半导体材料的物理学特性
(施敏)半导体器件物理(详尽版)ppt
江西科技师范大学
半导体器件物理 如图，晶面ACC’A’在 坐标轴上的 截距为1，1，∞， 其倒数为1，1，0， 此平面用密勒指数表示 为（110）， 此晶面的晶向（晶列指 数）即为[110]；
晶面ABB’A’用密勒指 数表示为（ 100 ）；
晶面D’AC用密勒指数 表示为（ 111 ）。
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禁带比较窄，常 温下，部分价带 电子被激发到空 的导带，形成有 少数电子填充的 导带和留有少数 空穴的价带，都 能带电
3~6eV
能带被电 子部分占 满，在电 场作用下 这些电子 可以导电
禁带很 宽，价 带电子 常温下 不能被 激发到 空的导 带
硅1.12eV
锗0.67 eV
砷化镓 1.42 eV 江西科技师范大学
半导体器件物理
第 章 半导体特性
1.1 半导体的晶格结构 1.2 半导体的导电性 1.3 半导体中的电子状态和能带
1
1.4 半导体中的杂质与缺陷
1.5 载流子的运动 1.6 非平衡载流子 1.7 习题
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半导体器件物理
● —— 本章重点
半导体材料的晶格结构 电子和空穴的概念 半导体的电性能和导电机理 载流子的漂移运动和扩散运动
半导体器件物理
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
半导体中的电子是在周期性排列 且固定不动的大量原子核的势场 和其他大量电子的平均势场中运动。 这个平均势场也是周期性变化的， 且周期与晶格周期相同。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动； 但内层电子的轨道交叠较 少，共有化程度弱些，外 层电子轨道交叠较多，共 有化程度强些。
半导体物理与器件
发光器件
发光原理
半导体中的载流子复合时，以光子的形式释放能量。
发光器件类型
包括发光二极管（LED）、激光器等。
工作原理
发光器件利用半导体中的载流子复合发光原理，将电能转换为光能。在外加电压或电流作用下，半导体 中的载流子获得能量并发生复合，以光子的形式释放能量并发出可见光或其他波段的光。
04
CATALOGUE
氧化物半导体材料
如氧化锌（ZnO）、氧化铟镓（InGaO3）等，具有透明 导电、压电等特性，可用于透明电子器件、传感器等领域 。
有机半导体材料
具有柔韧性好、可大面积制备、低成本等优点，可用于柔 性电子器件、有机发光二极管（OLED）等领域。
二维材料在半导体器件中的应用
石墨烯
具有优异的电学、热学和力学性能，可用于 高速电子器件、柔性电子器件等领域。
品中。
陶瓷封装
使用陶瓷材料作为封装外壳，具有 优异的耐高温、耐湿气和机械强度 等性能，适用于高端电子产品和特 殊应用场合。
金属封装
利用金属材料（如铝、铜等）进行 封装，具有良好的散热性能和机械 强度，适用于大功率半导体器件。
测试技术
直流参数测试
通过测量半导体器件的直 流电压、电流等参数，评 估其性能是否符合设计要 求。
荷区，即PN结。
二极管的结构
由P型半导体、N型半导体以 及PN结组成，具有单向导电
性。
二极管的伏安特性
描述二极管两端电压与电流之 间的关系，包括正向特性和反
向特性。
二极管的主要参数
包括最大整流电流、最高反向 工作电压、反向电流等。
双极型晶体管
晶体管的结构
由发射极、基极和集电极组成 ，分为NPN型和PNP型两种。
载流子动力学
载流子动力学载流子动力学是研究电子、空穴等带电粒子在半导体材料中的运动和相互作用的学科。
随着半导体电子学的发展，载流子动力学逐渐成为半导体物理学的一个重要分支。
本文将从载流子的概念、半导体材料的基本物理特性、载流子的运动和相互作用等方面进行阐述。
一、载流子的概念载流子是指在半导体材料中能够传导电荷的带电粒子。
在半导体材料中，载流子主要有两种：电子和空穴。
电子是带负电荷的粒子，而空穴则是带正电荷的粒子。
在纯半导体中，电子和空穴的浓度大致相等，称为本征载流子。
在掺杂半导体中，由于杂质原子的掺杂，电子或空穴的浓度会增加，称为杂质载流子。
二、半导体材料的基本物理特性半导体材料的基本物理特性有三个：禁带宽度、载流子浓度和迁移率。
1.禁带宽度禁带宽度是指半导体材料中价带和导带之间的能隙。
在半导体材料中，价带是最高的被占据的能级，导带是最低的未被占据的能级。
当价带和导带之间的能隙较小时，外界的激发能就可以使价带中的电子跃迁到导带中，形成电子空穴对，从而产生电导现象。
禁带宽度越小，半导体的导电性越好。
2.载流子浓度载流子浓度是指在半导体材料中单位体积内载流子的数量。
在纯半导体中，电子和空穴的浓度相等，称为本征载流子浓度。
在掺杂半导体中，由于杂质原子的掺杂，电子或空穴的浓度会增加，称为杂质载流子浓度。
3.迁移率迁移率是指载流子在半导体材料中移动的速度。
它可以用电子或空穴的移动速度来计算。
迁移率越大，载流子在半导体中移动的速度越快，从而提高了半导体的电导率。
三、载流子的运动和相互作用载流子在半导体中的运动和相互作用是半导体电子学的核心内容，也是半导体器件工作原理的基础。
1.载流子的运动载流子在半导体中的运动受到电场和热运动的影响。
在电场作用下，载流子会沿着电场方向运动，形成电流。
在热运动作用下，载流子会随机运动，形成热漂移。
载流子的运动速度和方向受到半导体中的杂质浓度、温度和电场等因素的影响。
2.载流子的相互作用载流子在半导体中的相互作用主要有两种：散射和复合。
1.半导体物理：半导体中的电子状态
纤锌矿型结构
由两类原子各自组成的六方排列的双原子层 堆积而成，它的(001) 面规则地按ABABA… 顺序堆积
纤维锌矿结构： ZnO、GaN、AlN、ZnS、ZnTe、CdS、CdTe…
4. 氯化钠型结构
特点： ①两个面心立方（不同的离子构成）沿棱方向平
移1/2周期套构而成。 ②离子性强。
③硫化铅、硒化铅、碲化铅等。
十四种布喇菲格子
三斜：简单 单斜：简单，底心 正交：简单，体心，面心，底心 四方：简单，体心 六角：简单 三角：简单 立方：简单，体心，面心
14 Bravais Lattices
❖ Triclinic：simple ❖ Monoclinic：simple，side-centered ❖ Orthorhombic：simple，body-centered，face-
centered，side-centered ❖ Tetragonal：simple，body-centered ❖Hexagonal ：simple ❖Trigonal ：simple ❖ Cubic：simple(sc)，body-centered(bcc)，face-
centered(fcc)
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结 构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型 呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。 是世上最薄、最坚硬、电阻率最小的纳米材料。 石墨烯有望取代硅，制作纳米级高速晶体管等电子器件。
1. 金刚石型结构和共价键
许多材料的晶格结构与金刚石相同， 故称为金刚石结构
特点： ① 两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线平移1/4空间对
角线套构而成。 ② sp3杂化轨道为基础形成正四面体结构，夹角109º28´。 ③ 固体物理学原胞（包含两个原子）和面心立方晶格（包
半导体物理学概念总结
半导体物理学概念总结
半导体物理学是研究半导体材料及其在电子学和光学中的性质和行为的学科。
以下是对半导体物理学概念的总结：
1. 半导体材料，半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的导电性介于导体和绝缘体之间，具有在一定条件下可控制的电导率。
2. 禁带宽度，半导体中的电子处于能带中，禁带宽度是指价带和导带之间的能量差。
当禁带宽度较小时，半导体易于导电。
3. 载流子，半导体中的载流子包括电子和空穴。
电子是带负电荷的载流子，而空穴是带正电荷的载流子。
4. 杂质，在半导体中加入少量的杂质可以改变其导电性能。
掺杂可以分为n型和p型，分别引入额外的自由电子或空穴。
5. PN结，PN结是半导体器件中常见的结构，由n型半导体和p型半导体组成。
在PN结中，会出现内建电场和整流特性。
6. 肖特基结，肖特基结是由金属和半导体组成的二极管。
它具有低反向漏电流和快速开关特性。
7. 光电子学，半导体在光照射下会产生光生载流子，这一特性被广泛应用于光电子学领域，如光电二极管和太阳能电池。
8. 晶体管，晶体管是半导体器件中的重要组成部分，可以放大和控制电流。
它的发明对电子技术产生了深远影响。
在半导体物理学中，以上概念都是非常重要的，它们构成了半导体器件和电子技术的基础。
研究半导体物理学不仅有助于深入理解现代电子器件的工作原理，也对半导体材料的开发和应用具有重要意义。
希望以上总结能够帮助你更好地理解半导体物理学的基本概念。
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。
半导体物理知识及其应用
半导体物理知识及其应用半导体是当前电子技术的重要材料之一，具有导电能力较弱但比绝缘体强的特点，半导体物理知识对于半导体的应用至关重要。
本文将从半导体物理的基本原理入手，探讨半导体物理知识在半导体应用中的作用。
一、半导体物理的基本原理半导体物理的基本原理与量子力学息息相关。
半导体中电子的行为受到电子波的限制，即电子的自旋、动量和位置是不确定的，并且只能以某种概率存在于半导体的某个能级之中。
基于这一特性，半导体可以区分为n型半导体和p型半导体两种。
n型半导体指掺杂了小量的施主杂质元素（如磷、锑、铋等）的半导体，其内部电子富余，导电能力比纯净半导体强。
p型半导体指掺杂了小量的受主杂质元素（如硼、铝、镓等）的半导体，其内部电子亏损，导电能力比纯净半导体弱。
当n型半导体和p型半导体连接在一起时，形成了p-n结，这一结构可以在电路中用作整流器、变频器等电子元件。
二、半导体物理知识的应用半导体物理知识的应用非常广泛，以下列举几个实例：1. 半导体器件半导体物理技术已广泛应用于电子芯片、光电器件、电子射线探测器等器件制造中。
例如，在电子芯片制造中，化学蚀刻技术可以利用半导体物理知识对半导体材料进行加工，形成不同形状、不同功能的微型结构，进而实现电子芯片的封装和集成；在激光器和LED（发光二极管）器件制造中，利用半导体物理知识控制半导体中的带隙能量可以调整发射光谱，进而实现特定波长、高亮度发光和低能耗的光电器件。
2. 太阳能电池太阳能电池是一种将太阳光能转化为电能的器件，半导体物理知识在其制造中起到关键作用。
太阳能电池通常由p-n结、超薄的p型和n型半导体薄层及金属和吸收层等组成，其中半导体材料的带隙能量与太阳光的波长匹配度非常重要，制造技术的提高和半导体物理知识的深入研究，为太阳能电池的高效率利用提供了理论依据和实现路径。
3. 光电检测器随着现代通信技术的飞速发展，光电器件的应用范围也越来越广泛，光电检测器、图像传感器、线性传感器等器件可以通过半导体物理知识调控半导体材料的特性，实现对光信号的快速、准确、稳定传感和处理。
半导体物理知识点
半导体物理知识点半导体在现代科技中扮演着至关重要的角色，从我们日常使用的智能手机、电脑，到各种先进的电子设备，都离不开半导体技术。
下面就让我们一起来了解一些关键的半导体物理知识点。
首先，我们来认识一下半导体的基本概念。
半导体是一种导电性介于导体和绝缘体之间的材料。
常见的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）等。
它们的原子结构具有独特的性质，使得在一定条件下能够通过控制杂质的掺入来改变其导电性能。
半导体中的载流子是理解其导电特性的关键。
载流子主要包括电子和空穴。
电子大家都比较熟悉，带负电。
而空穴则可以看作是电子的“空位”，它带正电。
在半导体中，电子和空穴都能参与导电。
半导体的能带结构也是重要的知识点之一。
在绝对零度时，半导体的价带被电子填满，导带为空。
随着温度升高或受到外界能量激发，价带中的电子会跃迁至导带，从而形成能导电的电子和空穴。
接着，我们说说半导体中的杂质。
杂质可以分为施主杂质和受主杂质。
施主杂质能够提供电子，增加导带中的电子浓度，从而增强半导体的导电性；受主杂质则会接受电子，增加价带中的空穴浓度，同样也能改变半导体的导电性能。
半导体的电阻率是衡量其导电能力的重要参数。
电阻率受到多种因素的影响，如温度、杂质浓度等。
一般来说，温度升高，电阻率会降低；杂质浓度增加，电阻率也会发生相应的变化。
PN 结是半导体器件的核心结构。
当 P 型半导体和 N 型半导体结合在一起时，就形成了 PN 结。
在 PN 结处，会产生内建电场，阻止多数载流子的扩散，但促进少数载流子的漂移。
PN 结具有单向导电性，这一特性被广泛应用于二极管等电子器件中。
再来说说半导体中的电导机制。
除了前面提到的载流子的扩散和漂移，还有热载流子效应等。
热载流子是指具有较高能量的载流子，它们在半导体中的输运特性对器件性能有着重要影响。
半导体的光学性质也值得关注。
当半导体受到光的照射时，会产生光电导现象。
这一现象在光探测器、太阳能电池等领域有着重要应用。
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半导体材料的物理学特性
半导体材料是一类具有特殊电学特性的材料。
这类材料既不是很好的导体，也
不是很好的绝缘体，而是介于两者之间。
半导体材料的电学性质是由其两种特殊的电荷携带者——电子和空穴——共同决定的。
本文将介绍半导体材料的物理学特性。
1、电子与空穴
半导体的电学特性主要是由其电子和空穴的特性所决定的。
半导体中的电子是
自由的，能在固体中流动。
然而，在纯净的半导体中，电子的数量非常有限。
为了增加半导体的电导率，要向其中引入杂质原子。
杂质原子将物质的电子结构变得更加复杂，导致物质中存在着多种不同的能量状态。
在半导体中，杂质原子引入了过量的电子或缺失了一些电子，导致半导体中的
电子存在两种状态，即导带和价带。
在导带中的电子具有高能态，而在价带中的电子具有低能态。
区分两者的能隙被称为带隙。
根据带隙的大小，可以将半导体分为直接带隙半导体和间接带隙半导体。
直接带隙半导体具有较大的带隙能量，在电子从价带向导带跃迁时，能量会以光的形式传递出去。
而间接带隙半导体的带隙能量较小，电子从价带向导带跃迁时，能量不足以激发光的发射。
在半导体中，还存在一种电子的缺陷，称为空穴。
空穴是由于原子中缺少了一
个电子而形成的，具有与电子相反的电荷。
空穴可以在半导体中移动，从而参与导电过程。
空穴的运动方式与电子相似。
2、载流子的导电性
在半导体中，电子和空穴的密度是由温度、杂质原子和其他因素共同决定的。
在半导体中，电子和空穴的数量非常少，因此它们的运动方式与在金属中的电子相比有所不同。
在半导体中，载流子的移动是受到其周围的影响的，如其寿命、碰撞等因素都会影响其运动。
一般情况下，半导体材料中的电导率比导体材料低一个数量级。
半导体中的导电性还与其本身的结构有关。
在半导体中，电子能级和空穴能级密度都比较高，具有一定的带隙，这种带隙能量不同。
开放的能级称为导带，而实际上能级是相邻的，但隔离的能级是价带。
在半导体中，电子和空穴的运动状态不同，因此电子在半导体中的运动形式与空穴是相反的。
3、P型半导体与N型半导体
在半导体材料中，杂质原子的存在引入了额外的电荷，从而改变了材料的导电性质。
当半导体中引入一种杂质原子，它所带的价电子数比半导体的原子所带的价电子数多一个，半导体就变成了P型半导体。
在P型半导体中，由于杂质原子上多余的电子与晶体中的原子形成了共价键，电子从杂质原子中跃迁到空穴中，从而形成了一个总体的正电荷。
当半导体中引入一种杂质原子，它所带的价电子比半导体的原子所带的价电子数要少一个，半导体就变成了N型半导体。
在N型半导体中，杂质原子中缺失的电子形成了空穴，而这些空穴在晶体中移动，从而形成了一个总体的负电荷。
4、PN结
PN结是半导体器件中最基本的结构单元之一，是由一片掺杂得非常浓的P型半导体与一片同样掺杂得非常浓的N型半导体叠加在一起，从而形成的一个电子流相互穿过的区域。
由于P型半导体和N型半导体之间的电荷分布不同，形成了PN结之间的电场，导致空穴和电子在PN结中产生了漂移运动。
PN结具有整流器件的性质，可以将电流向一定方向导流。
PN结的应用非常广泛，如二极管、太阳能电池等。
综上所述，半导体材料具有特殊的电学特性，其物理学特性是由电子和空穴等载流子的特性所决定的。
PN结是半导体器件中最基本的结构单元之一，具有整流器件的性质，应用广泛。
随着半导体技术的不断发展，半导体材料将会引领科技发展的新时代。