半导体物理学知识重点总结

半導魅物理知谶點總結附重要名詞解釋第一章半导体电子状态1.1半导体通常是指导电能力介于导体和绝壕体之间的材料，其导带在绝对字度时全空，价带全满，禁带寬度较绝壕体 的小许多.1.2能带 晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。这些 区间在能级图中表现为带状，称之为能带。1.2能带论是半导体物理的理论基础，试简要说明能带论所采用的理论方法。答：能带论在以下两个重要近似基础上，给出晶体的势场分布，进而给出电子的薛定鄂方程。通过该方程和周期性 边界条件最终给出Ek关系，从而系统地建立起该理论。单电子近似：将甜体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑，这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的 多体问題简化为单体问題。绝热近似：近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换，而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。1. 金刚石1）结构特点：a.由同类原子纽成的复式晶格。其复式晶格是由两个面心立方的子晶格彼此沿幷空间対角线位移1/4的长度形成 b属面心晶系，具立方对称性，共价键结合四面体。c.配位数为4,较低，较稳定。（配位数：最近邻原子数）d 个晶体学晶胞内有4+8*1/8+6*1/2=8个原子。2）代表性半导体：IV族的C, Si, Ge等元素半导体大多属于这种结构。2. 闪锌矿1）结构特点：a 共价性占优势，立方对称性：b 晶胞结构类似于金刚石结构,但为双原子复式晶格：c.属共价键品体，但有不同的离子性。2）代衣性半导体：GaAs等三五族元素化合物均属于此种结构。3电子共有化运动：原子结合为晶体时，轨道交叠。外层轨道交叠程度较大，电子可从一个原子运动到另一原子中，因而电子可在 整个晶体中运动，称为电子的共有化i2血4布洛赫波：久仪）=1上（狗占晶体中电子运动蹩闵選总（x+na），K为波欠'uk（x）为一个与晶格同周期的周期性5布里渊区：禁带出现在kn/2a处，即在布里渊区边界上；允带出现在以下几个区：第一布里渊区一 l/2a<k<l/2a （简约布里渊区）第二布里渊区：l/a<kvl/2a,l/2a<k<l/aE（k）也是k的周期函数，周期为1/a,即E（k>E（k+n/a）t能帯愈宽，共右化运动就更强烈。（.2导带与价带13有效质量有效质童是在描迩晶体屮載流于运动时引进的物理童。它概括了周期性势场对載.流子运动的潔响，从而使外场 力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。其大小由甜体自身的Ek关系决定。(.4本征半导体既无杂质有无缺陷的理想半导体材料。1.4空穴空穴是为处理价带电子导电问題而引进的概念。设想价带中的每个空电子状态带有一个正的基本电荷， 并賦予其与电子符号相反、大小相等的有效质量，这样就引进了一个假想的粒子，称其为空穴。它引起的假想电流 正好等于价带中的电子电流。1.4空穴是如何引入的，其导电的实质是什么？答：空穴是为处理价带电子导电问題而引进的概念。设想价带中的每个空电子状态带有一个正的基本电荷，并赋予 其与电子符号相反、大小相等的有效质量，这样就引进了一个假想的粒子，称其为空穴。这样引入的空穴，其产生的电流正好等于能带中其它电子的电流。所以空穴导电的实质是能带中其它电子的字 电作用，而事实上这种粒子是不存在的。1.5半导体的回旋共振现象是怎样发生的(以n型半导体为例)首先将半导体置于匀强饌场中。一般n型半导体中大多数导带电子位于导带底附近，对于特定的能谷而言，这 些电子的有效质量相近，所以无论这些电子的热运动速度如何，它们在磺场作用下做回旋运动的频率近似相等。当 用电備波辐照该半导体时，如若频率与电子的回旋运动频率柿等，則半导体对电鼐波的吸收非常显著，通过调节电 磁波的频李可观测到共娠吸败峰。这就是回旋共振的机理。1.5简要说明回就共振现象是如何发生的.图1-21电于在恒定強场中的运动半导体样品置于均匀恒定磁场，晶体中电子在触场作用下运动/与直夹角&f = -qvx B|f|= qB sin 0 = qv±B运动轨迹为螺旋线，圆周半径为r,回旋频率为 a)cv丄= ra> juj心加速度a = v/r1心 Y? " = qv±B => n： = qBr lvL=>= qB/ni当晶体受到电礁波辐射时.在频率为如便观测到共扌辰吸收現象。1.6直接带隙材料如果晶体材料的导带底和价带顶在k空间处于相同的位置，則本征跃迁属直接跃迂，这样的材料即是所谓的直 接带隙材料。1.6间接带隙材料如果半导体的导带底与价带顶在k空间中处于不同位置，则价带顶的电子吸收能董刚好达到导带底时准动量还 需要相应的变化第二章半导体杂质和缺陷能级2.1施主杂质受主杂质某种杂质取代半导体晶格原子后，在和周围原子形成饱和键结构时，若尚有一多余价电子，且该电子受杂质東 缚很貓、电离能很小，所以该杂质极易提供导电电子，因此称这种杂质为施主杂质；反之，在形成饱和键时缺少一 个电子，則该杂质极易接受一个价带中的电子、提供导电空穴，因此称其为受主杂质。2.1替位式杂质杂质原子进入半导体硅以后，杂质原子取代晶格原子而位于晶格点、处，称为替位式杂质。形成替位式杂质的条件：杂质原子大小与晶格原子大小相近2.1间隙式杂质杂质原子进入半导体硅以后，杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称为间隙式杂质。形成间隙式杂质的条件：(1) 杂质原子大小比较小(2) 鼎格中存在校大空隙形成间隙式杂质的成因半导体晶胞内除了晶格原子以为还存在着大量空隙，而间隙式杂质就可以存在在这些空隙中。2.1杂质对半导体造成的彩响杂质的出现，使得半导体中产生了局郃的附加势场，这使严格的周期性势场道到破坏。从能带的角度来讲，杂质可 导致导带、价带或禁带中产生了原来没有的能级2.1杂质补偿在半导体中同时存在施主和受主时，施主能级上的电子由于能量高于受主能级，因而首先跃迁到受主能级上， 从而使它们提供载流子的能力抵消，这种效应即为杂质补偿。2.1杂质电离能杂质电离能是杂质电离所需的最少能量，施主型杂质的电离能等于导带底与杂质能级之差，受主型杂质的电离 能等于杂质能级与价带顶之差。2.1施主能级及其特征施主未电离时，在饱和共价键外还有一个电子被施主杂质所東缚，该束缚态所对应的能级称为施主能级。特征： 施主杂质电离，导带中出现施主提供的导电电子： 电子浓度大于空穴浓度，即 n > p。2.1受主能级及其特征受主杂质电离后所接受的电子被束缚在原来的空状态上，该東缚态所对应的能级称为受主能级。特征： 受主杂质电离，价带中出现受主提供的导电空穴： 空穴浓度大于电子浓度，即 p > n o浅能级杂质的作用：(1) 改变半导体的电阻率(2) 决定半导体的导电类型。深能级杂质的特点和作用：(1) 不容易电离，对栽流子浓度影响不大(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，使少数栽流子寿命降低。(4) 深能级杂质电禺后成为带电屮心，对栽流于起散射作用，使载流子迂移率减少，导电性能下降。第三章半导体載流子分布半爭髓物理知谶點總結附亶要名詞解釋3.1.若半导体导带底附近的等能面在k空间是中心位于原点的球面，证明导带底状态密度函数的表达式为 gc (E) = 4nV feJ- (E- E J?答案:k空间中，量子态密度是2V,所以，在能量E到E+dE之间的量子态数为(1)dZ = 2Vx4zk2dk根据題意可知(2)由(1). (2)两式可得dZ = 4；zV 蝕 J(E - Ec)1,2dE(3)由(3)式可得状态密度函数的表达式gc (E) = = 4丹,)(E - Ec)1/2dEh(4分)3.1已矩半导体导带底的状态密度函数的表达式为gc (E) = 42叫丿(e 一 e严 h试证明非简并半导体导带中电子浓度为 = 2卩加几h3Ec-Ef证明：对于非简并半导体导由于dN= fB(E)gc(E)dE(3分)将分布函数和状态密度函数的表达式代入上式得e-efexpI koT 丿因此电子浓度微分表达式为dN = 4Wu3(E-Ec /2dEVh3E-Ef koT ?(E-Ec 严 dE(3分)半爭髓物理知谶點總結附亶要名詞解釋半爭髓物理知谶點總結附亶要名詞解釋(4分)(E-Ec 严dEE-Ef切丿由于导带顶电子分布几率可近似为容，上式积分上限可视为无穷大.剋枳分可得110-2 1?3.2费米能级费米能级不一定是系统中的一个真正的能级，它是费米分布函數中的一个参量，具有能量的单位，所以被称为 费米能级。它标志着系统的电子填充水平，其大小等于增加或减少一个电子系统自由能的变化量。3.2以施主杂质电离90%作为孩电离的标准，求播冲的n型硅在300K时，預电离区的摻杂浓度上限.(AEd = 0.049eV , Nc = 2.8xl019cm*3,=1.5 xl010cm"3 ffD (E)=1 f E -E1+2CXP k0TF半爭髓物理知谶點總結附亶要名詞解釋解：随着搏杂浓度的增高，杂质的电离度下降。因此，百分之九十电离时对应的搀杂浓度就是强电离区搀杂浓度的 上限。此时nD+ = l-fD(E)ND =l + 2expEd-Ef、k0T J= 0.9Nd半爭髓物理知谶點總結附亶要名詞解釋半爭髓物理知谶點總結附亶要名詞解釋由此解得 Eo-Ef=0. 075eV,而 Ec-EfO. 049eV,所以 EC-EF=O. 124eV,则冲Ef_Ec =2.38xl017air3 = 0.9ND由此得，强电离区的上限搀杂浓度为2.6xl017an_3eI k0T >3.2以受主杂用电离90%作为企电离的标准.求摻碍的p型硅在300K时.冬电离区的搏杂浓度上限。(AEa =0.045 eV, Nc =l.lxl019an3,= 1.5 xlOlocm-3,VE) =1半爭髓物理知谶點總結附亶要名詞解釋半爭髓物理知谶點總結附亶要名詞解釋解：随着摻杂浓度的增高，杂质的电离度下降。因此，百分之九十电离时对应的摻杂浓度就是强电离区搀杂浓度的上限。此时Pa' = i-Wna =半導魅物理知激點總結附重要名詞解釋由此解得 Ef-Ea=O. 075eV,而 Ea-EfO. 045eV,所以 Ef-EfO. 12eV,则p0 = Nv exp _ =l.lxlO17 an-3 = 0.9NA由此得，強电离区的上限搀杂浓度为1.2xlO17an-3。3.6简并半导体当费米能级位于禁带之中且远离价带顶和导带底时，电子和空穴浓度均不很高，处埋它们分布问題时可不考虑 包利原理的约束，因此可用波尔兹曼分布代替费米分布来处理在流子浓度问題，这样的半导体被称为非简并半导体。 反之则只能用非米分布来处理栽流子浓度问趣，这种半导体为简并半导体。第四章半导体导电性4.1漂移运动：栽流子在外电场作用下的定向运动。4.1迁移率单位电场作用下载流子的平均漂移速率。4.2散射在晶体中运动的载流子遇到或接近周期性势场遭到破坏的区域时，其状态会发生不同程度的随机性改变，这冲 现象就是所谓的散射。4.2散射几率在晶体中运动的載流子遇到或接近周期性势场遭到破坏的区域时，其状态会发生不同程度的随机性改变，这冲 现象就是所谓的散射。散射的强弱用一个戏流子在单位时间内发生散射的次数来表示，称为散射几率。4.2平均自由程两次散射之间栽流子自由运动路程的平均值。4.2平均自由时间：连续两次散射间自由运动的平均运动时间4. 3.迁移半与杂质浓度和温度的关系答案：一般可以认为半导体中我流子的迁移率主要由声学波散射和电力杂质散射决定，因此迁移率k与电离杂质浓 度N和温度间的关系可表为R AT372 + BNT-373其中A、B是常量。由此可见(1) 杂质浓度较小时，k随T的增加而减小；(2) 杂质浓度校大时，低温时以电离杂质散射为主、上式中的B项足主要作用，所以k随T增加而增加，高温 时以声学波散射为主、A项起主要作用，k随T增加而减小：(3) 温度不变时，k随杂质浓度的增加而减小。4.3以n型硅为例，简要说明迁移率与杂质浓度和温度的关系.杂质浓度升高，散射增强，迂移率减小。杂质浓度一定条件下：低温时，以电离杂质散射为主。温度升高散射减弱，迁移率增大。随着温度的增加，晶格娠动散射逐渐增強最终成为主导因素，因此，迁移率达到最大值后开始随温度升高而减 小。4.3在只考虑声学波和电离杂质散射的前提下，给出半导体迁移率与温度及杂质浓度关系的表达式.根据“8T%/M：/5 ocT-可得丄=ANT-372 + BT372其中A和B是常数。4.4以n型半导体为例说明电阻率和温度的关系.答：低温时，温度升高栽流子浓度呈指數上升，且电离杂质散射呈密函数下降，因此电阻率随温度升高而下降：当 半导体处于強电离情况时，我流子浓度基本不变，晶格震动散射逐渐取代电离杂质散射成为主要的散射机构，因此 电阻率随温度由下降逐渐变为上升；高温时，虽然晶格笈动使电阻率升高，但半导体逐渐进入本征状态使电阻率随 温度升高而迅速下降，最终总体表现为下降。4.4室溫下，在本征硅单晶中摻入浓度为10,5cm_,的杂质硼后，再在其中摻入浓度为3X10,5cm's的杂质确。试求：(1) 載流子浓度和电导率。(2) 费米能级的位暨。(注：电离杂质浓度分别为10,5cm 3 X10'cm-3.4X10'5cm3和时，电子迁移率分别为1300.1130和1000cm2/V. s, 空穴迁移率分别为 500、445 和 400cm7V. s:在 300K 的温慶下，kgT = 0.026eV , Nc = 0.0xl019an-3 ,Nv =0.0xl019air3, nx = 1.5 xlOloair3)09答案：室温下，该半导体处于强电离区，则多子浓度% = (3-l)xlO15 = 2xlO15air3少子浓度 p0 =ni2/u0 = 1.125xlO5cm3 ；(电导率=1.6xl0_19xl000x2xl015 = 0.32/Qaii (2 分)“E E、(2)根据n。= nx exp Ll £丁 >可得 Ef - Ex = 0.31eV所以费米能级位于禁带中心之上0. 31 eV的位置。4. 6强电场效应实验发现，当电场增强到一定程度后，半导体的电流密度不再与电场强度成正比，偏离了欧姆定律，场强进一步增 加时，平均漂移速度会趋于饱和，强电场引起的这种现象称为强电场效应。4. 6载流子有效濃度Tex当有电场存在时，载流子的平均动能比热平衡时高，相当于更高温度下的截流子，称此温度为我流子有效温度。4.6热載流子：在强电场请况下，载流子从电场中获得的能量很多，栽流子的平均能量大于晶格系统的能量，将这种不再处于热平 衡状态的栽流子称为热栽流子。第五章非平衡載流子5.1非平衡栽流子注入：产生非平衡栽流子的过程称为非平衡栽流子的注入。5.1非平衡載流子的复合：复合是指导带中的电子放出能量跃迂回价带，使导带电子与价带空穴成对消失的过程。非平衡我流子逐渐消失的i± 程称为非平衡截流子的复合，是被热激发补偿后的净复合。5.2少子寿命(非平衡载流子寿命)非平衡栽流子的平均生存时间。5.2室温下，在硅单晶中摻入1015cm-3的确,试确定仔与Ei间的相对位置。再将此摻杂后的样品通过光照均匀产生 非平衡載流子，锂定时AN=AP=1012cm'3,试确定EPf与Ef的相对位置；去掉光照后20 p s时，测得少子浓度为5X lOcm-3,求少子寿命S为多少.(亶温下硅的本枉載流子浓度为1.5X1010cm koT=0. 026eV)5.3准费来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c但就它们各自能带内部而言，由于能级非常密集、 跃迁非常频繁，往往瞬间就会使其电子分布与相应的热平衡分布相接近，因此可用局部的费耒分布来分别描述它们 各自的电子分布。这样就引进了局部的非采能级，称其为准费耒能级。5.4直揍跃迁准动量基本不变的本征跃迁，跃迂过程中没有声子参与。5.4.直接复合导带中的电子不通过任何禁带中的能级直接与价带中的空穴发生的复合5.4间接复合：杂质或缺陷可在禁带中引入能级，通过禁带中能级发生的复合被称作间接复合。柿应的杂质或缺陷被称为复合中心。 5.4表面复合：在表面区域，非平衡栽流子主要通过半导体表面的杂质和表面甘有的缺陷在禁带中形成的复合中心能级进荷的夏 合。5.4表面电子能级：表面吸附的杂质或其它损伤形成的缺陷态，它们在表面处的禁带中形成的电子能级，也称为表面能级。5.4俄歌复合：栽流子从高能级向低能级跃迁，发生电子空穴复合时，把多余的能量付给另一个截流子，使这个栽流子就激发到 能量更高的能级上去，当它重新跃迂回低能级时，多余的能量常以声子形式放出，这种复合称为俄欷复合。俄歌复合包括：带间俄歌复合以及与 杂质和缺陷有关的俄歌复合.5.4试推证：对于只含一种复合中心的间接带隙半导体晶体材料，在穩定条件下非平衡載流子的净复合率公式 v_ NjjJnp-n,2)rn(n+ni)+rp(P+ Pl)答案：題中所述请况，主要是间接复合足作用，包含以下四个过程。甲：电子俘获率=rn (N-nJ乙：电子产生率二r“mntm二mexp(Et-Ei)/koT)丙：空穴俘荻率=rBpntT:空穴产生率=rBpi (Nt-nt) pi=n,exp(ErEJ/koT)稳定情况下净复合率U二甲-乙二丙-丁(1)稳定时甲+丁二丙+乙将四个过程的表达式代入上式解得半爭髓物理知谶點總結附亶要名詞解釋半爭髓物理知谶點總結附亶要名詞解釋(2)(3)nt = Ntln(n + lll) + lp(P+Pl)将四个过程的表达式和(2)式代入(1)式整理得U_ Njp(iip-niP) Tn(n + nJ + ip(p + pJ由和m的表达式可知p ni=nj2代入上式可得TT_ Nrjnp-iii2)2 4 + 111)+#+pj(2分)5.4试推导直接复合情况下非平衡載流子复合率公式. 答案：在直接复合情况下，复合率R = nip非简并条件下产生率可视为常数，热平衡时产生率G=po = rnoPo = riV(2分)因此净复合率Ud = R-G = r(np -12)(2分)5.4已知宣温下.某n型硅样品的费米能级位于本征费米能级之上0.35eV,假设播入复合中心的能级位置刚好与 本征费来能级重合，且少子寿命为10徴秒。如果由于外界作用，少數截流子被全部清除，那么在这种情况下电子- 空穴对的产生率是多大？Nfrnrnlnp -n J(注：复今中心引超的净复合率U =(1 n 7/ ；在300K的温度下，koT- 0.026eV ,rn(n + n1)+rp(p+ pjnx =1.5xlOloair3)答案：根据公式可得iio = 1.05 X1016 air3根据题意可知产生率GU N*(np：“)卫二X-lxlO仏 rn(ii + nj+rp(p+ pjn05.5陷阱效应当半导体的非平衡載流子浓度发生变化时，禁带中杂质或缺陷能级上的电子浓度也会发生变化.若增加说明该能级有收容电子的作用，反之有收容空穴的作用，这种容纳非平衡栽流子的作用称为陷阱效应。5.5陷阱中心当半导体的非平衡我流子浓度发生变化时，禁带中杂质或缺陷能级上的电子浓度也会发生变化，若增加说明该 能级有收容电子的作用，反之有收容空穴的作用，这种容纳非平衡载流子的作用称为陷阱效应。具有显著陷阱效应 的杂质或缺陷称为陷阱中心。5.6扩散：由于浓度不均匀而导致的微观粒子从高浓度处向低浓度处逐渐运动的过程。5. 6漂移运动：我流子在外电场作用下的定向运动。GoOoeoGoe<>eoGo©o GO eo eo e<>eoeoeoeoeo eoGo5.7证明爱因斯坦关系式：D半爭髓物理知谶點總結附亶要名詞解釋半爭髓物理知谶點總結附亶要名詞解釋建立坐标系如图.由于搏杂不均，空穴扩散产生的电场如图所示，空穴电流如下:h = WpPo(x)|E|Er + qV(x)-EFK0T(10)半爭髓物理知谶點總結附亶要名詞解釋半爭髓物理知谶點總結附亶要名詞解釋5.8以空穴为例推孚其运动规律的连埃性方程。根据物质不灭定律：空穴浓度的变化率=扩散积累率+迂移积累率+其它产生率一非平衡载流子复合率半導魅物理知谶點總結附重要名詞解釋扩散积累率:%dx=Dpdx2迁移积累率:叫d 处 P|E|dxdx净复合率:其它因素的产生率用 表示，则可得空穴的连续性方程如下:宀器如E|驚心普U_如r5.8已知半无限大硅单晶300K时本枉載流子浓度儿=1.5xlOloan_3,播入浓度为10,5cm-3的受主杂质，(1) 求其栽流子浓度和电导率。(2) 再在其中搀入浓度为10,5cm-3的金，并由边界稳定注入非平衡电子浓度为(A14 =1010an3,如果晶体中的 电场可以忽略，求边界处电子扩散电流密度。注：电离杂质浓度分别为10'cm-3和2X10,5cm3时，电子迁移率分别为1300和1200cm2/V. s,空穴迂移率分别 为 500 和450cm2/V. s; rn=6. 3X 10 cm7s: rp=1. 15X10_7cm7s: q = 1.6xlO'19C ;在 300K 的温度下，= 0.026eV 08 10答：(1) 此温度条件下，该半导体处于强电离区，则多子浓度p0 =1.5x1010an-3少子浓度 = 12 / p0 =1.52 xlO5an-3 ； (3 分)电导率 b= qzzpp = 1.6 xl019 x5OO xlO15 =0.08/Qan(2) 此时扩散电流密度：J = qDu= q (An)0k V 6将Dn = U 与！ =：_代入上式：J =(&】)o :取电子迂移率为1200cm7v. s并将其它数据代qn心入上式,得电流密度为7. 09X 10'5A/cm2第七章金属半导体接触7.1功函数7.1接触电势基两种具有不同功函数的材料相接触后，由于两者的费米能级不同导致截流子的流动，从而在两者间形成电势差， 称该电势差为接触电势差。7.1电子亲和能导带底的电子摆脱束缚成为自由电子所需的最小能量。7. 2试用能级图定性解释肖特基势垒二极管的整流作用；答：以n型半导体形成的肖特基势垒为例，其各种偏压下的能带图如下若用m表示电子由半导体发射到金属形成的电流；用丁>表示电子由金厲发射到半导体形成的电流，则农 偏时丁一丁 5TIU 系统处于平衡状态，总电流为农。正僞时（金属接正电位）V>0,偏压与势垒电压反向，半导体一侧势垒高度下降，而金属一侧势垒高度不变，如Vq能带图所示。所以Jg,保持不变。非简并情况下，我流子浓度服从波氏分布，由此可得 J;raocexp 反偏时V<0,偏压与势垒电压同向，半导体一侧势垒高度上升，而金属一侧势垒高度仍不变，如能带图所示c 因此随V及向增大而减小，Jg,保持不变。Jxn很快趋近于零，所以反向电流很快趋近于饱和值丁心$。由 于4）ns较大，所以反向饱和电流较小。综上所述，说明了阻挡层具有整流作用，这就是肖特基势垒二极管的工作原理。7.3欧姆接触欧姆接触是指金属和半导体之间形成的接触电压很小，基本不改变半导体器件特性的非整流接触。第八章KIS姑构8.1裘面态 它是由表面因素引起的电子状态，这种表面因素通常是悬挂键、表面杂质或缺陷，表面态在表面处的 分布几率最大。81达姆表面杰表面态是由表面因素引足的电子状态，这种表面因素通常是悬挂键、表面杂质或缺陷，表面态在表面处的分布 几率最大。其中悬挂键所决定的表面太是达姆表面态8.2表面电场效应在半导体MIS结构的栅极施加柵压后，半导体表而的空间电荷区会随之发生变化，通过控制栅压可使半导体表 面呈现出不同的表面状态，这种现象就是所谓的表面电场效应。8.2利用耗尽层近似，推导出MIS结构中半导体空间电荷区徹分电容的表达式。根据耗尽层近似：p = -qNA则耗尽层内的伯松方程：型=空又cbr £肮结合边界条件：体內电势为零，体内电场为零。半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋# 半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋可得空间电荷层厚度的表达式为：xd =qna则由 Qs = -qNAXd可得ZAq%qzv,% = %店0Xa# 半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋当V,向负方向变化时，空间电荷层从平带状态变为多子堆枳状态,此时 |Q| 8 exp(_qVs)2中8.2以p型半导体形成的理想MIS结构为例，定性说明半导体空间电荷层电荷面密度Q随表面势也的变化规律, 并画出相应的Q-V关系曲线.答：相应的Q-y曲线如下图所示。对于P型半导体形成的理想MIS结构，当讥为零时半导体表而处于平带状态.此时空间电荷层在冋| VVkoT的范囤内可以认为是一个固定电容，即平带电容。因此|Q|sM# 半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋当Ov% <2Vb时，空间电荷层从平带状态变为耗尽和弱反型状态，此时可利用耗尽层近似来确定电荷与表而 势间的关系，因此|Q|oc(y3 y,2当M >2%时，空间电荷层从弱反型状态变成强反型因此电荷与表而势间的关系逐渐变为|Q| 8 e?qp8.3平带电压使半导体表面处于平带状态所加的栅电压。8.3开启电压使半导体空间电荷展处于皓界强反型时，在MIS结构上所加的栅压.在MIS结构中，当半导体表面处于临界强反型时，栅极与衬底间所加的电压为开启电压。8.3导出理想IIIS结构的开启电压随温度变化的表达式当表面势Vs等于2Vb时所对应的栅压为开右电压Vt,下面以P型半导体形成的MIS结构为例给出其表达式。 显然=%1咕弘+2%最大空间电荷层宽度q2NA在杂质全电离荷况下p0 = i exp= NaVB = TlnNA q 斗作为绝缘层电压、川_ Q _ 4NAXdm _ qN.X17 半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋# 半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋综合以上各式可得 J失吳三込11】比丫+ 2%工111汕 I g片丿 q 叫1 Eii1 = (NcNv)2exp-考虑到丄从而可得£与温度的关系为# 半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋# 半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋8.3用p型半导体形成的MOS结构进行高频C-V特性测试，测得该结构单位面积上的最大电容为最小电容为8八 开启电压为V“平带电压为V® 若忽略裹面态的彩响.画出述MOS绘构单位面积上的电容与橱压间的关系曲 线，并给出计算绝壕层厚度和摻杂浓度的方法。答案:2.银据最大电容可求出绝缘层厚度d°# 半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋根据最小电容可求出空间电荷层最小电容CmXVW由此可得最大空间电荷层厚度X嵌（4分）1+s mm这样就可根据耗尽层近似求出搀杂浓度NaXdxn,q%A I nJ19 半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋# 半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋8.3画出p型半导体形成的理想MIS结构的C-V转性曲线，并说明高頻情况与低頻情况的差别.09 10p型半导体形成的理想MIS结构特性曲线的C-V如下（7分）# 半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋# 半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋高频和低频情况的区别在于接近強反型时，低频情况空间电荷层电容迅速增加并趋近于尢穷大，而高频情况空 间电荷称电容则会保持在最小值上。前者是由于半导体表面处于強反型时，由于反型层中的电子浓度与表面势呈指 数关系，导致空间电荷层电容随表面势变化呈指数规律，即，Ca=cexp（qV72koT）o而C/Co=1/（1+Co/C,）,所以C-V 特性曲线在VAVr后迅速增加，最终趋近于1。（4分）高频时，由于没有少子产生与复合的时间，应此反型电子对电容没有贡献，只能通过空间电荷层的宽度变化来 承担表面势的变化，所以C,仍与空间电荷层宽度Xd成反比。弱反型时，Xd随表面势而增加。当Vg>Vt后，开始进入 强反型，Xd很快趙于饱和，所以曲线保持在最小值上。（4分）8.4 H0S结构中的固定电荷在M0S结构的SiO?层中套近Si表面大约20nm的范国内，存在一层不随偏压而移动的正电荷，一般认为其实质是过剩硅离子。京尔效应 将通有X方向电流的晶体置于Z方向的慈场中，则在洛仑備力作用下在y方向会产生附加电场，这种現 象被称为霍尔效应。霍尔角 在磁场作用下，半导体中的电流可能与电场不在同一方向上，两者间的夹角称为霍尔角。以P型半导体为例，简矣说明霍耳效应的形成机理.若半导体沿x方向通电流，z方向加饌场，则在y方向将产生横向电场，该现象称为霍耳效应产生的横向电场称为霍耳电场Ey,它与x方向电流密度Jx和z方向锂感应径度Bz成正比，比例系数成为霍耳 系数。是由于运动电荷受落仑兹力作用的结果。穩定条件下，横向电流为零，则$ +心=0由此可得：Ey = vxBz =21 半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋# 半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋显然，对于“：r6简并半导体&非简并半导体： 若费米能级进入了导带，说明n型杂质拶杂浓度很高（即ND很大）：也说明了丫带底附近的量弓 念本上被电 子所占据了。若费米能级进入了价带，说明P型杂质掺杂浓度很高（即NA很大）；也说明了价带顶附近的量子态基 本卜被空穴所占据了。此时要考虑泡利不相容原理，而玻尔兹曼分布不适用，必须用费米分布两数。这此情况称为 載流子的简并化。 发生裁流子简并化的、I'丫体称为简并'I' r体.0 <E? J 2kqTEc E« > 2k(>T简并化的标准hc-t?<-2k0T简并弱简并 非简并低掺杂 ©可能进入导帯底# 半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋# 半爭髓物理知谶點總結附重要名詞解釋董要名詞解釋# 1. 有效质量：粒子在晶体中运动时具仃的等效质量，它概括了半导体内部势场的作用。2. 费米能级：费米能级是T=0 K时电子系统中电子占据态和 未占据态的分界线，是T=0 K时系统中电子所能具宵的眾 高能量。3. 准费米能级：半导体处于非平衡态时，导带电子和价带空 穴不再有统一的费米能级，但可以认为它们各自达到平衡, 相应的费米能级称为电子和空穴的准费米能级。4. 金刚石型结构：金刚石结构是一种由相同原子构成的复式 晶体，它是由两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线彼 此位移四分之一空闾对角线长度套构而成。每个原子周闱 都有4个最近邻的原子，组成一个正四面体结构。5. 闪锌矿型结构：闪锌矿型结构的晶胞，它是由两类原子齐 自组成的面心立方晶格，沿空间对角线彼此位移四分之一 空间对角线长度套构而成。6. N型半导体：在纯浄的硅晶体中掺入五价尤素（如磷），使 之取代晶格中硅原子的位置，就形成了 N型半导体。7. P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼）. 使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。8. 状态密度：在能带中能肛附近每单位能量间隔内的量子 态数9. 费米分布函数：人最电子在不同能最最子态匕的统计分 布10. 非平衡栽流子：半导体处丁非平衡态时，比平衡态时多出 来的那一部分载流子称为非平衡载流子。ApMn 直接复合：电子从导带直接跃迁至价带与空穴相遇而复合。12.间接复合：电子通过禁带中的能级而跃迁至价带与空穴 相遇而复合。13施主能级:通过施主掺杂在半导体的禁带中形成缺陷能级, 被子施主杂质束缚的电子能最状态称施主能级。14受主能级：通过受主掺杂在半导体的禁帯中形成缺陷能 级。正常情况下，此能级为空穴所占据，这个彼受主杂 质束缚的空穴的能彊状态称为受主能级。15. 陷阱中心:半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能 级，这些能级具有收容部分非平衡载流子的作用，杂质能 级的这种积累非平衡载流子的作用称为陷阱效应。把产生 显著陷阱效应的杂质和缺陷称为陷阱中心。16. 复合中心：半导体中的杂质和缺陷可以在禁带中形成一定 的能级，对非平衡我流子的寿命有很人影响。杂质和缺陷 越多，寿命越短，杂质和缺陷有促进复介的作用，把促进 复合的杂质和缺陷称为复合中心。（2分）17等电子复合中心：等电子复合中心：在111一 V族化合物半 导体中掺入一定量的与主原子等价的某种杂质原子，取代 格点上的原子。由于杂质原子和主原子之间电负性的差别, 中性杂质原子可以束缚电子或空穴而成为带电中心，带电 中心会吸引和被束缚载流子符号相反的我流子，形成一个 激子束缚态。18迁移率：单位电场作用下，载流子获得的平均定向运动 速度，反映了我流子在电场作用下的输运能力，是半导体物 理中重要的概念和参数之一。迁移率的表达式为：U=qx /m*。可见，有效质量和她豫时间（散射）是影响迁移率的 因素。19漂移运动：我流子在电场作用下的运动。总漂移电流密度方程 J=Jn+Jp=（皿 + P 钦 p）E20扩散运动；当半导体内邮的我流子存在浓度梯度时，引 起我流子由浓度高的地方向浓度低的地方扩散，扩散运动是J _ D dn我流子的有规则运动。电子扩散电流= “ n冠T _ D dp空穴扩散电流""q卩嬴21. 简并半导体：对于碗掺杂半导体，费米能级接近或进入导 带或价带，导带/价带中的載流子浓度很高，泡利不相容原理起作用，电子和空穴分布不再满足玻耳眩曼分 布，需要采用费米分布函数描述。称此类半导体为简并半导体。满足的条件为EC -Ef< 3佥厂或I纬-£f|< 3kT22. 非简并半导体：掺杂浓度较低，其费米能级EF在禁带中 的半导体:半导体中载流子分布可由经典的玻尔慈曼分 布代替费米分布描述时，称之为非简并半导体23迁移率：单位电场作用下，我流子获得的平均定向运动速 度，反映了载流子在电场作用下的输运能力，是半导体物 理中重要的概念和参数之一。迁移率的农达式为：U=qT /m*。可见,有效质量和弛豫时间（散射）是影响迁移率 的因素。4、俄歇复合电子与空穴复合的方式之一，属非辐射复合，其中没有光子 的发射。我流子从高能级向低能级跃迁，发生导带电子9价带空穴复 合时，不是通过辐射光子或声子的方式释放能最，而是通过碰播将多余的能最传递给另一个 我流子，使这个我流子被激发到能量更高的能级上去。然后，获得高能的載流子通过9晶格的连 续散射方式（不断放出声子）逐渐释放其校高动能的过程。帯间俄歇复合在窄禁带半导体中及高温情况卜起着重要作用，而与杂质和缺陷有关的俄歇复合过程，则常常是影响半导体发光器件发光效率的毛要原因。1、迁移率参考答案：单位电场作用下，载流子获得的平均定向运动速度，反映了 载流子在电场作用下的输运能力，是半导体物理中巫要的概念和参数之一。迁移率的表达式为:' m 可见，有效质量和弛豫时间（散射）是影响迁移率的因素。