半導(dǎo)體物理學(xué)

《半導(dǎo)體物理學(xué)》參考書：《半導(dǎo)體物理學(xué)》劉恩科1近十年來考過的名詞解釋：這些概念都是在復(fù)試或者初試被考過的，因此非常重要，不但要理解，還要能夠很好地表達(dá)出來，可以自己試著說一說簡并與非簡并半島體非平衡載流子的壽命熱載流子二維電子氣重空穴與輕空穴遷移率直接禁帶與間接禁帶半導(dǎo)體俄歇復(fù)合擴(kuò)散電容復(fù)合截面費米能級與準(zhǔn)費米能級擴(kuò)散長度霍耳效應(yīng)調(diào)制摻雜布里淵區(qū)本征激發(fā)陷阱效應(yīng)半導(dǎo)體發(fā)光歐姆接觸半導(dǎo)體超晶格能帶齊納擊穿空穴狀態(tài)密度禁帶寬度多能谷散射少子壽命本征吸收Pn結(jié)回旋共振鈉離子對mos結(jié)構(gòu)的c-v效應(yīng)壓阻效應(yīng)有效質(zhì)量散射勢壘電容雪崩擊穿磁阻效應(yīng)共有化運動單電子近似施主/受主能級凍析效應(yīng)禁帶變窄效應(yīng)p-n結(jié)隧道效應(yīng)半島體的缺陷同型/反型異質(zhì)結(jié)Pn結(jié)光生伏特效應(yīng)原理本征半導(dǎo)體替位式雜質(zhì)和間隙雜質(zhì)表面復(fù)合速度表面勢直接復(fù)合/間接復(fù)合半導(dǎo)體主要散射機(jī)構(gòu)半島體中的深能級雜質(zhì)受主雜質(zhì)/施主雜質(zhì)空間電荷區(qū)接觸電勢差異質(zhì)結(jié)As摻入si中屬于什么類型雜質(zhì)形成什么類型半導(dǎo)體Pn二極管與肖勢壘二極管的異同：半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)1本章重點看前5節(jié)，后三節(jié)只需要掌握輕/重空穴的概念，閃鋅礦的結(jié)構(gòu)，砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)，什么是間接帶隙半導(dǎo)體的概念2本章重點掌握能帶理論3本章可能考的知識點1單電子近似2什么是共有化運動3什么是有效質(zhì)量？為什么要引入有效質(zhì)量的概念？空穴的意義？（重點）

有效質(zhì)量是指在半經(jīng)典的理論模型下,粒子在晶體中運動時具有的等效質(zhì)量.4表述能帶理論能帶理論是一種解釋金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一種理論在固體金屬內(nèi)部構(gòu)成其晶格結(jié)點上的粒子，是金屬原子或正離子，由于金屬原子的價電子的電離能較低，受外界環(huán)境的影響(包括熱效應(yīng)等)，價電子可脫離原子，且不固定在某一離子附近，而可在晶格中自由運動，常稱它們?yōu)樽杂呻娮?。正是這些自由電子將金屬原子及離子聯(lián)系在一起，形成了金屬整體。這種作用力稱為金屬鍵。當(dāng)然固體金屬也可視為等徑圓球的金屬原子(離子)緊密堆積成晶體。這時原子的配位數(shù)可高達(dá)8至12。金屬中為數(shù)不多的價電子不足以形成如此多的共價鍵。這些價電子只能為整個金屬晶格所共有。所以金屬鍵不同于離子鍵；也不同于共享電子局限在兩個原子間的那種共價鍵(定域鍵)。廣義地說，金屬鍵屬于離域鍵，即共享電子分布在多個原子間的一種鍵，但它是一種特殊的離域鍵，既無方向性，也無飽和性。為闡明金屬鍵的特性，化學(xué)家們在MO理論的基礎(chǔ)上，提出了能帶理論?，F(xiàn)僅以金屬Li為例定性討論。Li原子核外電子為1s22s1。兩個Li互相靠近形成Li2分子。按照MO理論，Li分子應(yīng)有四個MO。其中(σ1s)2與(σ1s*)2的能量低，緊靠在Li是空著的(LUMO)。參與成鍵的Li原子越多，由于晶格結(jié)點上不同距離的Li核對它們的價電子有不同程度的作用力，導(dǎo)致電子能級發(fā)生分裂，而且能級差也越來越小，能級越來越密，最終形成一個幾乎是連成一片的且具有一定的上、下限的能級，這就是能帶。對于N個Li原子的體系，由于1s與2s之間能量差異較大，便出現(xiàn)了兩條互不重疊或交蓋的能帶。這種具有未被占滿的MO的能帶由于電子很容易從占有MO激發(fā)進(jìn)入空的MO，故而使Li呈現(xiàn)良好的導(dǎo)電性能。此種能帶稱為導(dǎo)帶。在滿帶與導(dǎo)帶之間不再存在任何能級，是電子禁止區(qū)，稱為禁帶。電子不易從滿帶逾越此空隙區(qū)進(jìn)入導(dǎo)帶。顯然，原子在形成簡單分子時，便形成了分立的分子軌道，當(dāng)原子形成晶體時，便形成了分立的能帶。不同的金屬，由于構(gòu)成它的原子有不同的價軌道和不同的原子間距，能帶(空帶)部分疊合，構(gòu)成了一個未滿的導(dǎo)帶，因而容易導(dǎo)電，呈現(xiàn)金屬性。由此看來，只要存在著未充滿的導(dǎo)帶(不管它本身是未充滿的能帶，還是由于空帶—滿帶相互交蓋而形成的未充滿的能帶)在外電場作用下便會形成電子定向流動，從而使材料呈導(dǎo)電性。當(dāng)升溫時，晶格上的原子(離子)振動加劇，電子運動受阻，導(dǎo)電能力降低。離域的電子的運動又可傳遞熱端的振動能使金屬具有良傳熱性。共享電子的“膠合”作用，使金屬在受外力作用晶體正離子滑移時不致斷裂，呈現(xiàn)良好延展性和可塑性。這與離子型晶體的脆性與易碎裂成為鮮明的對比。此外，金屬中的離域電子容易吸收并重新發(fā)射很寬波長范圍的光，使它不透明并具有金屬光澤。固體材料中全空的導(dǎo)帶稱為空帶。當(dāng)滿帶與空帶之間的禁帶寬達(dá)5～7eV時，電子難以借熱運動等躍過禁帶進(jìn)入空帶，因此是絕緣體，如金剛石的禁帶寬達(dá)5.3eV。但當(dāng)禁帶寬度在1eV(1.602×10-19J或96.48kJ·mol-1)上下，便屬于半導(dǎo)體材料。典型的半導(dǎo)體Si禁帶為1.12eV；Ge為0.67eV。研究固體中電子運動規(guī)律的一種近似理論。固體由原子組成，原子又包括原子實和最外層電子，它們均處于不斷的運動狀態(tài)。為使問題簡化，首先假定固體中的原子實固定不動，并按一定規(guī)律作周期性排列，然后進(jìn)一步認(rèn)為每個電子都是在固定的原子實周期勢場及其他電子的平均勢場中運動，這就把整個問題簡化成單電子問題。能帶理論就屬這種單電子近似理論，它首先由F.布洛赫和L.-N.布里淵在解決金屬的導(dǎo)電性問題時提出。具體的計算方法有自由電子近似法、緊束縛近似法、正交化平面波法和原胞法等。前兩種方法以量子力學(xué)的微擾理論作為基礎(chǔ)，只分別適用于原子實對電子的束縛很弱和很強(qiáng)的兩種極端情形；后兩種方法則適用于較一般的情形，應(yīng)用較廣。孤立原子的能帶孤立原子的外層電子可能取的能量狀態(tài)（能級）完全相同，但當(dāng)原子彼此靠近時，外層電子就不再僅受原來所屬原子的作用，還要受到其他原子的作用，這使電子的能量發(fā)生微小變化。原子結(jié)合成晶體時，原子最外層的價電子受束縛最弱，它同時受到原來所屬原子和其他原子的共同作用，已很難區(qū)分究竟屬于哪個原子，實際上是被晶體中所有原子所共有，稱為共有化。原子間距減小時，孤立原子的每個能級將演化成由密集能級組成的準(zhǔn)連續(xù)能帶。共有化程度越高的電子，其相應(yīng)能帶也越寬。孤立原子的每個能級都有一個能帶與之相應(yīng)，所有這些能帶稱為允許帶。相鄰兩允許帶間的空隙代表晶體所不能占有的能量狀態(tài)，稱為禁帶。若晶體由N個原子（或原胞）組成，則每個能帶包括N個能級，其中每個能級可被兩個自旋相反的電子所占有，故每個能帶最多可容納2N個電子（見泡利不相容原理）。價電子所填充的能帶稱為價帶。比價帶中所有量子態(tài)均被電子占滿，則稱為滿帶。滿帶中的電子不能參與宏觀導(dǎo)電過程。無任何電子占據(jù)的能帶稱為空帶。未被電子占滿的能帶稱為未滿帶。例如一價金屬有一個價電子，N個原子構(gòu)成晶體時，價帶中的2N個量子態(tài)只有一半被占據(jù)，另一半空著。未滿帶中的電子能參與導(dǎo)電過程，故稱為導(dǎo)帶。固體的能帶固體的導(dǎo)電性能由其能帶結(jié)構(gòu)決定。對一價金屬，價帶是未滿帶，故能導(dǎo)電。對二價金屬，價帶是滿帶，但禁帶寬度為零，價帶與較高的空帶相交疊，滿帶中的電子能占據(jù)空帶，因而也能導(dǎo)電，絕緣體和半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)相似，價帶為滿帶，價帶與空帶間存在禁帶。半導(dǎo)體的禁帶寬度從0.1～1.5電子伏，絕緣體的禁帶寬度從1.5～1.0電子伏。在任何溫度下，由于熱運動，滿帶中的電子總會有一些具有足夠的能量激發(fā)到空帶中，使之成為導(dǎo)帶。由于絕緣體的禁帶寬度較大，常溫下從滿帶激發(fā)到空帶的電子數(shù)微不足道，宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)電性能差。半導(dǎo)體的禁帶寬度較小，滿帶中的電子只需較小能量就能激發(fā)到空帶中，宏觀上表現(xiàn)為有較大的電導(dǎo)率（見半導(dǎo)體）。能帶理論在闡明電子在晶格中的運動規(guī)律、固體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)、合金的某些性質(zhì)和金屬的結(jié)合能等方面取得了重大成就，但它畢竟是一種近似理論，存在一定的局限性。例如某些晶體的導(dǎo)電性不能用能帶理論解釋，即電子共有化模型和單電子近似不適用于這些晶體。多電子理論建立后，單電子能帶論的結(jié)果常作為多電子理論的起點，在解決現(xiàn)代復(fù)雜問題時，兩種理論是相輔相成的。5會用能帶理論解釋導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體導(dǎo)電的成因6記住k空間的平均速度和加速度的表達(dá)式和意義7理解回旋共振測有效質(zhì)量的原理，會用回旋共振解釋硅的導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)（重點）半導(dǎo)體中的雜質(zhì)和缺陷能級本章不是重點，只需要掌握以下概念（只需要看第一節(jié)，第二節(jié)只需要掌握一個概念——等電子陷阱）1缺陷的種類和形成原因（重點）2施主能級受主能級3間隙式雜質(zhì)替味式雜質(zhì)4雜質(zhì)電離5非三五族雜質(zhì)在硅，褚中產(chǎn)生的能級有什么特點第三章半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計分布（重點）1全都要看，但是不需要掌握推導(dǎo)過程2本章的重點在于理解載流子分布的原因以及雜質(zhì)半導(dǎo)體的五個分區(qū)3本章可能考的問題1熱平衡載流子2什么是倒格子空間（見固體物理）3什么是費米能級，費米能級的意義（標(biāo)志了電子填充能級的水平）4能量的分布，能量分布受哪些因素影響（特別是溫度）5解釋導(dǎo)帶禁帶中電子和空穴的分布6什么是本征半導(dǎo)體，本征激發(fā)7為什么半導(dǎo)體器件都有溫度限制8溫度對于雜質(zhì)半導(dǎo)體中費米能級的影響(一條曲線，五個分區(qū))，摻雜的雜質(zhì)濃度對于費米能級的影響（重點）9什么是簡并半導(dǎo)體，簡并化的條件，簡并半導(dǎo)體的效應(yīng)（凍析效應(yīng)，禁帶變窄效應(yīng)）半導(dǎo)體的導(dǎo)電性1本章全都要看2本章的重點在于遷移率的影響因素3可能問到的問題1遷移率的概念以及遷移率和電導(dǎo)率的關(guān)系2為什么電子的遷移率要大于空穴的遷移率3半導(dǎo)體有哪幾種散射機(jī)制4自由載流子的概念5遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系（重點，經(jīng)常問）6電阻率和雜質(zhì)濃度的關(guān)系，電阻率隨溫度的變化（重點，多次問過）7波爾茲曼統(tǒng)計和費米統(tǒng)計的區(qū)別8什么是馳豫時間9強(qiáng)電場下歐姆定律發(fā)生偏離的原因，熱載流子的概念（韓鄭生老師多次問過）10什么是多能谷散射第五章非平衡載流子1本章不用看的部分：無2本章重點在于什么是準(zhǔn)費米能級和有哪幾種復(fù)合方式(問過)3可能問的知識點1為什么非平衡載流子可以起到重要的作用2什么是非平衡載流子的復(fù)合3解釋概念：非平衡載流子的壽命，非平衡載流子的復(fù)合率4為什么要引入準(zhǔn)費米能級的概念5非平衡載流子是怎樣復(fù)合的？復(fù)合過程中放出能量有哪些方法？非平衡載流子有哪幾種復(fù)合方式？什么是直接復(fù)合，間接復(fù)合，表面復(fù)合，俄歇復(fù)合？（重點）6電子陷阱和空穴陷阱，為什么雜質(zhì)能級與平衡時費米能級重合時，最有利于陷阱效應(yīng)？第六章pn結(jié)（重點）1本章全都要看，都是重點(最重點的是pn結(jié)的電流電壓特性，多次考過)2可能考的知識點1pn結(jié)的空間電荷區(qū)26.2節(jié)的第一部分有關(guān)電流電壓特性的部分要很熟練，能夠熟練地敘述出來3影響pn結(jié)電流電壓特性有哪些因素？4pn結(jié)電容的來源，什么是勢壘電容？什么是擴(kuò)散電容？（重點，多次問過）5pn結(jié)擊穿有哪幾種機(jī)制？簡述雪崩擊穿和齊納擊穿的原理（重點，多次問過）6pn結(jié)的隧道效應(yīng)（熟練敘述，去年問我的就是這個問題）第七章金屬和半導(dǎo)體的接觸1本章重點在于肖勢壘二極管的原理2可能考的問題1什么是接觸電勢差？2表面態(tài)對接觸勢壘有什么影響？3肖勢壘二極管的原理（重點，一室經(jīng)常問）4什么是歐姆接觸（重點）第八章半導(dǎo)體表面和mis結(jié)構(gòu)（重點）1本章是重點，都要看2本章的重點在于表面電場效應(yīng)（多子堆積，多子耗盡，反型）（重點，結(jié)合mos管的原