半导体物理重点.docx

半导体物理重点半导体重点 第一章 1.能带论：用单电子近似的方法研究晶体中电子状态的理论成为能带论。 2.单电子近似：即假设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场及其它电子的平均势场中运动的。 3.金属中，由于组成金属的原子中的价电子占据的能带是部分占满的，所以金属是良好的导体。半导体中，如图所示，下面是被价电子占满的满带，亦称价带，中间为禁带，上面是空带，当温度升高，或者有光照的时候，满带中有少量电子可能被激发到上面的空带中去，此时半导体就能导电了。在半导体中导带的电子和价带的空穴均参与导电，金属中只有电子导电。 4.电子公有化运动：当原子相互接近形成晶体是，不同原子的相似壳层之间就有了一定程度的交叠，电子不再完全局限在一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子可以在整个晶体中运动，这种运动就称为电子的共有化运动。 第二章 1.施主杂质：在Si，Ge中电离是能够施放电子而产生导电电子，并形成正电中心的杂质。常见V族杂质有：P，As，Sb 2.受主杂质：在Si，Ge中电离是能够接收电子而产生导电空穴并形成负电中心的杂质。 常见的III族杂质：B，Al，Ga，In 3深能级：非III，V族杂质在Si，Ge的禁带中产生的施主能级距导带底较远，产生的受主能级距价带顶也较远，通常称这种能级为深能级，相应的杂质为深能级杂质。 作用：这些深能级杂质能够产生多次电离，每一次电离相应的有一个能级。因此这些杂质在Si，Ge的禁带中往往引入若干个能级，而且有的杂质既能产生施主能级，又能产生受主能级。对于载流子的复合作用比前能级杂质强，Au是一种很典型的复合中心，在制造高速开关器件是，常有意掺入Au以提高器件的速度。 4.补偿作用：在半导体中，施主和受主杂质之间的相互抵消的作用称为杂质的补偿。 当N >>N ：为n型半导体，当N >>N ：为P型半导体，N >>N 时，施主电子刚好填充受主能级，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。 利用杂质的补偿作用，可以根据需要用扩散或者离子注入方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件。 半导体中净杂质浓度称为有效杂质浓度。N N 为有效施主能读，N N 为有效受主浓度。 第三章 1.热平衡状态：在一定温度下，载流子的产生与复合将建立起动态平衡，称为热平衡状态。这时，半导体中的导电电子浓度和空穴浓度都保持一个稳定的数值，这种处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。 2.状态密度：假定在能带中能量E到E+dE之间无限小的能量间隔内有dZ个量子态，则状态密度，它就是在能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子态数。 3.简述计算状态密度的步骤：首先算出单位k空间中的量子态数，及k空间中的状态密度；然后算出k空间中与能量E到E+dE间的所对应的k空间的体积，并和k空间中的状态密度相乘，从而求得在能量E到E+dE间的量子态数dZ；最后，根据求得状态密度。 4.推导导带底附近的状态密度表达式： 5.推导价带顶附近的状态密度表达式： 6.费米能级定义：对于能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率为 称为费米能级分布函数，称为费米能级，应用于简并状态，当时，有 应用于非简并状态。 7导带中电子浓度的表达式： 价带中空穴浓度的表达式： 8.电中性条件： 本征激发下的电中性条件为。随着温度的升高，本征载流子迅速增加，禁带宽度越大，半导体器件的极限工作温度越大，本征载流子浓度相对越低。 杂质电中性条件： 9.根据n型硅中电子浓度与温度关系图解释，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。 如图所示，在低温时，电子浓度随温度的升高而增加。温度升到100K时，杂质全部电离，温度高于500K后，本征激发开始起主要作用。所以温度在100K到500K间杂质全部电离，载流子浓度基本上就是杂质浓度。 10.从载流子浓度乘积中可以得出哪些结论：电子和空穴的浓度乘积与费米能级无关，对一定的半导体材料，乘积只决定于温度T，与所含杂质无关。而在一定温度下，对不同的半导体材料，因尽带宽度不同，乘积也不同。这个关系式不论是本征半导体还是杂质半导体，只要是热平衡状态下的非简并半导体，都适用，且对一定的半导体材料，在一定温度下，乘积是一定的。 11.区分简并化和非简并化的标准是什么： 发生载流子兼并化的半导体称为简并半导体，必须用费米分布函数来分析导带中的电子及价带中的空穴的统计分布问题，这种情况称为载流子的简并化。 条件是： 第四章 1.欧姆定律的微分形式： 2.漂移运动：电子在电场力作用下的运动叫漂移运动。 漂移速度：它们定向运动的速度称为漂移速度。 3.迁移率： 电流密度与迁移率间的关系： 电导率与迁移率的关系式 4.散射：载流子在半导体中运动是，便会不断地与热震动着的晶格原子或电离了的杂质离子发生作用，或者说碰撞，碰撞后载流子的大小和方向就发生改变，用波的概念解释就说电子波在半导体中传播是遭到了散射。 主要散射有：电离杂质的散射；晶格震动的散射，包括光学波散射和声学波散射；等同的能级间散射，中性杂质散射，位错散射，载流子之间的散射。 5.迁移率与杂质浓度和温度之间的关系：对于掺杂的Ge，Si等原子的半导体，主要散射机构是声学波散射和电离杂质散射，在高纯样品或杂质浓度较低的样品中，迁移率随温度升高而迅速减小，这是因为很小，晶格散射起主要作用。当杂质浓度增加后，迁移率下降趋势就不太明显了，这说明杂质散射机构的影响在逐渐加强，当杂质浓度很高时，随着温度升高，电子迁移率反而缓慢上升，直到很高温度才稍有下降，这说明杂质散射比较显著。温度继续升高后，虽然很大，但因为T很大，可以使降低，起主导作用的是，这时又以晶格振动散射为主，迁移率下降。迁移率随杂质浓度的增加而下降。 6.解释下图： AB段：温度很低，本征激发可以忽略，载流子主要由杂质电离提供，它随温度升高而增加；散射主要由电离杂质决定，迁移率也随温度升高而增大，所以电阻率随温度升高而下降。 BC段：温度继续升高，杂质已全部电离，本征激发还不十分显著，载流子基本上不随温度变化，晶格振动散射上升为主要矛盾，迁移率随温度升高而降低，所以，电阻率随温度升高而增大。 C段：温度继续升高，本征激发很快增加，大量本征载流子的产生远远超过迁移率减小对电阻率的影响，这声，本征激发成为矛盾的主要方面，杂质半导体的电阻率将随温度的升高而急剧地下降，表现出同本征半导体相似的特性。 7.载流子的平均漂移速度与电场的关系：电子迁移率空穴迁移率 电导率 当电场E比较小时，与呈线性关系，与无关，当继续增大时，增加缓慢，随增加而降低，当继续增加是，达到饱和。如图所示： 8.热平衡载流子：在强电场下，载流子冲电场中获得的能量很多，载流子的平均能量比热平衡状态是大，因而载流子和晶格系统不再处于热平衡状态。温度是平均动能的量度，既然载流子的能量大于晶格系统的能量，人们便引进载流子的有效温度来描述与晶格系统不处于热平衡状态的载流子，并称这种状态的载流子为热载流子。 9.耿氏效应：在n型砷化镓两端电极上加以电压，当半导体内电场超过3×1000V/cm时，半导体内的电流便以很高的频率振荡，振荡频率约为0.476.5GHz，这个效应成为耿氏效应。 10.为什么会产生负微分电导：当电场达到3×1000V/cm后，能谷1中的电子可从电场中获得足够的能量而开始转移到能谷2中，发生能谷间的散射，电子的准动量有较大的改变，伴随散射就发射或吸收一个光子，如图所示： 但是这两个能谷不是完全相同的，进入能谷2 的 电子，有效质量大为增加，迁移率大大降低，平均 漂移速度减小，电导率下降，产生负阻效应。 由于 在的区域就出现负微分颠倒，迁移率为负值。 第五章 1.非简并半导体的热平衡状态的判据式： 2.平衡载流子浓度：处于平衡状态下的载流子浓度称为平衡载流子浓度。 非平衡状态：如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡条件，迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡态。 3.光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子的方法，称为非平衡的光注入。 小注入：对于n型材料，满足此操作为小注入。 注入方法：光注入，电注入。 非平衡载流子的复合：产生非平衡载流子的外部作用撤除后，由于半导体内部作用，使它由非平衡态恢复到平衡态，过剩载流子逐渐消失，这一过程称为非平衡载流子的复合。 4.非平衡载流子的寿命：非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命，用表示。 非平衡载流子的复合率：通常把单位时间，单位体积内净复合消失的电子空穴对称为非平衡载流子的复合率。复合率= 非平衡载流子复合率与非平衡载流子浓度及寿命的关系： 非平衡载流子浓度随时间按指数规律衰减。 5.准费米能级：当半导体的平衡态遭到破坏而存在非平衡载流子时，可以认为，分别就导带和价带中的电子讲，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导带和价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。 6.非平衡载流子浓度随时间变化的规律： 7.复合种类：直接复合：电子在导带和价带之间直接跃迁，引起的电子和空穴的直接复合。 间接复合：电子和空穴通过禁带的能级进行复合。 俄歇复合：将能量给予其它载流子，增加它们的动能，称为俄歇复合。 放出能量的方法：发射光子，发射声子，将能量给予其它载流子，增加它们的动能。 8.间接复合的过程： 相对于复合中心而言，共有四个微观过程，如图所示： 甲：俘获电子过程。复合中心能级从导带俘获电子。 乙：发射电子过程。复合中心能级上的电子被激发到导带 丙：俘获空穴过程。电子由复合中心能级落入价带与空穴复合。也可以看成复合中心能级从价带俘获了一个空穴。 丁：发射空穴过程。价带电子被激发到复合中心能级上。也可以看成复合中心能级向价带发射了一个空穴 9.陷阱效应：杂质能级的这种积累非平衡载流子的作用就称为陷阱效应。 陷阱：把有显著陷阱效应的杂质能级称为陷阱。 陷阱中心：把相应的杂质和缺陷称为陷阱中心。 陷阱效应的作用：复合中心不具有积累载流子的作用，陷阱效应大大增长了从非平衡态恢复到平衡态的弛豫时间，延长了非平衡载流子的寿命，使持续光电导时间变长。 10.解释图 在有陷阱的情况下，附加电导一般都不是简单的指数式衰减，图中A部分主要是导带中电子复合衰减；B部分主要是浅陷阱电子的衰减；C部分主要是深陷阱中电子的衰减所致。 11.扩赛流密度：考虑一维情况，即假定非平衡载流子浓度只随x变化，写成，那么在x方向上，浓度梯度= 通常把单位时间通过单位面积的粒子数称为扩散流密度。实验发现，扩散流密度与非平衡载流子浓度梯度成正比。若用表示空穴扩散流密度，则有 比例系数称为空穴扩散系数。上式为扩散定律。 12.稳定扩赛：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。这种情况称为稳定扩散。 13.空穴的扩散电流密度： 电子的扩散电流密度： 14.爱因斯坦关系式推导： 第六章 1.p-n结的制作方法：合金法，扩散法，生长法，离子注入法。 突变结：用合金法，在交界面处，杂质浓度由突变为，具有这种分布的p-n结称为突变结 缓变结：用扩散法，杂质浓度从P区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结。 如图解释突变结，缓变结的杂质浓度的分布： 综上所述：p-n结的杂质分布一般可以归纳为两种情况，即突变结和线性缓变结。合金结和高表面浓度的浅扩散结一般可认为是突变结。而低表面浓度的深扩散结，一般可以认为是线性缓变结。 2.p-n结能带图 3.p-n结接触电势差： 4.正向和反向偏压下p-n结的费米能级 5.肖克莱方程