半导体的基本理论
论文题目：半导体的基本理论
课程名称： 功能材料概论
专业名称： 应用化学
学 号： 1109341009
姓 名：
成 绩：
2014年3月30日
1 半导体的基本理论
摘要：半导体和绝缘体之间的差异主要来自两者的能带宽度不同。绝缘体的能带比半导体宽，意即绝缘体价带中的载流子必须获得比在半导体中更高的能量才能跳过能带，进入导带中。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括第Ⅲ和第Ⅴ族化合物。随着时代的发展，半导体的市场需求已经步入了黄金时期。
关键词:半导体；元素半导体；磁性材料；半导体元件；能带理论
The Basic Theory of Semiconductors
Abstract：Differences between the semiconductor and the insulator can be different
from the width of the main two . Insulator band width than the semiconductor , an
insulator means of the valence band of the carrier must be higher than the energy to
jump in the semiconductor energy band into the conduction band .Many
semiconductor materials, according to the chemical composition of the semiconductor
elements can be divided into two categories, and compound semiconductors .
Germanium and silicon is the most commonly used semiconductor element ; Ⅲ first
compound semiconductor comprises a first aromatic compound Ⅴ. With the
development of the times , the needs of the semiconductor market has entered a
golden age .
Key words：semiconductors；element semiconductor；magnetic material；semiconductor components；energy band theory
引 言
半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。
1 半导体的定义 2 材料的导电性是由导带中含有的电子数量决定。当电子从价带获得能量而跳跃至导电带时，电子就可以在带间任意移动而导电。一般常见的金属材料其导电带与价电带之间的能隙非常小，在室温下电子很容易获得能量而跳跃至导电带而导电，而绝缘材料则因为能隙很大（通常大于9电子伏特），电子很难跳跃至导电带，所以无法导电。一般半导体材料的能隙约为1至3电子伏特，介于导体和绝缘体之间。因此只要给予适当条件的能量激发，或是改变其能隙之间距，此材料就能导电。材料中载流子（carrier）的数量对半导体的导电特性极为重要。这可以通过在半导体中有选择的加入其他“杂质”（III-A、V-A族元素）来控制。如果我们在纯硅中掺杂（doping）少许的砷或磷（最外层有5个电子），就会多出1个自由电子，这样就形成N型半导体；如果我们在纯硅中掺入少许的硼（最外层有3个电子），就反而少了1个电子，而形成一个空穴（hole），这样就形成P型半导体（少了1个带负电荷的原子，可视为多了1个正电荷）。
2 半导体的分类
半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。按照其组分和制备方法不同又分为本征半导体、P型半导体、N型半导体、磁性半导体[1]等。
2.1 元素半导体
元素半导体材料在元素周期表中的位置说明了半导体材料的性质与物质结构，特别是原子结构的关系，它们都居于周期表的A族。典型的半导体材料居于Ⅳ一A族，它们都具有明显的共价键；都以金刚石型结构结晶；它们的带隙宽度随原子序数的增加而递减，其原因是其键合能随电子层数的增加而减小。V-A族都是某一种同素异形体具有半导体性质，其带隙宽度亦随原子序数的增加而减小。
2.2 化合物半导体
通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体，即是指由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物，并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。包括晶态无机化合物[2](如III-V族、II-VI族化合物半导体)及其固溶体、非晶态无机化合物(如玻璃半导体)、有机化合物(如有机半导体)和氧化 3 物半导体等。通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体。主要是二元化合物如：砷化镓、磷化铟、硫化镉、碲化铋、氧化亚铜等，其次是二元和多元化合物，如镓铝砷、铟镓砷磷、磷砷化镓、硒铟化铜及某些稀土化合物(如SeN、YN、La2S3等)。
2.3 本征半导体
本征半导体完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体称为本征半导体。但实际半导体不能绝对的纯净，此类半导体称为杂质半导体。本征半导体一般是指其导电能力主要由材料的本征激发决定的纯净半导体。更通俗地讲，完全纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体或I型半导体。主要常见代表有硅、锗这两种元素的单晶体结构。
2.4 P型半导体
P型半导体，也称为空穴型半导体。P型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体。掺入的杂质越多，电子（空穴）的浓度就越高，导电性能就越强。
2.5 N型半导体
在N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子，主要靠自由电子导电，由于N型半导体中正电荷量与负电荷量相等，故N型半导体呈电中性[3]。自由电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成。掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能就越强。
2.6 磁性半导体
磁性半导体，顾名思义，指同时具有磁性和半导体性质的材料。通常所说的磁性半导体，即狭义的磁性半导体，指同时具有磁性和半导体性质的单一相的材料；而广义上的磁性半导体包括了多相材料以及复合材料，并且要求磁性相与半导体相之间尊在耦合[1]。铁磁金属与半导体之间加入绝缘势垒层或者使其形成非欧姆接触，实现极化载流子以遂穿方式注入到半导体中[4]。即通过掺杂过渡金属元素到III-A族、II-A族和IV族元素半导体材料中实现的。通过磁性离子极化的d电子与导电载流子相耦合实现载流子的极化，并保留元半导体的带隙。
3 半导体的掺杂 4 半导体之所以能广泛应用在今日的数字世界中，凭借的就是其能借由在其晶格中植入杂质改变其电性，这个过程称之为掺杂。掺杂进入本征半导体的杂质浓度与极性皆会对半导体的导电特性产生很大的影响。而掺杂过的半导体则称为杂质半导体。
3.1 掺杂物
一般而言，掺杂物依照其带给被掺杂材料的电荷正负被区分为施主与受主。施主原子带来的价电子多会与被掺杂的材料原子产生共价键，进而被束缚。而没有和被掺杂材料原子产生共价键的电子则会被施主原子微弱地束缚住，这个电子又称为施主电子。和本征半导体的价电子比起来，施主电子跃迁至导带所需的能量较低，比较容易在半导体材料的晶格中移动，产生电流。虽然施主电子获得能量会跃迁至导带，但并不会和本征半导体一样留下一个空穴，施主原子在失去了电子后只会固定在半导体材料的晶格中。因此这种因为掺杂而获得多余电子提供传导的半导体称为n型半导体，n代表带负电荷的电子。和施主相对的，受主原子进入半导体晶格后，因为其价电子数目比半导体原子的价电子数量少，等效上会带来一个的空位，这个多出的空位即可视为空穴。受主掺杂后的半导体称为p型半导体，p[5]代表带正电荷的空穴。以一个硅的本征半导体来说明掺杂的影响。硅有四个价电子，常用于硅的掺杂物有三价与五价的元素。当只有三个价电子的三价元素如硼掺杂至硅半导体中时，硼扮演的即是受主的角色，掺杂了硼的硅半导体就是p型半导体。反过来说，如果五价元素如磷掺杂至硅半导体时，磷扮演施主的角色，掺杂磷的硅半导体成为n型半导体。一个半导体材料有可能先后掺杂施主与受主，而如何决定此外质半导体为n型或p型必须视掺杂后的半导体中，受主带来的空穴浓度较高或是施主带来的电子浓度较高，亦即何者为此外质半导体的多数载流子。和多数载流子相对的是少数载流子。对于半导体元件的工作原理分析而言，少数载流子在半导体中的行为有着非常重要的地位。
3.2 掺杂物对半导体能带结构的影响
掺杂之后的半导体能带会有所改变。依照掺杂物的不同，本征半导体的能隙之间会出现不同的能阶。施主原子会在靠近导带的地方产生一个新的能阶，而受主原子则是在靠近价带的地方产生新的能阶。假设掺杂硼原子进入硅，则因为硼的能阶到硅的价带之间仅有0.045电子伏特，远小于硅本身的能隙1.12电子伏 5 特，所以在室温下就可以使掺杂到硅里的硼原子完全解离化。
掺杂物对于能带结构的另一个重大影响是改变了费米能阶的位置。在热平衡的状态下费米能阶依然会保持定值，这个特性会引出很多其他有用的电特性。举例来说，一个p-n结的能带会弯折，起因是原本p型半导体和n型半导体的费米能阶位置各不相同，但是形成p-n结后其费米能阶必须保持在同样的高度，造成无论是p型或是n型半导体的导带或价带都会被弯曲以配合界面处的能带差异。
3.3 掺杂物对载流子的影响
掺杂物浓度对于半导体最直接的影响在于其载流子浓度。在热平衡的状态下，一个未经掺杂的本征半导体，电子与空穴的浓度相等，即。其中是半导体内的电子浓度、则是半导体的空穴浓度，则是本征半导体的载流子浓度。会随着材料或温度的不同而改变。对于室温下的硅而言，大约是1.5×1010 cm-3。
通常掺杂浓度越高，半导体的导电性就会变得越好，原因是能进入导带的电子数量会随着掺杂浓度提高而增加。掺杂浓度非常高的半导体会因为导电性接近金属而被广泛应用在今日的集成电路制程来取代部份金属。高掺杂浓度通常会在或是后面附加一上标的“+”号，例如代表掺杂浓度非常高的n型半导体，反之例如则代表轻掺杂的p型半导体。需要特别说明的是即使掺杂浓度已经高到让半导体退化为导体，掺杂物的浓度和原本的半导体原子浓度比起来还是差距非常大。以一个有晶格结构的硅本征半导体而言，原子浓度大约是5×1022 cm-3，而一般集成电路制程里的掺杂浓度约在1013 cm-3至1018 cm-3之间。掺杂浓度在1018 cm-3以上的半导体在室温下通常就会被视为是一个简并半导体。重掺杂的半导体中，掺杂物和半导体原子的浓度比约是千分之一，而轻掺杂则可能会到十亿分之一的比例。在半导体制程中，掺杂浓度都会依照所制造出元件的需求量身打造，以合于使用者的需求。
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。
1.2能带论是半导体物理的理论基础，试简要说明能带论所采用的理论方法。
答：
能带论在以下两个重要近似基础上，给出晶体的势场分布，进而给出电子的薛定鄂方程。通过该方程和周期性边界条件最终给出E-k关系，从而系统地建立起该理论。
单电子近似：
将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑，这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。
绝热近似：
近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换，而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。
1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法
答案：
克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型，如下图所示
利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式，进而确定波函数并给出E-k关系。由此得到的能量分布在k空间上是周期函数，而且某些能量区间能级是准连续的（被称为允带），另一些区间没有电子能级（被称为禁带）。从而利用量子力学的方法解释了能带现象，因此该模型具有重要的物理意义。
1.2导带与价带
1.3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-kV
X
克龙尼克—潘纳模型的势场分布 关系决定。
1.4本征半导体
既无杂质有无缺陷的理想半导体材料。
1.4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。
半导体物理教学大纲
半导体物理教学大纲
一、引言
1.1 课程背景
1.2 课程目标和重要性
1.3 教学方法和评估方式
二、半导体物理基础
2.1 半导体的基本概念
2.1.1 电子、空穴
2.1.2 禁带宽度和导电性质
2.2 半导体材料的结构和晶体缺陷
2.2.1 晶体结构
2.2.2 点缺陷、线缺陷和面缺陷
2.3 能带理论
2.3.1 布洛赫理论 2.3.2 能带结构和电子能级分布
2.4 杂质和掺杂
2.4.1 N型和P型半导体
2.4.2 杂质的作用和控制
三、半导体材料的基本器件
3.1 PN结
3.1.1 PN结的形成和特性
3.1.2 PN结的电流特性
3.2 二极管
3.2.1 化学势和漏斗效应
3.2.2 正向和反向偏置
3.2.3 二极管的电流-电压关系
3.3 晶体管
3.3.1 理想二极管模型和非理想模型
半导体测试理论
半导体测试理论1
测量可重复性和可复制性(GR&R)
GR&R是用于评估测试设备对相同的测试对象反复测试而能够得到重复读值的能力的参数。也就是说GR&R是用于描述测试设备的稳定性和一致性的一个指标。对于半导体测试设备，这一指标尤为重要。
从数学角度来看，GR&R就是指实际测量的偏移度。测试工程师必须尽可能减少设备的GR&R值，过高的GR&R值表明测试设备或方法的不稳定性。
如同GR&R名字所示，这一指标包含两个方面：可重复性和可复制性。可重复性指的是相同测试设备在同一个操作员操作下反复得到一致的测试结果的能力。可复制性是说同一个测试系统在不同操作员反复操作下得到一致的测试结果的能力。
当然，在现实世界里，没有任何测试设备可以反复获得完全一致的测试结果，通常会受到5个因素的影响：
1、测试标准
2、测试方法
3、测试仪器
4、测试人员
5、环境因素
所有这些因素都会影响到每次测试的结果，测试结果的精确度只有在确保以上5个因素的影响控制到最小程度的情况下才能保证。
有很多计算GR&R的方法，下面将介绍其中的一种，这个方法是由Automotive Idustry Action
Group(AIAG)推荐的。首先计算由测试设备和人员造成的偏移，然后由这些参数计算最终GR&R值。
Equipment Variation (EV)：代表测试过程（方法和设备）的可重复性。它可以通过相同的操作员对测试目标反复测试而得到的结果计算得来。
Appraiser Variation (AV)：表示该测试流程的可复制性。可以通过不同操作员对相同测试设备和流程反复测测试所得数据计算得来。
GR&R的计算则是由上述两个参数综合得来。
必须指出的是测试的偏移不仅仅是由上述两者造成的，同时还受Part Variation（PV）的影响。PV表示测试目标不同所造成的测试偏差，通常通过测试不同目标得到的数据计算而来。
现在让我们来计算总偏差：Total Variation （TV），它包含了由R&R和PV所构成的影响。
半导体物理1-8章重点总结
半导体重点总结（1-7章）
绪论
1. 制作pn结的基本步骤。（重点，要求能够画图和看图标出步骤）
第一章． 固体晶体结构
1. 半导体基本上可以分为两类：位于元素周期表IV元素半导体材料和化合物半导体材料。大部分化合物半导体材料是III族和V族化合形成的。
2. 元素半导体，如：Si、Ge； 双元素化合物半导体，如：GaAs（III族和V族元素化合而成）、InP、ZnS。类似的也有三元素化合物半导体。
3. 固体类型：（a）无定形（b）多晶（c）单晶 图见P6
多晶：由两个以上的同种或异种单晶组成的结晶物质。多晶没有单晶所特有的各向异性特征
准晶体: 有长程的取向序，沿取向序的对称轴方向有准周期性，但无长程周期性。似晶非晶。
4. 原胞和晶胞：原胞是可以通过重复形成晶格的最小晶胞。晶胞就是可以复制出整个晶体
的小部分晶体。
5. （a）简立方 1 个原子（b）体心立方 2 个原子（c）面心立方 4 个原子
计算方法：顶点的一个原子同时被8个晶胞共享，因此对于所求晶胞而言只占有了该原子的1/8；边上、面心和体心原子分别同时被4,2,1个晶胞共享，对于所求晶胞而言分别占有了该原子的1/4,1/2,1/2.如此计算。例如（c）图中8*1/8+6*1/2=1+3=4.
6. 晶格常数：所取的立方体晶胞的边长。单位为A,1A=10^-8cm.
7. 原子体密度：原子个数/体积。
比如上图（c）假设晶格常数为5A。求原子体密度。
8．密勒指数（取面与x,y,z平面截距的倒数）：密勒指数描述晶面的方向，任何平行平面都有相同的密勒指数。
9. 特定原子面密度：原子数/截面面积。
计算方法：计算原子面密度时求原子个数的方法与求体密度时的方法类似，但是应当根据面的原子共用情况来计算。其中有一种较为简便的算法：计算该面截下该原子的截面的角度除处以360，即为该面实际占有该原子的比例。
举例1：计算下图（a）中所显示面所拥有的原子个数和原子面密度：
半导体物理第七章总结复习_北邮分析
第七章
一、基本概念
1.半导体功函数: 半导体的费米能级EF与真空中静止电子的能量E0的能量之差。
金属功函数：金属的费米能级EF与真空中静止电子的能量E0的能量之差
2.电子亲和能: 要使半导体导带底的电子逸出体外所需的最小能量。
3. 金属-半导体功函数差o: (EF)s-(EF)m=Wm-Ws
4. 半导体与金属平衡接触平衡电势差: qWWVsmD
5.半导体表面空间电荷区 : 由于半导体中自由电荷密度的限制，正电荷分布在表面相当厚的一层表面层内，即空间电荷区。表面空间电荷区=阻挡层=势垒层
6.电子阻挡层：金属功函数大于N型半导体功函数（Wm>Ws）的MS接触中，电子从半导体表面逸出到金属，分布在金属表层，金属表面带负电。半导体表面出现电离施主，分布在一定厚度表面层内，半导体表面带正电。电场从半导体指向金属。取半导体内电位为参考，从半导体内到表面，能带向上弯曲，即形成表面势垒，在势垒区，空间电荷主要有带正电的施主离子组成，电子浓度比体内小得多，因此是是一个高阻区域，称为阻挡层。
【电子从功函数小的地方流向功函数大的地方】
7.电子反阻挡层：金属功函数小于N型半导体功函数（Wm
8.半导体表面势垒(肖特基势垒)高度: smsDWWqVqV
9.表面势垒宽度：
10.半导体表面势: 取半导体体内为参考电位，半导体表面的势能Vs。
11 .表面态: 在半导体表面处的禁带中存在着表面态，对应的能级称为表面能级。
表面态一般分为施主型和受主型两种。若能级被电子占据时呈中性，施放电子后呈正电性，成为施主型表面态；若能级空着的时候为电中性，接收电子后带负电，则成为受主型表面态。一般表面处存在一个距离价带顶为qf的能级，电子刚好填满该能级以下所有表面态时呈电中性。 电子填充了该能级以上部分则表面带负电，电子未填充满该能级以下的所有能级则表面带正电。
12.钉扎效应: 若表面态密度高，金属半导体接触时，电子充入或放出表面态，半导体表面形成与体内符号相反的电荷、形成高度为2/3半导体禁带宽度的表面势垒，费米能级钉住在表面中性能级上。
半导体物理知识点及重点习题总结 2
基本概念题：
第一章半导体电子状态
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。
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。
能带论是半导体物理的理论基础，试简要说明能带论所采用的理论方法。
答：
能带论在以下两个重要近似基础上，给出晶体的势场分布，进而给出电子的薛定鄂方程。通过该方程和周期性边界条件最终给出E-k关系，从而系统地建立起该理论。
单电子近似：
将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑，这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。
绝热近似：
近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换，而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。
克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法
答案：
克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型，如下图所示
利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式，进而确定波函数并给出E-k关系。由此得到的能量分布在k空间上是周期函数，而且某些能量区间能级是准连续的（被称为允带），另一些区间没有电子能级（被称为禁带）。从而利用量子力学的方法解释了能带现象，因此该模型具有重要的物理意义。
导带与价带
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。
本征半导体
既无杂质有无缺陷的理想半导体材料。
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。
半导体物理(刘恩科)概念总结2栏小字
第七章
1、功函数：表示一个起始能量等于费米能级的电子，由金属内部逸出到真空中所需要的最小能量。Wm=E0-(EF)m Ws=E0-(EF)S
2、电子亲和能：使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能量。Ꮠ=E0-Ec
3、接触电势差：一块金属和一块n型半导体，假定wm>ws接触时，半导体中的电子向金属流动，金属电势降低，半导体电势升高，最后达到平衡状态，金属和半导体的费米能级在同一个水平面上，他们之间的电势差完全补偿了原来费米能级的不同。Vms=(Vs-Vm)/q这个由于接触而产生的电势差称为接触电势差。
4、阻挡层与反阻挡层 n p
Wm>Ws 阻上弯 反阻上弯
Wm
阻挡层：在势垒区中，空间电荷主要由电离施主形成，电子浓度要比体内小得多，因此他是一个高阻的区域。
反阻挡层：Wm
5、表面势：随着金半之间距离的减少，靠近半导体一侧的半导体表面的正电荷密度增加，由于搬到一中自有电荷密度的限制，这些正电荷分布在半导体表面相当厚的一层表面内，即空间电荷区，这时在空间电荷区内变存在一定的电场，造成能带的弯曲，使半导体表面和内部之间存在电势差。
6、整流作用：金属和半导体接触形成阻挡层，当在金属一侧加外反向电压，金属一边的势垒不随外加电压变化，从金属到半导体的电子流是恒定的，当反向电压继续增加，使半导体到金属的电子流可以忽略不计时。反向电流达到饱和。
7、扩散理论：应用于厚阻挡层
8、发射理论：薄阻挡层
9、肖特基势垒：势垒厚度依赖于外加电压的势垒
10、欧姆接触：金属和半导体形成非整流接触，不产生明显的附加阻抗，半导体内部的平衡载流子浓度不发生明显变化。
实现：1、WmWs时，与p形成反阻挡层。反阻挡层没有整流作用，选用适当的金属材料可得到欧姆接触。
2、实际生产中，主要利用隧道效应原理。
11、隧道二极管：具有正向负阻特性。正向电流开始随正向电压增加而迅速上升到极大值Ip，随后电流随电压增加而减少，当电压继续增加时电流随之能加。随着电压增大电流反而减少的现象称为负阻。这一电流电压特性曲线的斜线为负，这一特性为负阻特性。
半导体物理学 基本概念
半导体物理学 基本概念
能带（energy band）相邻原子在组成固体时，其相应的电子能级由于原子间的相互作用而分裂，由于固体中包含的原子数很大，分离出来的能级十分密集，形成一个在能量上准连续的分布即能带。由不同的原子能级所形成的允许能带之间一般隔着禁止能带。
导带与价带 根据能带理论，固体中的电子态能级分裂为一系列的带，在带内能级分布是准连续的，带与带之间存在有能量间隙。在非导体中，电子恰好填满能量较低的一系列能带，再高的各带全部都是空的，在填满的能带中尽管存在很多电子，但并不导电。在导体中，则除了完全填满的一系列能带外，还有只是部分地被电子填充的能带，这种部分填充带中的电子可以起导电作用，称为导带。半导体属于上述非导体的类型，但满带与空带之间的能隙比较小。通常把半导体一系列满带中最高的能带称为价带，把半导体中一系列空带中最低的能带称为导带。
直接带隙 直接带隙半导体材料就是导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中同一位置。电子要跃迁到导带上产生导电的电子和空穴（形成半满能带）只需要吸收能量。
间接带隙 间接带隙半导体材料（如Si、Ge）导带最小值（导带底）和满带最大值在k空间中不同位置。形成半满能带不只需要吸收能量，还要改变动量。
杂质电离能 使中性施主杂质束缚的电子电离或使中性受主杂质束缚的空穴电离所需要的能量。
施主（donor）在半导体带隙中间的能级，能够向晶体提供电子同时自身成为正离子的杂质称为施主杂质。
受主（acceptor）在半导体带隙中间的能级，能接受电子同时自身成为负离子的杂质称为受主杂质。
杂质能级（impurity level）由于杂质的存在，半导体材料中的杂质使严格的周期性势场受到破坏，从而有可能产生能量在带隙中的局域化电子态，称为杂质能级。
施主能级 离化能很小，在常温下就能电离而向导带提供电子，自身成为带正电的电离施主，通常称这些杂质能级为施主能级。
半导体物理柴常春笔记
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半导体物理柴常春笔记
一、为什么要做这个笔记呢
嘿呀，半导体物理这门课可有点难搞呢。柴常春老师讲课那是相当精彩，但是知识点就像调皮的小精灵，一不留神就溜走啦。所以呀，我就开始做这个笔记，把那些重要的、有趣的、容易忘的知识都抓住，就像抓住一把把开启知识宝库的小钥匙。
二、笔记里都有啥呢
1. 基本概念部分
半导体的定义可不能含糊。半导体就是导电性介于导体和绝缘体之间的材料，像硅啊、锗啊，都是很常见的半导体材料。这就好比是在导电的“大部队”里，它们处于中间的“小阵营”，有着独特的个性。
本征半导体也很重要哦。它是纯净的、没有杂质的半导体，里面的载流子是由热激发产生的电子 - 空穴对。就像一个纯净的小世界，里面的电子和空穴自己按照一定的规律产生和运动。
2. 能带理论相关
能带这个概念刚接触的时候觉得好抽象呢。其实就是把原子的电子能级扩展到固体里面，就形成了能带。就像好多小水滴汇聚成了大海，好多原子的能级汇聚成了能带。价带、导带和禁带的概念也得搞清楚。价带是原子中价电子所在的能带，导带呢就是电子可以自由移动的能带，而禁带就是它们之间的“禁区”，电子不容易第 2 页 共 2 页 感谢百度文库让我们在这里与你相见，您的下载就是我们最大的动力。
跨越。
能隙也就是禁带宽度，这是个很关键的参数。不同的半导体材料，能隙大小不一样。这个能隙就决定了半导体的很多特性，比如它的导电能力、对光的吸收等等。
3. 杂质半导体
当在本征半导体里加入杂质，就变成了杂质半导体。有n型半导体和p型半导体。n型半导体就是掺入了施主杂质，像磷元素，这样就会产生很多多余的电子，电子就成了多数载流子。而p型半导体掺入受主杂质，比如硼元素，空穴就成了多数载流子。这就像是给原本平静的半导体小世界里加入了不同的“小助手”，让它们的导电特性发生了变化。
半导体物理知识要点总结
第一章 半导体的能带理论
1. 基本概念
共有化运动：原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不在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中运动，这种运动称
为电子的共有化运动。
单电子近似：假设每个电子是在大量周期性排列且固定不动的原子核势场及其他电子的
平均势场中运动。该势场也是周期性变化的。
能带的形成：原子相互接近，形成壳层交替→电子共有化运动→能级分裂（分成允带、
禁带）→形成能带
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。
价带：P6
导带：P6
禁带：P5
导体
半导体
绝缘体的能带
本征激发：价带上的电子激发成为准自由电子，即价带电子激发成为导带电子的过程，
称为本征激发。
空穴：具有正电荷q和正有效质量的粒子
电子空穴对
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。
载流子及载流子浓度
2. 基本理论
晶体中的电子共有化运动
载流子有效质量的物理意义 ：当电子在外力作用下运动时，它一方面受到外电场力f
的作用，同时还和半导体内部原子、电子相互作用着，电子的加速度应该是半导体内部
势场和外电场作用的综合效果。但是，要找出内部势场的具体形式并且求得加速度遇到
一定的困难，引进有效质量后可使问题变得简单，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，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 半导体中的杂质与缺陷能级
1. 基本概念
杂质存在的两种形式：
间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置。