费米积分在半导体物理中的应用第一期
费米能级在半导体中的作用
讨论费米能级的意义
在半导体中，由于费米能级不是真正的能级，即不 一定是允许的单电子能级（即不一定是公有化运动状 态的能量范围），所以它可以像束缚状态的能级一样， 可以处于能带的任何位置，当然也可以处于禁带之中。
对于绝缘体和半导体，费米能级则处于禁带中间。特别是
本征半导体和绝缘体，因为它们的价带是填满了价电子（占 据几率为100%）、导带是完全空着的（占据几率为0%），则 它们的费米能级正好位于禁带中央（占据几率为50%）。即 使温度升高时，本征激发而产生出了电子-空穴对，但由于导 带中增加的电子数等于价带中减少的电子数，则禁带中央的 能级仍然是占据几率为50%，所以本征半导体的费米能级的 位置不随温度而变化，始终位于禁带中央。
谢谢大家
f(E)称为电子的费米分布函数，是描写热平衡状态下，电子在 允许的量子态上如何分布的一个统计分布函数。式中k0是玻耳 兹曼常数，T是绝对温度。
上述分布函数f(E)是指电子占据能带（导带）中某个能级的几 率（电子的能量越往上越高）。如果是讨论空穴载流子的话 （空穴的能量越往下越高），那么就应当是相应于价带中某个 能级所空出（即没有被电子占据）的几率。
费米能级在半导体中的作 用
费米分布函数
在热平衡状态下，电子按能量大小具有一定的统计分布规 律性，即这时电子在不同能量的量子态上统计分布几率是一定的。 根据量子统计理论，服从泡利不相容原理的电子遵循费米统计规 律。对于能量为E的一个量子态被一个电子占据的几率f（E）为
f(E) = 1/[exp(E－Ef)/kT + 1]}
对于p型半导体也可做相似的讨论。在受主浓度一定时， 随着温度升高，费米能级在从受主能级以下逐渐上升到禁 带中线处，而载流子则从以受主杂质电离为主要来源转化 到以本征激发为主要来源。
半导体物理各考点总结
第一章半导体中的电子状态1.分类说明半导体材料的晶格结构与结合特性。
答：金刚石结构特点：每个原子周围有四个最邻近的原子，组成一个正四面体结构，配位数是4. 夹角109°28′。
金刚石结构可以看成是两个面心立方晶包沿立方体的空间对角线相互位移四分之一对角线套构而成。
闪锌矿结构特点：双原子复式结构，它是由两类原子各自组成的面心立方晶胞沿立方体的空间对角线相互位移四分之一对角线套构而成。
以共价键为主，结合特性具有不同程度的离子性，称为极性半导体。
2.什么是电子共有化运动？原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同？答：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，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上运动。
因为个原子中相似壳层上的电子才有相同能量，电子只能在相似壳层上转移，因此共有化运动的产生是由于不同原子的相似壳层之间的交叠。
由于内外层交叠程度很不相同，所以只有最外层电子的共有化运动才显著。
3.说明能级分裂成能带的根本原因以及内外层能带有何不同？答：根本原因，当周围n个原子相互靠近时，每个原子中的电子除受到本身原子的势场作用外，还要受到其他原子的作用，其结果是每一个n度简并的能级都分裂为n个彼此相距很近的能级；·内壳层原来处于低能级，共有化运动很弱，能级分裂的很小，能带窄。
外壳层电子原来处于高能级，共有化运动显著，能带分裂的厉害，能带宽。
4.原子中的电子自由电子和晶体中电子受势场作用情况有何不同？自由电子和晶体中电子运动情况有何不同？答: 孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中运动，自由电子是在恒定为零的势场中运动，晶体中的电子是在严格周期性重复排列的势场中运动5.导体、半导体和绝缘体能带的区别？答：金属中，由于组成金属的原子中的价电子占据的能带是部分占满的，所以金属是良好的导电体。
绝缘体禁带宽度大，常温下激发到导带的电子很少，导电性差。
西安电子科技大学801半导体物理与器件物理基础考研真题两份(优质最新2020年和2019年
西安电子科技大学2020年硕士研究生招生考试初试试题考试科目代码及名称801半导体物理考试时间2019年12月22日下午(3小时)答题要求：所有答案(填空题按照标号写)必须写在答题纸上，写在试题上一律作废，准考证号写在指定位置!一、填空题(30分，每空1分)1、根据晶体对称性， Si的导带底在(1) 晶向上共有(2)个等价的能谷， Si的导带极小值位于(3) , Si 的导带电子有效质量是(4) 的。
2、有效质量各向异性时电导有效质量(me)l=(5) ,半导体Si的mi=0.98ma,m,=0.19ma 它的电导有效质量是(6) 。
3、半导体的导电能力会受到外界的(7) 、(8) 、(9) 和电场强度、磁场强度的影响而发生显著变化，半导体的电阻率通常在(10) 2 cm 范围内，4、室温下Si 的Nc=2.8×10/⁹cm³,如果Ep=Ec 为简并化条件，则发生简并时Si的导带电子浓度为. (11)c m³ (费米积分Fiz(O)=0.6); 室温下Ge 中掺P(4Ep=0.012eV), 若选取Ep=EckoT 为简并化条件，发生简并时电离杂质浓度占总杂质浓度的比例为(12) %。
5、根据杂质在半导体中所处位置，可将杂质分为. (13) 式杂质和(14) 式杂质；根据杂质在半导体中得失电子或空穴情况，可将杂质分为. (15) 和(16) 杂质；若将Au 掺入Ge 中可以引入(17) 个杂质能级，存在着(18) 种荷电状态；若将Au掺入Si中可以引入(19) 个杂质能级，这些能级都是有效的(20)6、一维情况下的空穴连续性方程是(21) ,其中方程等号左边项表示(22) ,方程等号右边第一项表示(23) ,等号右边第二和第三项表示(24), 等号右边第四项表示 (25) ,等号右边第五项表示(26) 。
稳态扩散方程只是连续性方程的一个特例，当连续性方程中的(27)= 0、(28)= 0、(29)= 0、(30)= 0时，就由连续性方程得到了稳态扩散方程。
非简并半导体中费米能级的简单计算及应用
比原来的费米能级提高 ６０ ｍｅＶ． 同理可证，当 ｐ 型
半导体的掺杂浓度变化一个数量级，其费米能级位
置较原来下降了 ６０ ｍｅＶ． 结合导带有效状态密度
可Ｎｃ
较、价为带直有观效地状推态断密出度平Ｎ衡ｖ
和 或
非本平征衡载状流态子下浓的度载ｎ流ｉ，便子
浓度对应的费米能级或准费米能级在能带中相对于
Ｅｃ、Ｅｉ、Ｅｖ的位置． 笔者将在本文后面举例进行说明．
笔者在教学实践中，基于玻尔兹曼统计分布，突 出地将费米能级的位置变化与热电压联系起来，并 针对某些问题总结得到一定规律． 教学实践表明， 掌握这些规律能使学生更加直观简洁地理解和计算 许多重要的物理参数．
１ 规律的推导
需指出本文的讨论仅适用于非简并情况下的半 导体． 由于很多器件的主要特性，比如晶体管的放 大系数、击穿电压等参数取决于轻掺杂区，因此对于 半导体物理及器件的绝大部分应用的讨论是适用 的． 然而，对新型器件，如无结晶体管、隧道二极管 等强烈依赖于重掺杂特性的器件而言是不适用 的［４］． 另外为了分析方便，本文以室温 Ｔ ＝ ３００ Ｋ 的 条件进行讨论．
（４）
［（ ） ］ ｎ ＝ ｎ０ ｅｘｐ ＥＦｎ －ＥＦ ／ ｋ０ Ｔ
［（ ） ］ ｐ ＝ ｐ０ ｅｘｐ ＥＦ －ＥＦｐ ／ ｋ０ Ｔ
（５）
结合式（３）及其规律，当半导体受外界影响使得电
子（空穴）浓度提高至原来的 １０ 倍时，准费米能级
向 理Βιβλιοθήκη 解Ｅ ｃ非（Ｅ平ｖ ）衡靠载近流６子０
ｍｅＶ．
与准
此结论有助于使学 费米能级的关系，并
关键词：非简并半导体；掺杂浓度；费米能级
（ ） 中图分类号： 文献标识码： 文章编号： Ｏ ４７１．１
半导体物理学练习题(刘恩科)
半导体物理学练习题(刘恩科)-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN第一章半导体中的电子状态例1.证明:对于能带中的电子，K状态和-K状态的电子速度大小相等,方向相反。
即：v(k)= －v(－k)，并解释为什么无外场时，晶体总电流等于零。
解：K状态电子的速度为：（1）同理，－K状态电子的速度则为：（2）从一维情况容易看出：（3）同理有：（4）（5）将式（3）（4）（5）代入式（2）后得：（6）利用（1）式即得：v(－k)= －v(k)因为电子占据某个状态的几率只同该状态的能量有关，即：E(k)=E(－k)故电子占有k状态和-k状态的几率相同，且v(k)=－v(－k)故这两个状态上的电子电流相互抵消，晶体中总电流为零。
例2.已知一维晶体的电子能带可写成：式中，a为晶格常数。
试求：（1）能带的宽度；（2）能带底部和顶部电子的有效质量。
解：（1）由E(k)关系（1）（2）令得：当时，代入（2）得：对应E(k)的极小值。
当时，代入（2）得：对应E(k)的极大值。
根据上述结果，求得和即可求得能带宽度。
故：能带宽度（3）能带底部和顶部电子的有效质量：习题与思考题：1 什么叫本征激发温度越高，本征激发的载流子越多，为什么试定性说明之。
2 试定性说明Ge、Si的禁带宽度具有负温度系数的原因。
3 试指出空穴的主要特征。
4 简述Ge、Si和GaAs的能带结构的主要特征。
5 某一维晶体的电子能带为其中E0=3eV，晶格常数a=5×10-11m。
求：（1）能带宽度；（2）能带底和能带顶的有效质量。
6原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同7晶体体积的大小对能级和能带有什么影响？8描述半导体中电子运动为什么要引入“有效质量”的概念？用电子的惯性质量描述能带中电子运动有何局限性？9 一般来说，对应于高能级的能带较宽，而禁带较窄，是否如此为什么10有效质量对能带的宽度有什么影响？有人说：“有效质量愈大，能量密度也愈大，因而能带愈窄。
半导体物理习题与问题
第一章半导体中的电子状态例1.证明:对于能带中的电子，K状态和-K状态的电子速度大小相等,方向相反。
即：v(k)= －v(－k)，并解释为什么无外场时，晶体总电流等于零。
解：K状态电子的速度为：（1）同理，－K状态电子的速度则为：（2）从一维情况容易看出：（3）同理有：（4）（5）将式（3）（4）（5）代入式（2）后得：（6）利用（1）式即得：v(－k)= －v(k)因为电子占据某个状态的几率只同该状态的能量有关，即：E(k)=E(－k)故电子占有k状态和-k状态的几率相同，且v(k)=－v(－k)故这两个状态上的电子电流相互抵消，晶体中总电流为零。
例2.已知一维晶体的电子能带可写成：式中，a为晶格常数。
试求：（1）能带的宽度；（2）能带底部和顶部电子的有效质量。
解：（1）由E(k)关系（1）（2）令得：当时，代入（2）得：对应E(k)的极小值。
当时，代入（2）得：对应E(k)的极大值。
根据上述结果，求得和即可求得能带宽度。
故：能带宽度（3）能带底部和顶部电子的有效质量：习题与思考题：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？试定性说明之。
2 试定性说明Ge、Si的禁带宽度具有负温度系数的原因。
3 试指出空穴的主要特征。
4 简述Ge、Si和GaAs的能带结构的主要特征。
5 某一维晶体的电子能带为其中E0=3eV，晶格常数a=5×10-11m。
求：（1）能带宽度；（2）能带底和能带顶的有效质量。
6原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同？原子中层电子和外层电子参与共有化运动有何不同？7晶体体积的大小对能级和能带有什么影响？8描述半导体中电子运动为什么要引入“有效质量”的概念？用电子的惯性质量描述能带中电子运动有何局限性？9 一般来说，对应于高能级的能带较宽，而禁带较窄，是否如此？为什么？10有效质量对能带的宽度有什么影响？有人说：“有效质量愈大，能量密度也愈大，因而能带愈窄。
费米能级在半导体中的作用课件
费米能级的调控技术及其应用前景
费米能级调控技术
研究和发展新的费米能级调控技术，如 电场、磁场、光场等手段对费米能级的 调控。
VS
费米能级调控的应用前景
探讨费米能级调控在能源、信息、生物等 领域的应用前景，如自旋电子学、拓扑电 子学等。
费米能级与载流子浓度的关系
01
费米能级的位置决定了载流子的 浓度。当费米能级接近价带时， 载流子为电子；当费米能级接近 导带时，载流子为空穴。
02
载流子浓度决定了半导体的导电 性能。在一定温度下，费米能级 的位置和载流子浓度可以通过掺 杂和温度调节来实现。
03
费米能级在半导体中的行为
费米能级与热平衡状态下的半导体
在正向偏置的PN结中，由于多数载流子的注入，费米能级会上移；而在 反向偏置下，费米能级会下移。
费米能级的变化会影响半导体的导电性能，进而影响半导体器件的性能。
费米能级与半导体器件性能的关系
费米能级的位置直接决定了半导体的 导电性能，进而影响半导体器件的性 能。
对于光伏器件，如太阳能电池，费米 能级的位置会影响光生载流子的产生 和分离效率，从而影响光伏转换效率。
费米能级的计算方法
根据费米分布函数和电子状态 密度函数，可以计算出费米能 级的位置。
费米能级的位置与温度、材料 种类、掺杂浓度等因素有关。
在半导体中，费米能级的位置 通常可以通过实验测量得到， 如通过霍尔效应、光电导等实 验方法。
费米能级与状态密度的关系
费米能级的位置与状态密度密切 相关，随着状态密度的变化，费
对于双极性器件，如晶体管，费米能 级的位置会影响载流子的浓度和电流 放大倍数，从而影响器件的放大性能。
因此，控制费米能级的位置是优化半 导体器件性能的关键因素之一。
半导体物理知识点及重点习题总结
半导体物理知识点及重点习题总结基本概念题：第⼀章半导体电⼦状态1.1 半导体通常是指导电能⼒介于导体和绝缘体之间的材料，其导带在绝对零度时全空，价带全满，禁带宽度较绝缘体的⼩许多。
1.2能带晶体中，电⼦的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。
这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。
1.3导带与价带1.4有效质量有效质量是在描述晶体中载流⼦运动时引进的物理量。
它概括了周期性势场对载流⼦运动的影响，从⽽使外场⼒与加速度的关系具有⽜顿定律的形式。
其⼤⼩由晶体⾃⾝的E-k 关系决定。
1.5本征半导体既⽆杂质有⽆缺陷的理想半导体材料。
1.6空⽳空⽳是为处理价带电⼦导电问题⽽引进的概念。
设想价带中的每个空电⼦状态带有⼀个正的基本电荷，并赋予其与电⼦符号相反、⼤⼩相等的有效质量，这样就引进了⼀个假想的粒⼦，称其为空⽳。
它引起的假想电流正好等于价带中的电⼦电流。
1.7空⽳是如何引⼊的，其导电的实质是什么？答：空⽳是为处理价带电⼦导电问题⽽引进的概念。
设想价带中的每个空电⼦状态带有⼀个正的基本电荷，并赋予其与电⼦符号相反、⼤⼩相等的有效质量，这样就引进了⼀个假想的粒⼦，称其为空⽳。
这样引⼊的空⽳，其产⽣的电流正好等于能带中其它电⼦的电流。
所以空⽳导电的实质是能带中其它电⼦的导电作⽤，⽽事实上这种粒⼦是不存在的。
1.8 半导体的回旋共振现象是怎样发⽣的（以n型半导体为例）答案：⾸先将半导体置于匀强磁场中。
⼀般n型半导体中⼤多数导带电⼦位于导带底附近，对于特定的能⾕⽽⾔，这些电⼦的有效质量相近，所以⽆论这些电⼦的热运动速度如何，它们在磁场作⽤下做回旋运动的频率近似相等。
当⽤电磁波辐照该半导体时，如若频率与电⼦的回旋运动频率相等，则半导体对电磁波的吸收⾮常显著，通过调节电磁波的频率可观测到共振吸收峰。
这就是回旋共振的机理。
1.9 简要说明回旋共振现象是如何发⽣的。
半导体样品置于均匀恒定磁场，晶体中电⼦在磁场作⽤下运动运动轨迹为螺旋线，圆周半径为r ，回旋频率为当晶体受到电磁波辐射时，在频率为时便观测到共振吸收现象。