半导体物理各考点总结

第一章半导体中的电子状态
1.分类说明半导体材料的晶格结构与结合特性。

答：金刚石结构特点：每个原子周围有四个最邻近的原子，组成一个正四面体结构，配位数是4. 夹角109°28′。

金刚石结构可以看成是两个面心立方晶包沿立方体的空间对角线相互位移四分之一对角线套构而成。

闪锌矿结构特点：双原子复式结构，它是由两类原子各自组成的面心立方晶胞沿立方体的空间对角线相互位移四分之一对角线套构而成。

以共价键为主，结合特性具有不同程度的离子性，称为极性半导体。

2.什么是电子共有化运动？原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同？
答：原子组成晶体后，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，电子可以在整个晶体上运动。

因为个原子中相似壳层上的电子才有相同能量，电子只能在相似壳层上转移，因此共有化运动的产生是由于不同原子的相似壳层之间的交叠。

由于内外层交叠程度很不相同，所以只有最外层电子的共有化运动才显著。

3.说明能级分裂成能带的根本原因以及内外层能带有何不同？
答：根本原因，当周围n个原子相互靠近时，每个原子中的电子除受到本身原子的势场作用外，还要受到其他原子的作用，其结果是每一个n度简并的能级都分裂为n个彼此相距很近的能级；·内壳层原来处于低能级，共有化运动很弱，能级分裂的很小，能带窄。

外壳层电子原来处于高能级，共有化运动显著，能带分裂的厉害，能带宽。

4.原子中的电子自由电子和晶体中电子受势场作用情况有何不同？自由电子和晶体中电子运动情况有何不同？
答: 孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中运动，自由电子是在恒定为零的势场中运动，晶体中的电子是在严格周期性重复排列的势场中运动
5.导体、半导体和绝缘体能带的区别？
答：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电体。

绝缘体禁带宽度大，常温下激发到导带的电子很少，导电性差。

半导体禁带宽度小，常温下已有不少电子被激发到导带中，所以具有一定的导电能力。

如Si的Eg=1.12eV，Ge的Eg=0.67eV。

6.描述半导体中电子运动时引入“有效质量”的概念的意义？有效质量与能带结构的关系？答：半导体中的电子需要同时受内部势场和外加势场的作用，有效质量概括了半导体内部势场对电子的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。

有效质量可以通过实验直接测得。

有效质量的正负与位置有关——能带顶部附近，有效质量为负；能带底部附近，有效质量为正。

7.空穴概念及其特性？
答：空穴：Hole，带正电的导电载流子，是价带顶部电子激发到导带后，在价带中形成的空状态，把价带中空着的状态看成是带正电的粒子，称为空穴对应于价带中的电子空位。

特性：带有正电荷(+q)，其电量等于电子电量；空穴具有正的有效质量，价带中的空穴数恒等于价带中的空状态数；空穴能量增加的方向与电子能量增加的方向相反；
8.导带、价带、禁带宽度、k空间等能面、本征激发、载流子和半金属或零带隙材料概念。

答：
9.简述本征半导体导电机构
答：导带中有多少电子，价带中就有多少空穴；
导带上的电子参与导电，价带上的空穴也参与导电。

10.为什么半导体导带底极值附近的等能面不是球面的？
答：若等能面为椭球面，则有效质量为各向异性的。

各向同性的晶体，等能面是一系列的球面。

有效质量各向同性，只能观察到一个吸收峰，且其位置与磁场的方向无关。

晶体大部分是各向异性的，不同方向的有效质量不同，等能面是椭球面，吸收峰与磁场的方向有关11.掌握硅、锗的能带结构。

答：. Si、Ge的价带的极大值出现在布里渊区中心K=0处在布里渊区中心；价带顶K=0处，价带的极大值相重合的两个价带，表明硅、锗有两种有效质量不同的空穴-重空穴(mp)h和轻空穴(mp)l, 。

第二章半导体中杂质和缺陷能级
1.实际半导体与理想半导体的主要区别？
答：原子并非在格点上固定不动，而是在其平衡位置附近振动;杂质的存在,在半导体晶格中存在着与组成半导体材料元素不同的化学元素；实际半导体晶格中的原子周期性排列被破坏，形成各种形式的缺陷，一般有点缺陷，线缺陷，面缺陷
2.纯锗、硅中掺入Ⅲ族或Ⅴ族元素后，为什么使半导体电学性能有很大的改变？
答：由于杂质和缺陷的存在使得原本周期性排列的原子所产生的周期性势场受到破坏，并在禁带中引入了能级，允许电子在禁带中存在，从而使半导体的性质发生改变。

3.说明杂质在半导体中的存在方式及特点？
答: 间隙式杂质——杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，该杂质称为间隙式杂质。

间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、GaAs材料中的离子锂（0.068nm）
替位式杂质——杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处，该杂质称为替位式杂质。

替位式杂质原子的大小和价电子壳层结构要求与被取代的晶格原子相近。

如Ⅲ、Ⅴ族元素在Si、Ge 晶体中都为替位式杂质.
4.说明施主杂质、施主杂质电离过程和n型半导体。

答：施主杂质：V族元素在硅、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，称此类杂质为施主杂质或n型杂质。

施主杂质电离：施主杂质释放电子的过程。

n型半导体: 主要依靠导带电子导电的半导体。

5.说明受主杂质、受主杂质电离过程和p型半导体。

答：受主杂质：III族元素在硅、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，称此类杂质为受主杂质或p型杂质。

受主杂质电离：受主杂质释放空穴的过程。

p型半导体: 主要依靠价带空穴导电的半导体。

6.什么叫杂质补偿和高度补偿的半导体？杂质补偿有何实际应用？
答：因为施主和受主杂质之间有互相抵消的作用，通常称为杂质的补偿作用; 当受主杂质浓度约等于施主杂质浓度时，杂质高度补偿的半导体。

实际应用：利用杂质的补偿作用，在半导体的不同区域形成不同的导电类型，可以制成各种器件。

7.何谓深能级杂质？它们电离以后有何特点？
答：除了三五族杂质以外的其他各族元素掺入硅锗中称之为深能级杂质。

特点：多为替位式杂质;硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远和受主能级距离价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质;深能级杂质能够产生多次电离，每次电离均对应一个能级。

而且既能引入施主能级又能引入受主能级。

8.何谓浅能级杂质？说明它和深能级杂质在半导体中的作用有何不同？
答：产生的施主能级距离导带底远，产生的受主能级距离价带顶远，这样的能级称为深能级；产生深（浅）能级的杂质称为深（浅）能级杂质。

浅能级杂质——为半导体材料提供导电载流子，影响半导体的导电类型。

浅施主杂质提供电子——N型半导体
浅受主杂质提供空穴——P型半导体
深能级杂质——具有很强的复合作用，对载流子的复合作用较强(称为复合中心,如Au) ——器件的工作速度。

9.给出等电子杂质，等电子陷阱的概念？
答：等电子杂质：掺入的杂质既不起施主作用，又不起受主作用，仍然保持电中性。

如III-V 族化合物半导体中掺入的III族获V族杂质原子。

但是，由于电负性的不同，这些等电子杂质仍然能够俘获载流子而成为带电中心，这个带电中心称为等电子陷阱。

10.说明硅在砷化镓中的双性行为？
答：两性杂质：既能起施主作用，又能起受主作用的杂质，如III-V族化合物半导体中掺入的硅。

11.给出半导体中的点缺陷类型。

答：空位，间隙原子。

第三章半导体中载流子的统计分布
1.什么是热平衡状态？热平衡状态载流子？
答：热平衡状态（动态，载流子的产生速率=载流子的复合速率）；在一定温度下，载流子的产生和载流子的复合建立起一动态平衡，这时的载流子称为热平衡载流子。

2.状态密度？费米分布函数？费米分布和玻耳兹曼分布的函数有何区别？为什么半导体中载流子分布可以用玻耳兹曼分布描述？
答：状态密度：在能带中能量e附近每单位能量间隔内的量子态数。

费米分布函数：在热平衡状态下，对于能量为E的一个量子态被电子占据的几率的函数。

玻尔兹曼分布函数描写：导带中电子的分布（绝大多数电子分布在导带底）；价带中空穴的分布（绝大多数空穴分布在价带顶）服从费米统计律的电子系统称为简并性系统；服从玻尔兹曼统计律的电子系统称为非简并性系统；费米统计律与玻尔兹曼统计律的主要差别：前者受泡利不相容原理的限制
3.说明费米能级的物理意义。

答：费米能级的位置比较直观地标志了电子占据量子态的情况，通常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。

4.写出本征半导体的电中性方程，说明本征载流子浓度（3-31）公式有何重要意义？
答：本征半导体：无任何杂质和缺陷的理想半导体本征激发：电子从价带激发到导带，电子和空穴成对产生。

电中性方程：电子浓度等于空穴浓度。

公式的意义：本征半导体的载流子浓度与半导体本身的能带结构和温度有关。

一定的半导体材料，其本征载流子浓度ni 随温度T升高迅速增加；不同的半导体材料在同一温度下，禁带宽度越大，本征载流子浓度越小。

5.为什么半导体器件都有一定极限工作温度？为什么硅半导体器件比锗器件的工作温度高？
答：半导体器件的极限工作温度与禁带宽度有关，禁带宽度越小，极限工作温度越低。

因为
硅的禁带宽度比锗的大。

6.分析杂质半导体费米能级和载流子浓度按温度划分的5个区间的情况。

重点掌握n、p型半导体强电离区费米能级和载流子浓度的计算。

（3-32、3-48、49/69、70/90、91/100、101）答：低温弱电离区：大部分施主杂质没有电离，导带只有少数电子，由于电离施主杂质少，EF远在ED之上。

中间电离区：温度继续升高，使2NC>ND 时，EF下降到(EC+ED)/2 以下；约1/3杂质电离的区域。

).
强电离区：大部分杂质都电离的区域，电离施主浓度约等于施主浓度，在这个温度范围内，ni<<ND，即可忽略本征激发，p0=0 。

由于此区域载流子浓度不随温度变化，称为饱和区。

过渡区：随着温度T的升高，本征载流子浓度ni升高。

当半导体处于由杂质电离饱和区向本征情况的过渡范围时，称为过渡区。

高温本征激发区：费米能级接近禁带中央，载流子浓度随温度升高迅速增加。

杂质浓度越高，本征激发起作用的温度也越高。

7.根据图3-10分析费米能级与温度及杂质浓度的关系？（理解费米能级是掺杂类型和掺杂程度的标志）
答：反映了半导体的导电类型，掺杂浓度和自由电子、空穴浓度。

可认为费米能级反映了电子的填充水平。

费米能级越低，导带电子越少；费米能级能级越高，导带的电子越多。

在一定温度下，n型半导体施主杂质浓度越高，；p型半导体受主杂质浓度越高，。

随着T升高，n型半导体的费米能级逐渐下降；P型半导体的费米能级逐渐上升，最后都接近本征费米能级E。

8.若n型硅中掺入受主杂质，费米能级升高还是降低？若温度升高当本征激发起作用时，费米能级在什么位置？为什么？
答：掺入受主杂质，硅中的空穴浓度增大，因此费米能级会降低向价带顶靠近。

温度升高本证激发占主要作用是，费米能级接近本证费米能级。

9.多数载流子与少数载流子概念？
答：多数载流子：n型半导体中的电子，p型中的空穴，多子。

少数载流子：n型半导体中的空穴，P型中的电子，少子。

10.如果向半导体中重掺施主杂质，会出现一些什么效应？给出简并化与非简并化的标准？答：当杂质浓度超过一定数量，载流子开始简并化的现象称为重掺杂，这种半导体即称为简并半导体。

标准：书中84页。

第四章半导体的导电性
1.欧姆定律微分形式及电导率公式（计算）。

答：欧姆定律的微分形式
电导率：电阻率的倒数为电导率。

2.迁移率定义与公式、说明电子迁移率与空穴迁移率不同的原因？
答：见书94页。

3.说明散射的概念以及半导体中主要散射机构（散射概率关系式）。

答：散射的概念：载流子在半导体中运动时，便会不断地与热振动着的晶格原子或电离了的杂质离子发生作用，或者说发生碰撞，碰撞后载流子速度的大小及方向就发生改变，用波的概念，就是说电子波在半导体中传播时遭到了散射。

半导体中散射机构是：电离杂质散射和晶格振动散射，而晶格振动散射主要是以长纵光学波和声学波为主。

4.什么是格波，给出格波能量；什么是声子？
答：晶格中原子的振动都是由若干不同的基本波动按照波的叠加原理组合而成，这些基本波动称为格波。

格波的能量子hw称为声子。

5.解释晶体中起主要作用的声学波散射机构？
答：在能带具有单一极值的半导体中起主要散射作用的是长波，也就是波长比原子间距大很多倍的格波。

在长声学波中，只有纵波在散射中起主要作用。

长纵声学波传播时和气体中的声波类似，会造成原子分布的疏密变化，即疏处体积膨胀，密处压缩。

在一个波长中，一半处于压缩状态，一半处于膨胀状态，这种体变表示原子间距的减小或增大。

6 说明硅中载流子迁移率随温度和杂质浓度如何变化？
答：μ与杂质浓度和T有关
•低掺杂样品（杂质浓度<1017cm-3）：T↑μ↓迅速减小，晶格散射起主要作用；
•高掺杂样品(杂质浓度≥1018cm-3)：低温范围T↑，μ缓慢上升，杂质散射比较显著。

直到较高温度，μ↓才稍下降，晶格散射越强。

7.本征半导体与杂质半导体的电阻率随温度变化有何不同？（图4-16）
答：本征半导体的电阻率随温度升高而单调地下降，杂质半导体的电阻率随温度升高变化关系比较复杂
①AB段：低温区EF>ED，本征激发忽略，施主未全部电离。

T↑，电离施主增多，n ↑在此范围晶体振动不明显→电离杂质为主（μ随T↑而增加），随T↑而ρ↓。

②BC段：饱和区（室温）杂质全部电离，本征激发还不十分明显，载流子基本不变，晶体散射起作用，使μ随T↑而下降，随T↑而ρ↑
③C段：本征激发区段，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的减小对电阻率的影响，这时，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。

随T↑而ρ↓。

8.强电场作用下，这时欧姆定律不再适用为什么？热载流子概念？
答：电场足够强时：载流子速度足够大，晶体振动散射变得非常强，使平均速度趋于饱和值。

热载流子：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平衡载流子。

9.阐述耿氏效应现象及原因。

（多能谷散射）
答：对于某些半导体材料（如GaAs）,当外加的电压超过一定的值（103~104/cm）后，半导体内的电流将以很高的频率振荡（约为0.47~6.5GHz），这个效应称为耿氏效应。

10.如果有相同的电阻率的掺杂锗和硅半导体，问哪一个材料的少子浓度高？
答：锗
第五章非平衡载流子
1.什么叫非平衡状态？非平衡载流子？
答：非平衡状态: 对半导体施加外界作用(光, 电等)，迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。

△n和△p就是非平衡载流子。

2.光照激发半导体的附加电导率？
答：
3.什么是非平衡载流子的复合运动？在平衡情况下，载流子有没有复合这种运动形式？
答：产生非平衡载流子的外部作用撤除后，由于半导体的内部作用，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。

在平衡情况下，产生和复合处于相对的平衡。

4.非平衡载流子寿命及意义（计算）？
答：非平衡载流子的寿命(τ)：非平衡载流子的平均生存时间（少数载流子寿命）
1/τ:单位时间内非平衡载流子的复合概率
△p/τ：非平衡载流子的复合率——单位时间单位体积内净复合消失的电子-空穴对数。

光照停止后，-d△p(t)/dt单位时间内非平衡载流子浓度的减少，而单位时间内复合的载流子数为△p/τ
寿命的意义：寿命标志非平衡载流子浓度减小到原值1/e经历的时间。

5.为什么不能用费米能级作为非平衡载流子浓度的标准而要引入准费米能级？（计算
答：当外界的影响破坏了热平衡，使半导体处于非平衡状态时，就不能用统一的费米能级，因为费米能级和统计分布函数都是指的热平衡状态。

6.直接复合、间接复合的概念以及对寿命的影响。

（计算）
答：直接复合——电子在导带和价带之间的直接跃迁，引起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（复合中心）进行复合。

关于对寿命的影响：见书134页。

7.陷阱效应概念
答：杂质能级有显著积累非平衡载流子的作用称为陷阱效应。

8.复合中心和陷阱中心的区别。

答：对于有效复合中心，rn≈rp
电子陷阱：rn >> rp ；空穴陷阱：rp >> rn
2）电子的运动途径不同。

复合中心的电子直接落入价带与空穴复合；
电子陷阱中的电子必须重新激发到导带，再通过有效复合中心完成和空穴的复合。

3）复合中心位于Et=Ei的深能级是最有效的
电子陷阱：Et在EF以上的能级，越接近EF，陷阱效应越显著
9.扩散电流密度的计算（爱因斯坦关系式）？
答：
10.连续性方程中各项意义？
答：见书151页（5-129）
第六章pn结
1.pn结概念及分类。

答：PN结是由一个N型掺杂区和一个P型掺杂区紧密接触所构成的，其接触界面称为PN 结。

Pn结的杂质分布可以归纳为两种情况，即突变结和线性缓边结。

2.平衡pn结形成过程，画出pn结结构图（空间电荷、内建电场以及载流子漂移运动和扩散运动的方向）和平衡时pn结能带图。

答：见书160页。

3.平衡pn结接触电势差及势垒高度？（计算）
答：平衡pn结的空间电荷区两端间的电势差VD称为pn结的接触电势差或内建电势差，qVD 称为pn结的势垒高度。

4.定性地画出正/反向偏置时p–n结能带图；在图上标出准费米能级地位置，讨论势垒区以及载流子运动变化。

答：见书165页。

5.写出理想模型pn结I-V方程，分别说明对于正向偏置和反向偏置电流变化过程？
答：
这就是理想pn结模型的电流-电压方程，又称为肖克莱方程。

正向偏压下，电流密度随电压指数增加，反向偏压下，电流密度为常量，与外加电压无关。

表现出pn结有单向导电性。

6.列举影响pn结的电流的因素。

答：1）势垒区的产生电流2）势垒区的复合电流3)大注入情况
7.说明pn结势垒电容和扩散电容的物理意义，讨论势垒电容区的分布？
答：势垒电容是由耗尽区的空间电荷区引起的。

耗尽层中存贮的电荷量随外加电压的变化而改变。

这一特性正是电容效应，并称为势垒电容，用ＣT表示。

势垒电容：当外加反向电压增大时，耗尽层变宽，空间电荷量增加，犹如电容的充电。

当外加反向电压降低时，耗尽层变窄，空间电荷量减小，犹如电容的放电。

扩散电容：是pn结在正偏时, N区和P区形成一定的非平衡载流子的浓度分布，多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。

正向电压加大时，扩散增强，致使在两个区域内形成了电荷堆积，相当于电容器的充电；相反，当正向电压减小时，扩散减弱，造成两个区域内电荷的减少，这相当于电容器放电。

8.列举出pn结的击穿种类及原理？
答：PN结发生击穿有三种——雪崩击穿、隧道(齐纳)击穿和热电击穿。

雪崩击穿：在轻掺杂的pn结中，当反向电压大到一定值时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速而获得很大动能，与晶格原子相碰撞，将其价键电子撞出，产生电子—空穴对。

新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对——载流子倍增效应, 使反向电流迅速增大。

隧道（齐纳）击穿：在重掺杂的PN结中，当反向电压大到一定值时，耗尽区相对很窄形成很强的电场，大量电子从价带穿过禁带进入导带使反向电流急剧增大。

热电击穿：反向电压逐渐增大时，对应于一定的反向电流所损耗的功率也增大，这将产生大量的热能。

反向饱和电流密度随温度按指数规律上升，其上升速度很快。

因此Js↑→T↑→Js↑→T↑导致反向饱和电流密度增大。

发生击穿并不一定意味着PN结被损坏。

9 分析隧道pn结的电流电压特性。

答：见书186页。

第七章金属半导体的接触
1.金属和半导体的功函数定义？
答：金属功函数: 真空中静止电子的能量E0 与金属的EF 能量之差，即
上式表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小值。

半导体功函数: 真空中静止电子的能量E0 与半导体的EF 能量之差，即
半导体的费米能级与掺杂浓度有关，故其功函数与杂质浓度也紧密相关！
2.阐述金属–n型半导体接触在Wm＞Ws条件下形成接触势垒（阻挡层）过程？
答：当金属与n型半导体接触时，若Wm＞Ws ，则在半导体表面形成一个正的空间电荷区，其中电场方向由体内指向表面，它使半导体表面电子的能量高于体内，能带向上弯曲，即形成表面势垒。

在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比体内小得多，因此它是一个高阻的区域，常称为阻挡层。

3.阐述半导体表面态对接触势垒的影响？
答：q0 约为禁带宽度的1/3。

电子填满q0 以下所有表面态时，表面电中性
q0 以下的表面态空着时，表面带正电
q0 以上的表面态被电子填充时，表面带负电
4.金属半导体接触的整流现象。

答：对p型阻挡层，V<0, 金属负偏，形成从半导体向金属的正向电流
V>0, 金属正偏，形成反向电流。

阻挡层具有类似pn结的伏-安特性，即有整流作用。

5.比较p–n结和肖特基结的异同点。

答：相同点——单向导电性。

不同点：
pn结正向电流为非平衡少子扩散形成的电流,有显著的电荷存储效应；肖特基势垒二极管的正向电流主要是半导体多数载流子进入金属形成的，是多子器件，无积累，因此高频特性更好；
肖特基势垒二极管的势垒区只存在于半导体一侧
肖特基二极管正向导通电压较低，一般为0.3V左右，pn结一般为0.7V
6.什么叫欧姆接触？如何实现欧姆接触？
答：欧姆接触是指这样的接触：它不产生明显的附近阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变。

实现方法：把半导体一侧重掺杂形成金属—n+n或金属—p+p结构，利用隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触。

半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变得很薄，电子通过隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道流。