最新半导体物理复习提纲知识讲解

基础知识

1.导体，绝缘体和半导体的能带结构有什么不同?并以此说明半导体的导电机理（两种载流⼦参与导电）与⾦属有何不同？

导体能带中⼀定有不满带；绝缘体能带中只有满带和空带，禁带宽度较宽⼀般⼤于2eV；半导体T=0 K时，能带中只有满带和空带，T>0 K时，能带中有不满带，禁带宽度较⼩，⼀般⼩于2eV。（能带状况会发⽣变化）

半导体的导带没有电⼦，但其价带中电⼦吸收能量，会跃迁⾄导带，价带中也会剩余空⽳。在外电场的情况下，跃迁到导带中的电⼦和价带中的空⽳都会参与导电。⽽⾦属中价带电⼦是⾮满带，在外场的作⽤下直接产⽣电流。2.什么是空⽳?它有哪些基本特征?以硅为例，对照能带结构和价键结构图理解空⽳概念。当满带附近有空状态k’时，整个能带中的电流，以及电流在外场作⽤下的变化，完全如同存在⼀个带正电荷e和具有正有效质量|m n* | 、速度为v（k’）的粒⼦的情况⼀样，这样假想的粒⼦称为空⽳。

3.半导体材料的⼀般特性。（1）电阻率介于导体与绝缘体之间

（2）对温度、光照、电场、磁场、湿度等敏感（3）性质与掺杂密切相关

4.费⽶统计分布与玻⽿兹曼统计分布的主要差别是什么？什么情况下费⽶分布函数可以转化为玻⽿兹曼函数？为什么通常情况下，半导体中载流⼦分布都可以⽤玻⽿兹曼分布来描述？

麦克斯韦-玻尔兹曼统计的粒⼦是可分辨的；费⽶-狄拉克统计的粒⼦不可分辨，⽽且每个状态只可能占据⼀个粒⼦。低掺杂半导体中载流⼦遵循玻尔兹曼分布，称为⾮简并性系统；⾼掺杂半导体中载流⼦遵循费⽶分布，称为简并性系统。费⽶分布：玻尔兹曼分布：

空⽳分布函数：（能态E不被电⼦占据的⼏率）当时有，所以，则费⽶分布函数转化为，即玻尔兹曼分布。

半导体中常见费⽶能级位于禁带中，满⾜的条件，因此导带和价带中的所有量⼦态来说，电⼦和空⽳都可以⽤玻尔兹曼分布描述。

5.由电⼦能带图中费⽶能级的位置和形态（如，⽔平、倾斜、分裂），分析半导体材料特性。

靠近费⽶能级的能带上的载流⼦远⼤于远离费⽶能级那边，因此将该能带上的载流⼦称为多数载流⼦简称多⼦。反之则为少数载流⼦，简称少⼦。

受热不均匀时，费⽶能级产⽣倾斜，导致电⼦从能量⾼的⼀侧流向能量低的⼀侧。费⽶能级分裂时，有⾮平衡载流⼦产⽣。6.何谓准费⽶能级？它和费⽶能级的区别是什么？

当外界有⼤能量注⼊，或很多载流⼦注⼊时，载流⼦数量会发⽣突然的变化。不在遵循费⽶分布，费⽶能级暂时失灵，将这种情形下的载流⼦称为⾮平衡载流⼦。⾮平衡态下，统⼀的费⽶能级分裂为导带费⽶能级和价带费⽶能级，称其为准费⽶能级7.⽐较Si，Ge，GaAs能带结构的特点，并说明各⾃在不同器件中应⽤的优势。锗、硅的导带在简约布⾥渊区分别存在四个（8个半个的椭球等能⾯）和六个能量最⼩值，导带电⼦主要分布在这些极值附件，称为锗、硅的导带具有多能⾕结构。硅和锗的导带底和价带顶在k空间处于不同的k值，电⼦跃迁时伴随着声⼦的发射和吸收，称为间接带隙半导体。适⽤于制作半导体器件。

砷化镓的导带底和价带顶位于k空间的同⼀k值，电⼦发⽣跃迁时，仅电⼦的能量发⽣变化，称为直接带隙半导体。⽤于制备发光器件时，其内部量⼦效率较⾼。8.重空⽳，轻空⽳的概念。

当存在极⼤值相重合的两个价带时，外能带曲率⼩，对应的有效质量⼤，称该能带中的空⽳为重空⽳；内能带曲率⼤，对应的有效质量⼩，称该能带中的空⽳为轻空⽳。

9.有效质量、状态密度有效质量、电导有效质量概念。

有效质量概括了半导体内部势场的作⽤，使得我们在解决电⼦的运动规律时不涉及内部势场作⽤。有效质量：电导有效质量：状态密度有效质量：

导带底电⼦能态密度有效质量：：价带顶空⽳能态密度有效质量：10.什么是本征半导体和本征激发？

本征半导体：没有杂质和缺陷的纯净半导体。

本征激发：T>0K时，电⼦通过热运动从价带激发到导带，同时价带中产⽣空⽳。11.何谓施主杂质和受主杂质？浅能级杂质与深能级杂质?各⾃的作⽤。施主杂质：电离时能够释放电⼦⽽产⽣导电电⼦，并形成正电中⼼的杂质。受主杂质：电离时能够获取电⼦⽽产⽣导电空⽳，并形成负电中⼼的杂质。

浅能级杂质：电离能⼩的杂质称为浅能级杂质。所谓浅能级，是指施主能级靠近导带底，受主能级靠近价带顶。可以通过控制掺杂杂质数量控制载流⼦数量，并可以通过补偿掺杂进⾏追加式的浓度控制。

深能级杂质：⾮III、V族元素在硅、锗的禁带中产⽣的施主能级距离导带底较远和受主能级距离价带顶较远，形成深能级，称为深能级杂质。深能级能起到减少⾮平衡载流⼦寿命的作⽤。12.何谓杂质补偿？举例说明有何实际应⽤。

半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，施主和受主之间有相互抵消的作⽤。利⽤杂质的补偿作⽤，根据扩散或离⼦注⼊的⽅法来改变半导体某⼀区域的导电类型，制成各种器件。在⼀块n型半导体基⽚的⼀侧掺⼊较⾼浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作⽤，该区就成为ｐ型半导体。13.⾦原⼦的带电状态与浅能级杂质的关系？不容易电离，对载流⼦浓度影响不⼤。

深能级杂质能够产⽣多次电离，每次电离均对应⼀个能级,甚⾄既产⽣施主能级也产⽣受主能级。深能级杂质的复合作⽤⽐浅能级杂质强，可作为复合中⼼。

14.画出（a）本征半导体、（b）n型半导体、（c）p型半导体的能带图，标出费⽶能级、导带底、价带顶、施主能级和受主能级的位置

15.重掺杂的半导体其能带结构会发⽣何种变化？

在重掺杂的简并半导体中，杂质浓度很⾼。杂质原⼦相互靠近，被杂质原⼦束缚的电⼦的波函数显著重叠，这时电⼦作共有化运动。那么，杂质能级扩展为杂质能带。

杂质能带中的电⼦，可以通过杂质原⼦间共有化运动参加导电---杂质带导电。

⼤量杂质中⼼的电势会影响晶体周期势场，从⽽对能带产⽣扰动，使得在禁带中靠近导带或价带处出现带尾。当杂质能带展宽，并与导带底或价带顶连接上时，相当于禁带宽度变窄。16.何谓⾮简并半导体、简并半导体？简并化条件？⾮简并半导体：可⽤玻尔兹曼分布近似费⽶分布的半导体。简并半导体：不可⽤玻尔兹曼分布近似费⽶分布的半导体。当掺杂浓度很⾼时，会使E F接近或进⼊了导带—半导体简并化了。E C-E F>2k0T ⾮简并0

E C-E F<0 简并

17.写出热平衡时，⾮简并半导体n0、p0、n D+、p A-的表达式，n0、p0⽤n i表⽰的表达式。

18.n型、p 型（包括同时含有施主和受主杂质）半导体的电中性⽅程。

19.解释载流⼦浓度随温度的变化关系，并说明为什么⾼温下半导体器件⽆法⼯作。低温时半导体获得能量⼩于杂质电离能，杂质电离不充分。

中温时杂质完全电离，本征激发未开始，载流⼦浓度较稳定。

⾼温时始本征激发占主导作⽤，⼤量电离。本征激发产⽣的载流⼦远多于杂质电离产⽣的载流⼦，半导体器件失去控制。

20.温度、杂质浓度对费⽶能级位置的影响。n型半导体费⽶能级靠近导带底。p型半导体费⽶能级靠近价带顶。

随着温度升⾼，⽆论n型还是p型半导体都将转变为（⾼温）本征半导体，从⽽半导体中费⽶能级随着温度的升⾼逐渐趋近于禁带中央。

21.热平衡态、⾮平衡态、稳态概念.

热平衡态：，没有外界作⽤，电⼦的复合率等于热产⽣率。

⾮平衡态：在外界作⽤下，热平衡条件被破坏，偏离了热平衡状态，称为⾮平衡状态稳态：外界能量恒定时为稳态。22.⾮平衡状态下载流⼦浓度表达式（⽤准费⽶能级表⽰），⽐较平衡与⾮平衡下电⼦浓度n 和空⽳浓度p的乘积。

载流⼦的各种运动

1.何谓直接复合？间接复合？

直接复合：导带电⼦直接跃迁到价带与空⽳复合。间接复合：通过位于禁带中的杂质或缺陷能级的中间过渡。

2.推导直接复合的⾮平衡载流⼦寿命公式，从直接复合的⾮平衡载流⼦寿命公式出发说明⼩注⼊条件下，寿命为定值。复合率：R=rnp产⽣率：G=rn0p0

净复合率：U d=R-G=r(np-n0p0)

将n= n0+Δn、p= p0+Δp代⼊得：U d= r(n0+p0)Δp+r(Δp)2⾮平衡载流⼦寿命：τ=

⼩注⼊情况下Δp(n0+p0)，则有：τ=

3.了解间接复合的净复合率公式中各参量代表的意义，并从间接复合的净复合率公式出发说明深能级是最有效的复合中⼼。

时双曲函数有最⼩值，此时净复合率U取最⼤值，⾮平衡载流⼦的寿

命达到极⼩值。这意味着复合中⼼能级E t的位置越靠近禁带中央，复合中⼼的复合作⽤越强。因此，通过掺⼊深能级杂质来降低⾮平衡载流⼦寿命是确实有效的。

4.已知间接复合的⾮平衡载流⼦寿命公式的⼀般形式，会化简不同费⽶能级位置下的寿命公式。

強n型区（E t< E F< E c）：弱n型区（E i< E F< E t）：弱p型区（E t< E F< E i）：强p型区（E V< E F

5.半导体的主要散射机制？温度对它们的影响，原因？

晶格振动（声⼦）散射：，温度升⾼散射增加。温度越⾼电⼦热运动速度越⼤或者声⼦数⽬越多，电⼦遭声学波声⼦散射的概率越⼤。

电离杂质散射：，温度升⾼散射减少。温度越⾼载流⼦热运动的平均速度越⼤，于是可以很快掠过杂质中⼼，偏转⼩，受到电离杂质的影响⼩。

对于杂质半导体，温度低时，电离杂质散射起主要作⽤；温度⾼时，晶格振动散射起主要作⽤6. 何谓漂移运动？

半导体中的载流⼦在外场的作⽤下，作定向运动。7. 迁移率的定义、量纲。影响迁移率的因素。漂移速度：因电场加速⽽获得的平均速度。

迁移率：单位电场下，载流⼦的平均漂移速度（cm2/V·s）

影响因素：有效质量、散射

8. 解释迁移率与杂质浓度、温度的关系。

掺杂很轻（忽略电离杂质散射）：T↑→晶格振动散射↑→µ↓⼀般情况低温：T↑→电离杂质散射↓→µ↑⼀般情况⾼温：T↑→晶格振动散射↑→µ↓9. 解释电阻率随温度的变化关系。低温：T↑→电离杂质散射↓→µ↑→ρ↓→ρ↓n（未全电离）：T↑→n↑→ρ↓

中温：T↑→晶格振动散射↑→µ↓→ρ↑→ρ↑n（全电离）：n=N D饱和

⾼温：T↑→晶格振动散射↑→µ↓→ρ↑→ρ↓↓n（本征激发开始）：T↑→n↑↑→ρ↓↓

10. 强电场下Si、Ge和GaAs的漂移速度的变化规律，并解释之。

⽆电场时：载流⼦与晶格散射，交换的净能量为零，载流⼦与晶格处于热平衡状态。

弱电场时：载流⼦从电场获得能量，与声⼦作⽤过程中，⼀部分通过发射声⼦转移给晶格，其余部分⽤于提⾼载流⼦的漂移速度。但漂移速度很⼩，仍可认为载流⼦系统与晶格系统近似保持热平衡状态。

电场较强时：载流⼦从电场获得很多能量，载流⼦的平均能量⽐热平衡状态时的⼤，因⽽载流⼦系统与晶格系统不再处于热平衡状态。

电场很强时：载流⼦从电场获得的能量与晶格散射时，以光学波声⼦的⽅式转移给了晶格。所以获得的⼤部分能量⼜消失，故平均漂移速度可以达到饱和。

GaAs特殊性：因为GaAs的多能⾕结构决定的。卫星能⾕的曲率⽐中⼼能⾕要⼩，因此有效质量⼤。当电场不强时，导带电⼦都集中在中⼼能⾕，但是随着电场强度的增加，能⾕1中的电⼦从电场中获得⾜够能量后开始转移到卫星能⾕中，发⽣能⾕间的散射。由于卫星能⾕有效质量⼤，所以电⼦转移的结果使平均迁移率下降，从⽽出现电场强度增加漂移速度下降，即电导率下降的负微分电导区域。11. 何谓热载流⼦？

载流⼦的平均能量⽐热平衡时⼤，即载流⼦的动能⾼于平均热运动能量。12.载流⼦在什么情况下做扩散运动？扩散系数的定义、量纲。载流⼦依靠浓度梯度所产⽣的⼀种定向运动。

扩散系数D：表征载流⼦在⼀定分布下扩散的快慢，主要由晶体内部的散射机制决定。单位：cm/S2

13.爱因斯坦关系式？理解推导过程。

表征了⾮简并情况下载流⼦迁移率和扩散系数之间的关系。

14.扩散长度和牵引长度的定义。

15.在不同条件下，对连续性⽅程进⾏化简。光照恒定：掺杂均匀：电场均匀：均匀照射：

16.平均⾃由时间、⾮平衡载流⼦寿命概念。

平均⾃由时间：载流⼦在电场中作漂移运动时，只有在连续两次散射之间的时间内才做加速运动，这段时间称为⾃由时间，其平均值为平均⾃由时间。

⾮平衡载流⼦寿命：寿命τ表⽰光照停⽌之后，⾮平衡载流⼦浓度衰减到原来的数值1/e 所经历的时间，也表⽰⾮平衡载流⼦的平均⽣存时间。

17.平均⾃由程与扩散长度概念。

扩散长度：⾮平衡载流⼦深⼊样品的平均距离，称为扩散长度。

平均⾃由程：相邻两次碰撞之间的平均距离，即称为载流⼦的平均⾃由程。18.⼩注⼊、⼤注⼊概念

⼩注⼊：获得能量后⾮平衡载流⼦，尤其是⾮平衡少⼦的数量远远⼩于原来热平衡时多⼦的数量，称为⾮平衡少⼦的⼩注⼊。⼤注⼊：⾮平衡少⼦的数量已达到或超过热平衡多⼦的数量，那么就会出现所有的少⼦的总量会达到与多⼦总量接近的程度，

产⽣多⼦不多少⼦不少的情形，将其称为⾮平衡少⼦的⼤注⼊。半导体与外界作⽤、半导体接触现象

1.本课程中哪⼏种外界作⽤能够改变单⼀半导体的电导率，试述原理。

温度：温度可以影响载流⼦浓度和载流⼦的分布。低温弱电离，中⽂全电离，⾼温本征激发。温度不均匀使载流⼦浓度不均匀，导致扩散运动，产⽣温差电动势。

光照：光照使半导体吸收光⼦，价带电⼦激发到导带产⽣⾮平衡载流⼦，产⽣光⽣伏特效应。

磁场：霍尔效应，通了电流的半导体在垂直电流⽅向的磁场作⽤下，在与电流和磁场垂直的⽅向上形成电荷积累和出现电势差的现象。⼀些物质如半导体中的载(电)流⼦在⼀定的恒定(直流)磁场和⾼频磁场同时作⽤下会发⽣抗磁共振(常称回旋共振)。外⼒：对半导体施加外⼒，使内部晶格间距发⽣变化，改变半导体内部势场，导致能带变化。由于载流⼦迁移率的变化，电阻率发⽣变化

2.请说出判断半导体导电类型的实验⽅法。

n型半导体<0，p型半导体>0。

3.试述平衡p-n结形成的物理过程，画出势垒区中载流⼦漂移运动和扩散运动的⽅向。当p型半导体和n型半导体接触在⼀起时，扩散和漂移这⼀对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。在两者的交界⾯处存在着⼀个过渡区，通常称为p-n结。p区空⽳扩散电⼦漂移，n区电⼦扩散空⽳漂移。4.内建电势差V D的公式。分析影响接触电势差的因素。接触电势差与PN结两侧掺杂浓度、温度、材料等参数有关。

5.平衡p-n结、正向偏置p-n结、反向偏置p-n结的空间图、能带图，各区域载流⼦浓度表达式、载流⼦运动⽅向、电流⽅向。6.分别说明空间电荷区、耗尽区、势垒区的三个概念

空间电荷区:也称耗尽层。在PN结中，由于⾃由电⼦的扩散运动和内电场导致的漂移运动，使PN结中间的部位(P区和N区交界⾯)产⽣⼀个很薄的电荷区，它就是空间电荷区。

耗尽区：耗尽区是指在半导体pn结、肖特基结、异质结中，由于界⾯两侧半导体原有化学势的差异导致界⾯附近能带弯曲，从⽽形成能带弯曲区域电⼦或空⽳浓度的下降的界⾯区域。势垒区：存在内建电场的区域就是势垒区。7.理想p-n结I-V⽅程。

()T k x qVqVnDenxn0)(--=()T k x qVqVnDepxp0)(-=()0()qV xk Tpn x n e=()0()qV x

k Tpp x p e-=

8. p-n结的理想伏-安特性与实际伏-安特性有哪些区别？定性分析原因。

正向⼩电压时忽略了势垒区的复合电流；正向⼤电压时忽略了扩散区的漂移电流和体电阻上的压降。在反向偏置时忽略了势垒区的产⽣电流。

9 .p-n结电容包括哪两种？在正向偏置或反向偏置下哪种电容起主要作⽤？为什么？

势垒电容：由于势垒区电荷变化导致的p-n结电容，记为C T。反偏电压越⼤，势垒电容越⼤。

扩散区电容：由于扩散区电荷变化导致的p-n结电容，记为C D。正偏电压越⼤，扩散区电容越⼤，因为只有此时扩散区才存在⾜够多数量的⾮平衡少⼦。

10. 定性分析影响p-n结电容⼤⼩的因素？并举例说明p-n结电容对器件性能的影响。

C T与C D都与p-n结的⾯积A成正⽐，与掺杂浓度有关，且随外加电压⽽变化。寄⽣电容能短路⾼频信号。寄⽣电容会使p-n结的整流特性显著削弱甚⾄消除。

11.p-n结击穿主要有哪⼏种?说明各种击穿产⽣的原因和条件。并分析影响它们的主要因素

雪崩击穿：p-n结中的电场随着反向电压的增加⽽增加，少数载流⼦通过反向扩散进⼊势垒区时获得的动能也就越来越⼤，当载流⼦的动能⼤到⼀定数值后，与中性原⼦碰撞时，可以把中性原⼦的价电⼦激发到导带，形成电⼦-空⽳对——碰撞电离。连锁反应使载流⼦的数量倍增式的急剧增多，因⽽p-n结的反向电流也急剧增⼤，形成了雪崩击穿。掺杂浓度⼤，击穿电压⼩。禁带宽度越宽，击穿电压越⼤。温度升⾼，击穿电压增⼤。

齐纳击穿：根据量⼦⼒学的观点，当隧道长度X AB⾜够窄时，将有p区电⼦穿透禁带.当外加反向电压很⼤时，能带倾斜严重，势隧道长度X AB变得更窄.造成很⼤的反向电流，使p-n结击穿。掺杂浓度⼤，击穿电压⼩。禁带宽度越宽，击穿电压越⼤。温度升⾼，击穿电压下降。

12.从能带图出发，分析p-n结隧道效应的基本原理，与⼀般p-n⼆极管的伏-安特性有什么不同?它有什么优点?当p-n结的两边都是重掺杂时: (1) 费⽶能级分别进⼊导带和价带。(2)势垒⼗分薄。在外加正向或反向电压下，有些载流⼦将可能穿透势垒产⽣额外的电流—隧道电流。

隧道⼆极管优点是开关特性好，速度快、⼯作频率⾼。14.实际半导体通过什么⽅式实⾏欧姆接触？

在⽣产实际中，主要是利⽤隧道效应的原理在半导体上制造欧姆接触。采⽤重掺杂半导体与⾦属接触（⾦半接触）。15.⽐较pn结和肖特基结伏安特性的主要异同点。为什么肖特基结更适应⾼频条件下使⽤？（1）SDB是多数载流⼦器件，⽽p-n结⼆极管电流取决于⾮平衡少数载流⼦的扩散运动。

（2）p-n结⼆极管中，少数载流⼦注⼊造成⾮平衡载流⼦在势垒区两侧界⾯的积累，外加电压变化，电荷积累和消失需有⼀弛豫过程(电荷存储效应)，严重影响了p-n结⼆极管的⾼频性能。SDB器件不发⽣电荷存储现象，使得它在⾼频、⾼速器件中有重要作⽤。

（3）SDB的正向开启电压⽐p-n的低；⽽反向饱和电流⽐p-n的⼤。这是因为多数载流⼦电流远⾼于少数载流⼦电流。SDB中通常存在额外的漏电流。16.异质结能带结构特点及应⽤

p-n型n-p型

p-p型n-n型