半导体物理复习要点-2011

一、论述题

1. 简要说明载流子有效质量的定义和作用？

答：能带中电子或空穴的有效质量m 的定义式为：2

2

2

)(dk k E d h m =*

有效质量m 与能量函数E(k)对于波矢k 的二次微商， 即能带在某处的曲率成反比； 能带

越窄，曲率越小，有效质量越大，能带越宽，曲率越大，有效质量越小； 在能带顶部，曲率小于零，则有效质量为负值，在能带底部，曲率大于零，则有效质量为正值。 有效质量的意义在于它概括了内部势场的作用，使得在解决半导体中载流子在外场作用下的运动规律时，可以不涉及内部势场的作用。

2. 简要说明费米能级的定义、作用和影响因素？

答：电子在不同能量量子态上的统计分布概率遵循费米分布函数：

⎪

⎭

⎫ ⎝⎛-+=

kT E E E f F ex p 11

)(

费米能级EF 是确定费米分布函数的一个重要物理参数，在绝对零度是，费米能级EF 反映

了未占和被占量子态的能量分界线，在某有限温度时的费米能级EF 反映了量子态占据概率为二分之一时的能量位置。确定了一定温度下的费米能级EF 位置，电子在各量子态上的统

计分布就可完全确定。 费米能级EF 的物理意义是处于热平衡状态的电子系统的化学势，即在不对外做功的情况下，系统中增加一个电子所引起的系统自由能的变化。

半导体中的费米能级EF 一般位于禁带内，具体位置和温度、导电类型及掺杂浓度有关。只

有确定了费米能级EF 就可以统计得到半导体导带中的电子浓度和价带中的空穴浓度。

3.pn 结空间电荷区如何形成？并导出pn 结接触电势差的计算公式。

4. 试定性分析Si 的电阻率与温度的变化关系。

答：Si 的电阻率与温度的变化关系可以分为三个阶段：

(1)温度很低时，电阻率随温度升高而降低。因为这时本征激发极弱，可以忽略；载流子主

要来源于杂质电离，随着温度升高，载流子浓度逐步增加，相应地电离杂质散射也随之增加，

从而使得迁移率随温度升高而增大，导致电阻率随温度升高而降低。 (2)温度进一步增加（含室温），电阻率随温度升高而升高。在这一温度范围内，杂质已经全

部电离，同时本征激发尚不明显，故载流子浓度基本没有变化。对散射起主要作用的是晶格

散射，迁移率随温度升高而降低，导致电阻率随温度升高而升高。 （3） 温度再进一步增加，电阻率随温度升高而降低。这时本征激发越来越多，虽然迁移率随温度升高而降低，但是本征载流子增加很快，其影响大大超过了迁移率降低对电阻率的影响，导致电阻率随温度升高而降低。当然，温度超过器件的最高工作温度时，器件已经不能正常工作了。

5. 漂移运动和扩散运动有什么不同？两者之间有什么联系？

答：漂移运动是载流子在外电场的作用下发生的定向运动，而扩散运动是由于浓度分布不均匀导致载流子从浓度高的地方向浓度底的方向的定向运动。前者的推动力是外电场，后者的推动力则是载流子的分布引起的。

漂移运动与扩散运动之间通过迁移率与扩散系数相联系。而非简并半导体的迁移率与扩散系数则通过爱因斯坦关系相联系，二者的比值与温度成反比关系。即:T

k q

D

0=

μ

6. 说明能带中载流子迁移率的物理意义和作用。

答：载流子迁移率 反映了单位电场强度下载流子的平均漂移速度，其定义式为：E

v

d

=μ，

其单位为：cm2/V s 半导体载流子迁移率的计算公式为：*

=

m q τ

μ 其大小与能带中载流子的有效质量成反比，与载流子连续两次散射间的平均自由时间成正比。确定了载流子迁移率和载流子浓度就可确定该载流子的电导率。 7.请解释什么是肖特基势垒二极管，并说明其与pn 结二极管的异同。

答：利用金属 半导体接触形成的具有整流特性的二极管称为肖特基势垒二极管。 肖特基势垒二极管和pn 结二极管具有类似的电流 电压关系，即都具有单向导电性；但两者有如下区别：

pn 结二极管正向导通电流由p 区和n 区的少数载流子承担， 即从p 区注入n 区的空穴和从n 区注入p 区的电子组成。少数载流子要先形成一定的积累，然后依靠扩散运动形成电流，因此pn 结二极管的高频性能不佳。而肖特基势垒二极管的正向导通电流主要由半导体中的

多数载流子进入金属形成的，从半导体中越过界面进入金属的电子并不发生积累，而是直接

成为漂移电流而流走。因此具有更好的高频特性。 此外，肖特基势垒二极管对于同样的电流， 具有较低的正向导通电压。 因此，肖特基势垒二极管在高速集成电路、微波技术等领域具有重要应用。

8. 请解释什么是欧姆接触？如何实现？

答：欧姆接触是指不产生明显的附加阻抗的，接触电阻很小的金属与半导体的非整流接触。

半导体器件一般利用金属电极输入或输出电流，因此要求金属和半导体之间形成良好的欧姆

接触，尤其在大功率和超高频器件中，欧姆接触是设计制造的关键问题之一。 不考虑表面态的影响，若金属功函数小于半导体功函数，金属和n 型半导体接触可形成反阻挡层；若金属功函数大于半导体功函数，则金属和p 型半导体接触可形成反阻挡层；理论上，选择适当功函数的金属材料即可形成欧姆接触。 实际上，由于半导体材料常常具有很高的表面态密度，无论n 型或p 型半导体与金属接触都会形成势垒阻挡层，而与金属功函数关系不大。因此，不能用选择金属材料的办法来形成欧姆接触。常用的方法是在n 型或p 型半导体上制作一层重掺杂区后再与金属接触。重掺杂半导体的势垒区宽度变得很薄，因此电子可以通过量子隧道效应穿过势垒形成相当大的隧道电

流，此时接触电阻可以很小，从而可以形成良好的欧姆接触。

9. 什么叫施主？施主电离前后有何特征？试举例说明之，并用能带图表征出n 型半导体。