半导体物理(刘恩科第七版)复习重点

共有化运动
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能级分裂
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能带形成
导带
满带或价 带
复习课 半导体中电子状态和能带
晶体中的电子
VS
自由电子
严格周期性重复排列的原子间运动
恒定为零的势场中运动
单电子近似：晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场
以及其他大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期变化的， 并且它的周期与晶格周期相同。
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半导体物理学
电子科学与技术系 周维龙
2007.11.1
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试卷结构
考试时间: 100 分钟 满分：100分 一、填空题 (每空1分，共20分) 二、选择题（每小题2分，10分） 三、解答题（每小题9分、共18分） 四、计算题（每小题13分、共52分）
复习课 第一章 半导体中的电子状态
晶体结构与共价键
漂移运动：电子在电场力作用下的运动 迁移率：单位场强下电子的平均漂移速度
|
电导率
d
E
|
J n / p nqn / p | E |
n / p nqn / p
电流密度
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散射及散射机构
平均自由程：连续两次散射间自由运动的平均路程 散射机构 （1）电离杂质散射
Pi NiT 3/ 2
直接带隙：砷化镓 间接带隙：硅、锗
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第二章 半导体中的杂质和缺陷能级
所处位置不同：替位式杂质、间隙式杂质 所处能级不同：施主杂质、受主杂质
施放电子而 产生导电电 子并形成正 电中心
接受电子成 为负电中心
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第三章 半导体中载流子的统计分布
热平衡状态
高能量的量子态
使电子空穴对 不断减少
E EC 到E EC 100(
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h2 ) * 8mn L2
在一个均匀的n型半导体的表面的一点注入少数载 流子空穴。在样品上施加一个50V/cm的电场，在 电场力的作用下这些少数载流子在100μs的时间 内移动了1cm，求少数载流子的漂移速率、迁移 率和扩散系数。（kT=0.026eV） 。
d 2 p p Dp 2 dx p
空穴扩 散系数 非平衡少数载流子 浓度
非平衡少数载流子 的寿命
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爱因斯坦关系式(意义，推导)
从理论上找到扩散系数和迁移率之间的定量关系
迁移率 扩散系数 电场作用下运动的难易程度
J n ( J n )漂 J n）＝0 （ 扩
存在浓度梯度下载流子运动的难易程度
电子在导带和价带之间的直接跃迁
间接复合
非平衡载流子通过复合中心的复合
过程前 间接复合的四个过程
过程后
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陷阱效应(熟悉概念)
杂质能级积累非平衡载流子的作用 陷阱：具有显著效应的杂质能级 陷阱中心：相应的杂质和缺陷
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载流子的扩散运动
稳定扩散的条件： 单位时间在单位体积内 积累的载流子＝由于复合而消失的载流子
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第五章 非平衡载流子
施加外界作用 破坏热平衡条件
偏离热平衡态
比平衡态多出来一部分载流子
产生非平衡载流子
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非平衡载流子
△n = n － n0
△p = p － p0
n：非平衡态下的电子浓度 p：非平衡态下的空穴浓度 n0：平衡态下的电子浓度 p0：平衡态下的电子浓度
非平衡载流子的复合：当 半导体由非平衡态恢复为 平衡态，过剩载流子消失 的过程。
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模拟题：
一、填空题 (每空1分，共20分)
1、金刚石结构中，每个原子周围都有（ ）最近邻的 原子，组成一个（ ）； 2、固体按其导电性可分为（ ）、（ ）和 （ ）； 3、在电场强度不是太大时，半导体的电导率为 （ ）；
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二、选择题：
1、在某半导体掺入硼的浓度为1014cm-3, 磷为1015 cm-3，则该半导体 为（ B ）半导体；其有效杂质浓度约为（ E ）。 A. 本征， B. n型， C. p型， D. 1.1×1015cm-3, E. 9×1014cm-3 2、 当半导体材料处于热平衡时，其电子浓度与空穴浓度的乘积为 （ B ），并且该乘积和（E、F ）有关，而与（ C、D ）无关。 A、变化量； B、常数； C、杂质浓度； D、杂质类型； E、禁带宽度； F、温度 3、在一定温度下，对一非简并n型半导体材料，减少掺杂浓度，会使得 （ C ）靠近中间能级Ei； 如果增加掺杂浓度，有可能使得（ C ）进 入（ A ），实现重掺杂成为简并半导体。 A、Ec； B、Ev； C、EF； D、Eg； E、Ei。
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玻尔兹曼分布函数
条件：E-EF>>k0T
f B E e
E EF k0T
费米统计分布：受到泡利不相容原理限制 玻尔兹曼分布：泡利原理不起作用
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导带电子浓度
能量E到E+dE之间的量子态 dZ gc ( E )dE 电子占据能量为E的量子态几率
f (E)
Ec '
将所有能量区间中电子数相加 载流子浓度 是与温度、 杂质数量及 种类有关的 量
k0T 电子 : n q Dn 空穴 : Dp
J n ( J n )漂 J n）＝0 （ 扩
p

k0T q
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第六章 p-n结
1、内建电场 结果 2、费米能级 相等标志了 载流子的扩 散电流和漂 移电流互相 抵消
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p-n结接触电势差VD
k0T VD q N D N A ln 2 n i
3 * 2 n 3 c
1 2
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费米能级与分布函数
费米分布函数：（描述热平衡状态下，电子在允许的量子态上如
何分布）
1 f E E EF 1 exp( ) k0T
标志了电子填 充能级的水平
T=0K时，
E-EF>>k0T
若E<EF，则f (E)=1 若E>EF，则f (E)=0
f A E
1 E EA 1 1 exp F kT 2 0
施主能级上的电子浓度
nD N D f D ( E )
ND E EF 1 1 exp( D ) 2 k0T
电离施主浓度
nD N D nD
复习课 n型硅中电子浓度与温度关系
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三、简答题：
1、用能带图分别描述直接复合、间接复合过程。
2、试画出中等掺杂的Si的电阻率随温度变化的曲线，并分 析解释各段对应的原因和特点。 3、分别画出导体、半导体、绝缘体的能带图示意图。
4、什么叫浅能级杂质？
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四、计算题：
1、室温下Ge中掺入锑的浓度为1014cm-3，设杂质全电离， 且μn=2600cm2/Vs，μp=1300cm2/Vs，已知本征载流子 浓度ni=2.5×1013cm-3，试求： （1）室温下电子和空穴浓度； （2）室温下该材料的电阻率。
Eg n0 p0 N c N v exp k0T
Nc：导带有效状态密度 Nv：价带有效状态密度
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杂质半导体中的载流子浓度
电子占据施主能级的几率：
f D E 1 E EF 1 1 exp D kT 2 0
空穴占据受主能级的几率：

f ( E ) gc ( E )dE
Ec
除以半导体体积

V
(2mn* )3/ 2 导带电子浓度nc EF E n0 4 (k0T )3/ 2 exp( 0 ) x1/ 2e x dx 3 h k0T 0
复习课 载流子浓度乘积n0p0
与费米能级无关 只决定与温度T，与所含杂质无关 适用于热平衡状态下的任何半导体 温度一定， n0p0一定
产生电子空穴对
低能量的量子态
热平衡载流子：处于热平衡状态下的导电电子和空穴
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状态密度
状态密度：能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子 态数。
dZ g E dE
状态密度的计算：为简单起见，考虑等能面为球面的情况
dZ 2m g c E 4V dE h
E E
金刚石型结构
闪锌矿型结构
纤锌矿型结构 氯化钠型结构
复习课 能级与能带
电子在原子核势场和 其他电子作用下分列 在不同能级 原子相互接近 形成晶体
相邻原子壳 层形成交叠 共有化运动：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 将可以在整个晶体中运动 只有外层电子共有化运动 最显著
VD和p-n结两边的掺杂浓度、温度、材料的禁带宽度有关。 在一定温度下，●突变结两边的掺杂浓度越高，接触电势差VD越大；
●禁带宽度越大，ni越小，接触电势差VD越大；
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p-n结电流电压特性
正向偏压下p-n结的费米能级
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反向偏压下p-n结的费米能级
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p-n结隧道效应
重掺杂的p区和n 区形成的p-n结称 为隧道结 原理及描述
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第七章 金属和半导体接触
功函数 电子亲和能
电势降落 在空间电 荷区和金 属半导体 表面之间
电子的流向
金属和n型半导体接触能带图（Wm>Ws） （a）接触前；（b）间隙很大； （c）紧密接触；（d）忽略间隙
复习课
两种金半接触
整流接触
欧姆接触
不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平 衡载流子发生显著的变化。
五个区
低温弱电离区 中间电离区 强电离区 过渡区 高温本征激发区
各区特点及变化趋势
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掺有某种杂质的半导体的载流子浓度和费米能级 由温度和杂质浓度所决定。 在杂质半导体中，费米能级的位置不但反映了半 导体导电类型，而且还反映了半导体的掺杂水平。
复习课
第四章 半导体的导电性
复习课
That is all! Thanks! Have good luck evryone!
复习课
准费米能级
当半导体处于非平衡状态，不再具有统一的费米能 级，引入准费米能级
n Ei EF n ni exp k0T
p Ei EF p ni exp k0T
非平衡态下电子浓度：
非平衡态下空穴浓度：
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复合理论
直接复合
复习课
半导体中的电子运动
半导体中E(k)与k的关系
电子速度与能量关系
电子有效质量
h2 * mn 2 d E dk 2
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有效质量的意义：
ຫໍສະໝຸດ Baidu
f
a
1、概括了半导体内部势场 的作用 2、a是半导体内部势场和 外电场作用的综合效果 3、直接将外力与电子加速 度联系起来
复习课
常见半导体能带结构
（2）晶格振动散射
光学波 声学波
长纵声学波在长声学波中起主要作用
PT
3 2
（3）其他散射：能谷散射、中性杂质散射、位错散射
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电阻率与温度的关系
载流子主要由电 离杂质提供
杂质全部电离， 晶格振动散射上 升为主要矛盾
本征激发成为主要 矛盾
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强电场效应
现象：偏离欧姆定律 解释：从载流子与晶 格振动散射时的能量 交换过程来说明
复习课
掺杂浓度为ND=1016cm-3的n型单晶硅材料和金属Au接触， 忽略表面态的影响，已知：WAu=4.20eV, χn=3.0eV, Nc=1019cm-3,ln103=6.9 在室温下kT=0.026eV, 半导体介 电常数εr=12, ε0=8.854×10-12 F/m，q=1.6×10-19 库， 试计算： （1）半导体的功函数； (2) 在零偏压时，半导体表面的势垒高度； (3) 半导体表面的势垒宽度。