半導(dǎo)體物理復(fù)習(xí)梳理

第一章填空題：寫出三種立方單胞的名稱：簡立方，體心立方，面心立方；這三種單胞中所含的原子數(shù)分別是1，2，4在四面體結(jié)構(gòu)的共價(jià)晶體中，四個(gè)共價(jià)鍵是以s態(tài)和p態(tài)波函數(shù)的線性組合為基礎(chǔ)，構(gòu)成了所謂的“雜化軌道”。金剛石型結(jié)構(gòu)的結(jié)晶學(xué)原胞是立方對稱的晶胞。閃鋅礦結(jié)構(gòu)的Ⅲ-Ⅴ族化合物和金剛石型結(jié)構(gòu)一樣，都是由兩個(gè)面心立方晶格套構(gòu)而成的，稱這種晶格為雙原子復(fù)式格子。纖鋅礦型結(jié)構(gòu)和閃鋅型結(jié)構(gòu)相接近，它也是以正四面體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)成的，但是它具有六方對稱性。內(nèi)殼層的電子，軌道交疊少，共有化運(yùn)動(dòng)弱，可忽略。外層的價(jià)電子，軌道交疊多，共有化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，能級(jí)分裂大，被視為“準(zhǔn)自由電子”。原來簡并的N個(gè)原子的s能級(jí)，結(jié)合成晶體后分裂為N個(gè)十分靠近的能級(jí)，形成能帶(允帶)，因N值極大，能帶被視為“準(zhǔn)連續(xù)的”。Si、Ge具有一般晶體的共性，又有其特殊性：其能級(jí)分裂成能帶時(shí)，存在軌道雜化。如圖，當(dāng)時(shí)，形成穩(wěn)定晶體，上下兩帶的狀態(tài)數(shù)（各4N個(gè)）不變,根據(jù)能量最小原理，低溫下，下帶填4N個(gè)價(jià)電子是滿的，稱為滿帶或價(jià)帶；而上帶4N個(gè)狀態(tài)無電子是空的，稱為導(dǎo)帶；中間隔以禁帶。在周期性勢場內(nèi)，電子的平均速度v可表示為波包的群速度。在能帶極值附近的電子速度為：半導(dǎo)體中電子在外加電場作用下，電子的加速度為：半導(dǎo)體中除了導(dǎo)帶上電子導(dǎo)電作用外，價(jià)帶中還有空穴的導(dǎo)電作用。對本征半導(dǎo)體，導(dǎo)帶中出現(xiàn)多少電子，價(jià)帶中相應(yīng)地就出現(xiàn)多少空穴，導(dǎo)帶上電子參與導(dǎo)電，價(jià)帶上空穴也參與導(dǎo)電，這就是本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)。當(dāng)磁場不變時(shí)，加高頻電場垂直磁場，當(dāng)電場頻率=時(shí)，可觀察到吸收峰，吸收峰的個(gè)數(shù)等于有效質(zhì)量的個(gè)數(shù)。為了觀察到明顯的共振吸收峰,要求半導(dǎo)體樣品比較純凈,而且一般是在低溫下進(jìn)行。右圖為GaAs的能帶結(jié)構(gòu)。T下降，電子共有化運(yùn)動(dòng)程度變?nèi)?，能?jí)分裂程度低（Eg增大）,能帶變窄，有效質(zhì)量增大。簡答題簡化能帶圖，指出各符號(hào)意義。畫出Si原子結(jié)構(gòu)圖（畫出s態(tài)和p態(tài)并注明該能級(jí)層上的電子數(shù)）有效質(zhì)量的意義概括了半導(dǎo)體內(nèi)部勢場作用，外力F與晶體中電子的加速度就通過mn*聯(lián)系了起來而不必再涉及內(nèi)部勢場?？梢灾苯佑蓪?shí)驗(yàn)測定，因此可以很方便地解決電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。半導(dǎo)體中的電子受力與自由電子受力有何不同？如何才能把半導(dǎo)體中的電子看成自由電子那樣處理？半導(dǎo)體中電子的有效質(zhì)量是各向異性的，這句話的意思是什么？計(jì)算題半導(dǎo)體材料禁帶寬2.42eV，用光激發(fā)其導(dǎo)電,計(jì)算光波的最大波長。解解課本P43第一題第二章填空題：雜質(zhì)原子位于晶格原子間的間隙位置，該雜質(zhì)稱為間隙式雜質(zhì)。雜質(zhì)原子取代晶格原子而位于晶格點(diǎn)處，該雜質(zhì)稱為替位式雜質(zhì)。Ⅴ族雜質(zhì)能夠施放（提供）導(dǎo)帶電子被稱為施主雜質(zhì)或n型雜質(zhì)。將施主束縛電子的能量狀態(tài)稱為施主能級(jí)記為，施主雜質(zhì)施放電子的過程稱為施主電離。Ⅲ族雜質(zhì)能夠接受電子被稱為受主雜質(zhì)或P型雜質(zhì)。將受主束縛電子的能量狀態(tài)稱為受主能級(jí)記為，受主雜質(zhì)獲得電子的過程稱為受主電離。Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中分別為受主和施主雜質(zhì)，它們在禁帶中引入了能級(jí)；受主能級(jí)比價(jià)帶頂高，施主能級(jí)比導(dǎo)帶底低，均為淺能級(jí)，這兩種雜質(zhì)稱為淺能級(jí)雜質(zhì)。雜質(zhì)處于兩種狀態(tài)：中性態(tài)和離化態(tài)時(shí)，施主雜質(zhì)向?qū)峁╇娮映蔀檎娮又行?；受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為負(fù)電子中心。氫原子玻爾軌道半徑為?，根據(jù)雜質(zhì)類氫模型將代替，以代替，可得雜質(zhì)等效玻爾半徑同時(shí)摻入P型和n型兩種雜質(zhì)，它們會(huì)相互抵消。若>,則為n型半導(dǎo)體，n=-；反之為P型，p=-。凈雜質(zhì)濃度稱之為有效雜質(zhì)濃度非Ⅲ、Ⅴ族元素在Si、Ge禁帶中產(chǎn)生的施主能級(jí)距導(dǎo)帶底Ec較遠(yuǎn)，產(chǎn)生的受主能級(jí)距價(jià)帶頂Ev較遠(yuǎn)，這種雜質(zhì)能級(jí)稱為深能級(jí)，對應(yīng)的雜質(zhì)稱為深能級(jí)雜質(zhì)。一個(gè)深能級(jí)雜質(zhì)能產(chǎn)生多個(gè)雜質(zhì)能級(jí)。因溫度導(dǎo)致了原子的熱振動(dòng)，造成了原子離開原有位置，形成空位，即晶格中出現(xiàn)了缺陷，稱之為點(diǎn)缺陷或熱缺陷。當(dāng)原子脫離晶格到達(dá)表面時(shí)，為肖特基缺陷或空位缺陷；而當(dāng)原子進(jìn)入間隙位置時(shí)，為弗侖克爾缺陷或間隙原子缺陷。點(diǎn)缺陷主要有兩種表現(xiàn)形式：肖特基缺陷、弗侖克爾缺陷。肖特基缺陷：只存在空位而無間隙原子；弗侖克爾缺陷：間隙原子和空位成對出現(xiàn)。Si、Ge中，空位缺陷表現(xiàn)出受主的作用；間隙缺陷表現(xiàn)為施主的作用?；衔锇雽?dǎo)體的缺陷：間隙原子、正離子空位和負(fù)離子空位、替位原子最著名的位錯(cuò)是刃位錯(cuò)或稱棱位錯(cuò)，從原子排列的狀況看如同垂直于滑移面插進(jìn)了一層原子判斷題1、Ⅲ、Ⅴ族雜質(zhì)在Si、Ge晶體中為深能級(jí)雜質(zhì)。（×）2、受主雜質(zhì)向價(jià)帶提供空穴成為正電中心。（×）3、硅晶體結(jié)構(gòu)是金剛石結(jié)構(gòu)，每個(gè)晶胞中含8個(gè)原子（√）。4、空位表現(xiàn)為受主作用，間隙原子表現(xiàn)為施主作用。（）5、半導(dǎo)體工藝是控制摻雜的工藝。這句話的意思是說半導(dǎo)體中絕不能含有雜質(zhì)。（×）計(jì)算題硅中摻入某種施主雜質(zhì)，設(shè)其電子有效質(zhì)量,計(jì)算電離能為多少？若，其電離能又為多少？這兩種值中哪一種更接近實(shí)驗(yàn)值？解答：利用類氫原子模型：第三章填空題:在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和載流子的復(fù)合建立起一動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)的載流子稱為熱平衡載流子。半導(dǎo)體的熱平衡狀態(tài)受溫度影響，某一特定溫度對應(yīng)某一特定的熱平衡狀態(tài)。導(dǎo)帶和價(jià)帶是準(zhǔn)連續(xù)的，定義單位能量間隔內(nèi)的量子態(tài)數(shù)為狀態(tài)密度。泡利不相容原理：（費(fèi)米系統(tǒng)）不能有兩個(gè)同樣的粒子處于同一個(gè)狀態(tài)服從泡利不相容原理的粒子稱為費(fèi)米子，如電子、質(zhì)子、中子等粒子。不服從泡利不相容原理的粒子稱為玻色子，如介子、光子。對于能量為E的一個(gè)量子態(tài)被一個(gè)電子占據(jù)的概率為（），稱為費(fèi)米分布函數(shù)。T=0K時(shí)，電子占據(jù)費(fèi)米能級(jí)的概率是1/2。玻爾茲曼分布函數(shù)為能量為E的一個(gè)量子態(tài)被電子占據(jù)的概率為f(E),則它被一個(gè)空穴占據(jù)的概率為1-f(E)。對于能帶極值在k=0，等能面為球面的情況，則導(dǎo)帶底附近能量E(k)與波矢k的關(guān)系為（），導(dǎo)帶底附近狀態(tài)密度為（）。計(jì)算狀態(tài)密度時(shí)，我們近似認(rèn)為能帶中的能級(jí)作是連續(xù)分布的。根據(jù)波爾茲曼分布可以看出，電子主要分布在導(dǎo)帶底。本征費(fèi)米能級(jí)Ef=Ei基本位于禁帶中線處。對一定的半導(dǎo)體材料，乘積只取決于溫度T，與所含雜質(zhì)無關(guān)。而在一定溫度下，對不同的半導(dǎo)體材料，因禁帶寬度Eg不同，乘積也將不同。當(dāng)半導(dǎo)體的溫度T>0K時(shí)，就有電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶去，同時(shí)價(jià)帶中產(chǎn)生了空穴，這就是所謂的本征激發(fā)。本征半導(dǎo)體載流子濃度公式：一定的半導(dǎo)體材料，其本征載流子濃度隨溫度的升高而迅速增加；不同的半導(dǎo)體材料，在同一溫度T時(shí)，禁帶寬度Eg越大，本征載流子濃度越小。判斷題所謂本征半導(dǎo)體就是一塊沒有雜質(zhì)和缺陷的半導(dǎo)體。（√）摻有某種雜質(zhì)的半導(dǎo)體的載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)由溫度和雜質(zhì)濃度所決定。（√）對于雜質(zhì)濃度一定的半導(dǎo)體，隨著溫度的升高，載流子則是從以雜質(zhì)電離為主要來源過度到以本征激發(fā)為主要來源的過程，相應(yīng)地，費(fèi)米能級(jí)則從位于雜質(zhì)能級(jí)附近逐漸移近禁帶中線處。（√）簡答題看圖分析當(dāng)T=0K，或T>0K時(shí)，費(fèi)米能級(jí)的意義。上圖是硅導(dǎo)帶電子濃度與溫度的關(guān)系曲線。請指出強(qiáng)電離區(qū)、高溫本征激發(fā)區(qū)的位置（溫度范圍）。一般而言，實(shí)際器件工作在那個(gè)區(qū)域？解：根據(jù)下圖的能帶圖指出摻雜類型和導(dǎo)電類型（如：重施主摻雜，強(qiáng)P型）5、nn0、pn0表示什么量？二者的關(guān)系如何？答：nn0表示n型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子電子濃度，而pn0表示n型半導(dǎo)體中少數(shù)載流子空穴濃度，第四章填空題：載流子在電場作用下的漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流稱為漂移電流半導(dǎo)體有兩種載流子——電子和空穴為載流子遷移率，其意義：表示載流子在電場作用下運(yùn)動(dòng)的快慢程度，數(shù)值上等于單位場強(qiáng)下載流子的平均漂移速度。單位載流子的散射主要散射機(jī)構(gòu)有：電離雜質(zhì)的散射、晶格振動(dòng)散射、能谷間散射、中性雜質(zhì)散射、位錯(cuò)散射、合金散射等。平均自由時(shí)間的數(shù)值τ等于散射概率P的倒數(shù)（即τ=1/P）電導(dǎo)遷移率與平均自由時(shí)間的關(guān)系：（對電子）；（對空穴）7、從非平衡態(tài)逐漸恢復(fù)到平衡態(tài)的過程稱為馳豫過程，τ稱為馳豫時(shí)間。簡答題1、圖中C是空穴電流方向，問A、B、D中哪個(gè)是電子漂移方向？哪個(gè)是電子電流方向？哪個(gè)是空穴漂移方向？解：2、根據(jù)右圖分析電阻率與溫度的關(guān)系第五章填空題：當(dāng)半導(dǎo)體受到外界作用（如光照）后，載流子分布將與平衡態(tài)相偏離，此時(shí)的半導(dǎo)體狀態(tài)稱為非平衡態(tài)；那些偏離平衡分布的載流子稱為過剩載流子，即非平衡載流子。產(chǎn)生非平衡載流子的過程稱為非平衡載流子注入。小注入條件：注入的非平衡載流子濃度比平衡時(shí)的多數(shù)載流子濃度小的多N型材料：P型材料：去掉外界作用，非平衡載流子逐漸消失，這一過程稱為非平衡載流子復(fù)合。凈復(fù)合率=復(fù)合率-熱產(chǎn)生率。通常把單位時(shí)間單位體積內(nèi)凈復(fù)合消失的電子—空穴對數(shù)稱為非平衡載流子的復(fù)合率。壽命標(biāo)志著非平衡載流子濃度減小到原值的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間。統(tǒng)一的費(fèi)米能級(jí)是熱平衡狀態(tài)的標(biāo)志。當(dāng)導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的處于不平衡狀態(tài)時(shí)，分別引入導(dǎo)帶費(fèi)米能級(jí)和價(jià)帶費(fèi)米能級(jí)，它們都是局部的費(fèi)米能級(jí)，稱為“準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)”。復(fù)合過程大致可以分為：直接復(fù)合、間接復(fù)合、表面復(fù)合、俄歇復(fù)合。用復(fù)合中心球體截面積σ代表復(fù)合中心俘獲載流子的本領(lǐng)，稱為俘獲截面。雜質(zhì)能級(jí)積累非平衡載流子的作用就稱為陷阱效應(yīng)，有顯著陷阱效應(yīng)的雜質(zhì)能級(jí)稱為陷阱，而相應(yīng)的雜質(zhì)和缺陷稱為陷阱中心。非平衡載流子深入樣品的平均距離稱為擴(kuò)散長度，由擴(kuò)散系數(shù)和材料的壽命所決定。判斷題一般情況下，滿足小注入條件的非平衡載流子濃度比平衡載流子濃度小。（）計(jì)算題1、2、3、處于非平衡態(tài)的n型半導(dǎo)體中，和哪個(gè)距近？為什么？第六章填空題：在一塊n型（或p型）半導(dǎo)體單晶上，用適當(dāng)?shù)墓に嚪椒ǎㄈ绾辖鸱?、擴(kuò)散法、生長法、離子注入法等）把p型（或n型）雜質(zhì)摻入其中，使這塊單晶的不同區(qū)域分別具有n型和p型的導(dǎo)電類型，在兩者的交界面處就形成了pn結(jié)。pn結(jié)的雜質(zhì)分布一般可以歸納為兩種情況，即突變結(jié)和線性緩變結(jié)。平衡的pn結(jié)的空間電荷區(qū)兩端間的電勢差稱為pn結(jié)的接觸電勢差或內(nèi)建電勢差。相應(yīng)的電子電勢能之差即能帶的彎曲量q稱為pn結(jié)的勢壘高度。(q=-)在正向及反向偏壓下，曲線是不對稱的，表現(xiàn)出pn結(jié)具有單向?qū)щ娦曰蛘餍?yīng)。pn結(jié)電容包括勢壘電容和擴(kuò)散電容兩部分。pn結(jié)擊穿共有三種：雪崩擊穿、隧道擊穿和熱電擊穿。在~這段電壓范圍內(nèi)，隨著電壓的增大電流反而減小的現(xiàn)象稱為負(fù)阻。判斷題pn結(jié)的內(nèi)建電勢決定于摻雜濃度、、材料禁帶寬度和工作溫度。（√﹚pn結(jié)的勢壘電容和擴(kuò)散電容都隨外加電壓而變化，表明它們是可變電容。（√﹚單邊突變結(jié)的接觸電勢差隨著低摻雜一邊的雜質(zhì)濃度的增加而升高。（√﹚單邊突變結(jié)的勢壘寬度隨輕摻雜一邊的雜質(zhì)濃度