半导体物理与器件尼曼课后小结与重要术语解释汇总精Word文件下载.docx

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14.铅锌矿晶格：

与金刚石晶格相同的一种晶格，但它有两种类型的原子而非一种。

第二章量子力学初步

小结

1.我们讨论了一些量子力学的概念，这些概念可以用于描述不同势场中的电子状态。

了解电子的运动状态对于研究半导体物理是非常重要的。

2.波粒二象性原理是量子力学的重要部分。

粒子可以有波动态，波也可以具有粒子态。

3.薛定谔波动方程式描述和判断电子状态的基础。

4.马克思·

玻恩提出了概率密度函数|fai（x）|2.

5.对束缚态粒子应用薛定谔方程得出的结论是，束缚态粒子的能量也是量子化的。

6.利用单电子原子的薛定谔方程推导出周期表的基本结构。

1.德布罗意波长：

普朗克常数与粒子动量的比值所得的波长。

2.海森堡不确定原理：

该原理指出我们无法精确确定成组的共轭变量值，从而描述粒子的状态，如动量和坐标。

3.泡利不相容原理：

该原理指出任意两个电子都不会处在同一量子态。

4.光子：

电磁能量的粒子状态。

5.量子：

热辐射的粒子形态。

6.量子化能量：

束缚态粒子所处的分立能量级。

7.量子数：

描述粒子状态的一组数，例如原子中的电子。

8.量子态：

可以通过量子数描述的粒子状态。

9.隧道效应：

粒子穿过薄层势垒的量子力学现象。

10.波粒二象性：

电磁波有时表现为粒子状态，而粒子有时表现为波动状态的特性。

第三章固体量子理论初步

1.当原子聚集在一起形成晶体时，电子的分立能量也就随之分裂为能带。

2.对表征单晶材料势函数的克龙克尼-潘纳模型进行严格的量子力学分析和薛定谔波动方程推导，从而得出了允带和禁带的概念。

3.有效质量的概念将粒子在晶体中的运动与外加作用力联系起来，而且涉及到晶格对粒子运动的作用。

4.半导体中存在两种带点粒子。

其中电子是具有正有效质量的正电荷粒子，一般存在于允带的顶部。

5.给出了硅和砷化镓的E-k关系曲线，并讨论了直接带隙半导体和间接带隙半导体的概念。

6.允带中的能量实际上是由许多的分立能级组成的，而每个能级都包含有限数量的量子态。

单位能量的量子态密度可以根据三维无限深势阱模型确定。

7.在涉及大量的电子和空穴时，就需要研究这些粒子的统计特征。

本章讨论了费米-狄拉克概率函数，它代表的是能量为E的量子态被电子占据的几章。

1.允带：

在量子力学理论中，晶体中可以容纳电子的一系列能级。

2.状态密度函数：

有效量子态的密度。

它是能量的函数，表示为单位体积单位能量中的量子态数量。

3.电子的有效质量：

该参数将晶体导带中电子的加速度与外加的作用力联系起来，该参数包含了晶体中的内力。

4.费米-狄拉克概率函数：

该函数描述了电子在有效能级中的分布，代表了一个允许能量状态被电子占据的概率。

5.费米能级：

用最简单的话说，该能量在T=0K时高于所有被电子填充的状态的能量，而低于所有空状态能量。

6.禁带：

在量子力学理论中，晶体中不可以容纳电子的一系列能级。

7.空穴：

与价带顶部的空状态相关的带正电“粒子”。

8.空穴的有效质量：

该参数同样将晶体价带中空穴的加速度与外加作用力联系起来，而且包含了晶体中的内力。

9.k空间能带图：

以k为坐标的晶体能连曲线，其中k为与运动常量有关的动量，该运动常量结合了晶体内部的相互作用。

10.克龙尼克-潘纳模型：

由一系列周期性阶跃函数组成，是代表一维单晶晶格周期性势函数的数学模型。

11.麦克斯韦-波尔兹曼近似：

为了用简单的指数函数近似费米-狄拉克函数，从而规定满足费米能级上下若干kT的约束条件。

12.泡利不相容原理：

第四章平衡半导体

1.导带电子浓度是在整个导带能量范围上，对导带状态密度与费米-狄拉克概率分布函数的乘积进行积分得到的

2.价带空穴浓度是在整个价带能量范围上，对价带状态密度与某状态为空的概率【1-fF（E）】的乘积进行积分得到的。

3.本章讨论了对半导体渗入施主杂质（V族元素）和受主杂质（111族元素）形成n型和p型非本征半导体的概念。

4.推导出了基本关系式ni2=n0p0。

5.引入了杂质完全电离与电中性的概念，推导出了电子与空穴浓度关于掺杂浓度的函数表达式。

6.推导出了费米能级位置关于掺杂浓度的表达式。

7.讨论了费米能级的应用。

在热平衡态下，半导体内的费米能级处处相等。

1.受主原子：

为了形成p型材料而加入半导体内的杂质原子。

2.载流子电荷：

在半导体内运动并形成电流的电子和（或）空穴。

3.杂质补偿半导体：

同一半导体区域内既含有施主杂质又含有受主杂质的半导体。

4.完全电离：

所有施主杂质原子因失去电子而带正电，所有受主杂质原子因获得电子而带负电的情况。

5.简并半导体：

电子或空穴的浓度大于有效状态密度，费米能级位于导带中（n型）或价带中（p型）的半导体。

6.施主原子：

为了形成n型材料而加入半导体内的杂质原子。

7.有效状态密度：

即在导带能量范围内对量子态密度函数gc（E）与费米函数fF（E）的乘积进行积分得到的参数Nc；

在价带能量范围内对量子态密度函数gv（E）与【1-fF（E）】的乘积进行积分得到的参数N。

8.非本征半导体：

进行了定量施主或受主掺杂，从而使电子浓度或空穴浓度偏离本征载流子浓度产生多数载流子电子（n型）或多数载流子空穴（p型）的半导体。

9.束缚态：

低温下半导体内的施主与受主呈现中性的状态。

此时，半导体内的电子浓度与空穴浓度非常小。

10.本征载流子浓度ni：

本征半导体内导带电子的浓度和价带空穴的浓度（数值相等）。

11.本征费米能级Efi：

本征半导体内的费米能级位置。

12.本征半导体：

没有杂质原子且晶体中无晶格缺陷的纯净半导体材料。

13.非简并半导体：

参入相对少量的施主和（或）受主杂质，使得施主和（或）受主能级分立、无相互作用的半导体。

14.载流子输运现象

第五章载流子运输现象

1半导体中的两种基本疏运机构：

电场作用下的漂移运动和浓度梯度作用下的扩散运动。

2存在外加电场时，在散射作用下载流子达到平均漂移速度。

半导体存在两种散射过程，即晶格散射和电离杂质散射

3在若电场下，平均漂移速度是电场强度的线性函数；

而在强力场下，漂移速度达到饱和，其数量级为107cm/s。

4载流子迁移率为平均漂移速度与外加电场之比。

电子和空穴迁移率是温度以及电离杂质浓度的函数。

5漂移电流密度为电导率和电场强度的乘积（欧姆定律的一种表示）。

电导率是载流子浓度和迁移率的函数。

电阻率等于电导率的倒数。

6扩散电流密度与载流子扩散系数和载流子浓度梯度成正比。

7扩散系数和迁移率的关系成为爱因斯坦关系

8霍尔效应是载流子电荷在相互垂直的电场和磁场中运动产生的。

载流子风生偏转，干生出霍尔效应。

霍尔电压的正负反映了半导体的导电类型。

还可以由霍尔电压确定多数载流子浓度和迁移率。

电导率：

关于载流子漂移的材料参数；

可量化为漂移电流密度和电场强度之比。

扩散：

粒子从高浓度区向低浓度区运动的过程。

扩散系数：

关于粒子流动与粒子浓度梯度之间的参数。

扩散电流：

载流子扩散形成的电流。

漂移：

在电场作用下，载流子的运动过程。

漂移电流：

载流子漂移形成的电流

漂移速度：

电场中载流子的平均漂移速度

爱因斯坦关系：

扩散系数和迁移率的关系

霍尔电压：

在霍尔效应测量中，半导体上产生的横向压降

电离杂质散射：

载流子和电离杂质原子之间的相互作用

晶格散射：

载流子和热震动晶格原子之间的相互作用

迁移率：

关于载流子漂移和电场强度的参数

电阻率：

电导率的倒数；

计算电阻的材料参数

饱和速度：

电场强度增加时，载流子漂移速度的饱和值。

15.半导体中的非平衡过剩载流子

第六章半导体中的非平衡过剩载流子

1讨论了过剩电子和空穴产生与复合的过程，定义了过剩载流子的产生率和复合率

2过剩电子和空穴是一起运动的，而不是互相独立的。

这种现象称为双极疏运

3推导了双极疏运方程，并讨论了其中系数的小注入和非本征掺杂约束条件。

在这些条件下，过剩电子和空穴的共同漂移和扩散运动取决于少子的特性，这个结果就是半导体器件状态的基本原理

4讨论了过剩载流子寿命的概念

5分别分析了过剩载流子状态作为时间的函数作为空间的函数和同事作为实践与空间的函数的情况

6定义了电子和空穴的准费米能级。

这些参数用于描述非平衡状态下，电子和空穴的总浓度

8半导体表面效应对过剩电子和空穴的状态产生影响。

定义了表面复合速度

1双极扩散系数：

过剩载流子的有效扩散系数

2双极迁移率：

过剩载流子的有效迁移率

3双极疏运：

具有相同扩散系数，迁移率和寿命的过剩电子和空穴的扩散，迁移和复合过程

4双极输运方程：

用时间和空间变量描述过剩载流子状态函数的方程

5载流子的产生：

电子从价带跃入导带，形成电子-空穴对的过程

6载流子的复合：

电子落入价带中的空能态（空穴）导致电子-空穴对消灭的过程

7过剩载流子：

过剩电子和空穴的过程

8过剩电子：

导带中超出热平衡状态浓度的电子浓度

9过剩空穴：

价带中超出热平衡状态浓度的空穴浓度

10过剩少子寿命：

过剩少子在复合前存在的平均时间

11产生率：

电子-空穴对产生的速率（#/cm3-ms）

12小注入：

过剩载流子浓度远小于热平衡多子浓度的情况

13少子扩散长度：

少子在复合前的平均扩散距离：

数学表示为

，其中D和

分别为少子的扩散系数和寿命

14准费米能级：

电子和空穴的准费米能级分别将电子和空穴的非平衡状态浓度与本征载流子浓度以及本征费米能级联系起来

15复合率：

电子－空穴对复合的速率（#/cm3-s）

16表面态：

半导体表面禁带中存在的电子能态。

第七章pn结

1首先介绍了均匀掺杂的pn结。

均匀掺杂pn结是指：

半导体的一个区均匀掺杂了受主杂质，而相邻的区域均匀掺杂了施主杂质。

这种pn结称为同质结

2在冶金结两边的p区与n区内分别形成了空间电荷区或耗尽区。

该区内不存在任何可以移动的电子或空穴，因而得名。

由于n区内的施主杂质离子的存在，n区带正电；

同样，由于p区内受主杂质离子存在，p区带负电。

3由于耗尽区内存在净空间电荷密度，耗尽区内有一个电场。

电场的方向为由n区指向p区

4空间电荷区内部存在电势差。

在零偏压的条件下，该电势差即内建电势差维持热平衡状态，并且在阻止n区内多子电子向p区扩散的同时，阻止p区内多子空穴向n区扩散。

5反骗电压（n区相对于p区为正）增加了势垒的高度，增加了空间电荷区的宽度，并且增强了电场。

6随着反偏电压的改变，耗尽区内的电荷数量也改变。

这个随电压改变的电荷量可以用来描述pn结的势垒电容。

7线性缓变结是非均匀掺杂结的典型代表。

本章我们推导出了有关线性缓变结的电场，内建电势差，势垒电容的表达式。

这些函数表达式与均匀掺杂结的情况是不同的

8特定的掺杂曲线可以用来实现特定的电容特性。

超突变结是一种掺杂浓度从冶金结处开始下降的特殊pn结。

这种结非常适用于制作谐振电路中的变容二极管。

突变结近似：

认为从中性半导体区到空间电荷区的空间电荷密度有一个突然的不连续

内建电势差：

热平衡状态下pn结内p区与n区的静电电势差。

耗尽层电容：

势垒电容的另一种表达式

耗尽区：

空间电荷区的另一种表达

超变突结：

一种为了实现特殊电容－电压特性而进行冶金结处高掺杂的pn结，其特点为pn结一侧的掺杂浓度由冶金结处开始下降

势垒电容（结电容）：

反向偏置下pn结的电容

线性缓变结：

冶金结两侧的掺杂浓度可以由线性分布近似的pn结

冶金结：

pn结内p型掺杂与n型掺杂的分界面。

单边突变结：

冶金结一侧的掺杂浓度远大于另一侧的掺杂浓度的pn结

反偏：

pn结的n区相对于p区加正电压，从而使p区与n区之间势垒的大小超过热平衡状态时势垒的大小

空间电荷区：

冶金结两侧由于n区内施主电离和p区内受主电离而形成的带净正电与负电的区域

空间电荷区宽度：

空间电荷区延伸到p区与n区内的距离，它是掺杂浓度与外加电压的函数

变容二极管：

电容随着外加电压的改变而改变的二极管。

第八章pn结二极管

1当pn结外加正偏电压时（p区相对与n区为正），pn结内部的势垒就会降低，于是p区空穴与n区电子就会穿过空间电荷区流向相应的区域

2本章推导出了与n区空间电荷区边缘处的少子空穴浓度和p区空间电荷区边缘处的少子浓度相关的边界条件

3注入到n区内的空穴与注入到p区内的电子成为相应区域内的过剩少子。

过剩少子的行为由第六章中推导的双极输运方程来描述。

求出双极输运方程的解并将边界条件代入，就可以求出n区与p区内稳态少数载流子的浓度分布

4由于少子浓度梯度的存在，pn结内存在少子扩散电流。

少子扩散电流产生了pn结二极管的理想电流－电压关系

5本章得出了pn结二极管的小信号模型。

最重要的两个参数是扩散电阻与扩散电容

6反偏pn结的空间电荷区内产生了过剩载流子。

在电场的作用下，这些载流子被扫处了空间电荷区，形成反偏产生电流。

产生电流是二极管反偏电流的一个组成部分。

Pn结正偏时，穿过空间电荷区的过剩载流子可能发生复合，产生正偏复合电流。

复合电流是pn结正偏电流的另一个组成部分

7当pn结的外加反偏电压足够大时，就会发生雪崩击穿。

此时，pn结体内产生一个较大的反偏电流。

击穿电压为pn结掺杂浓度的函数。

在单边pn结中，击穿电压是低掺杂一侧掺杂浓度的函数

8当pn结由正偏状态转换到反偏状态时，pn结内存储的过剩少数载流子会被移走，即电容放电。

放电时间称为存储时间，它是二极管开关速度的一个限制因素

雪崩击穿：

电子和空穴穿越空间电荷区时，与空间电荷区内原子的电子发生碰撞产生电子－空穴对，在pn结内形成一股很大的反偏电流，这个过程就称为雪崩击穿。

载流子注入：

外加偏压时，pn结体内载流子穿过空间电荷区进入p区或n区的过程

临界电场：

发生击穿时pn结空间电荷区的最大电场强度

扩散电容：

正偏pn结内由于少子的存储效应而形成的电容

扩散电导：

正偏pn结的低频小信号正弦电流与电压的比值

扩散电阻：

扩散电导的倒数

正偏：

p区相对于n区加正电压。

此时结两侧的电势差要低于热平衡时的值

产生电流：

pn结空间电荷区内由于电子－空穴对热产生效应形成的反偏电流

场二极管：

电中性p区与n区的长度大于少子扩散长度的二极管。

复合电流：

穿越空间电荷区时发生复合的电子与空穴所产生的正偏pn结电流

反向饱和电流：

电中性p区与n区中至少有一个区的长度小于少子扩散长度的pn结二极管。

存储时间：

当pn结二极管由正偏变为反偏时，空间电荷区边缘的过剩少子浓度由稳态值变成零所用的时间

第九章

小结：

轻参杂半导体上的金属可以和半导体形成整流接触，这种接触称为肖特基势垒二极管。

金属与半导体间的理想势垒高度会因金属功函数和半导体的电子亲和能的不同而不同。

当在n型半导体和金属之间加上一个正电压是（即反偏），半导体与金属之间的势垒增加，因此基本上没有载流子的流动。

当金属与n型半导体间加上一个正电压时（即正偏），半导体与金属间的势垒降低，因此电子很容易从半导体流向金属，这种现象称为热电子发射。

肖特基势垒二极管的理想i-v关系与pn结二极管的相同。

然而，电流值的数量级与pn结二极管的不同，肖特基二极管的开关速度要快一些。

另外，肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，所以在达到与pn结二极管一样的电流时，肖特基二极管需要的正的偏压要低。

金属-半导体也可能想成欧姆接触，这种接触的接触电阻很低，是的结两边导通时结两边的压降很小。

两种不同能带系的半导体材料可以形成半导体异质结。

异质结一个有用的特性就是能在表面形成势垒。

在与表面垂直的方向上，电子的活动会受到势肼的限制，但电子在其他的两个方向可以自由的流动。

重要术语解释：

反型异质结：

参杂剂在冶金结处变化的异质结。

电子亲和规则：

这个规则是指，在一个理想的异质结中，导带处的不连续性是由于两种半导体材料的电子亲和能是不同的引起的。

异质结：

两种不同的半导体材料接触形成的结。

镜像力降低效应：

由于电场引起的金属-半导体接触处势垒峰值降低的现象。

同型异质结：

参杂剂在冶金结处不变的异质结。

欧姆接触：

金属半导体接触电阻很低，且在结两边都能形成电流的接触。

理查德森常数：

肖特基二极管中的I-V关系中的一个参数A*。

肖特基势垒高度：

金属-半导体结中从金属到半导体的势垒Φbn。

肖特基效应：

镜像力降低效应的另一种形式。

单位接触电阻：

金属半导体接触的J-V曲线在V=0是的斜率的倒数。

热电子发射效应：

载流子具有足够的热能时，电荷流过势垒的过程。

隧道势垒：

一个薄势垒，在势垒中，其主要作用的电流是隧道电流。

二维电子气：

电子堆积在异质结表面的势肼中，但可以沿着其他两个方向自由流动。

第十章

有两种类型的的双极晶体管，即npn和pnp型。

每一个晶体管都有三个不同的参杂区和两个pn结。

中心区域（基区）非常窄，所以这两个结成为相互作用结。

晶体管工作于正向有源区时，B-E结正偏，B-C结反偏。

发射区中的多子注入基区，在那里，他们变成少子。

少子扩散过基区进入B-C结空间电荷区，在那里，他们被扫入集电区。

当晶体管工作再正向有源区时，晶体管一端的电流（集电极电流）受另外两个端点所施加的电压（B-E结电压）的控制。

这就是其基本的工作原理。

晶体管的三个扩散区有不同的少子浓度分布。

器件中主要的电流由这些少子的扩散决定。

共发射极电流增益是三个因子的函数----发射极注入效率系数，基区输运系数和复合系数。

发射极注入效率考虑了从基区注入到发射区的载流子，基区输运系数反映了载流子在基区的复合，复合系数反映了载流子在正偏发射结内部的复合。

考虑了几个非理想效应：

1.基区宽度调制效应，说着说是厄尔利效应----中性基区宽度随B-C结电压变化而发生变化，于是集电极电流随B-C结或C-E结电压变化而变化。

2.大注入效应使得集电极电流随C-E结电压增加而以低速率增加。

3.发射区禁带变窄效应是的发射区参杂浓度非常高时发射效率变小。

4.电流集边效应使得发射极边界的电流密度大于中心位置的电流密度。

5.基区非均匀掺杂在基区中感生出静电场，有助于少子度越基区。

6.两种击穿机制----穿通和雪崩击穿。

晶体管的三种等效电路或者数学模型。

E-M模型和等效电路对于晶体管的所有工作模式均适用。

基区为非均匀掺杂时使用G-P模型很方便。

小信号H-P模型适用于线性放大电路的正向有源晶体管。

晶体管的截止频率是表征晶体管品质的一个重要参数，他是共发射极电流增益的幅值变为1时的频率。

频率响应是E-B结电容充电时间、基区度越时间、集电结耗尽区度越时间和集电结电容充电时间的函数。

虽然开关应用涉及到电流和电压较大的变化，但晶体管的开关特性和频率上限直接相关，开关特性的一个重要的参数是点和存储时间，它反映了晶体管有饱和态转变变成截止态的快慢。

1、a截止频率：

共基极电流增益幅值变为其低频值的1根号2时的频率，就是截止频率。

2、禁带变窄：

随着发射区中掺杂，禁带的宽度减小。

3、基区渡越时间：

少子通过中性基区所用的时间。

4、基区输运系数：

共基极电流增益中的一个系数，体现了中性基区中载流子的复合。

5、基区宽度调制效应：

随C-E结电压或C-B结电压的变化，中性基区宽度的变化。

6、B截止效率：

共发射极电流增益幅值下降到其频值的1根号2时的频率。

7、集电结电容充电时间：

随发射极电流变化，B-C结空间电荷区和急电区-衬底结空间电荷区宽度发生变化的时间常数。

8、集电结耗尽区渡越时间：

载流子被扫过B-C结空间电荷区所需的时间。

9、共基极电流增益：

集电极电流与发射极电流之比。

10、共发射极电流增益：

集电极电流与基极电流之比。

11、电流集边：

基极串联电阻的横向压降使得发射结电流为非均匀值。

12、截止：

晶体管两个结均加零偏或反偏时，晶体管电流为零的工作状态。

13、截止频率：

共发射极电流增益的幅值为1时的频率。

14、厄尔利电压：

反向延长晶体管的I-V特性曲线与电压轴交点的电压的绝对值。

15、E-B结电容充电时间：

发射极电流的变化引起B-E结空间电荷区宽度变化所需的时间。

16、发射极注入效率系数：

共基极电流增益的一个系数，描述了载流子从基区向发射区的注入。

17、正向有源：

B-E结正偏、B-C结反偏时的工作模式。

18、反向有源：

B-E结反偏、B-C结正偏时的工作模式。

19、输出电导：

集电极电流对C-E两端电压的微分之比。

这一章讨论了MOSFET的基本物理结构和特性

MOSFET的核心为MOS电容器。

与氧化物-半导体界面相邻的半导体能带是玩去的，他由加载MOS电容器上的电压决定。

表面处导带和价带相对于费米能级的位置是MOS电容器电压的函数。

氧化层-半导体界面处的半导体表面可通过施加正偏栅压由到发生反型，或者通过施加负栅压由n型到p型发生发型。

因此在于氧化层相邻处产生了反型层流动电荷。

基本MOS场效应原理是有反型层电荷密度的调制作用体现的

讨论了MOS电容器的C-V特性。

例如，等价氧化层陷阱电荷密度和界面态密度可由C-V测量方法决定

两类基本的MOSFET为n沟和p沟，n沟中的电流由反型层电子的流动形成，p沟中的电流由反型层空穴流动形成。

这两类器件都可以是增强型的，通常情况下器件是关的，需施加一个栅压才能使器件开启；

也可以是耗尽型的，此时在通常情况下器件是开的，需施加一个栅压才能使器件关闭

平带电压是满足条件时所加的栅压，这时导带和价带不发生弯曲，并且半导体中没有空间电荷区。

平带电压时金属-氧化层势垒的高度、半导体-氧化层势垒高度以及固定氧化层陷阱电荷数量的函数

阈值电压是指半导体表面达到阈值反型点时所加的栅压，此时反型层电荷