华中科技大学半导体物理总复习课.pdf

《半导体物理》《半导体物理》 复习课复习课 姜胜林，刘欢，张光祖 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 以晶体结构学和点阵动力学为基础，研究半导体中的原子状态；并以晶体结构学和点阵动力学为基础，研究半导体中的原子状态；并以固体以固体 电子论和能带理论为基础，研究半导体中的电子状态以及各种半导体器件内部电电子论和能带理论为基础，研究半导体中的电子状态以及各种半导体器件内部电 子过程子过程半导体物理学是固体物理学的一个分支，其发展不仅使人们对半导体有半导体物理学是固体物理学的一个分支，其发展不仅使人们对半导体有 了深入的了解，而且由此而产生的各种半导体器件、集成电路和半导体激光器等了深入的了解，而且由此而产生的各种半导体器件、集成电路和半导体激光器等 已得到广泛的应用已得到广泛的应用 半导体物理学研究什么？半导体物理学研究什么？半导体物理学研究什么？半导体物理学研究什么？ 2/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 学习目标学习目标学习目标学习目标 n了解什么是半导体物理学和研究什么方面了解什么是半导体物理学和研究什么方面 n掌握半导体物理的基础理论知识掌握半导体物理的基础理论知识 n掌握半导体载流子状态及其运动规律掌握半导体载流子状态及其运动规律 n掌握常见半导体结构的特性掌握常见半导体结构的特性 n了解半导体的一些物理现象了解半导体的一些物理现象 n了解常见半导体材料的性质了解常见半导体材料的性质 n了解基本半导体器件物理知识了解基本半导体器件物理知识 3/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 试卷题型及分值权重试卷题型及分值权重试卷题型及分值权重试卷题型及分值权重 一、名词解释（一、名词解释（ 5 ×× 3’ ）） 二、判断题（二、判断题（10 ×× 1’ ）） 三、填空题（三、填空题（10 ×× 2’ ）） 四、证明题四、证明题（（ 2 ×× 5’ ）） 五、作图题五、作图题（（ 4 ×× 5’ ）） 六、计算题六、计算题（（ 1 ××10’ ）） 七、论述题七、论述题（（ 1 ××15’ ）） 答题请注意完整性和规范性（单位、下标等）答题请注意完整性和规范性（单位、下标等） 计算器、尺子、橡皮、矿泉水等计算器、尺子、橡皮、矿泉水等 基本概念基本概念 细节知识点细节知识点 重要表达式的推导重要表达式的推导 物理图像的理解物理图像的理解 公式的理解与应用公式的理解与应用 综合知识掌握能力综合知识掌握能力 15％％ 10％％ 20％％ 10％％ 20％％ 10％％ 15％％ 4/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 1 半导体中的电子状态半导体中的电子状态半导体中的电子状态半导体中的电子状态 3 载流子输运载流子输运载流子输运载流子输运 4非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子非平衡载流子 5p p－－－－n n结结结结 6金金属属和半导体的和半导体的接触接触金金属属和半导体的和半导体的接触接触 7半导体半导体表面与表面与半导体半导体表面与表面与MISMIS结构结构结构结构 9 半导体的半导体的热热电电性质性质半导体的半导体的热热电电性质性质 8异质异质结结异质异质结结 2半导体中载流子的半导体中载流子的统计统计分分布布半导体中载流子的半导体中载流子的统计统计分分布布 40学时学时 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 Chapter 2 平衡态下平衡态下载流子浓度与温度、杂质载流子浓度与温度、杂质的关系的关系 状态状态密度密度&分分布函数布函数（（费米费米/玻耳兹曼玻耳兹曼）） 分分本征本征、、杂质杂质半导体半导体两两种种情况讨情况讨论论（（变化规律的物理图像变化规律的物理图像）） 简简并半导体及其并半导体及其禁禁带带变窄效变窄效应应 散射对迁移率的影响（仍从散射对迁移率的影响（仍从温度、杂质温度、杂质的角度）的角度） 强电场效应强电场效应 Chapter 1 半导体中电子运动的半导体中电子运动的基本特征基本特征和和能量状态能量状态 能带论能带论共有化运动共有化运动 电子电子/空穴有效质量空穴有效质量 杂质能级（施主、受主）杂质能级（施主、受主） （（变化规律的物理图像变化规律的物理图像））        − −= Tk EE Nn 0 Fc c0 exp        − = Tk EE Np 0 Fv v0 exp 2 00i npn= pn µµσpqnq+= Chapter 3 外场作用下外场作用下载流子的运动规律载流子的运动规律 外加外加电电场下场下的的漂移漂移运动及运动及漂移漂移电流电流 以及以及磁场下磁场下的的霍耳效霍耳效应和应和磁阻效磁阻效应应 准费米能级不同复合机构下的非子寿命准费米能级不同复合机构下的非子寿命陷阱效应扩散运动与扩散电流（扩散陷阱效应扩散运动与扩散电流（扩散系数系数）） 少数载少数载流子的运动规流子的运动规律律（（连续连续性性方程方程）） “时空时空” Chapter 4 非平衡载流子非平衡载流子的产生、复合及其运动规律的产生、复合及其运动规律 2/3 s − ∝Tµ 2/3 1 ii TN − ∝µ 爱因斯坦关系式爱因斯坦关系式 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 Chapter 5 p- n结结 载流子的分载流子的分布与布与运动（能带论）运动（能带论） Chapter 7 半导体表半导体表面面与与MIS结构结构 Chapter 6 金属金属和半导体的和半导体的接触接触 • 伏安特性伏安特性 • 电电容特性容特性（（势垒势垒电电容容、、扩散扩散电电容容）） • 击穿特性击穿特性 隧道隧道p- n结结 雪崩击穿雪崩击穿 隧道击穿隧道击穿 微 观微 观宏 观宏 观 理 论理 论应 用应 用       −         =1exp 0 s Tk qV JJ               = 2 i AD0 D ln n NN q Tk V 表面表面态及态及表面表面电电场效场效应应 MIS结构结构及其及其C- V特性特性，，MOSFET 硅硅－－二氧化硅系统二氧化硅系统，，表面表面电导电导 功函数功函数，电子，电子亲亲和能和能 整整流流接触接触 & 欧姆接触欧姆接触 阻挡层类阻挡层类型、电流型、电流方向方向的的判断判断 Chapter 8 异异质质结结 能带能带图图，电流输运，电流输运机机构构 应用，应用，半导体半导体超超晶晶格格 Chapter 9 半导体的半导体的热热电电性性质质 塞贝克效塞贝克效应，应， 珀耳帖效珀耳帖效应，应， 汤姆逊效汤姆逊效应应 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 本本章内容提章内容提要要本本章内容提章内容提要要 n n 半导体材料、基本晶体结构与共价键半导体材料、基本晶体结构与共价键半导体材料、基本晶体结构与共价键半导体材料、基本晶体结构与共价键 n n 能级与能带，共有化运动能级与能带，共有化运动能级与能带，共有化运动能级与能带，共有化运动 n n 半导体中电子运动规律，有效质量半导体中电子运动规律，有效质量半导体中电子运动规律，有效质量半导体中电子运动规律，有效质量 n n 能带模型及导电机构能带模型及导电机构能带模型及导电机构能带模型及导电机构 n n 常见半导体材料的能带结构常见半导体材料的能带结构常见半导体材料的能带结构常见半导体材料的能带结构 n n 杂质与缺陷杂质与缺陷杂质与缺陷杂质与缺陷 1半导体中的电子状态半导体中的电子状态半导体中的电子状态半导体中的电子状态 8/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 半导体独特半导体独特的的物理物理性质性质半导体独特半导体独特的的物理物理性质性质半导体独特半导体独特的的物理物理性质性质 单电子近似单电子近似求解薛定谔方程求解薛定谔方程 半导体组成半导体组成、、结结构构 半导体中半导体中电子电子状态及状态及运动运动特点特点 周期性排列周期性排列且固且固定定不动的原子不动的原子核势场核势场 其其它它电子的平电子的平均势场均势场 能带论能带论 原原子子核核原原子子核核电子电子电子电子 相互作相互作用用 复杂的多体问题复杂的多体问题 9/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 1.1 1.1 半导体的半导体的晶格结构晶格结构和和结结合合性性质质半导体的半导体的晶格结构晶格结构和和结结合合性性质质 金金刚石型刚石型结构和结构和共价键共价键 闪锌矿闪锌矿型型结构和结构和混合键混合键 纤锌矿纤锌矿型型结构结构 氯氯化化钠钠型型结构结构 典型的半导体：典型的半导体：硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及砷化镓砷化镓GaAsGaAs等。

等 p 半导体的半导体的特特点点：：易受温度、照光、磁场及微量杂质原子易受温度、照光、磁场及微量杂质原子 的影响 正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成 为各种电子应用中最重要的材料之一为各种电子应用中最重要的材料之一 10/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 11/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 12/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 13/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 14/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 15/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 16/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 18/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 19/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 20/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 21/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 22/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 本本章内容提章内容提要要本本章内容提章内容提要要 n n 热平衡状态，状态密度热平衡状态，状态密度热平衡状态，状态密度热平衡状态，状态密度 n n 费米能级费米能级费米能级费米能级与分布函数与分布函数与分布函数与分布函数 n n 电中性方程电中性方程电中性方程电中性方程 n n 载流子载流子浓浓度度载流子浓度载流子浓度 Vs Vs 温温度度温度温度 n n 简并简并半导体半导体简并半导体简并半导体 2半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布半导体中载流子的统计分布 23/98 PDF 文件使用 “pdfFactory Pro“ 试用版本创建 产生载流子产生载流子（本征激发（本征激发/杂质电离）杂质电离） 电子由低能态向高能态跃迁电子由低能态向高能态跃迁 导带电子导带电子 价带空穴价带空穴 载流子复合载流子复合 电子由高能态向低能态跃迁电子由高能态向低能态跃迁 晶晶格格晶格晶格/ /杂质杂质杂质杂质 n0 p0 热平衡载流子 热平衡状态热平衡状态 产生产生复合复合 动态平衡动态平衡 载流子浓度载流子浓度恒定恒定 在单位时间、单位体积内产生的数目在单位时间、单位体积内产生的数目G——产生率产生率 在单位时间、单位体积内消失的数目在单位时间、单位体积内消失的数目R——复合率复合率 G0=R0 Ec Ev 24/98 PDF。