半导体物理期末复习大纲

半导体物理期末复习大纲复习提示书本、作业通读有帮助基本常数、核心公式、重要物理图像要记牢各个概念、基础物理常识要熟悉该理解的要自己推导一遍，理顺思路上课只讲n(p)型Si的内容，最好自己推导对应的p(n)型Si的内容。复习大纲只是重点提示，考试内容则覆盖全部授课内容。§1·1半导体的晶体结构和结合性质1.常见半导体的3种晶体结构；2.常见半导体的2种化合键。1.电子的共有化运动，导带、价带、禁带的形成；2.周期性波函数(布洛赫波函数)；3.导体、半导体、绝缘体的能带与导电性能的差异。§1.2半导体中电子的状态与能带的形成1.有效质量的意义和计算；2.半导体平均速度和加速度。§1.3半导体中电子的运动和有效质量(重点）1.硅和锗的导带结构2.硅和锗的价带结构3.GaAs的能带结构§1.5半导体的能带结构●两种载流子的比较●直接带隙半导体和间接带隙半导体第一章半导体中的电子状态§1.4半导体中载流子的产生及导电机构1.杂质在Si、Ge、GaAs中的存在形式2.浅能级杂质的特点及在半导体中的作用；3.浅能级杂质电离能的计算；4.杂质补偿作用5.各类杂质在GaAs、GaP中的杂质能级6.掌握等电子陷阱和等电子杂质的概念7.能解释硅在GaAs中的双性行为§2.1半导体中的浅能级杂质1.深能级杂质的特点2.深能级杂质在半导体中起的作用3.★特别注意Au在硅中既有施主能级又有受主能级，它是有效的复合中心§2.2半导体中的深能级杂质1.掌握点缺陷对半导体性能的影响2.掌握位错缺陷对半导体性能的影响§2.3半导体中的缺陷、位错能级第二章半导体中的杂质和缺陷第三章热平衡态下半导体载流子的统计分布●掌握费米分布函数的概念●掌握费米分布函数和玻耳兹曼分布函数及费米能级的意义§3.2热平衡态时电子在量子态上的分布几率●掌握概念：k空间状态密度、能量状态密度●推导：导带底和价带顶状态密度表达式§3.3状态密度●导带电子和价带空穴浓度表达式的推导●理解、掌握电子浓度、空穴浓度表达式的意义●理解、掌握浓度积nopo及影响因素§3.4热平衡时非简并半导体的载流子浓度no和po●计算本征半导体和杂质半导体的热平衡载流子浓度及费米能级位置●讨论no、po、EF与ND、NA、T的关系本章主要任务本节要点●能够写出本征半导体的电中性方程，并导出费米能级的表达式●熟悉半导体载流子浓度与温度和禁带宽度的关系●了解通过测量不同温度下本征载流子浓度如何得到绝对零度时的禁带宽度●正确使用热平衡判断式nopo=ni2●记住常用数据：300K时Si、Ge、GaAs的禁带宽度（1.12eV、0.67eV、1.428eV）；本征载流子浓度（1.5*1010cm-3、2.4*1013cm-3、1.1*107cm-3）§3.5本征半导体的费米能级和载流子浓度本节要点●根据电中性方程导出各个温度区间的费米能级和载流子浓度表达式●杂质电离程度与温度、掺杂浓度及杂质电离能有关。温度高、电离能小，有利于杂质电离。但杂质浓度过高，则杂质不能充分电离。通常所说的室温下杂质全部电离，实际上忽略了杂质浓度的限制。基本要求●能够写出只掺杂一种杂质的半导体的一般性电中性方程●能够较熟练地计算室温下的载流子浓度和费米能级（N型和P型）●在掺杂浓度一定的情况下，能够解释多子浓度随温度的变化关系。§3.6非简并杂质半导体的载流子浓度第四章半导体的导电性本节要点1.欧姆定律的微分形式；2.漂移速度和迁移率，电导率和迁移率。§4.1载流子的漂移运动迁移率本节要点1.几种主要的散射机构2.决定散射几率的因素；§4.2载流子的散射本节要点1.平均自由时间和散射几率的关系；2.电导率、迁移率与平均自由时间的关系；3.迁移率与杂质浓度和温度的关系；§4.3迁移率与温度和杂质浓度的关系本节要点1.电阻率与温度的关系；2.电阻率与杂质浓度的关系§4.4电阻率与温度和杂质浓度的关系本节要点1.热载流子的概念；2.迁移率与温度关系§4.6强电场效应热载流子§4.7多能谷散射、耿式效应、负阻效应本节要点应用谷间散射解释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本节要点1.非平衡载流子的产生注入与复合；2.非平衡载流子对电导率的影响§5.2非平衡载流子的寿命本节要点1、寿命与复合几率的关系2、注入条件消失后，非平衡载流子的衰减规律§5.3准费米能级和非平衡载流子浓度本节要点1、准费米能级的概念；2、用准费米能级表示非平衡状态下的载流子浓度§5.4复合理论本节要点1、几种主要的复合机构；2、直接复合中寿命的计算3、间接复合中强n/p型材料寿命的计算§5.5陷阱效应1.陷阱现象2.成为陷阱的条件§5.6非平衡载流子的扩散运动和扩散电流§5.7非平衡载流子的漂移运动和爱因斯坦关系§5.8电流连续性方程§6.1pn结及其能带图(平衡pn结特性)§6.2pn结电流电压特性§6.3pn结电容§6.4pn结的击穿§6.5pn结隧道效应基本要求：能定性描述雪崩击穿、隧道击穿、和热电击穿的机理。基本要求：理解pn结的形成原因，能够证明平衡pn结中费米能级处处相等，能画出平衡pn结载流子的分布图。基本要求：掌握非平衡pn结能带图及其与平衡pn结能带图的主要不同。掌握肖克莱方程。了解影响pn结电流电压特性方程偏离肖克莱方程的原因。基本要求：产生pn结电容的原因，掌握基本概念，能够计算势垒高度、势垒宽度，能导出突变结电场分布。基本要求：了解隧道结的伏安特性，能够定性解释隧道结的伏安特性。第六章pn结第七章金属和半导体的接触§7.1金属-半导体接触和能带图重点功函数；电子亲和势；接触电势势垒；阻挡层与反阻挡层§7.1.1金属和半导体的功函数§7.1.2接触电势差§7.1.3表面态对接触势垒的影响§7.1.4势垒区的电势分布§7.1.5肖特基接触的势垒电容§7.2金-半接触整流理论重点*阻挡层的整流特性和整流理论§7.2.1厚阻挡层的扩散理论§7.2.2热电子发射理论§7.2.3镜像力和隧道效应的影响§7.2.4肖特基势垒二极管§7.3少数载流子的注入和欧姆接触重点*欧姆接触§7.3.1少数载流子的注入§7.3.2欧姆接触第八章半导体表面与MIS结构§8.1表面态概念§8.2表面电场效应1.空间电荷层及表面势2.空间电荷层中的泊松方程3.半导体表面电场、电势和电容4.半导体表面层的五种基本状态§8.3Si-SiO2系统的性质Si-SiO2系统中的电荷状态§8.4MIS结构的C-V特性1.MIS电容结构的能带图2.理想MIS结构的C-V特性3.实际MIS结构的C-V特性(1)金半接触电势差的影响(2)绝缘层中电荷的影响(3)表面态的影响§8.5表面电导及迁移率垂直于表面方向的电场对表面电导起控制作用§8.6表面电场对pn结特性的影响第一章半导体中的电子状态晶体结构与共价键金刚石型结构闪锌矿型结构纤锌矿型结构氯化钠型结构能级与能带电子在原子核势场和其他电子作用下分列在不同能级相邻原子壳层形成交叠原子相互接近形成晶体共有化运动共有化运动：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只有外层电子共有化运动最显著能级分裂能带形成满带或价带导带半导体中电子状态和能带晶体中的电子VS自由电子严格周期性重复排列的原子间运动恒定为零的势场中运动单电子近似：晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场以及其他大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期变化的，并且它的周期与晶格周期相同。半导体中的电子运动半导体中E(k)与k的关系2*n22ddmEk电子速度与能量关系电子有效质量有效质量的意义：fa1、概括了半导体内部势场的作用2、a是半导体内部势场和外电场作用的综合效果3、直接将外力与电子加速度联系起来常见半导体能带结构直接带隙：砷化镓间接带隙：硅、锗半导体中的杂质所处位置不同：替位式杂质、间隙式杂质所处能级不同：施主杂质、受主杂质施放电子而产生导电电子并形成正电中心接受电子成为负电中心第二章半导体中的杂质和缺陷第三章半导体中载流子的统计分布热平衡状态低能量的量子态高能量的量子态产生电子空穴对使电子空穴对不断减少热平衡载流子：处于热平衡状态下的导电电子和空穴状态密度状态密度：能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数。EZEgdd状态密度的计算：为简单起见，考虑等能面为球面的情况21c323*nc24ddEEhmVEZEg推导过程书上P51费米能级与分布函数费米分布函数：（描述热平衡状态下，电子在允许的量子态上如何分布）)exp(110TkEEEfFT=0K时，若EEF，则f(E)=1若EEF，则f(E)=0标志了电子填充能级的水平E-EFk0T玻尔兹曼分布函数条件：E-EFk0TTkEEBFeEf0费米统计分布：受到泡利不相容原理限制玻尔兹曼分布：泡利原理不起作用导带电子浓度()cdZgEdE能量E到E+dE之间的量子态电子占据能量为E的量子态几率将所有能量区间中电子数相加除以半导体体积导带电子浓度n0()fE'()()ccEcEfEgEdEV*3/23/21/200300(2)4()exp()xncFmEEnkTxedxhkT载流子浓度是与温度、杂质数量及种类有关的量载流子浓度乘积n0p0与费米能级无关只决定与温度T，与所含杂质无关适用于热平衡状态下的任何半导体温度一定，n0p0一定g00cv0expEnpNNkTNc：导带有效状态密度Nv：价带有效状态密度杂质半导体中的载流子浓度TkEEEf0FDDexp2111TkEEEf0AFAexp21110()11exp()2DDDDDFNnNfEEEkT电子占据施主能级的几率：空穴占据受主能级的几率：施主能级上的电子浓度电离施主浓度DDDnNnn型硅中电子浓度与温度关系五个区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各区特点及变化趋势掺有某种杂质的半导体的载流子浓度和费米能级由温度和杂质浓度所决定。在杂质半导体中，费米能级的位置不但反映了半导体导电类型，而且还反映了半导体的掺杂水平。第四章载流子输运（导电性）漂移运动：电子在电场力作用下的运动迁移率：单位场强下电子的平均漂移速度||dE电导率电流密度//||npnpJnqE//npnpnq散射及散射机构平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程散射机构（1）电离杂质散射3/2iiPNT（2）晶格振动散射声学波光学波（3）其他散射：能谷散射、中性杂质散射、位错散射23TP长纵声学波在长声学波中起主要作用电阻率与温度的关系载流子主要由电离杂质提供杂质全部电离，晶格振动散射上升为主要矛盾本征激发成为主要矛盾强电场效应现象：偏离欧姆定律解释：从载流子与晶格振动散射时的能量交换过程来说明半导体磁电效应（不考）与载流子浓度、温度有关霍尔系数可确定半导体类型及载流子浓度第五章非平衡载流子施加外界作用偏离热平衡态产生非平衡载流子破坏热平衡条件比平衡态多出来一部分载流子非平衡载流子△n=n－n0△p=p－p0n：非平衡态下的电子浓度p：非平衡态下的空穴浓度n0：平衡态下的电子浓度p0：平衡态下的电子浓度非平衡载流子的复合：当半导体由非平衡态恢复为平衡态，过剩载流子消失的过程。准费米能级当半导体处于非平衡状态，不再具有统一的费米能级，引入准费米能级niFi0expEEnnkT非平衡态下电子浓度：非平衡态下空穴浓度：piFi0expEEpnkT复合理论直接复合电子在导带和价带之间的直接跃迁间接复合非平衡载流子通过复合中心的复合间接复合的四个过程过程前过程后陷阱效应(熟悉概念)杂质能级积累非平衡载流子的作用陷阱：具有显著效应的杂质能级陷阱中心：相应的杂质和缺陷载流子的扩散运动