《半导体物理》讲义
《半导体物理》课件
半导体器件
半导体应用
探索各种半导体器件，如二极管、 晶体管和集成电路的工作原理。
了解半导体在电子通信、计算机 和能源技术等领域中的应用。
晶体物理基础
本节将介绍晶体物理学的基本原理及晶格结构。了解晶体的性质和结构对于理解半导体物理至关重要。
晶体结构
探索晶体的结晶结构和晶格参数。
布拉维格子
了解布拉维格子及其在晶体物理中的重要性。
PN结与二极管
深入了解PN结和二极管的工作原理和特性。探索PN结在电子器件中的重要性和应用。
PN结形成
了解PN结的形成过程和材料特性。
正向偏置
介绍正向偏置情况下PN结的导电性能和电流行为。
反向偏置
研究反向偏置情况下PN结的特性和电流行为。
场效应晶体管
本节将深入研究场效应晶体管的工作原理和应用。了解场效应晶体管作为重要的电子器件的优势和特性。
晶体缺陷
研究晶体中的缺陷和杂质对材料性能的影响。
晶体生长
了解晶体的生长原理和方法。
晶体缺陷与扩散
本节将深入研究晶体缺陷和扩散现象。了解这些关键概念对于半导体器件设计和制造至关重要。
1
缺陷类型
介绍晶体缺陷的种类，如点缺陷和线缺
扩散过程
2
陷。
详细了解扩散现象的原理和应用，包括
掺杂和控制扩散速率。
3
热扩散
1
原理介绍
详细了解场效应晶体管的基本物理原理和工作机制。
2
பைடு நூலகம்
MOSFET
研究金属氧化物半导体场效应晶体管的结构和特性。
3
JFET
了解结型场效应晶体管的结构和特点。
集成电路基础
在本节中，我们将介绍集成电路的基本概念和设计原则。了解集成电路的演变和应用。
半导体物理总结-讲义(1)
半导体物理总结-讲义(1)《半导体物理总结-讲义》是一本关于半导体物理基础知识的讲解材料，其中包括半导体的基本特性、载流子运动、PN结、场效应管等内容。
以下为该书的重点内容概述：一、半导体材料特性1. 能带结构：半导体的能带结构高于导体、低于绝缘体，因此具有介于导体和绝缘体之间的导电和绝缘特性。
2. 晶格结构：半导体具有有序、周期性的晶体结构，能够有效控制电子在晶体内的运动。
3. 掺杂：通过掺杂材料改变半导体的电子浓度，从而使其具有p型或n型半导体的特性。
二、载流子运动1. 热激发：半导体中的电子可以受到能量的激励而被激发到导带中。
热能、光能、电场或磁场都可以起到激发的作用。
2. 离子化：在电场的作用下，半导体中的电子可能与晶格原子碰撞，失去能量而被离子化。
形成的正负离子对在电场作用下会向相反方向漂移。
3. 扩散：电子或空穴在半导体中由高浓度区域向低浓度区域扩散，使浓度逐渐平均，实现电流的流动。
扩散是在没有外电场的情况下发生的。
三、PN结1. 构成：PN结由p型半导体和n型半导体组成。
2. 特性：PN结具有一定的整流特性，能够阻止电流从n型半导体流向p型半导体，但允许反向电流。
3. 工作原理：在PN结中，载流子在电场的作用下发生扩散和漂移，形成电流。
四、场效应管1. 构成：场效应管由栅、漏极和源极三部分构成。
栅极位于n型半导体上，由于n型半导体中的电子易受到电场的影响，因此在栅极上加入电信号可以控制通道的导电性。
2. 工作原理：在没有控制电压的作用下，场效应管的通道是关闭的。
当加入一定电压时，栅极上的电场可以将通道打开，使得电流得以流动。
以上为《半导体物理总结-讲义》的重点内容概述，读者可根据需要深入学习相关内容。
张宝林-《半导体物理》[课件-总结]-文档资料
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莲藕批发供货合同模板甲方（供货方）：__________地址：_____________________联系电话：_________________法定代表人：_______________身份证号码：______________乙方（采购方）：__________地址：_____________________联系电话：_________________法定代表人：_______________身份证号码：______________根据《中华人民共和国合同法》及相关法律法规的规定，甲乙双方本着平等自愿、诚实信用的原则，就莲藕的批发供货事宜，经协商一致，签订本合同，以资共同遵守。
第一条产品信息1. 产品名称：莲藕。
2. 规格型号：______________________。
3. 质量标准：符合国家相关标准及行业规定。
4. 包装要求：应符合运输及储存要求，确保产品在运输过程中不受损害。
第二条供货数量及价格1. 供货数量：乙方每次采购的莲藕数量为______吨，具体数量以乙方订单为准。
2. 单价：每吨莲藕的价格为人民币______元（含税），价格随市场波动可进行调整，双方应提前协商确定。
3. 总价：根据实际供货数量乘以单价计算。
第三条交货时间及地点1. 交货时间：甲方应在乙方下达订单后______天内完成供货。
2. 交货地点：乙方指定的地点，具体地址以乙方订单为准。
第四条运输方式及费用1. 运输方式：______________________。
2. 运输费用：由______方承担。
第五条质量验收1. 乙方在收到货物后______小时内进行验收，如发现质量问题，应在______小时内书面通知甲方。
2. 甲方在接到乙方通知后应及时处理，如确属甲方责任，甲方应负责更换或退货。
第六条付款方式及期限1. 付款方式：乙方应在收到货物并验收合格后______天内支付货款。
2. 付款期限：乙方应在合同约定的付款期限内支付全部货款。
半导体物理实验讲义
霍尔系数测量中的几种负效应
a
等位面
M
N
I b
图3 不等势面电位差
（1）由于a、b电极处在不同的等位面，所以a、b之间存在 欧姆压降和霍耳电压；
（2）由于电极a、b和样品是不同材料，形成热电偶，因而 产生电流磁效应和热磁效应。
几种负效应
（1）爱廷豪森效应——电流磁效应
I、B方向如图1，将在y方向产生温度差Ta-Tb∝IB,从而在电极和
E EF EiS EF (Ei qVS )
qVB Ei EF ( p type) qVB Ei EF (n type)
E
qVS
qVB
qVS
k0T
ln
NA ni
E
qVS
qVB
qVS
k0T
ln
NA ni
( p type) (n type)
NSS(VS)转换成NSS(E) 读出C-V特性曲线上电容的最大值，根据：
三、实验方法
为了消除不等势电压降和各种负效应的影响，在测量 时，要顺次改变工作电流和磁场的方向，才能最终得 到霍尔电压
U UH1 UH2 UH3 UH4 4
实验二 高频光电导衰减法测量Si单晶少子寿命
少子寿命是少数载流子的平均生存时间。也表示
非平衡载流子衰减到原来的1/e所经历的时间。
11
1
(1)
CQ Cox CS CSS
1 11
(2)
CH Cox CS
CSS
Cox
Cox
1 CQ 1 Cox
1 CH 1
(3)
根据电容的定义，有：
CSS
dQSS dVS
（4）
令NSS为单位表面积、单位能量间隔内的界面态数（cm-2. eV-1）
《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 。
半导体物理讲义
2. 平带状态 当外加 VG电 0时压 ，表 Vs 面 0，表势 面处能带不发生
弯曲，称为平带状态。
2
Vs 0时 ex ， p k q0T (V )1k q0TV 1 2 k q0TV
MOS结构的平带 电容(p型半导体)
3. 耗尽状态
Cs
NAqrs0
2Vs
1/耗2尽p层p近0 似下NA
外加电压VG后，其中的一部分降在绝缘层上V0，另一部 分降在半导体表面层，形成表面势Vs：
金属表面的面电荷密度
MIS结构电容
绝缘层厚度
因此，MIS结构电容相当于绝缘层电容和半导体空间电 荷层电容的串联，如下图所示：
C0
Cs
(一) 多数载流子堆积状态(VG<0)
➢ 当|VG|较大时，C=C0，半导体从内部到表面可视为是导通 的，电荷聚集在绝缘层两边(AB段)；
二、 表面态种类
分为两种： ➢ 若能级被电子占据时呈电中性，施放电子后呈正电性，称
为施主型表面态； ➢ 若能级空着时呈电中性，接受电子后呈负电性，称为受主
型表面态；
8.2 表面电场效应
采用MIS结构来研究表面电场效应：由中间以绝缘层隔 开的金属板和半导体衬底组成。该结构实际上是一个电容。
一、 理想MIS结构
(2)
以p型半导体为例，如在金属与半导体间加一脉冲阶
跃或
(3) 高频正弦波形成的正电压：
➢ 由于空间电荷层内的少数载流子的产生速率赶不上电压
的变化，反型层来不及建立，只有靠耗尽层延伸向半导
体内深处而产生大量受主负电荷以满足电中性条件；
➢ 此时的耗尽层宽度很大，可远大于强反型的最大耗尽层
宽度，且其宽度随电压VG幅度的增大而增大，这种状 态称为深耗尽状态；
半导体物理讲义-2
半导体物理讲义-2第二部分半导体中的电子和空穴前面我们讨论了半导体能带结构的一些共同的基本特点。
不同的半导体材料．其能带结构不同，而且往往是各向异件的，即沿不同的被矢k方向，E ~ K关系不同。
由于问题复杂，虽然理论上发展了多种计算的力法．但还不能完全确定出电子的全部能态，尚需借助于实验帮助，采用理论和实验相结合的方法来确定半导体中电子的能态。
本节介绍最初测出载流子有效质量并据此推出半导体能带结构的回旋共振实验及硅和锗的能带结构。
因对大多数半导体，起作用的往往是导带底附近的电子和价带顶附近的空穴，所以只给出导带底和价带顶附近的能带结构一、k空间等能面已知，一维情况下设能带极值在k=0处，则导带底附近和价带顶附近的E ~ K关系：图极值附近E ~K 关系示意图所以，如果知道m*n和m*p ，则极值附近的能带结构便可了解。
对实标的三维晶体，以kx , ky , kz为坐标轴构成k空间，k空间任―矢量代表波矢k(kx , ky , kz) 。
其中简单情况（半导体或晶体具有各向同性时）：导带低附近E ~ K关系当E(k)为某一定值时，对应于许多组不同的(kx，ky，kz)，将这些组不同的(kx，ky，kz)连接起来构成一个封闭面，在这个面上的能量值均相等，这个面称为等能量面，简称等能面。
容易看出，上式表示的等能面是一系列半径为的球面。
图 k空间球形等能面平面示意图一般情况（半导体或晶体具有各向异性的性质）：导带低附近E ~ K关系晶体有各向异性时，E(k)与k的关系沿不同的k方向不一定相同，反映出沿不同的k 方向，电子的有效质量不一定相同，而且能带极值不一定位于k＝o处。
设导带底位于k0 ,能量为E(k0)，在晶体中选择适当的坐标轴kx , ky , kz，并令m*x , m*y , m*z分别表示沿kx , ky , kz 三个方向的导带底电子的有效质量，用泰勒级数在极值k0附近展开，略去高次项，得:注意：要具体了解这些球面或椭球面的方程，最终得出能带结构，还必须知道有效质量的值。
半导体物理总结-讲义
其中NE和NB是掺杂浓度
§ 5.4 PN结的击穿
PN结加高的反向偏置电压后，将可能发生击穿现象。 PN结中主要的击穿机制包括两类： A.雪崩击穿 B.齐纳击穿 反偏情形下的能带图为：
在高的反偏电压下，空间电荷区 中的电场可以很高，可对载流子 有大的的加速作用；另一方面， 能带可以有很大的畸变，空间电 荷区导带与价带的间距变窄。
1. 施主杂质和施主能级
3施主电离：施主向导带释放电子的过程 。
电离能
ε D = EC − E D
2. 受主杂质和受主能级
1）受主杂质（从能带论的角度）
受主电离：施主向导带释放电子的过程。
电离能
ε D = EC − E D
3. 施主和受主的特征 4. N型半导体和P型半导体
§3.3 费米能级 3.3.1非本征半导体载流子浓度
Si、Ge等元素半导体结合形成晶体时，具有金刚石结构形式，它以四面体结 构为基础构成。由两个面心立方套构而成，位于不同面心立方中的Si原子的 性质并不等价，因此，金刚石结构，由复式格子组成。半导体Si晶体的这种 晶体结构与其原子结合形成晶体时的结合方式有关。
第二章 半导体中的基本性质
§ 2.2 半导体的结合性质
p = n + p = N A − pA + n
3) 施主掺杂ND和受主掺杂NA
− A
n + N A − p A = p + N D − nD
3.3.4 费米能级的温度变化关系 非本征载流子浓度与温度的关系
§3.4 重掺杂半导体 §3.5 简并半导体和非简并半导体
第四章 半导体中载流子的运动规律 § 4.1 载流子的漂移运动和漂移电流
存在半满的能带 电子占据能带或是 全满或是全空
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半导体物理讲义
(第五稿)
胡礼中编
大连理工大学物理与光电工程学院
电子科学与技术研究所
2011年2月
引言
本课程是为我校电子科学与技术专业开设的一门必修专业基础课，也是其他相关专业的重要选修课，主要介绍半导体的一些基本物理概念、现象、物理过程及其规律，为学习诸如《半导体材料》、《半导体器件》等后续课程打下基础。
本课程共分八章。
第一和第二章扼要复习一下《固体物理》已详细介绍过的有关晶体结构和晶格振动及缺陷的基本知识，这些内容是学习后续内容前必需掌握的。
第三章到第八章，讲述半导体物理的主要内容。
包括：半导体中的电子状态，电子与空穴的统计分布，电导和霍尔效应，非平衡载流子，半导体的接触现象和半导体表面。
应该说，能带理论是半导体物理学的基础，因此在第三章中先通过简单的模型和讨论将能带理论的主要结论告诉同学们。
包括更复杂的数学推导与计算的严格能带理论，我们将安排在研究生的《半导体理论》课程中讲授。
半导体物理涉及的物理概念和基本原理较多，为了加深对它们的理解，在各章里均给同学们留有习题或思考题，这些题目有的还是基本内容的补充。
也有少量难度较大的题目，这样的问题有利于拓宽同学们的知识面和训练同学们的独立思考能力。
这里还想说明一点，近年来，半导体学科发展迅速，涉及的内容极其丰富，这门48学时的课程是远远不能容纳的。
我只希望能通过本课程的学习，把大家引进门，使同学们对半导体科学和技术发生兴趣，以便今后进一步深入学习、研究和应用。
第五稿修正了第四稿中仍然存在的一些错误和不妥之处。
参考书
1．黄昆，谢希德《半导体物理学》，科学出版社，1958年
2．黄昆，韩汝琦《半导体物理基础》，科学出版社，1979年
3．刘文明《半导体物理学》，吉林人民出版社，1982年
4．刘恩科等《半导体物理学》，国防工业出版社（1~~4版）
5．孟宪章，康昌鹤《半导体物理学》，吉林大学出版社，1993年
6．中岛坚志郎《半导体工程学》，科学出版社，2001年
7．叶良修《半导体物理学》，高等教育出版社，1987年
8．方俊鑫，陆栋《固体物理学》，上海科学技术出版社，1993年
9．曾谨言《量子力学》，科学出版社，2000年
作业本：活页形式
目录
第一章晶体结构 4 §1-1 晶体内部结构的周期性 4 §1-2 晶体的对称性 5 §1-3 倒格子与周期性函数的付立叶展开 6 §1-4 常见半导体的晶体结构7 第二章晶格振动和晶格缺陷9 §2-1 一维均匀线的振动9 §2-2 一维单原子链的振动10 §2-3 一维双原子链的振动12 §2-4 玻恩---卡门边界条件（周期性边界条件）14 §2-5 声子16 §2-6 晶体中的缺陷和杂质16 第三章半导体中的电子状态18 §3-1 电子的运动状态和能带18 §3-2 价带、导带和禁带21 §3-3 （自由）载流子22 §3-4 杂质能级与杂质补偿效应22 第四章半导体中载流子的统计分布25 §4-1 状态密度25 §4-2 费米分布函数和费米能级27 §4-3 导带电子密度和价带空穴密度29 §4-4 本征半导体30 §4-5 杂质半导体31 §4-5-1 杂质能级的占据几率31 §4-5-2 只含一种杂质的半导体32 §4-5-3 存在杂质补偿的半导体37 §4-6 简并半导体40 第五章半导体中的电导现象和霍耳效应42 §5-1 载流子的散射42 §5-2 电导现象44 §5-3 霍耳效应46 第六章非平衡载流子51 §6-1 非平衡载流子的产生和复合51 §6-2 连续性方程53 §6-3 非本征半导体中非平衡少子的扩散和漂移58 §6-4 近本征半导体中非平衡载流子的扩散和漂移63 §6-5 载流子复合64 第七章半导体的接触现象67 §7-1 外电场中的半导体67 §7-2 金属—半导体接触70 §7-3 金属—半导体接触的整流现象72 §7-4 半导体pn结74
§7-5 pn结的整流现象77 §7-6 理想pn结理论（窄pn结理论）77 §7-7 pn结击穿80 §7-8 异质结81 §7-9 欧姆接触83 第八章半导体表面84 §8-1 表面态与表面空间电荷区84 §8-2 空间电荷区的理论分析84 §8-3 表面场效应87 §8-4 理想MOS的电容—电压特性88 §8-5 实际MOS的电容—电压特性90
附：半导体物理习题。