半导体光电子学物理基础
半导体物理学前置课程
半导体物理学前置课程
半导体物理学前置课程一般包括以下内容：
1. 固体物理学基础知识：晶体结构、晶格振动、电子能带理论、电子自旋、晶格缺陷等。
2. 电磁学基础知识：电场、磁场、电磁辐射等。
3. 量子力学基础知识：量子力学原理、波函数、量子态、哈密顿算符等。
4. 固体能带理论：包括价带和导带的理解、半导体的能带结构、半导体材料的能带间隙等。
5. 简单能带模型：包括紧束缚模型、自由电子气模型、等效质量近似等。
6. 电子与声子的相互作用：介电函数、声子谱、声子与电子的散射等。
7. 电子在晶体中的输运性质：包括导电性、迁移率、扩散、简单的输运方程等。
8. 光电子学基础知识：吸收、发射、散射、色谱、光电子光谱等。
9. pn结和二极管：pn结的形成、Zero bias和封锁态、偏置态、
二极管的I-V特性、二极管的基本应用等。
10. 器件物理：包括MOS结和MOSFET、BJT、HEMT、HBT 等器件的基本原理和工作原理。
以上是一个大致的半导体物理学前置课程的内容，具体课程内容可能会根据不同学校和教师的要求有所不同。
半导体物理教学大纲
半导体物理教学大纲
一、 半导体材料的基本概念与性质
1. 半导体的定义、特点及分类
2. 半导体材料的晶体结构和晶体生长方法
3. 掺杂及其对半导体性质的影响
二、 pn结及其应用
1. pn结的成因和特性
2. pn结的电学特性和优点
3. pn结的应用：二极管、光电二极管、太阳能电池等
三、 半导体器件及其原理
1. 晶体管的结构和工作原理
2. 晶体管的DC特性和AC特性
3. 晶体管的应用：放大器、开关等
4. 其他半导体器件：场效应晶体管、可控硅、二极管阵列等
四、 光电子学与半导体激光器
1. 光电子学基础知识：光的本质、光与电磁波理论、波粒二象性等
2. 半导体激光器的结构和工作原理
3. 半导体激光器的分类和应用
五、 纳米半导体物理
1. 纳米半导体的概念和特性
2. 纳米半导体的制备方法和表征技术
3. 纳米半导体的应用：量子点太阳能电池、量子点发光等
六、 实验教学
1. pn结的特性实验
2. 晶体管的放大和开关实验
3. 光电二极管和半导体激光器实验
4. 半导体物理模拟实验
以上为半导体物理教学大纲，旨在培养学生对半导体材料、器件及其应用的基本认识与理解，掌握半导体物理的基本原理，熟练掌握半导体器件的设计与实现。
通过实验教学，培养学生的实验操作能力和分析解决问题的能力，增强学生的探究精神和创新意识，助力学生在未来的学习和研究中取得更好的成绩与实践经验。
半导体物理学电子在半导体中的行为
半导体物理学电子在半导体中的行为在半导体物理学中，电子在半导体中的行为是研究的重点之一。
半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其导电性质可由施加的外加电场或温度来控制。
本文将对电子在半导体中的行为进行探讨，并介绍半导体的基本原理和相关应用。
一、半导体的基本概念半导体是一种晶体结构的材料，其原子结构比金属和绝缘体都要复杂。
在半导体中，价电子能级与导带能级之间存在能隙，该能隙决定了半导体的导电性质。
半导体通常分为P型和N型两种类型。
二、P型半导体中电子的行为在P型半导体中，杂质原子掺入导致半导体中的空穴增加，即缺少一个价电子的位置。
电子通过空穴进行传导，形成电流。
在P型半导体中，电子从高能级的价带跃迁至低能级的导带，填补空缺的位置。
这里需要注意的是，电子的行为受到外界温度和电场的影响。
三、N型半导体中电子的行为与P型半导体相反，N型半导体中杂质原子的掺入导致半导体中成为电子供体，电子数量增加。
电子在N型半导体中形成电流。
与P型类似，电子从价带跃迁至导带，填充空缺的位置。
同样需要注意电子在外界条件下的行为变化。
四、PN结的行为PN结是由P型和N型半导体材料构成的结构，其具有特殊的导电特性。
当P型和N型半导体相接触时，形成的空间电荷区域会阻止电子的传导。
但是，当在PN结上施加正向电压时，空间电荷区域会被压缩，电流可以通过。
而反向电压下，空间电荷区域会扩展，电流被阻断。
五、半导体器件的应用半导体的特性使其被广泛应用于电子器件制造。
如晶体管、二极管等。
晶体管作为一种控制电流的器件，可以放大信号和开关电路。
二极管则具有整流特性，使电流只能在单个方向上流动。
这些器件的设计和制造依赖于对电子在半导体中行为的深入研究。
六、半导体物理学的研究进展随着科技的不断发展，半导体物理学的研究进展日新月异。
如表面态、量子效应等的发现，为半导体器件的精确控制和性能提升提供了新的思路。
同时，以硅材料为代表的半导体材料，在集成电路等领域的应用也在不断扩大。
半导体物理基础理论
在半导体中，载流子浓度取决于材料的种类和温 度。
3
载流子分布
在绝对零度以上，载流子分布遵循费米-狄拉克 分布。
载流子的产生与复合
热产生
在高温下，电子和空穴通过热激发产生。
光产生
当半导体受到光照时，电子和空穴可以通过光电效应 产生。
载流子复合
当电子和空穴相遇时，它们可以复合并释放出能量。
载流子的迁移率与扩散
量子通信
利用半导体的量子态传输和存储，可以实现 量子密钥分发和量子隐形传态等量子通信技
术，提高通信的安全性和保密性。
半导体物理在新能源领域的应用前景
要点一
太阳能电池
要点二
热电转换
利用半导体的光电效应，可以将太阳能转化为电能，为可 再生能源的发展提供技术支持。
利用半导体的热电效应，可以将热能转化为电能，为新能 源领域的发展提供新的思路。
迁移率
载流子的迁移率描述了载流子在电场作用下的移动速度。
扩散系数
载流子的扩散系数描述了载流子在浓度梯度作用下的扩散速度。
漂移速度
在电场作用下，载流子的平均漂移速度与电场强度成正比。
04
半导体中的热传导与热电效应
热传导的机制与模型
热传导机制
热传导是热量在物质内部由高温区域向低温区域传递的过程 。在半导体中，热传导主要通过晶格振动和自由电子/空穴的 碰撞来实现。
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半导体的导电机制
总结词
半导体的导电机制
详细描述
半导体的导电机制主要包括电子和空穴两种载流子。在半导体中，电子在价带中运动，当受到外界能量激 发时，电子会跃迁到导带，形成电流。空穴则是在价带中形成“空位”，也可以参与导电。
《半导体光电子学》课件
原理
通过受激辐射产生的一束相干光，实现信息传输或 高精度切割。
应用
医疗、通信、材料加工、激光雷达和光谱学等领域 的关键技术。
光通信中的半导体器件
1 光纤收发模块
将电信号转换为光信号并 通过光纤传输，实现远距 离高速通信。
2 光开关
通过控制光信号的传输路 径和光的开关，实现网络 的快速切换和重构。
3 光放大器
应用
住宅和商业建筑的能源供应、太阳能车、太空探索 和户外充电等。
形成了半导体器件的基础， 如二极管和太阳能电池。
了解能带之间的能级间隙 和激子的形成，有助于设 计电子器件。
LED （发光二极管）工作原理及其应用
原理
通过注入P型和N型半导体内的载流子复合释放出能 量，产生可见光。
应用
照明、显示屏、指示灯和满足复杂颜色需求的装饰 等各行各业。
激光器工作原理及其应用
III-V族化合物
在高频率、高功率和高温环境下表现出色，常 用于雷达和通信系统。
镓化物
优良的光电特性，广泛应用于激光器、LED等器 件。
有机半导体
灵活的分子结构，使其适用于柔性显示和光电 传感器等领域。
光电子物理基础知识
1 能带理论
描述了半导体中电子能级 的分布和载流子运动的机 制。
2 PN结
3 半导体能级
放大光信号强度，以确保 信号在传输过程中不衰减。
光电探测器及其应用
1
光电二极管
将光能转换为电能，并常用ห้องสมุดไป่ตู้光电信号检测与光通信系统。
2
光电倍增管（PMT）
高增益和灵敏度使其适用于低能光子探测和高精度测量。
3
光电二极管阵列
在光谱测量、光学成像和医学诊断方面有广泛应用。
《半导体器件物理》教学大纲(精)
《半导体器件物理》教学大纲（2006版）课程编码：07151022学时数：56一、课程性质、目的和要求半导体器件物理课是微电子学，半导体光电子学和电子科学与技术等专业本科生必修的主干专业基础课。
它的前修课程是固体物理学和半导体物理学，后续课程是半导体集成电路等专业课，是国家重点学科微电子学与固体电子学硕士研究生入学考试专业课。
本课程的教学目的和要求是使学生掌握半导体器件的基本结构、物理原理和特性，熟悉半导体器件的主要工艺技术及其对器件性能的影响，了解现代半导体器件的发展过程和发展趋势，对典型的新器件和新的工艺技术有所了解，为进一步学习相关的专业课打下坚实的理论基础。
二、教学内容、要点和课时安排第一章半导体物理基础（复习）（2学时）第二节载流子的统计分布一、能带中的电子和空穴浓度二、本征半导体三、只有一种杂质的半导体四、杂质补偿半导体第三节简并半导体一、载流子浓度二、发生简并化的条件第四节载流子的散射一、格波与声子二、载流子散射三、平均自由时间与弛豫时间四、散射机构第五节载流子的输运一、漂移运动迁移率电导率二、扩散运动和扩散电流三、流密度和电流密度四、非均匀半导体中的自建场第六节非平衡载流子一、非平衡载流子的产生与复合二、准费米能级和修正欧姆定律三、复合机制四、半导体中的基本控制方程：连续性方程和泊松方程第二章PN结（12学时）第一节热平衡PN结一、PN结的概念：同质结、异质结、同型结、异型结、金属－半导体结突变结、缓变结、线性缓变结二、硅PN结平面工艺流程（多媒体演示图2.1）三、空间电荷区、内建电场与电势四、采用费米能级和载流子漂移与扩散的观点解释PN结空间电荷区形成的过程五、利用热平衡时载流子浓度分布与自建电势的关系求中性区电势及PN结空间电荷区两侧的内建电势差六、解poisson’s Eq 求突变结空间电荷区内电场分布、电势分布、内建电势差和空间电荷区宽度（利用耗尽近似）P 结第二节加偏压的N一、画出热平衡和正、反偏压下PN结的能带图，定性说明PN结的单向导电性二、导出空间电荷区边界处少子的边界条件，解释PN结的正向注入和反向抽取现象P-结的直流电流-电压特性第三节理想N一、解扩散方程导出理想PN结稳态少子分布表达式，电流分布表达式，电流－电压关系二、说明理想PN结中反向电流产生的机制（扩散区内热产生载流子电流）第四节空间电荷区的复合电流和产生电流一、复合电流二、产生电流第五节隧道电流一、隧道电流产生的条件二、隧道二极管的基本性质（多媒体演示Fig2.12）I-特性的温度依赖关系第六节V一、反向饱和电流和温度的关系I-特性的温度依赖关系二、V第七节耗尽层电容，求杂质分布和变容二极管一、PN结C-V特性二、过渡电容的概念及相关公式推导求杂质分布的程序（多媒体演示Fig2.19）三、变容二极管第八节小讯号交流分析一、交流小信号条件下求解连续性方程，导出少子分布，电流分布和总电流公式二、扩散电容与交流导纳三、交流小信号等效电路第九节电荷贮存和反响瞬变一、反向瞬变及电荷贮存效应二、利用电荷控制方程求解s三、阶跃恢复二极管基本理论第十节P-Ｎ结击穿一、PN结击穿二、两种击穿机制，PN结雪崩击穿基本理论的推导三、计算机辅助计算例题2－3及相关习题第三章双极结型晶体管（10学时）第一节双极结型晶体管的结构一、了解晶体管发展的历史过程二、BJT的基本结构和工艺过程（多媒体图3.1）概述第二节基本工作原理一、理想BJT的基本工作原理二、四种工作模式三、放大作用（多媒体Fig3.6）四、电流分量（多媒体Fig3.7）五、电流增益（多媒体Fig3.8 3.9）第三节理想双极结型晶体管中的电流传输一、理想BJT中的电流传输：解扩散方程求各区少子分布和电流分布二、正向有源模式三、电流增益～集电极电流关系Ebers-）方程第四节爱拜耳斯-莫尔（Moll一、四种工作模式下少子浓度边界条件及少子分布二、E-M模型等效电路三、E-M方程推导第五节缓变基区晶体管一、基区杂质浓度梯度引起的内建电场及对载流子的漂移作用二、少子浓度推导三、电流推导四、基区输运因子推导第六节基区扩展电阻和电流集聚一、基区扩展电阻二、电流集聚效应第七节基区宽度调变效应一、基区宽度调变效应（EARLY效应）二、h FE和I CE0的改变第八节晶体管的频率响应一、基本概念：小信号共基极与共射极电流增益（α，h fe），共基极截止频率和共射极截止频率（Wɑ,Wß）,增益－频率带宽或称为特征频率（W T），二、公式（3－36）、（3－65）和（3－66）的推导三、影响截止频率的四个主要因素：τB 、τE 、τC 、τD及相关推导四、Kirk效应第九节混接 型等效电路一、参数：g m、g be 、C D的推导二、等效电路图（图3－23）三、证明公式（3－85）、（3－86）第十节晶体管的开关特性一、开关作用二、影响开关时间的四个主要因素：t d、t r、t f、t s三、解电荷控制方程求贮存时间t s第十一节击穿电压一、两种击穿机制二、计算机辅助计算：习题阅读§3.12 、§3.13 、§3.14第四章金属—半导体结（4学时）第一节肖特基势垒一、肖特基势垒的形成二、加偏压的肖特基势垒三、M－S结构的C-V特性及其应用第二节界面态对势垒高度的影响一、界面态二、被界面态钳制的费米能级第三节镜像力对势垒高度的影响一、镜像力二、肖特基势垒高度降低第四节肖特基势垒二极管的电流电压特性一、热电子发射二、理查德-杜师曼方程第五节肖特基势垒二极管的结构一、简单结构二、金属搭接结构三、保护环结构第六节金属-绝缘体-半导体肖特基势垒二极管一、基本结构二、工作原理第七节肖特基势垒二极管和PN结二极管之间的比较一、开启电压二、反向电流三、温度特性第八节肖特基势垒二极管的应用一、肖特基势垒检波器或混频器二、肖特基势垒钳位晶体管第九节欧姆接触一、欧姆接触的定义和应用二、形成欧姆接触的两种方法第五章结型场效应晶体管和金属-半导体场效应晶体管（4学时）第一节JFET的基本结构和工作过程一、两种N沟道JFET二、工作原理第二节理想JFET的I-V特性一、基本假设二、夹断电压三、I-V特性第三节静态特性一、线性区二、饱和区第四节小信号参数和等效电路一、参数：g l g ml g m C G二、JFET小信号等效电路图第五节JFET的截止频率一、输入电流和输出电流二、截止频率第六节夹断后的JFET性能一、沟道长度调制效应二、漏极电阻第七节金属-半导体场效应晶体管一、基本结构二、阈值电压和夹断电压三、I-V特性第八节JFET和MESFET的类型一、N—沟增强型N—沟耗尽型二、P—沟增强型P—沟耗尽型阅读§5.8 §5.9第六章金属-氧化物-场效应晶体管（10学时）第一节理想MOS结构的表面空间电荷区一、MOSFET的基本结构（多媒体演示Fig6-1）二、半导体表面空间电荷区的形成三、利用电磁场边界条件导出电场与电荷的关系公式（6－1）四、载流子的积累、耗尽和反型五、载流子浓度表达式六、三种情况下MOS结构能带图七、反型和强反型条件，MOSFET工作的物理基础第二节理想MOS电容器一、基本假设二、C～V特性：积累区，平带情况，耗尽区，反型区三、沟道电导与阈值电压：定义公式（6－53）和（6－55）的推导第三节沟道电导与阈值电压一、定义二、公式（6－53）和（6－55）的推导第四节实际MOS的电容—电压特性一、M-S功函数差引起的能带弯曲以及相应的平带电压，考虑到M-S功函数差，MOS结构的能带图的画法二、平带电压的概念三、界面电荷与氧化层内电荷引起的能带弯曲以及相应的平带电压四、四种电荷以及特性平带电压的计算五、实际MOS的阈值电压和C～V曲线第五节MOS场效应晶体管一、基本结构和工作原理二、静态特性第六节等效电路和频率响应一、参数：g d g m r d二、等效电路三、截止频率第七节亚阈值区一、亚阈值概念二、MOSFET的亚阈值概念第九节MOS场效应晶体管的类型一、N—沟增强型N—沟耗尽型二、P—沟增强型P—沟耗尽型第十节器件尺寸比例MOSFET制造工艺一、P沟道工艺二、N沟道工艺三、硅栅工艺四、离子注入工艺第七章 太阳电池和光电二极管（6学时）第一节半导体中光吸收一、两种光吸收过程二、吸收系数三、吸收限第二节 PN 结的光生伏打效应一、利用能带分析光电转换的物理过程（多媒体演示）二、光生电动势，开路电压，短路电流，光生电流（光电流）第三节 太阳电池的I-V 特性一、理想太阳电池的等效电路二、根据等效电路写出I-V 公式，I-V 曲线图（比较：根据电流分量写出I-V 公式）三、实际太阳能电池的等效电路四、根据实际电池的等效电路写出I-V 公式五、R S 对I-V 特性的影响第四节 太阳电池的效率一、计算 V mp I mp P m 二、效率的概念%100⨯=inL OC P I FFV η 第五节 光产生电流和收集效率一、“P 在N 上”结构，光照，x O L e G αα-Φ=少子满足的扩散方程二、例1－1，求少子分布，电流分布 三、计算光子收集效率：O npt col G J J Φ=η讨论：波长长短对吸收系数的影响少子扩散长度和吸收系数对收集效率的影响理解Fig7-9,Fig7-10所反映的物理意义第六节提高太阳能电池效率的考虑一、光谱考虑(多媒体演示)二、最大功率考虑三、串联电阻考虑四、表面反射的影响五、聚光作用第七节肖特基势垒和MIS太阳电池一、基本结构和能带图二、工作原理和特点阅读§7.8第九节光电二极管一、基本工作原理二、P-I-N光电二极管三、雪崩光电二极管四、金属－半导体光电二极管第十节光电二极管的特性参数一、量子效率和响应度二、响应速度三、噪声特性、信噪比、噪声等效功率（NEP）四、探测率（D）、比探测率（D*）第八章发光二极管与半导体激光器（4学时）第一节辐射复合与非辐射复合一、辐射复合：带间辐射复合，浅施主和主带之间的复合，施主－受主对（D-A 对）复合，深能级复合，激子复合，等电子陷阱复合二、非辐射复合：多声子跃迁，俄歇过程（多媒体演示），表面复合第二节LED的基本结构和工作过程一、基本结构二、工作原理（能带图）第三节LED的特性参数一、I-V特性二：量子效率：注射效率γ、辐射效率rη、内量子效率iη，逸出概率oη、外量子效率三、提高外量子效率的途径，光学窗口四、光谱分布，峰值半高宽FWHM,峰值波长，主波长，亮度第四节可见光LED一、GaP LED二、GaAs1-x P x LED三、GaN LED第五节红外LED一、性能特点二、应用光隔离器阅读§8.6 , §8.7 , §8.8 , §8.9 , §8.10(不做作业和考试要求)第九章集成器件（阅读，不做作业和考试要求）第十章电荷转移器件（4学时）第一节电荷转移一、CCD基本结构和工作过程二、电荷转移第二节深耗尽状态和表面势阱一、深耗尽状态—非热平衡状态二、公式（10-8）的导出第三节MOS电容的瞬态特性深耗尽状态的能带图一、热弛豫时间二、信号电荷的影响第四节信息电荷的输运转换效率一、电荷转移的三个因素二、转移效率、填充速率和排空率第五节电极排列和CCD制造工艺一、三相CCD二、二相CCD第六节体内（埋入）沟道CCD一、表面态对转移损耗和噪声特性的影响二、体内（埋入）沟道CCD的基本结构和工作原理第七节电荷的注入、检测和再生一、电注入与光注入二、电荷检测电荷读出法三、电荷束的周期性再生或刷新第八节集成斗链器件一、BBD的基本结构二、工作原理三、性能第九节电荷耦合图象器件一、行图象器二、面图象器三、工作原理和应用三、教学方法板书、讲授、多媒体演示四、成绩评价方式闭卷考试加平时作业、课堂讨论五、主要参考书目1、孟庆巨、刘海波、孟庆辉编著《半导体器件物理》，科学出版社，2005-6第二次印刷。
导体超导体半导体绝缘体
导体超导体半导体绝缘体导体、超导体、半导体和绝缘体是物质的不同类型，在电子学和固态物理学中起着重要的作用。
它们在电流传导、能量传输和半导体器件等领域都有不同的应用。
在本文中，我们将深入探讨这些材料的特性、应用和区别。
一、导体1. 导体的特性导体是能够良好地传导电子的物质。
它们通常具有以下特性：- 高电导率：导体的电导率（用于衡量其导电能力）非常高，其电子能够轻松地在物质内自由移动。
- 低电阻率：由于电导率高，导体的电阻率很低，这意味着在给定的电压下，电子可以顺畅地通过导体。
- 自由电子：导体中的电子能够脱离原子，并以自由态形式存在。
2. 导体的应用导体在许多领域中都有广泛的应用，包括：- 电线和电缆：导体的高电导率使其成为电线和电缆的理想选择，用于输送电力和数据。
- 电子器件：导体材料如铜和铝在电子器件中起着重要作用，例如电路板和电动机。
- 传感器：某些导体材料具有感应外部环境变化的能力，可作为传感器使用。
二、超导体1. 超导体的特性超导体是在极低温下表现出零电阻的材料。
以下是其主要特性：- 零电阻：在超导态下，电流可以在超导体中无阻力地流动，极大地提高了电流的传导效率。
- 费米液体：超导体中的电子以费米液体的形式存在，其行为和统计特性与常规导体不同。
- 驱动电场：超导体可以抵抗外部驱动电场并排斥磁场的渗透。
2. 超导体的应用超导体的特殊性质使其在以下领域中具有广泛的应用：- 磁共振成像（MRI）：超导体磁体被广泛用于医学成像中，MRI技术得益于超导体的零电阻和强磁场能力。
- 磁悬浮列车：超导磁体的强磁场性质使其成为磁悬浮列车的理想选择，在高速交通中提供无接触的悬浮效果。
- 能源传输：超导体的零电阻特性可用于高效能源传输，例如超导电缆和超导输电线路。
三、半导体1. 半导体的特性半导体是介于导体和绝缘体之间的材料，具有以下特性：- 电导率介于导体和绝缘体之间：半导体的电导率较低，但会随着温度、电场和杂质浓度的变化而改变。
半导体光电子学第2章_异质结
势垒区电场减弱，
破坏了载流子的扩散 运动和漂移运动之间 的平衡，削弱了漂移 运动，使扩散电流大 于漂移电流。
所以在加正向偏 压时，产生了电子从N 区向P区以及空穴从P 区到N区的净扩散电流。
由于pn结阻碍多数载流子的定向移动，因此从电路性质看，它 是高阻区。如果在半导体两端有外加电压，那么电压基本上都 施加在pn结上。现在在半导体加一个电压V，p区结电源正极， n区接负极，形成正向偏置。外加电压基本上都施加在pn结上， 这也等于在pn上施加一个外加电场E。外加电场的方向与内置 电场E0的方向相反，总电场E0-E比原来的电场小了。这削弱了 电子和空穴的势垒，由原来的eV0变为e(V0-V)。同时空间电荷 区宽度变窄，由原来的w0变为w。
x1 φ1
EC1
ΔEC
Eg1
F1
EV1
ΔEV
p
图2.1-1
x2 φ2
真空能级
EC2 F2
Eg2
EV2
N
②两种材料形成异质结后应处于同一平衡系统中，因而各自的费米能 级应相同； ③画出空间电荷区（由内建电势可求空间电荷区宽度），φ值在空间 电荷区以外保持各自的值不变； ④真空能级连续与带边平行（弯曲总量为两边费米能级之差，每侧弯 曲程度由费米能级与本征费米能级之差决定，由掺杂浓度决定）； ⑤而各自的χ、Eg不变。原来两种材料导带、价带位置之间的关系在 交界处不变。(即：ΔEc、ΔEv、Eg、Eg不变)
不论是n型或p型半导体材料，若Fermi能级都处于禁带 中。——轻掺杂半导体。 这时在外加电压作用下电子和空穴虽然也能复合产生光子， 但是由于载流子浓度有限，形成不了粒子数反转和受激辐射。 这种材料只能用于发光二极管。 为了使半导体材料在外界作用下实现粒子数反转，必须对半 导体进行重掺杂，使n型的Fermi能级处于导带中，p型的 Fermi能级处于价带中。
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晶体 : 结晶而成, 有规则几何外形, 有固定熔点. 固体 非晶体 : 无一定外形, 无固定熔点.
晶体的规则的几何外形是其构成粒子有规则排列的外部反映。 ［转引］构成晶体的粒子有分子、原子、离子等，据粒子种类及粒子间的相互作用的差别， 可将晶体分为离子晶体、分子晶体、原子晶体、金属晶体等。 3 晶体的原子结构 晶格的几何结构类型----14 个布拉菲格子， 原子，分子按规律分布于各格点 例如 NaCl,石 墨， （单质石墨不是原子晶体，石墨晶体是层状结构，以一个碳原子为中心，通过共价键连 接 3 个碳原子，形成网状六边形，属过渡型晶体。 ）金刚石的结构(原子晶体) 点阵+基元 [原胞：最小的重复单元，有多种选择，惯用选取 晶胞：考虑了对称性的最小重复单元，总是原胞体积的整倍数，惯用晶胞的选取] (1) 晶胞 晶体是由无数晶胞紧密堆积构成的。所谓晶胞，是指晶体中最基本的重复单元（注意不 是最小） 。 晶胞 是 晶 体的 代 表，是 晶 体中的 最小单 位 。晶胞 并置起来 ，则 得到 晶 体。晶胞 的 代 表性体 现 在以下 两个 方 面：一是 代 表 晶 体的 化 学组成；二是 代 表 晶 体的 对 称 性，即 与 晶 体 具 有 相 同的 对 称 元 素 （ 对 称轴 、 对 称 面和 对 称 中 心 ） 。 (2)离子晶体的晶格质点是阴、阳离子．质点间的作用是离子键； ［转引］离子晶体中，阴阳离子按一定规律在空间排列，请看 NaCl 晶体模型。 ［讲述］NaCl 晶体呈立方体外形，其整齐的外形反映了晶体内部结构的规整性，用 X 射线 衍射法可测定 NaCl 的晶体结构。
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CsCl 的晶胞 CsCl 晶体的一个晶胞中： ＋ Cs 数：8×1/8=1 － Cl 数：1×1=1 所以，氯化铯晶体的化学式为 CsCl。 ［小结］氯化钠和氯化铯的晶体是典型的两种离子晶体，均由阴、阳离子依靠离子键按一定 规则紧密堆积而成。 由于粒子半径和粒子位置不同致使两者有不同的晶体结构， 前者为立方 面心结构，后者为立方体心结构。希望同学结合模型进行对比，加强认识，以便准确判断。 ［过渡］在离子晶体中，离子间存在着较强的离子键，那么表现在性质上会有何特点呢？请 同学们借此并联系实际对离子晶体的熔沸点、硬度、挥发性、导电性、机械加工等一般性质 进行推测。 (3)原子晶体的晶格质点是原子．质点间的作用是共价键； [共价键 是 化 学 键 的一种， 两个 或 多个 原子 共 同 使用 它 们 的外 层 电子，在理 想 情况 下 达 到 电子 饱 和的状态，由 此 组成 比 较稳 定和 坚 固的 化 学结构 叫做 共价键 。 与离子 键 不同的是 进 入 共价键 的原子 向 外不 显 示 电 荷 ，因 为 它 们并 没有 获 得 或 损失 电子。共价键 的 强 度 比 氢 键 要 强 ，与离子 键差 不 太 多 或有 些 时 候甚至 比 离子 键 强 ]( 多数原子晶体为绝缘体，有些如硅、锗等是优良的半 导体材料) (4)分子晶体的晶格质点是分子．质点间的作用为分子间作用力．(即范德华力和氢键)； （A） 、氢键的成因： 当氢原子与电负性大的原子 X 以共价键相结合时，由于 H—X 键具有强极性，这时 H 相对 带上较强的正电荷，而 X 相对带上较强的负电荷。当氢原子以其唯一的一个电子与 X 成键 后，就变成无内层电子、半径极小的核，其正电场强度很大，以至当另一 HX 分子的 X 原 子以其孤对电子向 H 靠近时，非但很少受到电子之间的排斥，反而互相吸引，抵达一定平 衡距离即形成氢键。 （B） 、氢键的相关知识 ）与 H <1>．氢健的形成条件：半径小、吸引电子能力强的原子（ N 、 O 、 F 核。 <2>．氢键的定义：半径小、吸引电子能力强的原子与 H 核之间的很强的作用叫氢键。通常 我们可以把氢键看做一种比较强的分子间作用力。 <3>．氢键的表示方法：X—H· · ·Y（X、Y 可以相同，也可以不同） <4>．氢键对物质的性质的影响：可以使物质的熔沸点 升高 ，还对物质的 溶解度 等也有影响。 如在极性溶剂中，如果溶质分子和溶剂分子间能形成氢键，就会促进分子间的结合，导致溶 解度增大。例如：由于乙醇分子与水分子间能形成不同分子间的氢键，故乙醇与水能以任意 比互溶。 而乙醇的同分异构体二甲醚分子中不存在羟基， 因而在二甲醚分子与水分子间不能 形成氢键，二甲醚很难熔解于水。
4 半导体的原胞结构----类金刚石结构
1 =4 4 1 1 － Cl 数：8× +6× =4 8 2
Na 数：1+12×
＋
显然，N
( Na + )
∶N ( Cl − ) =1∶1，故氯化钠晶体的化学式为 NaCl。
［小结］研究离子晶体的结构及组成要立足晶胞，首先分析晶胞中离子间的关系，然后展开 空间想象，分析形与数的关系，从而认识离子晶体中的粒子关系。 ［PPT 展示］CsCl 晶体模型 ［投影］CsCl 晶体中： ＋ － － ＋ 1.每个 Cs 同时吸引 个 Cl ，每个 Cl 同时吸引 个 Cs 。 － － 2.Cs 和 Cl 的数目比为 。 3.是否存在单个 CsCl 分子 。 ［答案］8 8 1∶1 否 ［投影］右图为 CsCl 晶体的一个晶胞，试计算属于该晶胞的离子数，并确定晶体化学式。
等径圆球要以最密集的方式排成一列（密置列） ，进而并置成一层（密置层） ，再叠成两层（密置双层） ， 都只有右图所示的一种方式（说明：本章金属单质晶体的每一幅球堆积图上，球都是同种原子，色调只用 来区别不同的密置层或不同环境） ：
从一个密置层上，可以看出这样几点： < 1>. 层上有 3 个特殊位置: 球心投影 A、上三角凹坑 B 和下三角凹坑 C. 我们不妨以该层为参照层，称 之为 A 层 (有的教科书以小写字母代表三角形凹坑位置. 由于这些凹坑将会作为新一层的球心投影, 所以，本章对球 心投影和三角形凹坑位置一律采用大写字母, 从上下文不难区分其含义). <2>. 若第二层要叠加到 A 层上，它的各个球都要寻找 A 层的凹坑 B 或 C, 以达到稳定状态；而且，一 旦有一个球置入凹坑 B，则其余的球只能都置于 B（即第二层的球心投影在第一层的 B 处） ，故称第二层为 B 层；当然，若第二层某个球一开始置入凹坑 C，则第二层就是 C 层. 但由于上下三角只是相对而言, 所以 总可以称第二层为 B 层. 不过，无论如何，第二层既不会是 A，也不可能同时占据凹坑 B 与 C. 所以，两 个相邻层不会同名，同一个密置层也不会有两个名称。 <3>. 第三层叠加到第二层 B 上时，当然不可能为 B, 而只可能为 C 或 A. <4>. 由于第一层只有 3 个特殊位置 A、B、C，所以，无论叠加多少密置层，其球心投影到第一层也不外 乎这 3 个位置，换言之，密置层最多只有 A、B、C 三种; 又因相邻层不会同名, 所以, 密置层最少有 A、B 两种（你可能在文献中看到有些密置层标记为 H，那是另一套表示法: 若某层的上下两层相同, 则把中间这 一层记作 H, 否则记作 C）. <5>. 若以后各层均按此方式循环, 每三层重复一次，或每两层重复一次，就只会产生两种结构： (1※)ABCABC……, 即每三层重复一次, 这种结构称为 A1 型(左图), 从中可以取出立方面心晶胞;
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Ch2 (2※)ABABAB……, 即每两层重复一次, 称为 A3 型(右图), 可取出六方晶胞. 这两种最密堆积是金属单质晶体的典型结构，将重点讨论. < 6>. 尽管密置层最多只有 A、B、C 三种，但它们也可能不按 A1 或 A3 那样循环，就是说, 还有其它不 规则的最密堆积方式, 如: ABAC…, ABABCBCAC…, ABACABAC…, ABCBACBC…, 等等. 但本课不讨论 它们.
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第二章 半导体光电子学物理基础 一、 材料的物理结构 1.材料分类 固，液，气，等离子体[按原子存在状态]（或凝聚态、气态、等离子体） 物质存在的状态，通常有气体、液体和固体三种状态。这三种状态各有明显的特征。气 体：没有一定的体积和形状；液体：有一定的体积，但没有一定的形状；固体：有一定的体 积和形状。同一种物质，在不同条件下，能处于不同的状态。 等离子体是部分电离的气体，是物质常见的固体、液体、气态以外的第四态。等离子体 由电子、离子、自由基、光子以及其他中性粒子组成。由于等离子体中的电子、离子和自由 基等活性粒子的存在，其本身很容易与固体表面发生反应。 2.固体分类[按原子的结合规律]非晶态，晶态 固体又分为晶体和非晶体两大类。晶体的分子是有规则的排列（长程有序） 。如食盐、 金刚石、石黑等，分子有规则的排列也使这些晶体有规则的天然外形。如玻璃体的面心立方晶胞（FCC） ［转引］下面请同学们结合氯化钠晶体模型思考以下问题，氯化钠晶体中： ＋ － － ＋ 1.每个 Na 同时跟几个 Cl 通过离子键相结合，每个 Cl 又同时跟几个 Na 相结合？ ＋ － 2.Na 和 Cl 的数目之比为多少？ 3.整个晶体中是否存在单个的 NaCl 分子。 ［投影小结］NaCl 晶体中： ＋ － － ＋ 1.每个 Na 同时吸引 6 个 Cl ，每个 Cl 同时吸引 6 个 Na ＋ － 2.Na 和 Cl 的数目比为 1∶1。 3.整个晶体中不存在单个的 NaCl 分子。 ［强调］ “NaCl”是表示离子晶体中离子个数比的化学式，而不是表示分子组成的分子式。 ［讨论］从氯化钠晶体的晶胞出发，想象氯化钠晶体的三维结构，指出晶胞与晶体的关系， 进一步认识晶胞中阴、阳离子的相对位置，并讨论分析属于一个晶胞中的离子数目。 ［分析］NaCl 晶体的晶胞是立方体，处于立方体顶点上的离子，在晶体结构中被 8 个晶胞 共有，该离子只 1/8 属于该晶胞；处于立方体棱上的离子，在晶体结构中被 4 个晶胞共有， 该离子只 1/4 属于该晶胞；处于立方体面上的离子，在晶体结构中被 2 个晶胞共有，该离子 只 1/2 属于该晶胞；处于立方体内部的离子，则完全属于该晶胞。由此可推知氯化钠晶体的 一个晶胞中：