半导体总结

1一、简答题：1.Si,Ge,砷化稼能带结构：（ppt，P26.28.31）Si:导带：1.硅的导带极小值位于k空间[100]方向的布里渊区中心到布里渊区边界的0.85处；2.导带极小值附近的等能面是长轴沿[100]方向的旋转椭球面；3.在简约布里渊区共有6个这样的椭球价带：1.价带具有一个重空穴带，一个轻空穴带和由于自旋-轨道耦合分裂出来的第三个能带；2.价带极大值位于布里渊区的中心；3.重空穴有效质量为0.53m0，轻空穴有效质量为0.16m0；4.第三个能带的裂距为0.04eV。Ge:导带：1.锗的导带极小值位于k空间的[111]方向的简约布里渊区边界；2.导带极小值附近的等能面是长轴沿[111]方向旋转的8个椭球面；3.每个椭球面有半个在简约布里渊区内，因此，在简约布里渊区内共有4个椭球。价带：1.价带具有一个重空穴带，一个轻空穴带和由于自旋-轨道耦合分裂出来的第三个能带；2.价带极大值位于布里渊区的中心；3.重空穴有效质量为0.36m0，轻空穴有效质量为0.044m0；4.第三个能带的裂距为0.29eV。砷化镓：导带：1.砷化镓导带极小值位于布里渊区中心k=0的Г点；2.极小值附近的等能面是球形等能面；3.在[111]和[100]方向布里渊区边界L和X处还各有一个极小值；4.L极小值的能量比布里渊区中心极小值的高0.29eV。价带：1.价带具有一个重空穴带，一个轻空穴带和由于自旋-轨道耦合分裂出来的第三个能带；2.重空穴带极大值稍微偏离布里渊区中心；3.重空穴有效质量为0.45m0，轻空穴有效质量为0.082m0；4.第三个能带的裂距为0.34eV。22.空穴概念、特征（P16.PPT）：空穴是几乎充满的能带中未被电子占据的空量子态。价带电子被激发到导带后，价带中存在空着的状态,这种空着的状态将价带电子的导电作用等效为带正电荷的准粒子的导电作用。空穴的主要特征:(1)带正电：+q;(2)空穴浓度表示为p;(3)Ep=-En；（4）mp*=-mn*.3.有效质量意义、特性：(P17.PPT)有效质量的意义在于：它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用；特别是有效质量可以直接由实验测定，因而可以很方便地解决电子的运动规律。性质：1.电子的有效质量概况了半导体内部的势场作用2.在能带底部附近，电子的有效质量是正值；在能带顶部附近，电子的有效质量是负值；对于带顶和带底的电子，有效质量恒定；3.有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大。内层电子的能带窄，有效质量大；外层电子的能带宽，有效质量小。因此，外层电子在外力作用下可以获得较大的加速度特点：决定于材料；与电子的运动方向有关；与能带的宽窄有关。4.本征激发：（P17，PPT）当温度一定时，价带电子受到激发而成为导带电子的过程称为本征激发。（温度升高，载流子浓度增大，空穴密度增大，本征激发加剧）5.非平衡载流子、复合、复合时释放能量的方式、复合类型：（P145.146.150）非平衡载流子：如果对半导体施加外界作用，破坏了热平衡的条件，就导致其处于与热平衡状态相偏离的状态，称为非平衡态。处于非平衡状态的半导体，其载流子浓度不再是n0、p0，而是比它们多出一部。比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子(或过剩载流子)。非平衡载流子的复合：产生非平衡载流子的外部作用撤除后，由于半导体的内部作用，使它由非平衡态恢复到平衡态，过剩载流子逐渐消失，这一过程称为非平衡载流子的复合。非平衡载流子复合时释放能量的方式有三种：发射光子：伴随着复合，将有发光现象，常称为发光复合或辐射复合；发射声子：载流子将多余的能量传给晶格，加强晶格的振动；将能量给予共他载流子，增加它们的动能，称为俄歇(Auger)复合。复合类型：按复合过程的微观机构，分为直接复合和间接复合直接复合－电子在导带和价带之间的直接跃迁，引起电子和空穴的直接复合间接复合－电子和空穴通过禁带的能级(复合中心)进行复合按复合过程发生的位置，分为体内复合和表面复合36.pn结形成过程：(PPT,P183，10分题)在n型半导体中，电子很多而空穴很少，其中的电离施主与少量空穴的正电荷严格平衡电子电荷；在p型半导体中，空穴很多而电子很少，其中的电离受主与少量电子的负电荷严格平衡空穴电荷。因此，单独的n型和p型半导体是电中性的；当这两块半导体结合形成pn结时，由于它们之间存在着载流子浓度梯度，导致了空穴从p区到n、电子从n区到p区的扩散运动。对于p区，空穴离开后，留下了不可动的带负电荷的电离受主，这些电离受主没有正电荷与之保持电中性，因此，在pn结附近p区一侧出现了一个负电荷区。同理，在pn结附近n区一侧出现了由电离施主构成的一个正电荷区。通常把在pn结附近的这些电离施主和电离受主所带电荷称为空间电荷，它们所存在的区域称为空间电荷区空间电荷区中的这些电荷产生了从n区指向p区，即从正电荷指向负电荷的电场，称为内建电场。在内建电场作用下，载流子作漂移运动。显然，电子和空穴的漂移运动方向与它们各自的扩散运动方向相反。因此，内建电场起着阻碍电子和主穴继续扩散的作用；随着扩散运动的进行，空间电荷逐渐增多，空间电荷区也逐渐扩展；同时，内建电场逐渐增强，载流子的漂移运动也逐渐加强。在无外加电压的情况下，载流子的扩散和漂移最终将达到动态平衡，即从n区向p区扩散过去多少电子，同时就将有同样多的电子在内建电场作用下返回n区。因而电子的扩散电流和漂移电流的大小相等、方向相反而互相抵消。对于空穴，情况完全相似。因此，没有电流流过pn结，或者说流过pn结的净电流为零。这时空间电荷的数量一定，空间电荷区不再继续扩展，保持一定的宽度，其中存在一定的内建电场。一般称这种情况为热平衡状态下的pn结(简称为平衡pn结)。7.pn结电流电压特性理想与实际的区别：(ppt.P193)（1）正向偏压时，理论与实验结果间的偏差表现在：①正向电流小时，理论计算值比实验值小，如图中曲线a段所示；②正向电流较大时，曲线c段J-V关系为③在曲线d段，J-V关系不是指数关系，而是线性关系。（2）反向偏压时：实际测得的反向电流比理论计算值大得多，而且反向电流是不饱和的，随反向偏压的增大略有增加。这说明理想电流电压方程式没有完全反映外加电压下的pn结情况，还必须考虑其他因素的影响，使理论进一步完善。8.深浅能级、特性、对半导体的影响：(ppt.P51)深能级杂质：施主杂质能级距离导带底，或受主杂质能级距离价带顶都较远时，称该能级为深能级，相应的杂质称为深能级杂质。特性：浅能级杂质：将很接近于价带顶的受主能级和很接近于导带底的施主能级称为浅能级。将产生浅能级的杂质称为浅能级杂质。特性：对半导体的影响（没找着）9.MIS结构、C-V特性、：(P250，PPT，大题)MIS结构：4满足以下条件的结构：1.金属与半导体间的功函数差为零；2.在绝缘层内没有任何电荷，且绝缘层完全不导电；3.绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。C-V特性：一、p型半导体理想MIS结构的电容-电压(C-V)特性外加电压VG后，其中的一部分降在绝缘层上V0，另一部分降在半导体表面层，形成表面势Vs：且MIS结构电容以及和那么因此，MIS结构电容相当于绝缘层电容和半导体空间电荷层电容的串联，如右图（一)多数载流子堆积状态(VG0)0CsC5当|VG|较大时，C=C0，半导体从内部到表面可视为是导通的，电荷聚集在绝缘层两边(AB段)；当|VG|较小时，C/C01，随|Vs|减小而减小(BC段)(二)平带状态(VG=0，Vs=0)√绝缘层厚度一定时，NA越大，CFB/C0越大，原因是表面空间电荷层随NA增大而减小；绝缘层厚度越大，C0越小，CFB/C0越大。(三)耗尽状态(VG0)√（其中，绝缘层的相对介电常数，半导体的相对介电常数）利用和√√√√√而有那么，有＝√该式表明，VG增大时，C/C0减小，原因是耗尽状态下，表面空间电荷厚度xd随VG增大而增大，xd越大，则Cs越小，C/C0越小(CD段)；(四)强反型状态(VG0)1.低频情况少子的产生－复全跟得上小信号的变化6√||→即强反型出现后,大量电子聚集在半导体表面处,绝缘层两边堆积着电荷，如同只有绝缘层电容C0一样(EF段)；2.高频情况少子电子的产生-复合跟不上高频信号的变化，即反型层中电子的数量不随高频信号而变，对MIS电容没有贡献；耗尽层宽度达到最大值xdm，不随偏压VG变化，耗尽区贡献的电容达到最小值且保持不变，C/C0将保持在最小值Cmin'/C0且不随VG而变化(GH段)。√上式表明，对同一种半导体材料，当温度一定时，Cmin'/C0为绝缘层厚度d0及衬底掺杂浓度NA的函数。当d0也一定时，NA越大，Cmin'/C0越大；利用该理论可以测定半导体表面的杂质浓度。总结：半导体材料和绝缘层材料一定时，C-V特性随绝缘层厚度d0及衬底掺杂浓度NA变化；C-V特性与频率有关；温度和光照等因素可增加载流子的复合和产生率，因此，在一定信号频率下，这些因素可引起C-V特性从高频型向低频型过渡，影响其特性。二、n型半导体理想MIS结构的电容-电压(C-V)特性710.肖特基势垒二极管与pn结二极管的异同点(P230)相同点:具有类似的电流—电压关系，即它们都有单向导电性。不同点：就载流子的运动形式而言，pn结正向导通时，由p区注入n区的空穴或由n区注入p区的电子，都是少数载流子，它们先形成一定的积累，然后靠扩散运动形成电流。这种注入的非平衡载流子的积累称为电荷存贮效应，它严重地影响了pn结的高频性能。而肖特基势垒二极管的正向电流，主要是由半导体中的多数载流子进入金属形成的。它是多数载流子器件。因此，肖特基势垒二极管比pn结二极管有更好的高频特性。对于相同的势垒高度，肖特基二极管的JsD或JsT要比pn结的反向饱和电流Js大得多。即对于同样的使用电流，肖特基势垒二极管将有较低的正向导通电压，一般为0.3V。11.单，双异质结激光器、(P346,大题)单：优点：阈值低，效率高8两方面原因：AlxGa1-xAs的禁带宽度比GaAs的大。在p-AlxGa1-xAs/p-GaAs的p-p异质结处存在较高的势垒，导致从n-GaAs注入到p-GaAs中的电子受到阻碍，不能继续扩散到p-AlxGa1-xAs中去。因此，与没有这种势垒存在时相比，p-GaAs中的电子浓度增大，提高了增益；AlxGa1-xAs的折射率比GaAs的小。因此限制了光子进入到AlxGa1-xAs区，使光受到反射而被局限在p区内，从而减少了周围非受激区对光的吸收。同时，p-AlxGa1-xAs的吸收系数比p-GaAs的小，损耗也就小。双：优点：比单异质结激光器的阈值更低，效率更高，寿命更长三方面原因：AlxGa1-xAs的禁带宽度比GaAs的大。在p-AlxGa1-xAs/p-GaAs的p-p异质结和n-AlxGa1-xAs/p-GaAs的n-p异质结的结面处形成势垒，导致从n-AlxGa1-xAs注入到p-GaAs中的电子受到阻碍，不能继续扩散到p-AlxGa1-xAs中去，从而增加了p-GaAs中的电子浓度增大，提高了增益；p-AlxGa1-xAs的折射率比p-GaAs的小。因此限制了光子进入到AlxGa1-xAs区，减少了周围非受激区对光的吸收；n-AlxGa1-xAs与p-GaAs之间的势垒避免了单异质结激光器存在的空穴注入现象。12.Pn结能带图：(PPT)913.表面势（PPT，P239）表面势(Vs)：空间电荷区内的电势随距离逐渐变化，使半导体表面相对体内产生电势差，能带也发生弯曲。称空间电荷层两端的电势差为表面势(Vs)。表面电势比内部高时，Vs取正值；反之Vs取负值。表面势及空间电荷区内电荷的分布情况随金属与半导体间所加的电压VG的变化基本上可归纳为堆积、耗尽和反型三种情况(以p型半导体为例)：1.多数载流子堆积状态金属与半导体间加负电压(金属接负)时，表面势为负值，表