重要半导体的能带图(参考资料)
重要半导体的能带图（参考资料）
能带结构就是晶体电子的能量E与波矢k之间的关系曲线。现在已经发展出了许多能带结构的计算方法和实验方法，并且对于一系列半导体的能带结构进行了理论计算和实验验证。
能带结构的计算一般都是在一定的晶格周期性势场形式下、基于单电子近似来求解Schr?dinger方程；这里重要的是如何选取晶格周期性势场的近似模型。因此，依据势场模型的选取就有多种不同的计算能带结构的方法，例如Hartree-Fock方法、量子缺陷方法、赝勢方法等。
图1若干半导体的能带结构（计算）
图1是采用赝勢方法计算而得到的若干重要半导体的能带结构图（未考虑电子自旋）。见到，图中所有半导体的价带顶都位于Brillouin区中心（Γ点），然而导带底却不一定；因此就有所谓直接跃迁能带结构的半导体（直接禁带半导体）和间接跃迁能带结构的半导体（间接禁带半导体）之分：Si、Ge、GaP、AlP、AlSb、AlAs等是间接禁带半导体；GaAs、InP、InAs、InSb、GaSb、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdTe等是直接禁带半导体。α-Sn（灰锡）具有金刚石型的晶体结构，它是一种半金属（即禁带宽度为0的半导体）；其他类似的半金属有HgSe和HgTe。
图2～图5示出的是一些重要的宽禁带半导体的能带结构。这些新型的半导体往往被称为第三代半导体材料（第一代是Si，第二代是GaAs）。GaN、AlN、InN是直接禁带半导体，SiC、BN是间接禁带半导体。它们在高功率、高温、微波、低噪声等应用领域内具有优良的性能；特别，氮化镓基的半导体不仅在微波领域、而且在高效率发光（蓝色光）领域内，都表现出了突出的成效。
图2三种碳化硅的能带结构
图3两种氮化镓的能带结构
图4三种氮化硼的能带结构
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图5氮化铝和氮化铟的能带结构
本征半导体(1)
本征半导体：完全纯净结构完整没有杂质和缺陷的半导体 本征激发：电子吸收晶格热运动能量，从价带激发到导带的过程 直接复合：导带电子放出能量，直接跳回价带与空穴复合引起的电子-空穴对的消失过程 间接复合：导带中的电子首先被禁带中某一个中间能级所俘获，然后落入价带与空穴相复合。 即电子与空穴通过所谓的复合中心进行的复合 直接带隙：导带边和价带边处于K空间相同点 间接带隙：导带边和价带边处于K空间不同点 空间电荷区：在PN结中，对于P区，空穴离开后，留下了带负电的电离受主，这些电离的受主离子在PN结的P区一侧形成了一个负电荷区；同样对于N区，由于电子的 离开，留下带正电的电离施主，这些电离后的施主离子在PN结的N区一侧形成 了一个正电荷区，这样就在交界面的两侧形成带正负电荷的区域，称为…… 自建场：空间电荷区内的正负电荷形成一个电场，电场的方向有带正电的N区指向带负电的P区，这个电场称为…… PN结击穿类型：热电击穿、隧道击穿、雪崩击穿其中雪崩击穿的条件是错误！未找到引用源。物理意义是一个载流子通过整个势垒区，碰撞电离产生了一对电子-空穴 对时，PN结就发生了雪崩击穿。 正向注入效应：PN结正向偏置，势垒区电场的削弱，打破了原平衡PN结载流子扩散运动和漂移运动的平衡状态，使载流子的扩散趋势大于漂移趋势，电子从N区扩散到P区，空穴从P区扩散到N区，正向PN结的这一重要现象称为正向注入效应。因为这种正向注入效应是由外加正向偏置的作用引起的，因此也称为非平衡载流子的注入。 PN结反向抽取作用：把反向PN结空间电荷区具有的抽取(或收集)少子的重要作用称为……晶体小信号：意指交流电压和电流的峰值小于直流电压和电流的峰值 MOS二极管定义、在外加零偏压是，金属功函数与半导体功函数之间没有能量差2、在任何偏置条件下，MOS结构中的电荷仅次于半导体之中，而且与邻近氧化层的金属表面电荷的数量大小相等，但符号相反。3、氧化膜是一个理想的绝缘体，电阻率为无穷大，在直流偏置条件下，氧化膜中没有电流通过 基区自建场：由于基区内存在杂质浓度梯度，多事载流子空穴也必然有同样的分布梯度，显然，空穴的浓度梯度将引起空穴向浓度低的方向扩散，但是空穴一旦离开，基区中的单电中性就受到破坏。因此，基区中必然会产生一个电场E b,使空穴做反方向的漂移运动，来抵消空穴的扩赛运动，以维持电中性，把这个电场称为缓变基区的自建电场 晶体管在结构上要满足条件：1、具有PNP或NPN三层结构2、基区宽度要非常薄，薄的程度要远小于非平衡少子的扩散长度3、发射区的杂质浓度要远大于基区杂质浓度。 晶体管的放大功能主要表现在两个方面：1、晶体管的电流放大及其放大倍数的大小2、阻抗转换及其转换比例的大小 功函数：指每一种材料从它的费米能级与真空能级之间的能量差 简答题：1、晶体管放大原理：正常工作时，发射结正向偏置，集电结反向偏置。 由于正向偏置，发射结是由NP结组成，根据PN结特性将有大量电子从N区注入到P区并在基区边界积累形成一定的浓度梯度。电子靠浓度梯度向基区扩散，与基区中的空穴复合使中间的P区宽度不断缩小。当P区宽度大大小于少子电子扩散长度Ln时，两个PN结就会发生相互作用。从第一PN结注入的电子小部分在P区复合大部分到达第二个PN结即集电结反偏结。由于第二个结处于大电压反向偏置，空间电荷区存在很强的电场。当电子到达该电荷区附近时被强电场扫过空间电荷区到达N区并通过N区流出。晶体管的放大机理就是依靠它的发射极电流能够通过基区输运到达集电区实现的。1，发射区向基区注入电子。2，电子在基区中边扩散边复合。3，扩散到集电结的电子被集电区收集。
半导体材料能带测试及计算
半导体材料能带测试及计算 对于半导体，是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，其具有一定的带隙(E g)。通常对半导体材料而言，采用合适的光激发能够激发价带(VB)的电子激发到导带(CB)，产生电子与空穴对。 图1. 半导体的带隙结构示意图。 在研究中，结构决定性能，对半导体的能带结构测试十分关键。通过对半导体的结构进行表征，可以通过其电子能带结构对其光电性能进行解析。对于半导体的能带结构进行测试及分析，通常应用的方法有以下几种(如图2)： 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙E g； 2.VB XPS测得价带位置(E v)； 3.SRPES测得E f、E v以及缺陷态位置； 4.通过测试Mott-Schottky曲线得到平带电势； 5.通过电负性计算得到能带位置. 图2. 半导体的带隙结构常见测试方式。 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙 紫外可见漫反射测试 2.制样：
背景测试制样：往图3左图所示的样品槽中加入适量的BaSO4粉末（由于BaSO4粉末几乎对光没有吸收，可做背景测试），然后用盖玻片将BaSO4粉末压实，使得BaSO4粉末填充整个样品槽，并压成一个平面，不能有凸出和凹陷，否者会影响测试结果。 样品测试制样：若样品较多足以填充样品槽，可以直接将样品填充样品槽并用盖玻片压平；若样品测试不够填充样品槽，可与BaSO4粉末混合，制成一系列等质量分数的样品，填充样品槽并用盖玻片压平。 图3. 紫外可见漫反射测试中的制样过程图。 1.测试： 用积分球进行测试紫外可见漫反射（UV-Vis DRS），采用背景测试样（BaSO4粉末）测试背景基线（选择R%模式），以其为background测试基线，然后将样品放入到样品卡槽中进行测试，得到紫外可见漫反射光谱。测试完一个样品后，重新制样，继续进行测试。 ?测试数据处理 数据的处理主要有两种方法：截线法和Tauc plot法。截线法的基本原理是认为半导体的带边波长（λg）决定于禁带宽度E g。两者之间存在E g(eV)=hc/λg=1240/λg(nm)的数量关系，可以通过求取λg来得到E g。由于目前很少用到这种方法，故不做详细介绍，以下主要来介绍Tauc plot法。 具体操作： 1、一般通过UV-Vis DRS测试可以得到样品在不同波长下的吸收，如图4所示; 图4. 紫外可见漫反射图。
半导体能带理论
一. 前言 光子晶体也许现在的你对光子晶体这个名字并不熟悉，然而正如20世纪初人们对硅这种半导体材料的懵懂一样，也许在21世纪末的时候，你将对这个名词耳熟能详。因为，到时从你的书桌上摆着的高速个人电脑（上百甚至上千G Hz 的运算速度），到快速而便捷的网络设施，甚至直至你家中能够根据室内实际温度自动开关调节的空调系统，都可能要得益于这种前途光明的新型材料的伟大功劳。光子晶体是一个很前沿的话题，同时它也是一个很深奥的物理概念。要想把光子晶体解释清楚，并不是一件容易的事。但是要想了解它，可以先从它产生的背景说起。我们现在都知道，半导体在我们的生活中充当了重要的角色。利用它的一些区别于导体和绝缘体的特殊的性质，人们制造出了许多的现代固体电子与光电子器件。收音机、电视、计算机、电话、手机等等无一不再应用着半导体制成的芯片、发光二极管（LED）等等元件。而给我们带来这么多便利的半导体材料大多是一些晶体。 二.晶体知识. 晶体和半导体中所谓的晶体，是指内部原子有序排列，形成一种周期性的重复结构，而往往就是这些重复性的结构存在，才决定了半导体的特殊性质。晶体又分单晶和多晶：单晶——在一块材料中，原子全部作有规则的周期排列，由于内部的有序性和规则性，其外形往往是某种规则的立体结构。多晶——只在很小范围内原子作有规则的排列，形成小晶粒，而晶粒之间有无规则排列的晶粒界[j ,HSOv) 隔开。我们熟悉的硅、锗等晶体就属于单晶。半导体分类：半导体可分为本征半导体、P型半导体、N型半导体。本征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗晶体称本征半导体。硅和锗为4价元素，其晶体结构稳定。 P型半导体：P型半导体是在4价的本征半导体中混入了3价原子，譬如极小量（一千万之一）的铟合成的晶体。由于3价原子进入4价原子中，因此这晶体结构中就产生了少一电子的部分。由于少一电子，所以带正电。P型的“P”正是取“Positve（正）”一词的第一个字母。N型半导体：若把5价的原子，譬如砷混入4价的本征半导体，将产生多余1个电子的状态结晶，显负电性。这N是从“Negative（负）”中取的第一个字母。二极管的原理：如图一是未加电场（电压）的情况P型载流子和N型载流子随机地在晶体中。若在图二中的N端施加正电压，在P端施加负电压，内部的载流子，电子被拉到正电压方，空核被拉到负电压方，从而结合面上的载流子数量大大减少，电阻便增大了。如图三加相反电压，此时内部载流子通过结合面，变得易于流动。换言之电阻变小，电流正向流动。请记住：二极管的正向导通是从P型指向N型，国际的标法是：三角形表示P型，横线是N型。二极管在0.6V以 上的电压下电流可急剧移动，反向则无！ 三.能带理论能级（Enegy Level） 在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。能带（Enegy Band）：晶体中大量的原子集合在一起，而且原子之间距离很近，以硅为例，每立方厘米的体积内有5×1022个原子，原子之间的最短距离为0.235nm。致使离原子核较远的壳层发生交叠，壳层交叠使电子不再局限于某个原子上，有可能转移到相邻原子的相似壳层上去，也可能从相邻原子运动到更远的原子壳层上去，这种现象称为电子的共有化。从而使本来处于同一能量状态的电子产生微小的能量差异，与此相对应的能级扩展为能带。禁带（Forbidden Band）：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的，此范围称为禁带。原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带。价带（Valence Band）：原子中最外层的电子称为价电子，与价电带。导带（Conduction Band）：价带以上能量最低的允许带称为导带。导带的底能级表示为Ec，价带的顶能级表示为Ev，Ec与Ev之间的能量间隔为禁带Eg。导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。例如，绝缘材料SiO2的Eg约为5.2eV，导带中电子极少，所以导电性不好，电阻率大于1012Ω·cm。半导体Si的Eg约为1.1eV，导带中有一定数目的电子，从而有一定的导电性，电阻率为10-3—1012Ω·cm。金属的导带与价带有一定程度的重合，Eg=0，价电子可以在金属中 自由运动，所以导电性好，电阻率为10-6—10-3Ω·cm。 四.其它知识原理.
半导体器件(附答案)
第一章、半导体器件（附答案） 一、选择题 1．PN 结加正向电压时，空间电荷区将 ________ A. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽 2．设二极管的端电压为 u ，则二极管的电流方程是 ________ A. B. C. 3．稳压管的稳压是其工作在 ________ A. 正向导通 B. 反向截止 C. 反向击穿区 4．V U GS 0=时，能够工作在恒流区的场效应管有 ________ A. 结型场效应管 B. 增强型 MOS 管 C. 耗尽型 MOS 管 5．对PN 结增加反向电压时，参与导电的是 ________ A. 多数载流子 B. 少数载流子 C. 既有多数载流子又有少数载流子 6．当温度增加时，本征半导体中的自由电子和空穴的数量 _____ A. 增加 B. 减少 C. 不变 7．用万用表的 R × 100 Ω档和 R × 1K Ω档分别测量一个正常二极管的正向电阻，两次测 量结果 ______ A. 相同 B. 第一次测量植比第二次大 C. 第一次测量植比第二次小 8．面接触型二极管适用于 ____ A. 高频检波电路 B. 工频整流电路 9．下列型号的二极管中可用于检波电路的锗二极管是： ____ A. 2CZ11 B. 2CP10 C. 2CW11 D.2AP6 10．当温度为20℃时测得某二极管的在路电压为V U D 7.0=。若其他参数不变，当温度上 升到40℃，则D U 的大小将 ____ A. 等于 0.7V B. 大于 0.7V C. 小于 0.7V 11．当两个稳压值不同的稳压二极管用不同的方式串联起来，可组成的稳压值有 _____ A. 两种 B. 三种 C. 四种 12．在图中，稳压管1W V 和2W V 的稳压值分别为6V 和7V ，且工作在稳压状态，由此可知输 出电压O U 为 _____ A. 6V B. 7V C. 0V D. 1V
半导体材料能带测试及计算
半导体材料能带测试及计算对于半导体，是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，其具有一定的带隙(E g)。通常对半导体材料而言，采用合适的光激发能够激发价带(VB)的电子激发到导带(CB)，产生电子与空穴对。 图1. 半导体的带隙结构示意图。 在研究中，结构决定性能，对半导体的能带结构测试十分关键。通过对半导体的结构进行表征，可以通过其电子能带结构对其光电性能进行解析。对于半导体的能带结构进行测试及分析，通常应用的方法有以下几种(如图2)： 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙E g； 2.VB XPS测得价带位置(E v)； 3.SRPES测得E f、E v以及缺陷态位置； 4.通过测试Mott-Schottky曲线得到平带电势； 5.通过电负性计算得到能带位置.
图2. 半导体的带隙结构常见测试方式。 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙 紫外可见漫反射测试 2.制样： 背景测试制样：往图3左图所示的样品槽中加入适量的BaSO4粉末（由于BaSO4粉末几乎对光没有吸收，可做背景测试），然后用盖玻片将BaSO4粉末压实，使得BaSO4粉末填充整个样品槽，并压成一个平面，不能有凸出和凹陷，否者会影响测试结果。 样品测试制样：若样品较多足以填充样品槽，可以直接将样品填充样品槽并用盖玻片压平；若样品测试不够填充样品槽，可与BaSO4粉末混合，制成一系列等质量分数的样品，填充样品槽并用盖玻片压平。 图3. 紫外可见漫反射测试中的制样过程图。 1.测试：
用积分球进行测试紫外可见漫反射（UV-Vis DRS），采用背景测试样（BaSO4粉末）测试背景基线（选择R%模式），以其为background测试基线，然后将样品放入到样品卡槽中进行测试，得到紫外可见漫反射光谱。测试完一个样品后，重新制样，继续进行测试。 ?测试数据处理 数据的处理主要有两种方法：截线法和Tauc plot法。截线法的基本原理是认为半导体的带边波长（λg）决定于禁带宽度E g。两者之间存在E g(eV)=hc/λg=1240/λg(nm)的数量关系，可以通过求取λg来得到E g。由于目前很少用到这种方法，故不做详细介绍，以下主要来介绍Tauc plot法。 具体操作： 1、一般通过UV-Vis DRS测试可以得到样品在不同波长下的吸收，如图4所示; 图4. 紫外可见漫反射图。 2. 根据(αhv)1/n = A(hv – Eg)，其中α为吸光指数，h为普朗克常数，v为频率，Eg为半导体禁带宽度，A为常数。其中，n与半导体类型相关，直接带隙半导体的n取1/2，间接带隙半导体的n为2。
1.6 回旋共振及常见半导体的能带结构 -1
1.6 回旋共振及 常见半导体的能带结构
1. k 空间的等能面 22 ()(0)2n k E k E m * =+ 导带底E C 在k=0处，导带底附近 一维情况： 2 222 ()(0)()2x y z n E k E k k k m → * -=++ 三维情况： 当E (k )一定时，对应于多组不同的(k x , k y , k z )，将这些不同的(k x , k y , k z )连接起来构成一个封闭面，其上能值均相等，称为等能面。 等能面为球面 载流子的有效质量是各向同性时，等能面为球面 1) 能带极值在k =0
2222 y x z ()(0)() 2x y z k k k E k E m m m ***=+++ 椭球等能面 设导带极小值Ec 位于k=0处，取椭球主轴为坐标系，则导带底附近能带可表示为： 有效质量是各向异性时，等能面为椭球面。 0 222*11=???? ????=k x x k E m 0 222*11=???? ????=k y y k E m 0 222*11=???? ????=k y y k E m *** ,,z y x m m m 分别代表沿椭球三个主轴的有效质量：
旋转椭球等能面 t y x m m m ==** l m m =*z 坐标原点置于旋转椭球中心，并使k z 轴与旋转椭球长轴重合。横向有效质量；2222()(0)() 2x y z t l k k k E k E m m +=++ 则等能面可表示为： 纵向有效质量； y x k k ,沿 轴的有效质量相等： 沿 轴的有效质量：z k
金属、半导体和绝缘体能带结构区别
金属、半导体和绝缘体的能带结构区别本论文从能带的形成过程和电流的产生机理两方面来说明金属、半导体和绝缘体的能带结构区别。 1.能带（Energy Band）的形成过程 当孤立的原子结合在一起形成固体时，相邻的原子之间会产生各种交互作用，原子之间的排斥力和吸引力最后在一定的原子间距达到平衡． 由量子力学可知，晶体中相同原子孤立存在时，各自的电子波函数没有相互作用，因而各原子可以有完全相同的电子能级结构。当相同原子相互接近时，其电子波函数便开始重迭．根据量子力学的泡利不相容原理，在一个系统中，不允许有两个电子具有相同的量子状态，因而孤立原子的能级必然产生分裂，这些新产生的分裂能级不再是某个原于所独有，而是属于原子共有。在固体中，大量原子结合在一起，相互极为接近的大量分裂能级最终成为一个连续的能带。 量子力学计算表明，晶体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,在晶体中就变成了N条靠得很近的能级,称为能带。如图1所示：
图1 能带的宽度记作?E ，数量级为 ?E ～eV 。若N~1023,则能带中两能级的间距约10-23eV 。 能带的一般规律：越是外层电子，能带越宽，?E 越大； 点阵间距越小，能带越宽，?E 越大； 两个能带有可能重叠。如图2所示： 图 2
2.电流产生机理 电流的产生要求电子能够在电场的作用下加速移动至新的能量状态，即要求在电子现有能量状态附近必须有空能级。举例来说，如果一个能带中只有很少几个电子，而有大半的能态是空的，则电子很容易在能带中由这个能态运动到另一个能态，从而发生电荷的迁移，产生导电行为。 对于金属、绝缘体和半导体来说，因其导电性不同，所以其能带结构也不相同。在绝缘体结构中0K时“价带”已被全部占据，导带是全空的，因而价带中的电子于无法进行电荷运输，因为价带中没有空能级。导带中虽有空能级但无电子，因而也不可能进行电荷运输；半导体的电子能带结构与绝缘体相仿，但其禁带宽比绝缘体小得多．例如Si为1.1eV，而金刚石为5eV。这一较小的禁带宽度使价带中的电子能较容易地在热或光的作用下激发到高能带即导带中而起导电作用；金属的能带结构又不同，能带或是重叠，或是半填满。固而在一个能带内总是既有电子又有空能态，电子在电场作用下便能自曲地运动，从而导致很高的导电性。如图3所示：
第六章半导体的物质结构和能带结构
第6章 异质结和纳米结构 1、试讨论用窄禁带n 型半导体和宽禁带p 型半导体构成的反型异质结中的能带弯曲情况，画出能带图。 答： 2、仿照第4章对pn 同质结的讨论方法，完成突变pn 异质结接触电势差表达式（6-5）和势垒区宽度表达式（6-7）的推导过程。 解：设p 型和n 型半导体中的杂质都是均匀分布的，其浓度分别为N A1和N D2。势垒区的正负空间电荷去的宽度分别为(x 0-x 1)=d 1，(x 2-x 0)=d 2。取x=x 0为交界面，则两边势垒区中的电荷密度可以写成 ? ?? -=<<-=<<22201101)(,)(,D A qN x x x x qN x x x x ρρ 势垒区总宽度为 211002)()(d d x x x x X D +=-+-= 势垒区的正负电荷总量相等，即 Q x x qN x x qN D A =-=-)()(022101 Q 就是势垒区中单位面积上的空间电荷数值。因此上式可以简化为 1 2 0210)()(A D N N x x x x =-- 设V(x)代表势垒区中x 点得电势，则突变反型异质结交界面两边的泊松方程分别为 )()(0111 212x x x qN dx x V d A <<=ε )()(202 2 2 22x x x qN dx x V d D <<=ε ε1ε2分别为p 型及n 型半导体的介电常数。对以上两式分别积分一次得 )()(011111x x x C x qN dx x dV A <<+=ε )()(2022 22x x x C x qN dx x dV D <<+=ε C 1‘C 2是积分常数，有边界条件决定。因势垒区外是电中性的，电场集中在势垒区内，故边 界条件为 0)(1 111=- ==x x dx dV x E
半导体的能带图
重要半导体的能带图（参考资料） ——Xie Meng-xian. (电子科大，成都市)—— 能带结构就是晶体电子的能量E与波矢k之间的关系曲线。现在已经发展出了许多能带结构的计算方法和实验方法，并且对于一系列半导体的能带结构进行了理论计算和实验验证。 能带结构的计算一般都是在一定的晶格周期性势场形式下、基于单电子近似来求解Schr?dinger方程；这里重要的是如何选取晶格周期性势场的近似模型。因此，依据势场模型的选取就有多种不同的计算能带结构的方法，例如Hartree-Fock方法、量子缺陷方法、赝勢方法等。 图1 若干半导体的能带结构（计算）
图1是采用赝勢方法计算而得到的若干重要半导体的能带结构图（未考虑电子自旋）。见到，图中所有半导体的价带顶都位于Brillouin区中心（Γ点），然而导带底却不一定；因此就有所谓直接跃迁能带结构的半导体（直接禁带半导体）和间接跃迁能带结构的半导体（间接禁带半导体）之分：Si、Ge、GaP、AlP、AlSb、AlAs等是间接禁带半导体；GaAs、InP、InAs、InSb、GaSb、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdTe等是直接禁带半导体。α-Sn（灰锡）具有金刚石型的晶体结构，它是一种半金属（即禁带宽度为0的半导体）；其他类似的半金属有HgSe和HgTe。 图2～图5示出的是一些重要的宽禁带半导体的能带结构。这些新型的半导体往往被称为第三代半导体材料（第一代是Si，第二代是GaAs）。GaN、AlN、InN是直接禁带半导体，SiC、BN是间接禁带半导体。它们在高功率、高温、微波、低噪声等应用领域内具有优良的性能；特别，氮化镓基的半导体不仅在微波领域、而且在高效率发光（蓝色光）领域内，都表现出了突出的成效。 图2 三种碳化硅的能带结构
重要半导体的能带图(参考资料)
重要半导体的能带图（参考资料） 能带结构就是晶体电子的能量E与波矢k之间的关系曲线。现在已经发展出了许多能带结构的计算方法和实验方法，并且对于一系列半导体的能带结构进行了理论计算和实验验证。 能带结构的计算一般都是在一定的晶格周期性势场形式下、基于单电子近似来求解Schr?dinger方程；这里重要的是如何选取晶格周期性势场的近似模型。因此，依据势场模型的选取就有多种不同的计算能带结构的方法，例如Hartree-Fock方法、量子缺陷方法、赝勢方法等。 图1若干半导体的能带结构（计算）
图1是采用赝勢方法计算而得到的若干重要半导体的能带结构图（未考虑电子自旋）。见到，图中所有半导体的价带顶都位于Brillouin区中心（Γ点），然而导带底却不一定；因此就有所谓直接跃迁能带结构的半导体（直接禁带半导体）和间接跃迁能带结构的半导体（间接禁带半导体）之分：Si、Ge、GaP、AlP、AlSb、AlAs等是间接禁带半导体；GaAs、InP、InAs、InSb、GaSb、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdTe等是直接禁带半导体。α-Sn（灰锡）具有金刚石型的晶体结构，它是一种半金属（即禁带宽度为0的半导体）；其他类似的半金属有HgSe和HgTe。 图2～图5示出的是一些重要的宽禁带半导体的能带结构。这些新型的半导体往往被称为第三代半导体材料（第一代是Si，第二代是GaAs）。GaN、AlN、InN是直接禁带半导体，SiC、BN是间接禁带半导体。它们在高功率、高温、微波、低噪声等应用领域内具有优良的性能；特别，氮化镓基的半导体不仅在微波领域、而且在高效率发光（蓝色光）领域内，都表现出了突出的成效。 图2三种碳化硅的能带结构
本征半导体
本征半导体 简介 本征半导体[1]（intrinsic semiconductor)） 完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。实际半导体不能绝对地纯净，本征半导体一般是指导电主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。更通俗地讲，完全纯净的半导体称为本征半导体或I型半导体。硅和锗都是四价元素，其原子核最外层有四个价电子。它们都是由同一种原子构成的“单晶体”，属于本征半导体。 特点 在绝对零度温度下，半导体的价带（valence band）是满带（见能带理论），受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带（forbidden band/band gap）进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带（conduction band），价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴（hole），导带中的电子和价带中的空穴合称为电子－空穴对。上述产生的电子和空穴均能自由移动，成为自由载流子（free carrier），它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子－空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，使电子－空穴对消失，称为复合（recombination）。复合时产生的能量以电磁辐射（发射光子photon）或晶格热振动（发射声子phonon）的形式释放。在一定温度下，电子－空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时本征半导体具有一定的载流子浓度，从而具有一定的电导率。加热或光照会使半导体发生热激发或光激发，从而产生更多的电子－空穴对，这时载流子浓度增加，电导率增加。半导体热敏电阻和光敏电阻等半导体器件就是根据此原理制成的。常
什么是本征半导体(精)
习题六 6-1 什么是本征半导体？什么是杂质半导体？各有什么特征？ 答：所谓本征半导体就是指完全纯净的、结构完整的半导体。在本征半导体中掺入杂质后的半导体称为杂质半导体。本征的半导体中的自由电子数量和空穴的数量是相等的，而杂质半导体中根据掺杂的元素不同可分为N 型半导体和P 型半导体，在N 型半导体中电子的浓度远远大于空穴的浓度，而P 型半导体恰恰相反。 6-2 掺杂半导体中多数载流子和少数载流子是如何产生的？ 答：在本征半导体中，由于半导体最外层有四个电子，它与周边原子的外层电子组成共价键结构，价电子不仅受到本身原子核的约束，而且受到相邻原子核的约束，不易摆脱形成自由电子。但是，在掺杂的半导体中，杂质与周边的半导体的外层电子组成共价键，由于杂质半导体的外层电子或多（5价元素）或少（3价元素），必然有除形成共价键外多余的电子或不足的空穴，这些电子或空穴，或者由于受到原子核的约束较少容易摆脱，或者容易被其它的电子填充，就形成了容易导电的多数载流子。而少数载流子是相对于多数载流子而言的另一种载流子，它是由于温度、电场等因素的影响，获得更多的能量而摆脱约束形成的。 6-3 ，黑表笔插入COM ，红表笔插入V/Ω（红笔的极性为“+”），将表笔连接在二极管，其读数为二极管正向压降的近似值。 用模拟万用表测量二极管时，万用表内的电池正极与黑色表笔相连；负极与红表笔相连。测试二极管时，将万用表拨至R ×1k 档，将两表笔连接在二极管两端，然后再调换方向，若一个是高阻，一个是低阻，则证明二极管是好的。当确定了二极管是好的以后就非常容易确定极性，在低阻时，与黑表笔连接的就是二极管正极。 6-4 什么是PN 结的击穿现象，击穿有哪两种。击穿是否意味着PN 结坏了？为什么？ 答：当PN 结加反向电压（P 极接电源负极，N 极接电源正极）超过一定的时候，反向电流突然急剧增加，这种现象叫做PN 结的反向击穿。击穿分为齐纳击穿和雪崩击穿两种，齐纳击穿是由于PN 结中的掺杂浓度过高引起的，而雪崩击穿则是由于强电场引起的。PN 结的击穿并不意味着PN 结坏了，只要能够控制流过PN 结的电流在PN 结的允许范围内，不会使PN 结过热而烧坏，则PN 结的性能是可以恢复正常的，稳压二极管正式利用了二极管的反向特性，才能保证输出电压的稳定。 6-5 理想二极管组成电路如题图6-1所示，试确定各电路的输出电压u o 。 解：理想二极管的特性是：当二极管两端加正向电压，二极管导通，否则二极管截止。分析含有二极管电路的方法是：假定二极管是开路，然后确定二极管两端的电位，若二极管的阳极电位高于阴极电位，则二极管导通，否则截止。 对于图(a)假定D 1、D 2、D 3截止，输出端的电位为-18V ，而D 1、D 2、D 3的阳极电位分
本征载流子
本征载流子 （1）基本概念： 本征载流子（Intrinsic carrier）就是本征半导体中的载流子（电子和空穴），即不是由掺杂所产生出来的载流子。也就是说，本征载流子是由热激发——本征激发所产生出来的，即是价电子从价带跃迁到导带而产生出来的；它们是成对产生的，所以电子和空穴的浓度始终相等。 本征半导体，从物理本质上来说，也就是两种载流子数量相等、都对导电起同样大小的半导体。因此，未掺杂的半导体是本征半导体，但是掺有杂质的半导体在一定条件下也可能成为本征半导体（只要两种载流子的浓度相等）。 对于掺有杂质的n型或p型半导体，其中的多数载流子主要就是由杂质电离所提供，而其中的少数载流子则是由本征激发所产生的。因此，在杂质全电离情况下，多数载流子浓度基本上与温度无关，但少数载流子则随着温度将指数式增大。 （2）与温度的关系： 因为本征载流子是由本征激发所产生的，则它的产生与热激发有关，也与禁带宽度有关，所以具有以下特点：一是电子浓度=空穴浓度；二是载流子浓度随着温度的升高而指数式增大；三是与禁带宽度有指数函数关系（不同半导体的本征载流子浓度不同）。本征载流子浓度ni与温度T和禁带宽度Eg的关系为（与杂质无关） ni = (NcNv)^(1/2) exp[－Eg/(2kT)] 在室温下，Si的ni=1.45×10^10cm-3，GaAs的ni=1.79×10^10cm-3。 由于本征载流子浓度ni随着温度的升高而指数式增大，故在足够高的温度下，对于掺杂的半导体，在较高温度下，本征载流子浓度也都将大于杂质所提供的载流子浓度——多数载流子浓度。这就是说，即使是掺杂的半导体（除非掺杂浓度异常高），都将随着温度的升高而逐渐转变为本征半导体（两种载流子浓度相等）。这种半导体本征化的作用，即将导致pn 结失效，所以这实际上也就是限制所有半导体器件及其集成电路的最高工作温度的根本原因；也因此，半导体器件的最高工作温度也就由半导体的本征化温度来稳定。