半導(dǎo)體物理知識點及重點習(xí)題總結(jié)

1、基本概念問題：第一章半導(dǎo)體電子國家1.1半導(dǎo)體通常，它是一種導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。它的導(dǎo)帶在絕對零度時是完全空的，它的價帶是完全滿的，它的禁帶寬度比絕緣體的要小得多。1.2能帶在晶體中，電子的能量是不連續(xù)的，能級分布在某些能級區(qū)間是準(zhǔn)連續(xù)的，在某些能級區(qū)間沒有能量和分布。這些間隔在能級圖中是帶狀的，稱為能帶。1.2能帶理論是半導(dǎo)體物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。嘗試簡要解釋能帶理論采用的理論方法?；卮穑夯谝韵聝蓚€重要的近似，能帶理論給出了晶體的勢場分布，然后給出了電子的薛定諤方程。通過方程和周期邊界條件最終給出了E-k關(guān)系，從而系統(tǒng)地建立了該理論。單電子近似：根據(jù)概率分布，晶體中其他電子與某

2、一電子的庫侖相互作用被同等考慮，因此求解晶體中電子波函數(shù)的復(fù)雜多體問題可以簡化為單體問題。絕熱近似：一般認(rèn)為晶格系統(tǒng)和電子系統(tǒng)之間沒有能量交換，實際的交換被視為微擾。1.2用克羅尼克-彭納模型解釋能帶現(xiàn)象的理論方法回答：克朗代克-彭納模型是一個一維晶體的勢場分布模型，用來分析晶體中電子運動狀態(tài)和電子k的關(guān)系，如下圖所示VX克羅尼克-潘納模型的勢場分布利用這個勢場模型，可以給出一維晶體中電子所遵循的薛定諤方程的具體表達(dá)式，進而可以確定波函數(shù)并給出E-k關(guān)系。這樣得到的能量分布是K空間中的一個周期函數(shù)，在某些能量區(qū)間中的能級是準(zhǔn)連續(xù)的(稱為允許帶)，而在其他區(qū)間中的能級沒有電子能級(稱為禁止帶)。

3、因此，能帶現(xiàn)象是用量子力學(xué)的方法來解釋的，所以這個模型具有重要的物理意義。1.2導(dǎo)帶和價帶1.3有效質(zhì)量有效質(zhì)量是描述晶體中載流子運動時引入的物理量?？偨Y(jié)了周期性勢場對載體運動的影響，從而使外力與加速度的關(guān)系符合牛頓定律。它的大小是由晶體本身的E-k關(guān)系決定的。1.4本征半導(dǎo)體無雜質(zhì)和缺陷的理想半導(dǎo)體材料。1.4空隙空穴是一個用來處理價帶電子傳導(dǎo)問題的概念。假設(shè)價帶中的每個空電子態(tài)都有一個正的基本電荷，并賦予它一個與電子符號相反的有效質(zhì)量和相等的大小，從而引入一個稱為空穴的虛粒子。它產(chǎn)生的虛電流正好等于價帶中的電子電流。1.4空穴是如何被引入的，其導(dǎo)電性的本質(zhì)是什么？回答：空穴是一個用來處理價

4、帶電子傳導(dǎo)問題的概念。假設(shè)價帶中的每個空電子態(tài)都有一個正的基本電荷，并賦予它一個與電子符號相反的有效質(zhì)量和相等的大小，從而引入一個稱為空穴的虛粒子。由此引入的空穴產(chǎn)生的電流正好等于能帶中其他電子的電流。因此，空穴傳導(dǎo)的本質(zhì)是能帶中其他電子的傳導(dǎo)，但事實上這樣的粒子并不存在。1.5半導(dǎo)體的回旋共振現(xiàn)象是如何發(fā)生的(以N型半導(dǎo)體為例)回答：首先，將半導(dǎo)體置于均勻磁場中。一般來說，N型半導(dǎo)體中的大多數(shù)導(dǎo)帶電子位于導(dǎo)帶底部附近。對于一個特定的能量谷，這些電子的有效質(zhì)量是相似的，所以不管這些電子的熱運動速度如何，它們在磁場作用下的回旋運動頻率大致相等。當(dāng)用電磁波照射半導(dǎo)體時，如果頻率等于電子的回旋運動頻

5、率，則半導(dǎo)體對電磁波的吸收非常顯著，可以觀察到共振吸收峰如果晶體材料的導(dǎo)帶底部和價帶頂部在k空間中的相同位置，則本征躍遷是直接躍遷，這種材料稱為直接帶隙材料。1.6間接帶隙材料如果半導(dǎo)體導(dǎo)帶的底部和價帶的頂部在k空間中的不同位置，當(dāng)電子吸收的能量剛剛到達(dá)導(dǎo)帶的底部時，價帶頂部的準(zhǔn)動量需要改變。第二章半導(dǎo)體雜質(zhì)和缺陷的能級2.1施主雜質(zhì)受主雜質(zhì)當(dāng)雜質(zhì)取代半導(dǎo)體晶格原子并與周圍原子形成飽和鍵結(jié)構(gòu)時，如果仍然有一個額外的價電子，并且該電子被雜質(zhì)弱結(jié)合并且具有非常小的電離能，則該雜質(zhì)非常容易提供導(dǎo)電電子，因此該雜質(zhì)被稱為施主雜質(zhì)。相反，如果一個電子在形成飽和鍵時丟失，雜質(zhì)很容易接受價帶中的電子并提供導(dǎo)

6、電空穴，所以它被稱為受體雜質(zhì)。2.1替代雜質(zhì)雜質(zhì)原子進入半導(dǎo)體硅后，取代晶格原子并位于晶格點，稱為替代雜質(zhì)。替代雜質(zhì)的形成條件：雜質(zhì)原子的大小與晶格原子的大小相似2.1間隙雜質(zhì)雜質(zhì)原子進入半導(dǎo)體硅后，位于晶格原子之間的間隙位置，稱為間隙雜質(zhì)。形成間隙雜質(zhì)的條件：(1)雜質(zhì)原子尺寸相對較小(2)晶格中有很大的間隙間隙雜質(zhì)形成的原因除了晶格原子之外，在半導(dǎo)體單元中還存在大量的空隙，這些空隙中可能存在間隙雜質(zhì)。2.1雜質(zhì)對半導(dǎo)體的影響雜質(zhì)的出現(xiàn)會在半導(dǎo)體中產(chǎn)生局部附加勢場，破壞嚴(yán)格的周期性勢場。從能帶的角度來看，雜質(zhì)會導(dǎo)致導(dǎo)帶、價帶或禁帶中能級的產(chǎn)生，而這些能級原本是不存在的。2.1雜質(zhì)補償當(dāng)半導(dǎo)體

7、中既有施主又有受主時，施主能級上的電子首先躍遷到受主能級，因為它們的能量高于受主能級，因此抵消了它們提供載流子的能力。這種效應(yīng)就是雜質(zhì)補償。2.1雜質(zhì)的電離能雜質(zhì)的電離能是雜質(zhì)電離所需的最小能量。施主雜質(zhì)的電離能等于導(dǎo)帶底和雜質(zhì)能級之差，受主雜質(zhì)的電離能等于雜質(zhì)能級和價帶頂之差。2.1供體能級及其特征當(dāng)施主未電離時，除了飽和共價鍵之外，還有另一個電子被施主雜質(zhì)束縛，對應(yīng)于這種束縛態(tài)的能級稱為施主能級E(D)。特點：(1)施主雜質(zhì)電離，出現(xiàn)在導(dǎo)帶中施主提供的導(dǎo)電電子；(2)電子濃度大于空穴濃度，N p。2.1受體水平及其特征電離后被受體雜質(zhì)接收的電子被束縛到初始的空態(tài)，與束縛態(tài)相對應(yīng)的能級被稱為

8、受體能級E(A)。特點：(1)受體雜質(zhì)的電離發(fā)生在價帶中受體提供的導(dǎo)電孔；(2)空穴濃度大于電子濃度，注意。淺層能量雜質(zhì)的影響；(1)改變半導(dǎo)體的電阻率(2)確定半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型。深層雜質(zhì)的特性和功能；(1)不易電離，對載流子濃度影響不大。(2)通常，將產(chǎn)生多個能級，甚至施主能級和受主能級。(3)它可以作為復(fù)合中心，減少少數(shù)載流子的壽命。(4)深能級雜質(zhì)電離后成為帶電中心，對載流子起散射作用。載流子遷移率降低，電導(dǎo)率降低。第三章半導(dǎo)體載流子的分布3.1。如果半導(dǎo)體導(dǎo)帶底部附近的等勢面是一個以K空間原點為中心的球面，則證明了導(dǎo)帶底部的狀態(tài)密度函數(shù)表達(dá)式為回答：在k空間中，量子態(tài)的密度是2V，因此

9、量子態(tài)之間的數(shù)量證明了對于非退化半導(dǎo)體傳導(dǎo)，由于(3分)將分布函數(shù)和狀態(tài)密度函數(shù)的表達(dá)式代入上述公式，得到因此，電子濃度的微分表達(dá)式是(3分)然后由于導(dǎo)帶頂部的電子分布的概率可以近似為零，并且上述積分的上限可以被認(rèn)為是無窮大，所以可以獲得積分(4分)3.2費米能級費米能級不一定是系統(tǒng)中的真實能級。它是費米分布函數(shù)中的一個參數(shù)，有一個能量單位，所以它被稱為費米能級。它標(biāo)志著系統(tǒng)的電子填充水平，其大小等于電子系統(tǒng)自由能的變化量。3.2以施主雜質(zhì)的90%電離作為強電離的標(biāo)準(zhǔn)，計算了摻砷N型硅在300K強電離區(qū)的摻雜濃度上限。(，)解決方案：隨著摻雜濃度的增加，雜質(zhì)的電離度降低。因此，對應(yīng)于90%電離

10、的摻雜濃度是強電離區(qū)中摻雜濃度的上限。此時此刻從這一解決方案來看，電流效率=0.075電子伏，電流效率=0.049電子伏，因此電流效率=0.124電子伏，那么因此，強電離區(qū)的摻雜濃度上限為。3.2以受主雜質(zhì)的90%電離為強電離標(biāo)準(zhǔn)，計算了摻硼P型硅在300K強電離區(qū)的摻雜濃度上限。(，)解決方案：隨著摻雜濃度的增加，雜質(zhì)的電離度降低。因此，對應(yīng)于90%電離的摻雜濃度是強電離區(qū)中摻雜濃度的上限。此時此刻根據(jù)這一解決方案，電動汽車-電動汽車=0.075電動汽車，電動汽車-電動汽車=0.045電動汽車，因此電動汽車-電動汽車=0.12電動汽車，然后因此，強電離區(qū)的摻雜濃度上限為。3.6退化半導(dǎo)體當(dāng)費

11、米能級位于禁帶且遠(yuǎn)離價帶頂部和導(dǎo)帶底部時，電子和空穴濃度不是很高。在處理它們的分配問題時，不能考慮包利原則的約束。因此，玻爾茲曼分布可以代替費米分布來處理載流子濃度問題。這種半導(dǎo)體被稱為非退化半導(dǎo)體。另一方面，只有費米分布可以用來處理載流子濃度問題。這種半導(dǎo)體是退化的半導(dǎo)體。第四章半導(dǎo)體的導(dǎo)電性4.1漂移運動：外電場作用下載流子的定向運動。4.1移動性單位電場下載流子的平均漂移率。4.2散射當(dāng)在晶體中運動的載流子遇到或接近周期性勢場被破壞的區(qū)域時，它們的狀態(tài)會隨機地發(fā)生不同程度的變化。這種現(xiàn)象被稱為散射。4.2散射概率當(dāng)在晶體中運動的載流子遇到或接近周期性勢場被破壞的區(qū)域時，它們的狀態(tài)會隨機地

12、發(fā)生不同程度的變化。這種現(xiàn)象被稱為散射。散射強度用單位時間內(nèi)載流子散射的次數(shù)來表示，稱為散射概率。4.2平均自由范圍兩次散射之間的載波自由運動路徑的平均值。4.2平均空閑時間：兩次連續(xù)散射之間自由運動的平均運動時間4.3。遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系回答：一般認(rèn)為，半導(dǎo)體中載流子的遷移率主要由聲波散射和功率雜質(zhì)散射決定，因此遷移率k與電離雜質(zhì)濃度n和溫度之間的關(guān)系可以表示如下其中a和b是常數(shù)。由此可見(1)當(dāng)雜質(zhì)濃度較小時，鉀隨著溫度的升高而降低；(2)當(dāng)雜質(zhì)濃度較高時，低溫下電離雜質(zhì)散射是主要因素，上述公式中的B項起主要作用，所以K隨T的增加而增加；高溫下聲波散射是主要因素，A項起主要作用，

13、K隨T的增加而減少；(3)當(dāng)溫度不變時，K隨雜質(zhì)濃度的增加而降低。4.3以N型硅為例，簡要說明遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系。雜質(zhì)濃度增加，散射增加，遷移率降低。在某些雜質(zhì)濃度條件下：在低溫下4.4以N型半導(dǎo)體為例，說明電阻率與溫度的關(guān)系。回答：在低溫下，載流子濃度隨著溫度的升高呈指數(shù)增加，電離雜質(zhì)的散射以密集函數(shù)的形式減小，因此電阻率隨著溫度的升高而降低。當(dāng)半導(dǎo)體處于強電離狀態(tài)時，載流子濃度基本不變，晶格振動散射逐漸取代電離雜質(zhì)散射成為主要的散射機制，因此電阻率隨著溫度的升高而逐漸由降低變?yōu)樯?。在高溫下，盡管晶格振動增加了電阻率，但半導(dǎo)體逐漸進入本征狀態(tài)，導(dǎo)致電阻率隨著溫度的升高而迅速降低，

14、最終整體性能下降。4.4在室溫下，將濃度為1015cm-3的硼雜質(zhì)摻雜到本征硅單晶中，然后將濃度為31015cm-3的磷雜質(zhì)摻雜到本征硅單晶中。嘗試找到：(1)載流子濃度和電導(dǎo)率。(2)費米能級的位置。(注：當(dāng)電離雜質(zhì)的濃度分別為1015厘米-3、31015厘米-3、41015厘米-3時，電子遷移率分別為1300、1130和1000厘米2/秒，空穴遷移率為500、445和400厘米2/秒；分別；在300K、)09回答：在室溫下，半導(dǎo)體處于強電離區(qū)，并具有多個亞濃度少數(shù)載流子濃度；（電導(dǎo)率(2分)(2)根據(jù)可獲得性所以費米能級比禁帶中心高0.31伏特。4.6強電場效應(yīng)實驗表明，當(dāng)電場增加到一定程

15、度時，半導(dǎo)體的電流密度不再與電場強度成正比，偏離了歐姆定律。當(dāng)場強進一步增加時，平均漂移速度趨于飽和。這種由強電場引起的現(xiàn)象稱為強電場效應(yīng)。4.6載體有效溫度：當(dāng)有電場時，載流子的平均動能高于熱平衡時的平均動能，這相當(dāng)于載流子在較高溫度下的平均動能。這個溫度叫做載流子的有效溫度。4.6熱載體：在強電場條件下，載流子從電場中獲得大量能量，載流子的平均能量大于晶格系統(tǒng)。這種不再處于熱平衡的載流子稱為熱載流子。第五章不平衡承運人5.1不平衡載流子注入：產(chǎn)生非平衡載流子的過程稱為非平衡載流子注入。5.1非平衡載流子的復(fù)合：復(fù)合是一個過程，在這個過程中，導(dǎo)帶中的電子發(fā)射能量并轉(zhuǎn)換回價帶，導(dǎo)致導(dǎo)帶電子和價帶空穴成對消失。非平衡載流子的逐漸消失稱為非平衡載流子的復(fù)合，這是由熱激發(fā)補償?shù)膬?/p>