半导体物理复习(1)
半导体物理复习与总结1答辩
no p0 Nc NV e
Ec EF kT
e
E E F v kT
Nc NV e
Eg kT
非简并半导体的统计分布规律
本征半导体
f ( E) f B ( E ) Ae
E k0T
杂质半导体
1 f D (E) 1 ED EF 1 exp( ) 2 k 0T 1 f A (E) 1 EF E A 1 exp( ) 2 k 0T
NA
1
pA N A pA
NA 1 2e
EF E A kT
非简并半导体中载流子浓度
2kTmdn 导带中电子浓度： no N / V 2 e 2 h
3/ 2 Ec EF kT 价带中空穴浓度po NV e
EF Ev kT
2kTmdp NV 2 h2
3/ 2
电子和空穴的乘积
nD N D f ( E D )
1 e 2
ED EF kT
ND
1
— 未电离的施主浓度
电离的施主浓度nD+为：
n N D nD 2e
D
ED EF kT
ND
1
没有电离的受主浓度pA为：
pA N A f p (EA )
电离的受主浓度pA-为：
1 e 2
E A EF kT
非简并半导体
服从费米统计规律 电子：
1 f (E) E EF 1 exp( ) k0T 1 f p (E) 1 f (E) EF E 1 exp( ) k0T
注：只有重掺杂的半导体才有可能是简并半导 体
半导体物理学复习指导
2014-3-19
半导体物理考前复习（第七章）
MS结构、功函数、接触电势差、表面势；
金属-半导体接触后能带结构的变化（n型和p型，Wm>Ws和Wm<Ws）; 阻挡层、反阻挡层、能带弯曲情况（P191-193）；
表面态及类型；
MS结构在偏压下的接触电势差变化和单向导电性（即整流效应）； MS结构扩散理论适用条件（势垒宽度远大于平均自由程）及伏安特性；
23
半导体物理考前复习
3、第四章有关计算（载流子浓度、杂质浓度，电导率）：
载流子寿命测量的方法；
热平衡状态的标志——统一的费米能级； 非平衡状态下的费米能级特点——导带和价带费米能级不重合——准费
米能级，但各自适用；
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半导体物理考前复习（第五章）
准费米能级偏移平衡态费米能级的程度受非平衡载流子浓度的影响规
律—多数载流子准费米能级偏离少，少数载流子费米能级偏移多（P132）； 复合理论（概念、分类、产生率、复合率、复合中心、有效复合中心的
极值点代入准动量公式，得准动量变化量；
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半导体物理考前复习
2、第三章有关计算（载流子浓度、温度、杂质浓度）： 判断是否是平衡态，是否满足非简并条件； 判断半导体类型，判断本征浓度是否可忽略； 熟记常用公式； 运用相关公式变形，求出未知量； 1 E f (E) f B ( E ) A exp( ) E EF k0T 1 exp( ) k0T
外加电压下势垒区内载流子的运动方向、能带结构的变化、单向导电性；
理想pn结模型及其电流电压方程：（模型4要点、电流电压计算步骤）； 单向导电性和温度对方向电流的影响（正相关、禁带宽度大，变化快）；
半导体物理复习资料全
第一章 半导体中的电子状态1. 如何表示晶胞中的几何元素？规定以阵胞的基矢群为坐标轴，即以阵胞的三个棱为坐标轴，并且以各自的棱长为单位，也称晶轴。
2. 什么是倒易点阵（倒格矢）？为什么要引入倒易点阵的概念？它有哪些基本性质？ 倒格子： 2311232()a a b a a a π⨯=⋅⨯3122312()a a b a a a π⨯=⋅⨯1233122()a a b a a a π⨯=⋅⨯ 倒格子空间实际上是波矢空间，用它可很方便地将周期性函数展开为傅里叶级数，而傅里叶级数是研究周期性函数的基本数学工具。
3. 波尔的氢原子理论基本假设是什么？（1）原子只能处在一系列不连续的稳定状态。
处在这些稳定状态的原子不辐射。
（2）原子吸收或发射光子的频率必须满足。
（3）电子与核之间的相互作用力主要是库仑力，万有引力相对很小，可忽略不计。
（4）电子轨道角动量满足：h m vr nn π== 1,2,3,24. 波尔氢原子理论基本结论是什么？ （1） 电子轨道方程：0224πεe r mv = （2） 电子第n 个无辐射轨道半径为：2022meh n r n πε= （3） 电子在第n 个无辐射轨道大巷的能量为：222042821hn me mv E n n ε== 5. 晶体中的电子状态与孤立原子中的电子状态有哪些不同？（1）与孤立原子不同，由于电子壳层的交迭，晶体中的电子不再属于某个原子，使得电子在整个晶体中运动，这样的运动称为电子共有化运动，这种运动只能在相似壳间进行，也只有在最外层的电子共有化运动才最为显著。
（2）孤立原子钟的电子运动状态由四个量子数决定，用非连续的能级描述电子的能量状态，在晶体中由于电子共有化运动使能级分裂为而成能带，用准连续的能带来描述电子的运动状态。
6. 硅、锗原子的电子结构特点是什么？硅电子排布：2262233221p s p s s锗电子排布：22106262244333221p s d p s p s s价电子有四个：2个s 电子，2个p 电子。
半导体物理学复习提纲(重点)教学提纲
第一章 半导体中的电子状态§1.1 锗和硅的晶体结构特征 金刚石结构的基本特征§1.2 半导体中的电子状态和能带 电子共有化运动概念绝缘体、半导体和导体的能带特征。
几种常用半导体的禁带宽度； 本征激发的概念§1.3 半导体中电子的运动 有效质量导带底和价带顶附近的E(k)~k 关系()()2*2nk E k E m 2h -0=； 半导体中电子的平均速度dEv hdk=； 有效质量的公式：222*11dk Ed h m n =。
§1.4本征半导体的导电机构 空穴空穴的特征：带正电；p n m m **=-；n p E E =-；p n k k =-§1.5 回旋共振§1.6 硅和锗的能带结构 导带底的位置、个数； 重空穴带、轻空穴第二章 半导体中杂质和缺陷能级§2.1 硅、锗晶体中的杂质能级基本概念：施主杂质，受主杂质，杂质的电离能，杂质的补偿作用。
§2.2 Ⅲ—Ⅴ族化合物中的杂质能级 杂质的双性行为第三章 半导体中载流子的统计分布热平衡载流子概念§3.1状态密度定义式：()/g E dz dE =；导带底附近的状态密度：()()3/2*1/232()4ncc m g E VE E h π=-；价带顶附近的状态密度：()()3/2*1/232()4p v Vm g E V E E hπ=-§3.2 费米能级和载流子的浓度统计分布 Fermi 分布函数：()01()1exp /F f E E E k T =+-⎡⎤⎣⎦；Fermi 能级的意义：它和温度、半导体材料的导电类型、杂质的含量以及能量零点的选取有关。
1）将半导体中大量的电子看成一个热力学系统，费米能级F E 是系统的化学势；2）F E 可看成量子态是否被电子占据的一个界限。
3）F E 的位置比较直观地标志了电子占据量子态的情况，通常就说费米能级标志了电子填充能级的水平。
半导体物理复习资料
第一章 半导体中的电子状态1.导体、半导体、绝缘体的划分：Ⅰ导体内部存在部分充满的能带，在电场作用下形成电流；Ⅱ绝缘体内部不存在部分充满的能带，在电场作用下无电流产生； Ⅲ半导体的价带是完全充满的，但与之上面靠近的能带间的能隙很小，电子易被激发到上面的能带，使这两个能带都变成部分充满，使固体导电。
2.电子的有效质量是*n m ，空穴的有效质量是*p m ；**np m m -=，电量等值反号，波矢k 与电子相同 能带底电子的有效质量是正值，能带顶电子的有效质量是负值。
能带底空穴的有效质量是负值，能带顶空穴的有效质量是正值。
3.半导体中电子所受的外力dtdkh f ⋅=的计算。
4.引进有效质量的意义：概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用。
第二章 半导体中杂质和缺陷能级1.施主能级：被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级E D ；施主能级很接近于导带底；受主能级：被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级E A ；受主能级很接近于价带顶。
施主能级图 受主能级图2.浅能级杂质：杂质的电离能远小于本征半导体禁带宽度的杂质，电离后向相应的能带提供电子或空穴。
深能级杂质：能级位于禁带中央位置附近，距离相应允带差值较大。
深能级杂质起复合中心、陷阱作用；浅能级杂质起施主、受主作用。
3.杂质的补偿作用：半导体中同时含有施主和受主杂质，施主和受主先相互抵消，剩余的杂质发生电离。
在Ⅲ-Ⅴ族半导体中(Ga-As )掺入Ⅳ族杂质原子(Si )，Si 为两性杂质，既可作施主，亦可作受主。
设315100.1-⨯=cm N A ，316101.1-⨯=cm N D ；则316100.1-⨯=-=cm N N n A D 由p n n i ⋅=2，可得p 值；①p n ≈时，近似认为本征半导体，i F E E =；②p n μμ=时，本征电导p n σσ=； p n >>时，杂质能级靠近导带底；第三章 半导体中载流子的统计分布1.费米分布函数(简并半导体)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-+=Tk E E E f F 0exp 11)((本征)；⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-+=T k E E E f F 0exp 2111)((杂质)；玻尔兹曼分布函数(非简并半导体) ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-=T k E A E f B0exp )(；2.费米能级：TF N F E ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂==μ；系统处于热平衡状态，也不对外界做功的情况下，系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化，等于系统的化学势，也就是等于系统的费米能级。
半导体物理_复习总结(刘恩科)
半导体物理
准费米能级
当半导体处于非平衡状态，不再具有统一的费米能 级，引入准费米能级
非平衡态下电子浓度：
n
ni
exp
Ei EFn k0T Βιβλιοθήκη 非平衡态下空穴浓度：p
ni
exp
Ei EFp k0T
以及其他大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期变化的， 并且它的周期与晶格周期相同。
半导体物理
半导体中的电子运动
半导体中E(k)与k的关系
电子速度与能量关系
电子有效质量
mn*
h2 d2E
dk 2
半导体物理
有效质量的意义：
f
a
1、概括了半导体内部势场 的作用 2、a是半导体内部势场和 外电场作用的综合效果 3、直接将外力与电子加速 度联系起来
(1) VG<0，多子积累 •绝对值较大时，，空穴聚集表面， C＝C0，AB段（半导体看成导通） •绝对值较小时，C0和Cs串联，C随 V增加而减小，BC段 (2)VG＝0 CFB－表面平带电容 (3) VG>0 •耗尽状态：VG增加，xd增大，Cs减小，CD段 •Vs>2VB时： EF段（低频）强反型，电子聚集表面， C＝C0 GH段（高频）：反型层中电子数量不能随高频信号而变，对电容无贡献， 还是由耗尽层的电荷变化决定（强反型达到xdm不随VG变化，电容保持最小 值）；GH段
玻尔兹曼分布函数
条件：E-EF>>k0T EEF
fB E e k0T
费米统计分布：受到泡利不相容原理限制 玻尔兹曼分布：泡利原理不起作用
半导体物理复习资料全
第一章 半导体中的电子状态1. 如何表示晶胞中的几何元素？规定以阵胞的基矢群为坐标轴，即以阵胞的三个棱为坐标轴，并且以各自的棱长为单位，也称晶轴。
2. 什么是倒易点阵（倒格矢）？为什么要引入倒易点阵的概念？它有哪些基本性质？ 倒格子： 2311232()a a b a a a π⨯=⋅⨯3122312()a a b a a a π⨯=⋅⨯1233122()a a b a a a π⨯=⋅⨯倒格子空间实际上是波矢空间，用它可很方便地将周期性函数展开为傅里叶级数，而傅里叶级数是研究周期性函数的基本数学工具。
3. 波尔的氢原子理论基本假设是什么？（1）原子只能处在一系列不连续的稳定状态。
处在这些稳定状态的原子不辐射。
（2）原子吸收或发射光子的频率必须满足。
（3）电子与核之间的相互作用力主要是库仑力，万有引力相对很小，可忽略不计。
（4）电子轨道角动量满足：h m vr nn π== 1,2,3,24. 波尔氢原子理论基本结论是什么？ （1） 电子轨道方程：0224πεe r mv = （2） 电子第n 个无辐射轨道半径为：2022meh n r n πε= （3） 电子在第n 个无辐射轨道大巷的能量为：222042821hn me mv E n n ε== 5. 晶体中的电子状态与孤立原子中的电子状态有哪些不同？（1）与孤立原子不同，由于电子壳层的交迭，晶体中的电子不再属于某个原子，使得电子在整个晶体中运动，这样的运动称为电子共有化运动，这种运动只能在相似壳间进行，也只有在最外层的电子共有化运动才最为显著。
（2）孤立原子钟的电子运动状态由四个量子数决定，用非连续的能级描述电子的能量状态，在晶体中由于电子共有化运动使能级分裂为而成能带，用准连续的能带来描述电子的运动状态。
6. 硅、锗原子的电子结构特点是什么？硅电子排布：2262233221p s p s s锗电子排布：22106262244333221p s d p s p s s价电子有四个：2个s 电子，2个p 电子。
复习题半导体物理学
复习题：半导体物理学引言：半导体物理学是研究半导体材料的电学和光学性质的科学学科。
半导体材料由于其特殊的能带结构，介于导体和绝缘体之间。
在半导体物理学中，我们研究电子行为、能带理论、掺杂效应和半导体器件等方面的内容。
本文将通过一系列复习题来回顾半导体物理学的相关知识。
一、电子行为：1. 什么是载流子？在半导体中有哪两种类型的载流子？在半导体中，带有电荷的粒子称为载流子。
一种是带负电荷的电子，另一种是带正电荷的空穴。
2. 什么是能带？能带理论是用来描述什么的？能带是指具有一定能量范围的电子能级分布。
能带理论用于描述电子在半导体中的分布和运动行为。
3. 什么是禁带宽度？它对半导体的导电性质有什么影响？禁带宽度是指能带中能量差最小的范围，该范围内的能级没有允许态。
禁带宽度决定了半导体的导电性能。
能带中存在禁带宽度时，半导体表现出绝缘体的性质；当禁带宽度足够小的时候，允许电子状态穿越禁带，半导体表现出导体的性质。
二、掺杂效应：1. 什么是掺杂？常见的掺杂元素有哪些？掺杂是指向纯净的半导体中引入少量杂质元素，以改变半导体的导电性质。
常见的掺杂元素有磷、锑、硼等。
2. 控制掺杂浓度的方法有哪些？掺杂浓度可以通过掺杂杂质元素的量来控制。
掺杂浓度越高，半导体的导电性越强。
3. P型和N型半导体有什么区别？P型半导体是指通过掺杂三价元素使半导体中存在过剩的空穴，空穴是主要的载流子。
N型半导体是指通过掺杂五价元素使半导体中存在过剩的电子，电子是主要的载流子。
三、半导体器件：1. 什么是PN结？它的主要作用是什么？PN结是由P型半导体和N型半导体组成的结构。
PN结的主要作用是将半导体材料的导电性质从P型区域传导到N型区域，形成电子流和空穴流。
2. 什么是二极管？它的特点是什么？二极管是PN结的一种常见应用。
它具有单向导电性，允许电流从P区域流向N区域，而阻止电流从N区域流向P区域。
3. 什么是晶体管？它的工作原理是怎样的？晶体管是由三个掺杂不同类型的半导体构成的器件。
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－物理意义：
电子达到热平衡时，能量为E的能级被电子占据的几率。 1
f (E) 1 e(EEF )/ k0T
费米能级EF：反映电子的填充水平，是电子统计规律的
一个基本概念。
Ei表示本征情况下的费米EF能级，基本上相当于 禁带的中线。
温度升高，能量比EF高的量子态 被电子占据的概率上升。
不管费米能级的具体位置如何，对于任一给定的非简并半导体 材料，在给定温度下的电子、空穴浓度的乘积总是恒定的。
（2）导带和价带中的载流子浓度
本征情况
定义式: dN＝fB EgC EdE
单位体积下，导带中的电子浓度n和价带中的空穴
浓度p分别为：
n N e( Ec EF ) / k0T c
3、电子和空穴的有效质量m*
半导体中的载流子的行为可以等效为自由粒子， 但与真空中的自由粒子不同，是考虑了晶格作用 后的等效粒子。
1 有效质量： mn
1 h2
d2E dk2
k0
有效质量可正、可负，取决于与晶格的作用
如果把在晶体的周期势场作用下运动的电子，等效 看成一个自由运动的准粒子，则该准粒子的等效
T>0k， 若E= EF ， 则f(E) =1/2 ； 若E< EF ， 则f(E) >1/2 ； 若E> EF ， 则f(E) <1/2 ；
A:0k, B:300k, C:1000k, D:1500k
费米分布函数与温度的关系
费米能级能够画在能级图上，表明它和量子态的能级一样，描 述的是一个能量的高低。但是，它和量子能级不同，它并不代 表电子的量子态，而只是反映电子填充能带情况的一个参数。 从图看到，从重掺杂p型到重掺杂N型，费米能级越来越高， 填进能带的电子越来越多。
晶格 在点阵中把所有格点连接起来所构成网络
结点示意图
晶体结构 = 点阵 + 结构基元
NaCl的晶体结构
间接带隙半导体
带隙半导体
Si、Ge和GaAs的能带结构
二、基本概念
1. 能带，允带，禁带，K空间的能带图 能带: 在晶体中可以容纳电子的一系列能级 允带：分裂的每一个能带都称为允带。 禁带：晶体中不可以容纳电子的一系列能级 K空间的能带图：晶体中的电子能量随电子波矢k
质量称为有效质量，一般由E-k关系给出，可正、
可负，电子正，空穴负。
有效质量概括了晶体势场对电子运动的影响
4.空穴：空穴是几乎被电子填满的能带中未被电子占据的 少数空的量子态，这少量的空穴总是处于能带顶附近。是 价电子脱离原子束缚后形成的电子空位，对应于价带顶的 电子空位。把半导体中的空穴看成一个带有电荷为+q，并 以该空状态相应的电子速度v(k)运动的粒子，它具有正的 有效质量，价带中大量电子的导电作用可以用少数空穴的 导电作用来描写。
施主杂质：能够施放电子而在导带中产生电子并形成正 电中心的杂质，称为施主杂质，掺有施主杂质的半导体 叫N型半导体。
施主能级被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级 ED，施主能级位于离导带低很近的禁带中。 施主杂质电离能：导带底EC与施主能级ED的能量之差 ED=EC-ED就是施主杂质的电离能。施主杂质未电离时是 中性的，电离后成为正电中心。
半导体的晶体结构：主要有
金刚石结构（ Ge、Si）
闪锌矿结构（GaAs等III-V族和CdTe等II-VI族化合物） 纤锌矿结构（部分III-V族和II-VI族化合物)
◆金刚石结构
◆闪锌矿结构
◆纤锌矿结构
晶体结构的拓扑描述
结点(格点)
构成晶体空间结构的质点的重心
空间点阵 晶体的内部结构可以概括为是由一些相同的结点在空 间有规则地作周期性的无限分布，结点的空间集合称为点阵。
2.受主杂质，受主能级，受主杂质电离能
受主杂质：能够能够接受电子而在价带中产生空穴，并形 成负电中心的杂质，称为受主杂质，掺有受主杂质的半导 体叫P型半导体。
受主能级：被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能 级EA，受主能级位于离价带低很近的禁带中。 受主杂质电离能：价带顶EV与受主能级EA的能量之差 EA=EV-EA就是受主杂质的电离能。受主杂质未电离时是 中性的，电离后成为负电中心
半导体物理复习
第一章
一、常见的半导体材料
晶体的结构
1）晶体和晶格：由于构成晶体的粒子的不同性质，使 得其空间的周期性排列也不相同；为了研究晶体的结 构，将构成晶体的粒子抽象为一个点，这样得到的空 间点阵成为晶格。
2）晶体结构与原子结合的形式有关
晶体结合的基本形式：共价结合、离子结合、金属结 合、范德瓦耳斯结合
当同一块半导体中同时存在施主杂质和受主杂质时，这种两 种不同类型的杂质有相互抵偿的作用，称为杂质补偿作用。 补偿后半导体中的净杂质浓度为有效杂质浓度，只有有效的 杂质浓度才能有效地提供载流子浓度。
n＝ND－N A ND
p＝N A－ND N A
（a） ND>>NA
（b）ND << NA
第三章 半导体中的载流子浓度
的变化曲线，即E（K）关系。
（1）越靠近内壳层的 电子，共有化运动弱， 能带窄。
（2）各分裂能级间能 量相差小，看作准连续
（3）有些能带被电子 占满（满带），有些被 部分占满（半满带）， 未被电子占据的是空带。
原子能级
能带
2、半导体的导带，价带和禁带宽度
导带
Eg
价带
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 禁带宽度：导带底与价带顶之间的能量差
施主能级
受主能级
△ED △E
3.本征半导体，杂质半导体，杂质补偿半导体 本征半导体：没有杂质原子且晶体中无晶格缺陷 的纯净半导体 杂质半导体：掺有施主杂质的N型半导体或掺有 受主杂质的p型半导体都叫杂质半导体 杂质补偿半导体：同一半导体区域内既含有施主 杂质又含有受主杂质的半导体
杂质的补偿原理----pn结实现原理
5.直接价带顶对应的电子波矢相同
间接带隙半导体：导带低和价带顶对应的电子波矢不相同
二. 基本公式
有效质量
m*
h2 d 2E
dk 2
速度： 1 dE
h dk
hdk F dt
T 2 / a
v(k)
第二章
基本概念
1.施主杂质，施主能级，施主杂质电离能