半导体物理第五章总结复习_北邮
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基本概念题:第一章半导体电子状态1.1半导体通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料,其导带在绝对零度时全空,价带全满,禁带宽度较绝缘体的小许多。
1.2能带晶体中,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。
1.2能带论是半导体物理的理论基础,试简要说明能带论所采用的理论方法。
答:能带论在以下两个重要近似基础上,给出晶体的势场分布,进而给出电子的薛定鄂方程。
通过该方程和周期性边界条件最终给出 E-k 关系,从而系统地建立起该理论。
单电子近似:将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑,这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。
绝热近似:近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换,而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。
1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法答案:克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和 E-k 关系而提出的一维晶体的势场分布模型,如下图所示X克龙尼克—潘纳模型的势场分布利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式,进而确定波函数并给出 E-k 关系。
由此得到的能量分布在 k 空间上是周期函数,而且某些能量区间能级是准连续的(被称为允带),另一些区间没有电子能级(被称为禁带)。
从而利用量子力学的方法解释了能带现象,因此该模型具有重要的物理意义。
1.2导带与价带1.3有效质量有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。
它概括了周期性势场对载流子运动的影响,从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。
其大小由晶体自身的 E-k 关B c n 系决定。
1.4 本征半导体既无杂质有无缺陷的理想半导体材料。
1.4 空穴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。
一、半导体物理知识大纲核心知识单元 A:半导体电子状态与能级(课程基础——掌握物理概念与物理过程、是后面知识的基础)半导体中的电子状态(第 1 章)半导体中的杂质和缺陷能级(第 2 章)核心知识单元 B:半导体载流子统计分布与输运(课程重点——掌握物理概念、掌握物理过程的分析方法、相关参数的计算方法)半导体中载流子的统计分布(第 3 章)半导体的导电性(第 4 章)非平衡载流子(第 5 章)核心知识单元 C:半导体的基本效应(物理效应与应用——掌握各种半导体物理效应、分析其产生的物理机理、掌握具体的应用)半导体光学性质(第10 章)半导体热电性质(第11 章)半导体磁和压阻效应(第12 章)二、半导体物理知识点和考点总结第一章半导体中的电子状态本章各节内容提要:本章主要讨论半导体中电子的运动状态。
主要介绍了半导体的几种常见晶体结构,半导体中能带的形成,半导体中电子的状态和能带特点,在讲解半导体中电子的运动时,引入了有效质量的概念。
阐述本征半导体的导电机构,引入了空穴散射的概念。
最后,介绍了Si、Ge 和 GaAs 的能带结构。
在 1.1 节,半导体的几种常见晶体结构及结合性质。
(重点掌握)在 1.2 节,为了深入理解能带的形成,介绍了电子的共有化运动。
介绍半导体中电子的状态和能带特点,并对导体、半导体和绝缘体的能带进行比较,在此基础上引入本征激发的概念。
(重点掌握)在 1.3 节,引入有效质量的概念。
讨论半导体中电子的平均速度和加速度。
(重点掌握)在1.4 节,阐述本征半导体的导电机构,由此引入了空穴散射的概念,得到空穴的特点。
(重点掌握)在 1.5 节,介绍回旋共振测试有效质量的原理和方法。
(理解即可)在 1.6 节,介绍 Si 、Ge 的能带结构。
(掌握能带结构特征)在 1.7 节,介绍Ⅲ -Ⅴ族化合物的能带结构,主要了解GaAs 的能带结构。
(掌握能带结构特征)本章重难点:重点:1、半导体硅、锗的晶体结构(金刚石型结构)及其特点;三五族化合物半导体的闪锌矿型结构及其特点。
第一章 半导体的能带理论1. 基本概念✧ 共有化运动:原子组成晶体后,由于电子壳层的交叠,电子不在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,因而电子可以在整个晶体中运动,这种运动称为电子的共有化运动。
✧ 单电子近似:假设每个电子是在大量周期性排列且固定不动的原子核势场及其他电子的平均势场中运动。
该势场也是周期性变化的。
✧ 能带的形成:原子相互接近,形成壳层交替→电子共有化运动→能级分裂(分成允带、禁带)→形成能带✧ 能带: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。
✧ 价带:P6✧ 导带:P6✧ 禁带:P5✧ 导体✧ 半导体✧ 绝缘体的能带✧ 本征激发:价带上的电子激发成为准自由电子,即价带电子激发成为导带电子的过程,称为本征激发。
✧ 空穴:具有正电荷q 和正有效质量的粒子✧ 电子空穴对✧ 有效质量:有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。
它概括了周期性势场对载流子运动的影响,从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。
其大小由晶体自身的E-k 关系决定。
✧ 载流子及载流子浓度2. 基本理论✧ 晶体中的电子共有化运动✧ 载流子有效质量的物理意义 :当电子在外力作用下运动时,它一方面受到外电场力f的作用,同时还和半导体内部原子、电子相互作用着,电子的加速度应该是半导体内部势场和外电场作用的综合效果。
但是,要找出内部势场的具体形式并且求得加速度遇到一定的困难,引进有效质量后可使问题变得简单,直接把外力f 和电子的加速度联系起来,而内部势场的作用则由有效质量加以概括,使得在解决半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。
第二章 半导体中的杂质与缺陷能级1. 基本概念✧ 杂质存在的两种形式:间隙式杂质:杂质原子位于晶格原子间的间隙位置。
替位式杂质:杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处。
半导体器件物理_复习重点第一章PN结1.1 PN结是怎么形成的?1.2 PN结的能带图(平衡和偏压)1.3 内建电势差计算1.4 空间电荷区的宽度计算Naxp?Ndxn1.5 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?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??eVa??J?Js?exp???1? ??kT??Js?eDppn0Lp?eDnnp0Ln?1D1n??en??Na?n0Nd?2iDp?? ?p0??2.4 PN结二极管的等效电路(扩散电阻和扩散电容的概念)?2.5 产生-复合电流的计算2.6 PN结的两种击穿机制有什么不同?第三章双极晶体管3.1 双极晶体管的工作原理是什么?3.2 双极晶体管有几种工作模式,哪种是放大模式?3.3 双极晶体管的少子分布(图示)3.4 双极晶体管的电流成分(图示),它们是怎样形成的?3.5 低频共基极电流增益的公式总结(分析如何提高晶体管的增益系数)??1?pE0DELBtanh(xB/LB)NB1?1??NEnB0DBLEtanh(xE/LE)1DBxB??DExE 11?T??cosh(xB/LB)1?(x/L)2BB2??1?1Jr0?eV? exp??BE?Js0?2kT?????T????1??3.6 等效电路模型(Ebers-Moll模型和Hybrid-Pi模型)(画图和简述)3.7 双极晶体管的截止频率受哪些因素影响?3.8 双极晶体管的击穿有哪两种机制?第四章MOS场效应晶体管基础4.1 MOS结构怎么使半导体产生从堆积、耗尽到反型的变化?(加负压时,半导体产生堆积型,因为负电荷出现在金属板上,如果电场穿入半导体,作为多子的空穴将会被推向氧化物—半导体表面,形成堆积;加一个小的正压时,正电荷堆积在金属板上,如果电荷穿过电场时,作为多子的空穴被推离氧化物—半导体表面,形成一个负的空间电荷区;加一个更大的正压时,MOS电容中负电荷的增多表示更大的空间电荷区以及能带弯曲程度更大,半导体表面从P型转化为N型。
半导体物理知识点及重点习题总结半导体物理是现代电子学中的重要领域,涉及到半导体材料的电学、热学和光学等性质,以及半导体器件的工作原理和应用。
本文将对半导体物理的一些重要知识点进行总结,并附带相应的重点习题,以帮助读者更好地理解和掌握相关知识。
一、半导体材料的基本性质1. 半导体材料的能带结构半导体材料的能带结构决定了其电学性质。
一般而言,半导体材料具有禁带宽度,可以分为导带(能量较高)和价带(能量较低)。
能量在禁带内的电子处于被限制的状态,称为束缚态,能量在导带中的电子可以自由移动,称为自由态。
2. 掺杂和杂质掺杂是将少量的杂质原子引入纯净的半导体材料中,以改变其导电性质。
掺入价带原子的称为施主杂质,掺入导带原子的称为受主杂质。
施主杂质会增加导电子数,受主杂质会增加载流子数。
3. P型和N型半导体掺入施主杂质的半导体为P型半导体,施主杂质的电子可轻易地跳出束缚态进入导带,形成载流子。
掺入受主杂质的半导体为N型半导体,受主杂质的空穴可轻易地跳出束缚态进入价带,形成载流子。
二、PN结和二极管1. PN结的形成和特性PN结是P型和N型半导体的结合部分,形成的原因是P型半导体中的空穴与N型半导体中的电子发生复合。
PN结具有整流作用,使得电流在正向偏置时能够通过,而在反向偏置时被阻止。
2. 二极管的工作原理二极管是基于PN结的器件,正向偏置时,在PN结处形成正电压,使得电子流能够通过。
反向偏置时,PN结处形成反电压,使得电流无法通过。
3. 二极管的应用二极管广泛用于整流电路、电压稳压器、振荡器和开关等领域。
三、晶体管和放大器1. 晶体管的结构和工作原理晶体管是一种三端器件,由三个掺杂不同的半导体构成。
其中,NPN型晶体管由N型掺杂的基区夹在两个P型掺杂的发射极和集电极之间构成。
PNP型晶体管的结构与之类似。
晶体管的工作原理基于控制发射极和集电极之间电流的能力。
2. 放大器和放大倍数晶体管可以作为放大器来放大电信号。
第五章一、基本概念1.非平衡载流子: 如果对半导体施加外界作用,破坏了热平衡的条件,这就迫使它处于与热平衡相偏离的状态,称为非平衡状态,偏离平衡载流子浓度的那部分载流子称为非平衡载流子2.非平衡载流子注入: 通过改变外部条件使得半导体内部产生平衡载流子的方法成为非平衡载流子的注入。
3.探针注入: 用金属探针与半导体接触时,用电的方法注入非平衡载流子。
4.小注入、大注入:5.非平衡载流子浓度、非平衡多子浓度、非平衡少子浓度:6.非平衡载流子寿命(少子寿命、寿命):7.准费米能级(电子准费米能级、空穴准费米能级): 研究表明,注入作用下,导带电子、价带空穴在极短时间各自达到平衡,但导带电子与价带空穴不平衡,半导体没有统一费米能级,处于非平衡态。
非平衡态用导带电子准费米能级、价带空穴准费米能级描述。
8.直接复合: 导带电子直接跃迁到价带与空穴复合。
9.间接复合: 导带电子和价带空穴通过复合中心复合。
10.表面复合: 非平衡载流子通过表面复合中心的复合称为表面复合--单位时间、单位表面薄层中通过复合中心复合的电子-空穴对数称为表面复合率。
11.俄歇复合:非平衡载流子从高能级向低能级跃迁复合过程中释放的能量使导带(或价带)中另一个载流子激发到更高能级,或使另一个载流子发射到半导体外(俄歇电子)。
12.最有效复合中心: 对复合起有效作用的杂质和缺陷称为复合中心,位于禁带中央附近的深能级是最有效的复合中心。
13.陷阱效应: 杂质或缺陷对一种非平衡载流子的收容效应称为陷阱效应--具有显著陷阱效应的杂质或缺陷称为有效陷阱(陷阱)14.载流子扩散: 只要微观粒子在各处的浓度不均匀,由于粒子的无规则热运动,就可以引起粒子由浓度高的地方向浓度低的地方扩散。
扩散运动完全是由粒子浓度不均匀所引起,它是粒子的有规则运动,但它与粒子的无规则运动密切相关。
15.扩散长度: 空穴在边扩散边复合的过程中,减少至原值的1/e时所扩散的距离。
微电子基础----总复习2012-12说明:重点总结的请以复习课上为准。
另有答疑时间安排。
以下内容为部分重要的概念供参考。
第1章. 半导体的晶体结构和缺陷概念:晶体和非晶体金刚石结构和闪锌矿结构能带有效质量空穴本征点缺陷代位式杂质间隙式杂质第2章. 半导体中的电子状态2.1.半导体中的电子状态和能带2.1.1.电子的共有化运动2.1.2.允带与禁带2.2.外力作用下的电子运动—---有效质量2.3.导体,半导体,绝缘体2.4.空穴2.5.杂质和缺陷能级2.5.1.施主能级和受主能级2.5.2.浅能级杂质2.5.3.深能级杂质⏹能带图⏹施主,N型半导体⏹受主P型半导体⏹杂质能级,浅能级深能级⏹杂质补偿⏹复合中心第3章. 平衡载流子浓度3.1.态密度3.2.费米分布和玻尔兹曼分布3.3.非简并半导体的载流子浓度◆费米分布函数和波尔兹曼函数公式:◆简并半导体和非简并半导体◆费米能级◆热平衡下,非简并半导体载流子浓度公式:◆热平衡下,本征半导体载流子浓度公式◆热平衡下,非简并半导体载流子浓度积:◆半导体的整体电中性方程◆载流子浓度随温度的变化分析第4章. 弱场下的载流子输运4.1.载流子的散射和迁移率4.2.散射几率和迁移率4.3.半导体中的主要散射机构4.4.迁移率随杂质浓度和温度的变化图4.5.电导和电导率4.6.半导体的散射现象⏹电离杂质散射和晶格散射⏹迁移率⏹电导率(电阻率)公式及各情况:⏹本征:⏹N型:⏹P型⏹补偿:⏹电阻率随温度的变化图第5章. 过剩载流子和载流子的复合5.1.过剩载流子及其寿命5.2.非平衡载流子的运动和空间分布5.3.复合过程与寿命的计算5.4.主要复合机理和实验结果⏹非平衡载流子⏹注入停止后,非平衡载流子浓度随时间衰减规律: ⏹寿命⏹复合几率⏹复合的种类:⏹复合中心理论及简化:⏹准费米能级,能带图:2⏹扩散定律⏹扩散长度⏹爱因斯坦关系⏹半导体器件的基本方程,连续性方程第6章. 同质PN结6.1.热平衡条件下的P-N结,能带图36.2.P-N结直流伏安特性:结论肖克莱方程6.3.P-N结电容:电荷,电场,电压,图,突变结6.4.P-N击穿:3机理特点比较⏹肖克莱方程:⏹简化情况:反向,单边突变结⏹突变结,缓变结⏹平衡PN结,接触电势差和势垒高度:⏹载流子浓度公式⏹PN结扩散流公式⏹简化:P+N结时⏹N+P结时⏹理想和实际的伏安比较和原因分析:(势垒产生流)⏹势垒电容和扩散电容⏹雪崩击穿和隧道击穿第7章. 表面电场效应与MOS物理7.1.半导体表面和硅-二氧化硅界面7.2.表面电场效应⏹表面态,界面态⏹表面势⏹表面积累层,耗尽层,反型层,等6个能带图,临界情况3个⏹表面耗尽层的厚度公式:⏹表面面电荷密度公式⏹表面强反型条件,表达式,费米势⏹硅—二氧化硅界面电荷●金属半导体接触:功函数,能带图●异质结:能带图,阻挡层和非阻挡层,整流效应和欧姆接触第8章. MOS场效应晶体管8.1.结构和分类,4个管子的综合大图:符号结构曲线等8.2.特性曲线⏹NMOS,PMOS, 增强型管,耗尽型管的转移特性曲线和输出特性曲线的区别,⏹NMOS输出特性曲线的分段讨论8.3.阈值电压表达式计算⏹NMOS管:⏹PMOS管:⏹增强型管和耗尽型管的掺杂措施和控制8.4.电流电压特性:电流表达式⏹非饱和区,线性区和非线性区⏹饱和区,临界饱和条件:3:沟道图,电压,电流式⏹考虑有效沟道长度调制效应的饱和漏极电流:2:现象描述和电流式⏹击穿区的讨论8.5.其他电参数⏹阈值电压⏹饱和漏极电流⏹导通电阻⏹穿通电压⏹跨导⏹导电因子和宽长比⏹渡越时间⏹增量电导定义,分段的表达式第9章. 双极型晶体管9.1. 双极型晶体管工作原理1,放大倍数:4个乘积项:发射效率,基区输运系数等4个……定义、表达式、影响因素,2,讨论从工艺制造上提高放大的措施9.2.直流特性和电流增益9.3.反向电流和击穿电压,基极电阻,符号和电路图9.4.频率特性,功率特性1,渡越时间表达式和分析:2,讨论从工艺制造上提高频率的措施。
半导体物理学陈延湖§产生率:单位时间、单位体积中产生的载流子对,对(个)/s ·cm3,记为G 。
在达到热平衡时,产生率必须等于复合率,即:GR b thermal =_所以一定温度下的产生率G 为:200_ib thermal rn p rn R G ===在所有非简并情况下带间直接产生率基本相同,即G 与温度有关,而与n, p 无关。
说明对Si 、Ge ,直接复合不是主要的复合机制 而实验发现,半导体中杂质越多、晶格缺陷越多,寿命就越短,即杂质和缺陷有促进复合的作用。
这就是间接复合。
根据直接复合理论,T =300k ,计算得到本征硅,锗中少子寿命:Ge :τ= 0.3s Si :τ= 3.5s但实验值远小于计算值(约几ms )2 间接复合间接复合:通过杂质或缺陷能级Et进行的复合 复合中心:能够促进复合过程的杂质或缺陷下面只讨论具有单一复合中心能级的情况,即SRH理论:Schockly、Real、Hall,也称为SRH复合间接复合可分为2步骤,涉及4个微观过程乙过程:单位时间、单位体积复合中心Et 向导带发射的电子数为电子产生率。
tt n n s n G −=∝电子产生率S -为比例系数, 称为电子激发几率同理相应的丙过程空穴俘获率为tp p pn r R =)(t t p n N s G −=+ 相应的丁过程空穴产生率为S +为比例系数, 称为空穴激发几率r p 为比例系数,称为空穴俘获系数E③复合中心的俘获截面n T p Tr v r v σσ−+==假设复合中心为截面积为σ的球体,则σ-——电子俘获截面σ+——空穴俘获截面v T 载流子热运动速度σ的意义:代表复合中心俘获载流子的本领俘获系数:3 表面复合实验表明少子的寿命受半导体的形状和表面状态的影响,表面复合就是发生在半导体表面的复合过程。
表面处的杂质和表面特有的缺陷在禁带中形成复合能级,所以就复合机理看,表面复合仍然属于间接复合。
第五章
一、基本概念
1.非平衡载流子: 如果对半导体施加外界作用,破坏了热平衡的条件,这就迫使它处于与热平衡相偏离的状态,称为非平衡状态,偏离平衡载流子浓度的那部分载流子称为非平衡载流子
2.非平衡载流子注入: 通过改变外部条件使得半导体内部产生平衡载流子的方法成为非平衡载流子的注入。
3.探针注入: 用金属探针与半导体接触时,用电的方法注入非平衡载流子。
4.小注入、大注入:
5.非平衡载流子浓度、非平衡多子浓度、非平衡少子浓度:
6.非平衡载流子寿命(少子寿命、寿命):
7.准费米能级(电子准费米能级、空穴准费米能级): 研究表明,注入作用下,导带电子、价带空穴在极短时间各自达到平衡,但导带电子与价带空穴不平衡,半导体没有统一费米能级,处于非平衡态。
非平衡态用导带电子准费米能级、价带空穴准费米能级描述。
8.直接复合: 导带电子直接跃迁到价带与空穴复合。
9.间接复合: 导带电子和价带空穴通过复合中心复合。
10.表面复合: 非平衡载流子通过表面复合中心的复合称为表面复合--单位时间、单位表面薄层中通过复合中心复合的电子-空穴对数称为表面复合率。
11.俄歇复合:非平衡载流子从高能级向低能级跃迁复合过程中释放的能量使导带(或价带)中另一个载流子激发到更高能级,或使另一个载流子发射到半导体外(俄歇电子)。
12.最有效复合中心: 对复合起有效作用的杂质和缺陷称为复合中心,位于禁带中央附近的深能级是最有效的复合中心。
13.陷阱效应: 杂质或缺陷对一种非平衡载流子的收容效应称为陷阱效应
--具有显著陷阱效应的杂质或缺陷称为有效陷阱(陷阱)
14.载流子扩散: 只要微观粒子在各处的浓度不均匀,由于粒子的无规则热运动,就可以引起粒子由浓度高的地方向浓度低的地方扩散。
扩散运动完全是由粒子浓度不均匀所引起,它是粒子的有规则运动,但它与粒子的无规则运动密切相关。
15.扩散长度: 空穴在边扩散边复合的过程中,减少至原值的1/e时所扩散的距离。
载流子扩散流密度:
16.连续性方程:在扩散运动和漂移运动同时存在时,少数载流子所遵守的运动方程。
二、图像
1.最有效复合中心能带示意图:
2.间接复合过程能带示意图
3.俄歇复合过程能带示意图
4.表面复合过程能带示意图
5. 非平衡半导体能带图(包括N 型、P 型、本征型)
6. 有效陷阱的能带示意图
三、论述
1.表面复合对半导体载流子寿命的影响
答:表面复合是指在半导体表面发生的间接复合过程。
半导体表面处的杂质和表面特有的缺陷在禁带中形成分立的能级,其中一部分起复合中心的作用。
由于表面复合中心的密度远远大于体内复合中心的密度,表面的复合率更高。
因此表面过剩少数载流子的寿命要远远低于体内过剩少数载流子的寿命。
2.金在硅半导体中的有效复合中心作用
答:金是硅中的深能级杂质,在硅中形成双重能级。
且无论是n 型硅还是p 型硅,金都是有效的复合中心。
在n 型硅中,金原子可以接受一个电子,形成负点中心Au -,起受主作用,故在禁带中形成具有复合中心作用的受主能级E tA ;在p 型硅中,金原子释放电子,成为正电中心Au +,起施主作用,故在禁带中形成具有复合中心作用的施主能级E tD 。
3.连续性方程中每一项的物理意义
答:
单位时间、单位长度内空穴数变化量(一维半导体空穴连续性方程):
22p p p p p E p p p p D E p g t x x x μμτ∂∂∂∂∆=---+∂∂∂∂ 空穴扩散流使半导体单位长度、单位时间内的空穴数增加(改变)量:
()2211p p p dp qD J p dx D q x q x x ⎛⎫∂- ⎪∂∂⎝⎭-=-=∂∂∂扩
空穴漂移流使半导体单位长度、单位时间内的空穴数增加(改变)量:
()()11p p p p q p E J E p E p q x q x x x μμμ∂∂∂∂-=-=--∂∂∂∂漂
单位时间、单位长度内空穴复合率:
p p p p p ττ-∆=
单位时间、单位长度内空穴产生率: p g。