1.半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和能帶

1.1 我們需要明確晶格的概念以及晶格的周期性。

1.2 我們需要知道什么是金剛石結(jié)構(gòu)?

金剛石結(jié)構(gòu)就是兩個(gè)面心立方沿空間對角線各自平移四分之一套構(gòu)而成。常見的硅、鍺均是金剛石結(jié)構(gòu)的。再有金剛石結(jié)構(gòu)的布拉伐格子是面心立方。

知道了金剛石結(jié)構(gòu)是什么樣，也就不難理解砷化鎵的閃鋅礦結(jié)構(gòu)。閃鋅礦結(jié)構(gòu)是兩種不同原子構(gòu)成的面心立方沿空間對角線平移四分之一套構(gòu)而成。

1.3 能帶

需要從布里淵區(qū)的角度去理解能帶的形成，其次需要知道半導(dǎo)體常見的導(dǎo)帶、價(jià)帶、禁帶的概念以及電子處于不同的能量狀態(tài)時(shí)對應(yīng)的真實(shí)狀態(tài)。

1.4 電子和空穴

電子的概念非常好理解，從初中物理就開始引入。但是空穴的概念卻有點(diǎn)抽象，概要的說，當(dāng)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，全滿的價(jià)帶便形成空位，引入空穴的概念，將價(jià)帶大量電子的運(yùn)動(dòng)問題轉(zhuǎn)化為少量空穴的問題，從而大大有利于問題的求解與分析。

1.5 有效質(zhì)量

質(zhì)量的概念非常好理解，但是什么是有效質(zhì)量呢?

載流子在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅僅會(huì)受到外加電場的影響，同時(shí)還會(huì)受到半導(dǎo)體內(nèi)部的周期性勢場的作用以及其他電子的作用，所以有效質(zhì)量將載流子受到的半導(dǎo)體內(nèi)部勢場的作用包括進(jìn)來，在研究外力作用下載流子的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以直接考慮外力而將內(nèi)部勢場的作用代入有效質(zhì)量中，同時(shí)有效質(zhì)量可以通過實(shí)驗(yàn)求得。

1.6 常考的概念

硅是間接帶隙半導(dǎo)體，砷化鎵是直接帶隙半導(dǎo)體，硅和砷化鎵的解理面的區(qū)別等。

2.雜質(zhì)和缺陷能級(jí)

首先需要理解半導(dǎo)體中雜質(zhì)的概念?

凡是和半導(dǎo)體固有原子不同的原子均稱為雜質(zhì)，雜質(zhì)又分為替位式雜質(zhì)和間隙式雜質(zhì)，只有替位式雜質(zhì)才能夠激活，起到改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型和電阻率的作用。

雜質(zhì)對電子或空穴的束縛的能量狀態(tài)對應(yīng)于施主能級(jí)和受主能級(jí)，摻雜了施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體，摻雜了受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體，其對應(yīng)的多數(shù)載流子和少數(shù)載流子亦是不同的。

同時(shí)需要理解淺能級(jí)雜質(zhì)和深能級(jí)雜質(zhì)的概念以及摻入這兩種雜質(zhì)的作用。

3. 半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布

3.1狀態(tài)密度(g(E))

首先需要明確狀態(tài)密度的概念，其次再去理解：

從而得出求解半導(dǎo)體中載流子濃度的一般方法。具體解讀就是載流子的狀態(tài)密度和狀態(tài)密度被載流子占據(jù)概率的乘積，然后將結(jié)果在一定的能量范圍進(jìn)行積分，即可得出半導(dǎo)體中的載流子濃度。這也是本部分的核心概念。

3.2費(fèi)米能級(jí)和載流子的統(tǒng)計(jì)分布(f(E))

費(fèi)米分布函數(shù)是：在特定的溫度下，載流子占據(jù)能量狀態(tài)E的概率。當(dāng)對費(fèi)米函數(shù)進(jìn)行近似的時(shí)候，引入了玻爾茲曼函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，通過一系列的推導(dǎo)，得出了價(jià)帶的空穴濃度的計(jì)算公式、導(dǎo)帶電子濃度的計(jì)算公式。

3.3本征半導(dǎo)體的載流子濃度

首先需要明確本征半導(dǎo)體的概念：沒有任何摻雜和缺陷的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。在本征半導(dǎo)體中，導(dǎo)帶上的電子來源于價(jià)帶中電子的激發(fā)，所以本征半導(dǎo)體的電子濃度等于空穴濃度，這也是和雜質(zhì)半導(dǎo)體最大的區(qū)別。

3.4雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度

摻雜有雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。由于室溫下，雜質(zhì)幾乎完全電離，載流子的濃度幾乎等于雜質(zhì)濃度。當(dāng)溫度繼續(xù)升高之后，雜質(zhì)半導(dǎo)體開始本征激發(fā)，載流子濃度大幅升高，電子濃度近似于等于空穴濃度。費(fèi)米能級(jí)逐漸接近于本征費(fèi)米能級(jí)。此處經(jīng)常會(huì)考察雜質(zhì)半導(dǎo)體多數(shù)載流子濃度隨溫度的變化曲線、費(fèi)米能級(jí)隨溫度的變化曲線。

3.5簡并半導(dǎo)體

一般簡并半導(dǎo)體和非簡并半導(dǎo)體是一個(gè)小考點(diǎn)。

簡并半導(dǎo)體是摻雜濃度比較高、費(fèi)米能級(jí)接近或進(jìn)入導(dǎo)帶和價(jià)帶、適用于費(fèi)米分布函數(shù)的半導(dǎo)體。

非簡并半導(dǎo)體與之相對應(yīng)，是雜質(zhì)濃度比較低，費(fèi)米能級(jí)遠(yuǎn)離導(dǎo)帶和價(jià)帶，適用于玻爾茲曼分布函數(shù)的情況。

4.半導(dǎo)體的導(dǎo)電性

4.1載流子的漂移運(yùn)動(dòng)和遷移率

載流子在電場下的運(yùn)動(dòng)成為漂移運(yùn)動(dòng)。

遷移率指的是載流子在單位場強(qiáng)下的運(yùn)動(dòng)速度，表征了載流子在半導(dǎo)體中遷移運(yùn)動(dòng)能力的大小。

4.2載流子的散射

載流子的散射主要分為電離雜質(zhì)散射和晶格振動(dòng)散射。

電離雜質(zhì)散射指的是半導(dǎo)體中電離雜質(zhì)產(chǎn)生的電場對載流子運(yùn)動(dòng)造成的影響。雜質(zhì)濃度越高，電離雜質(zhì)散射的作用就越強(qiáng);溫度越高，電離雜質(zhì)散射的作用越弱。

晶格振動(dòng)散射指的是晶格位置上的原子熱震動(dòng)對載流子運(yùn)動(dòng)造成的影響。溫度越高，晶格振動(dòng)越劇烈，散射作用越強(qiáng)。

由此可見，總的散射作用應(yīng)該是電離雜質(zhì)散射和晶格散射作用的綜合效果，主要的影響因素是溫度和雜志濃度。

4.3遷移率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系

這個(gè)公式很關(guān)鍵，推導(dǎo)起來也很簡單，一目了然，哈哈，不再多說。

4.4電阻率與雜質(zhì)濃度和溫度的關(guān)系

以N型半導(dǎo)體為例：

再結(jié)合遷移率的公式，也是so easy，不再多說。

5.非平衡載流子

5.1非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合

首先需要明白以下幾個(gè)概念：

平衡態(tài)：簡而言之，就是半導(dǎo)體處于熱平衡的狀態(tài)。熱平衡狀態(tài)的比較重要的特征之一就是，載流子的濃度保持不變。知道了平衡態(tài)的概念，非平衡狀態(tài)就很好理解了。

非平衡載流子：半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)時(shí)的載流子濃度多于平衡態(tài)的載流子濃度的那部分，就是非平衡載流子。

產(chǎn)生：非平衡載流子的產(chǎn)生可以通過外加電場、光照、加熱等一系列措施，使半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)，從而產(chǎn)生非平衡載流子。

復(fù)合：非平衡載流子的復(fù)合指的是在某種作用下產(chǎn)生的非平衡多子和非平衡少子通過復(fù)合，使得半導(dǎo)體回復(fù)平衡狀態(tài)的作用。

5.2非平衡載流子的壽命

非平衡載流子的壽命可以類比人的壽命，從降生到這個(gè)世界，到逝去的那一段時(shí)間是人的壽命;非平衡載流子的壽命就是非平衡載流子從產(chǎn)生到復(fù)合的時(shí)間。

5.3準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)

在半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)時(shí)，半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價(jià)帶各自擁有自己的費(fèi)米能級(jí)，這時(shí)的費(fèi)米能級(jí)成為準(zhǔn)費(fèi)米能級(jí)。

5.4復(fù)合理論

半導(dǎo)體的復(fù)合根據(jù)機(jī)理的不同，主要分為：直接復(fù)合、間接復(fù)合、俄歇復(fù)合、表面復(fù)合、體內(nèi)復(fù)合等，一般考試只是考察相關(guān)的概念，不太會(huì)考察相應(yīng)復(fù)合機(jī)理壽命公式的推導(dǎo)。

5.5載流子擴(kuò)散方程

載流子由于濃度梯度的原因，導(dǎo)致載流子發(fā)生運(yùn)動(dòng)的形式，成為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。此處引入擴(kuò)散方程：

之所以在公式前面有負(fù)號(hào)，是表示從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散，很好理解。至于D則為擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散系數(shù)有一個(gè)?？嫉狞c(diǎn)就是如下的愛因斯坦方程：

之所以說愛因斯坦方程重要，是因?yàn)樗鼘U(kuò)散系數(shù)與遷移率聯(lián)系到一起，從而在某種程度上說明了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。

另外一個(gè)小考點(diǎn)就是雙極運(yùn)動(dòng)，理解概念，推導(dǎo)一般考試不作要求，太難。

5.6連續(xù)性方程

連續(xù)性方程是這一部分的重中之重，好多計(jì)算題會(huì)從這里引申出來，最好掌握推導(dǎo)過程，建議詳細(xì)看劉恩科老師的書。

空穴的連續(xù)性方程：

電子的連續(xù)性方程的推導(dǎo)與空穴類似，不再贅述。

6.PN結(jié)

6.1熱平衡狀態(tài)下的PN結(jié)

熱平衡轉(zhuǎn)狀態(tài)的PN結(jié)指的是不加偏置電壓狀態(tài)下的PN結(jié)，主要在此狀態(tài)下分析PN結(jié)的形成及內(nèi)部的各種載流子運(yùn)動(dòng)、能帶狀態(tài)等，重點(diǎn)理解掌握以下要點(diǎn)：

? p-n結(jié)定義及形成

? p-n結(jié)的空間電荷區(qū)及自建電場

? p-n結(jié)的能帶圖

? 空間電荷區(qū)中的電場、電位分布

? p-n結(jié)接觸電勢差

? p-n結(jié)載流子分布

6.2直流偏置狀態(tài)下的PN結(jié)

PN結(jié)的主要應(yīng)用場景就是在外加電壓下工作，所以必定要引入對直流偏置狀態(tài)在PN的各種特性的分析，重點(diǎn)理解掌握以下要點(diǎn)，尤其是肖克來方程，不僅考試會(huì)考，保研(考研)面試的時(shí)候，也有可能會(huì)問到相關(guān)的內(nèi)容：

? 非平衡狀態(tài)下的p-n結(jié)

? 理想p-n結(jié)電流電壓方程

? 影響p-n結(jié)電流電壓特性偏離理想電流電壓方程的因素

6.3 PN結(jié)的電容

首先需要明白什么是電容效應(yīng)?突然一問這個(gè)，很多人都會(huì)一愣，都知道電容是什么，怎么用，但是又該怎么描述呢?

外加電壓變化時(shí)，極板上的電荷也隨之變化的效應(yīng)成為電容效應(yīng)。PN結(jié)的電容主要分為勢壘電容、擴(kuò)散電容，理解掌握概念即可。

6.4 PN結(jié)的擊穿

PN結(jié)在外加反向電壓達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)發(fā)生擊穿。根據(jù)擊穿機(jī)理的不同，分為雪崩擊穿、隧道擊穿。值得注意的一點(diǎn)是，雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù)，隧道擊穿電壓具有負(fù)溫度系數(shù)。

建議學(xué)到此處，順道掌握隧道效應(yīng)的概念，說不定復(fù)試的時(shí)候就會(huì)用到哦。

7. MOS

當(dāng)今的集成電路大多應(yīng)用CMOS作為基本單元，具體原因可以參考集成電路設(shè)計(jì)課程，所以本章也是非常之重要的。

建議著重理解并掌握以下要點(diǎn)，這部分在劉恩科老師的書上講的非常之詳細(xì)，本人不再贅述：

– 表面態(tài)

– MOS (MIS)結(jié)構(gòu)概述

– 表面電場效應(yīng)、MOS電容

– 表面空間電荷層的電場、電勢和電容

– 絕緣層電荷對MOS電容的影響

8.金半接觸

建議重點(diǎn)理解歐姆接觸和肖特基接觸的聯(lián)系與區(qū)別、二者的能帶圖的畫法以及二者的應(yīng)用場合。

– 金屬半導(dǎo)體接觸及其能級(jí)圖

– 金半接觸整流理論及肖特基接觸

– 歐姆接觸