半导体总复习
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第一章半导体物理基础
一、能带理论
1、能带的形成、结构：导带、价带、禁带
?当原子结合成晶体时，原子最外层的价电子实际上是被晶体中所有原子所共有，称为共有化。
?共有化导致电子的能量状态发生变化，产生了密集能级组成的准连续能带---能级分裂
?价带：绝对0度条件下被电子填充的能量最高的能带；结合成共价键的电子填充的能带。
?导带：绝对0度条件下未被电子填充的能量最低的能带
2、导体、半导体、绝缘体的能带结构特点
?禁带的宽度区别了绝缘体和半导体；而禁带的有无是导体和半导体、绝缘体之间的区别；绝缘体是相对的，不存在绝对的绝缘体。
3、导电的前提：不满带的存在
二、掺杂半导体
1、两种掺杂半导体的能级结构。
2、杂质补偿的概念
三、载流子统计分布
1、费米函数、费米能级：公式1-7-9和1-7-10，及其简化公式1-7-11
和1-7-12
2、质量作用定律，只用于本征半导体：公式1-7-27
3、用费米能级表示的载流子浓度：公式1-7-28和1-7-29
4、杂质饱和电离的概念（本征激发）
5、杂质半导体费米能级的位置：公式1-7-33和1-7-37。意义（图
1-13，费米能级随着掺杂浓度和温度的变化）。
6、杂质补充半导体的费米能级
四、载流子的运输
1、（1.8节）载流子的运动模式：散射－漂移－散射。平均弛豫时间的概念
2、迁移率，物理意义：公式1-9-4和1-9-5（迁移率与电子自由运
动时间和有效质量有关），迁移率与温度和杂质浓度的关系
3、电导率，是迁移率的函数：公式1-9-10和1-9-11
4、在外电场和载流子浓度梯度同时存在的条件下，载流子运输公
式：1-9-24～1-9-27
5、费米势：公式1-10-5：电势与费米能级的转换
6、以静电势表示的载流子浓度1-10-6和1-10-7或1-10-9和1-10-10
7、爱因斯坦关系：反映了扩散系数和迁移率的关系。在非热平衡状态下也成立。公式1-10-11和1-10-12 五、非平衡载流子
1、概念：平衡与非平衡（能带间的载流子跃迁）；过剩载流子
2、大注入和小注入
3、产生率、复合率、净复合率
4、非平衡载流子的寿命：从撤销外力，到非平衡载流子消失。单位时间内每个非平衡载流子被复合掉的概率 ，净复合率
5、载流子的寿命 ：反映衰减快慢的时间常数，标志着非平衡载流子在复合前平均存在的时间
6、准费米能级1-12-1、1-12-2
7、直接复合、间接复合
8、非平衡少子寿命与本征半导体的关系：
在掺杂半导体中，非平衡少子的寿命比在本征半导体中的短， 和多子浓度成反比，即与杂质浓度成反比。 9、基本控制方程：1-15-3、1-15-4、1-15-2
参考题（例子）
1、请画出导体、半导体、绝缘体的能带结构示意图，并解释它们之间的区别。
2、什么是费米能级？请写出费米函数。
τ
τ/1τ
/p ?τ
3、什么是质量作用定律？它的适用范围？
4、请写出N 型和P 型半导体的费米能级公式，并解释其费米能级与掺杂浓度和温度之间的关系。
5、请画出两种杂质半导体的能级结构，并解释。
第二章 PN 结
一、热平衡PN 结
1、PN 结的形成，能带图形成原理以及结构（会画）
2、突变和缓变PN 结
3、PN 结的内建电势2-1-7和2-1-19
4、电势和电场的面积关系：
5、泊松方程：电荷密度、电场、电势的关系
二、加偏压的PN 结
1、能带的变化特点：偏离平衡态，出现准费米能级（图2-5）；
2、扩散近似；正向注入和反向抽取：边界处少子浓度与外加偏压的关系
E C
E
E C E V E
F E
C E F E i E V E
W
E M 002
1
=?ψ()a d N n N p k q
dx d --+-=02
2εψdx
d E ψ-
=()a d N n N p k q
dx dE --+=
ε
3、边界条件2-2-1和2-2-12
三、理想PN 结的直流电流－电压特性 1、理想情况的几个假设：（1）～（4）
2、能够画出正、反偏压下PN 结少子分布、电流分布和总电流示意图。（图2-7、2－8）
3、公式2-3-16及其近似2-3-22
4、空穴和电子的扩散长度表达式（P75）及意义（两个意义：扩散区域；少子扩散电流衰减为1/e ）。
空穴扩散区、电子扩散区
四、空间电荷区的复合电流和产生电流 1、图2－11，分三个阶段
低偏压：空间电荷区的复合电流占优势 偏压升高： 扩散电流占优势 更高偏压： 串联电阻的影响出现了 五、隧道电流
1、了解隧道电流的概念及产生条件。
2、江崎二极管的电流-电压特性（图2-13） 六、I-V 特性的温度依赖关系
1、图2－14和2－15：在相同电压下，电流随温度升高。
2
/1)(P P P D L τ=2
/1)(n n n D L τ=
七、耗尽层电容（势垒电容、结电容）和扩散电容 1、概念、形成原因
2、扩散电容在低频正向偏压下特别重要。 八、PN 结二极管的频率特性 1、二极管等效电路图2-19 2、二极管直流电导或扩散电导 扩散电容
九、电荷存储和反向瞬变 1、PN 结的开关作用。 2、反向瞬变和电荷存储的概念
3、根据2－21的载流子分布，解释2－20所示的电流、电压特性（分三个阶段）。 十、PN 结击穿
1、雪崩击穿的产生原理：碰撞电离、倍增效应。
2、齐纳击穿：由隧道效应产生
参考题（例子）
1、请画出PN 结形成前后的能带图，并解释PN 结形成过程。
2、什么是正向抽取和反向注入？
3、耗尽层电容和扩散电容是如何形成的？
4、分三个阶段解释反向瞬变。
T
D V I g =
T
p D V I
C 2τ=
第三章 双极结型晶体管
一、双极结型晶体管的结构
1、NPN 和PNP 型晶体管的结构及电路符号。“双极型”的解释。
2、图3－2：硅平面外延NPN 晶体管的版图和截面图。
3、图3-3：硅平面外延NPN 晶体管的净掺杂浓度分布 二、基本工作原理
1、四种工作模式对应的偏压情况
2、图3-5 NPN 晶体管共基极放大电路图及对应能带图
3、图3-6：放大工作条件下的工作电流分量：会画，解释各个电流的形成原理。与图3-5相结合
4、几个电流增益概念：发射极注射效率、基区运输因子、共基极电流增益、共发射极电流增益。 三、正向有源工作模式下的电流传输
1、放大条件下，基极电流和集电极电流的表示方法。（计算题） 图3-11
四、埃伯斯－莫尔方程
1、图3-15：四种工作模式下的少数载流子分布，会画。
2、图3-14：E-M 等效电路
kT
qV B B nB E C B E e
X n qD A I /0)/(=kT qV pE E pE E E pE E pE B
BE e L p qD A dx dp qD A I I /0)/(|)/(|=-=≈
五、缓变基区晶体管
1、基区杂质分布不均；产生内建电场；加强电子漂移。
Webster效应：相当于扩散系数增加一倍。
六、基区扩展电阻和电流聚集
1、发射极电流集聚效应：基区扩展电阻的存在，使发射结电压降低，发射极电流集中在发射结边缘附近
解决方法：采用周长/面积比很高的梳状结构。
七、基区宽度调变效应
1、基区宽度调变效应：基区宽度与V CE的关系
2、Early效应：I C与V CE的关系
八、晶体管的频率响应
1、截至频率的概念
2、各种频率的定义：共基极截至频率、共发射极截至频率、增益－带宽乘积
3、影响载流子运输的4个延迟：基区渡越时间（公式3-8-12）、发射结过渡电容充电时间、集电结耗尽层渡越时间、集电结电容充电时间。公式3-8-15、3-8-16
4、Kirk效应：也称为基区展宽效应
十、晶体管的开关特性
1、开：饱和状态关：截至状态
2、理解：开－关过程与载流子的存储和运输有关，需要有一个过程
3、各开关时间的定义：导通时间、上升和下降时间、贮存时间
4、最重要的贮存时间：定义，与该时间相对应的载流子的存储和运输过程。 十一、击穿电压
1、根据击穿条件，分析“共发射极击穿电压 比共基极击穿电压 低很多”。
参考题（例子）
1、当BJT 工作在放大条件下时，画出电流分布
2、名词解释：Webster 效应、Kirk 效应、Early 效应
3、请根据基区载流子的变化过程，解释晶体管的开关特性。
4、影响晶体管开关过程的时间是哪一个？为什么？
5、计算题
第六章金属－氧化物－半导体场效应管
一、理想MOS 结构的表面空间电荷区 1、理想MOS 结构的假设
2、MOS 电容器的结构：半导体表面电荷层具有一定的厚度
3、表面势：空间电荷区中电场的出现使半导体表面与体之间产生一个电位差
4、载流子的积累、耗尽和反型：栅极电压、半导体表面载流子特点、能带图（图6-4）
0CB BV 0CE BV S
G V V ψ+=0
5、反型和强反型条件：6-1-19和6-1-20
MOSFET工作在强反型条件下。
6、导电沟道的概念
二、理想MOS电容器
1、分四种情况讨论MOS电容器的电容－电压特性：积累区、平带情况、耗尽区、反型区（高频和低频），会画图6-7和图6-9。
三、沟道电导和阈值电压
1、什么是阈值电压。公式6-3-7
2、沟道电导公式6-3-4
四、实际MOS的电容－电压特性
1、功函数的影响、截面陷阱和氧化物电荷的影响，使平带电压VFB<0
2、实际的阈值电压公式6-4-12，能够解释其中4项的来源。
五、MOS场效应晶体管
1、三种工作状态：线性、开始饱和、饱和，对应的沟道变化情况
2、沟道夹断的原理
六、等效电路和频率响应
1、截至频率的概念，公式6-6-9，截至频率与那些因素有关
七、亚阈值区
1、亚阈值电流和亚阈值传导（弱反型）
八、MOS场效应晶体管的类型
九、影响阈值电压的其余因素
衬底掺杂（正比）、氧化层厚度（正比）——器件隔离作用、衬底反
向偏压（正比）
十、器件尺寸比例
1、短沟道效应：三种效应。（线性区的阈值电压下降、迁移率场相关效应及载流子速度饱和效应、亚阈值特性退化，器件夹不断）
2、按比例缩小：两种方式。
参考题（例子）
1、根据V G的变化，分三段（积累、耗尽、反型）定性地解释并画出MOS系统的C-V特性图。
2、什么是MOSFET的截至频率？请写出公式，并解释与那些物理因素由关系。
3、什么是阈值电压？解释阈值电压的构成（给出公式）
4、什么是按比例缩小？请写出最小尺寸与参数的关系。
计算题
1、一个确定的NPN BJT的基区净掺杂为N AB=1016/cm3。发射结面积为10－3 cm2，基区厚度为0.5um，当V BE=0.5V和V CE=5V时。（1）已知u nB=1200cm2/（V.S），计算I C。
（2） 集电结为非对称突变结。在给定的偏压条件下，对于此结
X=2.8X 0，使用耗尽层近似求它的（平衡态）接触电势0ψ?。 答：（1）由爱因斯坦关系式s cm q
KT
D n
n /30025.012002=?==μ p 0B ＝N AB =10
16
/cm3，34162002
0/1010
10cm p n n B i B
=== 取基区左边界为
坐标，由
PN
结定律：
3
1240/1085.4025.0/5.0exp 10/exp )0(cm KT V n n BE B B ?===A X n q A D I B B nB C 5
4
12
4191032.210
5.01085.430105.010
6.1)0(----?=???????==
（2）由耗尽近似 ，因此
V 73.018.252
0=-=ψ 2、一砷化镓样品，其中施主原子浓度为2×1016cm?3，受主原子数量未知。
测量样品，发现它是P －型的，平衡空穴浓度P 0为5×1017cm?3。室温下，砷化镓本征载流子浓度n i 是107cm ?3，空穴迁移率μp 是300，电子迁移率μn 为4000，少数载流子寿命τmin 是10-9s 。
(1) 补偿后的受主原子浓度(N A =N a -N d )是多少？总的受主原子浓度是多少？
（2）室温下，样品中平衡电子浓度是n 0多少？ (3) 在室温下，热平衡状态下样品的电导率σ0是多少？
)1
1(221N N q X +
=
εψ8.251/0
0000=+=+==ψψψψψCE V X X
半导体材料发展情况
实用标准文案 1、硅材料 从提高硅集成电路成品率，降低成本看，增大直拉硅（CZ－Si）单晶的直径和减小微缺陷的密度仍是今后CZ－Si发展的总趋势。目前直径为8英寸（200mm）的Si单晶已实现大规模工业生产，基于直径为12英寸（300mm）硅片的集成电路（IC‘s）技术正处在由实验室向工业生产转变中。目前300mm，0.18μm工艺的硅ULSI生产线已经投入生产，300mm，0.13μm工艺生产线也将在2003年完成评估。18英寸重达414公斤的硅单晶和18英寸的硅园片已在实验室研制成功，直径27英寸硅单晶研制也正在积极筹划中。 从进一步提高硅IC‘S的速度和集成度看，研制适合于硅深亚微米乃至纳米工艺所需的大直径硅外延片会成为硅材料发展的主流。另外，SOI材料，包括智能剥离（Smart cut）和SIMOX材料等也发展很快。目前，直径8英寸的硅外延片和SOI材料已研制成功，更大尺寸的片材也在开发中。 理论分析指出30nm左右将是硅MOS集成电路线宽的“极限”尺寸。这不仅是指量子尺寸效应对现有器件特性影响所带来的物理限制和光刻技术的限制问题，更重要的是将受硅、SiO2自身性质的限制。尽管人们正在积极寻找高K介电绝缘材料（如用Si3N4等来替代SiO2），低K介电互连材料，用Cu代替Al 引线以及采用系统集成芯片技术等来提高ULSI的集成度、运算速度和功能，但硅将最终难以满足人类不断的对更大信息量需求。为此，人们除寻求基于全新原理的量子计算和DNA生物计算等之外，还把目光放在以GaAs、InP为基的化合物半导体材料，特别是二维超晶格、量子阱，一维量子线与零维量子点材料和可与硅平面工艺兼容GeSi合金材料等，这也是目前半导体材料研发的重点。
半导体物理带图
施主与受主:半导体中掺入施主杂质后,施主电离后将成为带正电离子,并同时向导带提供电子,这种杂质就叫施主;半导体中掺入受主杂质后,受主电离后将成为带负电的离子,并同时向价带提供空穴,这种杂质就叫受主.直接带隙与间接带隙:直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在k 空间中同一位置.间接带隙半导体材料导带最小值（导带底）和满带最大值在k 空间中不同位置.简并与非简并半导体:简并半导体:掺杂浓度高,对于n 型半导体,其费米能级EF 接近导带或进入导带中;对于p 型半导体,其费米能级EF 接近价带或进入价带中的半导体.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.少子与多子:半导体中有电子和空穴两种载流子.半导体材料中某种载流子占大多数,则称它为多子,另一种为少子.表面重构与表面弛豫:其表面的分子链、链段和基团会随着环境改变而重新排列以适应环境的变化,使界面能最低达到稳定状态.表面为了适应环境从一个状态到另一个状态的变化过程,称表面重构.空穴与空位:在电子挣脱价键的束缚成为自由电子后,其价键中所留下的空位.一个空穴带一个单位的正电子电量.空位:晶体中的原子或离子由于热运动离开了原来的晶格位置后而留下的.少子寿命与扩散长度:非平衡载流子的平均生存时间,扩散长度则是非平衡载流子深入样品的平均距离.杂质与杂质能级:杂质,半导体中存在的于本体元素不同的其他元素.半导体材料的电磁性质可以通过掺入不同类型和浓度的杂质而加以改变,半导体中的杂质或缺陷可以在禁带中形成电子的束缚能级,称为杂质能级.本征半导体:纯净的,不含任何杂质和缺陷的半导体.杂质带导电:杂质能带中的电子通过杂质电子之间的共有化运动参加导电的现象称为杂质导电.电中性条件:电中性条件是半导体在热平衡情况下,它的内部所必须满足的一个基本条件.电中性条件即是说半导体内部总是保持为电中性的,其中没有多余的空间电荷,即处处正电荷密度等于负电荷密度.禁带窄化效应:杂质能带进入导带或价带,并与导带或价带相连,形成新的简并能带,使能带的状态密度发生了变化,简并能带的尾部伸入到禁带中,称为带尾,导致禁带宽度由Eg 减小到Eg ’,所以重掺杂时,禁带宽度变窄了,称为禁带变窄效应.负阻效应 直接复合与间接复合:直接复合:导带电子和价带空穴之间直接跃迁复合.间接复合:导带电子通过复合中心（禁带中的能级）和价带空穴间接复合. 什么叫浅能级杂质?它们电离后有何特点?答:浅能级杂质是指杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质.它们电离后将成为带正电（电离施主）或带负电（电离受主）的离子,并同时向导带提供电子或向价带提供空穴.漂移运动与扩散运动之间有什么联系?非简并半导体的迁移率与扩散系数之间有什么联系?解:漂移运动与扩散运动之间通过迁移率与扩散系数相联系.而非简并半导体的迁移率与扩散系数则通过爱因斯坦关系相联系,二者的比值与温度成反比关系,即q 0=μ.何谓非平衡载流子?非平衡状态与平衡状态的差异何在?解:半导体处于非平衡 态时,附加的产生率使载流子浓度超过热平衡载流子浓度,额外产生的这部分载流子就是非平衡载流子.通常所指的非平衡载流子是指非平衡少子.热平衡状态下半导体的载流子浓度是一定的,产生与复合处于动态平衡状态,跃迁引起的产生、复合不会产生宏观效应.在非平衡状态下，额外的产生、复合效应会在宏观现象中体现出来.何谓迁移率?影响迁移率的主要因素有哪些?解:迁移率是单位电场强度下载流子所获得的漂移速率.影响迁移率的主要因素有能带结构（载流子有效质量）温度和各种散射机构.何谓本征半导体?为什么制造半导体器件一般都用含有适当杂质的半导体材料?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.杂质能够为半导体提供载流子,对半导体材料的导电率影响极大.简要说明什么是载流子的漂移运动,扩散运动和热运动?他们有何不同?解:载流子因浓度差而引起的扩散运动;在电场力作用下载流子的漂移运动;由外加温度引起的载流子的热运动等.热运动:在没有任何电场作用时,一定温度下半导体中的自由电子和空穴因热激发所产生的运动是杂乱无障的,好像空气中气体的分子热运动一样.由于是无规则的随机运动,合成后载流子不产生定向位移,从而也不会形成电流.漂移运动:在半导体的两端外加一电场E,载流子将会在电场力的作用下产生定向运动.电子载流子逆电场方向运动,而空穴载流子顺着电场方向运动.从而形成了电子电流和空穴电流,它们的电流方向相同.所以,载流子在电场力作用下的定向运动称为漂移运动,而漂移运动产生的电流称漂移电流.扩散运动: 在半导体中,载流子会因浓度梯度产生扩散.如在一块半导体中,一边是N 型半导体,另一边是P 型半导体,则N 型半导体一边的电子浓度高,而P 型半导体一边的电子浓度低.反之,空穴载流子是P 型半导体一边高,而N 型半导体一边低.由于存在载流子浓度梯度而产生的载流子运动称为扩散运动.就你在任何知识渠道所获得的信息，举出一个例子来说明与半导体物理相关的最新知识进展。简述pn 结的形成及平衡pn 结的特点.将P 型半导体与N 型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成PN 结.PN 结具有单向导电性.在半导体中,费米能级标志了什么?它与哪些因素有关?系统处于热平衡状态,也不对外做功时,系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化.其标志了电子填充能级的水平.温度,半导体材料的导电类型,杂质的含量,能量零点的选取等.简述浅能级杂质和深能级杂质的主要区别.解:深能级杂质在半导体中起复合中心或陷阱的作用.浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用.浅能级杂质就是指在半导体中、其价电子受到束缚较弱的那些杂质原子,往往就是能够提供载流子—电子或空穴的施主、受主杂质;它们在半导体中形成的能级都比较靠近价带顶或导带底,因此称其为浅能级杂质.深能级杂质:杂质电离能大,施主能级远离导带底,受主能级远离价带顶.深能级杂质有三个基本特点:一是不容易电离,对载流子浓度影响不大.二是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.三是能起到复合中心作用,使少数载流子寿命降低.四是深能级杂质电离后以为带电中心,对载流子起散射作用,使载流子迁移率减小,导电性能下降.简述金半结的形成过程及金半结接触的类型.轻掺杂半导体上的金属与半导体形成整流接触,其接g 半导体中出现成对的电子-空穴对.如果温度升高,则禁带宽度变窄,跃迁所需的能量变小,将会有更多的电子被激发到导带中. 试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因.解:电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带,即允带和禁带.温度升高,则电子的共有化运动加剧,导致允带进一步分裂,变宽;允带变宽,则导致允带与允带之间的禁带相对变窄.反之,温度降低,将导致禁带变宽.因此,Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数. 试指出空穴的主要特征.解:空穴是未被电子占据的空量子态,被用来描述半满带中的大量电子的集体运动状态,是准粒子.主要特征如下:A 、荷正电:+q;B 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）;C 、E P =-E n ;D 、m P *=-m n *.简述Ge 、Si 和GaAS 的能带结构的主要特征.解: Ge 、Si: a ）Eg (Si ：0K) = 1.21eV ；Eg (Ge ：0K) = 1.170eV ； b ）间接能隙结构c ）禁带宽度E g 随温度增加而减小； GaAs a ）E g （300K ）= 1.428eV ，Eg (0K) = 1.522eV ；b ）直接能隙结构；c ）Eg 负温度系数特性： dE g /dT = -3.95×10-4eV/K ；什么叫浅能级杂质?它们电离后有何特点?解:浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质.它们电离后将成为带正电（电离施主）或带负电（电离受主）的离子,并同时向导带提供电子或向价带提供空穴. 什么叫施主?什么叫施主电离?施主电离前后有何特征?试举例说明之,并用能带图表征出n 型半导体.解:半导体中掺入施主杂质后,施主电离后将成为带正电离子,并同时向导带提供电子,这种杂质就叫施主.施主电离成为带正电离子（中心）的过程就叫施主电离.施主电离前不带电,电离后带正电.例如,在Si 中掺P,P 为Ⅴ族元素,本征半导体Si 为Ⅳ族元素,P 掺入Si 中后,P 的最外层电子有四个与Si 的最外层四个电子配对成为共价电子,而P 的第五个外层电子将受到热激发挣脱原子实的束缚进入导带成为自由电子.这个过程就是施主电离.n 型半导体的能带图如图所示:其费米能级位于禁带上方. 什么叫受主?什么叫受主电离?受主电离前后有何特征?试举例说明之,并用能带图表征出p 型半导体.解:半导体中掺入受主杂质后，受主电离后将成为带负电的离子,并同时向价带提供空穴,这种杂质就叫受主.受主电离成为带负电的离子（中心）的过程就叫受主电离.受主电离前带不带电,电离后带负电.例如,在Si 中掺B,B 为Ⅲ族元素,而本征半导体Si 为Ⅳ族元素,P 掺入B 中后,B 的最外层三个电子与Si 的最外层四个电子配对成为共价电子,而B 倾向于接受一个由价带热激发的电子.这个过程就是受主电离.p 型半导体的能带图如图所示:其费米能级位于禁带下方.掺杂半导体与本征半导体之间有何差异?试举例说明掺杂对半导体的导电性能的影响.解:在纯净的半导体中掺入杂质后,可以控制半导体的导电特性.掺杂半导体又分为n 型半导体和p 型半导体.例如,在常温情况下,本征Si 中的电子浓度和空穴浓度均为1.5╳1010cm -3.当在Si 中掺入1.0╳1016cm -3 后,半导体中的电子浓度将变为1.0╳1016cm -3,而空穴浓度将近似为2.25╳104cm -3.半导体中的多数载流子是电子,而少数载流子是空穴.两性杂质和其它杂质有何异同?解:两性杂质是指在半导体中既可作施主又可作受主的杂质.如Ⅲ-Ⅴ族GaAs 中掺Ⅳ族Si.如果Si 替位Ⅲ族As,则Si 为施主;如果Si 替位Ⅴ族Ga,则Si 为受主.所掺入的杂质具体是起施主还是受主与工艺有关.深能级杂质和浅能级杂质对半导体有何影响?解:深能级杂质在半导体中起复合中心或陷阱的作用.浅能级杂质在半导体中起施主或受主的作用.何谓杂质补偿?杂质补偿的意义何在?当半导体中既有施主又有受主时,施主和受 画出Si 和GaAs 的能带结构简图，并分析其能带结构特点Ge 、Si: a ）Eg (Si ：0K) = 1.21eV ；Eg (Ge ：0K) = 1.170eV ； b ）间接能隙结构c ）禁带宽度E g 随温度增加而减小； GaAs ： a ）E g （300K ）= 1.428eV ，Eg (0K) = 1.522eV ；b ）直-4段温度很低，本征激发可忽略。 半导体接触形成阻 其接触后的能带图如图
半导体材料课程教学大纲
半导体材料课程教学大纲 一、课程说明 （一）课程名称：半导体材料 所属专业：微电子科学与工程 课程性质：专业限选 学分： 3 （二）课程简介：本课程重点介绍第一代和第二代半导体材料硅、锗、砷化镓等的制备基本原理、制备工艺和材料特性，介绍第三代半导体材料氮化镓、碳化硅及其他半导体材料的性质及制备方法。 目标与任务：使学生掌握主要半导体材料的性质以及制备方法，了解半导体材料最新发展情况、为将来从事半导体材料科学、半导体器件制备等打下基础。 （三）先修课程要求：《固体物理学》、《半导体物理学》、《热力学统计物理》； 本课程中介绍半导体材料性质方面需要《固体物理学》、《半导体物理学》中晶体结构、能带理论等章节作为基础。同时介绍材料生长方面知识时需要《热力学统计物理》中关于自由能等方面的知识。 （四）教材：杨树人《半导体材料》 主要参考书：褚君浩、张玉龙《半导体材料技术》 陆大成《金属有机化合物气相外延基础及应用》 二、课程内容与安排 第一章半导体材料概述 第一节半导体材料发展历程 第二节半导体材料分类 第三节半导体材料制备方法综述 第二章硅和锗的制备 第一节硅和锗的物理化学性质 第二节高纯硅的制备 第三节锗的富集与提纯
第三章区熔提纯 第一节分凝现象与分凝系数 第二节区熔原理 第三节锗的区熔提纯 第四章晶体生长 第一节晶体生长理论基础 第二节熔体的晶体生长 第三节硅、锗单晶生长 第五章硅、锗晶体中的杂质和缺陷 第一节硅、锗晶体中杂质的性质 第二节硅、锗晶体的掺杂 第三节硅、锗单晶的位错 第四节硅单晶中的微缺陷 第六章硅外延生长 第一节硅的气相外延生长 第二节硅外延生长的缺陷及电阻率控制 第三节硅的异质外延 第七章化合物半导体的外延生长 第一节气相外延生长（VPE） 第二节金属有机物化学气相外延生长（MOCVD） 第三节分子束外延生长（MBE） 第四节其他外延生长技术 第八章化合物半导体材料（一）：第二代半导体材料 第一节 GaAs、InP等III-V族化合物半导体材料的特性第二节 GaAs单晶的制备及应用 第三节 GaAs单晶中杂质控制及掺杂 第四节 InP、GaP等的制备及应用 第九章化合物半导体材料（二）：第三代半导体材料 第一节氮化物半导体材料特性及应用 第二节氮化物半导体材料的外延生长 第三节碳化硅材料的特性及应用 第十章其他半导体材料
半导体物理
半导体物理思考题 第一章半导体中的电子状态 1、为什么内壳层电子能带窄，外层电子能带宽？ 答：内层电子处于低能态，外层电子处于高能态，所以外层电子的共有化运动能力强，因此能带宽。（原子的内层电子受到原子核的束缚较大，与外层电子相比，它们的势垒强度较大。） 2、为什么点阵间隔越小，能带越宽？ 答：点阵间隔越小，电子共有化运动能力越强，能带也就越宽。3、简述半导体的导电机构 答：导带中的电子和价带中的空穴都参与导电。 4、什么是本征半导体、n型半导体、p型半导体？ 答：纯净晶体结构的半导体称为本征半导体；自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体称为n型半导体；空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体称为p型半导体。 5、什么是空穴？电子和空穴的异同之处是什么？ 答：（1）在电子脱离价键的束缚而成为自由电子后，价键中所留下的空位叫空穴。 （2）相同点：在真实空间的位置不确定；运动速度一样；数量 一致(成对出现)。 不同点：有效质量互为相反数；能量符号相反；电子带负 电，空穴带正电。
6、为什么发光器件多半采用直接带隙半导体来制作？ 答：直接带隙半导体中载流子的寿命很短，同时，电子和空穴只要一相遇就会发生复合，这种直接复合可以把能量几乎全部以光的形式放出，因此发光效率高。 7、半导体的五大基本特性 答：(1)负电阻温度效应：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。 第二章半导体中杂质和缺陷能级 1、简述实际半导体中杂质与缺陷来源。 答：①原材料纯度不够；②制造过程中引入；③人为控制掺杂。 2、什么是点缺陷、线缺陷、面缺陷？ 答：（1）点缺陷：三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷； （2）线缺陷：三维空间中在二维方向上尺寸较小，在另一维方 向上尺寸较大的缺陷； （3）面缺陷：二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。 3、点缺陷类型有哪些？ 答：①空位；②基质原子的填隙；③杂质原子的填隙与替位。
半导体物理学期末复习试题及答案一
1.与绝缘体相比，半导体的价带电子激发到导带所需要的能量 （ B ）。 A. 比绝缘体的大 B.比绝缘体的小 C. 和绝缘体的相同 2.受主杂质电离后向半导体提供（ B ），施主杂质电离后向半 导体提供（ C ），本征激发向半导体提供（ A ）。 A. 电子和空穴 B.空穴 C. 电子 3.对于一定的N型半导体材料，在温度一定时，减小掺杂浓度，费 米能级会（ B ）。 A.上移 B.下移 C.不变 4.在热平衡状态时，P型半导体中的电子浓度和空穴浓度的乘积为 常数，它和（ B ）有关 A.杂质浓度和温度 B.温度和禁带宽度 C.杂质浓度和禁带宽度 D.杂质类型和温度 5.MIS结构发生多子积累时，表面的导电类型与体材料的类型 （ B ）。 A.相同 B.不同 C.无关 6.空穴是( B )。 A.带正电的质量为正的粒子 B.带正电的质量为正的准粒子 C.带正电的质量为负的准粒子 D.带负电的质量为负的准粒子 7.砷化稼的能带结构是（ A ）能隙结构。 A. 直接 B.间接 8.将Si掺杂入GaAs中，若Si取代Ga则起（ A ）杂质作
用，若Si 取代As 则起（ B ）杂质作用。 A. 施主 B. 受主 C. 陷阱 D. 复合中心 9. 在热力学温度零度时，能量比F E 小的量子态被电子占据的概率为 （ D ），当温度大于热力学温度零度时，能量比F E 小的 量子态被电子占据的概率为（ A ）。 A. 大于1/2 B. 小于1/2 C. 等于1/2 D. 等于1 E. 等于0 10. 如图所示的P 型半导体MIS 结构 的C-V 特性图中，AB 段代表 （ A ），CD 段代表（B ）。 A. 多子积累 B. 多子耗尽 C. 少子反型 D. 平带状态 11. P 型半导体发生强反型的条件（ B ）。 A. ???? ??=i A S n N q T k V ln 0 B. ??? ? ??≥i A S n N q T k V ln 20 C. ???? ??=i D S n N q T k V ln 0 D. ??? ? ??≥i D S n N q T k V ln 20 12. 金属和半导体接触分为：（ B ）。 A. 整流的肖特基接触和整流的欧姆接触 B. 整流的肖特基接触和非整流的欧姆接触 C. 非整流的肖特基接触和整流的欧姆接触 D. 非整流的肖特基接触和非整流的欧姆接触 13. 一块半导体材料，光照在材料中会产生非平衡载流子，若光照
半导体材料
半导体 维基百科，自由的百科全书跳转到：导航, 搜索 汉漢▼ 显示↓
在纯硅中掺入少许的硼（最外层有三个电子），就反而少了一个电子，而形成一个电洞（hole），这样就形成P型半导体少了一个带负电荷的电子，可视为多了一个正电荷）。 目录 [隐藏] ?1概观 ?2半导体的能带结构 o 2.1能量-动量色散 ?3载子的产生与复合 ?4半导体的掺杂 o 4.1掺杂物 o 4.2载子浓度 o 4.3掺杂对半导体能带结构的影响 ?5半导体材料的制造 ?6应用 ?7延伸阅读 o7.1材料 o7.2物理学 o7.3工业 ?8参考资料 ?9相关条目 ?10外部链接 o10.1半导体行业网站
[
Diamantstruktur Diamantstruktur Zinkblendestruktur (Elementarzelle)
（Pauli exclusion principle），同一个量子态内不能有两个电子，已经被填满的能带无法导电，因为该能带内的所有量子态都已经被电子占据，所以半导体材料的传导带不会被电子占满，让电子可以在其中的量子态间移动。 费米-狄拉克分布。 在价带内的电子获得能量后便可跃升到传导带，而这便会在价带内留下一个空缺，也就是所谓的“电洞”（electron holes）。传导带中的电子和价带中的电洞都对电流传递有贡献，电洞本身不会移动，但是其它电子可以移动到这个电洞上面，等效于电洞本身往反方向移动。相对于带负电的电子，电洞的电性为正电。 由化学键结的观点来看，获得足够能量、进入传导带的电子也等于有足够能量可以打破电子与固体原子间的共价键（covalent bonds），而变成自由电子，进而对电流传导做出贡献。 半导体和导体之间有个显著的不同是半导体的电流传导同时来自电流与电洞的贡献，而导体的费米能阶（Fermi level）则已经在传导带内，因此电子不需要很大的能量即可找到空缺的量子态供其跳跃、造成电流传导。 固体材料内的电子能量分布遵循费米-狄拉克分布（Fermi-Dirac Distribution）。在绝对零度时，材料内电子的最高能量即为费米能阶，当温度高于绝对零度时，费米能阶为所有能阶中，被电子占据机率等于0.5的能阶。半导体材料内电子能量分布为温度的函数也使其导电特性受到温度很大的影响，当温度很低时，可以跳到传导带的电子较少，因此导电性也会变得较差。 [编辑]能量-动量色散 上述关于能带结构的内容为了简化，因此跳过了一个重要的现象，称为“能量的色散”（dispersion of energy）。同一个能带内之所以会有不同能量的量子态，原因是能带的电
半导体材料的发展现状与趋势
半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构为特征的固态量子器件和电路的新时代，并极有可能触发新的技术革命。半导体微电子和光电子材料已成为21世纪信息社会的二大支柱高技术产业的基础材料。它的发展对高速计算、大容量信息通信、存储、处理、电子对抗、武器装备的微型化与智能化和国民经济的发展以及国家的安全等都具有非常重要的意义。 一、几种重要的半导体材料的发展现状与趋势 1.硅单晶材料 硅单晶材料是现代半导体器件、集成电路和微电子工业的基础。目前微电子的器件和电路，其中有90％到95％都是用硅材料来制作的。那么随着硅单晶材料的进一步发展，还存在着一些问题亟待解决。硅单晶材料是从石英的坩埚里面拉出来的，它用石墨作为加热器。所以，来自石英里的二氧化硅中氧以及加热器的碳的污染，使硅材料里面包含着大量的过饱和氧和碳杂质。过饱和氧的污染，随着硅单晶直径的增大，长度的加长，它的分布也变得不均匀；这就是说材料的均匀性就会遇到问题。杂质和缺陷分布的不均匀，会使硅材料在进一步提高电路集成度应用的时候遇到困难。特别是过饱和的氧，在器件和电路的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，它有着很好的应用前景。当然还有以硅材料为基础的SOI材料，也就是半导体/氧化物/绝缘体之意，这种材料在空间得到了广泛的应用。总之，从提高集成电路的成品率，降低成本来看的话，增大硅单晶的直径，仍然是一个大趋势；因为，只有材料的直径增大，电路的成本才会下降。我们知道硅技术有个摩尔定律，每隔18个月它的集成度就翻一番，它的价格就掉一半，价格下降是同硅的直径的增大密切相关的。在一个大圆片上跟一个小圆片上，工艺加工条件相同，但出的芯片数量则不同；所以说，增大硅的直径，仍然是硅单晶材料发展的一个大趋势。那我们从提高硅的
半导体物理知识点总结
半导体物理知识点总结 本章主要讨论半导体中电子的运动状态。主要介绍了半导体的几种常见晶体结构，半导体中能带的形成，半导体中电子的状态和能带特点，在讲解半导体中电子的运动时，引入了有效质量的概念。阐述本征半导体的导电机构，引入了空穴散射的概念。最后，介绍了Si、Ge和GaAs的能带结构。 在1.1节，半导体的几种常见晶体结构及结合性质。（重点掌握）在1.2节，为了深入理解能带的形成，介绍了电子的共有化运动。介绍半导体中电子的状态和能带特点，并对导体、半导体和绝缘体的能带进行比较，在此基础上引入本征激发的概念。（重点掌握）在1.3节，引入有效质量的概念。讨论半导体中电子的平均速度和加速度。（重点掌握）在1.4节，阐述本征半导体的导电机构，由此引入了空穴散射的概念，得到空穴的特点。（重点掌握）在1.5节，介绍回旋共振测试有效质量的原理和方法。（理解即可）在1.6节，介绍Si、Ge的能带结构。（掌握能带结构特征）在1.7节，介绍Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带结构，主要了解GaAs的能带结构。（掌握能带结构特征）本章重难点： 重点： 1、半导体硅、锗的晶体结构（金刚石型结构）及其特点； 三五族化合物半导体的闪锌矿型结构及其特点。 2、熟悉晶体中电子、孤立原子的电子、自由电子的运动有何不同：孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中运动，自由电子是在恒定为零的势场中运动，而晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动（共有化运动），单电子近似认为，晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格周期相同。 3、晶体中电子的共有化运动导致分立的能级发生劈裂，是形成半导体能带的原因，半导体能带的特点： ①存在轨道杂化，失去能级与能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带，上能带称为导带，下能带称为价带②低温下，价带填满电子，导带全空，高温下价带中的一部分电子跃迁到导带，使晶体呈现弱导电性。
半导体物理学第七版完整答案修订版
半导体物理学第七版完 整答案修订版 IBMT standardization office【IBMT5AB-IBMT08-IBMT2C-ZZT18】
第一章习题 1．设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E V (k) 分别为： E C （K ）=0 2 20122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V - =-+ （1）禁带宽度; （2）导带底电子有效质量; （3）价带顶电子有效质量; （4）价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化 解：（1） 2. 晶格常数为0.25nm 的一维晶格，当外加102V/m ，107 V/m 的电场时，试分别计算电子 自能带底运动到能带顶所需的时间。 解：根据：t k h qE f ??== 得qE k t -?=? 补充题1 分别计算Si （100），（110），（111）面每平方厘米内的原子个数，即原子面密度（提 示：先画出各晶面内原子的位置和分布图） Si 在（100），（110）和（111）面上的原子分布如图1所示：
（a ）(100)晶面 （b ）(110)晶面 （c ）(111)晶面 补充题2 一维晶体的电子能带可写为)2cos 81 cos 8 7()22ka ka ma k E +-= （， 式中a 为 晶格常数，试求 （1）布里渊区边界； （2）能带宽度； （3）电子在波矢k 状态时的速度； （4）能带底部电子的有效质量* n m ； （5）能带顶部空穴的有效质量*p m 解：（1）由 0)(=dk k dE 得 a n k π = （n=0，?1，?2…） 进一步分析a n k π ) 12(+= ，E （k ）有极大值， a n k π 2=时，E （k ）有极小值
半导体材料的发展现状与趋势
半导体材料的发展现状与趋势
半导体材料与器件发展趋势总结 材料是人类社会发展的物质基础与先导。每一种重大新材料的发现和应用都把人类支配自然的能力提高到一个全新的高度。材料已成为人类发晨的里程碑。本世纪中期单晶硅材料和半导体晶体管的发明及其硅集成电路的研究成功，导致了电子工业大革命。使微电子技术和计算机技术得到飞速发展。从20世纪70年代的初期，石英光纤材料和光学纤维的研制成功，以及GaAs 等Ⅲ-Ⅴ族化合物的材料的研制成功与半导体激光器的发明，使光纤通信成为可能，目前光纤已四通八达。我们知道，每一束光纤，可以传输成千上万甚至上百万路电话，这与激光器的发明以及石英光纤材料、光纤技术的发展是密不可分的。超晶格概念的提出MBE、MOCVD先进生长技术发展和完善以及超品格量子阱材料包括一维量子线、零维量子点材料的研制成功。彻底改变了光电器件的设计思想。使半导体器件的设计与制造从过去的杂质工程发展到能带工程。出现了以“电学特性和光学特性的剪裁”为特征的新范畴，使人类跨入到以量子效应为基础和低维结构
的制作过程中，它要发生沉淀，沉淀时的体积要增大，会导致缺陷产生，这将直接影响器件和电路的性能。因此，为了克服这个困难，满足超大规模集成电路的集成度的进一步提高，人们不得不采用硅外延片，就是说在硅的衬底上外延生长的硅薄膜。这样，可以有效地避免氧和碳等杂质的污染，同时也会提高材料的纯度以及掺杂的均匀性。利用外延方法，还可以获得界面非常陡、过渡区非常窄的结，这样对功率器件的研制和集成电路集成度进一步提高都是非常有好处的。这种材料现在的研究现状是6英寸的硅外延片已用于工业的生产，8英寸的硅外延片，也正在从实验室走向工业生产；更大直径的外延设备也正在研制过程中。 除此之外，还有一些大功率器件，一些抗辐照的器件和电路等，也需要高纯区熔硅单晶。区熔硅单晶与直拉硅单晶拉制条件是不一样的，它在生长时，不与石英容器接触，材料的纯度可以很高；利用这种材料，采用中子掺杂的办法，制成N或P型材料，用于大功率器件及电路的研制，特别是在空间用的抗辐照器件和电路方面，
(完整版)半导体物理知识点及重点习题总结
基本概念题： 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缘体之间的材料，其导带在绝对零度时全空，价带全满，禁带宽度较绝缘体的小许多。 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E-k关系，从而系统地建立起该理论。 单电子近似： 将晶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题简化为单体问题。 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。 1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法 答案： 克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型，如下图所示 利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式，进而确定波函数并给出E-k关系。由此得到的能量分布在k空间上是周期函数，而且某些能量区间能级是准连续的（被称为允带），另一些区间没有电子能级（被称为禁带）。从而利用量子力学的方法解释了能带现象，因此该模型具有重要的物理意义。 1.2导带与价带 1.3有效质量 有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。它概括了周期性势场对载流子运动的影响，从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。其大小由晶体自身的E-k
半导体物理知识点梳理
半导体物理考点归纳 一· 1.金刚石 1) 结构特点： a. 由同类原子组成的复式晶格。其复式晶格是由两个面心立方的子晶格彼此沿其空间对角线位移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. 一个晶体学晶胞内有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. 属共价键晶体，但有不同的离子性。 2) 代表性半导体：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，称为电子的共有化运动。 4.布洛赫波： 晶体中电子运动的基本方程为： ，K 为波矢，uk(x)为一个与晶格同周期的周期性函数， 5.布里渊区： 禁带出现在k=n/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:－1/2a 一．填空题 1．能带中载流子的有效质量反比于能量函数对于波矢的_________，引入有效质量的意义在于其反映了晶体材料的_________的作用。（二阶导数，内部势场） 2．半导体导带中的电子浓度取决于导带的_________（即量子态按能量如何分布）和_________（即电子在不同能量的量子态上如何分布）。（状态密度，费米分布函数） 3．两种不同半导体接触后, 费米能级较高的半导体界面一侧带________电，达到热平衡后两者的费米能级________。（正，相等） 4．半导体硅的价带极大值位于空间第一布里渊区的中央，其导带极小值位于________方向上距布里渊区边界约0.85倍处，因此属于_________半导体。（[100]，间接带隙） 5．间隙原子和空位成对出现的点缺陷称为_________；形成原子空位而无间隙原子的点缺陷称为________。（弗仑克耳缺陷，肖特基缺陷） 6．在一定温度下，与费米能级持平的量子态上的电子占据概率为_________，高于费米能级2kT能级处的占据概率为_________。（1/2，1/1+exp(2)） 7．从能带角度来看，锗、硅属于_________半导体，而砷化稼属于_________半导体，后者有利于光子的吸收和发射。（间接带隙，直接带隙） 8．通常把服从_________的电子系统称为非简并性系统，服从_________的电子系统称为简并性系统。（玻尔兹曼分布，费米分布） 9. 对于同一种半导体材料其电子浓度和空穴浓度的乘积与_________有关，而对于不同的半导体材料其浓度积在一定的温度下将取决于_________的大小。（温度，禁带宽度） 10. 半导体的晶格结构式多种多样的，常见的Ge和Si材料，其原子均通过共价键四面体相互结合，属于________结构；与Ge和Si晶格结构类似，两种不同元素形成的化合物半导体通过共价键四面体还可以形成_________和纤锌矿等两种晶格结构。（金刚石，闪锌矿） 11.如果电子从价带顶跃迁到导带底时波矢k不发生变化，则具有这种能带结构的半导体称为_________禁带半导体，否则称为_________禁带半导体。（直接，间接） 12. 半导体载流子在输运过程中，会受到各种散射机构的散射，主要散射机构有_________、 _________ 、中性杂质散射、位错散射、载流子间的散射和等价能谷间散射。（电离杂质的散射，晶格振动的散射） 13. 半导体中的载流子复合可以有很多途径，主要有两大类：_________的直接复合和通过禁带内的_________进行复合。（电子和空穴，复合中心） 半导体材料的分类及应用 能源、材料与信息被认为是当今正在兴起的新技术革命的三大支柱。材料方面, 电子材料的进展尤其引人注目。以大规模和超大规模集成电路为核心的电脑的问世极大地推动了现代科学技术各个方面的发展,一个又一个划时代意义的半导体生产新工艺、新材料和新仪器不断涌现, 并迅速变成生产力和生产工具, 极大地推动了集成电路工业的高速发展。半导体数字集成电路、模拟集成电路、存储器、专用集成电路和微处理器, 无论是在集成度和稳定可靠性的提高方面, 还是在生产成本不断降低方面都上了一个又一个新台阶,有力地促进了人类在生物工程、航空航天、工业、农业、商业、科技、教育、卫生等领域的全面发展, 也大大地方便和丰富了人们的日常生活。半导体集成电路的发展水平, 是衡量一个国家的经济实力和科技进步的主要标志之一, 然而半导体材料又是集成电路发展的一个重要基石。“半体体材料”作为电子材料的代表, 在生产实践的客观需求刺激下, 科技工作者已经发现了数以千计的具有半导体特性的材料, 并正在卓有成效在研究、开发和利用各种具有特殊性能的材料。 1 元素半导体 周期表中有12 种具有半导体性质的元素( 见下表) 。但其中S、P、As、Sb 和I 不稳定, 易发挥; 灰Sn 在室温下转变为白Sn, 已金属; B、C 的熔点太高, 不易制成单晶; T e 十分稀缺。这样只剩下Se、Ge 和Si 可供实用。半导体技术的早期( 50 年代以前) 。 表1 具有半导体性质的元素 周期ⅢA ⅣA ⅤA ⅥA ⅦA B C S i P S Ge As S e S n Sb Te I Se 曾广泛地用作光电池和整流器, 晶体管发明后,Ge 迅速地兴起, 但很快又被性能更好的Si 所取代。现在Se 在非晶半导体器件领域还保留一席之地, Ge 在若干种分立元件( 低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器等) 中还被应用, 而Si 则一直是半导体工作的主导材料, 这种情况预计到下个世纪初也不会改变。Si 能成为主角的原因是: 含量极其丰富( 占地壳的27%) , 提纯与结晶方便; 禁带宽度1. 12eV, 比Ge 的0. 66eV 大, 因而Si 器件工作温度高; 更重要的是SiO2 膜的纯化和掩蔽作用, 纯化作用使器件的稳定性与可靠性大为提高,掩蔽作用使器件的制和实现了平面工艺, 从而实现了大规模自动化的工业生产和集成化, 使半导体分立器件和集成电路以其低廉的价格和卓越的性能迅速取代了电子管, 微电子学取代了真空电子学, 微电子工程成为当代产业中的一支生力军。据报导, 1995 年世界半导体器件销售额为1464 亿美元, 硅片销费量约为30. 0 亿平方英寸, 1996 年市场规模为1851 亿美元, 增长了26. 4%, 消费硅片则达33. 46 亿平方英寸。 硅材料分为多晶硅, 单晶硅和非晶硅。单晶硅分为直拉单晶硅( CZ) 、区熔单晶硅( FZ) 和外延单晶硅片( EPI) 。其中, CZ 单晶 第一章、 半导体中的电子状态习题 1-1、 什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？试定性说 明之。 1-2、 试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。 1-3、试指出空穴的主要特征。 1-4、简述Ge 、Si 和GaAS 的能带结构的主要特征。 1-5、某一维晶体的电子能带为 [])sin(3.0)cos(1.01)(0ka ka E k E --= 其中E 0=3eV ，晶格常数a=5х10-11m 。求： （1） 能带宽度； （2） 能带底和能带顶的有效质量。 题解： 1-1、 解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（≥E g ）被激发到导带成 为导电电子的过程就是本征激发。其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。如果温度升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。 1-2、 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。温 度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。反之，温度降低，将导致禁带变宽。因此，Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数。 1-3、 解：空穴是价带中未被电子占据的空量子态，被用来描述半满带中的大量 电子的集体运动状态，是准粒子。主要特征如下： A 、荷正电：+q ； B 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）； C 、E P =-E n D 、m P *=-m n *。 1-4、 解： （1） Ge 、Si: a ）Eg (Si ：0K) = 1.21eV ；Eg (Ge ：0K) = 1.170eV ； b ）间接能隙结构 c ）禁带宽度E g 随温度增加而减小； （2） GaAs ： a ）E g （300K ）= 1.428eV ，Eg (0K) = 1.522eV ； b ）直接能隙结构； c ）Eg 负温度系数特性： dE g /dT = -3.95×10-4eV/K ； 1-5、 解： （1） 由题意得： [][] )sin(3)cos(1.0)cos(3)sin(1.002 22 0ka ka E a k d dE ka ka aE dk dE +=-=半导体物理学题库讲解
半导体材料的分类及应用
半导体物理(刘恩科)--详细归纳总结