第一篇：【半導體物理與器件】【尼曼】【課后小結與重要術語解釋】匯總(精)

第一章 固體晶體結構 小結

1.硅是最普遍的半導體材料

2.半導體和其他材料的屬性很大程度上由其單晶的晶格結構決定。晶胞是晶體中的一小塊體積，用它可以重構出整個晶體。三種基本的晶胞是簡立方、體心立方和面心立方。3.硅具有金剛石晶體結構。原子都被由4個緊鄰原子構成的四面體包在中間。二元半導體具有閃鋅礦結構，它與金剛石晶格基本相同。

4.引用米勒系數來描述晶面。這些晶面可以用于描述半導體材料的表面。密勒系數也可以用來描述晶向。

5.半導體材料中存在缺陷，如空位、替位雜質和填隙雜質。少量可控的替位雜質有益于改變半導體的特性。

6.給出了一些半導體生長技術的簡單描述。體生長生成了基礎半導體材料，即襯底。外延生長可以用來控制半導體的表面特性。大多數半導體器件是在外延層上制作的。重要術語解釋

1.二元半導體：兩元素化合物半導體，如GaAs。2.共價鍵：共享價電子的原子間鍵合。3.金剛石晶格：硅的院子晶體結構，亦即每個原子有四個緊鄰原子，形成一個四面體組態。4.摻雜：為了有效地改變電學特性，往半導體中加入特定類型的原子的工藝。5.元素半導體：單一元素構成的半導體，比如硅、鍺。6.外延層：在襯底表面形成的一薄層單晶材料。7.離子注入：一種半導體摻雜工藝。8.晶格：晶體中原子的周期性排列

9.密勒系數：用以描述晶面的一組整數。10.原胞：可復制以得到整個晶格的最小單元。

11.襯底：用于更多半導體工藝比如外延或擴散的基礎材料，半導體硅片或其他原材料。12.三元半導體：三元素化合物半導體，如AlGaAs。13.晶胞：可以重構出整個晶體的一小部分晶體。

14.鉛鋅礦晶格：與金剛石晶格相同的一種晶格，但它有兩種類型的原子而非一種。

第二章 量子力學初步 小結

1.我們討論了一些量子力學的概念，這些概念可以用于描述不同勢場中的電子狀態。了解電子的運動狀態對于研究半導體物理是非常重要的。

2.波粒二象性原理是量子力學的重要部分。粒子可以有波動態，波也可以具有粒子態。3.薛定諤波動方程式描述和判斷電子狀態的基礎。4.馬克思·玻恩提出了概率密度函數|fai（x）|2.5.對束縛態粒子應用薛定諤方程得出的結論是，束縛態粒子的能量也是量子化的。6.利用單電子原子的薛定諤方程推導出周期表的基本結構。重要術語解釋

1.德布羅意波長：普朗克常數與粒子動量的比值所得的波長。

2.海森堡不確定原理：該原理指出我們無法精確確定成組的共軛變量值，從而描述粒子的狀態，如動量和坐標。

3.泡利不相容原理：該原理指出任意兩個電子都不會處在同一量子態。4.光子：電磁能量的粒子狀態。5.量子：熱輻射的粒子形態。

6.量子化能量：束縛態粒子所處的分立能量級。

7.量子數：描述粒子狀態的一組數，例如原子中的電子。8.量子態：可以通過量子數描述的粒子狀態。9.隧道效應：粒子穿過薄層勢壘的量子力學現象。

10.波粒二象性：電磁波有時表現為粒子狀態，而粒子有時表現為波動狀態的特性。

第三章 固體量子理論初步 小結

1.當原子聚集在一起形成晶體時，電子的分立能量也就隨之分裂為能帶。

2.對表征單晶材料勢函數的克龍克尼-潘納模型進行嚴格的量子力學分析和薛定諤波動方程推導，從而得出 了允帶和禁帶的概念。

3.有效質量的概念將粒子在晶體中的運動與外加作用力聯系起來，而且涉及到晶格對粒子運動的作用。

4.半導體中存在兩種帶點粒子。其中電子是具有正有效質量的正電荷粒子，一般存在于允帶的頂部。

5.給出了硅和砷化鎵的E-k關系曲線，并討論了直接帶隙半導體和間接帶隙半導體的概念。6.允帶中的能量實際上是由許多的分立能級組成的，而每個能級都包含有限數量的量子態。單位能量的量子態密度可以根據三維無限深勢阱模型確定。7.在涉及大量的電子和空穴時，就需要研究這些粒子的統計特征。本章討論了費米-狄拉克概率函數，它代表的是能量為E的量子態被電子占據的幾章。重要術語解釋

1.允帶：在量子力學理論中，晶體中可以容納電子的一系列能級。

2.狀態密度函數：有效量子態的密度。它是能量的函數，表示為單位體積單位能量中的量子態數量。

3.電子的有效質量：該參數將晶體導帶中電子的加速度與外加的作用力聯系起來，該參數包含了晶體中的內力。4.費米-狄拉克概率函數：該函數描述了電子在有效能級中的分布，代表了一個允許能量狀態被電子占據的概率。5.費米能級：用最簡單的話說，該能量在T=0K時高于所有被電子填充的狀態的能量，而低于所有空狀態能量。

6.禁帶：在量子力學理論中，晶體中不可以容納電子的一系列能級。7.空穴：與價帶頂部的空狀態相關的帶正電“粒子”。

8.空穴的有效質量：該參數同樣將晶體價帶中空穴的加速度與外加作用力聯系起來，而且包含了晶體中的內力。

9.k空間能帶圖：以k為坐標的晶體能連曲線，其中k為與運動常量有關的動量，該運動常量結合了晶體內部的相互作用。10.克龍尼克-潘納模型：由一系列周期性階躍函數組成，是代表一維單晶晶格周期性勢函數的數學模型。

11.麥克斯韋-波爾茲曼近似：為了用簡單的指數函數近似費米-狄拉克函數，從而規定滿足費米能級上下若干kT的約束條件。

12.泡利不相容原理：該原理指出任意兩個電子都不會處在同一量子態。

第四章平衡半導體 小結

1.導帶電子濃度是在整個導帶能量范圍上，對導帶狀態密度與費米-狄拉克概率分布函數的乘積進行積分得到的

2.價帶空穴濃度是在整個價帶能量范圍上，對價帶狀態密度與某狀態為空的概率【1-fF（E）】的乘積進行積分得到的。

3.本章討論了對半導體滲入施主雜質（V族元素）和受主雜質（111族元素）形成n型和p型非本征半導體的概念。4.推導出了基本關系式ni2=n0p0。

5.引入了雜質完全電離與電中性的概念，推導出了電子與空穴濃度關于摻雜濃度的函數表達式。

6.推導出了費米能級位置關于摻雜濃度的表達式。

7.討論了費米能級的應用。在熱平衡態下，半導體內的費米能級處處相等。重要術語解釋

1.受主原子：為了形成p型材料而加入半導體內的雜質原子。2.載流子電荷：在半導體內運動并形成電流的電子和（或）空穴。

3.雜質補償半導體：同一半導體區域內既含有施主雜質又含有受主雜質的半導體。4.完全電離：所有施主雜質原子因失去電子而帶正電，所有受主雜質原子因獲得電子而帶負電的情況。

5.簡并半導體：電子或空穴的濃度大于有效狀態密度，費米能級位于導帶中（n型）或價帶中（p型）的半導體。

6.施主原子：為了形成n型材料而加入半導體內的雜質原子。

7.有效狀態密度：即在導帶能量范圍內對量子態密度函數gc（E）與費米函數fF（E）的乘積進行積分得到的參數Nc；在價帶能量范圍內對量子態密度函數gv（E）與【1-fF（E）】的乘積進行積分得到的參數N。

8.非本征半導體：進行了定量施主或受主摻雜，從而使電子濃度或空穴濃度偏離本征載流子濃度產生多數載流子電子（n型）或多數載流子空穴（p型）的半導體。9.束縛態：低溫下半導體內的施主與受主呈現中性的狀態。此時，半導體內的電子濃度與空穴濃度非常小。

10.本征載流子濃度ni：本征半導體內導帶電子的濃度和價帶空穴的濃度（數值相等）。11.本征費米能級Efi：本征半導體內的費米能級位置。

12.本征半導體：沒有雜質原子且晶體中無晶格缺陷的純凈半導體材料。

13.非簡并半導體：參入相對少量的施主和（或）受主雜質，使得施主和（或）受主能級分立、無相互作用的半導體。14.載流子輸運現象 第五章 載流子運輸現象 小結

1半導體中的兩種基本疏運機構：電場作用下的漂移運動和濃度梯度作用下的擴散運動。2 存在外加電場時，在散射作用下載流子達到平均漂移速度。半導體存在兩種散射過程，即晶格散射和電離雜質散射 在若電場下，平均漂移速度是電場強度的線性函數；而在強力場下，漂移速度達到飽和，其數量級為107cm/s。載流子遷移率為平均漂移速度與外加電場之比。電子和空穴遷移率是溫度以及電離雜質濃度的函數。

5漂移電流密度為電導率和電場強度的乘積（歐姆定律的一種表示）。電導率是載流子濃度和遷移率的函數。電阻率等于電導率的倒數。

6擴散電流密度與載流子擴散系數和載流子濃度梯度成正比。7 擴散系數和遷移率的關系成為愛因斯坦關系 霍爾效應是載流子電荷在相互垂直的電場和磁場中運動產生的。載流子風生偏轉，干生出霍爾效應。霍爾電壓的正負反映了半導體的導電類型。還可以由霍爾電壓確定多數載流子濃度和遷移率。重要術語解釋

電導率：關于載流子漂移的材料參數；可量化為漂移電流密度和電場強度之比。擴散：粒子從高濃度區向低濃度區運動的過程。

擴散系數：關于粒子流動與粒子濃度梯度之間的參數。擴散電流：載流子擴散形成的電流。

漂移：在電場作用下，載流子的運動過程。漂移電流：載流子漂移形成的電流

漂移速度：電場中載流子的平均漂移速度 愛因斯坦關系：擴散系數和遷移率的關系

霍爾電壓：在霍爾效應測量中，半導體上產生的橫向壓降 電離雜質散射：載流子和電離雜質原子之間的相互作用 晶格散射：載流子和熱震動晶格原子之間的相互作用 遷移率：關于載流子漂移和電場強度的參數 電阻率：電導率的倒數；計算電阻的材料參數

飽和速度：電場強度增加時，載流子漂移速度的飽和值。

15.半導體中的非平衡過剩載流子 第六章 半導體中的非平衡過剩載流子 小結 討論了過剩電子和空穴產生與復合的過程，定義了過剩載流子的產生率和復合率 2 過剩電子和空穴是一起運動的，而不是互相獨立的。這種現象稱為雙極疏運 3 推導了雙極疏運方程，并討論了其中系數的小注入和非本征摻雜約束條件。在這些條件下，過剩電子和空穴的共同漂移和擴散運動取決于少子的特性，這個結果就是半導體器件狀態的基本原理 討論了過剩載流子壽命的概念 分別分析了過剩載流子狀態作為時間的函數 作為空間的函數和同事作為實踐與空間的函數的情況 定義了電子和空穴的準費米能級。這些參數用于描述非平衡狀態下，電子和空穴的總濃度 8 半導體表面效應對過剩電子和空穴的狀態產生影響。定義了表面復合速度 重要術語解釋 雙極擴散系數：過剩載流子的有效擴散系數 2 雙極遷移率：過剩載流子的有效遷移率 雙極疏運：具有相同擴散系數，遷移率和壽命的過剩電子和空穴的擴散，遷移和復合過程 4 雙極輸運方程：用時間和空間變量描述過剩載流子狀態函數的方程 5 載流子的產生：電子從價帶躍入導帶，形成電子-空穴對的過程 載流子的復合：電子落入價帶中的空能態（空穴）導致電子-空穴對消滅的過程 7 過剩載流子：過剩電子和空穴的過程 過剩電子：導帶中超出熱平衡狀態濃度的電子濃度 9 過剩空穴：價帶中超出熱平衡狀態濃度的空穴濃度 10 過剩少子壽命：過剩少子在復合前存在的平均時間 11 產生率：電子-空穴對產生的速率（#/cm3-ms）小注入：過剩載流子濃度遠小于熱平衡多子濃度的情況 少子擴散長度：少子在復合前的平均擴散距離：數學表示為D?，其中D和?分別為少子的擴散系數和壽命 準費米能級：電子和空穴的準費米能級分別將電子和空穴的非平衡狀態濃度與本征載流子濃度以及本征費米能級聯系起來 復合率：電子－空穴對復合的速率（#/cm3-s）16 表面態：半導體表面禁帶中存在的電子能態。

第七章

pn結 首先介紹了均勻摻雜的pn結。均勻摻雜pn結是指：半導體的一個區均勻摻雜了受主雜質，而相鄰的區域均勻摻雜了施主雜質。這種pn結稱為同質結 在冶金結兩邊的p區與n區內分別形成了空間電荷區或耗盡區。該區內不存在任何可以移動的電子或空穴，因而得名。由于n區內的施主雜質離子的存在，n區帶正電；同樣，由于p區內受主雜質離子存在，p區帶負電。由于耗盡區內存在凈空間電荷密度，耗盡區內有一個電場。電場的方向為由n區指向p區 空間電荷區內部存在電勢差。在零偏壓的條件下，該電勢差即內建電勢差維持熱平衡狀態，并且在阻止n區內多子電子向p區擴散的同時，阻止p區內多子空穴向n區擴散。反騙電壓（n區相對于p區為正）增加了勢壘的高度，增加了空間電荷區的寬度，并且增強了電場。隨著反偏電壓的改變，耗盡區內的電荷數量也改變。這個隨電壓改變的電荷量可以用來描述pn結的勢壘電容。線性緩變結是非均勻摻雜結的典型代表。本章我們推導出了有關線性緩變結的電場，內建電勢差，勢壘電容的表達式。這些函數表達式與均勻摻雜結的情況是不同的 8 特定的摻雜曲線可以用來實現特定的電容特性。超突變結是一種摻雜濃度從冶金結處開始下降的特殊pn結。這種結非常適用于制作諧振電路中的變容二極管。重要術語解釋

突變結近似：認為從中性半導體區到空間電荷區的空間電荷密度有一個突然的不連續 內建電勢差：熱平衡狀態下pn結內p區與n區的靜電電勢差。耗盡層電容：勢壘電容的另一種表達式 耗盡區：空間電荷區的另一種表達

超變突結：一種為了實現特殊電容－電壓特性而進行冶金結處高摻雜的pn結，其特點為pn結一側的摻雜濃度由冶金結處開始下降 勢壘電容（結電容）：反向偏置下pn結的電容

線性緩變結：冶金結兩側的摻雜濃度可以由線性分布近似的pn結 冶金結：pn結內p型摻雜與n型摻雜的分界面。

單邊突變結：冶金結一側的摻雜濃度遠大于另一側的摻雜濃度的pn結

反偏：pn結的n區相對于p區加正電壓，從而使p區與n區之間勢壘的大小超過熱平衡狀態時勢壘的大小 空間電荷區：冶金結兩側由于n區內施主電離和p區內受主電離而形成的帶凈正電與負電的區域

空間電荷區寬度：空間電荷區延伸到p區與n區內的距離，它是摻雜濃度與外加電壓的函數 變容二極管：電容隨著外加電壓的改變而改變的二極管。

第八章 pn結二極管 小結 當pn結外加正偏電壓時（p區相對與n區為正），pn結內部的勢壘就會降低，于是p區空穴與n區電子就會穿過空間電荷區流向相應的區域 本章推導出了與n區空間電荷區邊緣處的少子空穴濃度和p區空間電荷區邊緣處的少子濃度相關的邊界條件 注入到n區內的空穴與注入到p區內的電子成為相應區域內的過剩少子。過剩少子的行為由第六章中推導的雙極輸運方程來描述。求出雙極輸運方程的解并將邊界條件代入，就可以求出n區與p區內穩態少數載流子的濃度分布 由于少子濃度梯度的存在，pn結內存在少子擴散電流。少子擴散電流產生了pn結二極管的理想電流－電壓關系 本章得出了pn結二極管的小信號模型。最重要的兩個參數是擴散電阻與擴散電容 反偏pn結的空間電荷區內產生了過剩載流子。在電場的作用下，這些載流子被掃處了空間電荷區，形成反偏產生電流。產生電流是二極管反偏電流的一個組成部分。Pn結正偏時，穿過空間電荷區的過剩載流子可能發生復合，產生正偏復合電流。復合電流是pn結正偏電流的另一個組成部分 當pn結的外加反偏電壓足夠大時，就會發生雪崩擊穿。此時，pn結體內產生一個較大的反偏電流。擊穿電壓為pn結摻雜濃度的函數。在單邊pn結中，擊穿電壓是低摻雜一側摻雜濃度的函數 當pn結由正偏狀態轉換到反偏狀態時，pn結內存儲的過剩少數載流子會被移走，即電容放電。放電時間稱為存儲時間，它是二極管 開關速度的一個限制因素 重要術語解釋 雪崩擊穿：電子和空穴穿越空間電荷區時，與空間電荷區內原子的電子發生碰撞產生電子－空穴對，在pn結內形成一股很大的反偏電流，這個過程就稱為雪崩擊穿。

載流子注入：外加偏壓時，pn結體內載流子穿過空間電荷區進入p區或n區的過程 臨界電場：發生擊穿時pn結空間電荷區的最大電場強度 擴散電容：正偏pn結內由于少子的存儲效應而形成的電容 擴散電導：正偏pn結的低頻小信號正弦電流與電壓的比值 擴散電阻：擴散電導的倒數

正偏：p區相對于n區加正電壓。此時結兩側的電勢差要低于熱平衡時的值 產生電流：pn結空間電荷區內由于電子－空穴對熱產生效應形成的反偏電流 場二極管：電中性p區與n區的長度大于少子擴散長度的二極管。

復合電流：穿越空間電荷區時發生復合的電子與空穴所產生的正偏pn結電流 反向飽和電流：電中性p區與n區中至少有一個區的長度小于少子擴散長度的pn結二極管。存儲時間：當pn結二極管由正偏變為反偏時，空間電荷區邊緣的過剩少子濃度由穩態值變成零所用的時間 第九章 小結：輕參雜半導體上的金屬可以和半導體形成整流接觸，這種接觸稱為肖特基勢壘二極管。金屬與半導體間的理想勢壘高度會因金屬功函數和半導體的電子親和能的不同而不同。當在n型半導體和金屬之間加上一個正電壓是（即反偏），半導體與金屬之間的勢壘增加，因此基本上沒有載流子的流動。當金屬與n型半導體間加上一個正電壓時（即正偏），半導體與金屬間的勢壘降低，因此電子很容易從半導體流向金屬，這種現象稱為熱電子發射。肖特基勢壘二極管的理想i-v關系與pn結二極管的相同。然而，電流值的數量級與pn結二極管的不同，肖特基二極管的開關速度要快一些。另外，肖特基二極管的反向飽和電流比pn結的大，所以在達到與pn結二極管一樣的電流時，肖特基二極管需要的正的偏壓要低。金屬-半導體也可能想成歐姆接觸，這種接觸的接觸電阻很低，是的結兩邊導通時結兩邊的壓降很小。

兩種不同能帶系的半導體材料可以形成半導體異質結。異質結一個有用的特性就是能在表面形成勢壘。在與表面垂直的方向上，電子的活動會受到勢肼的限制，但電子在其他的兩個方向可以自由的流動。重要術語解釋：

反型異質結：參雜劑在冶金結處變化的異質結。

電子親和規則：這個規則是指，在一個理想的異質結中，導帶處的不連續性是由于兩種半導體材料的電子親和能是不同的引起的。

異質結：兩種不同的半導體材料接觸形成的結。

鏡像力降低效應：由于電場引起的金屬-半導體接觸處勢壘峰值降低的現象。同型異質結：參雜劑在冶金結處不變的異質結。

歐姆接觸：金屬半導體接觸電阻很低，且在結兩邊都能形成電流的接觸。理查德森常數：肖特基二極管中的I-V關系中的一個參數A*。肖特基勢壘高度：金屬-半導體結中從金屬到半導體的勢壘Φbn。肖特基效應：鏡像力降低效應的另一種形式。

單位接觸電阻：金屬半導體接觸的J-V曲線在V=0是的斜率的倒數。熱電子發射效應：載流子具有足夠的熱能時，電荷流過勢壘的過程。隧道勢壘：一個薄勢壘，在勢壘中，其主要作用的電流是隧道電流。

二維電子氣：電子堆積在異質結表面的勢肼中，但可以沿著其他兩個方向自由流動。第十章 小結：

有兩種類型的的雙極晶體管，即npn和pnp型。每一個晶體管都有三個不同的參雜區和兩個pn結。中心區域（基區）非常窄，所以這兩個結成為相互作用結。

晶體管工作于正向有源區時，B-E結正偏，B-C結反偏。發射區中的多子注入基區，在那里，他們變成少子。少子擴散過基區進入B-C結空間電荷區，在那里，他們被掃入集電區。當晶體管工作再正向有源區時，晶體管一端的電流（集電極電流）受另外兩個端點所施加的電壓（B-E結電壓）的控制。這就是其基本的工作原理。

晶體管的三個擴散區有不同的少子濃度分布。器件中主要的電流由這些少子的擴散決定。共發射極電流增益是三個因子的函數----發射極注入效率系數，基區輸運系數和復合系數。發射極注入效率考慮了從基區注入到發射區的載流子，基區輸運系數反映了載流子在基區的復合，復合系數反映了載流子在正偏發射結內部的復合。考慮了幾個非理想效應：

1.基區寬度調制效應，說著說是厄爾利效應----中性基區寬度隨B-C結電壓變化而發生變化，于是集電極電流隨B-C結或C-E結電壓變化而變化。

2.大注入效應使得集電極電流隨C-E結電壓增加而以低速率增加。3.發射區禁帶變窄效應是的發射區參雜濃度非常高時發射效率變小。4.電流集邊效應使得發射極邊界的電流密度大于中心位置的電流密度。5.基區非均勻摻雜在基區中感生出靜電場，有助于少子度越基區。6.兩種擊穿機制----穿通和雪崩擊穿。

晶體管的三種等效電路或者數學模型。E-M模型和等效電路對于晶體管的所有工作模式均適用。基區為非均勻摻雜時使用G-P模型很方便。小信號H-P模型適用于線性放大電路的正向有源晶體管。

晶體管的截止頻率是表征晶體管品質的一個重要參數，他是共發射極電流增益的幅值變為1時的頻率。頻率響應是E-B結電容充電時間、基區度越時間、集電結耗盡區度越時間和集電結電容充電時間的函數。

雖然開關應用涉及到電流和電壓較大的變化，但晶體管的開關特性和頻率上限直接相關，開關特性的一個重要的參數是點和存儲時間，它反映了晶體管有飽和態轉變變成截止態的快慢。

重要術語解釋：

1、a截止頻率：共基極電流增益幅值變為其低頻值的1根號2時的頻率，就是截止頻率。

2、禁帶變窄：隨著發射區中摻雜，禁帶的寬度減小。

3、基區渡越時間：少子通過中性基區所用的時間。

4、基區輸運系數：共基極電流增益中的一個系數，體現了中性基區中載流子的復合。

5、基區寬度調制效應：隨C-E結電壓或C-B結電壓的變化，中性基區寬度的變化。

6、B截止效率：共發射極電流增益幅值下降到其頻值的1根號2時的頻率。

7、集電結電容充電時間：隨發射極電流變化，B-C結空間電荷區和急電區-襯底結空間電荷區寬度發生變化的時間常數。

8、集電結耗盡區渡越時間：載流子被掃過B-C結空間電荷區所需的時間。

9、共基極電流增益：集電極電流與發射極電流之比。

10、共發射極電流增益：集電極電流與基極電流之比。

11、電流集邊：基極串聯電阻的橫向壓降使得發射結電流為非均勻值。

12、截止：晶體管兩個結均加零偏或反偏時，晶體管電流為零的工作狀態。

13、截止頻率：共發射極電流增益的幅值為1時的頻率。

14、厄爾利電壓：反向延長晶體管的I-V特性曲線與電壓軸交點的電壓的絕對值。

15、E-B結電容充電時間：發射極電流的變化引起B-E結空間電荷區寬度變化所需的時間。

16、發射極注入效率系數：共基極電流增益的一個系數，描述了載流子從基區向發射區的注入。

17、正向有源：B-E結正偏、B-C結反偏時的工作模式。

18、反向有源：B-E結反偏、B-C結正偏時的工作模式。

19、輸出電導：集電極電流對C-E兩端電壓的微分之比。

這一章討論了MOSFET的基本物理結構和特性

MOSFET的核心為MOS電容器。與氧化物-半導體界面相鄰的半導體能帶是玩去的，他由加載MOS電容器上的電壓決定。表面處導帶和價帶相對于費米能級的位置是MOS電容器電壓的函數。

氧化層-半導體界面處的半導體表面可通過施加正偏柵壓由到發生反型，或者通過施加負柵壓由n型到p型發生發型。因此在于氧化層相鄰處產生了反型層流動電荷。基本MOS場效應原理是有反型層電荷密度的調制作用體現的

討論了MOS電容器的C-V特性。例如，等價氧化層陷阱電荷密度和界面態密度可由C-V測量方法決定

兩類基本的MOSFET為n溝和p溝，n溝中的電流由反型層電子的流動形成，p溝中的電流由反型層空穴流動形成。這兩類器件都可以是增強型的，通常情況下器件是關的，需施加一個柵壓才能使器件開啟；也可以是耗盡型的，此時在通常情況下器件是開的，需施加一個柵壓才能使器件關閉

平帶電壓是滿足條件時所加的柵壓，這時導帶和價帶不發生彎曲，并且半導體中沒有空間電荷區。平帶電壓時金屬-氧化層勢壘的高度、半導體-氧化層勢壘高度以及固定氧化層陷阱電荷數量的函數

閾值電壓是指半導體表面達到閾值反型點時所加的柵壓，此時反型層電荷密度的大小等于半導體摻雜濃度。閾值電壓是平帶電壓、半導體摻雜濃度和氧化層厚度的函數。

MOSFET中的電流是由反型層載流子在漏源之間的流動形成的。反型層電荷密度和溝道電導是由柵壓控制，這意味著溝道電流被柵壓控制

當晶體管偏置在非飽和區（VDSVDS(sat)）時，反型電荷密度在漏端附近被夾斷，此時理想漏電流僅是柵源電壓的函數

實際的MOSFET是一個四端器件，在襯底或體為第四端。隨著反偏源-襯底電壓的增加，閾值電壓增大。在源端和襯底不存在電學連接的集成電路中，襯底偏置效應變得很重要。討論了含有電容的MOSFET小信號等效電路。分析了影響頻率限制的MOSFET的一些物理因素。特別的，由于密勒效應，漏源交替電容成為了MOSFET頻率響應的一個制約罌粟。作為器件頻率響應的一個特點，截止頻率反比于溝道長度，因此，溝道長度的減小將導致MOSFET頻率性能的提高

簡要討論了n溝和p溝器件制作在同一塊芯片上的CMOS技術。被電學絕緣的p型和n型襯底區時電容兩類晶體管的必要條件。有不同的工藝來實現這一結構。CMOS結構中遇到的一個潛在問題是閂鎖現象，即可能發生在四層pnpn結構中的高電流、低電壓情況

重要術語解釋

對基層電荷：由于熱平衡載流子濃度過剩而在氧化層下面產生的電荷 體電荷效應：由于漏源電壓改變而引起的沿溝道長度方向上的空間電荷寬度改變所導致的漏電流偏離理想情況

溝道電導：當VDS?0時漏電流與漏源電壓改變的過程

CMOS：互補MOS；將p溝和n溝器件制作在同一芯片上的電路工藝 截至頻率：輸入交流柵電流等于輸處交流漏電流時的信號頻率 耗盡型MOSFET：必須施加柵電壓才能關閉的一類MOSFET 增強型MOSFET：鼻血施加柵電壓才能開啟的一類MOSFET 等價固定氧化層電荷：與氧化層－半導體界面緊鄰的氧化層中的有效固定電荷，用Q'SS表示。

平帶電壓：平帶條件發生時所加的柵壓，此時在氧化層下面的半導體中沒有空閑電荷區 柵電容充電時間：由于柵極信號變化引起的輸入柵電容的充電或放電時間 界面態：氧化層－半導體界面處禁帶寬度中允許的電子能態

反型層電荷：氧化層下面產生的電荷，它們與半導體摻雜的類型是相反的 反型層遷移率：反型層中載流子的遷移率

閂鎖：比如在CMOS電路中那樣，可能發生在四層pnpn結構中的高電流 低電壓現象 最大空間電荷區寬度：閾值反型時氧化層下面的空間電荷區寬度

金屬－半導體功函數差：金屬功函數和電子親和能之差的函數，用?ms表示

臨界反型：當柵壓接近或等于閾值電壓時空間電荷寬度的微弱改變，并且反型層電荷密度等于摻雜濃度時的情形

柵氧化層電容：氧化層介電常數與氧化層厚度之比，表示的是單位面積的電容，記為Cox 飽和：在漏端反型電荷密度為零且漏電流不再是漏源電壓的函數的情形 強反型：反型電荷密度大于摻雜濃度時的情形 閾值反型點：反型電荷密度等于摻雜濃度時的情形 閾值電壓：達到閾值反型點所需的柵壓

跨導：漏電流ude該變量與其對應的柵壓該變量之比 弱反型：反型電流密度小于摻雜濃度時的情形

第十二章

小結：1.、亞閾值電導是指在MOSFET中當柵-源電壓小于閾值電壓時漏電流不為零。這種情況下，晶體管被偏置在弱反型模式下，漏電流有擴散機制而非漂移機制控制。亞閾值電導可以在集成電路中產生一個較明顯的靜態偏置電流。

2、當MOSEFT工作于飽和區時，由于漏極處的耗盡區進入溝道區，有效溝道長度會隨著漏電壓的增大而減小。漏電流與溝道長度成反比，成為漏-源函數。該效應稱為溝道長度調制效應。

3、反型層中的載流子遷移率不是常數。當柵壓增大時，氧化層界面處的電場增大，引起附加的表面散射。這些散射的載流子導致遷移率的下降，使其偏離理想的電流-電壓曲線。

4、隨著溝道長度的減小，橫向電場增大。溝道中流動的載流子可以達到飽和速度；從而在較低的漏極電壓下漏電流就會飽和。此時，漏電流成為柵-源電壓的線性函數。

5、MOSEFT設計的趨勢是使器件尺寸越來越小。我們討論了恒定電場等比例縮小理論。該理論是指溝道長度、溝道寬度、氧化層厚度和工作電壓按照相同的比例因子縮小，而襯底摻雜濃度按照相同的比例因子增大。

6、討論了隨著器件尺寸的縮小閾值電壓的修正。由于襯底的電荷分享效應，隨著溝道長度的縮小，閾值電壓也減小；隨著溝道寬度的減小，閾值電壓會增大。

7、討論了各種電壓擊穿機制。包括柵氧化層擊穿、溝道雪崩擊穿、寄生晶體管擊穿以及漏源穿通效應。這些機制都可以事器件更快的衰退。輕摻雜漏可以吧漏極擊穿效應降到最小。

8、離子注入可以改變和調整溝道區中的襯底摻雜濃度，從而得到滿意的閾值電壓，他可以作為調整閾值電壓的最后一步。這個過程成為通過離子注入調整閾值電壓。

重要術語解釋：

1、溝道長度調制：當MOSEFT進入飽和區時有效溝道長度隨漏-源電壓的改變。

2、熱電子：由于在高場強中被加速，能量遠大于熱平衡時的值的電子。

3、輕摻雜漏（LDD）:為了減小電壓擊穿效應，在緊鄰溝道處建造一輕摻雜漏區的MOSEFT。

4、窄溝道效應：溝道寬度變窄后的閾值電壓的偏移。

5、源漏穿通：由于漏-源電壓引起的漏極和襯底之間的勢壘高度降低，從而導致漏電流的迅速增大。

6、短溝道效應：溝道長度變短引起的閾值電壓的偏移。

7、寄生晶體管擊穿：寄生雙極晶體管中電流增益的改變而引起的MOSEFT擊穿過程中出現的負阻效應。

8、亞閾值導電：當晶體管柵偏置電壓低于閾值反型點時，MOSEFT中的導電過程。

9、表面散射：當載流子在源極與漏極漂移時，氧化層-半導體界面處載流子的電場吸收作用和庫侖排斥作用。

10、閾值調整：通過離子注入改變半導體摻雜濃度，從而改變閾值電壓的過程。

第十三章

小結：

1、三種普通的JEFT是pn JEFT、MESFET、以及HEMT。

2、JFET中的電流由垂直于電流方向的電場控制，電流存在于源極和漏極家畜之間的溝道區中。在pn JFET中，溝道形成了pn結的一邊，用于調制溝道電導。

3、JFET的兩個主要參數是內建夾斷電壓Vpo和夾斷電壓Vp（閾電壓）。內建夾斷電壓定義為正值，它是引起結的空間電荷層完全填滿溝道區的柵極與溝道之間的總電勢。夾斷電壓（閾電壓）定義成形成夾斷是所需加的柵極電壓。

4、跨導即晶體管增益，是漏電流隨著柵極電壓的變化率。

5、三種非理想的因素：溝道長度調制效應、飽和速度和亞閾值電流，這些效應將改變理想的I-V關系。

6、小信號等效電路，等效電路中包含等效電容；兩個物理因素影響到頻率限制，即溝道輸運時間與電容電荷存儲時間。電容電荷存儲時間常數通常在短溝道器件中起作用。

7、在異質結表面，二維電子氣被限制在勢阱中。電子可以平行于表面運動。這些電子與電離了的空穴分離，以減小電離雜質散射效應，形成高的遷移率。重要術語解釋：1電容電荷存儲時間：柵極輸入信號改變時柵極輸入電容存儲或釋放電荷的時間。

2、溝道電導：當漏源電壓趨近于極限值零時，漏電源隨著漏源電壓的變化率。

3、溝道電導調制效應：溝道電導隨柵極電壓的變化過程。

4、溝道長度調制效應：JFET處于飽和區是，有效溝道長度隨漏源電壓的變化。

5、電導參數：增強型MESFET的漏電源與柵源電壓的表達式中的倍數因子k。

6、截止頻率：小信號柵極輸入電流值與小信號漏極電流值一致時的頻率。

7、耗盡型JFET：必須加以柵極電壓才能形成溝道夾斷是器件截止的JFET。

8、增強型JFET:柵極電壓為零時已經夾斷，必須加以柵源電壓以形成溝道，以是器件開啟的JFET。

9、內建夾斷電壓：溝道夾斷是柵結上的總電壓降。

10、輸出電阻：柵源電壓隨漏極電流的變化率。

11、夾斷：柵結空間電荷區完全擴展進溝道，以至于溝道被耗盡的自由載流子充滿的現象。

第十四章

小結：

1、太陽能電池將光能裝換成電能。轉換系數要考慮能量小于禁帶寬度的入射光子以及能量小于禁帶寬度的入射光子，能量小的不能被吸收，能量大的可以被吸收，并且多余的能量會形成熱量。轉換系數一般小于30%。

2、異質結電池可以增大轉換系數并形成相對大的開路電壓。無定型硅太陽能電池提供了生產低成本大面積電池的可能性。

3、光電探測器是將光信號轉換成電信號的半導體器件。光電導體是最簡單的光電探測器。入射光子會引起過剩載流子電子和空穴，從而引起半導體導電性的變化。

4、光電二極管是加反偏電壓的二極管。入射光子在空間電荷區產生的過剩載流子被電場掃過形成電場。光電流正比于入射光子強度。PIN和雪崩光電二極管是基本的光電二極管。光電晶體管產生的光電流是晶體管增益的倍數。由于密勒效應和密勒電容，光電晶體管的頻率響應比光電二極管的慢很多。

5、在pn結中光子吸收的反轉就是注入電致發光。在直接帶隙半導體中，過剩電子和空穴的復合會導致光子的發射。輸出的光信號波長取決于禁帶寬度。但是，為了輸出波長限定在某個范圍內，可以采用化合物半導體，禁帶寬度由組分決定。

6、發光二極管（LED）是一種pn結二極管，其光子的輸出時過剩電子和空穴自發復合的結果。輸出信號中相對較寬的寬度（30cm）是自發過程的結果。

7、激光二極管的輸出時受激發射的結果。光學腔即法里布-柏羅共振腔用來連接二極管，以便使光子輸出是同相或一致的。多層異質結結構可用來連接二極管，以便使光子輸出時同相或一致的。多層異質結結構可用來提高激光二極管的性能。

重要術語解釋：

1、吸收系數：在半導體材料中，單位距離吸收的相對光子數，用a表示。

2、俄歇復合：電子和空穴的復合伴隨著吸收其他粒子所釋放的能量，是一個非輻射復合過程。

3、轉換系數：在太陽能電池中，輸出的電功率和入射的光功率之比。

4、延遲光電流：半導體器件中由于擴散電流引起的光電流成分。

5、外量子效率：在半導體器件中，發射的光子數和總光子數的比率。

6、填充系數：ImVm與IscVoc的比率，是太陽能電池有效輸出能量的度量。Im和Vm是在最大功率點的電流和電壓值。Isc和Voc是短路電流和開路電壓。

7、菲涅爾損耗：由于折射系數的變化，在界面處入射光子被反射的部分。

8、內量子效率：能夠產生發光的二極管電流部分。

9、發光二極管（LED）：在正偏pn結中，由于電子-空穴復合而產生的自發光子發射。

10、發光：光發射的總性質。

11、非輻射復合：不產生光子的電子和空穴的復合過程，例如硅中在導帶和價帶間的間接躍遷。

12、開路電壓：太陽能電池的外電路開路時的電壓。

13、光電流：由于吸收光子而在半導體器件中產生過剩載流子，從而形成的電流。

14、分布反轉：處于高能級的電子濃度比處于低能級的電子濃度大的情況，是一個非平衡狀態。

15、瞬時光電流：半導體器件的空間電荷區產生的光電流成分。

16、輻射復合：電子和空穴的復合過程能夠產生光子，例如砷化鎵中的帶與帶之間的直接復合。

17、肖克萊-里德-霍爾復合：通過深能級陷阱而進行的電子-空穴對的復合，是非輻射復合過程。

18、短路電流：太陽能電池兩端直接相連時的電流。

19、受激發射：有個電子被入射光子激發，躍遷到低能級，同時發射第二個光子的過程。

第二篇：半導體術語解釋小結

第一章 固體晶體結構

小結

1.硅是最普遍的半導體材料

2.半導體和其他材料的屬性很大程度上由其單晶的晶格結構決定。晶胞是晶體中的一小塊體積，用它可以重構出整個晶體。三種基本的晶胞是簡立方、體心立方和面心立方。3.硅具有金剛石晶體結構。原子都被由4個緊鄰原子構成的四面體包在中間。二元半導體具有閃鋅礦結構，它與金剛石晶格基本相同。

4.引用米勒系數來描述晶面。這些晶面可以用于描述半導體材料的表面。密勒系數也可以用來描述晶向。

5.半導體材料中存在缺陷，如空位、替位雜質和填隙雜質。少量可控的替位雜質有益于改變半導體的特性。

6.給出了一些半導體生長技術的簡單描述。體生長生成了基礎半導體材料，即襯底。外延生長可以用來控制半導體的表面特性。大多數半導體器件是在外延層上制作的。重要術語解釋

1.二元半導體：兩元素化合物半導體，如GaAs。2.共價鍵：共享價電子的原子間鍵合。3.金剛石晶格：硅的院子晶體結構，亦即每個原子有四個緊鄰原子，形成一個四面體組態。4.摻雜：為了有效地改變電學特性，往半導體中加入特定類型的原子的工藝。5.元素半導體：單一元素構成的半導體，比如硅、鍺。6.外延層：在襯底表面形成的一薄層單晶材料。7.離子注入：一種半導體摻雜工藝。8.晶格：晶體中原子的周期性排列

9.密勒系數：用以描述晶面的一組整數。10.原胞：可復制以得到整個晶格的最小單元。

11.襯底：用于更多半導體工藝比如外延或擴散的基礎材料，半導體硅片或其他原材料。12.三元半導體：三元素化合物半導體，如AlGaAs。13.晶胞：可以重構出整個晶體的一小部分晶體。

14.鉛鋅礦晶格：與金剛石晶格相同的一種晶格，但它有兩種類型的原子而非一種。

第二章 量子力學初步 小結

1.我們討論了一些量子力學的概念，這些概念可以用于描述不同勢場中的電子狀態。了解電子的運動狀態對于研究半導體物理是非常重要的。

2.波粒二象性原理是量子力學的重要部分。粒子可以有波動態，波也可以具有粒子態。3.薛定諤波動方程式描述和判斷電子狀態的基礎。4.馬克思·玻恩提出了概率密度函數|fai（x）|2.5.對束縛態粒子應用薛定諤方程得出的結論是，束縛態粒子的能量也是量子化的。6.利用單電子原子的薛定諤方程推導出周期表的基本結構。重要術語解釋

1.德布羅意波長：普朗克常數與粒子動量的比值所得的波長。

2.海森堡不確定原理：該原理指出我們無法精確確定成組的共軛變量值，從而描述粒子的狀態，如動量和坐標。

3.泡利不相容原理：該原理指出任意兩個電子都不會處在同一量子態。4.光子：電磁能量的粒子狀態。5.量子：熱輻射的粒子形態。

6.量子化能量：束縛態粒子所處的分立能量級。

7.量子數：描述粒子狀態的一組數，例如原子中的電子。8.量子態：可以通過量子數描述的粒子狀態。9.隧道效應：粒子穿過薄層勢壘的量子力學現象。

10.波粒二象性：電磁波有時表現為粒子狀態，而粒子有時表現為波動狀態的特性。

第三章 固體量子理論初步 小結

1.當原子聚集在一起形成晶體時，電子的分立能量也就隨之分裂為能帶。

2.對表征單晶材料勢函數的克龍克尼-潘納模型進行嚴格的量子力學分析和薛定諤波動方程推導，從而得出 了允帶和禁帶的概念。

3.有效質量的概念將粒子在晶體中的運動與外加作用力聯系起來，而且涉及到晶格對粒子運動的作用。

4.半導體中存在兩種帶點粒子。其中電子是具有正有效質量的正電荷粒子，一般存在于允帶的頂部。

5.給出了硅和砷化鎵的E-k關系曲線，并討論了直接帶隙半導體和間接帶隙半導體的概念。6.允帶中的能量實際上是由許多的分立能級組成的，而每個能級都包含有限數量的量子態。單位能量的量子態密度可以根據三維無限深勢阱模型確定。7.在涉及大量的電子和空穴時，就需要研究這些粒子的統計特征。本章討論了費米-狄拉克概率函數，它代表的是能量為E的量子態被電子占據的幾章。重要術語解釋

1.允帶：在量子力學理論中，晶體中可以容納電子的一系列能級。

2.狀態密度函數：有效量子態的密度。它是能量的函數，表示為單位體積單位能量中的量子態數量。

3.電子的有效質量：該參數將晶體導帶中電子的加速度與外加的作用力聯系起來，該參數包含了晶體中的內力。4.費米-狄拉克概率函數：該函數描述了電子在有效能級中的分布，代表了一個允許能量狀態被電子占據的概率。5.費米能級：用最簡單的話說，該能量在T=0K時高于所有被電子填充的狀態的能量，而低于所有空狀態能量。

6.禁帶：在量子力學理論中，晶體中不可以容納電子的一系列能級。7.空穴：與價帶頂部的空狀態相關的帶正電“粒子”。

8.空穴的有效質量：該參數同樣將晶體價帶中空穴的加速度與外加作用力聯系起來，而且包含了晶體中的內力。

9.k空間能帶圖：以k為坐標的晶體能連曲線，其中k為與運動常量有關的動量，該運動常量結合了晶體內部的相互作用。10.克龍尼克-潘納模型：由一系列周期性階躍函數組成，是代表一維單晶晶格周期性勢函數的數學模型。

11.麥克斯韋-波爾茲曼近似：為了用簡單的指數函數近似費米-狄拉克函數，從而規定滿足費米能級上下若干kT的約束條件。

12.泡利不相容原理：該原理指出任意兩個電子都不會處在同一量子態。

第四章平衡半導體 小結

1.導帶電子濃度是在整個導帶能量范圍上，對導帶狀態密度與費米-狄拉克概率分布函數的乘積進行積分得到的

2.價帶空穴濃度是在整個價帶能量范圍上，對價帶狀態密度與某狀態為空的概率【1-fF（E）】的乘積進行積分得到的。

3.本章討論了對半導體滲入施主雜質（V族元素）和受主雜質（111族元素）形成n型和p型非本征半導體的概念。4.推導出了基本關系式ni2=n0p0。

5.引入了雜質完全電離與電中性的概念，推導出了電子與空穴濃度關于摻雜濃度的函數表達式。

6.推導出了費米能級位置關于摻雜濃度的表達式。

7.討論了費米能級的應用。在熱平衡態下，半導體內的費米能級處處相等。重要術語解釋

1.受主原子：為了形成p型材料而加入半導體內的雜質原子。2.載流子電荷：在半導體內運動并形成電流的電子和（或）空穴。

3.雜質補償半導體：同一半導體區域內既含有施主雜質又含有受主雜質的半導體。4.完全電離：所有施主雜質原子因失去電子而帶正電，所有受主雜質原子因獲得電子而帶負電的情況。

5.簡并半導體：電子或空穴的濃度大于有效狀態密度，費米能級位于導帶中（n型）或價帶中（p型）的半導體。

6.施主原子：為了形成n型材料而加入半導體內的雜質原子。

7.有效狀態密度：即在導帶能量范圍內對量子態密度函數gc（E）與費米函數fF（E）的乘積進行積分得到的參數Nc；在價帶能量范圍內對量子態密度函數gv（E）與【1-fF（E）】的乘積進行積分得到的參數N。

8.非本征半導體：進行了定量施主或受主摻雜，從而使電子濃度或空穴濃度偏離本征載流子濃度產生多數載流子電子（n型）或多數載流子空穴（p型）的半導體。9.束縛態：低溫下半導體內的施主與受主呈現中性的狀態。此時，半導體內的電子濃度與空穴濃度非常小。

10.本征載流子濃度ni：本征半導體內導帶電子的濃度和價帶空穴的濃度（數值相等）。11.本征費米能級Efi：本征半導體內的費米能級位置。

12.本征半導體：沒有雜質原子且晶體中無晶格缺陷的純凈半導體材料。

13.非簡并半導體：參入相對少量的施主和（或）受主雜質，使得施主和（或）受主能級分立、無相互作用的半導體。

第五章 載流子運輸現象 小結

1半導體中的兩種基本疏運機構：電場作用下的漂移運動和濃度梯度作用下的擴散運動。2 存在外加電場時，在散射作用下載流子達到平均漂移速度。半導體存在兩種散射過程，即晶格散射和電離雜質散射 在弱電場下，平均漂移速度是電場強度的線性函數；而在強力場下，漂移速度達到飽和，其數量級為107cm/s。載流子遷移率為平均漂移速度與外加電場之比。電子和空穴遷移率是溫度以及電離雜質濃度的函數。

5漂移電流密度為電導率和電場強度的乘積（歐姆定律的一種表示）。電導率是載流子濃度和遷移率的函數。電阻率等于電導率的倒數。

6擴散電流密度與載流子擴散系數和載流子濃度梯度成正比。7 擴散系數和遷移率的關系成為愛因斯坦關系 霍爾效應是載流子電荷在相互垂直的電場和磁場中運動產生的。載流子風生偏轉，干生出霍爾效應。霍爾電壓的正負反映了半導體的導電類型。還可以由霍爾電壓確定多數載流子濃度和遷移率。重要術語解釋

電導率：關于載流子漂移的材料參數；可量化為漂移電流密度和電場強度之比。擴散：粒子從高濃度區向低濃度區運動的過程。

擴散系數：關于粒子流動與粒子濃度梯度之間的參數。擴散電流：載流子擴散形成的電流。

漂移：在電場作用下，載流子的運動過程。漂移電流：載流子漂移形成的電流

漂移速度：電場中載流子的平均漂移速度 愛因斯坦關系：擴散系數和遷移率的關系

霍爾電壓：在霍爾效應測量中，半導體上產生的橫向壓降 電離雜質散射：載流子和電離雜質原子之間的相互作用 晶格散射：載流子和熱震動晶格原子之間的相互作用 遷移率：關于載流子漂移和電場強度的參數 電阻率：電導率的倒數；計算電阻的材料參數

飽和速度：電場強度增加時，載流子漂移速度的飽和值。半導體中的非平衡過剩載流子

第六章 半導體中的非平衡過剩載流子 小結 討論了過剩電子和空穴產生與復合的過程，定義了過剩載流子的產生率和復合率 2 過剩電子和空穴是一起運動的，而不是互相獨立的。這種現象稱為雙極疏運 3 推導了雙極疏運方程，并討論了其中系數的小注入和非本征摻雜約束條件。在這些條件下，過剩電子和空穴的共同漂移和擴散運動取決于少子的特性，這個結果就是半導體器件狀態的基本原理 討論了過剩載流子壽命的概念 分別分析了過剩載流子狀態作為時間的函數 作為空間的函數和同事作為實踐與空間的函數的情況 定義了電子和空穴的準費米能級。這些參數用于描述非平衡狀態下，電子和空穴的總濃度 8 半導體表面效應對過剩電子和空穴的狀態產生影響。定義了表面復合速度 重要術語解釋 雙極擴散系數：過剩載流子的有效擴散系數 2 雙極遷移率：過剩載流子的有效遷移率 雙極疏運：具有相同擴散系數，遷移率和壽命的過剩電子和空穴的擴散，遷移和復合過程 雙極輸運方程：用時間和空間變量描述過剩載流子狀態函數的方程 5 載流子的產生：電子從價帶躍入導帶，形成電子-空穴對的過程 載流子的復合：電子落入價帶中的空能態（空穴）導致電子-空穴對消滅的過程 7 過剩載流子：過剩電子和空穴的過程 過剩電子：導帶中超出熱平衡狀態濃度的電子濃度 9 過剩空穴：價帶中超出熱平衡狀態濃度的空穴濃度 10 過剩少子壽命：過剩少子在復合前存在的平均時間 11 產生率：電子-空穴對產生的速率（#/cm3-ms）小注入：過剩載流子濃度遠小于熱平衡多子濃度的情況 少子擴散長度：少子在復合前的平均擴散距離：數學表示為D?，其中D和?分別為少子的擴散系數和壽命 準費米能級：電子和空穴的準費米能級分別將電子和空穴的非平衡狀態濃度與本征載流子濃度以及本征費米能級聯系起來 復合率：電子－空穴對復合的速率（#/cm3-s）16 表面態：半導體表面禁帶中存在的電子能態。

第七章

pn結 首先介紹了均勻摻雜的pn結。均勻摻雜pn結是指：半導體的一個區均勻摻雜了受主雜質，而相鄰的區域均勻摻雜了施主雜質。這種由同一種材料但導電類型相反的半導體組成的pn結稱為同質結 在冶金結兩邊的p區與n區內分別形成了空間電荷區或耗盡區。該區內不存在任何可以移動的電子或空穴，因而得名。由于n區內的施主雜質離子的存在，n區帶正電；同樣，由于p區內受主雜質離子存在，p區帶負電。由于耗盡區內存在凈空間電荷密度，耗盡區內有一個電場。電場的方向為由n區指向p區 空間電荷區內部存在電勢差。在零偏壓的條件下，該電勢差即內建電勢差維持熱平衡狀態，并且在阻止n區內多子電子向p區擴散的同時，阻止p區內多子空穴向n區擴散。反偏電壓（n區相對于p區為正）增加了勢壘的高度，增加了空間電荷區的寬度，并且增強了電場。隨著反偏電壓的改變，耗盡區內的電荷數量也改變。這個隨電壓改變的電荷量可以用來描述pn結的勢壘電容。線性緩變結是非均勻摻雜結的典型代表。本章我們推導出了有關線性緩變結的電場，內建電勢差，勢壘電容的表達式。這些函數表達式與均勻摻雜結的情況是不同的 8 特定的摻雜曲線可以用來實現特定的電容特性。超突變結是一種摻雜濃度從冶金結處開始下降的特殊pn結。這種結非常適用于制作諧振電路中的變容二極管。重要術語解釋

突變結近似：認為從中性半導體區到空間電荷區的空間電荷密度有一個突然的不連續 內建電勢差：熱平衡狀態下pn結內p區與n區的靜電電勢差。耗盡層電容：勢壘電容的另一種表達式 耗盡區：空間電荷區的另一種表達

超變突結：一種為了實現特殊電容－電壓特性而進行冶金結處高摻雜的pn結，其特點為pn結一側的摻雜濃度由冶金結處開始下降 勢壘電容（結電容）：反向偏置下pn結的電容

線性緩變結：冶金結兩側的摻雜濃度可以由線性分布近似的pn結 冶金結：pn結內p型摻雜與n型摻雜的分界面。

單邊突變結：冶金結一側的摻雜濃度遠大于另一側的摻雜濃度的pn結

反偏：pn結的n區相對于p區加正電壓，從而使p區與n區之間勢壘的大小超過熱平衡狀態時勢壘的大小

空間電荷區：冶金結兩側由于n區內施主電離和p區內受主電離而形成的帶凈正電與負電的區域

空間電荷區寬度：空間電荷區延伸到p區與n區內的距離，它是摻雜濃度與外加電壓的函數

變容二極管：電容隨著外加電壓的改變而改變的二極管。

第八章 pn結二極管 小結 當pn結外加正偏電壓時（p區相對與n區為正），pn結內部的勢壘就會降低，于是p區空穴與n區電子就會穿過空間電荷區流向相應的區域 本章推導出了與n區空間電荷區邊緣處的少子空穴濃度和p區空間電荷區邊緣處的少子濃度相關的邊界條件 注入到n區內的空穴與注入到p區內的電子成為相應區域內的過剩少子。過剩少子的行為由第六章中推導的雙極輸運方程來描述。求出雙極輸運方程的解并將邊界條件代入，就可以求出n區與p區內穩態少數載流子的濃度分布 由于少子濃度梯度的存在，pn結內存在少子擴散電流。少子擴散電流產生了pn結二極管的理想電流－電壓關系 本章得出了pn結二極管的小信號模型。最重要的兩個參數是擴散電阻與擴散電容 反偏pn結的空間電荷區內產生了過剩載流子。在電場的作用下，這些載流子被掃處了空間電荷區，形成反偏產生電流。產生電流是二極管反偏電流的一個組成部分。Pn結正偏時，穿過空間電荷區的過剩載流子可能發生復合，產生正偏復合電流。復合電流是pn結正偏電流的另一個組成部分 當pn結的外加反偏電壓足夠大時，就會發生雪崩擊穿。此時，pn結體內產生一個較大的反偏電流。擊穿電壓為pn結摻雜濃度的函數。在單邊pn結中，擊穿電壓是低摻雜一側摻雜濃度的函數 當pn結由正偏狀態轉換到反偏狀態時，pn結內存儲的過剩少數載流子會被移走，即電容放電。放電時間稱為存儲時間，它是二極管 開關速度的一個限制因素 重要術語解釋

雪崩擊穿：電子和空穴穿越空間電荷區時，與空間電荷區內原子的電子發生碰撞產生電子－空穴對，在pn結內形成一股很大的反偏電流，這個過程就稱為雪崩擊穿。齊納擊穿：重摻雜的PN結由于隧穿效應發生的PN結擊穿機制

載流子注入：外加偏壓時，pn結體內載流子穿過空間電荷區進入p區或n區的過程 臨界電場：發生擊穿時pn結空間電荷區的最大電場強度 擴散電容：正偏pn結內由于少子的存儲效應而形成的電容 擴散電導：正偏pn結的低頻小信號正弦電流與電壓的比值 擴散電阻：擴散電導的倒數 正偏：p區相對于n區加正電壓。此時結兩側的電勢差要低于熱平衡時的值 產生電流：pn結空間電荷區內由于電子－空穴對熱產生效應形成的反偏電流 長二極管：電中性p區與n區的長度大于少子擴散長度的二極管。

復合電流：穿越空間電荷區時發生復合的電子與空穴所產生的正偏pn結電流 反向飽和電流：電中性p區與n區中至少有一個區的長度小于少子擴散長度的pn結二極管。存儲時間：當pn結二極管由正偏變為反偏時，空間電荷區邊緣的過剩少子濃度由穩態值變成零所用的時間 第九章

小結：輕摻雜半導體上的金屬可以和半導體形成整流接觸，這種接觸稱為肖特基勢壘二極管。金屬與半導體間的理想勢壘高度會因金屬功函數和半導體的電子親和能的不同而不同。了解功函數和電子親和能的定義。

當在n型半導體和金屬之間加上一個正電壓是（即反偏），半導體與金屬之間的勢壘增加，因此基本上沒有載流子的流動。當金屬與n型半導體間加上一個正電壓時（即正偏），半導體與金屬間的勢壘降低，因此電子很容易從半導體流向金屬，這種現象稱為熱電子發射。肖特基勢壘二極管的理想i-v關系與pn結二極管的相同。然而，電流值的數量級與pn結二極管的不同，肖特基二極管的開關速度要快一些。另外，肖特基二極管的反向飽和電流比pn結的大，所以在達到與pn結二極管一樣的電流時，肖特基二極管需要的正的偏壓要低。金屬-半導體也可能想成歐姆接觸，這種接觸的接觸電阻很低，使得結兩邊導通時的壓降很小，是一種非整流接觸。

兩種不同能帶系的半導體材料可以形成半導體異質結。異質結一個有用的特性就是能在表面形成勢壘。在與表面垂直的方向上，電子的活動會受到勢肼的限制，但電子在其他的兩個方向可以自由的流動。重要術語解釋：

反型異質結：參雜劑在冶金結處變化的異質結。

電子親和規則：這個規則是指，在一個理想的異質結中，導帶處的不連續性是由于兩種半導體材料的電子親和能是不同的引起的。

異質結：兩種不同的半導體材料接觸形成的結。

鏡像力降低效應：由于電場引起的金屬-半導體接觸處勢壘峰值降低的現象。同型異質結：參雜劑在冶金結處不變的異質結。

歐姆接觸：金屬半導體接觸電阻很低，且在結兩邊都能形成電流的接觸。理查德森常數：肖特基二極管中的I-V關系中的一個參數A*。肖特基勢壘高度：金屬-半導體結中從金屬到半導體的勢壘Φbn。肖特基效應：鏡像力降低效應的另一種形式。

單位接觸電阻：金屬半導體接觸的J-V曲線在V=0是的斜率的倒數。熱電子發射效應：載流子具有足夠的熱能時，電荷流過勢壘的過程。隧道勢壘：一個薄勢壘，在勢壘中，其主要作用的電流是隧道電流。

二維電子氣：電子堆積在異質結表面的勢肼中，但可以沿著其他兩個方向自由流動。第十章 小結：

有兩種類型的的雙極晶體管，即npn和pnp型。每一個晶體管都有三個不同的參雜區和兩個pn結。中心區域（基區）非常窄，所以這兩個結成為相互作用結。晶體管工作于正向有源區時，B-E結正偏，B-C結反偏。發射區中的多子注入基區，在那里，他們變成少子。少子擴散過基區進入B-C結空間電荷區，在那里，他們被掃入集電區。當晶體管工作再正向有源區時，晶體管一端的電流（集電極電流）受另外兩個端點所施加的電壓（B-E結電壓）的控制。這就是其基本的工作原理。

晶體管的三個擴散區有不同的少子濃度分布。器件中主要的電流由這些少子的擴散決定。共基極電流增益是三個因子的函數----發射極注入效率系數，基區輸運系數和復合系數。發射極注入效率考慮了從基區注入到發射區的載流子，基區輸運系數反映了載流子在基區的復合，復合系數反映了載流子在正偏發射結內部的復合。考慮了幾個非理想效應：

1.基區寬度調制效應，說著說是厄爾利效應----中性基區寬度隨B-C結電壓變化而發生變化，于是集電極電流隨B-C結或C-E結電壓變化而變化。

2.大注入效應使得集電極電流隨C-E結電壓增加而以低速率增加。3.發射區禁帶變窄效應是的發射區參雜濃度非常高時發射效率變小。4.電流集邊效應使得發射極邊界的電流密度大于中心位置的電流密度。5.基區非均勻摻雜在基區中感生出靜電場，有助于少子度越基區。6.兩種擊穿機制----穿通和雪崩擊穿。

晶體管的三種等效電路或者數學模型。E-M模型和等效電路對于晶體管的所有工作模式均適用。基區為非均勻摻雜時使用G-P模型很方便。小信號H-P模型適用于線性放大電路的正向有源晶體管。

晶體管的截止頻率是表征晶體管品質的一個重要參數，他是共發射極電流增益的幅值變為1時的頻率。頻率響應是E-B結電容充電時間、基區度越時間、集電結耗盡區度越時間和集電結電容充電時間的函數。

雖然開關應用涉及到電流和電壓較大的變化，但晶體管的開關特性和頻率上限直接相關，開關特性的一個重要的參數是點和存儲時間，它反映了晶體管有飽和態轉變變成截止態的快慢。

重要術語解釋：

1、a截止頻率：共基極電流增益幅值變為其低頻值的1根號2時的頻率，就是截止頻率。

2、禁帶變窄：隨著發射區中摻雜，禁帶的寬度減小。

3、基區渡越時間：少子通過中性基區所用的時間。

4、基區輸運系數：共基極電流增益中的一個系數，體現了中性基區中載流子的復合。

5、基區寬度調制效應：隨C-E結電壓或C-B結電壓的變化，中性基區寬度的變化。

6、B截止效率：共發射極電流增益幅值下降到其頻值的1根號2時的頻率。

7、集電結電容充電時間：隨發射極電流變化，B-C結空間電荷區和急電區-襯底結空間電荷區寬度發生變化的時間常數。

8、集電結耗盡區渡越時間：載流子被掃過B-C結空間電荷區所需的時間。

9、共基極電流增益：集電極電流與發射極電流之比。

10、共發射極電流增益：集電極電流與基極電流之比。

11、電流集邊：基極串聯電阻的橫向壓降使得發射結電流為非均勻值。

12、截止：晶體管兩個結均加零偏或反偏時，晶體管電流為零的工作狀態。

13、截止頻率：共發射極電流增益的幅值為1時的頻率。

14、厄爾利電壓：反向延長晶體管的I-V特性曲線與電壓軸交點的電壓的絕對值。

15、E-B結電容充電時間：發射極電流的變化引起B-E結空間電荷區寬度變化所需的時間。

16、發射極注入效率系數：共基極電流增益的一個系數，描述了載流子從基區向發射區的注入。

17、正向有源：B-E結正偏、B-C結反偏時的工作模式。

18、反向有源：B-E結反偏、B-C結正偏時的工作模式。

19、飽和：B-E結正偏、B-C結正偏時的工作模式。20、截止：B-E結反偏、B-C結反偏時的工作模式。

21、輸出電導：集電極電流對C-E兩端電壓的微分之比。

這一章討論了MOSFET的基本物理結構和特性

MOSFET的核心為MOS電容器。與氧化物-半導體界面相鄰的半導體能帶是彎曲的，他由加載MOS電容器上的電壓決定。表面處導帶和價帶相對于費米能級的位置是MOS電容器電壓的函數。

氧化層-半導體界面處的半導體表面可通過施加正偏柵壓由到發生反型，或者通過施加負柵壓由n型到p型發生發型。因此在于氧化層相鄰處產生了反型層流動電荷。基本MOS場效應原理是有反型層電荷密度的調制作用體現的

討論了MOS電容器的C-V特性。例如，等價氧化層陷阱電荷密度和界面態密度可由C-V測量方法決定

兩類基本的MOSFET為n溝和p溝，n溝中的電流由反型層電子的流動形成，p溝中的電流由反型層空穴流動形成。這兩類器件都可以是增強型的，通常情況下器件是關的，需施加一個柵壓才能使器件開啟；也可以是耗盡型的，此時在通常情況下器件是開的，需施加一個柵壓才能使器件關閉

平帶電壓是滿足條件時所加的柵壓，這時導帶和價帶不發生彎曲，并且半導體中沒有空間電荷區。平帶電壓時金屬-氧化層勢壘的高度、半導體-氧化層勢壘高度以及固定氧化層陷阱電荷數量的函數

閾值電壓是指半導體表面達到閾值反型點時所加的柵壓，此時反型層電荷密度的大小等于半導體摻雜濃度。閾值電壓是平帶電壓、半導體摻雜濃度和氧化層厚度的函數。

MOSFET中的電流是由反型層載流子在漏源之間的流動形成的。反型層電荷密度和溝道電導是由柵壓控制，這意味著溝道電流被柵壓控制

當晶體管偏置在非飽和區（VDSVDS(sat)）時，反型電荷密度在漏端附近被夾斷，此時理想漏電流僅是柵源電壓的函數

實際的MOSFET是一個四端器件，在襯底或體為第四端。隨著反偏源-襯底電壓的增加，閾值電壓增大。在源端和襯底不存在電學連接的集成電路中，襯底偏置效應變得很重要。討論了含有電容的MOSFET小信號等效電路。分析了影響頻率限制的MOSFET的一些物理因素。特別的，由于密勒效應，漏源交替電容成為了MOSFET頻率響應的一個制約罌粟。作為器件頻率響應的一個特點，截止頻率反比于溝道長度，因此，溝道長度的減小將導致MOSFET頻率性能的提高

簡要討論了n溝和p溝器件制作在同一塊芯片上的CMOS技術。被電學絕緣的p型和n型襯底區時電容兩類晶體管的必要條件。有不同的工藝來實現這一結構。CMOS結構中遇到的一個潛在問題是閂鎖現象，即可能發生在四層pnpn結構中的高電流、低電壓情況 MOSFET可以分為：n溝道和p溝道（導電類型不同），增強型和耗盡型（零柵壓時反型層是否存在）。重要術語解釋

對基層電荷：由于熱平衡載流子濃度過剩而在氧化層下面產生的電荷 體電荷效應：由于漏源電壓改變而引起的沿溝道長度方向上的空間電荷寬度改變所導致的漏電流偏離理想情況

溝道電導：當VDS?0時漏電流與漏源電壓改變的過程

CMOS：互補MOS；將p溝和n溝器件制作在同一芯片上的電路工藝 截至頻率：輸入交流柵電流等于輸處交流漏電流時的信號頻率 耗盡型MOSFET：必須施加柵電壓才能關閉的一類MOSFET 增強型MOSFET：必須施加柵電壓才能開啟的一類MOSFET

等價固定氧化層電荷：與氧化層－半導體界面緊鄰的氧化層中的有效固定電荷，用Q'SS表示。

平帶電壓：平帶條件發生時所加的柵壓，此時在氧化層下面的半導體中沒有空閑電荷區 柵電容充電時間：由于柵極信號變化引起的輸入柵電容的充電或放電時間 界面態：氧化層－半導體界面處禁帶寬度中允許的電子能態

反型層電荷：氧化層下面產生的電荷，它們與半導體摻雜的類型是相反的 反型層遷移率：反型層中載流子的遷移率

閂鎖：比如在CMOS電路中那樣，可能發生在四層pnpn結構中的高電流 低電壓現象 最大空間電荷區寬度：閾值反型時氧化層下面的空間電荷區寬度

金屬－半導體功函數差：金屬功函數和電子親和能之差的函數，用?ms表示

臨界反型：當柵壓接近或等于閾值電壓時空間電荷寬度的微弱改變，并且反型層電荷密度等于摻雜濃度時的情形

柵氧化層電容：氧化層介電常數與氧化層厚度之比，表示的是單位面積的電容，記為Cox 飽和：在漏端反型電荷密度為零且漏電流不再是漏源電壓的函數的情形 強反型：反型電荷密度大于摻雜濃度時的情形 閾值反型點：反型電荷密度等于摻雜濃度時的情形 閾值電壓：達到閾值反型點所需的柵壓

跨導：漏電流的改變量與其對應的柵壓該變量之比 弱反型：反型電流密度小于摻雜濃度時的情形

第三篇：《半導體物理與器件》教學大綱講解

物理科學與技術學院

《半導體物理與器件》教學大綱

課程類別：專業方向

課程性質：必修

英文名稱：Semiconductor Physics and Devices 總學時：

講授學時：48 學分：

先修課程：量子力學、統計物理學、固體物理學等 適用專業：應用物理學(光電子技術方向)開課單位：物理科學與技術學院

一、課程簡介

本課程是應用物理學專業(光電子技術方向)的一門重要專業方向課程。通過本課程的學習，使學生能夠結合各種半導體的物理效應掌握常用和特殊半導體器件的工作原理，從物理角度深入了解各種半導體器件的基本規律。獲得在本課程領域內分析和處理一些最基本問題的初步能力，為開展課題設計和獨立解決實際工作中的有關問題奠定一定的基礎。

二、教學內容及基本要求

第一章：固體晶格結構

（4學時）教學內容： 1.1半導體材料 1.2固體類型 1.3空間晶格 1.4原子價鍵

1.5固體中的缺陷與雜質 1.6半導體材料的生長 教學要求：

1、了解半導體材料的特性, 掌握固體的基本結構類型；

2、掌握描述空間晶格的物理參量, 了解原子價鍵類型；

3、了解固體中缺陷與雜質的類型；

4、了解半導體材料的生長過程。授課方式：講授

第二章：量子力學初步

（4學時）教學內容：

2.1量子力學的基本原理 2.2薛定諤波動方程

2.3薛定諤波動方程的應用 2.4原子波動理論的延伸 教學要求：

1、掌握量子力學的基本原理，掌握波動方程及波函數的意義；

2、掌握薛定諤波動方程在自由電子、無限深勢阱、階躍勢函數、矩形勢壘中應用；

3、了解波動理論處理單電子原子模型。授課方式：講授

第三章：固體量子理論初步

（4學時）

應用物理學專業

教學內容：

3.1允帶與禁帶格 3.2固體中電的傳導 3.3三維擴展

3.4狀態密度函數 3.5統計力學 教學要求：

1、掌握能帶結構的基本特點，掌握固體中電的傳導過程；

2、掌握能帶結構的三維擴展，掌握電子的態密度分布；

3、掌握費密-狄拉克分布和玻耳茲曼分布。授課方式：講授

第四章：平衡半導體

（6學時）教學內容：

4.1半導體中的載流子 4.2摻雜原子與能級 4.3非本征半導體

4.4施主與受主的統計學分布 4.5電中性狀態 4.6費密能級的位置 教學要求：

1、掌握本征載流字電子和空穴的平衡分布；

2、掌握摻雜原子的作用，掌握非本征載流字電子和空穴的平衡分布；

3、掌握完全電離和束縛態，掌握補償半導體平衡電子和空穴濃度；

4、掌握費密能級隨摻雜濃度和溫度的變化。授課方式：講授

第五章：載流子輸運現象

（4學時）教學內容：

5.1載流子的漂移運動 5.2載流子擴散 5.3雜質梯度分布 5.4霍爾效應 教學要求：

1、掌握載流子漂移運動的規律，掌握載流子漂移擴散的規律；

2、了解雜質梯度分布規律，了解霍爾效應現象。授課方式：講授

第六章：非平衡過剩載流子

（6學時）教學內容：

6.1載流子的產生與復合 6.2過剩載流子的性質 6.3雙極輸運 6.4準費密能級

6.5過剩載流子的壽命 6.6表面效應 教學要求：

物理科學與技術學院

1、掌握載流子產生與復合的規律，掌握連續性方程與擴散方程；

2、掌握雙極輸運方程的推導與應用，掌握準費密能級的確定；

3、了解肖克萊-里德-霍爾復合理論及非本征摻雜和小注入的約束條件；

4、了解表面態與表面復合速。授課方式：講授

第七章：PN結

（2學時）教學內容：

7.1 PN結的基本結構 7.2零偏 7.3反偏

7.4非均勻摻雜PN結 教學要求：

1、掌握PN結的基本結構，掌握內建電勢差與空間電荷區寬度；

2、掌握勢壘電容與單邊突變結，了解線性緩變結與超突變結。授課方式：講授

第八章：PN結二極管

（4學時）教學內容： 8.1 PN結電流

8.2 PN結的小信號模型 8.3產生與復合電流 8.4結擊穿

8.5電荷存儲與二極管瞬態 8.6隧道二極管 教學要求：

1、掌握PN結內電荷流動的定性描述，掌握擴散電阻與等效電路；

2、掌握反偏產生電流正偏復合電流；

3、了解結擊穿的物理圖像，了解關瞬態與開瞬態，了解隧道二極管的基本特征。

授課方式：講授

第九章：雙極晶體管

（6學時）教學內容：

10.1雙極晶體管的工作原理 10.2少子的分布

10.3低頻共基極電流增益 10.4非理想效應 10.5等效電路模型 10.6頻率上限 教學要求：

1、掌握雙極晶體管的工作原理，掌握少子的分布規律；

2、了解有用因素及電流增益的數學表達式；

3、掌握基區寬度調制效應及大注入效應；

4、了解Ebers-Moll模型及Gummel-Poon模型；

5、了解延時因子的概念及晶體管截止頻率。授課方式：講授

應用物理學專業

第十章：MOS場效應管（1）

（4學時）教學內容：

11.1雙端MOS結構 11.2電容—電壓特性 11.3MOSFET基本原理 11.4頻率限制特性 11.5CMOS技術 教學要求：

1、掌握能帶圖、耗盡層厚度、功函數、平帶電壓、閾值電壓、電荷分布；

2、掌握理想C-V特性及頻率特性；

3、掌握MOSFET的結構及電流--電壓關系的數學推導；

4、了解小信號等效電路，了解CMOS制備技術。授課方式：講授

第十一章：MOS場效應管（2）

教學內容：

12.1非理想效應

12.2MOSFET按比例縮小理論 12.3閾值電壓的修正 12.4附加電學特性 12.5輻射和熱電子效應 教學要求：

1、掌握亞閾值電導與溝道長度調制效應；

2、了解恒定電場按比例縮小，了解短溝道效應和窄溝道效應；

3、了解擊穿電壓及輕摻雜漏晶體管；

4、了解輻射引入的氧化層電荷及輻射引入的界面態。

4學時）

（

第四篇：有機半導體材料與器件課程教學大綱

《有機半導體材料與器件》課程教學大綱

一、課程說明

（一）課程名稱、所屬專業、課程性質、學分； 課程名稱：（中文）有機半導體材料與器件；

（英文）Organic semiconductor materials and devices 所屬專業：物理學專業、微電子科學與工程專業及光信息科學與技術類專業 課程性質：專業選修課程 學 分：3 課 時：54課時

（二）課程簡介、目標與任務；

《有機半導體材料與器件》是一門新興交叉和前沿學科，是將電子科學與有機材料科學緊密結合在一起的一門尖端學科。它憑借著有機光電材料及半導體材料獨特的分子特性、軟物質行為和超分子結構，已成為繼真空電子、固體電子、光電子之后的國際研究熱點。當前有機半導體材料與器件研究已經從基礎研究走向產業化開發，并滲透到許多領域而迅猛發展，為人類文明與科學技術的進步做出日益突出的貢獻。

本課程研究有機半導體材料及其光電子器件，講解光電信息技術領域中有機半導體材料與器件所涉及的相關原理、技術及應用，是一門發展極為迅速、實踐性很強的應用學科。學習本課程的目標是掌握有機材料及器件的基本理論、器件原理，了解該領域的最新成就和應用前景，進一步拓寬專業口徑，擴大知識面，為學生將來進入有機電子、信息科學領域打下基礎。

課程根據專業的特點，重點掌握目前有機光電功能材料與器件基本工作原理及其技術、了解和掌握最新國際發展趨勢，使學生獲得對有機半導體光、電子器件分析和設計的基本能力，掌握分析和解決實際問題的方法與途徑，重視理論與實踐的結合，以便為進一步開展有機光、電子相關研究奠定基礎。

（三）先修課程要求，與先修課與后續相關課程之間的邏輯關系和內容銜接； 本課程涵蓋多學科領域，其中主要的學科是半導體物理學、半導體材料學，同時還需要具備有機化學和半導體器件的基本知識，并且還要應用半導體平面工藝技術等，因此本課程需要先修的課程包括：半導體物理、有機化學、半導體材料、半導體器件及半導體工藝等。

（四）教材與主要參考書。教材：

《分子材料與薄膜器件》，賀慶國、胡文平、白鳳蓮等編，化學工業出版社，2010 主要參考書：

1.黃春輝等，《光電功能超薄膜》，北京大學出版社 2.朱道本等，《有機固體》，上海科學技術出版社

3.黃春輝等，《有機電致發光材料與器件導論》，復旦大學出版社 4.M.Pope, Clarendon Press，《Electronic processes in organic crystals》，Oxford

5.Joseph Shinar, 《Organic light emitting devices》, Springer 6.馬丁.波普，《有機晶體中的電子過程》，上海科學技術出版社 7.高觀志等，《固體中的電輸運》，科學出版社 8.黃維等，《有機電子學》，科學出版社

二、課程內容與安排 課程簡介（緒論）第一章 有機材料與電子學 § 1.1 有機材料概念及發展簡史 § 1.2 電子學與有機材料

§ 1.3 有機半導體與無機半導體比較 § 1.4 有機光電材料中的電子過程及相關性質 § 1.5 有機電子學及其應用

§ 1.5.1 有機場效應晶體管（Organic field effect transistor，OFET）§ 1.5.2 有機太陽能電池（Organic photovoltaic cells，OPV）

§ 1.5.3 有機電致發光器件（Organic electroluminescence devices，OELD）§ 1.5.4 有機傳感器和存儲器（Organic sensor，OS；Organic memory，OM）第二章 有機材料中的電子結構 § 2.1 有機分子內成鍵及相關概念 § 2.1.1 固體物質的成鍵方式 § 2.1.2 原子的電子軌道和電子云 § 2.1.3 原子之間的雜化軌道

§ 2.1.4 σ鍵與π鍵，單鍵、雙鍵與三鍵，飽和鍵與不飽和鍵 § 2.1.5 價電子、σ電子、π電子和n電子 § 2.1.6 典型實例：化學成鍵與材料性質 §2.2 有機材料的電子結構及相關理論簡介

§ 2.2.1 分子軌道理論（molecular orbital theory，MO理論）§ 2.2.2 配位場理論 § 2.2.3 能帶理論 § 2.3 有機材料中電子能級

第三章 有機材料分子間作用力及其晶體堆積方式 §3.1 分子作用力 §3.2 有機分子晶體結構

第四章 有機材料中與光、能量相關的概念及電子過程 §4.1 分子內光激發態及其衰變過程

§4.2 聚集分子中的激發態及衰變特點（指晶體、固體時的特點）第五章 光躍遷規律 §5.1 光躍遷本質 §5.2 光躍遷選擇法則

§5.3 Franck-Condon原理（Franck-Condon Principle）§5.4 Einstein方程：激發過程與輻射過程之間的關系 §5.5 光吸收強度分布

§5.6 光的發射效率及激發態壽命 §5.7 物質的發光 §5.7.1 發光物質／體系 §5.7.2 有機發光材料 第六章 激子 §6.1 激子的產生 §6.2 激子的分類

§6.3 激子輸運——能量傳遞／轉移 §6.4 激子擴散

§6.5 激子的動力學過程

第七章 有機材料中與電學性能相關的概念及電子過程 §7.1 有機材料電學性質研究歷史 §7.2 描述電學性質的基本概念 §7.3 有機材料中載流子類型 §7.3.1 光生載流子

§7.3.2 非本征激發----摻雜型載流子（另一個是雜質缺陷型）§7.3.3 注入型載流子 §7.4 導電有機材料 第八章 有機半導體器件（專題討論）

（一）教學方法與學時分配

1、教學方法：

（1）以課堂講授為主，充分利用教材，圍繞知識點組織教學內容；（2）多媒體教學：PowerPoint講稿、Movie演示；（3）考試：閉卷筆試。

2.學時分配：

（4）本課程共54學時，講授7章，課堂專題討論1章。各章節的學時分配如下：

緒論（2學時）第一章（6學時）第二章（8學時）第三章（6學時）第四章（10學時）第五章（6學時）第六章（6學時）第七章（8學時）第八章（2學時）

（二）內容及基本要求 主要內容：

以學科特點和創新能力培養為基礎設計課程內容，加強理論概念和技術應用的講授，重點講授有機光電材料中的電子過程及相關性質、有機材料中的電子結構及相關理論、有機材料分子間作用力及其晶體堆積方式、有機材料中與光、能量相關的概念及電子過程、光躍遷規律、激子的產生輸運理論及其動力學過程以及有機材料中與電學性能相關的概念及電子過程；

引導學生自主搜索和閱讀相關文獻，讓學生大膽提出自己的見解，并在課堂上進行 討論典型的有機光電器件（有機發光二極管、有機場效應晶體管、有機光伏電池、有機存儲器、有機激光、有機傳感和有機光電探測器等）的原理、結構、材料、性能參數以及制造工藝。

【重點掌握】：有機光電材料中的電子過程及相關性質、有機材料中的電子結構及相關理論、有機材料分子間作用力及其晶體堆積方式、有機材料中與光、能量相關的概念及電子過程、光躍遷規律、激子的產生輸運理論及其動力學過程以及有機材料中與電學性能相關的概念及電子過程；

【掌握】：有機光電器件的原理、結構、材料、性能參數以及制備工藝； 【了解】：有機半導體材料與器件的發展歷程、最新進展及應用前景； 【一般了解】：發展中的有機半導體材料與器件；

【難點】：有機材料中的電子結構及相關理論、有機材料分子間作用力、有機材料中與光、能量相關的概念及電子過程、光躍遷規律、激子的產生輸運理論及其動力學過程以及有機材料中與電學性能相關的概念及電子過程。

制定人：李海蓉

審定人： 批準人： 日 期：2017.1.5 6

第五篇：半導體物理習題與問題

第一章半導體中的電子狀態

例1.證明:對于能帶中的電子，K狀態和-K狀態的電子速度大小相等,方向相反。即：v(k)= －v(－k)，并解釋為什么無外場時，晶體總電流等于零。

解：K狀態電子的速度為：

（1）

同理，－K狀態電子的速度則為：

（2）

從一維情況容易看出：

（3）

同理有：

（4）（5）

將式（3）（4）（5）代入式（2）后得：

（6）

利用（1）式即得：v(－k)= －v(k)因為電子占據某個狀態的幾率只同該狀態的能量有關，即：E(k)=E(－k)故電子占有k狀態和-k狀態的幾率相同，且v(k)=－v(－k)故這兩個狀態上的電子電流相互抵消，晶體中總電流為零。

例2.已知一維晶體的電子能帶可寫成：

式中，a為晶格常數。試求：（1）能帶的寬度；

（2）能帶底部和頂部電子的有效質量。解：（1）由E(k)關系

（1）

令

得：

當時，代入（2）得：

對應E(k)的極小值。

當時，代入（2）得：

（）對應E(k)的極大值。根據上述結果，求得

和

即可求得能帶寬度。

故：能帶寬度

（3）能帶底部和頂部電子的有效質量：

習題與思考題： 什么叫本征激發？溫度越高，本征激發的載流子越多，為什么？試定性說明之。試定性說明Ge、Si的禁帶寬度具有負溫度系數的原因。3 試指出空穴的主要特征。簡述Ge、Si和GaAs的能帶結構的主要特征。5 某一維晶體的電子能帶為

其中E0=3eV，晶格常數a=5×10-11m。求：

（1）能帶寬度；

（2）能帶底和能帶頂的有效質量。6 原子中的電子和晶體中電子受勢場作用情況以及運動情況有何不同？原子中內層電子和外層電子參與共有化運動有何不同？ 7 晶體體積的大小對能級和能帶有什么影響？ 描述半導體中電子運動為什么要引入“有效質量”的概念？用電子的慣性質量描述能帶中電子運動有何局限性？ 一般來說，對應于高能級的能帶較寬，而禁帶較窄，是否如此？為什么？

10有效質量對能帶的寬度有什么影響？有人說：“有效質量愈大，能量密度也愈大，因而能帶愈窄。”是否如此？為什么？ 11簡述有效質量與能帶結構的關系？

12對于自由電子，加速反向與外力作用反向一致，這個結論是否適用于布洛赫電子？

13從能帶底到能帶頂，晶體中電子的有效質量將如何變化？外場對電子的作用效果有什么不同？

14試述在周期性勢場中運動的電子具有哪些一般屬性？以硅的本征激發為例，說明半導體能帶圖的物理意義及其與硅晶格結構的聯系？ 15為什么電子從其價鍵上掙脫出來所需的最小能量就是半導體的禁帶寬度？

16為什么半導體滿帶中的少量空狀態可以用具有正電荷和一定質量的空穴來描述？

17有兩塊硅單晶，其中一塊的重量是另一塊重量的二倍。這兩塊晶體價帶中的能級數是否相等？彼此有何聯系？ 18說明布里淵區和k空間等能面這兩個物理概念的不同。

19為什么極值附近的等能面是球面的半導體，當改變存儲反向時只能觀察到一個共振吸收峰？

第二章 半導體中的雜質與缺陷能級

例1.半導體硅單晶的介電常數＝11.8，電子和空穴的有效質量各為＝0.97＝0.19和，＝0.16，＝0.53，利用類氫模型估計：

（1）施主和受主電離能;

（2）基態電子軌道半徑解：（1）利用下式求得

和。

因此，施主和受主雜質電離能各為：

（2）基態電子軌道半徑各為：

式中, 是波爾半徑。

習題與思考題： 什么叫淺能級雜質？它們電離后有何特點？ 什么叫施主？什么叫施主電離？施主電離前后有何特征？試舉例說明之，并用能帶圖表征出n型半導體。什么叫受主？什么叫受主電離？受主電離前后有何特征？試舉例說明之，并用能帶圖表征出p型半導體。摻雜半導體與本征半導體之間有何差異？試舉例說明摻雜對半導體的導電性能的影響。兩性雜質和其它雜質有何異同？ 深能級雜質和淺能級雜質對半導體有何影響？ 7 何謂雜質補償？雜質補償的意義何在？ 說明雜質能級以及電離能的物理意義。8為什么受主、施主能級分別位于價帶之上或導帶之下，而且電離能的數值較小？ 純鍺、硅中摻入Ⅲ族或Ⅴ族元素后，為什么使半導體電性能有很大的改變？雜質半導體（p型或n型）應用很廣，但為什么我們很強調對半導體材料的提純？

10把不同種類的施主雜質摻入同一種半導體材料中，雜質的電離能和軌道半徑是否不同？把同一種雜質摻入到不同的半導體材料中（例如鍺和硅），雜質的電離能和軌道半徑又是否都相同？ 11何謂深能級雜質？它們電離以后有說明特點？

12為什么金元素在鍺或硅中電離后可以引入多個施主或受主能級？ 13說明摻雜對半導體導電性能的影響。14說明半導體中淺能級雜質和深能級雜質的作用有何不同？

15什么叫雜質補償？什么叫高度補償的半導體？雜質補償有何實際應用？

第三章 半導體中載流子的統計分布

例1.有一硅樣品，施主濃度為，已知施主電離能雜質電離時的溫度。解：令和，受主濃度為，試求的施主表示電離施主和電離受主的濃度，則電中性方程為：略去價帶空穴的貢獻，則得：式中： 對硅材料 由題意可知

（受主雜質全部電離）,則

（1）

當施主有99%的N電離時，說明只有1%的施主有電子占據，即 ＝0.01。

＝198

，代入式（1）得：

去對數并加以整理即得到下面的方程： 用相關數值解的方法或作圖求得解為： T=101.例2.現有三塊半導體硅材料，已知室溫下（300K）它們的空穴濃度分別為：，，。

分別計算這三塊材料的電子濃度判斷這三塊材料的導電類型；

分別計算這三塊材料的費米能級的位置。解：（1）室溫時硅的根據載流子濃度積公式：，可求出

（2）, 即 即，故為p型半導體.，故為本征半導體.，即

(3)當T=300k時，由 得： 對三塊材料分別計算如下：，故為n型半導體.即 p型半導體的費米能級在禁帶中線下0.37eV處。

即費米能級位于禁帶中心位置。對n型材料有

即對n型材料，費米能級在禁帶中心線上0.35eV處。對于某n型半導體，試證明其費米能級在其本征半導體的費米能級之上。即EFn>EFi。2 試分別定性定量說明：

在一定的溫度下，對本征材料而言，材料的禁帶寬度越窄，載流子濃度越高；

對一定的材料，當摻雜濃度一定時，溫度越高，載流子濃度越高。3 若兩塊Si樣品中的電子濃度分別為2.25×1010cm-3和6.8×1016cm-3，試分別求出其中的空穴的濃度和費米能級的相對位置，并判斷樣品的導電類型。假如再在其中都摻入濃度為2.25×1016cm-3的受主雜質，這兩塊樣品的導電類型又將怎樣？ 含受主濃度為8.0×106cm-3和施主濃度為7.25×1017cm-3的Si材料，試求溫度分別為300K和400K時此材料的載流子濃度和費米能級的相對位置。試分別計算本征Si在77K、300K和500K下的載流子濃度。6 Si樣品中的施主濃度為4.5×1016cm-3，試計算300K時的電子濃度和空穴濃度各為多少？ 某摻施主雜質的非簡并Si樣品，試求EF=（EC+ED）/2時施主的濃度。半導體處于怎樣的狀態才能叫處于熱平衡狀態？其物理意義如何。9 什么叫統計分布函數？費米分布和玻耳茲曼分布的函數形式有何區別？在怎樣的條件下前者可以過渡到后者？為什么半導體中載流子分布可以用玻耳茲曼分布描述？

10說明費米能級的物理意義。根據費米能級位置如何計算半導體中電子和空穴濃度？如何理解費米能級是摻雜類型和摻雜程度的標志？

11證明，在時，對費米能級取什么樣的對稱形式？

這個條件把電子從費米能12在半導體計算中，經常應用級統計過渡到玻耳茲曼統計，試說明這種過渡的物理意義。13寫出半導體的電中性方程。此方程在半導體中有何重要意義？ 14若n型硅中摻入受主雜質，費米能級升高還是降低？若溫度升高當本征激發起作用時，費米能級在什么位置？為什么？

15如何理解分布函數與狀態密度的乘積再對能量積分即可求得電子濃度？

16為什么硅半導體器件比鍺器件的工作溫度高？

17當溫度一定時，雜質半導體的費米能級主要由什么因素決定？試把強N、弱N型半導體與強P、弱P半導體的費米能級與本征半導體的費米能級比較。

18如果向半導體中重摻施主雜質，就你所知會出現一些什么效應？

第四章半導體的導電性

例1.室溫下，本征鍺的電阻率為47摻入銻雜質，使每，試求本征載流子濃度。若

個鍺原子中有一個雜質原子，計算室溫下電子，試濃度和空穴濃度。設雜質全部電離。鍺原子的濃度為求該摻雜鍺材料的電阻率。設變化。

。，且認為不隨摻雜而解：本征半導體的電阻率表達式為：

施主雜質原子的濃度 故

其電阻率

例2.在半導體鍺材料中摻入施主雜質濃度度；設室溫下本征鍺材料的電阻率，求所加的電場強度。，受主雜質濃，假設電，若流過子和空穴的遷移率分別為樣品的電流密度為 解：須先求出本征載流子濃度

又

聯立得:

故樣品的電導率：

即: E=1.996V/cm

習題與思考題： 1 對于重摻雜半導體和一般摻雜半導體，為何前者的遷移率隨溫度的變化趨勢不同？試加以定性分析。何謂遷移率？影響遷移率的主要因素有哪些？試定性分析Si的電阻率與溫度的變化關系。4 證明當μn≠μp，且電子濃度，空穴濃度時半導體的電導率有最小值，并推導σmin的表達式。0.12kg的Si單晶摻有3.0×10-9kg的Sb，設雜質全部電離，試求出此材料的電導率。（Si單晶的密度為2.33g/cm3，Sb的原子量為121.8）試從經典物理和量子理論分別說明散射的物理意義。比較并區別下述物理概念：電導遷移率、霍耳遷移率和漂移遷移率。8 什么是聲子？它對半導體材料的電導起什么作用？ 強電場作用下，遷移率的數值與場強E有關，這時歐姆定律是否仍然正確？為什么？

10半導體的電阻系數是正的還是負的？為什么？

11有一塊本征半導體樣品，試描述用以增加其電導率的兩個物理過程。

12如果有相同的電阻率的摻雜鍺和硅半導體，問哪一個材料的少子濃度高？為什么？

13光學波散射和聲學波散射的物理機構有何區別？各在什么樣晶體中起主要作用？ 14說明本征鍺和硅中載流子遷移率溫度增加如何變化？

15電導有效質量和狀態密度有何區別？它們與電子的縱有效質量和橫有效質量的關系如何？

16對于僅含一種雜質的鍺樣品，如果要確定載流子符號、濃度、遷移率和有效質量，應進行哪些測量？

17解釋多能谷散射如何影響材料的導電性。

18為什么要引入熱載流子概念？熱載流子和普通載流子有何區別？

第五章 非平衡載流子

例1.某p型半導體摻雜濃度

光的照射下產生非平衡載流子,其產生率,少子壽命,在均勻, 試計算室溫時光照情況下的費米能級并和原來無光照時的費米能級比較。設本征載流子濃度

.解:(1)無光照時,空穴濃度

說明無光照時,費米能級在禁帶中線下面0.35eV處。（2）穩定光照后，產生的非平衡載流子為：

上面兩式說明，在之下，而

在之上。且非平衡態時空穴的準費米能級和和原來的費米能級幾乎無差別，與電子的準費米能級相差甚遠，如下圖所示。

光照前 光照后

習題與思考題 ： 何謂非平衡載流子？非平衡狀態與平衡狀態的差異何在？ 2 漂移運動和擴散運動有什么不同？ 漂移運動與擴散運動之間有什么聯系？非簡并半導體的遷移率與擴散系數之間有什么聯系？平均自由程與擴散長度有何不同？平均自由時間與非平衡載流子的壽命又有何不同？ 5 證明非平衡載流子的壽命滿足理意義。，并說明式中各項的物6 導出非簡并載流子滿足的愛因斯坦關系。7 間接復合效應與陷阱效應有何異同？ 光均勻照射在6Ωcm的n型Si樣品上，電子-空穴對的產生率為4×1021cm-3s-1，樣品壽命為8μs。試計算光照前后樣品的電導率。9 證明非簡并的非均勻半導體中的電子電流形式為。

10假設Si中空穴濃度是線性分布，在4μm內的濃度差為2×1016cm-3，試計算空穴的擴散電流密度。

11試證明在小信號條件下，本征半導體的非平衡載流子的壽命最長。12區別半導體平衡狀態和非平衡狀態有何不同？什么叫非平衡載流子？什么叫非平衡載流子的穩定分布？

13摻雜、改變溫度和光照激發均能改變半導體的電導率，它們之間有何區別？試從物理模型上予以說明。

14在平衡情況下，載流子有沒有復合這種運動形式？為什么著重討論非平衡載流子的復合運動？

15為什么不能用費米能級作為非平衡載流子濃度的標準而要引入準費米能級？費米能級和準費米能級有何區別？

16在穩定不變的光照下，半導體中電子和空穴濃度也是保持恒定不變的，但為什么說半導體處于非平衡狀態？ 17說明直接復合、間接復合的物理意義。18區別：復合效應和陷阱效應，復合中心和陷阱中心，俘獲和復合，俘獲截面和俘獲幾率。

第六章 金屬和半導體接觸

例1.設p型硅（如圖7－2），受主濃度(1)室溫下費米能級的位置和功函數

；，試求：

EV

(2)不計表面態的影響，該p型硅分別與鉑和銀接觸后是否形成阻擋層？

若能形成阻擋層，求半導體一邊勢壘高度。

已知：硅電子親合能

;

解：（1）室溫下，可認為雜質全部電離，若忽略本征激發則

得：，功函數

（2）不計表面態的影響。對p型硅，當半導體，使得半導體表面勢

時，金屬中電子流向，使得能帶向下，空穴附加能量彎，形成空穴勢壘。所以，p型硅和銀接觸后半導體表面形成空穴勢壘，即空穴阻擋層。又因鉑接觸后不能形成阻擋層。

（3）銀和p-Si接觸形成的阻擋層其勢壘高度：，所以，p型硅和例2.施主濃度的n型硅（如圖），室溫下功函數是多少？若不考慮表面態的影響，它分別同Al、Au、Mo接觸時，是形成阻擋層還是反阻擋層？硅的電子親合能取4.05eV。設。，解：設室溫下雜質全部電離： 則

即

n-Si 的功函數為：

已知：，，故二者接觸形成反阻擋層。顯然，故Au 與n-Si接觸，Mo與n-Si接觸均形成阻擋層。

習題與思考題： 什么是功函數？哪些因數影響了半導體的功函數？什么是接觸勢差？ 什么是Schottky勢壘？影響其勢壘高度的因數有哪些？ 什么是歐姆接觸？形成歐姆接觸的方法有幾種？試根據能帶圖分別加以分析。什么是鏡像力？什么是隧道效應？它們對接觸勢壘的影響怎樣的？ 施主濃度為7.0×1016cm-3的n型Si與Al形成金屬與半導體接觸，Al的功函數為4.20eV，Si的電子親和能為4.05eV，試畫出理想情況下金屬-半導體接觸的能帶圖并標明半導體表面勢的數值。6 分別分析n型和p型半導體形成阻擋層和反阻擋層的條件。7 試分別畫出n型和p型半導體分別形成阻擋層和反阻擋層的能帶圖。什么是少數載流子注入效應？ 某Shottky二極管，其中半導體中施主濃度為2.5×1016cm-3，勢壘高度為0.64eV，加上4V的正向電壓時，試求勢壘的寬度為多少？ 10試根據能帶圖定性分析金屬-n型半導體形成良好歐姆接觸的原因。

11金屬和半導體的功函數是如何定義的？半導體的功函數與哪些因素有關？

12說明金屬–半導體接觸在什么條件下能形成接觸勢壘（阻擋層）？分析n型和p型半導體形成阻擋層和反電阻率的條件？ 13分別畫出n型和p型半導體與金屬接觸時的能帶圖？

14半導體表面態是怎樣影響勢壘高度的？分別討論受主型表面態和施主型表面態的影響。

15什么叫歐姆接觸？實現半導體–金屬的歐姆接觸有幾種方法？簡要說明其物理原理。

16應該怎樣制作n型硅和金屬鋁接觸才能實現（1）歐姆接觸；（2）整數接觸。

17試比較p–n結和肖特基結的主要異同點。指出肖特基二極管具有哪些重要特點。

18為什么金屬–半導體二極管（肖特基二極管）消除了載流子注入后的存貯時間？

19為什么對輕摻雜的p型半導體不能用四探針方法測量其電阻率？對輕摻雜的n型半導體如何分析其物理過程。20什么叫少數載流子注入效應？

21鏡像力和隧道效應是如何影響金屬–半導體接觸勢壘的？ 22比較擴散理論和熱電子反射理論在解決肖特基二極管整流特性時其主要區別在什么地方？

23金屬與重摻雜的半導體接觸能夠形成歐姆接觸，說明其物理原理。

第七章 半導體表面與MIS結構

例1.設在金屬與n型半導體之間加一電壓，且n-Si接高電位，金屬接低電位，使半導體表面層內出現耗盡狀態。

(1)求耗盡層內電勢V(x)；

(2)若表面勢盡層厚度。設，；外加電壓5V, 施主濃度，求耗解：（1）根據耗盡層近似，即假設空間電荷層的電子都已全部耗盡，電荷全由已電離的施主雜質構成，設摻雜是均勻的，則空間電荷層的電荷密度，故泊松方程可寫為： 設

為耗盡層寬度，則因半導體內部場強為零，有：

設體內電勢為0，即 中時，即為。，積分上式得；式（2）當加電壓為時，表面勢由Vs提高為Vs＋V，所以，外加電壓為V后，例2.試導出使表面恰為本征時表面電場強度，表面電荷密度和表面層電容的表示式（設p型硅情形）。

解：

當表面恰為本征時，即Ei在表面與EF重合 所以 Vs=VB

設表面層載流子濃度仍遵守經典統計。則

表面恰為本征 故

但

取對數即得：

F函數：p型硅，且

故，因此：

習題與思考: 解釋什么是表面積累、表面耗盡和表面反型？ 在由n型半導體組成的MIS結構上加電壓VG，分析其表面空間電荷層狀態隨VG變化的情況，并解釋其C－V曲線。3 試述影響平帶電壓VFB的因素。4 什么是空間電荷區？如何才能在半導體表面形成正的空間電荷區和負的空間電荷區？ 說明表面勢的物理意義，如何才能保證

和

？ 為什么半導體的表面會發生彎曲？說明能帶向上彎和向下彎的條件？ 能帶彎曲以后形成電子勢壘還是空穴勢壘，如何判斷之。在能帶圖上討論n型半導體和表面空間電荷的關系。半導體表面積累、耗盡、本征和反型的物理意義是什么？分析n型半導體和p型半導體形成上述幾種狀態的條件，以圖示意之。9 為什么二氧化硅層下面的p型硅表面有自行變為n型半導體的傾向？

10分別對n型襯底和p型襯底MOS結構，畫出在外加偏壓條件下MOS結構中對應于載流子在積累、耗盡、強反型時能帶和電荷分布圖。11畫出MOS結構的等效電路，寫出MOS的電容表達式（包括歸一化電容的表達式）。

設在實際MOS結構中存在可動離子，固定電荷和金–半功函數差，說明每種情況對MOS結構C–V特性的影響。

12在忽略界面態影響情況下，可以用什么實驗方法測量MOS結構氧化層中固定電荷與可動電荷，說明試驗方法及有關公式。

13用耗盡近似方法推導半導體表面耗盡層的表面勢，厚度和空間表面電荷的表示式。14何謂異質結？異質結如何分類？試以鍺和砷化鎵為例，說明異質結的表示法。

15何謂突變異質結和緩變異質結？它們與同質的突變p–n結和緩變p–n結有何區別？

16以晶格常數為a的金剛石結構為例，計算（111），（110），（100）的懸掛鍵密度，并比較其大小。

17如何區分界面的原子面密度和懸掛鍵面密度，是否原子面密度大的懸掛鍵面密度一定大？

18比較異質結與同質結的不同。根據異質結的獨特性質，說明異質結的應用。

19為什么異質結的電流輸運機構比同質結復雜得多？

第十章半導體的光學性質和光電與發光現象

習題與思考: 什么是電導？說明復合效應和陷阱效應對光電導的影響？ 2 區別直接躍遷和間接躍遷（豎直躍遷和非豎直躍遷）。3 什么是聲子？它對半導體吸收特性起什么作用？ 使半導體材料硅、鍺和砷化鎵在光照下能夠產生電子–空穴對的光最大波長為多少？ 半導體對光的吸收有哪幾種主要過程？哪些過程具有確定的長波吸收限？寫出對應的波長表示式。哪些具有線狀吸收光譜？哪些光吸收對光電導有貢獻？ 6 本征吸收中電子吸收光子時，可能出現哪幾種躍遷方式？它們有何不同？各在什么樣的半導體中容易發生？試舉一、二例說明。7 什么是半導體的自由載流子光吸收？分別用經典理論和量子理論說明，并簡要討論其結果。

（1）寫出p–n結光電二極管的伏安特性方程并畫出對應的特性曲線；

（2）p–n結光電二極管的電流相應于正偏置還是反偏置的二極管電流；

（3）對于不同能量的光照，其曲線如何變化？ 8 要產生激光發射，為什么需要對半導體重摻雜？ 9 解釋p型半導體霍耳系數改變符號的原因。10區別：電導遷移率、漂移遷移率和霍耳遷移率。

11何謂霍耳角？與磁感應強度和載流子遷移率的關系如何？ 12為什么半導體的霍耳效應比金屬大的多？