半导体器件物理复习(施敏)
第一章
1、费米能级和准费米能级
费米能级：不是一个真正的能级，是衡量能级被电子占据的几率的大小的一个标准，具有决定整个系统能量以及载流子分布的重要作用。
准费米能级：是在非平衡状态下的费米能级，对于非平衡半导体，导带和价带间的电子跃迁失去了热平衡，不存在统一费米能级。就导带和价带中的电子讲，各自基本上处于平衡态，之间处于不平衡状态，分布函数对各自仍然是适应的，引入导带和价带费米能级，为局部费米能级，称为“准费米能级”。
2、简并半导体和非简并半导体
简并半导体：费米能级接近导带底(或价带顶)，甚至会进入导带(或价带)，不能用玻尔兹曼分布，只能用费米分布
非简并半导体：半导体中掺入一定量的杂质时，使费米能级位于导带和价带之间3、空间电荷效应
当注入到空间电荷区中的载流子浓度大于平衡载流子浓度和掺杂浓度时，则注入的载流子决定整个空间电荷和电场分布，这就是空间电荷效应。在轻掺杂半导体中，电离杂质浓度小，更容易出现空间电荷效应，发生在耗尽区外。
4、异质结
指的是两种不同的半导体材料组成的结。
5、量子阱和多量子阱
量子阱：由两个异质结或三层材料形成，中间有最低的E C和最高的E V，对电子和空穴都形成势阱，可在二维系统中限制电子和空穴
当量子阱由厚势垒层彼此隔开时，它们之间没有联系，这种系统叫做多量子阱
6、超晶格
如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来分立的能级扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这种结构称为超晶格。
7、量子阱与超晶格的不同点
a.跨越势垒空间的能级是连续的
b.分立的能级展宽为微带
另一种形成量子阱和超晶格的方法是区域掺杂变化
第二章
1、空间电荷区的形成机制
当这两块半导体结合形成p-n结时，由于存在载流子浓度差，导致了空穴从p区到n 区，电子从n区到p区的扩散运动。对于p区，空穴离开后，留下了不可动的带负电的电离受主，这些电离受主，没有正电荷与之保持电中性，所以在p-n结附近p 区一侧出现了一个负电荷区。同理，n区一侧出现了由电离施主构成的正电荷区，这些由电离受主和电离施主形成的区域叫空间电荷区。
2、理想p-n结
理想的电流-电压特性所依据的4个假设：
a.突变耗尽层近似
b.玻尔兹曼统计近似成立
c.注入的少数载流子浓度小于平衡多数载流子浓度
d.在耗尽层内不存在产生-复合电流3、肖克莱方程（即理想二极管定律）
总电流之和J=J p+J n=J0 exp qV
kT
?1，其中J0=qD p0n i2
L p N D
+qD n n i2
L n N A
肖克莱方程准确描述了在低电流密度下p-n结的电流-电压特性，但也偏离理想情形，原因：a耗尽层载流子的产生和复合b在较小偏压下也可能发生大注入c串联电阻效应d载流子在带隙内两个状态之间的隧穿表面效应
4、p-n结为什么是单向导电
在正向偏压下，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。在反向偏压下，空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过，反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大，电流会大到将PN结烧毁，表现出pn结具有单向导电性。
5、扩散电容和势垒电容
扩散电容：p-n结正向偏置时所表现出的一种微分电容效应
势垒电容：当p-n结外加电压变化时，引起耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容。
6、击穿的机制
击穿仅发生在反向偏置下
a.热击穿：在高反向电压下，反向电流引起热损耗导致结温增加，结温反过来又增加了反向电流，导致了击穿
b.隧穿:在强电场下，由隧道击穿，使电子从价带越过禁带到达导带所引起的一种击穿现象
c.雪崩倍增：当p-n结加的反向电压增加时，电子和空穴获得更大的能量，不断发生碰撞，产生电子空穴对。新的载流子在电场的作用下碰撞又产生新的电子空穴对，使得载流子数量雪崩式的增加，流过p-n结的电流急剧增加，导致了击穿
6、同型异质结和反型异质结
同型异质结：两种不同的半导体材料组成的结，导电类型相同
异型异质结：两种不同的半导体材料组成的结，导电类型不同
8、异质结与常规的p-n结相比的优势
异质结注入率除了与掺杂比有关外，还和带隙差成指数关系，这点在双极晶体管的设计中非常关键，因为双极晶体管的注入比与电流增益有直接的关系，异质结双极晶体管(HBT)运用宽带隙半导体材料作为发射区以减小基极电流
第三章
1、肖特基二极管
肖特基二极管是一种导通电压降较低，允许高速切换的二极管，是利用肖特基势垒特性而产生的电子元件，一般为0.3V左右，且具有更好的高频特性
优点：其结构给出了近似理想的正向I-V曲线，其反向恢复时间很短，饱和时间大为减少，开关频率高。正向压降低，工作在0.235V
缺点：其反向击穿电压较低及方向漏电流偏大
2、肖特基二极管和普通二极管相比
优：开关频率高，正向电压降低缺：击穿电压低，反向电流大
3、欧姆接触
欧姆接触定义为其接触电阻可以忽略的金属-半导体接触
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，重掺杂的p-n结可以产生显著的隧道电流，金属和半导体接触时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变得很薄，电子也要通过隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分。当隧道电流占主导地位时，它的接触电阻可以很小，可以用作欧姆接触。
制造欧姆接触的技术：a.建立一个更重掺杂的表面层
b.加入一个异质结，附加一个小带隙层材料、同种类型半导体的高掺杂区
4、整流接触
肖特基势垒是指具有整流特性的金属-半导体接触面（形成阻挡层），如同二极管具有整流特性。肖特基势垒相较于PN接面最大的区别在于具有较低的接面电压，以及在金属端具有相当薄的耗尽层宽度。
5、区别金属-半导体接触的电流输运主要依靠多子，而p-n结主要依靠少数载流子完成电流输运
第四章
1、MIS的表面电场效应
当VG=0时，理想半导体的能带不发生弯曲，即平带状态，在外加电场作用下，在半导体表面层发生的物理现象，主要在载流子的输运性质的改变。表面势及空间电荷区的分布随电压VG而变化。归纳为三种情况：积累，耗尽，反型。对于p型半导体
多子积累：当金属板加负电压时，半导体表面附近价带顶向上弯曲并接近于费米能级，对理想的MIS电容，无电流流过，所以费米能级保持水平。因为载流子浓度与能量差呈指数关系，能带向上弯曲使得多数载流子（空穴）在表面积累
耗尽：当施加小的正电压时，能带向下弯曲，多数载流子耗尽
反型：施加更大的正电压，能带更向下弯曲，以致本征费米能级和费米能级在表面附近相交，此时表面的电子（少数载流子）数大于空穴数，表面反型
2、解释MIS的C-V曲线图
高低频的差异是因为少数载流子的积累
a.低频时，左侧为空穴积累时的情形，有大的半导体微分电容，总电容接近于绝缘体电容；当负电压降为零时，为平带状态；进一步提高正向电压，耗尽区继续扩展，可将其看作是与绝缘体串联的、位于半导体表面附近的介质层，这将导致总电容下降，电容在达到一个最小值后，随电子反型层在表面处的形成再次上升，强反型时，电荷的增量不再位于耗尽层的边界处，而是在半导体表面出现了反型层导致了大的电容。
b.高频时，强反型层在φs≈2φB处开始，一旦强反型发生。耗尽层宽度达到最大，当能带弯曲足够大，使得φs=2φB时，反型层就有效的屏蔽了电场向半导体内的进一步渗透，即使是变化缓慢的静态电压在表面反型层引发附加电荷，高频小信号对于少数载流子而言变化也是很快的。增量电荷出现在耗尽层的边缘上
第五章
1、三种接法共基、共射、共集
2、四种工作状态
放大：发射极正偏，集电极反偏饱和：都正偏
截止：都反偏发向：发射极反偏，集电极正偏
3、Kirk效应（基区展宽效应）
在大电流状态下，BJT的有效基区随电流密度增加而展宽，准中性基区扩展进入集电区的现象，称为Kirk效应
产生有效基区扩展效应的机构主要是大电流时集电结N?侧耗尽区中可移动电荷中和离化的杂质中心电荷导致空间电荷区朝向远离发射结方向推移。
4、厄尔利效应（基区宽度调制效应）
当双极性晶体管（BJT）的集电极－发射极电压VCE改变，基极－集电极耗尽宽度WB-C（耗尽区大小）也会跟着改变。此变化称为厄利效应
5、发射区禁带宽度变窄
在重掺杂情况下，杂质能级扩展为杂质能带，当杂质能带进入了导带或价带，并相连在一起，就形成了新的简并能带，使能带的状态密度发生变化，简并能带的尾部伸入禁带，导致禁带宽度减小，这种现象称为禁带变窄效应。
发射区禁带变窄使基区注入到发射区的空穴扩散电流增加，从而使电流增益减小。
6、提高开关性能速度的方法
a.引入与集电结并联的肖特基势垒箝位（减小来自集电区的少子注入）
b.缩短基区的少子寿命
c.选择负载和偏置以使开态时不工作在饱和区
7、为什么选用n-p-n结构
由于电子的迁移率比空穴的迁移率高
第六章
1、短沟道效应
当源和漏的耗尽区可以与沟道长度相比拟时，缓变沟道的近似不在成立，这
个二维电势分布会导致阈值电压随沟道长度的缩短而下降，亚阈值特性降级
以及由于遂穿穿透效应而使饱和电流失效。在沟道出现二维电势分布以及高
电场，这些不同于长沟道MOS场效应晶体管特征的现象，统称为短沟道效应。
2、DIBL漏致势垒降低效应
当源和漏的耗尽层宽度约等于短沟道长度时，会产生穿通。穿通的结果是漏源之间产生很大的漏电流。
产生穿通的原因是源端势垒降低通常称为DIBL。当漏源相距很小时（即沟道长度足够短），漏极电压的增加将减小源端势垒，此势垒降低效应导致电流增加，此效应称为漏极导致势垒下降效应。
3、SOI（绝缘层上的硅）
MOSFET被制作在绝缘衬底上，如果沟道层为单晶硅，称为SOI。
SOI衬底的优点：a.改善了MOSFET按比例缩小b.亚阈值摆幅得到改善c.埋氧层能减小对衬底的电容
d.提高电路的集成度
e.消除了CMOS电路中闩锁现象
SOI缺点：a.高芯片成本b.Kirk效应造成差的热导特性
4、TFT薄膜晶体管
MOSFET被制作在绝缘衬底上，如果沟道层为非晶或多晶硅时，称为薄膜晶体管TFT。
缺点：电流有限且泄露电流较大。
5、SET（单电子晶体管）
单电子晶体管是用一个或几个电子就能记录信号的晶体管，体积可以做到非常小，可以到纳米尺度。
第七章
1、JFET结型场效应晶体管
JFET的电容是由耗尽层形成的，其本质上是一种电压控制电阻器，是由p-n 结栅极、源极、漏极
定义：JEFT是由p-n结栅极源极漏极构成的一种具有放大功能的三端有源器件。工作原理就是通过电压改变沟道的导电性来实现对输出电流的控制。
优点：JFET和MESFET避免了MOSFET中与氧化物-半导体界面有关的问题；缺点：对输入栅的偏压范围有限制
a为沟道厚度
b为沟道有效通道
W D为耗尽层宽度
2、MESFET金属半导体场效应晶体管
定义：MESFET是一种由肖特基势垒栅极构成的场效应晶体管，具有三个金属半导体接触，一个肖特基接触作为栅极以及两个当作源极与漏极的欧姆接触。（MEFET的电容是由耗尽层形成的）、
3、MODFET调制掺杂场效应晶体管
MODFET的电容是由氧化层形成的
定义：MODFET是异质结场效应晶体管（HFET）的通称，它使用两种具有不同能隙的材料形成异质结。宽禁带材料是掺杂的，载流子扩散到不掺杂的窄禁带层，在不掺杂的异质结界面形成沟道。这种调制掺杂的结果是位于不掺杂的异质结界面沟道中的载流子与掺杂区分离，由于没有杂质散射，可得到很高的迁移率。
优点：高迁移率4、调制掺杂
当对宽禁带材料掺杂时，由杂质提供的载流子会转移到异质界面形成高迁移率的沟道，高迁移率是因为沟道本身不掺杂，从而避免了杂质散射，这种技术称为调制掺杂。
第八章
1、隧道二极管
隧道二极管由一简单的p-n结所组成，而且p型和n型都是重掺杂半导体。重掺杂的材料，载流子浓度很高，形成突变结，只要外加很小的电压，就会有大量的电子穿过PN结，形成隧道电流。对于一定的杂质浓度的单质半导体，隧道电流随外加电压增高达到一个最大值，外加电压再增高，则隧道电流就很快下降，直到消失。但这时外加电压已比较高，电子和空穴已具有一定的能量，能以扩散的方式通过阻挡层，形成正向电流。所以隧道电流消失时，总电流并不为0。
2、能带图解释I-V特性
a.热平衡状态，E F以上，结两侧没有电子，E F以下，结两侧没有空穴，因此外电压为0时，没有隧道电流；
b.正向偏置，存在一个共同的能量区间，n型一侧填满，p型一侧未被占据，因而电子可从n型一侧隧穿到p型一侧，隧穿电流可达到峰值；
c.正向电压进一步增加，共同的能量区间减小，n型一侧导带底和p型一侧价带顶对齐，这时相对于填充状态没有可用的空能态，因而隧穿电流减小到零；
d.电压再进一步增加，正常的扩散电流和过剩电流就开始起主要作用，电流随电压呈指数增加，无隧道电流；
e.加反向偏压，电子从价带隧穿到导带，且隧穿电流随偏压的增加呈不确定性，不再有微分负阻区；
3、制备隧道二极管方法
a.球合金：把含有高固溶度相反掺杂剂的金属合金小球放在重掺杂的半导体衬底表面，在惰性气体或氢气内通过精确控制温度-时间过程进行合金
b.脉冲键合：当半导体衬底与含相反掺杂剂的金属合金之间用脉冲键合法成结时，就同时制成了接触和结；
c.平面工艺：平面隧道二极管用平面工艺制造，平面工艺包括外延生长、扩散和可控合金；
4、隧穿几率
提高隧穿几率：
a.有效质量小
b.小的禁带宽度小
c.电场大
5、反向二极管
反向二极管是一种反向导电性优于正向导电性的一种二极管。它的核心是一个高掺杂的p-n 结，结的一边是简并的，另一边掺杂浓度稍低一点，接近简并又不完全简并(即Fermi能级不进入能带)的半导体。加正偏电压，无隧道效应；加反偏电压，电子很容易从价带隧穿到导带，产生隧道电流。
因为p-n结的隧道击穿电压比其正向导通电压还低，故这种二极管的伏安特性曲线，在较小电压范围内与普通p-n结二极管的恰好相反，从而称为反向二极管。
第十章
1、转移电子效应
转移电子效应是导带电子从高迁移率的能谷向低迁移率的高能卫星谷转移的
效应。（属于带内跃迁）
2、转移电子要满足的条件
a.晶格温度足够低，使得在无偏置电场时，大部分电子处在导带低能谷内；
b.低能谷内，电子迁移率高，有效质量小；高卫星谷内，电子迁移率低，有效质量大，态密度高；
c.两个谷之间的能量间隔必须小于半导体的带隙，不至于发生雪崩击穿
3、实空间转移
对于实空间转移，载流子是在两个材料之间转移而不是在两个能带之间转移，在低场时，电子在驻留在E C小的材料中，其迁移率高
在高场时，载流子有足够的能量，就会流入邻近的低迁移率的材料
4、转移电子效应与实空间转移区别
共同点：在高场下，载流子被转移到低迁移率，低漂移速度的另一个空间，转移的结果是实现偏压增加而电流降低，即产生微分负阻
不同点：它们发生在完全不同的空间，转移电子效应发生在能量-动量空间，而实空间转移是发生在两个材料的异质界面
第十二章
1、发光类型
a.由光辐射引发的光致发光；b阴极射线致发光；c.辐射致发光；d.电致发光；2电致发光方法
a.注入；
b.本征激发；
c.雪崩过程；
d.隧穿过程
3、等离子中心
引入氮后，在晶格上取代部分磷原子，氮与磷具有相似的外层电子结构，但是它们的内层电子结构是不同的，这一差异造成接近导带处的电子陷阱能级，复合中心由此产生，称为等离子中心
4、内部量子效应
对于一个给定的输入功率，辐射复合和非辐射复合之间的相互竞争，每一个带与带之间的跃迁和通过陷阱的跃迁既可以辐射复合，也可以非辐射复合。内部量子效应ηin为载流子电流转化为光子的效率，定义为
ηin=
内部发射光子数通过结的载流子数
5、外部量子效应
光学效率ηop：描述发射到器件外部的光效率的参数
净外部量子效率ηex=外部发射光子数
通过结的载流子数
=ηinηop
6、激光器工作原理
激光器中，激光介质须经过泵激使原子处于激发状态，受激原子所含能量比较高，向低层级跃迁时就会释放能量，释放的能量转化为光子的形式
分布反转：为了增强激光工作所需的受激辐射，需要分布反转
7、激光器结构
基本结构为被一定的光学设计表面所包围的p-n结，垂直于p-n结的是一对相互平行的被理解或抛光的平面，二极管的其他两个面制作粗糙，以减小激光在其他方向的传播平，这种结构称为法布里-珀罗共振腔。
基本组件：工作介质、激励源、光学谐振腔
8、激光器退化
a.突发性退化：在大功率工作时镜面上形成坑槽而受到永久性的损伤；
b.暗线缺陷形成：工作时形成的错位网
c.缓变退化
第十三章
1、光电探测器
三个基本过程：a.入射光产生载流子b.通过任何可行的电流增益机制，使载流子传导及倍增
c.电流与外部电路相互作用，以提供输出信号
2、光生伏特效应
即半导体受到光照时产生电动势的现象
3、响应速度P506
受到的三种限制：a.载流子的扩散b.耗尽区内载流子的漂移时间c.耗尽区电容4、太阳电池工作原理
太阳电池在光照下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，在p区、空间电荷区和n区都会产生电子-空穴对，也称光生载流子。电子-空穴对在内建电场的作用下，电子被推进n区，空穴被推进p区。因此在p-n结两侧形成了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使p型层带正电，n 型层带负电，因此产生了光生电动势。
5、太阳电池等效电路
(1)理想太阳电池等效电路：
相当于一个电流为I ph的恒流电源与一只正向二极管并联。
流过二极管的正向电流称为暗电流I D.
(2)实际太阳电池等效电路：
由于漏电流等产生的旁路电阻R sh和由于体电阻和电极的欧姆电阻产生的串联电阻R s
在R sh两端的电压为：V j =V+IR S R sh的电流为：I Sh= (V+IR S) / R sh
流过负载的电流：I= I ph –I D– I Sh 6、多节太阳能电池
原理：运用不同带隙的材料形成多个结并将它们彼此叠放，由于不同带隙材料吸收不同波长的光，这样可以大大提高太阳能电池的效率。
技术难题：由于各个子电池是串联连接的，叠层电源的电流等于电流最小的子电池，因此电流匹配问题是多结太阳能电池技术的关键问题
核心：电流匹配
目标：拓展光谱
7、提高太阳能电池转化效率的方法
1.选择适合的禁带宽度
2.串联电阻要小，并联电阻要大
3.抗反射层
4.采用聚光系统增加光的辐射照度，从而提高太阳能的利用率
5.增大透光面积
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？ 耗尽区：正因为空间电荷区内不存在任何可动的电荷，所以该区也称为耗尽区。 空间电荷边缘存在多子浓度梯度，多数载流子便受到了一个扩散力。在热平衡状态下，电场力与扩散力相互平衡。 p型半导体和n型半导体接触面形成pn结，p区中有大量空穴流向n区并留下负离子，n区中有大量电子流向p区并留下正离子（这部分叫做载流子的扩散），正负离子形成的电场叫做空间电荷区，正离子阻碍电子流走，负离子阻碍空穴流走（这部分叫做载流子的漂移），载流子的扩散与漂移达到动态平衡，所以pn 结不加电压下呈电中性。 1.2 PN结的能带图（平衡和偏压） 无外加偏压，处于热平衡状态下，费米能级处处相等且恒定不变。 1.3 内建电势差计算 N区导带电子试图进入p区导带时遇到了一个势垒，这个势垒称为内建电势差。
1.4 空间电荷区的宽度计算 n d p a x N x N = 1.5 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？ 势垒维持了热平衡。 反偏：n 区相对于p 区电势为正，所以n 区内的费米能级低于p 区内的费米能级，势垒变得更高，阻止了电子与空穴的流动，因此pn 结上基本没有电流流动。 正偏：p 区相对于n 区电势为正，所以p 区内的费米能级低于n 区内的费米能级，势垒变得更低，电场变低了，所以电子与空穴不能分别滞留在n 区与p 区，所以pn 结内就形成了一股由n 区到p 区的电子和p
区到n 区的空穴。电荷的流动在pn 结内形成了一股电流。 过剩少子电子：正偏电压降低了势垒，这样就使得n 区内的多子可以穿过耗尽区而注入到p 区内，注入的电子增加了p 区少子电子的浓度。 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 ?? ????-??? ??=1exp kT eV J J a s ?? ? ? ? ?+=+= 0020 11p p d n n a i n p n p n p s D N D N en L n eD L p eD J ττ 2.4 PN 结二极管的等效电路（扩散电阻和扩散电容的概念）？ 扩散电阻：在二极管外加直流正偏电压，再在直流上加一个小的低频正弦电压，则直流之上就产生了个叠加小信号正弦电流，正弦电压与正弦电流就产生了个增量电阻，即扩散电阻。 扩散电容：在直流电压上加一个很小的交流电压，随着外加正偏电压的改变，穿过空间电荷区注入到n 区内的空穴数量也发生了变化。P 区内的少子电子浓度也经历了同样的过程，n 区内的空穴与p 区内的电子充放电过程产生了电容，即扩散电容。
半导体器件物理复习题
半导体器件物理复习题 一． 平衡半导体： 概念题： 1. 平衡半导体的特征（或称谓平衡半导体的定义） 所谓平衡半导体或处于热平衡状态的半导体，是指无外界（如电压、电场、磁场或温度梯度等）作用影响的半导体。在这种情况下，材料的所有特性均与时间和温度无关。 2. 本征半导体： 本征半导体是不含杂质和无晶格缺陷的纯净半导体。 3. 受主（杂质）原子： 形成P 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅲ族元素）。 4. 施主（杂质）原子： 形成N 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅴ族元素）。 5. 杂质补偿半导体： 半导体中同一区域既含受主杂质又含施主杂质的半导体。 6. 兼并半导体： 对N 型掺杂的半导体而言，电子浓度大于导带的有效状态密度， 费米能级高于导带底（0F c E E ->）；对P 型掺杂的半导体而言，空穴浓度大于价带的有效状态密度。费米能级低于价带顶（0F v E E -<）。
7. 有效状态密度： 在导带能量范围（ ~c E ∞ ）内，对导带量子态密度函数 导带中电子的有效状态密度。 在价带能量范围（ ~v E -∞） 内，对价带量子态密度函数 8. 以导带底能量c E 为参考，导带中的平衡电子浓度： 其含义是：导带中的平衡电子浓度等于导带中的有效状态密度乘以能量为导带低能量时的玻尔兹曼分布函数。 9. 以价带顶能量v E 为参考，价带中的平衡空穴浓度： 其含义是：价带中的平衡空穴浓度等于价带中的有效状态密度乘以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。 10.
11. 12. 13. 14. 本征费米能级Fi E ： 是本征半导体的费米能级；本征半导体费米能级的位置位于禁带 带宽度g c v E E E =-。？ 15. 本征载流子浓度i n ： 本征半导体内导带中电子浓度等于价带中空穴浓度的浓度 00i n p n ==。硅半导体，在300T K =时，1031.510i n cm -=?。 16. 杂质完全电离状态： 当温度高于某个温度时，掺杂的所有施主杂质失去一个电子成为带正电的电离施主杂质；掺杂的所有受主杂质获得一个电子成为带负电的电离受主杂质，称谓杂质完全电离状态。 17. 束缚态： 在绝对零度时，半导体内的施主杂质与受主杂质成电中性状态称谓束缚态。束缚态时，半导体内的电子、空穴浓度非常小。 18. 本征半导体的能带特征： 本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近，且跟温度有关。如果电子和空穴的有效质量严格相等，那么本征半导体费米能级
半导体器件物理复习
第一章 1、费米能级和准费米能级 费米能级：不是一个真正的能级，是衡量能级被电子占据的几率的大小的一个标准，具有决定整个系统能量以及载流子分布的重要作用。 准费米能级：是在非平衡状态下的费米能级，对于非平衡半导体，导带和价带间的电子跃迁失去了热平衡，不存在统一费米能级。就导带和价带中的电子讲，各自基本上处于平衡态，之间处于不平衡状态，分布函数对各自仍然是适应的，引入导带和价带费米能级，为局部费米能级，称为“准费米能级”。 2、简并半导体和非简并半导体 简并半导体：费米能级接近导带底(或价带顶)，甚至会进入导带(或价带)，不能用玻尔兹曼分布，只能用费米分布 非简并半导体：半导体中掺入一定量的杂质时，使费米能级位于导带和价带之间3、空间电荷效应 当注入到空间电荷区中的载流子浓度大于平衡载流子浓度和掺杂浓度时，则注入的载流子决定整个空间电荷和电场分布，这就是空间电荷效应。在轻掺杂半导体中，电离杂质浓度小，更容易出现空间电荷效应，发生在耗尽区外。 4、异质结 指的是两种不同的半导体材料组成的结。 5、量子阱和多量子阱 量子阱：由两个异质结或三层材料形成，中间有最低的E C和最高的E V，对电子和空穴都形成势阱，可在二维系统中限制电子和空穴 当量子阱由厚势垒层彼此隔开时，它们之间没有联系，这种系统叫做多量子阱 6、超晶格 如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来分立的能级扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这种结构称为超晶格。 7、量子阱与超晶格的不同点 a.跨越势垒空间的能级是连续的 b.分立的能级展宽为微带 另一种形成量子阱和超晶格的方法是区域掺杂变化 第二章 1、空间电荷区的形成机制 当这两块半导体结合形成p-n结时，由于存在载流子浓度差，导致了空穴从p区到n 区，电子从n区到p区的扩散运动。对于p区，空穴离开后，留下了不可动的带负电的电离受主，这些电离受主，没有正电荷与之保持电中性，所以在p-n结附近p 区一侧出现了一个负电荷区。同理，n区一侧出现了由电离施主构成的正电荷区，这些由电离受主和电离施主形成的区域叫空间电荷区。 2、理想p-n结 理想的电流-电压特性所依据的4个假设： a.突变耗尽层近似 b.玻尔兹曼统计近似成立 c.注入的少数载流子浓度小于平衡多数载流子浓度 d.在耗尽层内不存在产生-复合电流3、肖克莱方程（即理想二极管定律） 总电流之和J=J p+J n=J0[exp(qV kT )?1]，其中J0=qD p0n i2 L p N D +qD n n i2 L n N A 肖克莱方程准确描述了在低电流密度下p-n结的电流-电压特性，但也偏离理想情形，原因：a耗尽层载流子的产生和复合b在较小偏压下也可能发生大注入c串联电阻效应d载流子在带隙内两个状态之间的隧穿表面效应 4、p-n结为什么是单向导电 在正向偏压下，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，电流可以顺利通过。在反向偏压下，空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过，反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大，电流会大到将PN结烧毁，表现出pn结具有单向导电性。 5、扩散电容和势垒电容 扩散电容：p-n结正向偏置时所表现出的一种微分电容效应 势垒电容：当p-n结外加电压变化时，引起耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少，耗尽层宽窄变化所等效的电容称为势垒电容。 6、击穿的机制 击穿仅发生在反向偏置下 a.热击穿：在高反向电压下，反向电流引起热损耗导致结温增加，结温反过来又增加了反向电流，导致了击穿 b.隧穿:在强电场下，由隧道击穿，使电子从价带越过禁带到达导带所引起的一种击穿现象 c.雪崩倍增：当p-n结加的反向电压增加时，电子和空穴获得更大的能量，不断发生碰撞，产生电子空穴对。新的载流子在电场的作用下碰撞又产生新的电子空穴对，使得载流子数量雪崩式的增加，流过p-n结的电流急剧增加，导致了击穿 6、同型异质结和反型异质结 同型异质结：两种不同的半导体材料组成的结，导电类型相同 异型异质结：两种不同的半导体材料组成的结，导电类型不同 8、异质结与常规的p-n结相比的优势 异质结注入率除了与掺杂比有关外，还和带隙差成指数关系，这点在双极晶体管的设计中非常关键，因为双极晶体管的注入比与电流增益有直接的关系，异质结双极晶体管(HBT)运用宽带隙半导体材料作为发射区以减小基极电流 第三章 1、肖特基二极管 肖特基二极管是一种导通电压降较低，允许高速切换的二极管，是利用肖特基势垒特性而产生的电子元件，一般为0.3V左右，且具有更好的高频特性 优点：其结构给出了近似理想的正向I-V曲线，其反向恢复时间很短，饱和时间大为减少，开关频率高。正向压降低，工作在0.235V 缺点：其反向击穿电压较低及方向漏电流偏大 2、肖特基二极管和普通二极管相比 优：开关频率高，正向电压降低缺：击穿电压低，反向电流大 3、欧姆接触 欧姆接触定义为其接触电阻可以忽略的金属-半导体接触 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，重掺杂的p-n结可以产生显著的隧道电流，金属和半导体接触时，如果半导体掺杂浓度很高，则势垒区宽度变得很薄，电子也要通过隧道效应贯穿势垒产生相当大的隧道流，甚至超过热电子发射电流而成为电流的主要成分。当隧道电流占主导地位时，它的接触电阻可以很小，可以用作欧姆接触。 制造欧姆接触的技术：a.建立一个更重掺杂的表面层 b.加入一个异质结，附加一个小带隙层材料、同种类型半导体的高掺杂区 4、整流接触 肖特基势垒是指具有整流特性的金属-半导体接触面（形成阻挡层），如同二极管具有整流特性。肖特基势垒相较于PN接面最大的区别在于具有较低的接面电压，以及在金属端具有相当薄的耗尽层宽度。 5、区别金属-半导体接触的电流输运主要依靠多子，而p-n结主要依靠少数载流子完成电流输运 第四章 1、MIS的表面电场效应 当VG=0时，理想半导体的能带不发生弯曲，即平带状态，在外加电场作用下，在半导体表面层发生的物理现象，主要在载流子的输运性质的改变。表面势及空间电荷区的分布随电压VG而变化。归纳为三种情况：积累，耗尽，反型。对于p型半导体 多子积累：当金属板加负电压时，半导体表面附近价带顶向上弯曲并接近于费米能级，对理想的MIS电容，无电流流过，所以费米能级保持水平。因为载流子浓度与能量差呈指数关系，能带向上弯曲使得多数载流子（空穴）在表面积累 耗尽：当施加小的正电压时，能带向下弯曲，多数载流子耗尽 反型：施加更大的正电压，能带更向下弯曲，以致本征费米能级和费米能级在表面附近相交，此时表面的电子（少数载流子）数大于空穴数，表面反型 2、解释MIS的C-V曲线图 高低频的差异是因为少数载流子的积累 a.低频时，左侧为空穴积累时的情形，有大的半导体微分电容，总电容接近于绝缘体电容；当负电压降为零时，为平带状态；进一步提高正向电压，耗尽区继续扩展，可将其看作是与绝缘体串联的、位于半导体表面附近的介质层，这将导致总电容下降，电容在达到一个最小值后，随电子反型层在表面处的形成再次上升，强反型时，电荷的增量不再位于耗尽层的边界处，而是在半导体表面出现了反型层导致了大的电容。 b.高频时，强反型层在φs≈2φB处开始，一旦强反型发生。耗尽层宽度达到最大，当能带弯曲足够大，使得φs=2φB时，反型层就有效的屏蔽了电场向半导体内的进一步渗透，即使是变化缓慢的静态电压在表面反型层引发附加电荷，高频小信号对于少数载流子而言变化也是很快的。增量电荷出现在耗尽层的边缘上 第五章 1、三种接法共基、共射、共集 2、四种工作状态 放大：发射极正偏，集电极反偏饱和：都正偏 截止：都反偏发向：发射极反偏，集电极正偏 3、Kirk效应（基区展宽效应） 在大电流状态下，BJT的有效基区随电流密度增加而展宽，准中性基区扩展进入集电区的现象，称为Kirk效应 产生有效基区扩展效应的机构主要是大电流时集电结N?侧耗尽区中可移动电荷中和离化的杂质中心电荷导致空间电荷区朝向远离发射结方向推移。 4、厄尔利效应（基区宽度调制效应） 当双极性晶体管（BJT）的集电极－发射极电压VCE改变，基极－集电极耗尽宽度WB-C（耗尽区大小）也会跟着改变。此变化称为厄利效应 5、发射区禁带宽度变窄 在重掺杂情况下，杂质能级扩展为杂质能带，当杂质能带进入了导带或价带，并相连在一起，就形成了新的简并能带，使能带的状态密度发生变化，简并能带的尾部伸入禁带，导致禁带宽度减小，这种现象称为禁带变窄效应。
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半导体器件物理复习题 一． 平衡半导体： 概念题： 1. 平衡半导体的特征（或称谓平衡半导体的定义） 所谓平衡半导体或处于热平衡状态的半导体，是指无外界（如电压、电场、磁场或温度梯度等）作用影响的半导体。在这种情况下，材料的所有特性均与时间和温度无关。 2. 本征半导体： 本征半导体是不含杂质和无晶格缺陷的纯净半导体。 3. 受主（杂质）原子： 形成P 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅲ族元素）。 4. 施主（杂质）原子： 形成N 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅴ族元素）。 5. 杂质补偿半导体： 半导体中同一区域既含受主杂质又含施主杂质的半导体。 6. 兼并半导体： 对N 型掺杂的半导体而言，电子浓度大于导带的有效状态密度， 费米能级高于导带底（0F c E E ->）；对P 型掺杂的半导体而言，空穴浓度大于价带的有效状态密度。费米能级低于价带顶（0F v E E -<）。 7. 有效状态密度： 穴的有效状态密度。 8. 以导带底能量c E 为参考，导带中的平衡电子浓度：
其含义是：导带中的平衡电子浓度等于导带中的有效状态密度乘以能量为导带低能量时的玻尔兹曼分布函数。 9. 以价带顶能量v E 为参考，价带中的平衡空穴浓度： 其含义是：价带中的平衡空穴浓度等于价带中的有效状态密度乘以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。 10. 11. 12. 13. 14. 本征费米能级Fi E ： 是本征半导体的费米能级；本征半导体费米能级的位置位于禁带 中央附近， g c v E E E =-。？ 15. 本征载流子浓度i n ： 本征半导体内导带中电子浓度等于价带中空穴浓度的浓度00i n p n ==。硅半导体，在 300T K =时，1031.510i n cm -=?。 16. 杂质完全电离状态： 当温度高于某个温度时，掺杂的所有施主杂质失去一个电子成为带正电的电离施主杂质；掺杂的所有受主杂质获得一个电子成为带负电的电离受主杂质，称谓杂质完全电离状态。 17. 束缚态： 在绝对零度时，半导体内的施主杂质与受主杂质成电中性状态称谓束缚态。束缚态时，半导体内的电子、空穴浓度非常小。 18. 本征半导体的能带特征：
施敏 半导体器件物理英文版 第一章习题
施敏 半导体器件物理英文版 第一章习题 1. （a ）求用完全相同的硬球填满金刚石晶格常规单位元胞的最大体积分数。 （b ）求硅中（111）平面内在300K 温度下的每平方厘米的原子数。 2. 计算四面体的键角，即，四个键的任意一对键对之间的夹角。（提示：绘出四 个等长度的向量作为键。四个向量和必须等于多少？沿这些向量之一的方向 取这些向量的合成。） 3. 对于面心立方，常规的晶胞体积是a 3，求具有三个基矢：（0,0,0→a/2,0,a/2）， (0,0,0→a/2,a/2,0),和(0,0,0→0,a/2,a/2)的fcc 元胞的体积。 4. （a ）推导金刚石晶格的键长d 以晶格常数a 的表达式。 （b ）在硅晶体中，如果与某平面沿三个笛卡尔坐标的截距是10.86A ，16.29A ， 和21.72A ，求该平面的密勒指数。 5. 指出（a ）倒晶格的每一个矢量与正晶格的一组平面正交，以及 （b ）倒晶格的单位晶胞的体积反比于正晶格单位晶胞的体积。 6. 指出具有晶格常数a 的体心立方（bcc ）的倒晶格是具有立方晶格边为4π/a 的面心立方（fcc ）晶格。[提示：用bcc 矢量组的对称性： )(2x z y a a -+=，)(2y x z a b -+=，)(2 z y x a c -+= 这里a 是常规元胞的晶格常数，而x ，y ，z 是fcc 笛卡尔坐标的单位矢量： )(2z y a a +=，)(2x z a b +=，)(2 y x a c +=。] 7. 靠近导带最小值处的能量可表达为 .2*2*2*22 ???? ??++=z z y y x x m k m k m k E 在Si 中沿[100]有6个雪茄形状的极小值。如果能量椭球轴的比例为5:1是常数，求纵向有效质量m*l 与横向有效质量m*t 的比值。 8. 在半导体的导带中，有一个较低的能谷在布里渊区的中心，和6个较高的能 谷在沿[100] 布里渊区的边界，如果对于较低能谷的有效质量是0.1m0而对 于较高能谷的有效质量是1.0m0，求较高能谷对较低能谷态密度的比值。 9. 推导由式（14）给出的导带中的态密度表达式。（提示：驻波波长λ与半导体
半导体器件物理复习题完整版
半导体器件物理复习题 1. 平衡半导体的特征（或称谓平衡半导体的定义） 所谓平衡半导体或处于热平衡状态的半导体， 是指无外界（如电压、电场、磁场或温度梯度 等）作用影响的半导体。在这种情况下，材料的所有特性均与时间和温度无关。 2. 本征半导体： 本征半导体是不含杂质和无晶格缺陷的纯净半导体。 3. 受主（杂质）原子： 形成P 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（ 般为兀素周期表中的 川族兀素）。 4.施主（杂质）原子： 形成N 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（ 般为兀素周期表中的 V 族兀 素）。 5. 杂质补偿半导体： 半导体中同一区域既含受主杂质又含施主杂质的半导体。 6. 兼并半导体： 对N 型掺杂的半导体而言，电子浓度大于导带的有效状态密度， 费米能级咼于导带底 （E F -E c ）；对P 型掺杂的半导体而言， 空穴浓度大于价带的有效 状态密度。费米能级低于价带顶（ E F - E v ：：： 0 ）。 7. 有效状态密度: * 3/2 2n ?）J E 二 E 与 在价带能量范围（亠~ E v ）内，对价带量子态密度函数 g v （E ）= 4叮 空穴玻尔兹曼函数f F E=exp-E F —E 的乘积进行积分（即 1 kT 」 8. 以导带底能量E c 为参考，导带中的平衡电子浓度: “ * 3/2 ;4 応（2g ） 启_— 「 E —E F dE ）得到的 2 二 m n kT 称谓导带中 h 3
9. 以价带顶能量E v 为参考，价带中的平衡空穴浓度: 以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。 10. * 3/2 4二 2m n 导带量子态密度函数 g c E - 3 h > E - E c 14.本征费米能级E Fi : 是本征半导体的费米能级；本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近， 1 3 f *冷 m p 3 i —E midgap + — kT ln 4 I m p E 丿 ； 其中禁带宽度 E g = E-Q 。E 15. 本征载流子浓度n : 本征半导体内导带中电子浓度等于价带中空穴浓度的浓度 n o 二P o 二n j 。硅半导体，在 10 3 T =300K 时，n i =1.5 10 cm 。 16. 杂质完全电离状态： 当温度高于某个温度时， 掺杂的所有施主杂质失去一个电子成为带正电的电离施主杂质； 掺 杂的所有受主杂质获得一个电子成为带负电的电离受主杂质，称谓杂质完全电离状态。 17. 束缚态： 在绝对零度时，半导体内的施主杂质与受主杂质成电中性状态称谓束缚态。 束缚态时，半导 体内的电子、空穴浓度非常小。 18. 本征半导体的能带特征： 本征半导体费米能级的位置位于禁带中央附近， 且跟温度有关。如果电子和空穴的有效质量 严格相等，那么本征半导体费米能级的位置严格位于禁带中央。 在该书的其后章节中， 都假 肌=2 m *kT “ < h 2丿 3 2 Nv =2| ‘2兀 m ；kT ' < h 2丿 3 2 12.导带中电子的有效状态密度 13?价带中空穴的有效状态密度 ？ n 严肌旳卜空^斤幻其含义是: 导带中的平衡电子浓度等于导带中的有效状态密度乘
半导体器件物理I复习笔记
半一复习笔记 By 潇然 2018.1.12 1.1平衡PN结的定性分析 1. pn结定义：在一块完整的半导体晶片（Si、Ge、GaAs等）上，用适当的掺杂工艺使其一边形成n型半导体，另一边形成p型半导体，则在两种半导体的交界面附近就形成了pn结 2. 缓变结：杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结 3. 内建电场：空间电荷区中的这些电荷产生了从n区指向p区，即从正电荷指向负电荷的电场 4. 耗尽层：在无外电场或外激发因素时，pn结处于动态平衡，没有电流通过，内部电场E为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层 1.2 平衡PN结的定量分析 1. 平衡PN结载流子浓度分布 2. 耗尽区近似：一般室温条件，对于绝大多部分势垒区，载流子浓度比起N区和P区的多数载流子浓度小的多，好像已经耗尽了，此时可忽略势垒区的载流子，空间电荷密度就等于电离杂质浓度，即为耗尽区近似。所以空间电荷区也称为耗尽区。在耗尽区两侧，载流子浓度维持原来浓度不变。 1.4 理想PN结的伏安特性（直流） 1. 理想PN结：符合以下假设条件的pn结称为理想pn结 (1) 小注入条件—注入的少数载流子浓度比平衡多数载流子浓度小得多；Δn 2. 理想pn结模型的电流电压方程式（肖特来方程式）： 1.5 产生-复合电流 1. 反偏PN结的产生电流 2. 正偏PN结的复合电流 1.6 理想PN结交流小信号特性 1. 扩散电阻 2. 扩散电容 1.7 势垒电容 半导体器件物理施敏课后答案 【篇一：半导体物理物理教案(03级)】 >学院、部：材料和能源学院 系、所；微电子工程系 授课教师：魏爱香，张海燕 课程名称；半导体物理 课程学时：64 实验学时：8 教材名称：半导体物理学 2005年9-12 月 授课类型：理论课授课时间：2节 授课题目（教学章节或主题）： 第一章半导体的电子状态 1.1半导体中的晶格结构和结合性质 1.2半导体中的电子状态和能带 本授课单元教学目标或要求： 了解半导体材料的三种典型的晶格结构和结合性质；理解半导体中的电子态, 定性分析说明能带形成的物理原因，掌握导体、半导体、绝缘体的能带结构的特点 本授课单元教学内容（包括基本内容、重点、难点，以及引导学生解决重点难点的方法、例题等）： 1．半导体的晶格结构：金刚石型结构；闪锌矿型结构；纤锌矿型 结构 2．原子的能级和晶体的能带 3．半导体中电子的状态和能带（重点，难点） 4．导体、半导体和绝缘体的能带（重点） 研究晶体中电子状态的理论称为能带论，在前一学期的《固体物理》课程中已经比较完整地介绍了，本节把重要的内容和思想做简要的 回顾。 本授课单元教学手段和方法： 采用ppt课件和黑板板书相结合的方法讲授 本授课单元思考题、讨论题、作业： 作业题：44页1题 本授课单元参考资料（含参考书、文献等，必要时可列出） 1.刘恩科，朱秉升等《半导体物理学》，电子工业出版社2005? 2.田敬民，张声良《半导体物理学学习辅导和典型题解》?电子工 业 出版社2005 3. 施敏著，赵鹤鸣等译，《半导体器件物理和工艺》，苏州大学出 版社，2002 4. 方俊鑫，陆栋，《固体物理学》上海科学技术出版社 5．曾谨言，《量子力学》科学出版社 注：1.每单元页面大小可自行添减；2.一个授课单元为一个教案；3. “重点”、“难点”、“教学手段和方法”部分要尽量具体；4.授课类型指：理论课、讨论课、实验或实习课、练习或习题课。 第一章 PN结 1、1 PN结就是怎么形成的？ 耗尽区:正因为空间电荷区内不存在任何可动的电荷,所以该区也称为耗尽区。 空间电荷边缘存在多子浓度梯度,多数载流子便受到了一个扩散力。在热平衡状态下,电场力与扩散力相互平衡。 p型半导体与n型半导体接触面形成pn结,p区中有大量空穴流向n区并留下负离子,n区中有大量电子流向p区并留下正离子(这部分叫做载流子的扩散),正负离子形成的电场叫做空间电荷区,正离子阻碍电子流走,负离子阻碍空穴流走(这部分叫做载流子的漂移),载流子的扩散与漂移达到动态平衡,所以pn结不加电压下呈电中性。 1、2 PN结的能带图(平衡与偏压) 无外加偏压,处于热平衡状态下,费米能级处处相等且恒定不变。 1、3 内建电势差计算 N区导带电子试图进入p区导带时遇到了一个势垒,这个势垒称为内建电势差。 1、4 空间电荷区的宽度计算 n d p a x N x N = 1、5 PN 结电容的计算 第二章 PN 结二极管 2、1理想PN 结电流模型就是什么？ 势垒维持了热平衡。 反偏:n 区相对于p 区电势为正,所以n 区内的费米能级低于p 区内的费米能级,势垒变得更高,阻止了电子与空穴的流动,因此pn 结上基本没有电流流动。 正偏:p 区相对于n 区电势为正,所以p 区内的费米能级低于n 区内的费米能级,势垒变得更低,电场变低了,所以电子与空穴不能分别滞留在n 区与p 区,所以pn 结内就形成了一股由n 区到p 区的电子与p 区到n 区的空穴。电荷的流动在pn 结内形成了一股电流。 过剩少子电子:正偏电压降低了势垒,这样就使得n 区内的多子可以穿过耗尽区而注入到p 区内,注入的电子增加了p 区少子电子的浓度。 施敏-半导体器件物理英文版-第一章习题 施敏 半导体器件物理英文版 第一章习题 1. （a ）求用完全相同的硬球填满金刚石晶格常规单位元胞的最大体积分数。 （b ）求硅中（111）平面内在300K 温度下的每平方厘米的原子数。 2. 计算四面体的键角，即，四个键的任意一对键对之间的夹角。（提示：绘出四个等长度的向量作为键。四个向量和必须等于多少？沿这些向量之一的方向取这些向量的合成。） 3. 对于面心立方，常规的晶胞体积是a 3，求具有三个基矢：（0,0,0→a/2,0,a/2），(0,0,0→a/2,a/2,0),和(0,0,0→0,a/2,a/2)的fcc 元胞的体积。 4. （a ）推导金刚石晶格的键长d 以晶格常数a 的表达式。 （b ）在硅晶体中，如果与某平面沿三个笛卡尔坐标的截距是10.86A ，16.29A ，和21.72A ，求该平面的密勒指数。 5. 指出（a ）倒晶格的每一个矢量与正晶格的一组平面正交，以及 （b ）倒晶格的单位晶胞的体积反比于正晶格单位晶胞的体积。 6. 指出具有晶格常数a 的体心立方（bcc ）的倒晶格是具有立方晶格边为4π/a 的面心立方（fcc ）晶格。[提示：用bcc 矢量组的对称性： )(2x z y a a -+=，)(2y x z a b -+=，)(2 z y x a c -+= 这里a 是常规元胞的晶格常数，而x ，y ，z 是fcc 笛卡尔坐标的单位矢量： )(2z y a a ρρρ+=，)(2x z a b ρρρ+=，)(2 y x a c ρρρ+=。] 7. 靠近导带最小值处的能量可表达为 .2*2*2*22 ???? ??++=z z y y x x m k m k m k E η 在Si 中沿[100]有6个雪茄形状的极小值。如果能量椭球轴的比例为5:1是常数，求纵向有效质量m*l 与横向有效质量m*t 的比值。 8. 在半导体的导带中，有一个较低的能谷在布里渊区的中心，和6个较高的能谷在沿[100] 布里渊区的边界，如果对于较低能谷的有效质量是0.1m0而对于较高能谷的有效质量是1.0m0，求较高能谷对较低能谷态密度的比值。 1.PN 结：采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P 型半导体和N 型半导体制作在同一块半导体基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称为PN 结。 2.雪崩击穿：随着PN 结反向电压的增加，势垒中电场强度也在增加。当电场强度达到一定程度后，势垒区中载流子就会碰撞电离出新的电子—空穴对。新的电子—空穴对在电场作用下继续碰撞产生新的载流子，如此反复即碰撞电离率增加，流过PN 结的电流急剧增大，击穿PN 结。 3.空间电荷区：在PN 结中，由于自由电子的扩散运动和漂移运动，使PN 结中间产生一个很薄的电荷区，就是空间电荷区。 4.耗尽层电容：由于耗尽层内空间电荷随偏压变化所引起的电容称为PN 结耗尽层电容。 5.MOS 阈值电压：阈值电压 si -ψ+=O B TH C Q V 是形成强反型层时所需要的最小栅极电压。它的第一项表示在形成强反型层时，要用一部分电压去支撑空间电荷QB ；第二项表示要用一部分电压为半导体表面提供达到强反型时需要的表面势si ψ。 6.强反型：当表面电子浓度等于体内平衡多子浓度时，半导体表面形成强反型层。 7.载流子扩散漂移观点分析空间电荷区形成 当N 型P 型材料放在一起时，P 型材料中多的空穴向N 型扩散，N 型多的电子向P 型扩散，由于扩散，在互相靠近N 侧和P 侧分别出现施主离子和受主离子，这些空间电荷建立一个电场，即空间电荷区。 8.载流子扩散漂移分析PN 结单向导电性 若在PN 结加正向电压，PN 结势垒高度下降，减小的势垒高度有助于扩散通过PN 结，形成大的电流，若加反向电压，势垒高度增加，漂移作用增强，阻挡载流子通过PN 结扩散，所以PN 结单向导电 1.5种半导体器件：PN 结，光电二极管，JFET,MOSFET ，太阳能电池。 2.PN 结隧道电流产生条件：费米能级进入能带；空间电荷层的宽度很窄，因而有高的隧道 3.穿透概率；在相同的能力水平上，在一侧的能带中有电子而在另一侧的能带中有空的状态。 4.PN 结正向注入：PN 结加上正向偏压时，在结边缘np>np0,pn>pn0 反向抽取：PN 结加反向偏压时，将偏压V 换成—VR ，此时，np 《半导体器件物理》教学大纲 课程名称: 半导体器件物理 学分: 4 总学时:64 实验学时:（单独设课）其它实践环节：半导体技术课程设计 适用专业:集成电路设计与集成系统 一、本课程的性质和任务 本课程是高等学校本科集成电路设计与集成系统、微电子技术专业必修的一门专业主干课，是研究集成电路设计和微电子技术的基础课程。本课程是本专业必修课和学位课。 本课程的任务是：通过本课程的学习，掌握半导体物理基础、半导体器件基本原理和基本设计技能，为学习后续的集成电路原理、CMOS模拟集成电路设计等课程以及为从事与本专业有关的集成电路设计、制造等工作打下一定的基础。 二、本课程的教学内容和基本要求 一、半导体器件简介 1．掌握半导体的四种基础结构； 2．了解主要的半导体器件； 3．了解微电子学历史、现状和发展趋势。 二、热平衡时的能带和载流子浓度 1．了解主要半导体材料，掌握硅、锗、砷化镓晶体结构； 2．了解基本晶体生长技术； 3．掌握半导体、绝缘体、金属的能带理论； 4．掌握本征载流子、施主、受主的概念。 三、载流子输运现象 １．了解半导体中两个散射机制；掌握迁移率与浓度、温度的关系； ２．了解霍耳效应； ３．掌握电流密度方程式、爱因斯坦关系式； ４．掌握非平衡状态概念；了解直接复合、间接复合过程； ５．掌握连续性方程式； ６．了解热电子发射过程、隧穿过程和强电场效应。 四、p-n结 １．了解基本工艺步骤：了解氧化、图形曝光、扩散和离子注入和金属化等概念； ２．掌握热平衡态、空间电荷区的概念；掌握突变结和线性缓变结的耗尽区的电场和电势分布、势垒电容计算； ３．了解理想p-n结的电流-电压方程的推导过程； ４．掌握电荷储存与暂态响应、扩散电容的概念； ５．掌握p-n结的三种击穿机制。 ６．了解异质结的能带图。 五、双极型晶体管及相关器件 １．晶体管的工作原理：掌握四种工作模式、电流增益、发射效率、基区输运系数；２．双极型晶体管的静态特性：掌握各区域的载流子分布；了解放大模式下的理想晶体管的电流-电压方程；掌握基区宽度调制效应； 3．双极型晶体管的频率响应与开关特性：掌握跨导、截止频率、特征频率、最高振荡频率的概念； 4．了解异质结双极型晶体管HBT的结构及电流增益； 5．了解可控硅器件基本特性及相关器件。 六、MOSFET及相关器件 1．掌握MOS二极管基本结构、三种表面状态、C-V特性、平带电压；了解CCD器件；2．掌握MOSFET基本原理，掌握阈值电压的计算及影响因素； 3．了解电流-电压方程推导过程，掌握MOSFET的种类及亚阈值区的概念； ４．短沟道效应、CV及CE理论； ５．MOS反相器的原理与闩锁效应； ６．T和SOICMOS结构。 七、MESFET及相关器件 １．金属-半导体接触的能带图及肖特基势垒理论； ２．MESFET基本器件结构及工作原理； ３．MESFET电流-电压方程推导及截止频率的概念； ４．了解MODFET的基本原理。 八、微波二极管、量子效应和热电子器件 第一章 半导体物理基础 能带： 1-1什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？ 1-2试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。 1-3、试指出空穴的主要特征及引入空穴的意义。 1-4、设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E v (k)分别为： 22 22100()()3C k k k E k m m -=h h ＋和2222100 3()6v k k E k m m =h h － ；m 0为电子惯性质量，1k a π=；a ＝0.314nm ，341.05410J s -=??h ，3109.110m Kg -=?，191.610q C -=?。 试求： ①禁带宽度；②导带底电子有效质量；③价带顶电子有效质量。 题解： 1-1、 解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（≥E g ）被激发到导带成为导电 电子的过程就是本征激发。其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。如果温度升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。 1-2、 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。温度升 高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。反之，温度降低，将导致禁带变宽。因此，Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数。 1-3、准粒子、荷正电：+q ； 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）； 、E P =-E n （能量方向相反）、m P *=-m n *。 空穴的意义： 引入空穴后，可以把价带中大量电子对电流 的贡献用少量空穴来描述，使问题简化。 1-4、①禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(＝2023k m h ＋210 2()k k m -h ＝0；可求出对应导带能量极小值E min 的k 值： k min ＝14 3k ， 实用文档 半导体器件物理复习题 一． 平衡半导体： 概念题： 1. 平衡半导体的特征（或称谓平衡半导体的定义） 所谓平衡半导体或处于热平衡状态的半导体， 是指无外界 （如电压、电场、磁场或温度梯度 等）作用影响的半导体。在这种情况下，材料的所有特性均与时间和温度无关。 2. 本征半导体： 本征半导体是不含杂质和无晶格缺陷的纯净半导体。 3. 受主（杂质）原子： 形成 P 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅲ族元素） 。 4. 施主（杂质）原子： 形成 N 型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅴ族元素） 。 5. 杂质补偿半导体： 半导体中同一区域既含受主杂质又含施主杂质的半导体。 6. 兼并半导体： 对 N 型掺杂的半导体而言，电子浓度大于导带的有效状态密度， 费米能级高于导带底（ E F E c 0 ）；对 P 型掺杂的半导体而言，空穴浓度大于价带的有 效状态密度。费米能级低于价带顶（ E F E v 0 ）。 7. 有效状态密度： 4 2m n * 3/2 在导带能量范围（ E c ~ ）内，对导带量子态密度函数 E E c 与 g c E h 3 电 子 玻 尔 兹 曼 分 布 函 数 f F E E E F 的 乘 积 进 行 积 分 （ 即 exp kT 4 * 3/2 * 3 2 2m n E E F 2 m n kT n 0 h 3 E E c exp dE ）得到的 N c 2 称谓导带中 E c kT h 2 电子的有效状态密度。 4 2m *p 3/2 在价带能量范围 （ ~ E v ）内，对价带量子态密度函数 g v E E v E 与 h 3 空 穴 玻 尔 兹 曼 函 数 f F E exp E F E 的 乘 积 进 行 积 分 （ 即 kT E v 4 2m * p 3/2 2 m * 3 kT 2 E F E p 0 h 3 E v E exp dE ）得到的 N v 2 p 称谓价带空 kT h 2 穴的有效状态密度。 8. 以导带底能量 E c 为参考，导带中的平衡电子浓度： E c E F 其含义是：导带中的平衡电子浓度等于导带中的有效状态密度乘 n 0 N c exp kT 以能量为导带低能量时的玻尔兹曼分布函数。 9. 以价带顶能量 E v 为参考，价带中的平衡空穴浓度： p 0 E F E v 其含义是：价带中的平衡空穴浓度等于价带中的有效状态密度乘 N v exp kT 以能量为价带顶能量时的玻尔兹曼分布函数。 4 2m n * 3/2 10. 导带量子态密度函数 g c E E c E h 3 4 2m *p 3/2 11. 价带量子态密度函数 g v E v E E h 3 3 12. 导带中电子的有效状态密度 N c 2 m n * kT 2 2 h 2 3 13. 价带中空穴的有效状态密度 N v 2 m *p kT 2 ？ 2 h 2 精心整理 半一复习笔记 By潇然 2 1.1平衡PN结的定性分析 1.pn结定义：在一块完整的半导体晶片（Si、Ge、GaAs等）上，用适当的掺杂工艺使其一边形成n型半导体，另一边形成p型半导体，则在两种半导体的交界面附近就形成了pn结 2.缓变结：杂质浓度从p区到n区是逐渐变化的，通常称为缓变结 3. 4. 1.2 1. 2. 1.4 1. (1) (2) (3) (4) 2. 1.5 1. 2. 1.6 1. 2.扩散电容 1.7势垒电容 在考虑正偏时耗尽层近似不适用的情况下，大致认为正偏时势垒电容为零偏时的四倍，即 1.8扩散电容 定义：正偏PN结内由于少子存储效应而形成的电容 1.9PN结的瞬态 1.10PN结击穿 1.雪崩击穿 (1)定义：在反向偏压下，流过pn结的反向电流，主要是由p区扩散到势垒区中的电子电流和由n区扩散到势垒区中的空穴电流所组成。当反向偏压很大时，势垒区中的电场很强，在势垒区内的电子和空穴受到强电场的漂移作角，具有很大的动能，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价键上的电子碰撞出来，成为导电电子，同时产生一个空穴。 (2)击穿电压 ，与NB成反比，意味着掺杂越重，越容易击穿； (3) (4) (5) 2. (1) (2) (3) 2.1BJT 2.2BJT 1. ①In（X1 ②IE=Inγ0 ③In（X2 的复合电流之和；此处可推导αT0 2.发射结的发射效率γ0 对于NPN型晶体管，γ0定义为注入基区的电子电流与发射极总电流之比，即有 （定义） 代入Ip（X1）（B区空穴注入E区扩散电流）以及In（X2）（E区电子注入B区电子电流），得下式 3.基区输运系数αT0 对于NPN晶体管，定义为到达集电结边界X3的电子电流In(X3)与注入基区的电子电流In(X2)之比，即有 半导体器件物理复习题 第二章： 1) 带隙：导带的最低点和价带的最高点的能量之差，也称能隙。 物理意义:带隙越大，电子由价带被激发到导带越难,本征载流子浓度就越低,电导率也就越低 2）什么是半导体的直接带隙和间接带隙? 其价带顶部与导带最低处发生在相同动量处(p=0)。因此，当电子从价带转换到导带时，不需要动量转换。这类半导体称为直接带隙半导体。 3）能态密度:能量介于E ～E ＋△Ｅ之间的量子态数目△Z 与能量差△E 之比 ４)热平衡状态：即在恒温下的稳定状态．（且无任何外来干扰,如照光、压力或电场). 在恒温下,连续的热扰动造成电子从价带激发到导带,同时在价带留下等量的空穴.半导体的电子系统有统一的费米能级,电子和空穴的激发与复合达到了动态平衡，其浓度是恒定的，载流子的数量与能量都是平衡。即热平衡状态下的载流子浓度不变。 5)费米分布函数表达式? 物理意义:它描述了在热平衡状态下,在一个费米粒子系统(如电子系统)中属于能量E 的一个量子态被一个电子占据的概率。 6)本征半导体导带的电子浓度: 本征半导体价带中的空穴浓度: 7)本征费米能级Ｅｉ：本征半导体的费米能级。在什么条件下，本征F ｅｒm ｉ能级靠近禁带的中央：在室温下可以近似认为费米能级处于带隙中央 8)本征载流子浓度n i : 对本征半导体而言，导带中每单位体积的电子数与价带每单位体积的空穴数相同，即浓度相同,称为本征载流子浓度,可表示为n=ｐ=n i ． 或:ｎp ＝n ｉ2 9) 简并半导体:当杂质浓度超过一定数量后，费米能级进入了价带或导带的半导体。 10) 非简并半导体载流子浓度: 且有: ｎp=ｎｉ2 其中： p 型半导体多子和少子的浓度分别为: 第三章： 1)迁移率：是指载流子(电子和空穴)在单位电场作用下的平均漂移速度 ,即载流子在电场作用下运动速度的快慢的量度,运动得越快，迁移率越大。定义为: 2）漂移电流： 载流子在热运动的同时，由于电场作用而产生的沿电场力方向的定向运动称作漂移运动。所构成的电流为漂移电流。定向运动的平均速度叫做漂移速度。在弱电场下，载流子的漂移速度v 与电场强度E 成正比， m q c τμ=半导体器件物理施敏课后答案
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