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半导体物理与器件公式以及参数

SI材料的禁带宽度为：1.12ev. 硅材料的

Ge材料的 GaAs材料的

介电弛豫时间函数：瞬间给半导体某一表面增加某种载流子，最终达到电中性的时间，，其中，最终通过证明这个时间与普通载流子的寿命时间相比十分的短暂，由此就可以证明准电中性的条件。

热平衡状态下半导体的费米能级，本征半导体的费米能级，重新定义的是存在过剩载流子时的准费米能级。

准费米能级：半导体中存在过剩载流子，则半导体就不会处于热平衡状态，费米能级就会发生变化，定义准费米能级。

用这两组公式求解问题。

通过计算可知，电子的准费米能级高于，空穴的准费米能级低于，对于多子来讲，由于载流子浓度变化不大，所以准费米能级基本靠近热平衡态下的费米能级，但是对于少子来讲，少子浓度发生了很大的变化，所以费米能级有相对比较大的变化，由于注入过剩载流子，所以导致各自的准费米能级都靠近各自的价带。

过剩载流子的寿命：

半导体材料：半导体材料多是单晶材料，单晶材料的电学特性不仅和化学组成相关而且还与原子排列有关系。半导体基本分为两类，元素半导体材料和化合物半导体材料。

GaAs主要用于光学器件或者是高速器件。

固体的类型：无定型（个别原子或分子尺度内有序）、单晶（许多原子或分子的尺度上有序）、多晶（整个范围内都有很好的周期性），单晶的区域成为晶粒，晶界将各个晶粒分开，并且晶界会导致半导体材料的电学特性衰退。

空间晶格：晶格是指晶体中这种原子的周期性排列，晶胞就是可以复制出整个晶体的一小部分晶体，晶胞的结构可能会有很多种。原胞就是可以通过重复排列形成晶体的最小晶胞。三维晶体中每一个等效的格点都可以采用矢量表示为，其中矢量，，称为晶格常数。晶体中三种结构，简立方、体心立方、面心立方。

原子体密度每晶胞的原子数每晶胞的体积

米勒指数，对所在平面的截距取倒数在进行通分，所有平行平面的米

勒指数相等，平面集的计算方式。

原子面密度每个晶面的原子数每个晶面的面积

晶向表示的是某条射线的方向，在简立方体重相同数值的米勒指数的晶向和晶面是相互垂直的。

金刚石结构：Ge和硅具有金刚石结构，一个原子周围通过共价键和其余的四个原子相连接。金刚石结构指的是由同种原子组成的结构，金刚石总共有8个原子，6个面心原子，四个晶体内部的原子。金刚石的体积是.

原子共价键：热平衡系统的总能量趋于达到某个最小值，原子间的相互作用力以及所能达到的最小能量取决与原子团或原子类型。四种原子间离子键、共价键、金属键、范德华键（HF正负电荷的有效中心不再统一点，最终形成电偶极子，相邻的电偶极子之间相互作用）。量子力学的基本原理：能量量子化原理（实验结果是发射出来的光子的能量随着入射频率变化进行线性变化，光强改变没办法改变射出光子的最大动能而只会改变粒子射出的概率）、波粒二象性原理（光子的动量，所以我们就可以假设物质波的存在并且其波长）、不确定性原理（，，并且要会利用，如果先知道，就可以通过两边求导的方式求出）薛定谔波动方程：

最终将这个表达式分解为与时间相关的部分和与时间无关的部分，与

时间相关的表达式为

所以就可以推导出角频率

与时间无关的表达式

将成为概率密度函数，，其与时间无关。

对应的边界条件：

必须单值、连续、有界（如果其无界，相当改点发现粒子的概率确定了）与均有限，相当于必须有限，对应的一阶导数必须单值连续有界个别情况是例外的。

薛定谔方程的应用：自由空间中的电子（粒子表现为行波特性其中

表示沿着x轴正方向运动的波，反之沿着x轴负方向运动的波，，

其中）、无限深势肼(束缚态粒子的运动状态，波函数表现为行波特性

，

上面的表达式就可以求解能量，看到束缚态粒子的能量是量子化分布

的）、阶跃势函数（粒子能量小于势能，粒子被完全返回去，但是区

域II中存在粒子的分布函数，但最后还是返回到区域I中，这个与

经典的力学不一样）、矩形势垒隧道效应（粒子撞击势垒的时候，会

有一部分粒子穿过势垒，

T表示的是透射。

原子波动理论的延伸：称为量子数，每一组称为量子态

随着能级的增加，对核外电子的束缚力减少，电子存在自旋状态，注意周期表每一层的电子数目。

半导体中的载流子：导带电子的分布为导带中允许量子态密度与某个量子态被占据的概率

对其在整个导带范围内进行积分就可以得到电子浓度。

价带中空穴的分布为价带中允许的量子态与某个量子态被占据的概

率成绩

对其在整个价带范围内积分就可以求出空穴的浓度。

理想的本征半导体指的是不含杂质和缺陷的纯净的半导体，在T=0是，本征半导体的价带被完全占满，导带中为空，本征半导体的电子浓度与空穴浓度相等。如果电子的有效质量等于空穴的有效质量，那么和关于禁带中心对称，当时的与时的

相等。如果有效质量不相等，那么这两条曲线不会对称。当费米概率分布函数简化为波尔兹曼分布，求解出

相当于一旦有效质量发生变化，那么对应的就会变

同理可以求出空穴的浓度为

本证载流子的浓度，并且其电子浓度等于空穴浓度，具体的表达式

其实求出的可能与公认的存在差别原因有二，有效质量实际上是测试结果，并且与温度有关，所以可能会产生差别，状态密度函数可能与实际模型不相符合。

本征费米能级的位置

有效质量越大，状态密度越大，所以本征费米能级的位置必将发生变化，确保电子和空穴的浓度相等。

参杂原子与能级：n型半导体形成了一个施主能级，P型半导体形成

了一个受主能级，参入杂质的半导体称为非本征半导体，电离能为激发施主电子进入导带所需要的能量，

非本征半导体：非本征半导体中电子或者是空穴的一种成为主导作用。费米能级与分布函数相关，所以参入杂质后费米能级位置发生变化，电子浓度大于空穴浓度，成为n型半导体，电子浓

度小于空穴浓度，成为p型半导体，通过计算可以即使费米能级改变很小，但是电子和空穴的浓度相对于本征半导体变化几个数量级。

导带中的电子的概率分布函数增加同时价带中的空穴概率分布减少。

在热平衡状态下始终满足

非简并半导体杂质浓度相比于晶体浓度要小很多，在半导体中引入分离的施主能级，各杂质之间没有相互作用。

简并半导体随着杂质浓度增加，杂质之间存在相互作用力，施主能级分裂成为能带，n半导体为例，当杂质浓度超多状态密度时，费米能级进入导带位置，在导带底部和费米能级之间电子被填充满，所以电子浓度很大。

简并半导体的判断标准：

，非简并半导体

，弱简并半导体

，简并半导体

简并效应：

施主和受主的统计分布：电子占据施主能级的分布函数

施主能级的电子占据总电子数的比例

完全电离施主能级的电子全部跃迁到导带中，在T=0时，费米能级高于施主能级，所以就是没有电子跃迁到导带上，这个状态也成为束缚态。

电中性状态：补偿半导体的定义，相当于同时给半导体中加入施主和受主杂质，此时计算，就需要采用响应的公式计算。随着施主杂质的加入，响应的电子的有效能量状态需要重新分布，导致抵消了一部分空穴。

费米能级的位置：随着施主浓度的增加，费米能级的位置会向导带底或者是价带顶部移动，完全补偿半导体的费米能级就是本征半导体的费米能级，因为是温度的函数所以费米能级也是温度的函数，高温情况下半导体的非本征特性开始消失，在低温情况下，其完全处于束缚态。

载流子的产生和复合：热平衡状态下，经载流子的浓度保持不变，相当于是载流子的产生和复合的速率相等。

过剩载流子的复合速率是相等的，对于p型半导体

其中

对于n型半导体

其中

过剩载流子的性质：过剩载流子的时间和空间状态

因为,又因为为常数，所以上面表达式可以化简为

双极运输：外加电场的半导体的某个位置产生过剩载流子，那么过剩载流子就可以再起内部产生一个新的内建电场，阻碍过剩载流子的扩散，求出双极运输方程为

西安电子科技大学2018考研大纲：半导体物理与器件物理.doc

西安电子科技大学2018考研大纲：半导体物理与器件物出国留学考研网为大家提供西安电子科技大学2018考研大纲：801半导体物理与器件物理基础，更多考研资讯请关注我们网站的更新! 西安电子科技大学2018考研大纲：801半导体物理与器件物理基础 “半导体物理与器件物理”(801) 一、总体要求 “半导体物理与器件物理”(801)由半导体物理、半导体器件物理二部分组成，半导体物理占60%(90分)、器件物理占40%(60分)。 “半导体物理”要求学生熟练掌握半导体的相关基础理论，了解半导体性质以及受外界因素的影响及其变化规律。重点掌握半导体中的电子状态和带、半导体中的杂质和缺陷能级、半导体中载流子的统计分布、半导体的导电性、半导体中的非平衡载流子等相关知识、基本概念及相关理论，掌握半导体中载流子浓度计算、电阻(导)率计算以及运用连续性方程解决载流子浓度随时间或位置的变化及其分布规律等。 “器件物理”要求学生掌握MOSFET器件物理的基本理

论和基本的分析方法，使学生具备基本的器件分析、求解、应用能力。要求掌握MOS基本结构和电容电压特性;MESFET器件的基本工作原理;MOSFET器件的频率特性;MOSFET器件中的非理想效应;MOSFET器件按比例缩小理论;阈值电压的影响因素;MOSFET的击穿特性;掌握器件特性的基本分析方法。 “半导体物理与器件物理”(801)研究生入学考试是所学知识的总结性考试，考试水平应达到或超过本科专业相应的课程要求水平。二、各部分复习要点 ●“半导体物理”部分各章复习要点 (一)半导体中的电子状态 1.复习内容半导体晶体结构与化学键性质，半导体中电子状态与能带，电子的运动与有效质量，空穴，回旋共振，元素半导体和典型化合物半导体的能带结构。 2.具体要求半导体中的电子状态和能带半导体中电子的运动和有效质量本征半导体的导电机构

半导体物理与器件第四版课后习题答案(供参考)

Chapter 4 4.1 ??? ? ? ?-=kT E N N n g c i exp 2υ ??? ? ??-??? ??=kT E T N N g O cO exp 3003 υ where cO N and O N υ are the values at 300 K. (b) Germanium _______________________________________ 4.2 Plot _______________________________________ 4.3 (a) ??? ? ??-=kT E N N n g c i exp 2υ ( )( )( ) 3 19 19 2 113001004.1108.2105?? ? ????=?T ()()?? ????-?3000259.012.1exp T () 3 382330010912.2105.2?? ? ???=?T ()()()()?? ????-?T 0259.030012.1exp By trial and error, 5.367?T K (b) () 252 12 2105.2105?=?=i n ( ) ()()()()?? ????-??? ???=T T 0259.030012.1exp 30010912.23 38 By trial and error, 5.417?T K _______________________________________ 4.4 At 200=T K, ()?? ? ??=3002000259.0kT 017267.0=eV At 400=T K, ()?? ? ??=3004000259.0kT 034533.0=eV ()()()() 172 22102 210025.31040.11070.7200400?=??= i i n n ? ? ????-??????-???? ??? ?? ??=017267.0exp 034533.0exp 3002003004003 3 g g E E ?? ? ???-=034533.0017267.0exp 8g g E E ()[] 9578.289139.57exp 810025.317-=?g E or ()1714.38810025.3ln 9561.2817=??? ? ???=g E or 318.1=g E eV Now ( ) 3 2 1030040010 70.7?? ? ??=?o co N N υ

半导体物理器件期末考试试题(全)

---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 2015半导体物理器件期末考试试题(全) 半导体物理器件原理（期末试题大纲）指导老师：陈建萍一、简答题（共 6 题，每题 4 分）。代表试卷已出的题目1、耗尽区：半导体内部净正电荷与净负电荷区域，因为它不存在任何可动的电荷，为耗尽区（空间电荷区的另一种称呼）。 2、势垒电容：由于耗尽区内的正负电荷在空间上分离而具有的电容充放电效应，即反偏 Fpn 结的电容。 3、Pn 结击穿：在特定的反偏电压下，反偏电流迅速增大的现象。 4、欧姆接触：金属半导体接触电阻很低，且在结两边都能形成电流的接触。 5、饱和电压：栅结耗尽层在漏端刚好夹断时所加的漏源电压。 6、阈值电压：达到阈值反型点所需的栅压。 7、基区宽度调制效应：随 C-E 结电压或 C-B 结电压的变化，中性基区宽度的变化。 8、截止频率：共发射极电流增益的幅值为 1 时的频率。 9、厄利效应：基带宽度调制的另一种称呼（晶体管有效基区宽度随集电结偏置电压的变化而变化的一种现象） 10、隧道效应：粒子穿透薄层势垒的量子力学现象。 11、爱因斯坦关系：扩散系数和迁移率的关系： 12、扩散电容：正偏 pn 结内由于少子的存储效应而形成的电容。 1/ 11

13、空间电荷区：冶金结两侧由于 n 区内施主电离和 p 区内受主电离

---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 而形成的带净正电荷与净负电荷的区域。 14、单边突变结：冶金结的一侧的掺杂浓度远大于另一侧的掺杂浓度的 pn 结。 15、界面态：氧化层--半导体界面处禁带宽度中允许的电子能态。 16、平带电压：平带条件发生时所加的栅压，此时在氧化层下面的半导体中没有空间电荷区。 17、阈值反型点：反型电荷密度等于掺杂浓度时的情形。 18、表面散射：当载流子在源极和源漏极漂移时，氧化层--半导体界面处载流子的电场吸引作用和库伦排斥作用。 19、雪崩击穿：由雪崩倍增效应引起的反向电流的急剧增大，称为雪崩击穿。 20、内建电场：n 区和 p 区的净正电荷和负电荷在冶金结附近感生出的电场叫内建电场，方向由正电荷区指向负电荷区，就是由 n 区指向 p 区。 21、齐纳击穿：在重掺杂 pn 结内，反偏条件下结两侧的导带与价带离得非常近，以至于电子可以由 p 区的价带直接隧穿到 n 区的导带的现象。 22、大注入效应：大注入下，晶体管内产生三种物理现象，既三个效应，分别称为：（1）基区电导调制效应；（2）有效基区扩展效应； (3)发射结电流集边效应。它们都将造成晶体管电流放大系数的下降。 3/ 11

半导体物理与器件实验报告

课程实习报告 HUNAN UNIVERSITY 题目：半导体物理与器件学生姓名：周强强学生学号：20100820225 专业班级：通信二班完成日期：2012.12.22

运行结果截图： 2.2 函数(),cos(2/)V x t x t πλω=-也是经典波动方程的解。令03x λ≤≤，请在同一坐标中绘出x 的函数(),V x t 在不同情况下的图形。 (1)0;(2)0.25;(3)0.5;(4)0.75;(5)t t t t t ωωπωπωπωπ =====。 3.27根据式（3.79），绘制出0.2()0.2F E E eV -≤-≤范围内，不同温度条件下的费米-狄拉克概率函数：()200,()300,()400a T K b T K c T K ===。

4.3 画出a （）硅，b （）锗，c （）砷化镓在温度范围200600K T K ≤≤内的本征载流子浓度曲线（采用对数坐标）。

4.46 已知锗的掺杂浓度为15 3a =310 cm N -?，d =0N 。画出费米能级相对于本征费米能级的位置随温度变化 200600)K T K ≤≤（的曲线。

5.20硅中有效状态密度为 19 3/2c 2.8 10()300T N =? 193/2 1..0410() 300 T N ν=? 设迁移率为 3/2 n =1350300T μ-?? ? ?? 3/2 =480300T ρμ-?? ? ?? 设禁带宽带为g =1.12V E e ，且不随温度变化。画出200600K T K ≤≤范围内，本征电导率随绝对温度T 变化的关系曲线。

半导体物理器件

半导体物理器件名词解释．．．． 1 光电效应；在光的照射下，电路中产生电流或电流变化。分两类，一是光照下能使物体电阻值改变称“内阻效应”或光导效应，二是在光照下能够产生一定的方向的电动势，称‘阻挡层光电效应’或光伏效应。 2 压阻效应；对半导体施加应力时，出产生变形外，能带结构也要发生变化，因而，半导体的发生改变，这种由于应力的作用使电阻率发生改变的现象。 3 热电效应；把热能转换成电能的过程，其中最重要的是温差电现象。 4 单晶体；在三维空间里由全同结构也要发生单元，无间隙的周期的排列这中无限的重复的结构遍及整个晶体称单晶。 5 非晶体；在三维空间中只是短程序或者就是无序的排列结构的晶体。 6多晶体；由多个单晶体构成的晶体。 7晶胞：由于晶体是由全部结构单元周期性地、无间隙地无限重复构成的，而研究晶体时研究最简结构称晶胞。原胞；由于晶体是由全同结构单元，周期性地无间隙无限重复构成的而研究晶体时研究最简结构或非最简结构单元称初基晶 8 格点；研究晶体中原子，分子或离子的排列，把这些粒子的重心作为一个几何点。 9 空间点阵；晶体中有无限多个在空间按一定规律分布的格点。 10 晶列直线上一定有无数个格点，这样的直线称晶列。 11 晶格；在空间点阵中，不同的三个晶列族分空间为无数格子称晶格。 12 晶面；通过不在同一晶列的三个格点作一平面在这平面上必须包含无数个格点这样的平面叫做晶面。 13 点阵常数；在晶体中选三个互不平行的特定的晶列方向为晶轴，以晶轴上两相邻的格点见得距离为单位，这单位称为点阵常数 14 晶向指数的，每个方向则用三个最小整数u v w来表示记为【u v w】表示晶向的这组数据称为晶向指数。 15面间距：在晶体中的同一族晶面中，相邻两晶面的距离称为面间距。 16面密度：在晶体中单位面积中的原子数称为面密度，单位面积中的化学键数称为键密度。 17晶格缺陷周期性的、无限重复的由规则性的排列，但在自然界的晶体物质不会有那么完美的结构，晶格排列中的任何不规则的地方，就是晶格的缺陷。 18弗兰克缺陷：在晶体中总有少数部分原子会脱离正常的晶格点，而跑到晶格空隙中，成为自间隙原子，这种作用又使得原先的晶格上没有任何原子占据成为晶格的空位，这样一对间隙与空位称为弗兰克缺陷。 19肖特基缺陷：当晶格原子扩散到晶体最外层时，这使得晶格中仅残留空位而没有自间隙原子，这种缺陷称为肖特基缺陷。 20位错：当晶体中的晶格缺陷沿着一条直线对称时，这种缺陷称为位错。1 位错包括（刃位错）（螺旋位错）和（位错环） 21非平衡运动：当位错的运动需要借助原子及晶格原位运动时，称为非平衡运动。 22晶界：是两个或多个不同结晶方向是的单晶交界处，晶界是可以弯曲的，但在热平衡状态下，为了减少晶界的能量，他们通常是平面状的。晶体是由全同结构单元周期地、无间隙地无重复构成的 23 电子公有化运动：晶体原子的内壳层由于基本上没有重叠，电子依然围绕原子核运动，而外壳层发生能级重叠，电子不再局限于一个原子，而可从一个原子壳层转到相邻的另一个原子壳层上去，并可以从邻近的原子再转移到更远的原子上去，像这种的电子可以在整个晶体中运动，为晶体内所有原子共有的现象。

半导体物理与器件公式以及全参数

半导体物理与器件公式以及参数 KT =0.0259ev N c =2.8?1019N v =1.04?1019 SI 材料的禁带宽度为：1.12ev. 硅材料的n i =1.5?1010 Ge 材料的n i =2.4?1013 GaAs 材料的n i =1.8?106 介电弛豫时间函数：瞬间给半导体某一表面增加某种载流子，最终达到电中性的时间，ρ(t )=ρ(0)e ?(t /τd )，其中τd =?σ，最终通过证明这个时间与普通载流子的寿命时间相比十分的短暂，由此就可以证明准电中性的条件。 E F 热平衡状态下半导体的费米能级，E Fi 本征半导体的费米能级，重新定义的E Fn 是存在过剩载流子时的准费米能级。准费米能级：半导体中存在过剩载流子，则半导体就不会处于热平衡状态，费米能级就会发生变化，定义准费米能级。 n 0+?n =n i exp (E Fn ?E Fi kT )p 0+?p =n i exp [?(E Fp ?E Fi )kT ] 用这两组公式求解问题。通过计算可知，电子的准费米能级高于E Fi ，空穴的准费米能级低于E Fi ，对于多子来讲，由于载流子浓度变化不大，所以准费米能级基本靠近热平衡态下的费米能级，但是对于少子来讲，少子浓度发生了很大的变化，所以费米能级有相对比较大的变化，由于注入过剩载流子，所以导致各自的准费米能级都靠近各自的价带。

过剩载流子的寿命：半导体材料：半导体材料多是单晶材料，单晶材料的电学特性不仅和化学组成相关而且还与原子排列有关系。半导体基本分为两类，元素半导体材料和化合物半导体材料。 GaAs主要用于光学器件或者是高速器件。固体的类型：无定型（个别原子或分子尺度内有序）、单晶（许多原子或分子的尺度上有序）、多晶（整个范围内都有很好的周期性），单晶的区域成为晶粒，晶界将各个晶粒分开，并且晶界会导致半导体材料的电学特性衰退。空间晶格：晶格是指晶体中这种原子的周期性排列，晶胞就是可以复制出整个晶体的一小部分晶体，晶胞的结构可能会有很多种。原胞就是可以通过重复排列形成晶体的最小晶胞。三维晶体中每一个等效的格点都可以采用矢量表示为r=pa?+qb?+sc?，其中矢量a?，b?，c?称为晶格常数。晶体中三种结构，简立方、体心立方、面心立方。原子体密度=每晶胞的原子数每晶胞的体积

半导体物理器件

半导体物理 1、半导体的五大基本特性答：(1)负电阻温度系数：温度升高，电阻减小。 (2)光电导效应：由辐射引起的被照射材料的电导率改变的现象。 (3)整流效应：加正向电压时，导通；加反向电压时，不导通。 (4)光生伏特效应：半导体和金属接触时，在光照射下产生电动势。 (5)霍尔效应：通有电流的导体在磁场中受力的作用，在垂直于电流和磁场的方向产生电动势的现象。 2、简述肖特基缺陷和弗伦克尔缺陷的异同之处。答：（1）共同点：都是热缺陷（本征缺陷）。（2）不同点：弗伦克尔缺陷：空位和间隙原子成对出现，晶体体积不发生改变；肖特基缺陷：正离子和负离子空位成比例出现，伴随体积的增加而增加，并且只形成空位而无间隙原子。 3、什么是施主杂质？什么是受主杂质？以Si为例说明。答：Ⅴ族元素在硅中电离时能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称此类杂质为施主杂质；Ⅲ族元素在硅中电离时能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称此类杂质为受主杂质。 4、什么是本征激发？什么是本征半导体？本征半导体的特征是什么？答: （1）电子从价带直接向导带激发，成为导带电子的过程就是本征激发。（2）完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。

（3）电子浓度等于空穴浓度，载流子少，导电性差，温度稳定性差。 5、在半导体中掺入杂质的作用：掺入杂质可以改变半导体的导电性能，半导体中杂质对电阻的影响非常大。掺入微量杂质时，杂质原子附近的周期势场受到干扰并形成附加的束缚状态，在禁带中产生杂质能级，使得电阻大大下降，从而导电性大大提升。 6、阐述深能级杂质的特点。答：（1）不容易电离，对载流子浓度影响不大；（2）一般会产生多重能级，甚至既产生施主能级，也产生受主能级；（3）能起到复合中心作用，使少数载流子寿命降低。 7、浅能级杂质和深能级杂质对半导体性质的影响是什么？答：深能级杂质主要是产生复合中心，缩短少数载流子的寿命；浅能级杂质主要是提供载流子，能够改变半导体的导电性，决定半导体的导电类型。这两种杂质都能散射载流子，使迁移率减小。 8、解释费米能级及其物理意义。答：（1）费米能级是半导体中大量电子构成的热力学系统的化学势。（2）费米能级的意义：在各种温度下，在该能级上的一个状态被电子占据的几率正好是1/2。代表了电子的填充能级高低。（当系统处于热平衡状态，也不对外界做功的情况下，系统增加一个电子所引起的系统自由能的变化，等于系统的化学能。）

半导体物理与器件基础知识

9金属半导体与半导体异质结一、肖特基势垒二极管欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。接触电阻很低。金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。之间形成势垒为肖特基势垒。在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。附图：电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。2.开关特性肖特基二极管更好。应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。二、金属-半导体的欧姆接触附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图三、异质结：两种不同的半导体形成一个结小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。 2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。 10双极型晶体管双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。一、工作原理附npn型和pnp型的结构图发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低附常规npn截面图造成实际结构复杂的原因是：1.各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，必须要有重掺杂的N+型掩埋层。2.一片半导体材料上要做很多的双极型晶体管，各自必须隔离，应为不是所有的集电极都是同一个电位。通常情况下，BE结是正偏的，BC结是反偏的。称为正向有源。附图：由于发射结正偏，电子就从发射区越过发射结注入到基区。BC结反偏，所以在BC结边界，理想情况下少子电子浓度为零。附基区中电子浓度示意图：电子浓度梯度表明，从发射区注入的电子会越过基区扩散到BC结的空间电荷区，

半导体物理与器件第四版课后习题答案

Chapter 3 3、1 If were to increase, the bandgap energy would decrease and the material would begin to behave less like a semiconductor and more like a metal、 If were to decrease, the bandgap energy would increase and the material would begin to behave more like an insulator、 _______________________________________ 3、2 Schrodinger's wave equation is: Assume the solution is of the form: Region I: 、 Substituting the assumed solution into the wave equation, we obtain: which bees This equation may be written as Setting for region I, the equation bees: where Q、E、D、 In Region II, 、 Assume the same form of the solution: Substituting into Schrodinger's wave equation, we find: This equation can be written as: Setting for region II, this equation bees where again Q、E、D、 _______________________________________ 3、3 We have Assume the solution is of the form: The first derivative is and the second derivative bees Substituting these equations into the differential equation, we find bining terms, we obtain We find that Q、E、D、 For the differential equation in and the proposed solution, the procedure is exactly the same as above、 _______________________________________ 3、4 We have the solutions for and for 、 The first boundary condition is which yields The second boundary condition is which yields The third boundary condition is which yields

半导体物理与器件7

第七章光电器件
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本章内容
辐射跃迁与光的吸收发光二极管半导体激光光探测器太阳能电池
7.1 辐射跃迁和光的吸收
辐射跃迁
光子和固体内的电子之间有三种主要的相互作用过程：吸收、自发辐射、受激辐射。如图为在一个原于内的两个能级E1和E2，其中E1 相当于基态，E2相当于激发态，则在此两能态之间的任何跃迁，都包含了光子的辐射或吸收，此光子的频率为 ν12 ，而 hν12=E2-E1。室温下，固体内的大多数原子处于基态。此时若有一能量恰好等于hν12的光子撞击此系统，则原本处于基态的原子将会吸收光子的能量而跑到激发态。这一过程称为吸收过程。
之前之后
在激发态中的原子是很不稳定的，经过短暂的时间后，不需要外来的激发，它就会跳回基态，并放出一个能量为hν12的光子，这个过程即称为自发辐射[图(b)]。
hυ12
E2 E1 (a ) 吸收
当一能量为hν12 的光子撞击一原本在激发态的原子时[图c]，此原子被激发后，会转移到基态，并且放出一个与入射辐射同相位、能量为hν12 的光子。这个过程即称为受激辐射。由受激辐射所造成的辐射是单色的，因为每一个光子具有的能量都是hν12 。同时，此辐射也是相干的，因为所有的光子都是同相位发射。
光的吸收
如图显示的是半导体中的基本跃迁．当半导体被光照射后，如果光子的能量等于禁带宽度(即hν=Eg)，则半导体会吸收光子而产生电子-空穴对，如(a)所示．若hν大于Eg，则除了会产生电子-空穴对之外，多余的能量(hν-Eg)将以热的形式耗散，如(b)所示。以上(a)与(b)的过程皆称为本征跃迁，或称为能带至能带的跃迁。另一方面，若hν小于Eg，则只有在禁带中存在由化学杂质或物理缺陷所造成的能态时，光子才会被吸收，如(c) 所示，这种过程称为非本征跃迁。
EC Et (c)
发光二极管的主要工作过程是自发辐射，激光二极管则是受激辐射，光探测器和太阳能电池的工作过程则是吸收。
hυ
(a)
(b)
Eg
因为光的本征吸收在 hνλc时变得微不足道截止波长
EV
λc =
1.24 ( μm) Eg
1

半导体物理与器件复习资料

非平衡载流子寿命公式：本征载流子浓度公式：本征半导体：晶体中不含有杂质原子的材料半导体功函数：指真空电子能级E 0与半导体的费米能级E f 之差电子>(<)空穴为n(p)型半导体，掺入的是施主(受主)杂质原子。 Pn 结击穿的的两种机制：齐纳效应和雪崩效应载流子的迁移率扩散系数爱因斯坦关系式两种扩散机制：晶格扩散，电离杂质扩散迁移率受掺杂浓度和温度的影响金属导电是由于自由电子；半导体则是因为自由电子和空穴；绝缘体没有自由移动的带电粒子，其不导电。空间电荷区：冶金结两侧由于n 区内施主电离和p 区内受主电离而形成的带净正电与负电的区域。存储时间：当pn 结二极管由正偏变为反偏是，空间电荷区边缘的过剩少子浓度由稳定值变为零所用的时间。费米能级：是指绝对零度时，电子填充最高能级的能量位置。准费米能级：在非平衡状度下，由于导带和介质在总体上处于非平衡，不能用统一的费米能级来描述电子和空穴按能级分布的问题，但由于导带中的电子和价带中的空穴按能量在各自能带中处于准平衡分布，可以有各自的费米能级成为准费米能级。肖特基接触：指金属与半导体接触时，在界面处的能带弯曲，形成肖特基势垒，该势垒导放大的界面电阻值。非本征半导体：将掺入了定量的特定杂质原子，从而将热平衡状态电子和空穴浓度不同于本征载流子浓度的材料定义为非本征半导体。简并半导体：电子或空穴的浓度大于有效状态密度，费米能级位于导带中（n 型）或价带中（p 型）的半导体。直接带隙半导体：导带边和价带边处于k 空间相同点的半导体。电子有效质量：并不代表真正的质量，而是代表能带中电子受外力时，外力与加速度的一个比例常熟。雪崩击穿：由空间电荷区内电子或空穴与原子电子碰撞而产生电子--空穴对时，创建较大反偏pn 结电流的过程 1、什么是单边突变结？为什么pn 结低掺杂一侧的空间电荷区较宽？ ①冶金结一侧的掺杂浓度大于另一侧的掺杂浓度的pn 结；②由于pn 结空间电荷区p 区的受主离子所带负电荷与N 区的施主离子所带正电荷的量是相等的，而这两种带点离子不能自由移动的，所以空间电荷区内的低掺杂一侧，其带点离子的浓度相对较低，为了与高掺杂一侧的带电离子的数量进行匹配，只有增加低掺杂一侧的宽度。 2、为什么随着掺杂弄得的增大，击穿电压反而下降？随着掺杂浓度的增大，杂质原子之间彼此靠的很近而发生相互影响，分离能级就会扩展成微带，会使原奶的导带往下移，造成禁带宽度变宽，不如外加电压时，能带的倾斜处隧长度Δx 变得更短，当Δx 短到一定程度，当加微小电压时，就会使p 区价带中电子通过隧道效应通过禁带而到达N 区导带，是的反响电流急剧增大而发生隧道击穿，所以。。。。。。 3、对于重掺杂半导体和一般掺杂半导体，为何前者的迁移率随温度的变化趋势不同？试加以定性分析。对于重掺杂半导体，在低温时，杂质散射起主导作用，而晶格振动散射与一般掺杂半导体相比较影响并不大，所以这时随着温度的升高，重掺杂半导体的迁移率反而增加；温度继续增加下，晶格振动散射起主导作用，导致迁移率下降。对于一般掺杂半导体，由于杂质浓度低，电离杂子散射基本可以忽略，其主要作用的是晶格振动散射，所以温度越高，迁移率越小。 4、漂移运动和扩散运动有什么不同？对于非简并半导体而言，迁移率和扩散系数之间满足什么关系？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，导致载流子从浓度高的地方向浓度低的地方定向运动。前者的推动力是外电场，后者的推动力是载流子的分布引起的。关系为：T k D 0 //εμ= 5、什么叫统计分布函数？并说明麦克斯韦-玻尔兹曼、玻色-爱因斯坦、费米狄拉克分布函数的区别？描述大量粒子的分部规律的函数。 ①麦克--滋曼分布函数：经典离子，粒子可区分，而且每个能态多容纳的粒子数没有限制。 ②波色--斯坦分部函数：光子，粒子不可区分，每个能态所能容纳的粒子数没有限制。 ③费米狄拉克分布函数：晶体中的电子，粒子不可分辨，而且每个量子态，只允许一个粒子。 6、画出肖特基二极管和pn 结二极管的正偏特性曲线；并说明它们之间的差别。两个重要的区别：反向饱和电流密度的数量级，开关特性；两种器件的电流输运机构不同：pn 结中的电流是由少数载流子的扩散运动决定的，而肖特基势垒二极管中的电流是由多数载流子通过热电子发射越过内建电势差而形成的。肖特基二极管的有效开启电压低于pn 结二极管的有效开启电压。 7、（a ）5个电子处于3个宽度都为a=12A °的三维无限深势阱中，假设质量为自由电子质量，求T=0k 时费米能级（b ）对于13个电子呢？解：对于三维无限深势阱对于5个电子状态，对应nxnynz=221=122包含一个电子和空穴的状态 ev E F 349.2)122(261.022=++?= 对于13个电子……=323=233 ev E F 5.742)323(261.0222=++?= 8、T=300k 时，硅的实验测定值为p 0=2×104cm -3,Na=7*1015cm -3, (a)因为P 0

半导体物理与器件

半导体物理与器件课程总结吕游微电子与固体电子学201212171909 2012-2013学年第二学期，在尊敬的李常青老师的指导下学习了《半导体物理与器件》这门课程，我们按照章节划分，有侧重点的进行了个人重点学习并且在课堂上进行讲解演示，可谓受益匪浅。在以下的部分我将对这学期的课程学习做出总结。首先，在第一部分，我针对《半导体物理与器件》课程做一个总体的概述，谈谈学习完本书后我的个人所得与感想。《半导体物理与器件》一书是一本有关半导体物理器件理论的入门书籍，它不但包含了诸多半导体器件的特性、工作原理以及局限性的理论基础知识，还附带了很多图示和生动的例子，对于一个半导体初学者来说大有帮助。本书从基础物理讲起，而后转至半导体材料物理，最后讨论半导体器件物理。第1章先从固体的晶体结构开始，然后过渡到理想单晶体材料。第2章和第3章介绍了量子力学和固体物理，这些都是必须掌握的基础物理知识。第4章到第6章覆盖了半导体材料物理知识。其中，第4章讨论了热平衡半导体物理；第5章讨论了半导体内部的载流子输运现象；第6章主要介绍非平衡过剩载流子。理解半导体的过剩载流子行为对于理解器件物理是至关重要的。第7章到第13章对基本半导体器件物理进行了详细的描述。第7章主要讨论pn结电子学；第8章讨论pn结电流-电压特性；第9章讨论整流及非整流金属半导体结和半导体异质结；第10章探讨双极型晶体管。第11章、第12章阐述了MOS场效应管理论；第13章则阐述了结型场效应管。以上便是这本书的简要内容，这些章节之间既有联系又是相互独立的。从这一部分开始，我将对本人重点学习的章节-第11章MOS场效应晶体管基础-做一个详细的讲解。这一章中，我所重点研究的内容是前两节，金属-氧化物-半导体场效应管的物理基础，这部分内容与前面的知识关联不太大，只依赖与半导体材料的性质和pn结的特性。所以，即使你是以前并没有接触过半导体知识的初学者，只要用心学习，也是不难理解的。 MOSFET是金属-氧化物-半导体场效应晶体管的简称。我们知道，MOSFET是当今集成电路设计的核心，可见学习MOSFET的重要性。其中，MOSFET的核心部分是一个称为MOS电容的金属-氧化物-半导体的结构。在本章中，我们首先阐述各种类型的MOSFET，并定性的讨论其电流-电压特性；然后将详细分析这种特性的理论来源以及数学推导过程；此外还将讨论MOSFET的频率特性。 11.1MOS电容 MOS结构的物理性质可以借助比较容易理解的平行板电容器加以说明。下图是MOS电容的结构。其中d是氧化层的厚度，金属栅极的材料是Al，氧化层的材料是二氧化硅，衬底是晶体硅。通常情况下，Si基板接地，对于p 型衬底的MOS管，当金属栅极加上正电压时，称为正偏；而金属栅极加上负电压时称为反偏。当上面的金属栅被施加一个负电压，负电荷出现在上面的金属板上，半导体内产生一个电场，多为多子的空穴被推向半导体-氧化物表面，形

半导体物理与器件公式以及参数

半导体物理与器件公式以及参数 SI材料的禁带宽度为：1.12ev. 硅材料的 Ge材料的 GaAs材料的介电弛豫时间函数：瞬间给半导体某一表面增加某种载流子，最终达到电中性的时间，，其中，最终通过证明这个时间与普通载流子的寿命时间相比十分的短暂，由此就可以证明准电中性的条件。热平衡状态下半导体的费米能级，本征半导体的费米能级，重新定义的是存在过剩载流子时的准费米能级。准费米能级：半导体中存在过剩载流子，则半导体就不会处于热平衡状态，费米能级就会发生变化，定义准费米能级。用这两组公式求解问题。通过计算可知，电子的准费米能级高于，空穴的准费米能级低于，对于多子来讲，由于载流子浓度变化不大，所以准费米能级基本靠近热平衡态下的费米能级，但是对于少子来讲，少子浓度发生了很大的变化，所以费米能级有相对比较大的变化，由于注入过剩载流子，所以导致各自的准费米能级都靠近各自的价带。

过剩载流子的寿命：半导体材料：半导体材料多是单晶材料，单晶材料的电学特性不仅和化学组成相关而且还与原子排列有关系。半导体基本分为两类，元素半导体材料和化合物半导体材料。 GaAs主要用于光学器件或者是高速器件。固体的类型：无定型（个别原子或分子尺度内有序）、单晶（许多原子或分子的尺度上有序）、多晶（整个范围内都有很好的周期性），单晶的区域成为晶粒，晶界将各个晶粒分开，并且晶界会导致半导体材料的电学特性衰退。空间晶格：晶格是指晶体中这种原子的周期性排列，晶胞就是可以复制出整个晶体的一小部分晶体，晶胞的结构可能会有很多种。原胞就是可以通过重复排列形成晶体的最小晶胞。三维晶体中每一个等效的格点都可以采用矢量表示为，其中矢量，，称为晶格常数。晶体中三种结构，简立方、体心立方、面心立方。原子体密度每晶胞的原子数每晶胞的体积米勒指数，对所在平面的截距取倒数在进行通分，所有平行平面的米

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