《半导体器件》课程复习提纲

第一章1试画出金属及半导体相对真空能级的能带图，并标出有关电势符号加以说明？2当金属－半导体紧密接触以后，如何建立统一的费米能级E f？说明Фb＝Φm－Χs的物理意义是什么？3说明公式qΦs＝qΧs＋q（E c－E f）的物理意义？4什么是“肖特基势垒”？写出其表达式？它是对什么区域电子而言？5金属－半导体结的正偏如何？6金属－半导体结的反偏特性如何？7肖特基势垒qΦb是金半结什么偏置下建立的？8金半的1/c2～(V R+Φ0)曲线是什么原理制作？9金半1/c2～V曲线有何应用？10什么是界面态？11表面态对E0<E f及E0>E f时对金半自建场有何影响？12试简述金半I－V的电流输运理论？13从热电子发射出发说明dn=N(c)·f(E)·dE的物理意义？14试简述热电子发射理论求得的电流方程式I0=ART2exp(-ｑΦm/KT)是如何建立的？15有金属－真空系统推倒的电流公式可用于M－S结吗？16写出金半的正偏、反偏及总的电流表达式？17如何从S－M结上的I－V特性曲线求I0及Φb?18什么是镜像力？它对电势有何影响？19在M－S结中镜像力对金属的势垒有何影响？20在M－S结的反偏时，其实际值与理论值差异是如何形成的？写出修正式？21试画出MIS结的能带图，并说明MIS对半导体势垒的影响？22MIS二极管的传导电流何种特性？写出其电流表达式？23MIS的氧化层对载流子有何影响？24什么是SBD二极管？有何特点？举例IC及高频方面的应用？25什么是欧姆接触（非整流的MS结）？26画出N型半导体或P型半导体形成欧姆接触能带图，并作说明。

27为什么说实际欧姆接触仅是一种近似？电流机制是什么？28获得良好的欧姆接触的工艺措施是什么？29SBD二极管“周边效应”有何影响？30SBD二极管的改进结构如何？31什么是异质结？第二章1什么是PN结？什么是平衡PN结？2画出平衡PN结的能带图，并说明PN结平衡的标志是什么？3平衡结的空间电荷区是如何建立的，作图说明。

第一章PN结1.1 PN结是怎么形成的？耗尽区：正因为空间电荷区内不存在任何可动的电荷，所以该区也称为耗尽区。

空间电荷边缘存在多子浓度梯度，多数载流子便受到了一个扩散力。

在热平衡状态下，电场力与扩散力相互平衡。

p型半导体和n型半导体接触面形成pn结，p区中有大量空穴流向n区并留下负离子，n区中有大量电子流向p区并留下正离子（这部分叫做载流子的扩散），正负离子形成的电场叫做空间电荷区，正离子阻碍电子流走，负离子阻碍空穴流走（这部分叫做载流子的漂移），载流子的扩散与漂移达到动态平衡，所以pn结不加电压下呈电中性。

1.2 PN结的能带图（平衡和偏压）无外加偏压，处于热平衡状态下，费米能级处处相等且恒定不变。

1.3 内建电势差计算N区导带电子试图进入p区导带时遇到了一个势垒，这个势垒称为内建电势差。

1.4 空间电荷区的宽度计算n d p a x N x N =1.5 PN 结电容的计算第二章 PN 结二极管2.1理想PN 结电流模型是什么？ 势垒维持了热平衡。

反偏：n 区相对于p 区电势为正，所以n 区内的费米能级低于p 区内的费米能级，势垒变得更高，阻止了电子与空穴的流动，因此pn 结上基本没有电流流动。

正偏：p 区相对于n 区电势为正，所以p 区内的费米能级低于n 区内的费米能级，势垒变得更低，电场变低了，所以电子与空穴不能分别滞留在n 区与p 区，所以pn 结内就形成了一股由n 区到p 区的电子和p区到n 区的空穴。

电荷的流动在pn 结内形成了一股电流。

过剩少子电子：正偏电压降低了势垒，这样就使得n 区内的多子可以穿过耗尽区而注入到p 区内，注入的电子增加了p 区少子电子的浓度。

2.2 少数载流子分布（边界条件和近似分布） 2.3 理想PN 结电流⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛=1exp kT eV J J a s⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+=002011p p d n n a inp n pn p s D N D N en L n eD L p eD J ττ2.4 PN 结二极管的等效电路（扩散电阻和扩散电容的概念）？扩散电阻：在二极管外加直流正偏电压，再在直流上加一个小的低频正弦电压，则直流之上就产生了个叠加小信号正弦电流，正弦电压与正弦电流就产生了个增量电阻，即扩散电阻。

第一章、第二章1.能带理论的基本假定是什么？①绝热近似：离子的波函数与电子的位置及状态无关。

多粒子问题→多电子问题。

②平均场近似：忽略电子和电子件的相互作用，用平均场代替电子与电子间的相互作用。

③周期场近似：单电子问题→单电子在周期场中运动的问题。

2.用能带理论解释绝缘体半导体和金属的导电性固体能够导电是固体中的电子在外场作用下做定向运动的结果.从能带理论看,是电子从一个能级跃迁到另一个能级上去。

对于满带（价带）,其中能级已被电子占满,在外电场的作用下满带中的电子并不形成电流,对导电没有贡献。

对于被电子部分占满的能带，在外电场的作用下，电子可以从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去，形成了电流，起导电作用，我们称之为导带。

金属：由于组成金属的原子中的价电子占据的能级是部分占满的，在外电场作用下，电子可以吸收能量跃迁到违背电子占据的能级，所以金属是良好的导体。

绝缘体和半导体类似，下面都是已被电子占满的满带（价带），中间是禁带，上面是空带（导带），所以在热力学零度时，在外电场的作用下并不导电。

当外界条件变化时，就有少量电子被激发到空带上去，使能带处于几乎为满或几乎为空的状态，在半导体中，价带顶产生的空的量子状态也称为空穴，相当于正电荷的导电作用，电子和空穴在外场作用下就会参与导电。

而绝缘体只是禁带宽度太大，激发电子需要很大的能量，在通常温度下，激发上去的电子很小，导电性差。

3.解释直接带隙和间接带隙半导体直接带隙：导带最底边和价带最顶边处于K空间的相同点的半导体，跃迁只吸收能量。

性质：跃迁时电子波矢不变，动量守恒，直接复合（不需声子接受或提供能量），载流子寿命短，发光效率高。

间接带隙：导带边和价带边处于K空间不同点，形成半满带不止吸收能量还要改变动量。

性质：大几率将能量释放给晶格转化为声子，变成热能释放掉。

4.什么是施主杂质，受主杂质？施主杂质：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，称他们为施主杂质会n型杂质；受主杂质：III族杂质在硅、锗中电离时，能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称他们为受主杂质会p型杂质。

《半导体器件》课程复习提纲2014-1-8基础：半导体物理基本概念、物理效应，p－n结。

重点：双极型晶体管、JFET、GaAs MESFET、MOSFET。

了解：材料物理参数、器件直流参数和频率参数的意义。

根据物理效应、重要方程、实验修正，理解半导体器件工作原理和特性，进行器件设计、优化、仿真与建模。

第一章：半导体物理基础主要内容包括半导体材料、半导体能带、本征载流子浓度、非本征载流子、本征与掺杂半导体、施主与受主、漂移扩散模型、载流子输运现象、平衡与非平衡载流子。

半导体物理有关的基本概念，质量作用定律，热平衡与非平衡、漂移、扩散，载流子的注入、产生和复合过程，描述载流子输运现象的连续性方程和泊松方程。

（不作考试要求）第二章：p－n结主要内容包括热平衡下的p－n结，空间电荷区、耗尽区（耗尽层）、内建电场等概念，p－n结的瞬态特性，结击穿，异质结与高低结。

耗尽近似条件，空间电荷区、耗尽区（耗尽层）、内建电势等概念，讨论pn结主要以突变结（包括单边突变结）和线性缓变结为例，电荷分布和电场分布，耗尽区宽度，势垒电容和扩散电容的概念、定义，直流特性：理想二极管IV方程的推导对于考虑产生复合效应、大注入效应、温度效应对直流伏安特性的简单修正。

PN的瞬态特性，利用电荷控制模型近似计算瞬变时间。

结击穿机制主要包括热电击穿、隧道击穿和雪崩击穿。

要求掌握隧道效应和碰撞电离雪崩倍增的概念，雪崩击穿条件，雪崩击穿电压、临界击穿电场及穿通电压的概念，异质结的结构及概念，异质结的输运电流模型。

高低结的特性。

第三章：双极型晶体管主要内容包括基本原理，直流特性，频率响应，开关特性，异质结晶体管。

晶体管放大原理，端电流的组成，电流增益的概念以及提高电流增益的原则和方法。

理性晶体管的伏安特性，工作状态的判定，输入输出特性曲线分析，对理想特性的简单修正，缓变基区的少子分布计算，基区扩展电阻和发射极电流集边效应，基区宽度调制，基区展宽效应，雪崩倍增效应，基区穿通效应，产生复合电流和大注入效应，晶体管的物理模型E－M模型和电路模型G－P模型。

第一章 半导体物理基础能带：1-1什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？1-2试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。

1-3、试指出空穴的主要特征及引入空穴的意义。

1-4、设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E v (k)分别为：2222100()()3C k k k E k m m -=＋和22221003()6v k k E k m m =－；m 0为电子惯性质量，1k a π=；a ＝0.314nm ，341.05410J s -=⨯⋅，3109.110m Kg -=⨯，191.610q C -=⨯。

试求：①禁带宽度；②导带底电子有效质量；③价带顶电子有效质量。

题解：1-1、 解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（≥E g ）被激发到导带成为导电电子的过程就是本征激发。

其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。

如果温度升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。

1-2、 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。

温度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。

反之，温度降低，将导致禁带变宽。

因此，Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数。

1-3、准粒子、荷正电：+q ； 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）； 、E P =-E n （能量方向相反）、m P *=-m n *。

空穴的意义：引入空穴后，可以把价带中大量电子对电流的贡献用少量空穴来描述，使问题简化。

1-4、①禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(＝2023k m ＋2102()k k m -＝0；可求出对应导带能量极小值E min 的k 值： k min ＝143k ， 由题中E C 式可得：E min ＝E C (K)|k=k min =2104k m ；由题中E V 式可看出，对应价带能量极大值Emax 的k 值为：k max ＝0；并且E min ＝E V (k)|k=k max ＝22106k m ；∴Eg ＝E min －E max ＝221012k m ＝222012m a π ＝23423110219(1.05410)129.110(3.1410) 1.610π----⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯＝0.64eV②导带底电子有效质量m n2222200022833C d E dk m m m =+=；∴ 22023/8C n d E m m dk == ③价带顶电子有效质量m ’ 22206V d E dk m =-，∴2'2021/6V n d E m m dk ==- 掺杂：2-1、什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？2-2、什么叫施主？什么叫施主电离？2-3、什么叫受主？什么叫受主电离？2-4、何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？题解：2-1、解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。

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*2nk E k E m 2h -0=； 半导体中电子的平均速度dEv hdk=； 有效质量的公式：222*11dk Ed h m n =。

§1.4本征半导体的导电机构 空穴空穴的特征：带正电；p n m m **=-；n p E E =-；p n k k =-§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。

§2.2 Ⅲ—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：()/g E dz dE =；导带底附近的状态密度：()()3/2*1/232()4ncc m g E VE E h π=-；价带顶附近的状态密度：()()3/2*1/232()4p v Vm g E V E E hπ=-§3.2 费米能级和载流子的浓度统计分布 Fermi 分布函数：()01()1exp /F f E E E k T =+-⎡⎤⎣⎦；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F E 是系统的化学势；2）F E 可看成量子态是否被电子占据的一个界限。

3）F E 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。

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E(k)~k 关系Ek h 2k 2 导带底和价带顶附近的 -E0= * ； 2m n 半导体中电子的平均速度 v dE ；hdk 1 1 2有效质量的公式： dE* 2 2。

m n h dk §1.4本征半导体的导电机构空穴空穴的特征：带正电；m pm n ；E nE p ；k pk n§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：g(E) dz/dE ；*3/2导带底附近的状态密度：2m n1/2 g c(E) 4 V 3 E Ec；h2m*p3/2价带顶附近的状态密度：1/2 g v(E) 4 V3E V Eh§3.2费米能级和载流子的浓度统计分布Fermi分布函数：f(E)1；1exp EE F/k0TFermi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E F是系统的化学势；2）E F可看成量子态是否被电子占据的一个界限。

3）E F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。

E E Fk0TBoltzmann分布函数：fB(E)e ；导带底、价带顶载流子浓度表达式：E cn0f B(E)g c(E)dEE c* 3 2n0N cE F E c，N c2 m n kT导带底有效状态密度exp 2h3k0T32p0N vE v E FN v2 m p k0Texpk0T， 2 3 价带顶有效状态密度h载流子浓度的乘积n0p0N C N V exp E C E V N C N V expE g的适用范围。