半导体器件物理重要知识点答辩

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半导体器件与工艺(1)答辩

半导体器件与工艺（半导体物理基础）
哈尔滨工程大学
微电子学
半导体基础

电阻率的结构与组分敏感性
用电阻率的高低来区分导体、半导体和绝缘体是不够严密的 : 某些结构完整且不含杂质的半导体也会有跟绝缘体不相上下的高电阻率，而当它们含有足够浓度的某些特殊杂质时，其电阻率又会降到金属电阻率的范围，甚至比某些导电性欠佳的金属导体的电阻率还低。半导体是导电能力明显依赖于材料的内外状态的一类特殊物质。
半导体基础

半导体导电的热敏性
载流子密度是器件特性的决定性因素。从器件工作特性的稳定性考虑，保持载流子密度的稳定是最基本的要求。非本征材料在一定的温度范围内主要靠杂质原子提供载流子，而一个杂质原子最多只能提供一个电子或空穴。当每个杂质原子都已“尽责”之后，载流子密度即保持不变，器件即可望保持相应的稳定工作状态。因此，实际半体器件大多采用掺杂材料。非本征材料有本征激发和杂质电离两种载流子来源，其载流子的总密度为二者之和。当本征激发的如状较小时，靠杂质的完全电离保持载流子的恒定密度。当本征载流子密度随着温度的升高而接近或超过掺杂浓度时，非本征半导体即开始向本征半导体转变。
半导体中空穴的导电本质上还是电子的定向运动，只不过这些电子不是自由电子而是被原子核束缚着的价电子。半导体电导率表达式
q(nn p p )
则本征半导体电导率表达式
i qni (n p )
常用半导体的载流子迁移率也往往比金属良导体中的自由电子的迁移率高，但是其电导率却非常小，这是因为本征载流子浓度与金属中的载流子密度相比很小。
半导体基础

电子在金属和半导体中的能量分布
当温度 T 大于 0K 时，由于电子的平均动能为 3kT/2 ，满带电子中会有一些能量偏高者越过禁带进入高能量的空带。任何一个能带能够容纳的电子数很大，而在低温和常温下能够越过一个宽度只有1eV的禁带的电子也都很少，因而这两个未满带的特征大不一样，其能量较高者接近全空，能量较低者接近全满。通常把非零温度下只有少许电子的近空带称为导带，而把只有少许空状态的近满带称为价带。

半导体复习提纲答辩

画出理想pn结正偏、反偏情况下的少子分布、电流分布示意图
解释利用pn结形成变容器的原理，通过测量pn结电容能否获得半导体杂质的分布信息？变容器原理：应用p-n结在反向偏压时电容随电压变化的特性，来设计用达到此目的的 p-n结被称为变容器，即可变电容器。通过测量其电容、电压特性可用来计算任意杂质分布。解释pn结击穿的机制。隧道效应：当一反向强电场加在p-n结时，价电子可以由价带移动到导带，这种电子穿过禁带的过程称为隧穿．隧穿只发生在电场很高的时候．。雪崩倍增：电场足够大，电子可以获得足够的动能，以致于当和原子产生撞击时，可以破坏键而产生电子-空穴对，新产生的电子和空穴，可由电场获得动能，并产生额外的电子-空穴对生生不息，连续产生新的电子-空穴对．这种过程称为雪崩倍增。 BJT各区的结构有何特点？为什么？发射区：掺杂浓度最高；基区：掺杂浓度中等，基区的宽度需远小于少数载流子的扩散长度；集电区：掺杂浓度最低； BJT工作在放大模式下的偏置情况是怎样的？画出p-n-p BJT工作在放大模式下的空穴电流分布。射基结为正向偏压，集基结为反向偏压
画出p-n-p BJT在放大模式下各区的少数载流子浓度分布。
为什么HBT的发射效率较高？发射区与基区间的能带差在异质结界面上造成能带偏移，ΔEv增加了射基异质结处价带势垒的高度，从而维持极高的效率与电流增益。 MOS二极管的金属偏压对半导体的影响有哪些？会改变能带弯曲情况，改变半导体表面电荷分布。画出理想MOS二极管（p型半导体）金属端加正偏及反偏电压时的能带图示意图。
略不计时，则可被定义为欧姆接触。
⑧ 肖特基势垒接触：具有大的势垒高度，以及掺杂浓度比导带或价带上态密度低的
金属-半导体接触。
⑨ 阈值电压：形成强反型层时沟道所对应的 VG 称为阈值电压 ⑩ CMOS：由成对的互补p沟道与n沟道MOSFET所组成

半导体物理_复习题答辩

第七篇题解-半导体表面与MIS结构刘诺编7-1、解：又因为7-3、解：（1）表面积累：当金属表面所加的电压使得半导体表面出现多子积累时，这就是表面积累，其能带图和电荷分布如图所示：（2）表面耗尽：当金属表面所加的电压使得半导体表面载流子浓度几乎为零时，这就是表面耗尽，其能带图和电荷分布如图所示：（3）当金属表面所加的电压使得半导体表面的少子浓度比多子浓度多时，这就是表面反型，其能带图和电荷分布如图所示：7-3、解：理想MIS结构的高频、低频电容-电压特性曲线如图所示；其中AB段对应表面积累，C到D段为表面耗尽，GH和EF对应表面反型。

7-4、解：使半导体表面达到强反型时加在金属电极上的栅电压就是开启电压。

这时半导体的表面势7-5、答：当MIS结构的半导体能带平直时，在金属表面上所加的电压就叫平带电容。

平带电压是度量实际MIS结构与理想MIS结构之间的偏离程度的物理量，据此可以获得材料功函数、界面电荷及分布等材料特性参数。

7-6、解：影响MIS结构平带电压的因素分为两种：（1）金属与半导体功函数差。

例如，当W m s 时，将导致 C-V 特性向负栅压方向移动。

如图（1）恢复平带在金属上所加的电压就是（2）界面电荷。

假设在SiO2中距离金属- SiO2界面x处有一层正电荷，将导致C-V特性向负栅压方向移动。

如图（2）恢复平带在金属上所加的电压就是在实际半导体中，这两种因素都同时存在时，所以实际MIS结构的平带电压为第六篇习题-金属和半导体接触刘诺编6-1、什么是功函数？哪些因数影响了半导体的功函数？什么是接触势差？6-2、什么是Schottky势垒？影响其势垒高度的因数有哪些？6-3、什么是欧姆接触？形成欧姆接触的方法有几种？试根据能带图分别加以分析。

6-4、什么是镜像力？什么是隧道效应？它们对接触势垒的影响怎样的？6-5、施主浓度为7.0×1016cm-3的n型Si与Al形成金属与半导体接触，Al的功函数为4.20eV，Si的电子亲和能为4.05eV，试画出理想情况下金属-半导体接触的能带图并标明半导体表面势的数值。

半导体面试题目(3篇)

第1篇一、基础知识部分1. 请简述半导体材料的基本概念及其分类。

2. 解释什么是本征半导体、n型半导体和p型半导体，并说明它们之间的区别。

3. 什么是掺杂？为什么掺杂对于半导体的应用至关重要？4. 什么是载流子？请分别说明电子和空穴载流子的性质。

5. 什么是能带？简述价带、导带和禁带的概念。

6. 什么是能级？请解释能级与能带之间的关系。

7. 什么是施主和受主？它们在半导体中的作用是什么？8. 请解释半导体中的电导率是如何受到温度影响的。

9. 什么是霍尔效应？它在半导体中的应用有哪些？10. 什么是PN结？简述PN结的形成过程、特性和应用。

二、器件原理部分1. 请简述晶体管的工作原理，包括NPN和PNP晶体管。

2. 什么是场效应晶体管（FET）？请解释其工作原理和特性。

3. 什么是MOSFET？请说明其结构、工作原理和优缺点。

4. 什么是二极管？请解释二极管的基本特性和应用。

5. 什么是三极管？请说明三极管的基本特性和应用。

6. 什么是整流器？请列举几种常见的整流器类型及其工作原理。

7. 什么是稳压器？请说明稳压器的工作原理和应用。

8. 什么是放大器？请解释放大器的基本特性和应用。

9. 什么是滤波器？请列举几种常见的滤波器类型及其工作原理。

10. 什么是振荡器？请解释振荡器的基本特性和应用。

三、电路设计部分1. 请简述半导体电路设计的基本流程。

2. 什么是模拟电路和数字电路？请分别说明它们的特点。

3. 什么是电路仿真？请列举几种常见的电路仿真软件。

4. 什么是版图设计？请说明版图设计的基本流程和注意事项。

5. 什么是集成电路封装？请列举几种常见的集成电路封装类型。

6. 什么是测试与验证？请说明测试与验证在半导体电路设计中的重要性。

7. 什么是电路优化？请列举几种常见的电路优化方法。

8. 什么是电源设计？请说明电源设计的基本原则和注意事项。

9. 什么是信号完整性？请解释信号完整性对电路设计的影响。

10. 什么是电磁兼容性？请说明电磁兼容性在电路设计中的重要性。

半导体物理学第一章半导体中的电子状态答辩

第二布里渊区,对应较高壳层的能级能量
2n E (k ) E (k ) l
2 ~ 0~ l l l

2 ~ ~0 l l l
E（k）
自由电子
-π/1 0 π/1
}允带
}允带
k
} 允带
称第一布里渊区为简约布里渊区
3.允许带和禁带
晶体中的电子能量并不是可以取任意值,有些能量是禁止的,而只是在某一范围才可以.
禁带允许带
电子填充允许带时,可能出现: 电子刚好填满最后一个带 →绝缘体和半导体
最后一个带仅仅是部分被电子占有
→导体.
三、导体、绝缘体和半导体的能带
1.导体的能带
3s
2p 2s 1s
11#Na,它的电子在组态是:1s22s22p63s1
2.绝缘体和半导体的能带能带图可简化成:
电子能量
半导体材料的类型：元素半导体：硅(Si)、锗(Ge) 化合物半导体：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InAs）等
元素(elements)半导体
硅、锗都是由单一原子所组成的元素半导体，均为周期表第IV 族元素。 20世纪50年代初期，锗曾是最主要的半导体材料； 60年代初期以后，硅已取代锗成为半导体制造的主要材料。
半导体材料简述
导电性
固态材料可分为三类，即绝缘体、半导体及导体。
绝缘体: 电导率很低，约介于20-18S/cm～10-8S/cm,如熔融石英及玻璃；导体：电导率较高，介于104S/cm～106/cm，如铝、银等金属。半导体：电导率则介于绝缘体及导体之间。
半导体的特点：易受温度、照光、磁场及微量杂质原子的影响。正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成为各种电子应用中最重要的材料之一。

半导体绪论答辩

+4
综上所述：
(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。
电子是多数载流子；空穴是少数载流子；不参加导电的正离子。
(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。
空穴是多数载流子，
电子是少数载流子，
不参加导电的负离子。
(3) 杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本
结论：
PN结的单向导电性：
PN 结加正向电压产生大的正向电流， PN 结
导电。
PN结加反向电压产生很小的反向饱和电流，
近似为零， PN结不导电。
2019年5月19日1时37分
⑵ PN结的伏安特性
定量描绘 PN结两端电压和流过结的电流的关系的曲线——PN结的伏安特性。根据理论分析，PN结的伏安特性方程为
综上所述：
(1) 半导体中有两种载流子：自由电子和空穴，电子带负电，空穴带正电。 (2) 本征半导体中，电子和空穴总是成对地产生，ni = pi。 (3) 半导体中，同时存在载流子的产生和复合过程。
2019年5月19日1时37分
⑵ 杂质半导体
本征半导体的电导率很小，而且受温度和光照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导体器件。本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺入微量元素，导电能力显著提高。掺入的微量元素——“杂质”。掺入了“杂质”的半导体称为“杂质”半导体。
2019年5月19日1时37分
⑴ 本征半导体
半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，那么，电子空穴对是否会越来越多，电子和空穴浓度是否会越来越大呢？实验表明，在一定的温度下，电子浓度和空穴浓度都保持一个定值。半导体中存在
载流子的产生过程载流子的复合过程

半导体物理学基础知识答辩

1半导体中的电子状态1.2半导体中电子状态和能带1.3半导体中电子的运动有效质量1半导体中E与K的关系2半导体中电子的平均速度3半导体中电子的加速度1.4半导体的导电机构空穴1硅和锗的导带结构对于硅，由公式讨论后可得：I.磁感应沿【1 1 1】方向，当改变B（磁感应强度）时，只能观察到一个吸收峰II.磁感应沿【1 1 0】方向，有两个吸收峰III.磁感应沿【1 0 0】方向，有两个吸收峰IV磁感应沿任意方向时，有三个吸收峰2硅和锗的价带结构重空穴比轻空穴有较强的各向异性。

2半导体中杂质和缺陷能级缺陷分为点缺陷，线缺陷，面缺陷(层错等1.替位式杂质间隙式杂质2.施主杂质：能级为E(D,被施主杂质束缚的电子的能量状态比导带底E(C低ΔE(D,施主能级位于离导带底近的禁带中。

3. 受主杂质：能级为E(A,被受主杂质束缚的电子的能量状态比价带E(V高ΔE(A,受主能级位于离价带顶近的禁带中。

4.杂质的补偿作用5.深能级杂质：⑴非3，5族杂质在硅，锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，离价带顶也较远，称为深能级。

⑵这些深能级杂质能产生多次电离。

6.点缺陷：弗仑克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现。

肖特基缺陷：只在晶体内部形成空位而无间隙原子。

空位表现出受主作用，间隙原子表现出施主作用。

3半导体中载流子的分布统计电子从价带跃迁到导带，称为本征激发。

一、状态密度状态密度g(E是在能带中能量E附近每单位间隔内的量子态数。

首先要知道量子态，每个量子态智能容纳一个电子。

导带底附近单位能量间隔内的量子态数目，随电子的能量按抛物线关系增大，即电子能量越高，状态密度越大。

二、费米能级和载流子的统计分布在T=0K时，费米能级E(f可看作是量子态是否被电子占据的一个界限。

附图：随着温度的升高，电子占据能量小于费米能级的量子态的概率下降，占据高于费米能级的量子态的概率上升。

2波尔兹曼分布函数在E-E(f>>K(0T时，服从波尔兹曼分布（是费米能级的一种简化形式）。

半导体物理-9答辩

半导体物理 Semiconductor Physics
n型半导体的载流子浓度
以单一施主能级的n型半导体为例
半导体物理 Semiconductor Physics
电中性条件为
n0 p0 nD 或 n0 p0 ND nD
电子 = 空穴+正电中心
n0

Nc
exp(
Ec EF k0T
)
ND
nD D ND
D
未电离施主占施主杂质数的比例系数
D

2(
ND Nc
)
exp(
ED k0T
)
半导体物理 Semiconductor Physics
D_与温度、杂质浓度和杂质电离能都有关系。杂质达到全部电离的温度不仅取决于电离能，也和杂质浓度有关杂质浓度越高，达到全部电离的温度越高假定全部电离的标准是D_等于10%，那么可以由上式求得某温度下某种杂质全部电离的浓度上限上式还可以确定杂质全部电离时的温度
)
ND
1 2 exp( ED

EF
)
k0T
分区（温度）讨论
半导体物理 Semiconductor Physics
低温弱电离区
温度很低时，大部分施主杂质能级仍为电子所占据，少量施主杂质发生电离。从价带到导带的本征激发更是可以忽略不计。因此有，
p0 0, n0 nD
p0被歼灭
Nc
exp(
n 电离施主浓度
D
nD

ND
nD
ND[1
f
D
(E
)]

1

2
ND exp( ED

EF

半导体基础知识答辩ppt课件

１.2.2 V—A特性曲线
实验曲线
i
锗
击穿电压UBR
(1) 正向特性 i
u
V
mA
(2) 反向特性
i u
V
uA
0
u
反向饱和电流
导通压降硅：0.7 V
死区

电压
E
锗：0.3V
硅：0.5 V 锗： 0.1 V
E
(1)正向特性：
对应于图1-12曲线的第①段，为二极管伏特性的正向特性部分。这时加在二极管两端的电压不大，从数值上看，只有零点几伏，但此时流过二极管的电流却较大，即此时二极管呈现的正向电阻较小。一般硅管正向导通压降约为0.6～ 0.7V, 锗管约为0.2～0.3V。
少子—电子
少子—空穴
少子浓度——本征激发产生，与温度有关多子浓度——掺杂产生与，温度无关
1.2.1 PN结
1 . PN结的形成
PN结合因多子浓度差多子的扩散空间电荷区
形成内电场阻止多子扩散，促使少子漂移。内电场E
P型半导体空间电荷区 N型半导体
－－－－
++ ++
－－－－
++ ++
正向电流
－－－－
++ ++
内电场 E
EW
R
(2) 加反向电压——电源正极接N区，负极接P区
外电场的方向与内电场方向相同。
动画演示
外电场加强内电场 →耗尽层变宽 →漂移运动＞扩散运动
→少子漂移形成反向电流I R
P
空间电荷区
N
－－－－
++ ++

半导体物理学简答题及答案知识讲解

半导体物理学简答题及答案知识讲解第一章1.原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同, 原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同。

答：原子中的电子是在原子核与电子库伦相互作用势的束缚作用下以电子云的形式存在，没有一个固定的轨道；而晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子，在晶体周期性势场中运动。

当原子互相靠近结成固体时，各个原子的内层电子仍然组成围绕各原子核的封闭壳层,和孤立原子一样;然而，外层价电子则参与原子间的相互作用，应该把它们看成是属于整个固体的一种新的运动状态。

组成晶体原子的外层电子共有化运动较强，其行为与自由电子相似，称为准自由电子，而内层电子共有化运动较弱，其行为与孤立原子的电子相似。

2.描述半导体中电子运动为什么要引入"有效质量"的概念, 用电子的惯性质量描述能带中电子运动有何局限性。

答：引进有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用。

惯性质量描述的是真空中的自由电子质量，而不能描述能带中不自由电子的运动，通常在晶体周期性势场作用下的电子惯性运动，成为有效质量3.一般来说, 对应于高能级的能带较宽,而禁带较窄,是否如此，为什么？答：不是，能级的宽窄取决于能带的疏密程度，能级越高能带越密，也就是越窄；而禁带的宽窄取决于掺杂的浓度，掺杂浓度高，禁带就会变窄，掺杂浓度低，禁带就比较宽。

4.有效质量对能带的宽度有什么影响，有人说:"有效质量愈大,能量密度也愈大,因而能带愈窄.是否如此，为什么？答：有效质量与能量函数对于K的二次微商成反比，对宽窄不同的各个能带，1（k）随k的变化情况不同，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大，内层电子的能带窄，有效质量大；外层电子的能带宽，有效质量小。

5.简述有效质量与能带结构的关系；答：能带越窄，有效质量越大，能带越宽，有效质量越小。

半导体物理-10答辩

变量：T
未知： EF、TT
得到费米能级是困难的。两种方法，一是利用计算机；而是图解法
半导体物理 Semiconductor Physics
当某些项可以忽略时，求费米能级可以简化
前面单一杂质能级情况就是一个简化特例
现在考虑含少量受主杂质的n型半导体，即施主浓度ND 大于受主浓度NA的情况
n0

(ND
NA )Nc' NA

(ND NA)Nc 2NA
exp( ED ) k0T
1）在低温弱电离区内，导带中电子浓度与（ND-NA）以及导带底有效状态密度Nc都成正比关系，并随温度升高而指数增大。
2)、n0

(ND
NA)Nc 2NA
exp( ED Ec k0T
)

Nc
exp(
Ec EF k0T
)
ln( ND N A ) ED Ec Ec EF
2NA
k0T
k0T
EF

ED
k0T
ln( ND N A ) 2NA
ND-NA>2NA，EF>ED,EF在ED 之上 T→0K，第二项趋近零，EF 与ED重合
半导体物理 Semiconductor Physics
2
2Nc
半导体物理 Semiconductor Physics
EF

Ec
ED 2
( k0T 2
) ln( ND 2Nc
)
1）当ND<2Nc时，EF在ED和Ec之间的中线以下；当 ND>2Nc时，则ED位于ED和Ec之间的中线以上
2）利用上面低温下载流子浓度近似公式作lnn0~1/T关系曲线基本上是一条直线，其斜率分别是 ED / k0 或 ED /(2k0 ) ，这也是获得施主杂质电离能的一个重要方法

半导体物理第三章02答辩

在本征载流子浓度没有超过杂质电离所提供的载流子浓度的温度范围，如果杂质全部电离，载流子浓度是一定的，器件就能稳定工作。
第三章02
13/51
但是随着温度的升高，本征载流子浓度迅速地增加。例如在室温附近，纯硅的温度每升高 8K左右，本征载流子浓度就增加约一倍。而纯锗的温度每升高 12K左右，本征载流子浓度就增加约一倍。当温度足够高时，本征激发占主要地位，器件将不能正常工作。

ECk0TEF第三章02N2D
exp

ED EF k0T

33/51
取对数后化简为
EF

EC
2
ED

k0T 2
ln

ND 2NC

因为Nc

T
3/ 2，在低温极限T

0K时，lim(T T 0
ln T )

0，所以
lim
T 0
EF

Ec
所谓本征半导体就是一块没有杂
质和缺陷的半导体。在热力学温度零度时，价带中的全部量子态都被电子占据，而导带中的量子态都是空的，也就是说，半导体中共价键是饱和的、完整的。
第三章02
3/51
当半导体的温度 T>0K时，就有电子从价带激发到导带去，同时价带中产生了空穴，这就是所谓的本征激发。由于电子和空穴成对产生，导带中的电子浓度 n0应等于价带中的空穴浓度 p0，即n0= p0
p0=0，n0=nD+ ,所以
NC
exp

EC EF k0T

ND
1

2
exp

半导体基本知识答辩

PN结及半导体二极管
半导体二极管按结构分为点接触型和面接触型点接触型(a)适用于高频电路，面接触型(b)适用于整流
(c)是硅工艺平面型二极管的结构图，是集成电路中常见的一种形式。
特殊二极管
稳压二极管光电二极管变容二极管发光二极管
半导体基本知识
最常用的半导体是锗和硅，并且被制作成晶体
半导体为什么会导电：
纯净的半导体晶体中没有可自由运动的带电粒子，但在室温下，一些电子可获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，原来的位置就成了空穴，在外加能源的作用下，其它电子就可转移到这个空位上，照这样不断重复，电子的不断移动产生了电流，温度越高，自由电子越多，空穴越多，导电性能越好。
空穴是半导体区别于导体的一个重要特点。
半导体基本知识
在纯净半导体中掺入微量的杂质，可提高半导体的导电能力
N型半导体：在锗或硅晶体内掺入少量五价元素杂质，如磷；这样在晶体中有了多余的电子
P型半导体：在锗或硅晶体内掺入少量三价元素杂质，如硼；这样在晶体中有了多余的空穴
PN结及半导体二极管
把N型半导体和P型半导体结合后，在中间区域会产生一个PN结，N区的电位比P区的电位高，但在这以外的区域是等电位的。
整流元件-------二极管简介
1、半导体基本知识 2、PN结及半导体二极管 3、易传导电流的物质；如金属铜、铝等绝缘体：不容易传导电流的物质；如陶瓷、橡皮等半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物质；如锗、硅、硒、砷化镓等
半导体的特点： 1、在受到光和热的刺激时，导电性能将发生显著的变化 2、在纯净的半导体中加入微量的杂质，其导电性能会显著的增加
PN结及半导体二极管
PN结的单向导电性：外加正向电压，P端接正，N端接负，PN结变窄，产生一个由N区流向P区的正向电流，并随着外加电压的变化急速变大，表现为很小的电阻。

chap1半导体物理基础答辩

• 受主杂质很容易从价带接收一个电子——受主电离能很小，因此受主能级位于价带之上，并距离很近。
24
1.6杂质能级
• 受主杂质电离的另外一种表述：把中性的受主杂质看成带负电的硼离子在它周围束缚一个带正点的空穴，把受主杂质从价带接收一个电子的电离过程，看做被硼离子束缚的空穴被激发的导带的过程。
适当的杂质，在禁带中引入相应的杂质能级。
15
1.6杂质能级
• 在实际的半导体材料中，总是不可避免的存在各种类型的缺陷。
• 为了改善半导体的导电性，通常会加入适当的杂质。
• 在禁带中引入相应的杂质能级和缺陷能级。
16
1.6杂质能级
• 硅的四面体结构，每个小棒代表了一个共价键。
• 杂质以替位的方式掺入硅晶体中。
• EF为费米能级：被电子占据的概率为1/2 • 是反应电子在各个能级中分布情况的参
数；费米能级高，说明电子占据高能级的概率大；费米能及是电子填充能级水平高低的标志
30
1.7 载流子的统计分布
• 费米能级随温度以及杂质的种类和多少的变化而变化；热平衡系统的费米能及恒定
• 相应的，能量为E的量子态未被电子
• 禁带宽度：电子从价带激发到导带所需要的最小能量。
11
1.4导带电子和价带孔穴
• 禁带的宽度区别了绝缘体和半导体；而禁带的有无是导体和半导体、绝缘体之间的区别；绝缘体是相对的，不存在绝对的绝缘体。
• 导体具有任何温度下电子部分填满的导带。
• 图1-5：不同导电性物质电子填充能带情况。
• 这种说法与施主杂质把束缚的电子激发到导带的电离过程完全类似。
25
1.6杂质能级
• 半导体中同时掺有受主和施主杂质，由于受主能级比施主能级低得多，施主能级上的电子首先要去填充受主能级，使施主向导带提供电子的能力和受主向价带提供空穴的能力相互抵消而减弱，称为杂质补偿。

半导体物理-8答辩

Ec' Ec
4
(2mn* )3/ 2 h3
exp(
E EF k0T
)(E

Ec )1/ 2dE
其中，积分上限E'c是导带顶能量
数学处理，引入变量x = (E-Ec)/(k0T)，上式可写为
n0

4
(2mn* )3/ 2 h3
Ec' Ec
exp(
E

Ec Ec k0T

EF
)(E

gc (E)

dZ dE
4V
(2mn* )3/2 h3
(E

Ec )1/ 2
EEF
fB (E) e k0T
在能量E到E+dE间的电子数dN为
dN fB (E)gv (E)dE
半导体物理 Semiconductor Physics
dN fB (E)gv (E)dE

4V
(2mn* )3/ 2 h3
同理，我们可以求得热平衡状态下非简并半导体
的价带中空穴浓度：
p0
Ev [1 f (E)] gv (E)dE
Ev'
V

4
(2m*p )3/ 2 h3
Ev Ev'
exp( E EF k0T
)(Ev

E)1/ 2dE
令x = (Ev-E)/(k0T)，则
(Ev E)1/ 2 (k0T )1/ 2 x1/ 2
)3
/
4
T
3/
2
exp(
Eg 2k0T
)
ni

4.82
1015
(
m*p mn* m02

第一章半导体器件答辩

电子技术模拟电路部分第一章半导体器件第一章半导体器件§ 1.1半导体的基本知识§ 1.2PN结及半导体二极管§ 1.3特殊二极管§ 1.4半导体三极管§ 1.5场效应晶体管§1.1 半导体的基本知识1.1.1 导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。

绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。

半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。

半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。

例如：•当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。

•往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。

1.1.2本征半导体一、本征半导体的结构特点现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。

Ge Si通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。

本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。

在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。

硅和锗的晶体结构：硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4 +4 +4 +4+4表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。

形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。

共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。

+4 +4+4 +4二、本征半导体的导电机理1.载流子、自由电子和空穴在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。

半导体物理6答辩

4°反之当 EF－EA2 >> kT ，即 EA 2 远在 EF 之下 →受主全电离，因杂质能级上空穴能量高，所以 PA ≈ 0, PA－ ≈ NA
三，杂质半导体的载流子浓度：电中性条件：热平衡下，半导体处于不带电状态
1，一般情况：电中性条件：单位体积内：n个导带电子，－ne电荷； P 个空穴，+ P e电荷 nD+ 个电离施主（给出电子带正电）：+nD+e = +( ND － nD )e 电荷 PA- 个电离受主（接受电子带负电）：－PA-e = －( NA － PA )e 所以空间电荷密度ρ： ρ = e [P +( ND － nD ) － n － ( NA － PA )] 如杂质分布均匀 → 空间电荷处处为 0 → ρ = 0
(3-22)
2，受主能级：1°空穴占据受主能级 →未电离(电中性) →不提供空穴载流子
PANAfA12expN (E AFEA) kT
(3-23)
2°电离受主浓度PA-： PA NAPA12exp(N AEFEA) kT
（3－24）
3，重要公式（3－21）,（3－22）,（3－23）和（3－24）的意义：
b，有两个成对的电子成共价键 Ⅳ族本征，Ⅲ族掺杂→受主能级：a，未接受任意自旋的电子（中性态）
b，接受一个任意自旋电子（电离态）或用空穴表述为：受主能级：a，有一个任意自旋的空穴（中性态）
b，没有空穴（电离态）
2．电子和空穴占据杂质能级的几率：用化学势法可标出
1°电子占据施主能级 ED 的几率：
价带
GaAs： 0.47m0
0.068m0 Δ E = 0.038 eV → 偏向导带
3. 本征载流子浓度：将 Ei 代入 n，p 表达式得：

半导体物理复习与总结1答辩

no p0 Nc NV e
Ec EF kT
e
E E F v kT
Nc NV e

Eg kT
非简并半导体的统计分布规律
本征半导体
f ( E) f B ( E ) Ae
E k0T
杂质半导体
1 f D (E) 1 ED EF 1 exp( ) 2 k 0T 1 f A (E) 1 EF E A 1 exp( ) 2 k 0T
NA
1
pA N A pA

NA 1 2e

EF E A kT
非简并半导体中载流子浓度
2kTmdn 导带中电子浓度： no N / V 2 e 2 h
3/ 2 Ec EF kT 价带中空穴浓度po NV e
EF Ev kT
2kTmdp NV 2 h2

3/ 2
电子和空穴的乘积
nD N D f ( E D )
1 e 2
ED EF kT
ND
1
— 未电离的施主浓度
电离的施主浓度nD+为：
n N D nD 2e
D

ED EF kT
ND
1
没有电离的受主浓度pA为：
pA N A f p (EA )
电离的受主浓度pA-为：
1 e 2
E A EF kT
非简并半导体
服从费米统计规律电子：
1 f (E) E EF 1 exp( ) k0T 1 f p (E) 1 f (E) EF E 1 exp( ) k0T
注：只有重掺杂的半导体才有可能是简并半导体