半导体基本知识
半导体基本知识
绪言
材料可以依导电能力分为导体、半导体和绝缘体。众所周知，绝缘体不能导电是因为它们的价电子在半导体内部自由地移动。实际上它们自由地四处移动，可是在绝缘体的内部有能阶被许多电子占据。设想一个电子毫无变化地与另一个电子互换位置，因为电子是没有分别的。有更高的能阶，但促进电子到这些能阶需要超过平常所需的的更多的能量。金属容易导电是因为介于导电带和价电带之间的能阶很接近或者可利用的能阶多过填满它们所需的电子，以致于几乎不需要能带寻找新的能量以便电子去占据它。
导电系数是来衡量材料电流流通的难易度。半导体的导电系数介于10-4< < 108 Ohms m，这只是大致的界定。材料的能带理论定性地解释了各种类型材料之间的差异。电子从低能带填充能阶，然而，有一些能阶由于材料中类似原子特性的波被局限。没有被局限的能阶趋向于形成带状轨道。在T=0K时，电子填通能带刚好填满至最上的能带称为价电带，价电带的电子不参与导电过程。价电带之上第一个未被电子填满的能带称为导电带。
金属中没有局限能隙，导电带和价电带交迭，自由电子参
与导电过程。绝缘体有远远大于电子本身热能的能隙存
在，而半导体的能隙只有大约1ev。由左图可以看出金属、
半导体和绝缘体的能带以不同的条件被隔开。
元素型半导体(Elemental semiconductor) 由单一元素
构成，如Ge和Si，原子被共价键聚集在一起，所以每个
原子与其最近的原子共用一个电子，形成很强的的键能。
化合物型半导体由两种或两种以上的元素构成，常见的有
GaAs和InP。由于这些半导体的第一个和第二个元素分别
属于元素周期表的Ⅲ族和Ⅴ族，所以称之为Ⅲ-Ⅴ族半导
体。
化合物型半导体(Compound semiconductor)中，由于
电负性的不同，共价键和离子键结合。当掺杂微量的第三
种元素时构成三元半导体，如AlxGa1-xAs。下方的x表示
材料合成的数量。加入的材料的比例是多少就有多少比率
的合成材料被替换。半导体的掺杂可以延伸至四元材料，如Ga x In(1-x)As y P(1-y)、GaInNAs和等四元材料，如GaInNAsSb.同样，下方的数字表示混合元素的比例。如此，可以利用此方法选择能隙和晶格以便应用。
本质半导体(Intrinsic semiconductor)是纯由半导体材料构成，这种材料结构未加入任何杂质。元素型半导体和化合物型半导体可以作为本质半导体。室温下，电子的热能允许小部分的电子可以参与导电过程。不同于金属的是，半导体材料的电阻随温度的升高而降低。即随着温度的升高，价电子的热能变大，使其中的一部分突破能隙到达导电带。当一个电子获得足够的能量逃离原子核的静电吸引。电子逃离后留下的空位会被另一个电子填充，这个空位的制造过程可以看作第二种正电荷的载体，称之为电洞。当电子在半导体内移动时，电洞则往另一个方向移动。如果有n个自由电子在本质半导体内，那么必有n 个电洞存在。以这种方式形成的电洞和电子被认为是其内部的本身的电荷载体。电荷载子
的密度限制了单位体积内电荷载子的数量。这种关系可表示为n=p（n、p分别为单位体积内电子和空穴的数量）。两种不同的半导体材料间存在能隙间的变化即表示在指定的温度，本质载体的密集度也在发生变化。
非本质半导体（Extrinsic semiconductor）结构可通过掺杂来形成，即加入杂质原子到半导体晶体中。举个最简单的例子，如Si,由于其属于元素周期表的Ⅳ族，每个硅原子有四个价电子。在晶体结构中，每一个硅原子与邻近的硅原子共用一个电子。处于这种状态的是本质半导体。B、Al、In、Ga都是价电带有三个电子，当占小部分比例的电子（小于1/106）与晶体结合时，搀杂物的原子不足以与周围的硅原子形成稳定的共价键。其中一个硅原子会出现一个空缺电子的空位，形成一个电洞，可以在任何温度都可以形成导通的效果。这种以带正电的电洞为电荷载子的非本质半导体称为P型半导体。属于元素周期表第Ⅴ族的As、P、Sb的价电带有一个多余的电子。当在硅中渗入此类元素时，掺杂的原子贡献出一个多余的电子。利用搀杂物渗入引出多余电子来导电的半导体材料称之为n型半导体。
化合物半导体的掺杂比较细微令人费解。掺杂的结果取决于掺杂的原子（微粒）在晶格中占据的位置。在Ⅲ-Ⅴ族半导体中，Ⅱ族原子取代Ⅲ族原子的位置，相当于受体（Accepter）。而Ⅵ的掺杂原子取代Ⅴ族原子的位置，相当于供体（Donor）.Ⅳ族原子既可成为受体又可成为供体，主要看它是取代Ⅲ族原子还是Ⅴ族原子的位置，这样的杂质称为两性杂质。
Intrinsic p-type n-type
上图举例说明了本质半导体、p型及n型半导体的价电子壳层。
通常我们对靠近导电带和价电带最低的位置发
生的变化比较感兴趣。既然如此，我们有必要将能带
结构的能量表示为一个状态函数，波矢量设为k=0。
在这个能带中，供体和受体在能隙区域内形成能阶，
所以没有导通。当温度不为0时，这些位置会被热离
子化，在能带中释放出载体因而导通。
浅能带杂质称为氢基杂质。对于供体原子来说电
子绕晶格结点轨道运行，而对受体型的原子，电洞带
正电荷绕晶格结点轨道运行。由于有效质量较小且载
体的轨道半径大于氢原子的能量。
（1）
在室温下，粗略估计离子化的温度是。开始温度低时，供体和
受体的激发可能是载体的唯一来源，在此范围内，传导率是外在非本质的。按这一规则，掺杂决定了半导体是n型还是p型。在足够高的温度时，自价电带直接热激发交换非本质的浓度。在那里，电子和电洞的数量相同。但n型和p型的传导性有着本质的不同。
能带结构和有效质量
能带结构是对半导体基本的描述，也就是能量E随波矢量k的变化。最重要的能带是：价电带（Valence band）：T=0K时最后填满的能阶
导电带(Conduction band)：T=0K时最先填满的能阶
价电带最大是在k=0时，称为灰阶点(Gamma point)。在k=0导电带最小也发生时，半导体称为直接能带(Direct band)半导体。在非零点k=0时，半导体称为间接能带(Indirect band)半导体。除了这两种主要导电能带之外，其他能带也会出现。Ⅲ-Ⅴ族半导体中，在k=0时Ge和Si有三个价电带。它们分别是轻电洞型(Light hole)、重电洞型(Heavy hole)和旋转轨道分裂型(Spin orbit split-off)能带。
半导体材料中的能带，可利用接近能带边缘的k抛物线函数近似表示：
导电带：（2）
价电带：（3）
对有效质量的表示发现于波包的动态特性，用以表述局限性的微粒。波包是一个载波贯穿其中的调制包，它由频率分布ω大约的中心值ω0构成。波包以群速率v g移动：
（4）
如果施加一电场E f,那么波包在时间dt内移动一段距离dx，则波包的能量变化：
（5）
此变化符合k的中习值k0的变化dk；可表示：
（6）
将之转换成时间导数：
（7）
而, 则（8）
可由（9）算出加速度方程式：
（10）
用第一主要的结果替换：
（11）
比较这些格式可看出：
（12）
电洞的动态特性非常地复杂，有必要考虑在另外的填满价电带的未填满情形。结果就是空穴团如同带正电的微粒，可表示为：
（13）
费米能阶和本质半导体
电子是费米粒子，那么注意看Fermi-Dirac分布函数：
（14）
这里的μ在半导体物理学中是指费米能阶，通常用Ef表示或化学电位（Chemical potential）,是指电子在其中占有机率为百分之五十的能阶。
为了运用统计，需要导电带和价电带的态密度。由基本原理可知在k-space保持不变。那么导电带的态密度可表示为：
（15）价电带态密度可表示为：
（16）E从价电带顶端测得：
（17）导电带的电子密度：
（18）
在价电带，电洞的概率为：
（19）
近似为：
（20）
近似计算电洞密度：
（21）
给出载子的密度计算费米能阶，对激光增益的计算有用处。但由于过程不可逆反的，没有分析方法去完成。然而许多近似值还是可以用公式表示的。
μ的值取决于N a和N d.，而μ可以在（18）和（20）之间消除，得到一个重要的关系：
（22）
Nc和Nv的关系是（18）和（21）中的前因子：
（23）
依上（22）所述，保持所有T、Na和Nd值的独立，在内在区域非本质半导体浓度可以忽略，则每个电子激发到导电带后留下一个电洞，那么n=p。因此在本质区域
（24）
如果从（18）和（21）替换n和p的值到（24）中：
（25）
这就给出在本质区域的μ值，简化后导出：
（26）
简而言之，μ被温度相关项从能隙中替代，其中温度相关项取决于有效质量的比率。
费米能阶和非本质半导体
当供体和受体都存在时，μ随温度发生了什么？中性电荷条件控制了载子的数量：
（27）
这里N a-和N d+分加是离子化的受体和供体晶格结点的数量为。被电离的晶格结点数量为：
（28）
近似论证得出：（29）
（27）式中的四项分别由（18）、（19）、（21）和（28）中的μ项代替，那么实际上μ可以由（19）式决定。一般的情况可以用数字来处理。
我们考虑n型掺杂但有一些反掺杂的现象：
且（30）
当T=0时，N a电子离开供体晶格结点占据受体晶格结点，从而，
（31）
部分供体晶格结点被占据。如果费米能阶是在供体晶格结点能量，且在T=0时，这才有可能：
（32）
这不会因非常低的温度而变化，,则置换μ值到（18）中，得出：
对于，有（33）
可明确看到（29）式是低温结果。对一p型掺杂，这个结果对应（33）式：
对于，有（34）
n型材料最主要技术领域是温度范围，在温度范围内，所有的供体被电离。非本质电子浓度高于本质电子浓度，全部电离则表示：
（35）
由于电子需要占据受体晶格结点，那么对比（24）和（7）式，得出：
（36）
p型掺杂的相应结果为：
（37）
（38）
注意在这一技术领域，如果反向掺杂忽略不计，或，（35）和（37）简化得到：
（39）
（40）
以上就是工程师所要了解的。
半导体器件工艺基础知识
半导体基础知识和半导体器件工艺 第一章半导体基础知识 通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类为导体，它可以很好的传导电流，如：金属类，铜、银、铝、金等；电解液类：NaCl水溶液，血液，普通水等以及其它一些物体。第二类为绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类为半导体，其导电能力介于导体和绝缘体之间，如四族元素Ge锗、Si硅等，三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。 物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义为长1厘米、截面积为1平方厘米的物质的电阻值，单位为欧姆*厘米。电阻率越小说明该物质的导电性能越好。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。 半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是由于半导体具有以下的特殊性质： (1) 温度的变化能显著的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如Si在200℃时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏组件（如热敏电阻等），但是由于半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身产生的热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。 (2) 半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照后导电能力可提高几十到几百倍，利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。 (3) 在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其它元素（这个过程我们称为掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特征。例如在原子密度为5*1022/cm3的硅中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例为10-7（即千万分之一），硅的导电能力提高了几十万倍。 物质是由原子构成的，而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小，带负电，在一定的轨道上运转；原子核带正电，电荷量与电子的总电荷量相同，两者相互吸引。当原子的外层电子缺少后，整个原子呈现正电，缺少电子的地方产生一个空位，带正电，成为电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。 前面提到掺杂其它元素能改变半导体的导电能力，而参与导电的又分为电子和电洞，这样掺杂的元素（即杂质）可分为两种：施主杂质与受主杂质。 将施主杂质加到硅半导体中后，他与邻近的4个硅原子作用，产生许多自由电子参与导电，而杂质本身失去电子形成正离子，但不是电洞，不能接受电子。这时的半导体叫N型半导体。施主杂质主要为五族元素：锑、磷、砷等。 将施主杂质加到半导体中后，他与邻近的4个硅原子作用，产生许多电洞参与导电，这时的半导体叫p型半导体。受主杂质主要为三族元素：铝、镓、铟、硼等。 电洞和电子都是载子，在相同大小的电场作用下，电子导电的速度比电洞
半导体基础知识
半导体基础知识（详细篇） 2.1.1概念 根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 1. 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等 2. 绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等 3. 半导体：半导体是导电性能介于导体和半导体之间的物体。在一定条件下可 导电。 半导体的电阻率为10-3?109 cm 典型的半导体有硅 Si 和锗Ge 以 及砷化傢GaAs 等。 半导体特点： 1） 在外界能源的作用下，导电性能显著变化。光敏元件、热敏元件属于此 类。 2） 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。二极管、三极管属于此 类。 2.1.2本征半导体 1. 本征半导体一一化学成分纯净的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度 要达到99.9999999%常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。电子 技术中用的最多的是硅和锗。 硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。其简化原子结构模型如下 图： 外层电子受原子核的束缚力最 小， 成为价电子。物质的性质是由价 电子决 定的。 2. 本征半导体的共价键结构 本征晶体中各原子之间靠得很近， 相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子 的价电子形成共价键。 外层电子受原子核的束缚力最小, 的。 使原分属于各原子的四个价电子同时受到 共价键中的价电
3.共价键 共价键上的两个电子是由相邻原子各用 一个电子组成的，这两个电子被成为束缚电子。 束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足 够的能量，不易脱离轨道。因此，在绝对温度 T=0° K （-273° C ）时，由于共价键中的电子 被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导 电。只有在激发下，本征半导体才能导电 4. 电子与空穴 当导体处于热力学温度0°K 时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到 光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电, 成为自由电子。这一现象称为本征激发，也称热激发。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位， 原子的电中 性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性 的这个空位为空穴。 电子与空穴的复合 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的， 称为电子空穴对。 游离的部分自由电子也可能回到空穴中去， 称为复合，如图所示。本征激发和复 合在一定温并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如下图所 硅晶体的空间排列与共价键结构平面示意图 空A * 电 子为这些原子所共有,
半导体物理学基础知识_图文(精)
1半导体中的电子状态 1.2半导体中电子状态和能带 1.3半导体中电子的运动有效质量 1半导体中E与K的关系 2半导体中电子的平均速度 3半导体中电子的加速度 1.4半导体的导电机构空穴 1硅和锗的导带结构 对于硅，由公式讨论后可得： I.磁感应沿【1 1 1】方向，当改变B（磁感应强度）时，只能观察到一个吸收峰 II.磁感应沿【1 1 0】方向，有两个吸收峰 III.磁感应沿【1 0 0】方向，有两个吸收峰 IV磁感应沿任意方向时，有三个吸收峰 2硅和锗的价带结构 重空穴比轻空穴有较强的各向异性。 2半导体中杂质和缺陷能级 缺陷分为点缺陷，线缺陷，面缺陷(层错等 1.替位式杂质间隙式杂质
2.施主杂质：能级为E(D,被施主杂质束缚的电子的能量状态比导带底E(C低ΔE(D,施主能级位于离导带底近的禁带中。 3. 受主杂质：能级为E(A,被受主杂质束缚的电子的能量状态比价带E(V高ΔE(A,受主能级位于离价带顶近的禁带中。 4.杂质的补偿作用 5.深能级杂质： ⑴非3，5族杂质在硅，锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，离价带顶也较远，称为深能级。 ⑵这些深能级杂质能产生多次电离。 6.点缺陷：弗仑克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现。 肖特基缺陷：只在晶体内部形成空位而无间隙原子。 空位表现出受主作用，间隙原子表现出施主作用。 3半导体中载流子的分布统计 电子从价带跃迁到导带，称为本征激发。 一、状态密度 状态密度g(E是在能带中能量E附近每单位间隔内的量子态数。 首先要知道量子态，每个量子态智能容纳一个电子。 导带底附近单位能量间隔内的量子态数目，随电子的能量按抛物线关系增大，即电子能量越高，状态密度越大。 二、费米能级和载流子的统计分布
(整理)半导体基础知识.
1.1 半导体基础知识概念归纳 本征半导体定义：纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 电流形成过程：自由电子在外电场的作用下产生定向移动形成电流。 绝缘体原子结构：最外层电子受原子核束缚力很强，很难成为自由电子。 绝缘体导电性：极差。如惰性气体和橡胶。 半导体原子结构：半导体材料为四价元素，它们的最外层电子既不像导体那么容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧。 半导体导电性能：介于半导体与绝缘体之间。 半导体的特点： ★在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。 ★在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。 晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。 共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。 自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。 空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。 电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。 空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。 本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。 载流子：运载电荷的粒子称为载流子。 导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。 本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。 本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。 复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，
半导体基本知识
一、半导体基本知识 太阳电池是用半导体材料硅做成的。容易导电的是导体，不易导电的是绝缘体，即不像导体那样容易导电又不像绝缘体那样不容易导电的物体叫半导体，譬如：锗、硅、砷化缘等。 世界上的物体都是由原子构成的，从原子排列的形式来看，可以把物体分成2大类，晶体和非晶体。晶体通常都有特殊的外形，它内部的原子按照一定的规律整齐地排列着；非晶体内部原子排列乱七八糟，没有规则；大多数半导体都是晶体。半导体材料硅是原子共价晶体，在晶体中，相邻原子之间是以共用电子结合起来的。硅是第四族元素，硅原子的电子层结构为2、8、4，它的最外层的四个电子是价电子。因此每个硅原子又分别与相邻的四个原子形成四个共价键，每个共价键都是相邻的两个原子分别提供一个价电子所组成的。 如果硅晶体纯度很高，不含别的杂质元素，而且晶体结构很完美，没有缺陷，这种半导体叫本征半导体，而且是单晶体。而多晶体是由许多小晶粒聚合起来组成的，每一晶体又由许多原子构成。原子在每一晶粒中作有规则的整齐排列，各个晶粒中原子的排列方式都是相同的。但在一块晶体中，各个晶粒的取向（方向）彼此不同，晶粒与晶粒之间并没有按照一定的规则排列，所以总的来看，原子的排列是杂乱无章的，这样的晶体，我们叫它多晶体。 半导体有很特别的性质：导电能力在不同的情况下会有非常大的差别。光照、温度变化、适当掺杂都会使半导体的导电能力显著增强，尤其利用掺杂的方法可以制造出五花八门的半导体器件。但掺杂是有选择的，只有加入一定种类和数量的杂质才能符合我们的要求。 我们重点看一下硼和磷这两种杂质元素。硼是第三族主族元素，硼原子的电子层结构为2、3，由于硼原子的最外电子层只有三个电子，比硅原子缺少一个最外层电子，因此当硼原子的三个最外层价电子与周围最邻近的三个硅原子的价电子结合成共价键时，在与第四个最邻近的硅原子方向留下一个空位。这个空位叫空穴，它可以接受从邻近硅原子上跳来的电子，形成电子的流动，参与导电。硼原子在硅晶体中起着接受电子的作用，所以叫硼原子为受主型杂质。掺有受主型杂质的半导体，其导电率主要是由空穴决定的，这种半导体又叫空穴型或P型半导体。 磷是周期表中第五族元素，磷原子的电子层结构为2、8、5，它的最外层的五个电子是价电子。由于磷原子比硅原子多一个最外层电子，因此当磷原子的四个价电子与周围最邻近的四个硅原子的价电子形成共价键后，还剩余一个价电子。这个价电子很容易成为晶体中的自由电子参与导电。磷原子在硅晶体中起施放电子的作用，所以叫磷原子为施主型杂质。掺有施主型杂质的半导体，其导电率主要是由电子决定的，这种半导体又叫电子型半导体或n型半导体。 二、扩散基本知识 我们知道，太阳能电池的心脏是一个PN结。我们需要强调指出，PN结是不能简单地用两
半导体物理知识点总结
半导体物理知识点总结 本章主要讨论半导体中电子的运动状态。主要介绍了半导体的几种常见晶体结构，半导体中能带的形成，半导体中电子的状态和能带特点，在讲解半导体中电子的运动时，引入了有效质量的概念。阐述本征半导体的导电机构，引入了空穴散射的概念。最后，介绍了Si、Ge和GaAs的能带结构。 在1.1节，半导体的几种常见晶体结构及结合性质。（重点掌握）在1.2节，为了深入理解能带的形成，介绍了电子的共有化运动。介绍半导体中电子的状态和能带特点，并对导体、半导体和绝缘体的能带进行比较，在此基础上引入本征激发的概念。（重点掌握）在1.3节，引入有效质量的概念。讨论半导体中电子的平均速度和加速度。（重点掌握）在1.4节，阐述本征半导体的导电机构，由此引入了空穴散射的概念，得到空穴的特点。（重点掌握）在1.5节，介绍回旋共振测试有效质量的原理和方法。（理解即可）在1.6节，介绍Si、Ge的能带结构。（掌握能带结构特征）在1.7节，介绍Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带结构，主要了解GaAs的能带结构。（掌握能带结构特征）本章重难点： 重点： 1、半导体硅、锗的晶体结构（金刚石型结构）及其特点； 三五族化合物半导体的闪锌矿型结构及其特点。 2、熟悉晶体中电子、孤立原子的电子、自由电子的运动有何不同：孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中运动，自由电子是在恒定为零的势场中运动，而晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动（共有化运动），单电子近似认为，晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格周期相同。 3、晶体中电子的共有化运动导致分立的能级发生劈裂，是形成半导体能带的原因，半导体能带的特点： ①存在轨道杂化，失去能级与能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带，上能带称为导带，下能带称为价带②低温下，价带填满电子，导带全空，高温下价带中的一部分电子跃迁到导带，使晶体呈现弱导电性。
(完整版)半导体物理知识点及重点习题总结
基本概念题： 第一章半导体电子状态 1.1 半导体 通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料，其导带在绝对零度时全空，价带全满，禁带宽度较绝缘体的小许多。 1.2能带 晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。 1.2能带论是半导体物理的理论基础，试简要说明能带论所采用的理论方法。 答： 能带论在以下两个重要近似基础上，给出晶体的势场分布，进而给出电子的薛定鄂方程。通过该方程和周期性边界条件最终给出E-k关系，从而系统地建立起该理论。 单电子近似： 将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑，这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。 绝热近似： 近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换，而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。 1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法 答案： 克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型，如下图所示 利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式，进而确定波函数并给出E-k关系。由此得到的能量分布在k空间上是周期函数，而且某些能量区间能级是准连续的（被称为允带），另一些区间没有电子能级（被称为禁带）。从而利用量子力学的方法解释了能带现象，因此该模型具有重要的物理意义。 1.2导带与价带 1.3有效质量 有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。它概括了周期性势场对载流子运动的影响，从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。其大小由晶体自身的E-k
半导体基础知识学习
我们知道，电子电路是由晶体管组成，而晶体管是由半导体制成的。所以我们在学习电子电路之前， 一定要了解半导体的一些基本知识。 这一章我们主要学习二极管和三极管的一些基本知识，它是本课程的基础，我们要掌握好在学习时我们把它的内容分为三节，它们分别是： 1、1 半导体的基础知识 1、2 PN结 1、3 半导体三极管 1、1 半导体的基础知识 我们这一章要了解的概念有：本征半导体、P型半导体、N型半导体及它们各自的特征。一:本征半导体 纯净晶体结构的半导体我们称之为本征半导体。常用的半导体材料有：硅和锗。它们都是四价元素，原子结构的最外层轨道上有四个价电子，当把硅或锗制成晶体时，它们是靠共价键的作用而紧密联系在一起。 共价键中的一些价电子由于热运动获得一些能量，从而摆脱共价键的约束成为自由电子，同时在共价键上留下空位，我们称这些空位为空穴，它带正电。我们用晶体结构示意图来描述一下；如图（1）所示：图中的虚线代表共价键。 在外电场作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流； 同时价电子也按一定的方向一次填补空穴，从而使空穴产生定向移动，形成空穴电流。 因此，在晶体中存在两种载流子，即带负电自由电子和带正电空穴，它们是成对出现的。二：杂质半导体 在本征半导体中两种载流子的浓度很低，因此导电性很差。我们向晶体中有控制的掺入特定的杂质来改变它的导电性，这种半导体被称为杂质半导体。 1.N型半导体 在本征半导体中，掺入5价元素，使晶体中某些原子被杂质原子所代替，因为杂质原子最外层有5各价电子，它与周围原子形成共价键后，还多余一个自由电子，因此使其中的空穴的浓度远小于自由电子的浓度。但是，电子的浓度与空穴的浓度的乘积是一个常数，与掺杂无关。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 2.P型半导体 在本征半导体中，掺入3价元素，晶体中的某些原子被杂质原子代替，但是杂质原子的最外层只有3个价电子，它与周围的原子形成共价键后，还多余一个空穴，因此使其中的空穴浓度远大于自由电子的浓度。在P型半导体中，自由电子是少数载流子，空穴使多数载流子。 1、2 P—N结
半导体物理知识点梳理
半导体物理考点归纳 一· 1.金刚石 1) 结构特点： a. 由同类原子组成的复式晶格。其复式晶格是由两个面心立方的子晶格彼此沿其空间对角线位移1/4的长度形成 b. 属面心晶系，具立方对称性，共价键结合四面体。 c. 配位数为4，较低，较稳定。(配位数：最近邻原子数) d. 一个晶体学晶胞内有4+8*1/8+6*1/2=8个原子。 2) 代表性半导体：IV 族的C ，Si ，Ge 等元素半导体大多属于这种结构。 2.闪锌矿 1) 结构特点： a. 共价性占优势，立方对称性； b. 晶胞结构类似于金刚石结构，但为双原子复式晶格； c. 属共价键晶体，但有不同的离子性。 2) 代表性半导体：GaAs 等三五族元素化合物均属于此种结构。 3.电子共有化运动： 原子结合为晶体时，轨道交叠。外层轨道交叠程度较大，电子可从一个原子运动到另一原子中，因而电子可在整个晶体中运动，称为电子的共有化运动。 4.布洛赫波： 晶体中电子运动的基本方程为： ，K 为波矢，uk(x)为一个与晶格同周期的周期性函数， 5.布里渊区： 禁带出现在k=n/2a 处，即在布里渊区边界上； 允带出现在以下几个区： 第一布里渊区:－1/2a 第一章半导体基础知识 〖本章主要内容〗 本章重点讲述半导体器件的结构原理、外特性、主要参数及其物理意义，工作状态或工作区的分析。 首先介绍构成PN结的半导体材料、PN结的形成及其特点。其后介绍二极管、稳压管的伏安特性、电路模型和主要参数以及应用举例。然后介绍两种三极管（BJT和FET）的结构原理、伏安特性、主要参数以及工作区的判断分析方法。〖本章学时分配〗 本章分为4讲，每讲2学时。 第一讲常用半导体器件 一、主要内容 1、半导体及其导电性能 根据物体的导电能力的不同，电工材料可分为三类：导体、半导体和绝缘体。半导体可以定义为导电性能介于导体和绝缘体之间的电工材料，半导体的电阻率为10-3～10-9 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化；往纯净的半导体中掺入某些特定的杂质元素时，会使它的导电能力具有可控性；这些特殊的性质决定了半导体可以制成各种器件。 2、本征半导体的结构及其导电性能 本征半导体是纯净的、没有结构缺陷的半导体单晶。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”，它在物理结构上为共价键、呈单晶体形态。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。 3、半导体的本征激发与复合现象 当导体处于热力学温度0 K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚而参与导电，成为自由电子。这一现象称为本征激发（也称热激发）。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。 游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合。 在一定温度下本征激发和复合会达到动态平衡，此时，载流子浓度一定，且自由电子数和空穴数相等。 4、半导体的导电机理 自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴电流，因此，在半导体中有自由电子和空穴两种承载电流的粒子（即载流子），这是半导体的特殊性质。空穴导电的实质是:相邻原子中的价电子（共价键中的束缚电子）依次填补空穴而形成电流。由于电子带负电，而电子的运动与空穴的运动方向相反，因此认为空穴带正电。 半导体物理知识整理 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 基础知识 1.导体,绝缘体和半导体的能带结构有什么不同?并以此说明半导体的导电机理（两种载流子参与导电）与金属有何不同？ 导体：能带中一定有不满带 半导体：T=0K，能带中只有满带和空带；T>0K,能带中有不满带 禁带宽度较小，一般小于2eV 绝缘体：能带中只有满带和空带 禁带宽度较大，一般大于2eV 在外场的作用下，满带电子不导电，不满带电子可以导电 总有不满带的晶体就是导体，总是没有不满带的晶体就是绝缘体 半导体不时最容易导电的物质，而是导电性最容易发生改变的物质，用很方便的方法，就可以显著调节半导体的导电特性 金属中的电子，只能在导带上传输，而半导体中的载流子：电子和空穴，却能在两个通道：价带和导带上分别传输信息 2.什么是空穴?它有哪些基本特征?以硅为例，对照能带结构和价键结构图理解空穴概念。 当满带附近有空状态k’时，整个能带中的电流，以及电流在外场作用下的变化，完全如同存在一个带正电荷e和具有正有效质量|m n* | 、速度为v(k’)的粒子的情况一样，这样假想的粒子称为空穴 3.半导体材料的一般特性。 电阻率介于导体与绝缘体之间 对温度、光照、电场、磁场、湿度等敏感（温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降；适当波长的光照可以改变半导体的导电能力） 性质与掺杂密切相关（微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力） 4.费米统计分布与玻耳兹曼统计分布的主要差别是什么？什么情况下费米分布函数可以转化为玻耳兹曼函数。为什么通常情况下，半导体中载流子分布都可以 半导体物理答案 一、选择 1.与半导体相比较，绝缘体的价带电子激发到导带所需的能量（比半导体的大）； 2.室温下，半导体Si 掺硼的浓度为1014cm -3，同时掺有浓度为1.1×1015cm -3的磷，则电子 浓度约为（1015cm -3 ），空穴浓度为（2.25×105cm -3 ），费米能级为（高于E i ）；将该半导 体由室温度升至570K ，则多子浓度约为（2×1017cm -3），少子浓度为（2×1017cm -3），费米 能级为（等于E i ）。 3.施主杂质电离后向半导体提供（电子），受主杂质电离后向半导体提供（空穴），本征 激发后向半导体提供（空穴、电子）； 4.对于一定的n 型半导体材料，温度一定时，减少掺杂浓度，将导致（E F ）靠近E i ； 5.表面态中性能级位于费米能级以上时，该表面态为（施主态）； 6.当施主能级E D 与费米能级E F 相等时，电离施主的浓度为施主浓度的（1/3）倍； 重空穴是指（价带顶附近曲率较小的等能面上的空穴） 7.硅的晶格结构和能带结构分别是（金刚石型和间接禁带型） 8.电子在晶体中的共有化运动指的是电子在晶体（各元胞对应点出现的几率相同）。 9.本征半导体是指（不含杂质与缺陷）的半导体。 10.简并半导体是指（(E C -E F )或(E F -E V )≤0）的半导体 11.3个硅样品的掺杂情况如下： 甲．含镓1×1017cm -3；乙.含硼和磷各1×1017cm -3；丙.含铝1×1015cm -3 这三种样品在室温下的费米能级由低到高（以E V 为基准）的顺序是(甲丙乙) 12.以长声学波为主要散射机构时，电子的迁移率μn 与温度的（B 3/2次方成反比） 13.公式*/q m μτ=中的τ是载流子的（平均自由时间）。 14.欧姆接触是指（阻值较小并且有对称而线性的伏－安特性）的金属－半导体接触。 15.在MIS 结构的金属栅极和半导体上加一变化的电压，在栅极电压由负值增加到足够大 的正值的的过程中，如半导体为P 型，则在半导体的接触面上依次出现的状态为（多数载 流子堆积状态，多数载流子耗尽状态，少数载流子反型状态）。 16.在硅和锗的能带结构中，在布里渊中心存在两个极大值重合的价带，外面的能带（曲 率小），对应的有效质量（大），称该能带中的空穴为(重空穴E )。 17.如果杂质既有施主的作用又有受主的作用，则这种杂质称为（两性杂质）。 18.在通常情况下，GaN 呈（纤锌矿型 ）型结构，具有（六方对称性），它是（直接带 隙）半导体材料。 19.同一种施主杂质掺入甲、乙两种半导体，如果甲的相对介电常数εr 是乙的3/4， m n */m 0值是乙的2倍，那么用类氢模型计算结果是（甲的施主杂质电离能是乙的32/9，的 弱束缚电子基态轨道半径为乙的3/8 ）。 20.一块半导体寿命τ=15μs，光照在材料中会产生非平衡载流子，光照突然停止30μs 后，其中非平衡载流子将衰减到原来的（1/e 2）。 21.对于同时存在一种施主杂质和一种受主杂质的均匀掺杂的非简并半导体，在温度足够 高、n i >> /N D -N A / 时，半导体具有 （本征） 半导体的导电特性。 22.在纯的半导体硅中掺入硼，在一定的温度下，当掺入的浓度增加时，费米能级向 （Ev ）移动；当掺杂浓度一定时，温度从室温逐步增加，费米能级向( Ei )移动。 23.把磷化镓在氮气氛中退火，会有氮取代部分的磷，这会在磷化镓中出现（产生等电子 陷阱）。 24.对于大注入下的直接复合，非平衡载流子的寿命不再是个常数，它与（非平衡载流子 浓度成反比）。 9金属半导体与半导体异质结 一、肖特基势垒二极管 欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。接触电阻很低。 金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。之间形成势垒为肖特基势垒。 在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。 影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。附图： 电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。 肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。2.开关特性肖特基二极管更好。应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。 二、金属-半导体的欧姆接触 附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图 三、异质结：两种不同的半导体形成一个结 小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。 2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。 10双极型晶体管 双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。 一、工作原理 附npn型和pnp型的结构图 发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低 半导体基础知识和半导 体器件工艺 Standardization of sany group #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN# 半导体基础知识和半导体器件工艺 第一章半导体基础知识 通常物质根据其导电性能不同可分成三类。第一类爲导体，它可以很好的传导电流，如：金属类，铜、银、铝、金等；电解液类：NaCl水溶液，血液，普通水等以及其他一些物体。第二类爲绝缘体，电流不能通过，如橡胶、玻璃、陶瓷、木板等。第三类爲半导体，其导电能力介於导体和绝缘体之间，如四族元素Ge锗、Si矽等，三、五族元素的化合物GaAs砷化镓等，二、六族元素的化合物氧化物、硫化物等。 物体的导电能力可以用电阻率来表示。电阻率定义爲长1厘米、截面积爲1平方厘米的物质的电阻值，单位爲欧姆*厘米。电阻率越小说明该物质的导电性能越好。通常导体的电阻率在10-4欧姆*厘米以下，绝缘体的电阻率在109欧姆*厘米以上。 半导体的性质既不象一般的导体，也不同于普通的绝缘体，同时也不仅仅由於它的导电能力介於导体和绝缘体之间，而是由於半导体具有以下的特殊性质： (1) 温度的变化能显着的改变半导体的导电能力。当温度升高时，电阻率会降低。比如Si在200℃时电阻率比室温时的电阻率低几千倍。可以利用半导体的这个特性制成自动控制用的热敏元件（如热敏电阻等），但是由於半导体的这一特性，容易引起热不稳定性，在制作半导体器件时需要考虑器件自身産生的 热量，需要考虑器件使用环境的温度等，考虑如何散热，否则将导致器件失效、报废。 (2) 半导体在受到外界光照的作用是导电能力大大提高。如硫化镉受到光照後导电能力可提高几十到几百倍，利用这一特点，可制成光敏三极管、光敏电阻等。 (3) 在纯净的半导体中加入微量（千万分之一）的其他元素（这个过程我们称爲掺杂），可使他的导电能力提高百万倍。这是半导体的最初的特徵。例如在原子密度爲5*1022/cm3的矽中掺进大约5X1015/cm3磷原子，比例爲10-7（即千万分之一），矽的导电能力提高了几十万倍。 物质是由原子构成的，而原子是由原子核和围绕它运动的电子组成的。电子很轻、很小，带负电，在一定的轨道上运转；原子核带正电，电荷量与电子的总电荷量相同，两者相互吸引。当原子的外层电子缺少後，整个原子呈现正电，缺少电子的地方産生一个空位，带正电，成爲电洞。物体导电通常是由电子和电洞导电。 前面提到掺杂其他元素能改变半导体的导电能力，而参与导电的又分爲电子和电洞，这样掺杂的元素（即杂质）可分爲两种：施主杂质与受主杂质。 将施主杂质加到矽半导体中後，他与邻近的4个矽原子作用，産生许多自由电子参与导电，而杂质本身失去电子形成正离子，但不是电洞，不能接受电子。这时的半导体叫N型半导体。施主杂质主要爲五族元素：锑、磷、砷等。 将施主杂质加到半导体中後，他与邻近的4个矽原子作用，産生许多电洞参与导电，这时的半导体叫p型半导体。受主杂质主要爲三族元素：铝、镓、铟、硼等。 半导体的基础知识 半导体器件是现代电子技术的重要组成部分，是由半导体材料制造而成的。为了能够更好的了解半导体器件的性能，有必要先了解一些半导体材料的基本性质。 1.物质的分类 自然界有很多不同种类的物质。这些物质按照导电性强弱来分类，大致可以分为三类：导体、半导体和绝缘体。导体是很容易导电的物质，例如铜和铝等等；绝缘体是几乎不能导电的物质，比如塑料、橡胶、玻璃等；而半导体的导电能力是介于导体和绝缘体之间的这样一类物质。常用的半导体材料有硅、锗等。其中，硅是目前最常用的一种半导体材料。 2.半导体导电的特性 半导体除了在导电能力方面与导体和绝缘体不同以外，它还具有不同于其他物质的特点。例如：当半导体受到外界光和热的刺激时，其导电能力将发生显著的变化；在纯净的半导体中加入某种特定的微量杂质，其导电能力也会有显著的增加。 这些特点说明，半导体导电的机制一定和导体、绝缘体不同。为了更好的理解这些特点，就必须了解半导体的结构。 3.半导体的内部结构 在电子器件中，用得最多的半导体材料就是硅和锗，它们都是四价元素；半导体内部的原子具有严格的晶体结构，原子之间形成有序的排列，每个硅原子周围和四个相邻的硅原子以共价键相连接，形成共价键的这一对电子就称为“价电子”。通常情况下，共价键对价电子的束缚能力很强，绝大多数价电子被束缚在共价键中而不能自由移动，所以半导体的导电性能较差。在绝对零度下，纯净的半导体内部所有的价电子都被共价键所束缚，在半导体内部没有可以自由导电的带电粒子，所以此时半导体是没有导电能力的；在本征激发时，半导体才会具有导电能力。 下面，我们来学习什么是本征激发。 4.本征激发 首先来学习几个概念。 （1）本征半导体：我们把结构完整、完全纯净的半导体晶体称为本征半导体。 （2）激发：半导体晶体内部共价键中的价电子由于获得足够的能量而挣脱掉共价键的束缚成为自由电子的过程称为“激发”。 （3）载流子：可以自由移动的带电粒子称为“载流子”。 本征激发的物理过程： 在绝对零度和没有外界激发的条件下，由于每个原子的外围电子都被共价键所束缚，所以对电流的形成没有作用。但是，半导体内共价键的价电子绝缘体中束缚的那么紧，在室温下，一些价电子就会获得足够的热振动能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子。这种现象就称为“本征激发”。 当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子以后，共价键中就留下一个空位，这个空位叫做“空穴”。空穴的出现时半导体区别于导体的一个重要特点。由于共价键中出现了空穴，在外电场或其他能量作用下，临近的价电子就可以填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，其他电子又可以转移到这个空位上，这样就相当于出现的电荷的迁移。因此在分析半导体导电过程的时候，用空穴的运动来代替共价键中电子的运动更为方便，在这里可以把空穴看成是一个带正电的粒子，可以和自由电子一样参与导电。因此空穴也是半导体中的一种载流子。 总结一下本征激发的过程：T↑→价电子获得足够能量→挣脱共价键束缚→自由电子↑→空穴↑结论：在本征半导体内，本征激发产生的自由电子和空穴总是成对出现的，是电子-空穴对，且载流子的数量与温度等外界条件有关。 5.杂质半导体 在本征半导体中掺入微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著的变化。根据掺入的杂质不同，杂质半导体可以分为两种：N型杂质半导体和P型杂质半导体。 半导体物理基本知识 一、导体、半导体和绝缘体 物质就其导电性来说，可以分为绝缘体、半导体、和导体。电阻率大于109欧姆·厘米的物体称为绝缘体，小于10-4欧姆·厘米的物体为导体，电阻率介于10-4～109欧姆·厘米的物体为半导体。 二、半导体材料的种类 半导体材料种类繁多，从单质到化合物，从无机物到有机物，从单晶体到非晶体，都可以作为半导体材料。半导体材料大致可以分为以下几类： 1、元素半导体 元素半导体又称为单质半导体。在元素周期表中介于金属与非金属之间的Si、Ge、Se、Te、B、C、P等元素都有半导体的性质。 在单质元素半导体中具有实用价值的只有硅、锗、硒。而硅和锗是最重要的两种半导体材料。尤其半导体硅材料已被广泛地用来制造各种器件、数字和线性集成电路以及大规模集成电路等。硒作为半导体材料主要用做整流器，但由于硅、锗制造的整流器比硒整流器性能良好，所以硒逐渐被硅、锗取代。 2、化合物半导体 化合物半导体是AⅢBⅤ型化合物，由元素中期表中ⅢA族的Al、Ga、和ⅤA族的P、As、Sb等合成的化合物成为AⅢBⅤ型化合物。如AlP、GaAs、GaSb、InAs、InSb。在这一类化合物半导体中用最广泛的是GaAs，它可以用来制作GaAs晶体管、场效应管、雪崩管、超高速电路及微波器件等。 3、氧化物半导体 许多金属的氧化物具有半导体性质，如Cu2O、CuO、ZnO、MgO、Al2O3等等。 4、固溶体半导体 元素半导体和无机化合物半导体相互溶解而成的半导体材料成为固溶体半导体。如：Ge-Si、GaAs-GaP，而GaAs-GaP是发光二极管的材料。 5、玻璃半导体 玻璃半导体是指具有半导体性质的一类玻璃。如氧化物玻璃半导体和元素玻璃半导 外延基础知识 一、基本概念 能级：电子是不连续的，其值主要由主量子数N决定，每一确定能量值称为一个能级。 能带：大量孤立原子结合成晶体后，周期场中电子能量状态出现新特点：孤立原子原来一个能级将分裂成大量密集的能级，构成一相应的能带。（晶体中电子能量状态可用能带描述） 导带：对未填满电子的能带，能带中电子在外场作用下，将参与导电，形成宏观电流，这样的能带称为导带。价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。（价带可能是满带，也可能是电子未填满的能带） 直接带隙：导带底和价带顶位于K空间同一位置。 间接带隙：导带底和价带顶位于K空间不同位置。 同质结：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。（如红黄光中的：GaAs上生长GaAs,蓝绿光中：U(undope)－GaN上生长N(dope)－ GaN） 异质结：两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料生长在一起形成的结，称为异质结。（如蓝绿光中：GaN上生长Al GaN） 超晶格（superlatic）：由两种或两种以上组分不同或导电类型各异的超薄层（相邻势阱内电子波函数发生交迭）的材料，交替生长形成的人工周期性结构，称为超晶格材料。 量子阱(QW)：通常把势垒较厚，以致于相邻电子波函数不发生交迭的周期性结构，称为量子阱（它是超晶格的一种）。 二、半导体 1.分类：元素半导体：Si 、Ge 化合物半导体：GaAs、InP、GaN(Ⅲ-Ⅴ)、ZnSe(Ⅱ-Ⅵ)、SiC 2.化合物半导体优点： a.调节材料组分易形成直接带隙材料，有高的光电转换效率。（光电器件一般选用直接带隙材料） b.高电子迁移率。 c.可制成异质结，进行能带裁减，易形成新器件。 3.半导体杂质和缺陷 杂质：替位式杂质（有效掺杂） 间隙式杂质 缺陷：点缺陷：如空位、间隙原子 线缺陷：如位错 面缺陷：（即立方密积结构里夹杂着少量六角密积）如层错 4.外延技术 LPE：液相外延，生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。（普亮LED常用此生长方法） MOCVD（也称MOVPE）：Metal Organic Chemical Vapour Deposition金属有机汽相淀积,精确控制晶体生长，重复性好，产量大，适合工业化大生产。 HVPE：氢化物汽相外延，是近几年在MOCVD基础上发展起来的，适应于Ⅲ-Ⅴ氮化物半导体薄膜和超晶格外延生长的一种新技术。生长速率快，但晶格质量较差。 MBE：分子束外延，可精确控制晶体生长，生长出的晶体异常光滑，晶格质量非常好，但生长速率慢，难以用于工业化大生产。 三、MOCVD设备 1.发展史：国际上起源于80年代初，我国在80年代中（85年）。 国际上发展特点：专业化分工，我国发展特点：小而全，小作坊式。 技术条件：a.MO源：难合成，操作困难。 b.设备控制精度：流量及压力控制 c.反应室设计：Vecco:高速旋转 Aixtron:气浮式旋转 一、半导体物理知识大纲 核心知识单元A:半导体电子状态与能级（课程基础 -------- 掌 握物理概念与物理过程、是后面知识的基础）半导体中的电子状态（第 1 章）半导体中的杂质和缺陷能级（第 2 章） 核心知识单元B:半导体载流子统计分布与输运（课程重点 ——掌握物理概念、掌握物理过程的分析方法、相关参数的计算方法） 半导体中载流子的统计分布（第 3 章）半导体的导电性 （第 4 章）非平衡载流子（第 5 章） 核心知识单元C:半导体的基本效应（物理效应与应用——掌握各种半导体物理效应、分析其产生的物理机理、掌握具体的应用）半导体光学性质（第10 章） 半导体热电性质（第11 章）半导体磁和压阻效应（第12 章） 二、半导体物理知识点和考点总结 第一章半导体中的电子状态 本章各节内容提要： 本章主要讨论半导体中电子的运动状态。主要介绍了半导体的几种常见晶体结构，半导体中能带的形成，半导体中电子的状态和能带特点，在讲解半导体中电子的运动时，引入了有效质量的概念。阐述本征半导体的导电机构，引入了空穴散射的概念。最后，介绍了Si、Ge和GaAs的能带结构。 在 1.1 节，半导体的几种常见晶体结构及结合性质。（重点掌握）在 1.2 节，为了深入理解能带的形成，介绍了电子的共有化运动。介绍半导体中电子的状态和能带特点，并对导体、半导体和绝缘体的能带进行比较，在此基础上引入本征激发的概念。（重点掌握）在 1.3 节，引入有效质量的概念。讨论半导体中电子的平均速度和加速度。（重点掌握） 在 1.4 节，阐述本征半导体的导电机构，由此引入了空穴散射的概念，得到空穴的特点。（重点掌握） 在 1.5 节，介绍回旋共振测试有效质量的原理和方法。（理解即可） 在1.6节，介绍Si、Ge的能带结构。（掌握能带结构特征）在1.7节，介绍山-V族化合物的能带结构，主要了解GaAs 的能带结构。（掌握能带结构特征） 本章重难点： 重点： 1、半导体硅、锗的晶体结构（金刚石型结构）及其特点；三五 族化合物半导体的闪锌矿型结构及其特点。 2、熟悉晶体中电子、孤立原子的电子、自由电子的运动有何不 同：孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中 运动，自由电子是在恒定为零的势场中运动，而晶体中的电 子是在严格周期性重复排列的原子间运动(共有化运动) ，单 电子近似认为，晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原第一章半导体基础知识(精)
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