晶。热致液晶由温度引起，并且在一定温度范围内存在，一般是单一组分或均匀混合物。在化合物熔点以上的温度下稳定存在的热致液晶称为互变液晶。一般用于显示。溶致液晶是由浓度引起的，在一定浓度范围内存在，一般是由符合一定结构要求的化合物与溶剂组成的混合物。从分子排列有序性来分，可分为向列相、近晶相、胆甾相。当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在无电场作用时，由线偏光经过扭曲向列液晶的旋光特性决定，在出射处，检偏片与起偏片相互垂直，旋转了90°的偏振光可以通过。因此呈透光态。在有电场作用时，当电场大于阈值场强后，液晶盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列，即与表面呈垂直排列，此时入射的线偏振光不能得到旋转，因而在出射处不能通过检偏片，呈暗态。该模式实现了白底上的黑字显示，称为正显示。同样，加果将起偏振片和检偏振片的偏振轴相互平行粘贴，则可实现黑底白字显示，称为负显示。第七章电介质材料1.电介质的极化概念及表示（微观、宏观）电介质的极化：电介质在电场作用下内部感应偶极矩的现象。极化的本质：电介质各处的正负束缚电荷的分布是宏观均匀的，这才能保证电介质在正常条件8下宏观上表现为不带电荷。从微观看，不管是何种极化机制，结果都可归结为偶极子的形成。2.提高介电常数的途径一是要提高N值，即提高电介质的密度或选用密度较大的电介质材料；二是要选取由分子极化率大的质粒所组成的电介质；三是要选取介质内部具有大的有效电场的介质材料。3.极化损耗及表示电介质在外电场的作用下，将一部分电能转变成热能的物理过程，称为电介质的损耗，其结果是电介质发热，温度上升。在电场的作用下，电介质中存在的一些弱联系的导电载流子作定向移动，形成传导电流。这部分传导电流中的能量以热的形式消耗掉，称之为电导损耗。当外电场频率足够高，偶