《半导体物理》考试大纲

一、  考 试 性 质

《半导体物理》考试适用于中国科学院长春光机所博士研究生入学考试。考试对象为报考凝聚态物理、微电子学与固体电子学等专业的考生。考试的主要目的是测试考生的半导体物理相关基础和专业知识，以及应用相关知识解决问题的能力。

二、  考试的基本要求

要求考生掌握半导体晶体结构的基本知识，深入理解掌握能带理论及载流子运动规律。主要包括晶体结构和结合性质、半导体中的电子状态、电子和空穴的统计平衡分布、电荷输运现象、过剩载流子性质、接触现象、半导体表面层和MIS结构、微结构和超晶格、半导体的光吸收、半导体中的发光现象。能对半导体的基本性质进行理论分析，对一些简单的半导体器件进行定性分析。以上内容要求概念准确，相关物理机制与过程清楚，基本理论和运算熟练，并能应用它们解决实际问题。

三、  考试方法和考试时间

考试采用闭卷笔试形式，试卷满分为100分，考试时间为180分钟。

四、  考试内容和考试要求

（一）晶格结构和结合性质

考试内容

1.      晶格的周期性和对称性

晶格、晶胞和原胞的概念；简单晶格和复式晶格；晶格的平移对称性、基矢和格矢及其对应关系；晶向和晶面；7大晶系、14种布拉伐格子的名称与基矢。

2.      倒空间与倒格子

倒易空间（k空间）、倒基矢和倒格矢；正格子与倒格子的对应关系

。

3.      常见半导体的晶格结构

金刚石结构、闪锌矿结构和纤锌矿结构。

4.      原子结合性质

共价键和离子键；结合性质和负电性；共价四面体结构和杂化轨道；混合键。

5.      晶格缺陷

晶格缺陷的分类；原子晶体中的本征缺陷（热缺陷）；化合物中的本征缺陷；位错和层错。

6.      半导体表面的再构

考试要求

1. 理解晶格周期性和对称性，掌握晶格、晶胞和原胞的概念；掌握基矢和格矢及其对应关系；理解掌握晶向和晶面的概念和表示方法，能够给出任一晶向和晶面的指数；了解7大晶系、14种布拉伐格子的名称与基矢。

2. 理解倒易空间的概念及由正空间推演出倒空间的意义，掌握正格子与倒格子的对应关系，可以由基矢求出对应的倒基矢。

3. 理解掌握金刚石结构、闪锌矿结构和纤锌矿结构的特点；掌握典型半导体的晶体结构。

4. 理解掌握共价键、离子键和杂化轨道的概念及其特性；掌握具有不同价键的晶体的特点；掌握典型半导体的结合性质。

5. 掌握各种不同点缺陷、线缺陷和面缺陷的特点及其在晶体中的形成机制和作用。

6. 理解掌握半导体表面再构的物理机制；掌握再构后表面的特点。

（二）半导体中的电子状态

考试内容

1.      晶体的能带

原子中的能级和固体中的能带的特点；晶体中的电子状态；布洛赫波；E-k关系；布里渊区；能带中的状态密度；单电子近似；Kronig-Penney势场模型。

2.      晶体中电子的运动

电子的平均速度（群速度）和波包；外场下电子状态的变化，有效质量和有效质量近似；等能面。两个重要关键公式：

，

3.      导电电子和空穴

满带和部分填充的能带的导电性；导电电子和空穴；金属、半导体和绝缘体。

4.      常见半导体的能带结构

IV族元素晶体及化合物；III-V族化合物；II-VI族化合物；混合晶体的能带结构。

5.      杂质和缺陷能级

施主杂质和施主能级；受主杂质和受主能级；类氢模型；浅能级杂质和深能级杂质；两性杂质和杂质补偿；等电子杂质和等电子陷阱；缺陷能级。

6.      局域态的晶格弛豫

晶格弛豫和位形坐标图；DX中心；EL2缺陷。

7.      重掺杂半导体

中等掺杂情形；重掺杂情形。

8.      表面态

塔姆表面态；表面悬挂键和表面能带。

考试要求

1. 理解掌握：原子中的能级和固体中的能带的特点；电子的共有化运动与晶体能带的形成的物理机制；晶体中的电子状态的特点及布洛赫定理；晶体中电子的能量分布的特点和E-k关系；布里渊区的特性及其与电子状态特性的关系；布里渊区边界方程；导带和价带的特点；k空间的状态密度；理解单电子近似及其物理可行性；可以用类似Kronig-Penney势场的简单势场求解单电子薛定谔方程，并分析电子波函数和能量分布的特点。

2. 理解掌握：波包概念以及采用波包运动讨论晶体中电子运动的平均速度方法；电子的平均速度与能带结构的关系；有效质量的意义、与能带结构的关系、在倒空间中的变化关系；等能面的形式、意义及与有效质量的关系；有效质量近似理论及其适用性。

3. 理解满带和部分填充的能带在导电性上的差异，可以依据能带结构的不同，分析金属、半导体和绝缘体的导电性的差异；理解空穴的概念，掌握空穴的电荷、运动速度和有效质量的形式和意义。

4. 理解掌握：各个常见半导体的能带结构的特点，包括导带的特点，能谷的位置与数量、能谷附近等能面的特征、有效质量各向同性与各项异性；价带的特点，重空穴与轻空穴子能带、自旋-轨道耦合劈裂带；直接带隙与间接带隙的概念；理解混合晶体的概念及用途，了解混合晶体能带结构、带隙及晶格常数随混晶组分的变化关系与规律。

5. 理解掌握：施主和施主能级、受主和受主能级；杂质电离过程和电离能；杂质补偿、两性杂质；等电子杂质和等电子陷阱；浅能级和深能级，以及它们在半导体中的作用；杂质在具体半导体中是施主还是受主的判断方法；类氢模型及其适用条件；缺陷和缺陷能级及其作用。

6. 理解掌握：晶格弛豫概念及物理机制，利用位形坐标图和弗兰克-康登原理阐述局域中心与晶格弛豫相关的现象；DX中心以及EL2缺陷的特点。

7. 理解掌握重掺杂半导体中，杂质能级简并解除形成杂质能带、杂质浓度提高导致杂质电离能降低、带尾效应的物理机制。

8. 理解表面态的概念，掌握塔姆表面态、表面悬挂键和表面能带形成的物理机制。

（三）电子和空穴的统计平衡分布

 考试内容

1.      费米分布函数

费米分布函数；费米分布函数的性质；玻尔兹曼近似；杂质能级的占有几率。

2.      载流子浓度与费米能级的关系

态密度；载流子浓度。

3.      本征半导体

电中性条件；本征激发；本征费米能级和本征载流子浓度。

4.      含一种杂质情形的统计

杂质弱电离情形；中等电离和强电离；向本征过渡。

5.      具有杂质补偿及多重杂质能级情形的统计

单能级施主和单能级受主的情形；含多能级杂质的补偿；位于禁带下半部的施主能级；补偿性高阻-半绝缘的半导体。

6.      简并情形的统计

弱简并情形；强简并情形；简并的具体判据。

7.      宽禁带半导体的掺杂问题和自补偿

自补偿；导致掺杂困难的其他因素。

考试要求

1. 理解掌握：费米分布函数及其公式；费米分布函数中费米能级的性质和意义；非本征情况，可以使用玻尔兹曼统计分布的条件；杂质能级被电子和空穴占有的几率的特点和公式。

2. 理解掌握：影响费米能级的因素；以能量为尺度的状态密度的意义，与k空间状态密度的关系；态密度有效质量；导带等效状态密度和价带等效状态密度；载流子浓度与费米能级的关系及其公式。

3. 理解掌握：本征半导体的定义；电中性方程；本征载流子浓度与温度和禁带宽度的依赖关系及其公式。

4. 理解掌握：在不同杂质电离程度下，写出正确的电中性方程，推导出载流子浓度方程，分析讨论载流子浓度和费米能级随温度变化的物理机制；饱和电离区温度范围的计算。

5. 理解掌握：杂质补偿机理；各种施主和受主能级存在的情况下，杂质补偿的特点及对载流子浓度及费米能级的影响。

6. 理解掌握：简并半导体的特点；弱简并和强简并情况下，载流子浓度以及费米能级的定性分析；简并的具体判据。

7. 理解掌握：自补偿的物理机制；导致宽带隙半导体掺杂困难的其他因素及其影响机制。

（四）电荷输运现象

 考试内容

1.      电导和霍尔效应的分析

电导率和迁移率；霍尔效应；电导和霍尔效应的实验研究。

2.      载流子的散射

晶格振动和声子；声学波散射；光学波形变势散射和谷间散射；光学波极化势散射；电离杂质散射；合金势散射。

3.      电导的统计理论

弛豫时间近似；弱电场下的分布函数；电导率。

4.      霍尔效应的统计理论

弱电场和弱磁场下的载流子分布函数；一种载流子的霍尔效应；两种载流子的霍尔效应；强磁场霍尔效应。

5.      磁阻现象

一种载流子的磁阻；两种载流子的磁阻；平面霍尔效应；几何磁阻。

6.      强电场下的载流子输运

强电场载流子分布函数；漂移速度饱和；负微分迁移率。

7.      漂移速度过冲和近弹道输运

漂移速度过冲和非驻定输运；GaAs中的漂移速度过冲；近弹道输运。

考试要求

1. 理解掌握：迁移率的物理意义；迁移率表达式的数理推导；迁移率与电导率的数理关系；迁移率与半导体能带结构、载流子散射的依赖关系；影响霍尔电场的物理因素；引入霍尔因子的意义；霍尔迁移率与漂移迁移率、电导迁移率的物理差异；设计利用霍尔效应测量半导体各种物理参数的实验方法。

2. 理解掌握：晶格振动和格波；声学波振动和光学波振动；声子；载流子散射的概念；自由时间和驰豫时间的区别；各向同性散射和各向异性散射的区别；解释半导体中各类散射机构对载流子输运的影响，它们的散射几率随温度的依赖关系。

3. 理解掌握：弛豫时间近似方法及相关散射分析；弱电场条件时的定向运动速度与热运动速度条件；影响电导率的物理机制。

4. 理解掌握：弱电场和弱磁场下，霍尔效应对载流子分布的影响；不同导电类型的近本征半导体的霍尔系数随温度的变化规律；推导单一载流子和两种载流子共存时的霍尔系数表达式；强磁场霍尔效应的特点。

5. 理解掌握：磁阻效应的物理机制；不同情形下磁阻的特点与应用。

6. 理解掌握：载流子迁移率随电场强弱变化的规律与物理影响机制；强电场条件下，漂移速度饱和的物理机制；产生负微分迁移率的物理机制，Gunn效应机理与应用。

7. 理解掌握：强电场、非稳态情况下，载流子非驻定输运的特点；漂移速度过冲和近弹道输运的物理机制分析；在相关器件上的应用优势。

（五）过剩载流子

考试内容

1.      过剩载流子及其产生和复合

过剩载流子及其产生；过剩载流子的复合、寿命；寿命的测量；准费米能级。

2.      过剩载流子的扩散

扩散定律；一维稳定扩散分布；扩散长度；扩散速度；不同边界条件；爱因斯坦关系。

3.      过剩载流子的漂移和扩散

注入少子脉冲的漂移和扩散；电场下漂移和扩散的稳定分布。

4.      双极扩散和双极漂移

双极扩散；双极漂移。

5.      丹倍效应和光磁效应

丹倍效应；光磁效应。

6.      表面复合对寿命的影响

7.      复合机制和直接复合

复合机制；直接辐射复合；带间俄歇复合。

8.      间接复合

复合中心理论；寿命随费米能级位置的变化；有效的复合中心；间接复合的机制；三种主要复合机制的比较。

9.      陷阱效应

过剩载流子陷阱的条件；陷阱对稳态光电导的影响；红外淬灭现象陷阱对漂移实验的影响。

10.    空间电荷的弛豫

考试要求

1. 理解掌握：热平衡态与非平衡态的区别；非平衡载流子的寿命及其意义；测量寿命的实验方法；准费米能级及其适用条件；准费米能级在能带图中不同位置的意义。

2. 理解掌握：载流子扩散流的表达形式；扩散系数、扩散长度及扩散速度的概念；稳态与非稳态；写出载流子一维稳定扩散分布方程，利用不同边界条件，可以求解载流子浓度分布；爱因斯坦关系的意义、公式及其推导。

3. 理解掌握：扩散长度和牵引长度及其意义对比；顺流扩散和逆流扩散过程；海恩斯-肖克莱实验原理；漂移迁移率；根据不同情况，正确写出载流子扩散与漂移的连续性方程及求解载流子浓度分布。

4. 理解掌握：考虑两种载流子的连续性方程；双极扩散系数和双极漂移迁移率的意义。

5. 理解掌握：丹倍效应和光磁效应的现象、机理及应用；光磁效应与霍尔效应的异同。

6. 理解掌握：表面复合对寿命的影响；表面复合速度；表面复合率及其与表面流密度的关系。

7. 理解掌握：复合机制，辐射跃迁、声子跃迁、俄歇跃迁以及激子复合过程的物理机制和特点；直接复合和间接复合过程；引起复合和产生过程的内部物理作用；直接辐射复合：复合率和复合系数，寿命及其影响机制；带间俄歇复合：复合率体现出涉及三个载流子的过程；产生率与载流子浓度的关系；俄歇复合的寿命及其影响机制。

8. 理解掌握：载流子通过复合中心复合与产生的四个过程；俘获系数与激发几率；肖克莱-瑞德公式；载流子浓度（费米能级位置）对寿命的影响；有效的复合中心的特点；温度对寿命的影响。

9. 理解掌握：杂质和缺陷在半导体中的主要作用；显著的陷阱效应的条件；陷阱对稳态光电导弛豫过程、载流子浓度及其寿命的影响机理；稳态时，陷阱能级与能带间载流子浓度的连续性方程。

10. 理解掌握：空间电荷的弛豫过程和介电弛豫时间，及与过剩载流子寿命的比较；空间电荷限制电流的机理。

（六）接触现象

考试内容

1.      同质和异质PN结势垒

功函数和接触电势差；pn结的接触势垒；空间电荷区及其中的电场和电势分布；异质结的能带图；异质结中电场和电势分布。

2.      金属和半导体接触

金属半导体接触；肖特基势垒-巴丁模型；表面态的性质。

3.      PN结电流

同质pn结的注入扩散电流；势垒区的产生复合电流。

4.      肖特基势垒电流

尖峰发射电流；电子热发射理论；肖特基势垒电流的扩散理论和综合理论；少子注入电流和产生复合电流。

5.      势垒电容和扩散电容

势垒电容；缓变结电容；扩散电容；势垒电容的测量；势垒电容的瞬变。

6.      隧道穿透势垒-隧道电流

隧道效应；隧道二极管；异质结中的隧道效应；欧姆接触。

7.      光生伏特效应

伏安特性；短路电流和开路电压；异质结光电池；太阳能电池；光电二极管。

8.      雪崩击穿和齐纳击穿

齐纳击穿；雪崩击穿。

考试要求

1. 理解掌握：功函数和接触电势差的概念及表达式；PN结的形成过程；平衡PN结及其能带图；空间电荷区（势垒区）的性质及各个物理量的分布；载流子浓度与接触电势差的关系；pn结中载流子分布；异质结及异质结能带图的特点；异质结中电场及电势分布的特点；导带带阶和价带带阶；耗尽层近似。

2. 理解掌握：电子亲和势的概念与表达公式；真空电子能级；金半接触对半导体表面层的影响；半导体表面空间电荷区的各个物理量的分布；不同条件金半接触的能带图；接触电势差和表面势的概念及表达形式；肖特基结的特点；肖特基结的整流特性；肖特基势垒-巴丁模型中，多电子系统的接触影响与分析；表面态对半导体表面层的影响机制。

3. 理解掌握：非平衡pn结，正、反向偏压下，载流子扩散与漂移运动分析；PN结势垒区的变化；非平衡pn结能带图；pn结的整流特性；pn结中载流子浓度及电流分布与电流转换特性，能够进行相关计算分析。

4. 理解掌握：肖特基势垒电流的特点，与pn结势垒电流的区别；相关电流的计算肖特基势垒的优势及在器件和测试中的应用。

5. 理解掌握：势垒区电容变化的物理机制；不同势垒区的电容随偏压变化特性；影响势垒区电容的主要因素；势垒电容的瞬变，用于深能级瞬态谱测量的机理。

6. 理解掌握：隧道效应；隧道pn结的特点；不同偏压条件下隧道结的能带图；隧道二极管的伏安特性分析；不同偏压条件下隧道结的状态密度分布；欧姆接触的特点；形成欧姆接触结的方法。

7. 理解掌握：光生伏特效应机理；光生电流与光生电动势；短路电流与开路电压；光电池的基本原理；光电池的伏安特性；光生伏特效应的基本应用。

8. 理解掌握：齐纳击穿和雪崩击穿的物理机理；温度对这两种击穿机制的影响。

（七）半导体表面电荷与MOS结构

考试内容

1.      半导体表面电荷层

表面感生电荷层；耗尽情形；反型情形；表面势和表面电荷层。

2.      MOS电容

理想MOS结构的C-V特性；实际MOS结构的C-V特性。

3.      界面态及其电容效应

界面态的电容效应；由低频C-V特性确定界面态；瞬变电容法测量界面态；界面态对C-V特性的影响；界面态的来源。

4.      场效应和表面电导

电导的场效应；表面电导和表面层电荷的关系；表面态的实验研究。

5.      表面复合

通过表面态的产生和复合；表面复合对pn结特性的影响；表面复合速度。

考试要求

1. 理解掌握：电场和表面态引起在半导体表面空间电荷区的形成过程；半导体表面空间电荷区中各项物理量的分布特点；半导体表面的载流子积累、耗尽和反型与表面势及外电场的对应关系，及对应的表面能带弯曲情况，表面层空间电荷的组成与特点；可以推导发生载流子反型和强反型的条件。

2. 理解掌握：理想MOS结构的条件；理想MOS结构的C-V特性基本规律，画图并解释；理想MOS结构不同状态下的电容表达式；实际MOS结构中，影响电容-电压特性的因。

3. 理解掌握：界面态的电容效应及界面态的测试方法；界面态对MOS结构C-V特性的影响机理。

4. 理解掌握：表面电导的概念；表面电导与半导体表面层电场及空间电荷密度的关系；利用表面电导的场效应研究表面态的方法。

5. 理解掌握：通过表面态的产生和复合特性，与表面势的关系及相关物理机理分析；可以具体分析不同偏压情形，表面复合对pn结特性的影响；半导体表面层通过表面态复合的表面复合速度及其特点。

（八）低维结构和超晶格

考试内容

1.      半导体中的尺寸量子化和低维电子气

方形量子阱；三角势阱及抛物型势阱；二维电子气；量子线、量子点、低维量子气。

2.      二维电子气的电荷输运

二维子带中的载流子、散射机制和散射率；调制掺杂异质结构和远程库仑势散射；表面粗糙散射和Si/SiO2界面沟道迁移率；合金散射。

3.      低维结构中垂直于界面的输运-共振隧穿

量子输运；双势垒结构中的共振隧穿；顺序共振隧穿过程。

4.      一维系统的电荷输运

介观输运；量子干涉效应和弱局域化；一维系统的弹道输运；介观相干量子输运。

5.      量子点的输运现象

库仑阻塞现象；Fano效应；Kondo效应。

6.      半导体超晶格和超晶格的输运

超晶格分类；超晶格能带；超晶格的应用。

7.      超晶格的输运

负微分电导；高场筹和顺序共振隧穿；布洛赫振荡和瓦尼尔-斯塔克量子化；超晶格的热导。

8.      异质结构的带阶

考试要求

1. 理解掌握：量子限域效应（尺寸量子化）概念；二维电子气及低维电子气概念；准二维子带概念及与分立能级的对应关系；量子阱、量子线、量子点结构特性；可以求解各种结构的单电子薛定谔方程，得到电子波函数和能量表达式，进而讨论在上述不同结构中，电子空间分布及能量分布的特点；可以推导上述各种结构的态密度表示式，掌握态密度的分布特点。

2. 理解掌握：二维电子气系统中，电子输运（速度）受相关散射机制的影响机理以及输运特性。

3. 理解掌握：量子输运概念；非弹性散射；相干涉时间；共振隧穿及共振隧穿机理；共振隧穿结构及载流子波函数特点；共振隧穿二极管伏安特性；顺序共振隧穿过程及对应结构。

4. 理解掌握：介观系统概念；介观系统中电子的特性；量子干涉现象在输运中的表现以及介观输运；弱局域化效应的特性及其物理机理；一维弹道输运特性、电导量子化；介观输运中的电导特性。

5. 理解掌握：量子点库仑阻塞、Fano效应和Kondo效应的特性和物理机理分析，及在器件等方面的应用。

6. 理解掌握：超晶格概念；超晶格分类；超晶格子能带的形成机理及波函数特点；超晶格电子状态特征参数；超晶格态密度分布；超晶格布里渊区特点。

7. 理解掌握：超晶格负微分电导物理机理；超晶格的顺序共振隧穿；布洛赫振荡；超晶格的热导现象及物理机理。

8. 理解掌握：异质结构的带阶的特点及其作用。

（九）半导体的光吸收

考试内容

1.      光的吸收和基本吸收边

直接跃迁和间接跃迁；吸收系数；直接禁带吸收边；间接禁带吸收边；Burstein移动。

2.      基本吸收与能带结构

范霍夫奇点；调制光谱。

3.      激子和激子吸收

直接激子；激子效应；间接激子。

4.      杂质吸收

电离杂质吸收；中性杂质吸收。

5.      自由载流子吸收

6.      晶格振动吸收

考试要求

1. 理解掌握：本征吸收（基本吸收）、激子吸收、杂质吸收、自由载流子吸收、晶格振动吸收，各种光吸收过程的物理机理、光吸收能量阈值、吸收谱特点，以及光吸收系数的特点和表达式；能利用光吸收过程分析和光吸收系数求解相关物理量。

2. 理解掌握：直接跃迁和间接跃迁物理过程分析；利用吸收边位置确定禁带宽度及其相关的参数；Burstein-Moss效应的物理机理。

3. 理解掌握：联合态密度及其物理意义；由光谱特性推断能带结构特点；外界作用下的光吸收机制及吸收谱特点；Franz-Keldysh效应。

4. 理解掌握：激子；直接激子和间接激子吸收的差别及吸收谱的差别；中性杂质吸收与电离杂质吸收在吸收能量阈值上的差别；浅能级和深能级杂质吸收光子能量的差别；自由载流子吸收的物理机理分析，及受散射作用的影响；晶格振动吸收的物理机理。

（十）半导体中的光发射

考试内容

1.      自发发射和受激发射

2.      发光光谱

半导体中的发光过程；带间复合发光；通过杂质的复合发光；施主-受主对的发光光谱；激子复合发光；激子分子和电子空穴滴发光。

3.      微结构和超晶格的光谱现象

量子阱和超晶格的带间光吸收；量子阱中增强的激子效应；量子阱载流子复合和激子发光；量子阱的低温荧光谱；量子约束斯塔克效应；受限激子吸收的非线性；两光子吸收和两光子激发谱。

4.      单光子发射

单个量子点中激子的光荧光谱；量子点的单光子发射。

考试要求

1. 理解掌握：自发发射和受激发射的物理机理和区别；热平衡时的爱因斯坦关系；粒子数反转分布。

2. 理解掌握：半导体中的各种发光机制，对应的发光谱的特点；发光峰与发光机制的分析。

3. 理解并可以分析相关物理机理，以及吸收谱和发光谱的特点：量子阱和超晶格的带间光吸收特点；量子阱中增强的激子效应；量子阱载流子复合和激子发光；量子阱的低温荧光谱；量子约束斯塔克效应；受限激子吸收的非线性；两光子吸收和两光子激发谱。

4. 理解掌握：单量子点激子荧光谱的发光机理及与结构参数影响相关的性质；单量子点的单光子发射机理；产生单光子发射的方法。

五、  主要参考书目

1．《半导体物理学》  叶良修 编著 高等教育出版社（第二版） 2007.10

2．《半导体物理学》  刘恩科、朱秉升、罗晋生 编著 电子工业出版社（第七版）2011.3

编制单位：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

编制日期：2020年9月