半导体物理
第一章 半导体物理基础解析
– 在能带中，能量E附近单位能量间隔内的量子 态数
g(E) dZ/dE
在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态
费米－狄拉克统计分布规律
• 温度为T（绝对温度）的热平衡态下，半导体中电子占据能量为E
的量子态的几率是
f (E)
1
exp( E EF ) 1
kT
– k是玻尔兹曼常数，EF是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。 – 当E-EF>>kT时，f（E）=0，说明高于EF几个kT以上的能级都是空的；而当E-EF<<kT
• 平均自由时间愈长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少， 载流子的迁 移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平均自由时间和有 效质量不同。
Hall效应
• 当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时， 则在半导体的两侧产生一横向电势差，其方向同时垂直 于电流和磁场，这种现象称为半导体的Hall效应。
简化能带图
1.3 半导体中的载流子
• 导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子， 是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。
满带
E
当电子从原来状态转移 到另一状态时，另一电子 必作相反的转移。没有额 外的定向运动。满带中电 子不能形成电流。
半（不）满带
E
半满带的电子可在外 场作用下跃迁到高一 级的能级形成电流。
能带结构：
(“施主能级”)
空带 施主能级 施主能级与上
空带下能级的
Eg
能级间隔称“
ED 施主杂质电离
满带
能”( ED )
导电机制：
空带
Eg
满带
施主能级
这种杂质可提 供导电电子故
ED 称为施主杂质
半导体物理
半导体物理思考题第一章半导体中的电子状态1、为什么内壳层电子能带窄，外层电子能带宽？答：内层电子处于低能态，外层电子处于高能态，所以外层电子的共有化运动能力强，因此能带宽。
（原子的内层电子受到原子核的束缚较大，与外层电子相比，它们的势垒强度较大。
）2、为什么点阵间隔越小，能带越宽？答：点阵间隔越小，电子共有化运动能力越强，能带也就越宽。
3、简述半导体的导电机构答：导带中的电子和价带中的空穴都参与导电。
4、什么是本征半导体、n型半导体、p型半导体？答：纯净晶体结构的半导体称为本征半导体；自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体称为n型半导体；空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体称为p型半导体。
5、什么是空穴？电子和空穴的异同之处是什么？答：（1）在电子脱离价键的束缚而成为自由电子后，价键中所留下的空位叫空穴。
（2）相同点：在真实空间的位置不确定；运动速度一样；数量一致(成对出现)。
不同点：有效质量互为相反数；能量符号相反；电子带负电，空穴带正电。
6、为什么发光器件多半采用直接带隙半导体来制作？答：直接带隙半导体中载流子的寿命很短，同时，电子和空穴只要一相遇就会发生复合，这种直接复合可以把能量几乎全部以光的形式放出，因此发光效率高。
7、半导体的五大基本特性答：(1)负电阻温度效应：温度升高，电阻减小。
(2)光电导效应：由辐射引起的被照射材料的电导率改变的现象。
(3)整流效应：加正向电压时，导通；加反向电压时，不导通。
(4)光生伏特效应：半导体和金属接触时，在光照射下产生电动势。
(5)霍尔效应：通有电流的导体在磁场中受力的作用，在垂直于电流和磁场的方向产生电动势的现象。
第二章半导体中杂质和缺陷能级1、简述实际半导体中杂质与缺陷来源。
答：①原材料纯度不够；②制造过程中引入；③人为控制掺杂。
2、什么是点缺陷、线缺陷、面缺陷？答：（1）点缺陷：三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷；（2）线缺陷：三维空间中在二维方向上尺寸较小，在另一维方向上尺寸较大的缺陷；（3）面缺陷：二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。
半导体物理归纳总结
半导体物理归纳总结半导体物理是研究半导体材料及其在电子器件中的应用特性的学科领域。
在过去几十年里，半导体技术的飞速发展对我们的生活产生了巨大的影响。
本文将对半导体物理的一些重要概念和原理进行归纳总结，帮助读者更好地理解半导体器件的工作原理及其应用。
1. 半导体的基本概念半导体是介于导体和绝缘体之间的一类物质，具有中等电导率。
它的导电性质可以通过控制掺杂和温度来进行调节。
常见的半导体材料有硅和锗，它们的物理性质决定了半导体器件的性能。
2. 半导体材料的能带结构半导体材料的能带结构直接影响其导电性质。
能带是描述电子能量和电子分布的概念。
在半导体中，价带是最高的填满电子的能带，而导带是电子可以自由移动的能带。
半导体的导电性取决于导带和价带之间的能隙大小。
3. 掺杂与载流子掺杂是将某种杂质引入到半导体材料中，以改变半导体的导电特性。
掺杂可以分为施主掺杂和受主掺杂两种。
施主掺杂会引入额外的自由电子，增加半导体的导电性，而受主掺杂引入额外的空穴，减少导电性。
掺杂后产生的自由电子和空穴被称为载流子，它们在半导体中的运动导致了电流的流动。
4. pn结及其特性pn结是由p型半导体和n型半导体相接触形成的结构。
在pn结中，p区富含空穴，n区富含自由电子。
当p区和n区相接触时，会发生空穴和自由电子的复合过程，形成耗尽区。
耗尽区内形成了电场，阻止了进一步的复合。
这种特殊的结构使得pn结具有整流特性，即在正向偏置下电流可以流动，而在反向偏置下电流几乎不流动。
5. 半导体器件的应用半导体器件包括二极管、场效应晶体管、晶体管等，它们在各种电子设备中起着重要作用。
二极管是一种具有单向导电性的器件，广泛应用在电源供电和信号处理中。
场效应晶体管是一种高度可控的电流放大器，常用于放大和开关电路。
晶体管则是一种功率放大器，被广泛应用在音频和无线通讯领域。
总结：半导体物理是一门涉及半导体材料特性和器件应用的重要学科。
通过对半导体的能带结构、掺杂与载流子、pn结特性以及器件应用的介绍，我们对半导体器件的工作原理有了更深入的理解。
半导体物理-第1章-半导体中的电子态
金刚石结构的(111) 面层包含了套构的原 子，形成了双原子层 的A层。以双原子层的 形式按ABCABC层排 列
金刚石结构的[100]面的投 影。0和1/2表示面心立方 晶格上的原子，1/4，3/4 表示沿晶体对角线位移1/4 的另一个面心立方晶格上的 原子。
2.每个原子最外层价电子为一个s态电子和三个p态电 子。在与相邻四个原子结合时，四个共用的电子对完全 等价，难以区分出s与p态电子，因而人们提出了“杂 化轨道”的概念：一个s和三个p轨道形成了能量相同 的sp3杂化轨道。之间的夹角均为109°28 ’。
3. 结晶学元胞为立方对 称的晶胞，可看作是两 个面心立方晶胞沿立方 体的空间对角线互相位 移了1/4对角线长度套 构而成。
Ψ(r,t) = Aexp[i2π(k ·r – v t)]
(3)
其中k 为波矢，大小等于波长倒数1/λ ，方
向与波面法线平行，即波的传播方向。得
能量：E = hν
动量：p = hk
（4） （5）
对自由电子，势能为零，故薛定谔方程为：
2
2m0
d 2 (x)
dx2
E (x)
(6)
由于无边界条件限制，故k取值可连续变化。即：与经 典物理（粒子性）得出相同结论。
能带形成的另一种情况
硅、锗外壳层有4个价电子，形成晶体时，产生SP杂化 轨道。原子间可能先进行轨道杂化（形成成键态和反键 态），再分裂成能带。
原子能级
反成键态
成键态
半导体（硅、锗）能带的特点
存在轨道杂化，失去能带与孤立原子能级的对应关系。 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。
半导体物理SemiconductorPhysics
对同一周期元素，由左至右电负性逐渐增大；对同一 族元素，由上至下电负性逐渐减小。电负性小的元素 易给出电子，通常以金属形式存在；电负性较大的元 素，通常以共价键结合，具有半导体或绝缘体性质 就化合物而言，由电负性很强和电负性很弱的两种元 素形成的晶体是典型的离子晶体；电负性相近的两种 元素倾向于形成共价键
半导体物理 Semiconductor Physics
闪锌矿结构晶胞
闪锌矿结构与金刚石结
构类似，不同在于其晶
格由两种不同原子各自
组成的面心立方晶格沿
空间对角线彼此位移四
分之一长度套构而成。
半导体物理 Semiconductor Physics
纤锌矿结构Байду номын сангаас
Wurtzite structure
纤锌矿结构和闪锌矿结 构相接近，它也是以正 四面体结构为基础构成 的，但是它具有六方对 称性，而不是立方对称 性。 硫化锌ZnS、硒化锌 ZnSe、硫化镉CdS、硒 化镉CdSe等可以闪锌矿 和纤锌矿两种方式结晶。
半导体通常以共价结合为基础，但是在化合物半导体 中通常含有不同程度的离子结合成分
半导体物理 Semiconductor Physics
共价四面体结构
原子在化合成分子的过程中，根据原子的成键要求，在周围 原子影响下，将原有的原子轨道进一步线性组合成新的原子 轨道。这种在一个原子中不同原子轨道的线性组合，称为原 子轨道的杂化。杂化后的原子轨道称为杂化轨道。杂化时， 轨道的数目不变，轨道在空间的分布方向和分布情况发生改 变。 在四面体结构的共价晶体中，以Si、Ge为例，最外面的价电 子壳层有1个s态轨道和3个p态轨道。处在p态中的电子形成的 共价键应是互相垂直的，但实际形成的4个共价键之间具有 相同的夹角109°28′。这是因为四个共价键实际上是以s态和 p态波函数的线性组合为基础，发生了所谓的轨道杂化。以 上述sp3杂化轨道为基础形成共价键。
《半导体物理学》课件
半导体物理学是现代电子科技和信息 科技的基础，对微电子、光电子、电 力电子等领域的发展具有至关重要的 作用。
半导体物理学的发展历程
19世纪末期
半导体概念的形成，科学家开始认识到 某些物质具有导电性介于金属和绝缘体
之间。
20世纪中叶
晶体管的商业化应用，集成电路的发 明，推动了电子科技和信息科技的发
半导体中的热电效应
总结词
解释热电效应的原理及其在半导体中的应用。
详细描述
当半导体受到温度梯度作用时，会在两端产生电压差 ，这一现象被称为热电效应。热电效应的原理在于不 同温度下，半导体内部载流子的分布不同，导致出现 电势差。热电效应在温差发电等领域有应用价值，可 以通过优化半导体的材料和结构来提高热电转换效率 。
分析器件在长时间使用或恶劣环 境下的性能退化，以提高其可靠 性。
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06
半导体材料与工艺
半导体材料的分类和特性
元素半导体
如硅、锗等，具有稳定的化学性质和良好的半导 体特性。
化合物半导体
如砷化镓、磷化铟等，具有较高的电子迁移率和 光学性能。
宽禁带半导体
如金刚石、氮化镓等，具有高热导率和禁带宽度 大等特点。
半导体材料的制备和加工
气相沉积
通过化学气相沉积或物理气相沉积方法制备 薄膜。
05
半导体器件的工作原理
二极管的工作原理
总结词
二极管是半导体器件中最简单的一种 ，其工作原理基于PN结的单向导电性 。
详细描述
二极管由一个P型半导体和一个N型半 导体结合而成，在交界处形成PN结。 当正向电压施加时，电子从N区流向P 区，空穴从P区流向N区，形成电流； 当反向电压施加时，电流极小或无电流 。
半导体物理
半导体物理考点归纳第一章 半导体中的电子状态一．名词解释1.电子的共有化运动：（P10）原子组成晶体后，由于电子壳的交叠，电子不再局限于某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去。
因而，电子可以在整个晶体中运动。
这种运动称为电子的共有化运动。
2.单电子近似：（P11）单电子近似方法认为，晶体中德电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场，以及其他大量电子的平均势场中运动，这个势场是周期性变化的，且其周期与晶格周期相同。
3.有效质量：（P19）有效质量2*22n h m d Edk =，它直接把外力f 和电子的加速度联系起来，而内部势场的作用则由有效质量加以概括。
二．判断题1.金刚石和闪锌矿结构的结晶学原胞都是双原子复式格子，而纤锌矿结构与闪锌矿结构型类似，以立方对称的正四面体结构为基础。
（X ）金刚石型结构为单原子复式格子，纤锌矿型是六方对称的。
2.硅晶体属于金刚石结构。
（√）3.Ge 的晶格是单式格子。
（X ） （复式）4.有效质量都是正的。
（X ） （有正有负）5.能带越窄，有效质量越小。
（X ）（2*22n h m d Edk =，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大） 6.硅锗都是直接带隙半导体。
（X ） （间接）7.Ge 和Si 的价带极大值均位于布里渊区的中心，价带中空穴主要分布在极大值附近，对应同一个k 值，()E k 可以有两个值。
8.实际晶体的每个能带都同孤立原子的某个能级相当，实际晶体的能带完全对应于孤立原子的能带。
（X ） （不相当，不完全对应）三．填空题1.晶格可以分为7大晶系，14种布拉菲格子，按照每个格子所包含的各点数，可分为原始格子，体心，面心，底心。
2.如今热门的发光材料LED 是直接带隙半导体，该种材料的能带结构特点是当k=0时的能谷的极值小。
3.Ge 、Si 是间接带隙半导体，InSb 、GaAs 是直接带隙半导体。
4.回旋共振实验中能测出明显的共振吸收峰，就要求样品纯度高，而且要在低温下进行。
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。
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华南理工大学2019年硕士研究生入学
《半导体物理（912）》考试大纲
命题方式招生单位自命题科目类别复试
满分100
考试性质
考试方式和考试时间
试卷结构
考试内容和考试要求
1、半导体晶体结构和半导体的结合性质；
2、半导体中的电子状态：半导体能带的形成，Ge、Si、GaAs能带结构，有效质量、空穴、杂质和缺陷能级；
3、热平衡下半导体载流子的统计分布：状态密度、费米能级、本征半导体和杂质半导体的载流子浓度，简并半导体和重掺杂效应；
4、半导体的导电性：半导体导电原理，载流子的漂移运动、迁移率、散射机构，半导体电阻率(电导率)随温度和杂质浓度的变化规律，强电场效应、热载流子，负阻效应；
5、非平衡载流子：非平衡载流子与准费米能级，非平衡载流子注入与复合，复合理论，非平衡载流子寿命，爱因斯坦关系，载流子漂移、扩散运动，缺陷效应，连续性方程；
6、pn结：平衡与非平衡pn结特点及其能带图，pn结的I-V特性、电容特性、开关特性、击穿特性；
7、金属和半导体接触：半导体表面态，表面电场效应，金属与半导体接触特性、MIS结构电容-电压特性，
8、半导体异质结：异质结的形成机理、能带图；
9、半导体的光学性质及光电效应：半导体的光吸收，半导体光电导，半导体光生伏特效应，半导体发光及半导体激光器；
10、半导体热电、磁电及压阻效应：半导体热传导及热电效应，半导体的霍耳效应，半导体的压阻效应。
备注
1、《半导体物理学》，刘恩科等编，国防工业出版社。
2、《半导体物理学基础教程》，冯文修等编，国防工业出版社。