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1、半导体物理究极版 试卷结构： 一、选择题（每小题2分，共30分） 二、填空题（每空2分，共20分） 三、简答题（每小题10分，共20分） 四、证明题(10分)（第六章） 五、计算题（20分）（第五章） 1.1 锗和硅的晶体结构特征 金刚石结构的基本特征（重点） 1.2 半导体中的电子状态和能带 电子共有化运动概念：原子组成晶体后，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，这种运动称为电子的共有化运动。 绝缘体、半导体和导体的能带特征： 几种常用半导体的禁带宽度：硅1.12eV，锗0.67eV，砷化镓1.43eV 本
2、征激发的概念：价带上的电子激发成为准自由电子，即价带电子激发成为导带电子的过程，称为本征激发。 1.3 半导体中电子的运动 有效质量 h2k2 导带底和价带顶附近的E(k)k关系：E?k?-E?0?=*； 2mn 半导体中电子的平均速度：v?dE； hdk 11d2E有效质量的公式：*?2。 mnhdk2 窄带、宽带与有效质量大小关系：窄大宽小 1.4本征半导体的导电机构 空穴 ?空穴的特征：带正电；m? p?mn；En?Ep；kp?kn 1.6 硅和锗的能带结构 硅和锗的能带结构特征：（1）导带结构：导带底的吸收峰位置、个数；（2） 价带结构：价带顶的位置，重空穴带、轻空穴带以及自旋-轨道耦
3、合分裂出来的能带。 硅和锗是间接带隙半导体 2.1 硅、锗晶体中的杂质能级 施主杂质：V族杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质。它释放电子的过程叫做施主电离。 受主杂质：因III族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心，所以称它们为受主杂质或p型杂质。空穴挣脱受主杂质束缚的过程称为受主电离。 ?m?mnE0pE0杂质的电离能：施主杂质电离能?ED?，受主杂质电离能 ?E?A22m0?rm0?r 杂质的补偿作用（重点）： 第三章 半导体中载流子的统计分布 非简并热平衡载流子概念和性质：通常把服从玻尔兹曼统计律的电子系统称为非
4、简并系统，而服从费米统计律的电子系统称为简并系统。电子从不断热振动的晶格中获得能量由低能量量子态跃迁到高能量量子态，电子由同时高能量量子态跃迁到低能量量子态并向晶格释放能量，这种热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。（非简并玻耳兹曼；统一费米能级；n0p0=ni2） 3.1状态密度 定义式：g(E)?dz/dE； 导带底附近的状态密度：gc(E)?4?V?2mn*?h33/2?E?Ec? ?EV1/2； 2m?价带顶附近的状态密度：g(E)?4?Vv*3/2ph3?E?1/2 3.2 费米能级和载流子的浓度统计分布 费米分布函数：f(E)?1； 1?exp?E?EF/k0T? 费米能级
5、的意义：它和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。（1）将半导体中大量的电子看成一个热力学系统，费米能级EF是系统的化学势；（2）EF可看成量子态是否被电子占据的一个界限。（3）EF的位置比较直观地标志了电子占据量子态的情况，通常就说费米能级标志了电子填 充能级的水平。费米能级位置较高，说明有较多的能量较高的量子态上有电子。 玻尔兹曼分布函数：fB(E)?e ?E?EF k0T ； ?EcEc*n 载流子浓度表达式：（重点）n0? fB(E)gc(E)dE 2?mkT?EF?Ec ， Nc?2n0?Ncexp h3k0T ?p0 导带底有效状态密度 ?2?mkT?E?E
6、F ， Nv?2p0?Nvexpv h3k0T 价带顶有效状态密度 载流子浓度的乘积的适用范围：热平衡状态下的非简并半导体 ?E?EV?Eg n0p0?NCNVexp?C?NNexp?CV k0T?k0T ? ? ? 3.3. 本征半导体的载流子浓度 本征半导体概念：没有杂质和缺陷的半导体 本征载流子浓度：ni?n0?p0?(NCNV) 2?Eg?exp?2kT?； 0? 载流子浓度的乘积（重点）：n0p0?ni； 它的适用范围：热平衡状态下的非简并半导体 3.4杂质半导体的载流子浓度 电子占据施主杂质能级的几率： fD(E)? 1 ?ED?EF1 1?exp?kT20? ? ? 空穴占据受主
7、能级的几率： fA(E)? 1 ?EF?EA?1 1?exp?kT?20? 施主能级上的电子浓度nD为： nD?NDfD(E)?ND ?ED?EF11?exp?kT20? 受主能级上的空穴浓度pA为 pA?NAfA(E)?NA ?EF?EA?11?exp?2kT0? 电离施主浓度nD为：nD?ND?nD 电离受主浓度pA为：pA?NA?pA 3.5 一般情况下的载流子统计分布（重点） 分析判断费米能级随温度及杂质浓度的变化，尤其是饱和区： （1）少量受主杂质的n型半导体 ? ?ND?NA?极低温度下，施主杂质弱电离：EF?ED?k0Tln?2N? A? 低温下，施主浓度ND远比受主浓度NA大：
8、EF?EC?EDkTN?(0)D) 222NC 饱和区；温度升高到ED大于EF，且满足ED-EF>>K0T时，施主杂质完全电离：EF?EC?k0Tln(ND?NA) NC （2）施主杂质的p型半导体 低温下弱电离：EF?EA?k0TE?EAk0TNA?NDN)或EF?V?()A) 4ND224NV NA?ND) NV饱和区；受主杂质完全电离：EF?EV?k0T3.6. 简并半导体 1、重掺杂及简并半导体概念：重掺杂，杂质掺杂水平很高；简并半导体，发生载流子简并化的半导体。 2、简并化条件(n型)：EC?EF?0，具体地说：1）ND接近或大于NC时发生简 并；2）杂质电离能ED越小，
9、则杂质浓度ND较小时就发生简并；3）杂质浓度越大，发生简并的温度范围越宽；4）简并时杂质没有充分电离；5）简并半导体的杂质能级展宽为能带，带隙宽度会减小。 3、杂质能带及杂质带导电。 第四章 半导体的导电性 4.1 载流子的漂移运动 迁移率 欧姆定律的微分形式：J?E； 漂移速度vd?E；迁移率?，单位 m2/V?s或cm2/V?s； 不同类型半导体电导率公式：?nq?n?pq?p 对p型半导体，p>>n，?pq?p；对本征半导体，n=p=ni，?i?niq(?n?p) 4.2. 载流子的散射. 半导体中载流子在运动过程中会受到散射的根本原因是什么？其根本原因是周期性势场的被破坏
10、主要散射机构有哪些？（重点） ?2电离杂质的散射：P i?NiT 晶格振动的散射：Ps?T 4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系 描述散射过程的两个重要参量：平均自由时间?，散射几率P。他们之间的关系，?p； 1、电导率、迁移率与平均自由时间的关系： pq2?pnq2?n ?n?nqun? ;?p?pqup?*mnm* p ?nqun?pqup?nq2?p m* n?pq2?pm* p 2、(硅的)电导迁移率及电导有效质量公式： ?c?q?n11?12? ? mcmc3?mlmt? 3、迁移率与杂质浓度和温度的关系： ?q *AT?imT.1 4.4 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系（重点）
11、各种半导体的电阻率公式：?1；（掺杂、温度及光照均有影响） nq?n?pq?p n型半导体?111，p型半导体?，本征半导体? nq?npq?pniq(?n?p) 本征半导体的电阻率与带隙宽度关系：材料的带隙宽度越大，同一温度下的本征载流子浓度就越低，本征半导体的电阻率就越高。 不同温区电阻率的变化/不同温区载流子的散射机制： 4.6 强电场下的效应 热载流子 热载流子概念：温度是平均动能的量度，既然载流子的能量大于晶格系统的能量，人们便引进载流子的有效温度Te描写与晶格系统不处于热平衡状态的载流子，并称这种状态的载流子为热载流子。 第五章 非平衡载流子 5.1 非平衡载流子的注入与复合 非平
12、衡态，非平衡载流子或过剩载流子：对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，这就迫使它处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡状态。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子或过剩载流子。 小注入：对n型材料，?n?n0,?p?n0 附加电导率：?nq?n?pq?p?pq?n?p? 5.2非平衡载流子的寿命 非平衡载流子的衰减、寿命?的含义：衰减：光照停止后，p随时间按指数规律减少；寿命：非平衡载流子的平均生存时间称为非平衡载流子的寿命。 1复合几率：表示单位时间内非平衡载流子的复合几率，； ? 复合率：单位时间、单位体积内净复合消失的电子-空穴对数。?p。 5.3 准费米能级 1.“准费米
13、能级”概念：存在非平衡载流子时，导带和价带各自适用费米能级和 统计分布函数，分别引入导带费米能级和价带费米能级，它们都是局部的费米能级，称为“准费米能级” 2.非平衡状态下的载流子浓度（重点）： n?EC?EF?n?NCexp?kT0? p?EF?EV?p?NVexp?kT0?(n?n0?n)(p?p0?p)（5-9） nn?EF?EF?Ei?EF?n?n0exp?nexp?i?kTkT0?0? pp?EF?EF?Ei?EF?p?p0exp?nexp?i?kTkT0?0?（5-10） 3.“准费米能级”的含义 1）从（5-10）可以看出，EFn-EF,EF-EFp越大，n和p值越大，越偏离平衡状态。反之也可以说，n和p越大，EFn和EFp偏离EF越远。 2）EFn和EFp偏离EF的程度不同(重点) 如n-type半导体n0>p0。小注入条件下： ? n<<n0，n=n0+n，n>n0，nn0，EFn比EF更靠近导带底，但偏离EF很小。 ? p>>p0，p=p0+p，p>p0，EFp比EF更靠近价带顶，且比EFn更偏离EF。 可以看出：一般情况下，在非平衡状态时，往往总是多数载流子的准Fermi能级和平衡时的Fer
