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、價帶、禁帶的概念以及電子處于不同的能量狀態(tài)時對應(yīng)的真實狀態(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抽象，概要的說，當電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，全滿的價帶便形成空位，引入空穴的概念，將價帶大量電子的運動問題轉(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)體中運動時，不僅僅會受到外加電場的影響，同時還會受到半導(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來，在研究外力作用下載流子的運動時，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，同時有效質(zhì)量可以通過實驗求得。

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

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)于施主能級和受主能級，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。

同時需要理解淺能級雜質(zhì)和深能級雜質(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費米能級和載流子的統(tǒng)計分布(f(E))

費米分布函數(shù)是：在特定的溫度下，載流子占據(jù)能量狀態(tài)E的概率。當對費米函數(shù)進行近似的時候，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)，得出了價帶的空穴濃度的計算公式、導(dǎo)帶電子濃度的計算公式。

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。費米能級逐漸接近于本征費米能級。此處經(jīng)常會考察雜質(zhì)半導(dǎo)體多數(shù)載流子濃度隨溫度的變化曲線、費米能級隨溫度的變化曲線。

3.5簡并半導(dǎo)體

一般簡并半導(dǎo)體和非簡并半導(dǎo)體是一個小考點。

簡并半導(dǎo)體是摻雜濃度比較高、費米能級接近或進入導(dǎo)帶和價帶、適用于費米分布函數(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，費米能級遠離導(dǎo)帶和價帶，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載流子的漂移運動和遷移率

載流子在電場下的運動成為漂移運動。

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

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動造成的影響。雜質(zhì)濃度越高，電離雜質(zhì)散射的作用就越強;溫度越高，電離雜質(zhì)散射的作用越弱。

晶格振動散射指的是晶格位置上的原子熱震動對載流子運動造成的影響。溫度越高，晶格振動越劇烈，散射作用越強。

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，從降生到這個世界，到逝去的那一段時間是人的壽命;非平衡載流子的壽命就是非平衡載流子從產(chǎn)生到復(fù)合的時間。

5.3準費米能級

在半導(dǎo)體處于非平衡狀態(tài)時，半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價帶各自擁有自己的費米能級，這時的費米能級成為準費米能級。

5.4復(fù)合理論

半導(dǎo)體的復(fù)合根據(jù)機理的不同，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，不太會考察相應(yīng)復(fù)合機理壽命公式的推導(dǎo)。

5.5載流子擴散方程

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

之所以在公式前面有負號，是表示從濃度高的地方向濃度低的地方擴散，很好理解。至于D則為擴散系數(shù)，擴散系數(shù)有一個常考的點就是如下的愛因斯坦方程：

之所以說愛因斯坦方程重要，是因為它將擴散系數(shù)與遷移率聯(lián)系到一起，從而在某種程度上說明了擴散運動和漂移運動之間的關(guān)系。

另外一個小考點就是雙極運動，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，好多計算題會從這里引申出來，最好掌握推導(dǎo)過程，建議詳細看劉恩科老師的書。

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)部的各種載流子運動、能帶狀態(tài)等，重點理解掌握以下要點：

? 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，重點理解掌握以下要點，尤其是肖克來方程，不僅考試會考，保研(考研)面試的時候，也有可能會問到相關(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，很多人都會一愣，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，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)在外加反向電壓達到一定程度時，會發(fā)生擊穿。根據(jù)擊穿機理的不同，分為雪崩擊穿、隧道擊穿。值得注意的一點是，雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù)，隧道擊穿電壓具有負溫度系數(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)試的時候就會用到哦。

7. MOS

當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，這部分在劉恩科老師的書上講的非常之詳細，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)體接觸及其能級圖

– 金半接觸整流理論及肖特基接觸

– 歐姆接觸