半导体物理学 纲要2014打印稿
半导体物理学教学大纲
半导体物理第 I 条Semiconductor Physics课程编号：042435课程性质：学科基础课适用专业：微电子学专业先修课程：固体物理，量子力学，统计物理后续课程：集成电路总学分：4其中实验学分：0教学目的与要求：本课程是微电子学专业的主干课之一。
通过对本课程的学习，掌握能带理论和统计物理的基本概念，以此为基础介绍半导体物理的基础知识以及相关器件的工作原理。
从微观角度了解半导体中载流子的能量状态、统计分布规律和散射及电导规律。
了解半导体中非平衡载流子的产生、复合、漂移和扩散等运动规律。
了解掺杂和缺陷在半导体物理中的重要作用。
半导体的特性、半导体内部载流子的基本运动规律，；了解半导体的光、电、磁、热等物理效应。
掌握半导体物理特性的计算方法，掌握半导体器件的四大基本结构及其工作原理。
教学内容与学时安排第1章：半导体中的电子状态（6学时）第一节半导体的晶体结构和结合性质一、金刚石型结构和共价键二、闪锌矿型结构和混合键三、纤锌矿型结构第二节半导体中的电子状态和能带一、原子的能级和晶体的能带二、半导体中的电子状态和能带三、导体、半导体、绝缘体的能带第三节半导体中电子的运动和有效质量一、半导体中E（k）与k的关系二、半导体中电子的平均速度三、半导体中电子的加速度四、有效质量的意义第四节 本征半导体的导电机构 空穴 第五节回旋共振一、 k 空间等能面 二、 回旋共振第六节 硅和锗的导带结构 第七节 回旋共振第2章：半导体中杂质和缺陷能级（4学时）第一节 硅、锗晶体中的杂质和缺陷能级一、替位式杂质 间隙式杂质 二、施主杂质、施主能级 三、受主杂质、受主能级四、浅能级杂质电离能的简单计算 五、杂质的补偿的作用 六、深能级杂质第二节 Ⅲ－Ⅴ族化合物中的杂质能级 第三节 缺陷、位错能级一、点缺陷 二、位错第3章 半导体中载流子的统计分布（6学时） 第一节 状态密度一、k 空间中量子态的分布二、状态密度第二节 费米能级和载流子的统计分布一、费米分布函数 二、玻耳兹曼分布函数三、导带中得电子浓度和价带中的空穴浓度 四、载流子的浓度乘积pn 0第三节 本征半导体的载流子浓度 第四节 杂质半导体的载流子浓度一、杂质能级上的电子和空穴 二、n 型半导体的载流子浓度第五节 一般情况下的载流子统计分布 第六节 简并半导体一、简并半导体的载流子浓度 二、简并化条件三、低温载流子冻析效应四、禁带变窄效应第七节电子占据杂质能级的概率一、求解统计分布第4章半导体的导电性（6学时）第一节载流子的漂移运动和迁移率一、欧姆定律二、漂移速度和迁移率三、半导体的电导率和迁移率第二节载流子的散射一、载流子散射的概念二、半导体的主要散射机构第三节迁移率与杂质浓度和温度的关系一、平均自由时间和散射概率的关系二、电导率、迁移率与平均自由时间的关系三、迁移率与杂质和温度的关系第四节电阻率及其与杂质浓度和温度的关系一、电阻率和杂质浓度的关系二、电阻率随温度的变化第五节玻耳兹曼方程、电导率的统计理论一、玻耳兹曼方程二、弛豫时间近似三、弱电场近似下玻耳兹曼方程的解四、球形等能面半导体的电导率第六节强电场下的效应、热载流子一、欧姆定律的偏移二、平均漂移速度与电场强度的关系第七节多能谷散射耿氏散射一、多能谷散射、体内负微分电导二、高场畴区及耿氏振荡第5章非平衡载流子（6学时）第一节非平衡载流子的注入与复合第二节非平衡载流子的寿命第三节准费米能级第四节复合理论一、直接复合二、间接复合三、表面复合四、俄歇复合第五节缺陷效应第六节载流子的扩散运动第七节载流子的漂移运动、爱因斯坦关系式第八节连续性方程式第6章 pn 结（6学时）第一节 pn结及其能带图一、pn结的形成和杂质分布二、空间电荷区三、pn结能带图四、pn结接触电势差五、pn结的载流子分布第二节 pn结电流电压特性一、非平衡状态下的pn结二、理想pn结模型及其电流电压方程三、影响pn结电流电压特性偏离理想方程的各种因素第三节 pn结电容一、pn结电容的来源二、突变结的势垒电容三、线性缓变结的势垒电容四、扩散电容第四节 pn结击穿一、雪崩击穿二、隧道击穿（齐纳击穿）三、热电击穿第五节 pn结隧道效应第7章非平衡载流子（4学时）第一节金属半导体接触及其能级图一、金属和半导体的功函数二、接触电势差三、表面态对接触势垒的影响第二节金属半导体接触整流理论一、扩散理论二、热电子发射理论三、镜像力和隧道效应的影响四、肖特基势垒二极管第三节少数载流子的注入和欧姆接触一、少数载流子的注入二、欧姆接触第8章半导体表面与MIS结构（6学时）第一节表面态第二节表面电场效应一、空间电荷层及表面势二、表面空间电荷层的电场、电势和电容第三节 MIS结构的电容－电压特性一、理想MIS结构的电容－电压特性二、金属与半导体功函数差对MIS结构C-V特性的影响三、绝缘层中电荷对MIS结构C-V特性的影响第四节硅－二氧化硅的性质一、二氧化硅中的可动离子二、二氧化硅层中的固定表面电荷三、在硅－二氧化硅界面处的快界面态四、二氧化硅中的陷阱电荷第五节表面电导及迁移率一、表面电荷二、表面载流子的有效迁移率第六节表面电场对pn结特性的影响一、表面电场作用下pn结的能带图二、表面电场作用下pn结的反向电流三、表面电场对pn结击穿特性的影响四、表面钝化第9章半导体异质结构（4学时）第一节半导体异质结的能带图一、半导体异质结的能带图二、半导体异质结的接触电势差及势垒区宽度三、突变反型异质结的势垒电容四、突变同型异质结的若干公式第二节半导体异质pn结的电流电压特性及注入特性一、半导体异质pn结的电流－电压特性二、异质pn结的注入特性第三节半导体异质结量子阱结构及其电子能态与特性一、半导体调制掺杂异质结构界面量子阱二、双异质结间的单量子阱结构三、双势垒单量子阱结构及共振隧穿效应第四节半导体应变异质结构一、应变异质结二、应变异质结构中应变层材料能带的人工改性第五节半导体超晶格第六节半导体异质结在光电子器件中的应用一、单异质结激光器二、双异质结激光器三、大光学腔激光器第10章非平衡载流子（4学时）第一节半导体的光学性质和光电的发光现象一、折射率和吸收系数二、反射系数和透射系数第二节半导体的光吸收一、本征吸收二、直接跃迁和间接跃迁三、其他吸收过程第三节半导体的光电导一、附加电导率二、定态光电导及其弛豫过程三、光电导灵敏度及光电导增益四、复合和陷阱效应对光电导的影响五、本征光电导的光谱分布六、杂质光电导第四节半导体的光生伏特效应一、pn结的光生伏特效应二、光电池的电流电压特性第五节半导体发光一、辐射跃迁二、发光效率三、电致发光激发机构第六节半导体激光一、自发辐射和受激辐射二、分布反转三、pn结激光器原理四、激光材料第11章半导体的热电性质（4学时）第一节热电效应的一般描述一、塞贝克效应二、铂耳帖效应三、汤姆逊效应四、塞贝克系数、铂耳帖系数和汤姆逊系数间的关系第二节半导体的温差电动势率一、一种载流子的绝对温差电动势率二、两种载流子的绝对温差电动势率三、两种材料的温差电动势第三节半导体的铂耳帖效应第四节半导体的汤姆逊效应第五节半导体的热导率一、载流子对热导率的贡献二、声子对热导率的贡献第六节半导体热电效应的应用第12 半导体磁和压阻效应（4学时）第一节霍尔效应一、一种载流子的霍尔效应二、载流子在电磁场中的运动三、两种载流子的霍尔效应四、霍尔效应的应用第二节磁阻效应一、物理磁阻效应二、几何磁阻效应三、磁阻效应的应用第三节磁光效应一、朗道（landau）能级二、带间磁光吸收第四节量子化霍尔效应第五节热磁效应一、爱廷豪森效应二、能斯脱效应三、里纪－勒杜克效应第六节光磁电效应一、光扩散电势差二、光磁电效应第七节压阻效应一、压阻系数二、液体静压强作用下的效应三、单轴拉伸或压缩下的效应四、压阻效应的应用第13章非晶态半导体（4学时）第一节非晶态半导体的结构第二节非晶态半导体中的电子态一、无序体系中的电子态的定域化二、迁移率边三、非晶态半导体的能带模型四、非晶态半导体的化学键结构第三节非晶态半导体中的缺陷、隙态与掺杂效应一、四面体结构非晶态半导体中的缺陷和隙态二、硫系非晶态半导体的缺陷与缺陷定域态三、Ⅳ族元素非晶态半导体的掺杂效应第四节非晶态半导体中的电学性质一、非晶态半导体的导电机理二、非晶态半导体的漂移迁移率三、非晶态半导体的弥散输运过程第五节非晶态半导体中的光学性质一、非晶态半导体的光吸收二、非晶态半导体的光电导第六节a－SI：H的pn结与金－半接触特性。
半导体复习提纲
第一章、第二章1.能带理论的基本假定是什么？①绝热近似：离子的波函数与电子的位置及状态无关。
多粒子问题→多电子问题。
②平均场近似：忽略电子和电子件的相互作用，用平均场代替电子与电子间的相互作用。
③周期场近似：单电子问题→单电子在周期场中运动的问题。
2.用能带理论解释绝缘体半导体和金属的导电性固体能够导电是固体中的电子在外场作用下做定向运动的结果.从能带理论看,是电子从一个能级跃迁到另一个能级上去。
对于满带（价带）,其中能级已被电子占满,在外电场的作用下满带中的电子并不形成电流,对导电没有贡献。
对于被电子部分占满的能带，在外电场的作用下，电子可以从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去，形成了电流，起导电作用，我们称之为导带。
金属：由于组成金属的原子中的价电子占据的能级是部分占满的，在外电场作用下，电子可以吸收能量跃迁到违背电子占据的能级，所以金属是良好的导体。
绝缘体和半导体类似，下面都是已被电子占满的满带（价带），中间是禁带，上面是空带（导带），所以在热力学零度时，在外电场的作用下并不导电。
当外界条件变化时，就有少量电子被激发到空带上去，使能带处于几乎为满或几乎为空的状态，在半导体中，价带顶产生的空的量子状态也称为空穴，相当于正电荷的导电作用，电子和空穴在外场作用下就会参与导电。
而绝缘体只是禁带宽度太大，激发电子需要很大的能量，在通常温度下，激发上去的电子很小，导电性差。
3.解释直接带隙和间接带隙半导体直接带隙：导带最底边和价带最顶边处于K空间的相同点的半导体，跃迁只吸收能量。
性质：跃迁时电子波矢不变，动量守恒，直接复合（不需声子接受或提供能量），载流子寿命短，发光效率高。
间接带隙：导带边和价带边处于K空间不同点，形成半满带不止吸收能量还要改变动量。
性质：大几率将能量释放给晶格转化为声子，变成热能释放掉。
4.什么是施主杂质，受主杂质？施主杂质：V族杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而产生导电电子并形成正电中心，称他们为施主杂质会n型杂质；受主杂质：III族杂质在硅、锗中电离时，能够接受电子而产生导电空穴并形成负电中心，称他们为受主杂质会p型杂质。
《半导体物理学》课程教学大纲
《半导体物理学》课程教案大纲一、课程说明（一）课程名称：《半导体物理学》所属专业：物理学（电子材料和器件工程方向）课程性质：专业课学分：学分（二）课程简介、目标与任务：《半导体物理学》是物理学专业（电子材料和器件工程方向）本科生的一门必修课程。
通过学习本课程，使学生掌握半导体物理学中的基本概念、基本理论和基本规律，培养学生分析和应用半导体各种物理效应解决实际问题的能力，同时为后继课程的学习奠定基础。
本课程的任务是从微观上解释发生在半导体中的宏观物理现象，研究并揭示微观机理；重点学习半导体中的电子状态及载流子的统计分布规律，学习半导体中载流子的输运理论及相关规律；学习载流子在输运过程中所发生的宏观物理现象；学习半导体的基本结构及其表面、界面问题。
（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接：本课程的先修课程包括热力学与统计物理学、量子力学和固体物理学，学生应掌握这些先修课程中必要的知识。
通过本课程的学习为后继《半导体器件》、《晶体管原理》等课程的学习奠定基础。
（四）教材与主要参考书：［］刘恩科，朱秉升，罗晋生. 半导体物理学（第版）［］. 北京：电子工业出版社. .［］黄昆,谢希德. 半导体物理学［］. 北京：科学出版社. .［］叶良修.半导体物理学（第版）［］. 上册. 北京：高等教育出版社. .［］. . , ( .), , , .二、课程内容与安排第一章半导体中的电子状态第一节半导体的晶格结构和结合性质第二节半导体中的电子状态和能带第三节半导体中电子的运动有效质量第四节本征半导体的导电机构空穴第五节回旋共振第六节硅和锗的能带结构第七节族化合物半导体的能带结构第八节族化合物半导体的能带结构第九节合金的能带第十节宽禁带半导体材料（一）教案方法与学时分配课堂讲授，大约学时。
限于学时，第节可不讲授，学生可自学。
（二）内容及基本要求本章将先修课程《固体物理学》中所学的晶体结构、单电子近似和能带的知识应用到半导体中，要求深入理解并重点掌握半导体中的电子状态（导带、价带、禁带及其宽度）；掌握有效质量、空穴的概念以及硅和砷化镓的能带结构；了解回旋共振实验的目的、意义和原理。
半导体物理学 教学大纲
半导体物理学一、课程说明课程编号：140313Z10课程名称（中/英文）：半导体物理学/Semiconductor physics课程类别：专业选修课学时/学分：48/3先修课程：量子力学；固体物理学适用专业：应用物理、物理科学、电子信息科学与技术教材、教学参考书：➢刘恩科，朱秉升，罗晋生编著《半导体物理学》(第七版)，电子工业出版（2011）➢《半导体物理》，钱佑华，徐至中，高等教育出版社2003➢《半导体器件物理》(第3版)，耿莉，张瑞智译|(美)S. M. SZE, KWOK K. NG 著，西安交通大学出版社 2010➢《Semiconductor Physics and Devices:Basic Principles》4rd Ed. (美)Donald A. Neamen 电子工业出版社2013➢《半导体物理学学习辅导与典型题解》--高等学校理工科电子科学与技术类课程学习辅导丛书，田敬民电子工业出版社2006➢半导体物理讲义与视频资料，蒋玉龙二、课程设置的目的意义本课程是高等学校应用物理、物理学和电子信息科学与技术专业本科生的专业选修课。
本课程的目的和意义是：通过本课程的学习使学生获得半导体物理方面的基本理论、基本知识和方法。
通过本课程的学习要为应用物理、物理学与电子信息科学与技术专业本科生学习其它专业课(材料、器件、集成电路等)以及毕业后从事半导体相关的技术开发与科学研究奠定必要的理论基础。
三、课程的基本要求本课程所使用的教材共13章，分为四大部分。
第1-5章，晶体半导体的基本知识和性质的阐述；第6-9章，为半导体的接触现象；第10-12章，为半导体的各种特殊效应；第13章为非晶态半导体。
全部课堂教学为48课时，对上述内容做了必要精简。
第10-13章全部不在课堂讲授，留给学生自学或参考，其它各章节的内容也作了部分删减。
通过本课程的学习，使学生掌握半导体物理的基本性质，即半导体中电子的状态及主要半导体的能带结构，半导体中的杂质能级和缺陷能级，半导体中载流子的统计分布，半导体的导电性和非平衡载流子的运动规律，p-n结，金属半导体接触理论等。
半导体物理学复习纲要
练习1
1。写出三种立方单胞的名称，并分别计算 单胞中所含的原子数。 （简立方，体心立方，面心立方，1，2，4）
2. 计算金刚石型单胞中的原子数。
（8）
练习2
1、简化能带图，指出各符号意义。
2、什么是载流子？金属和半导体中载流子分别是 什么？ 材料中荷载电流的粒子，金属中为电子，半导体 中为电子和空穴
第四章
第四节 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 • 电阻率和杂质浓度的关系 • 电阻率随温度的变化 第六节 强电场下的效应、热载流子 • 欧姆定律的偏移 • 平均漂移速度与电场强度的关系 第七节 多能谷散射 耿氏散射 • 多能谷散射、 体内负微分电导 • 高场畴区及耿氏振荡
练习6
• 图中C是空穴电流方向，问A、B、D中哪个 是电子漂移方向？哪个是电子电流方向？ 哪个是空穴漂移方向？
第1章 半导体中的电子状态
要求1-7节
1.1 半导体的晶格结构和结合性质 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.3 半导体中电子的运动 有效质量 1.4 本征半导体的导电机构 空穴 1.5 回旋共振 1.6 硅和锗的能带结构 1.7 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的能带结构 1.8 Ⅱ-Ⅵ族公合物半导体的能带结构 1.9 SI1-xGex合金的能带 1.10 宽禁带半导体材料
1、T>0K时，电子占据费米能级的概率是（ 1/2 ）。
Chap4 载流子的输运现象
（5-6不要求）
§4.1 §4.2 §4.3 §4.4 §4.5 §4.6 §4.7
载流子的漂移运动，迁移率 载流子的散射 迁移率与杂质浓度和温度的关系 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 玻尔兹曼方程 电导率的统计理论 强电场效应 热载流子 耿氏效应 多能谷散射
第五章 非平衡载流子（要求1-7）
半导体器件物理复习纲要word精品文档5页
第一章 半导体物理基础能带：1-1什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？1-2试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。
1-3、试指出空穴的主要特征及引入空穴的意义。
1-4、设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E v (k)分别为：2222100()()3C k k k E k m m -=＋和22221003()6v k k E k m m =－；m 0为电子惯性质量，1k a π=；a ＝0.314nm ，341.05410J s -=⨯⋅，3109.110m Kg -=⨯，191.610q C -=⨯。
试求：①禁带宽度；②导带底电子有效质量；③价带顶电子有效质量。
题解：1-1、 解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（≥E g ）被激发到导带成为导电电子的过程就是本征激发。
其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。
如果温度升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。
1-2、 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。
温度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。
反之，温度降低，将导致禁带变宽。
因此，Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数。
1-3、准粒子、荷正电：+q ； 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）； 、E P =-E n （能量方向相反）、m P *=-m n *。
空穴的意义：引入空穴后，可以把价带中大量电子对电流的贡献用少量空穴来描述，使问题简化。
1-4、①禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(＝2023k m ＋2102()k k m -＝0；可求出对应导带能量极小值E min 的k 值： k min ＝143k ， 由题中E C 式可得：E min ＝E C (K)|k=k min =2104k m ；由题中E V 式可看出，对应价带能量极大值Emax 的k 值为：k max ＝0；并且E min ＝E V (k)|k=k max ＝22106k m ；∴Eg ＝E min －E max ＝221012k m ＝222012m a π ＝23423110219(1.05410)129.110(3.1410) 1.610π----⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯＝0.64eV②导带底电子有效质量m n2222200022833C d E dk m m m =+=；∴ 22023/8C n d E m m dk == ③价带顶电子有效质量m ’ 22206V d E dk m =-，∴2'2021/6V n d E m m dk ==- 掺杂：2-1、什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？2-2、什么叫施主？什么叫施主电离？2-3、什么叫受主？什么叫受主电离？2-4、何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？题解：2-1、解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。
半导体物理学复习纲要
第四章
第四节 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系 • 电阻率和杂质浓度的关系 • 电阻率随温度的变化 第六节 强电场下的效应、热载流子 • 欧姆定律的偏移 • 平均漂移速度与电场强度的关系 第七节 多能谷散射 耿氏散射 • 多能谷散射、 体内负微分电导 • 高场畴区及耿氏振荡
练习6
• 图中C是空穴电流方向，问A、B、D中哪个 是电子漂移方向？哪个是电子电流方向？ 哪个是空穴漂移方向？
第一章
第一节 半导体的晶体结构和结合性质 • 金刚石型结构和共价键 • 闪锌矿型结构和混合键 • 纤锌矿型结构 第二节 半导体中的电子状态和能带 • 原子的能级和晶体的能带 • 半导体中的电子状态和能带 • 导体、半导体、绝缘体的能带
第一章
第三节 半导体中电子的运动和有效质量 • 半导体中E（k）与k的关系 • 半导体中电子的平均速度 • 半导体中电子的加速度 • 有效质量的意义 第四节 本征半导体的导电机构 空穴 第五节 回旋共振 • k空间等能面 • 回旋共振 第六节 硅和锗的导带结构 • 间接带隙半导体 第七节 砷化镓的能带结构 • 直接带隙半导体
第六章
第三节 pn结电容 • pn结电容的来源 • 突变结的势垒电容 • 线性缓变结的势垒电容 • 扩散电容 第四节 pn结击穿 • 雪崩击穿 • 隧道击穿（齐纳击穿） • 热电击穿 第五节 pn结隧道效应 • 重掺杂 p+-n+结
练习8
• 1.开关二极管、检波二极管、稳压二极管、变容 二极管分别利用了PN结的那个特性？
3.1 状态密度 3.2 费米能级和载流子的统计分布 3.3 本征半导体的载流子浓度 3.4 杂质半导体的载流子浓度 3.5 一般情况下的载流子分布 3.6 简并半导体 3.7补充材料：电子占据杂质能级的概率
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。
半导体物理复习提纲
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；绝缘体能带中只有满带和空带，禁带宽度较宽一般大于2eV ；半导体T=0 K 时，能带中只有满带和空带，T>0 K 时，能带中有不满带，禁带宽度较小，一般小于2eV 。
（能带状况会发生变化）半导体的导带没有电子，但其价带中电子吸收能量，会跃迁至导带，价带中也会剩余空穴。
在外电场的情况下，跃迁到导带中的电子和价带中的空穴都会参与导电。
而金属中价带电子是非满带，在外场的作用下直接产生电流。
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。
（1）电阻率介于导体与绝缘体之间（2）对温度、光照、电场、磁场、湿度等敏感（3）性质与掺杂密切相关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用玻耳兹曼分布来描述？麦克斯韦-玻尔兹曼统计的粒子是可分辨的；费米-狄拉克统计的粒子不可分辨，而且每个状态只可能占据一个粒子。
低掺杂半导体中载流子遵循玻尔兹曼分布，称为非简并性系统；高掺杂半导体中载流子遵循费米分布，称为简并性系统。
费米分布：f (f )=ff +fff (f −f ff f f ) 玻尔兹曼分布：f (f )=ⅇ−f −f f f f f 空穴分布函数：f V (E )=1−f (E )=1exp (−E −E F k 0T )+1 （能态E 不被电子占据的几率） 当E-E F fk 0T 时有exp (E −EF k 0T )≫1，所以1+exp (E −E F k 0T )≈exp (E −E F k 0T )，则费米分布函数转化为f (E )=ⅇ−E −E Fk 0T ，即玻尔兹曼分布。
南京邮电大学2014年半导体物理考研大纲
南京邮电大学2014年半导体物理考研大纲一、基本要求《半导体物理》硕士研究生入学考试内容主要包括半导体物理的基本概念、基础理论和基本计算;考试命题注重测试考生对相关的物理基本概念的理解、对基本问题的分析和应用，强调物理概念的清晰和对半导体物理问题的综合分析。
二、考试范围1、半导体中电子状态1.1 半导体的晶格结构和结合性质1.2 半导体中的电子状态和能带1.3 半导体中电子的运动有效质量1.4 本征半导体的导电机构空穴1.5 回旋共振1.6 硅，锗和砷化镓的能带结构2、半导体中杂质和缺陷能级2.1 硅、锗晶体中的杂质能级2.2 Ⅲ-Ⅴ族化合物中的杂质能级2.3 缺陷、位错能级3、半导体中载流子的统计分布3.1 状态密度3.2 费米能级和载流子的统计分布3.3 本征半导体的载流子浓度3.4 杂质半导体的载流子浓度3.5 一般情况下的载流子统计分布3.6 简并半导体4、半导体的导电性4.1 载流子的漂移运动迁移率4.2 载流子的散射4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系4.4 电阻率及其与杂质浓度和温度的关系4.5 玻耳兹曼方程电导率的统计理论4.6 强电场下的效应热载流子5、非平衡载流子5.1 非平衡载流子的注入和复合5.2 非平衡载流子的寿命5.3 准费米能级5.4 复合理论5.5 陷阱效应5.6 载流子的扩散运动5.7 载流子的漂移运动,爱因斯坦关系式5.8 连续性方程6、p-n结6.1 p-n结及其能带图6.2 p-n结电流电压特性6.3 p-n结电容6.4 p-n结击穿三、主要参考书820半导体物理《半导体物理学》第6版刘恩科著国防工业出版社小提示：目前本科生就业市场竞争激烈，就业主体是研究生，在如今考研竞争日渐激烈的情况下，我们想要不在考研大军中变成分母，我们需要：早开始+好计划+正确的复习思路+好的辅导班（如果经济条件允许的情况下）。
2017考研开始准备复习啦，早起的鸟儿有虫吃，一分耕耘一分收获。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2014年11月21日星期五
西安理工大学电子工程系 马剑平
26
复合中心和陷阱中心
复合中心：半导体中的杂质和缺陷可以在禁带 中形成一定的能级，对非平衡载流子的寿命有 很大影响。实验发现，杂质、缺陷越多，寿命 越短 ，说明杂质和缺陷具有促进复合的作用。 把促进复合过程的杂质和缺陷称为复合中心， 重金属形成有效的复合中心。 陷阱中心：半导体中的杂质和缺陷在禁带中形 成一定的能级，这些能级具有收容部分非平衡 载流子的作用，杂质能级的这种积累非平衡载 流子的作用称为陷阱效应。把产生显著陷阱效 应的杂质和缺陷称为陷阱中心。
e 1 2
− Eg 2k0T
( ) ( ) ni2 Td
=
N N 300K 300K
c
v
⎜⎛ Td
3 − Eg
⎟⎞ e k0Td
⎝ 300 ⎠
2014年11月21日星期五
西安理工大学电子工程系 马剑平
18
3
载流子浓度
平衡态下的载流子浓度
− Ec −EF
n0 = N c e k0T
Ev −EF
p0 = N v e k0T
基本规律的理解
肖特基势垒与PN结势垒的异同 强电场下半导体的欧姆定律的偏离 本征和掺杂半导体电导率随温度T的变化 强场下的负微分迁移率 俄歇复合的特点 半导体对光的吸收的主要吸收过程
半导体的能带图
2014年11月21日星期五
西安理工大学电子工程系 马剑平
13
2014年11月21日星期五
西安理工大学电子工程系 马剑平
− EF −Ev
−( Ei −Ev ) −( EF − Ei )
− EF − Ei
p0 = Nve k0T = Nve e k0T k0T = nie k0T
2014年11月21日星期五
西安理工大学电子工程系 马剑平
6
1
强电离载流子浓度
n型半导体
多子浓度 nn 0 = N D
少子浓度
pn 0
=
ni2 ND
14
2014年11月21日星期五
西安理工大学电子工程系 马剑平
15
深能级杂质与浅能级杂质
金在硅中的两个深能级并不是同时起作用的。在n 型硅中,费米能级总是比较靠近导带,金的能级被电 子基本填满，所以只有受主能级EtA起作用；而在p 型硅中，金的能级基本上是空的，因而只存在施 主能级EtD 。 金是硅中的深能级杂质，形成有效的复合中心， 严重影响少子寿命。
Ev
pp0
=
ni
exp⎜⎜⎝⎛
qVB k0T
⎟⎟⎠⎞
VB
=
k0T q
ln⎜⎜⎝⎛
NA ni
⎟⎟⎠⎞
P型
qVB = Ei − EF
ns
=
ni2 pp0
exp⎜⎜⎝⎛
qVs k0T
⎟⎟⎠⎞
2014年11月21日星期五
西安理工大学电子工程系 马剑平
9
4.半导体的电导率
σ = nqµn + pqµp
5.电中性条件
n0 p0 = ni2
非平衡态下的载流子浓度可表示为：− ELeabharlann −EFn− EF −EFn
−
Ei
−
E
n F
n = N c e k0T = n0e k0T = ni e k0T
Ev
−
E
p F
EF −EFp
Ei
−
E
p F
p = N v e k0T = p0e k0T = ni e k0T
np
=
ni2
exp⎜⎜⎝⎛
1
半导体物理架构图
电子、空穴的分布、产生和输运控制
半
导
载流子
体
非平衡载流子 平衡载流子
金 属
能带结构
载流子统计分布
复合 产生 运动 半导体
直接 间接
扩散 漂移 pn结
绝
缘
导电性
体
半导体
金属 绝缘体
肖特基结 MOS
半导体电光热磁效应
半导体器件应用
2014年11月21日星期五
西安理工大学电子工程系 马剑平
半导体物理学 总复习
Semiconductor Physics
西安理工大学电子工程系
Department of electronics engineering Xi’an University of Technology
马剑平
majp@
2014年11月21日星期五
西安理工大学电子工程系 马剑平
浅能级杂质在半导体中决定多数载流子的浓度， 对少子的寿命影响不大。
2014年11月21日星期五
西安理工大学电子工程系 马剑平
16
半导体器件的工作温度限制
一般半导体器件正常工作时，载流子主要来源 于杂质电离。随着器件温度的上升，在保持载 流子主要来源于杂质电离时，器件性能才可不 失效。为此要求本征载流子浓度至少比杂质浓 度低一个数量级。
( ) −E
f E = A0e k0T
Ec 事实上，能带与费米能级的距离决定 Ei 了载流子的浓度。 EF Ev
费米能级越靠近导带底，说明导带 电子浓度越高。
− Ec −EF
n0 = N c e k0T
Ev −EF
p0 = N v e k0T
费米能级越靠近价带顶，则说明价带 空穴浓度越高。
浓度越高￡费米能级越靠近
E
n F
−
E
p F
k0T
⎟⎟⎠⎞
2014年11月21日星期五
西安理工大学电子工程系 马剑平
19
不同掺杂情况下的费米能级
掺有某种杂质的半导体的载流子浓度和费米能级由温 度和杂质浓度所决定。对于杂质浓度一定的半导体， 随着温度的升高，载流子则是从以杂质电离为主来源 过渡到以本征激发为主要来源的过程。相应地，费米 能级则从位于杂质能级附近逐渐移近禁带中线处。
对于n型半导体，费米能级位于禁带中线以上；而对 于p型半导体，费米能级则位于禁带中线以下。杂质 浓度越高，费米能级距离禁带中线越远。 对于电子而言，越靠近导带电子能量越高；对于空穴 而言，则是越靠近价带空穴的能量越高。
2014年11月21日星期五
西安理工大学电子工程系 马剑平
20
掺杂半导体的费米能级
10
2014年11月21日星期五
西安理工大学电子工程系 马剑平
重要概念
半导体、N型半导体、P型半导体、本征半 导体、非本征半导体 载流子、电子、空穴、平衡载流子、非平 衡载流子、过剩载流子、热载流子 能带、导带、价带、禁带 掺杂、施主、受主 输运、漂移、扩散、产生、复合 耗尽层近似、热电子发射、隧道势垒贯穿
热平衡电中性条件
p0+nD+=n0+ pA-
低温弱电离 过渡区 强电离
高温本征激发
n型
n0 =nD++p0 P0=0 n0 =nD+
n0= p0+ ND n0 =nD+ = ND
n0= p0
p型
p0=pA-+ n0
n0=0
p0=pA-
p0=n0+ NA
p0=pA- = NA
n0= p0
p0
+ nD+
− Ec −EF k0T
c
p = N e Ei
EF
0
− EF −Ev k0T
v
Ev
− Ec −Ei
ni = Nce k0T
− Ei −Ev
ni = Nve k0T
− Ec −EF
−( Ec −Ei ) −( Ei −EF )
− Ei −EF
n0 = Nce k0T = Nce e k0T k0T = nie k0T
( ) − qV (x)−qVD
p x = pn0e k0T
J
=
⎡ ⎢
qDn
n
po
⎢⎣ Ln
+
qD p L
pno
p
⎤ ⎥ ⎥⎦
⎢⎣⎡exp⎜⎜⎝⎛
qV k0T
⎟⎟⎠⎞
−
⎤ 1⎥ ⎦
2014年11月21日星期五
西安理工大学电子工程系 马剑平
8
3.表面处电势为Vs时,表面载流子的浓度
Vs
Ec
Ei EF
VB
µ
=
q m∗
1 AT 3/ 2 + B
Ni
T 3/2
杂质浓度较低时,迁移率随温度升高 迅速减小,晶格散射起主要作用. 随着杂质浓度的增加，杂质散射逐 渐加强。当杂质浓度很高时，在低 温范围，迁移率随温度升高缓慢上 升，直到很高温度(250°C)才稍有下 降。说明杂质散射直到此时才让位 于晶格振动散射为主。
=
n0
+
p
− A
p0 + N D + pA = n0 + N A + nD
2014年11月21日星期五
西安理工大学电子工程系 马剑平
21
一般情况下关于EF和T的方程
− Ec −EF
− EF −Ev
n0 = N c e k0T p0 = N v e k0T
nD+
=
ND
−
n
D
p
− A
=
NA
−
pA
( ) nD = ND f D
+
N
A
+
1+
ND
ED −EF
1 e k0T
2
2
2014年11月21日星期五