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.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 .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,其接触面就是金半结  欧姆接触 肖特基接触 画出适当掺杂硅样品的电阻率随温度的变化关系曲线，分析说明不 同温度区间电阻率与温度的关系AB段温度很低，本征激发可忽略。 载流子主要由杂质电离提供，其浓度随温度升高而增大；在该温度 区域，载流子的散射机构以电离杂质散射为主，由（4-2-13）式可 见，迁移率随温度升高而增大。因此，电阻率随温度升高而降低。 BC 段温度升高（包含室温），杂质已全部电离，但本征激发仍不十分显著，载流子浓度基本不随温度变化。此时，晶格振动散射成为主要的，由（4-2-13）式可见，迁移率随温度升高而降低。因此，电阻率随温度升高而增大。CD段温度更高，本征激发增加很快，本征载流子浓度随温度呈指数增加，此时半导体表现出本征半导体的特性，其电阻率随温度的升高而急剧地下降。当然，不同的半导体材料以及在不同的掺杂浓度下，进入该区域的温度是不同的。 画出GaAs（硅、锗）的能带结构简图，并分析GaAs的负微分电导现象率下降，产生负阻效应 a 分别画出金属与n型半导体材料的等 能带图（Wm>Ws），分析金半结的形 成过程，并画出金半结的能带图（不 考虑表面态）。金属与n半导体接触形成阻 挡层的条件是Wm>Ws,其接触后的能带图如图 所示：A金属与n半导体接触形成反阻挡层的条件是Wms,其接触后的能带图如图所示：B 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Eg随温度增加而减小； GaAs： a）Eg（300K）= 1.428eV，Eg (0K) = 1.522eV；b）直接能隙结构；c）Eg负温度系数特性： dEg/dT = -3.95×10-4eV/K 分别画出同种半导体材料n型、p型半导体的能带图和平衡pn结的能带图，分析pn结的形成过程 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.解:在一定温度下,价带电子获得足够的能量（≥Eg）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. 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、EP=-En;D、mP*=-mn*.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Eg随温度增加而减小；  GaAs a）Eg（300K）= 1.428eV，Eg (0K) = 1.522eV；b）直接能隙结构；c）Eg负温度系数特性： dEg/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,施主和受主将先互相抵消,剩余的杂质最后电离,这就是杂质补偿.利用杂质补偿效应,可以根据需要改变半导体中某个区域的导电类型,制造各种器件. 试分别定性定量说明:A 在一定的温度下,对本征 材料而言,材料的禁带宽度越窄.载流子浓度越高； B对一定的材料,当掺杂浓度一定时,温度越高,载 流子浓度越高.解:A 在一定的温度下,对本征材料 而言,材料的禁带宽度越窄,则跃迁所需的能量越小,所以受激发的载流子浓度随着禁带宽度的变窄而增加.由公式1 也可知道,温度不变而减 少本征材料的禁带宽度, 上式中的指数项将因此而 增加,从而使得载流子浓度 因此而增加.B对一定的材料,当掺杂浓度一定时,温度越高,受激发的载流子将因此而增加.由公式2可知,这时两式中的指数项将因此而增加，从而导致载流子浓度增加。 公式1 对于某n型半导体，试证明其费米能级在其本征半导体的费米能级之上。即EFn>EFi。证明：设nn为n型半导体的电子浓度，ni为本征半导体的电子浓度。 显然nn> ni 即 分别分析n型和p型半导体形成阻挡层和反阻挡层的条件。解：1金属与n半导体接触形成阻挡层的条件是Wm>Ws,其接触后的能带图如图所示：2金属与n半导体接触形成反阻挡层的条件是Wms,其接触后的能带图如图所示：3金属与p半导体接触形成阻挡层的条件是Wms,其接触后的能带图如图所示：4金属与p半导体接触形成反阻挡层的条件是Wm>Ws,其接触后的能带图如图所示： 什么是欧姆接触?形成欧姆接触的方法有几种?试根 据能带图分别加以分析.答:欧姆接触是指其电流-电 压特性满足欧姆定律的金属与半导体接触.形成欧姆 接触的常用方法有两种,其一是金属与重掺杂n型 半导体形成能产生隧道效应的薄势垒层,其二是金属 与p型半导体接触构成反阻挡层.其能带图分别如下： 试根据能带图定性分析金属-n型半导体形成良好欧姆接触 的原因.解:当金属和半导体接触接触时,如果对半导体的掺杂 很高,将会使得势垒区的宽度变得很薄,势垒区近似为透明,当 隧道电流占主要地位时,其接触电阻很小,金属与半导体接触 近似为欧姆接触.加上正,反向电压时的能带图如下图所示： V<0 v>0 解释什么是表面积累、表面耗尽和表面反型？解：表面积累：当金属表面所加的电压使得半导体表面出现多子积累时，这就是表面积累表面耗尽：当金属表面所加的电压使得半导体表面载流子浓度几乎为零时，这就是表面耗尽当金属表面所加的电压使得半导体表面的少子浓度比多子浓度多时，这就是表面反型. 什么是功函数?哪些因数影响了半导体的功函数?什么是接触势差?答:功函数是指真空电子能级E0与半导体的费米能级EF之差.影响功函数的因素是掺杂浓度,温度和半导体的电子亲和势.接触势则是指两种不同的材料由于接触而产生的接触电势差. 什么是Schottky势垒?影响其势垒高度的因数有哪些?答:金属与n型半导体接触形成阻挡层,其势垒厚度随着外加电压的变化而变化,这就是Schottky势垒.影响其势垒高度的因素是两种材料的功函数,影响其势垒厚度的因素则是材料（杂质浓度等）和外加电压. 什么是镜像力?什么是隧道效应?它们对接触势垒的影响怎样的?答:金属与半导体接触时,半导体中的电荷在金属表面感应出带电符号相反的电荷,同时半导体中的电荷要受到金属中的感应电荷的库仑吸引力,这个吸引力就称为镜像力.能量低于势垒顶的电子有一定几率穿过势垒，这种效应就是隧道效应.隧道穿透的几率与电子的能量和势垒厚度有关.在加上反向电压时,上述两种效应将使得金属一边的势垒降低,而且反向电压越大势垒降得越低,从而导致反向电流不饱和. 什么是少数载流子注入效应?答:当金属与n型半导体形成整流接触时,加上正向电压,空穴从金属流向半导体的现象就是少数载流子注入效应.它本质上是半导体价带顶附近的电子流向金属中金属费米能级以下的空能级,从而在价带顶附近产生空穴.小注入时,注入比（少数载流子电流与总电流直之比）很小;在大电流条件下,注入比随电流密度增加而增大. 本征半导体的非平衡载流子的寿命最长 证明非简并的非均匀半导体中的电子电流形式为.证明:非简并的非均匀半导体由于则同时 利用非简并半导体的爱因斯坦关系，所以 导出非简并载流子满足的爱因斯坦关系.证明:假设这是n型半导体,杂质 浓度和内建电场分布入图所示E内稳态时，半导体内部是电中性的,Jn=0 即对于非简并半导体 这就是非简并半导体满足的爱因斯坦关系. 公式2 何谓迁移率?影响迁移率的主要因素有哪些?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.. 对于重掺杂半导体和一般掺杂半导体,为何前者的迁移率随温度的变化趋势不同?试加以定性分析.解:对于重掺杂半导体,在低温时,杂质散射起主体作用,而晶格振动散射与一般掺杂半导体的相比较,影响并不大,所以这时侯随着温度的升高,重掺杂半导体的迁移率反而增加;温度继续增加后,晶格振动散射起主导作用,导致迁移率下降.对一般掺杂半导体,由于杂质浓度较低,电离杂质散射基本可以忽略,起主要作用的是晶格振动散射,所以温度越高,迁移率越低. 证明当μn≠μp，且电子浓度 ，空穴浓 度时半 导体的电导率有最小值，并推导 的表达式。右图=》