半导体物理
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。
半导体物理
半导体物理思考题第一章半导体中的电子状态1、为什么内壳层电子能带窄，外层电子能带宽？答：内层电子处于低能态，外层电子处于高能态，所以外层电子的共有化运动能力强，因此能带宽。
（原子的内层电子受到原子核的束缚较大，与外层电子相比，它们的势垒强度较大。
）2、为什么点阵间隔越小，能带越宽？答：点阵间隔越小，电子共有化运动能力越强，能带也就越宽。
3、简述半导体的导电机构答：导带中的电子和价带中的空穴都参与导电。
4、什么是本征半导体、n型半导体、p型半导体？答：纯净晶体结构的半导体称为本征半导体；自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体称为n型半导体；空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体称为p型半导体。
5、什么是空穴？电子和空穴的异同之处是什么？答：（1）在电子脱离价键的束缚而成为自由电子后，价键中所留下的空位叫空穴。
（2）相同点：在真实空间的位置不确定；运动速度一样；数量一致(成对出现)。
不同点：有效质量互为相反数；能量符号相反；电子带负电，空穴带正电。
6、为什么发光器件多半采用直接带隙半导体来制作？答：直接带隙半导体中载流子的寿命很短，同时，电子和空穴只要一相遇就会发生复合，这种直接复合可以把能量几乎全部以光的形式放出，因此发光效率高。
7、半导体的五大基本特性答：(1)负电阻温度效应：温度升高，电阻减小。
(2)光电导效应：由辐射引起的被照射材料的电导率改变的现象。
(3)整流效应：加正向电压时，导通；加反向电压时，不导通。
(4)光生伏特效应：半导体和金属接触时，在光照射下产生电动势。
(5)霍尔效应：通有电流的导体在磁场中受力的作用，在垂直于电流和磁场的方向产生电动势的现象。
第二章半导体中杂质和缺陷能级1、简述实际半导体中杂质与缺陷来源。
答：①原材料纯度不够；②制造过程中引入；③人为控制掺杂。
2、什么是点缺陷、线缺陷、面缺陷？答：（1）点缺陷：三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷；（2）线缺陷：三维空间中在二维方向上尺寸较小，在另一维方向上尺寸较大的缺陷；（3）面缺陷：二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。
半导体物理SemiconductorPhysics
对同一周期元素，由左至右电负性逐渐增大；对同一 族元素，由上至下电负性逐渐减小。电负性小的元素 易给出电子，通常以金属形式存在；电负性较大的元 素，通常以共价键结合，具有半导体或绝缘体性质 就化合物而言，由电负性很强和电负性很弱的两种元 素形成的晶体是典型的离子晶体；电负性相近的两种 元素倾向于形成共价键
半导体物理 Semiconductor Physics
闪锌矿结构晶胞
闪锌矿结构与金刚石结
构类似，不同在于其晶
格由两种不同原子各自
组成的面心立方晶格沿
空间对角线彼此位移四
分之一长度套构而成。
半导体物理 Semiconductor Physics
纤锌矿结构Байду номын сангаас
Wurtzite structure
纤锌矿结构和闪锌矿结 构相接近，它也是以正 四面体结构为基础构成 的，但是它具有六方对 称性，而不是立方对称 性。 硫化锌ZnS、硒化锌 ZnSe、硫化镉CdS、硒 化镉CdSe等可以闪锌矿 和纤锌矿两种方式结晶。
半导体通常以共价结合为基础，但是在化合物半导体 中通常含有不同程度的离子结合成分
半导体物理 Semiconductor Physics
共价四面体结构
原子在化合成分子的过程中，根据原子的成键要求，在周围 原子影响下，将原有的原子轨道进一步线性组合成新的原子 轨道。这种在一个原子中不同原子轨道的线性组合，称为原 子轨道的杂化。杂化后的原子轨道称为杂化轨道。杂化时， 轨道的数目不变，轨道在空间的分布方向和分布情况发生改 变。 在四面体结构的共价晶体中，以Si、Ge为例，最外面的价电 子壳层有1个s态轨道和3个p态轨道。处在p态中的电子形成的 共价键应是互相垂直的，但实际形成的4个共价键之间具有 相同的夹角109°28′。这是因为四个共价键实际上是以s态和 p态波函数的线性组合为基础，发生了所谓的轨道杂化。以 上述sp3杂化轨道为基础形成共价键。
半导体物理第九章 半导体的光学性质
9.1 半导体的光吸收 9.1.1 吸收系数，反射系数和透射系数
由电磁场理论，光波在媒质（半导体）中传播，光强I随传 播距离x的变化
I
x
I0
exp
2kx
c
式中，ω为光波角频率；c为光速；k为消光系数
吸收系数表示式
λ为入射光在自由空间的波长,k为媒质的消光系数。对于吸收
系数很大的情况（例如 ） 1，05光cm的1吸收实际上集中在晶
稳态时，即： t , ns bI n
定态光电导为： s qbInn
上升过程光电导变化为：
t
(t) qbI nn (1 e n )
9.2 半导体的光电导 9.2.2 定态光电导及其弛豫过程
停止光照后 所以
dn n
dt
t 0，n ns
set
n t nset
由光电导的上升 和衰减的表达式
要使 / 0 ，必有n0，p0 ， 光敏电阻由高阻材料制成。
5由于陷阱效应，某些材料中主要有一种载流子对附加电导
有贡献。（通常是多数载流子对光电导起主要作用）
P
Cu2O：
qp
；
p
N Cd S： qnn
9.2 半导体的光电导 9.2.2 定态光电导及其弛豫过程
定态光电导：指在恒定光照下产生的光电导，常用Δσs 表示。 研究材料的光电导主要是研究光照下半导体附加电导率Δσ与 哪些参数有关、光电导如何随光强度变化等问题。
自由载流子吸收是在同一能带中发生不同状态（能级）之间 的跃迁，因此吸收的光子能量不需要很大，所以吸收光谱一 般在红外范围，并且随着波长增大而加强。
9.1 半导体的光吸收 9.1.3 其他吸收过程
3. 杂质吸收
当温度较低时，半导体施主能级上束缚的电子（或受主能 级上束缚的空穴）没有电离，被束缚的电子（或被束缚的空 穴）吸收光子的能量之后，可激发到导带（或价带）中去， 这样的光吸收过程称为杂质吸收。杂质吸收也具有长波限 hν0=Ei（杂质电离能），吸收光谱主要集中在吸收限Ei附近。
半导体物理
半导体物理考点归纳第一章 半导体中的电子状态一．名词解释1.电子的共有化运动：（P10）原子组成晶体后，由于电子壳的交叠，电子不再局限于某一个原子上，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。
2.单电子近似：（P11）单电子近似方法认为，晶体中德电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场，以及其他大量电子的平均势场中运动，这个势场是周期性变化的，且其周期与晶格周期相同。
3.有效质量：（P19）有效质量2*22n h m d Edk =，它直接把外力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。
二．判断题1.金刚石和闪锌矿结构的结晶学原胞都是双原子复式格子，而纤锌矿结构与闪锌矿结构型类似，以立方对称的正四面体结构为基础。
（X ）金刚石型结构为单原子复式格子，纤锌矿型是六方对称的。
2.硅晶体属于金刚石结构。
（√）3.Ge 的晶格是单式格子。
（X ） （复式）4.有效质量都是正的。
（X ） （有正有负）5.能带越窄，有效质量越小。
（X ）（2*22n h m d Edk =，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大） 6.硅锗都是直接带隙半导体。
（X ） （间接）7.Ge 和Si 的价带极大值均位于布里渊区的中心，价带中空穴主要分布在极大值附近，对应同一个k 值，()E k 可以有两个值。
8.实际晶体的每个能带都同孤立原子的某个能级相当，实际晶体的能带完全对应于孤立原子的能带。
（X ） （不相当，不完全对应）三．填空题1.晶格可以分为7大晶系，14种布拉菲格子，按照每个格子所包含的各点数，可分为原始格子，体心，面心，底心。
2.如今热门的发光材料LED 是直接带隙半导体，该种材料的能带结构特点是当k=0时的能谷的极值小。
3.Ge 、Si 是间接带隙半导体，InSb 、GaAs 是直接带隙半导体。
4.回旋共振实验中能测出明显的共振吸收峰，就要求样品纯度高，而且要在低温下进行。
半导体物理基础理论
在半导体中，载流子浓度取决于材料的种类和温 度。
3
载流子分布
在绝对零度以上，载流子分布遵循费米-狄拉克 分布。
载流子的产生与复合
热产生
在高温下，电子和空穴通过热激发产生。
光产生
当半导体受到光照时，电子和空穴可以通过光电效应 产生。
载流子复合
当电子和空穴相遇时，它们可以复合并释放出能量。
载流子的迁移率与扩散
量子通信
利用半导体的量子态传输和存储，可以实现 量子密钥分发和量子隐形传态等量子通信技
术，提高通信的安全性和保密性。
半导体物理在新能源领域的应用前景
要点一
太阳能电池
要点二
热电转换
利用半导体的光电效应，可以将太阳能转化为电能，为可 再生能源的发展提供技术支持。
利用半导体的热电效应，可以将热能转化为电能，为新能 源领域的发展提供新的思路。
迁移率
载流子的迁移率描述了载流子在电场作用下的移动速度。
扩散系数
载流子的扩散系数描述了载流子在浓度梯度作用下的扩散速度。
漂移速度
在电场作用下，载流子的平均漂移速度与电场强度成正比。
04
半导体中的热传导与热电效应
热传导的机制与模型
热传导机制
热传导是热量在物质内部由高温区域向低温区域传递的过程 。在半导体中，热传导主要通过晶格振动和自由电子/空穴的 碰撞来实现。
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半导体的导电机制
总结词
半导体的导电机制
详细描述
半导体的导电机制主要包括电子和空穴两种载流子。在半导体中，电子在价带中运动，当受到外界能量激 发时，电子会跃迁到导带，形成电流。空穴则是在价带中形成“空位”，也可以参与导电。
半导体物理的概念是什么
半导体物理的概念是什么
半导体物理是研究半导体材料和器件的物理学分支。
半导体材料是指一类在温度低于室温时是绝缘体，在高于室温时是导体的材料。
半导体物理研究包括半导体的材料特性、电子结构、能带理论、载流子运动、电导率、电子输运、PN结等相关理论和实验研究，以及半导体器件如晶体管、二极管、光电器件等的设计、制造和性能优化。
半导体材料的特性主要取决于其电子结构和能带理论，在此理论框架下，可以解释半导体特性中的许多现象和规律。
半导体中的原子价电子填满能量较低的全球化价带，而导电性较高的传导带的能量较高，由于其能隙比绝缘体小，这使得外来的激励如温度、光照等可以激发电子从价带跃迁到传导带中，同时在跃迁后留下空穴。
这些载流子在半导体中运动和输运的特性对半导体电子学和器件设计具有重要影响。
PN结是半导体器件中常用的器件之一，它是由n 型半导体和p 型半导体材料的拼接而成的结构。
在PN 结中，n-type 半导体中的高浓度自由电子和
p-type 半导体中的高浓度空穴的扩散汇聚产生了空间电荷区域，它使得PN 结在外加正向偏压下变成导体，在反向偏压下变成绝缘体，从而形成了PN 结二极管器件。
半导体物理的研究不仅对于半导体电子学理论、器件设计和制造具有重要意义，而且具有广泛的应用前景。
例如，半导体材料是制造电子器件的重要材料，其中
包括计算机、手机、平板电视、LED 灯等常用电子产品。
另外，半导体材料被广泛用于太阳能电池、光电器件、半导体激光器、放大器等领域，这些领域的发展对于节能减排、环保、医学、化学等方面都具有积极意义，同时也推动了半导体物理研究的发展。
半导体物理
Localized states may result in extremely large µ via ~L
Room Temperature
For comparison, field-effect mobilities achieved in silicon MOSFETs are ~ 1000 cm2/Vs
0 ≤ x ≤ xn
VBJ = Φ ( x = xn ) =
e 2 ( N d xn + N a x 2 ) p 2ε s
Reverse applied bias
Vtotal = Φ Fn + Φ Fp + VR
Vtotal = VBJ + VR
Junction capacitance
eε s N a N d C′ = 2(VBJ + VR )( N a + N d )
比硅器件高100倍！ 比硅器件高100倍！
µFE ~ 1/T, and d2 reaching 100 000 cm2/Vs at 50K for d=4nm
Conductivity
J drf = e( µ n n + µ p p ) E = σE
ρ=
1
σ
=
1 e( µ n n + µ p p )
*
在低电场下
vdp = µ p E
µ p ：空穴迁移率 ，单位为 cm V ⋅ S
2
迁移率是半导体材料的重要参数，它描述了粒子在电场下移动性的好坏。
J p|drf = (ep)vdp = eµ p ⋅ pE
半导体物理
一.名词简析1.施主能级答：当电子得到能量△E D后，就能从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，所以电子被施主杂质束缚时的能量比导带低的E C低△E D。
将被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级，记为E D 。
2.俄歇复合答：载流子从高能级向低能级跃迁，发生电子—空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回低能级时，多余的能量常以声子形式放出，这种复合称为俄歇复合。
3.简并半导体答：导带中的电子数目已经很多，f（E）<<1的条件不能成立，而价带中的空穴数目也很多，【1-f（E）】<<1的条件也不能满足了，必须考虑泡利不相容原理的作用。
这时不能再应用玻耳兹曼分布函数，而必须用费米分布函数来分析导带中的电子及价带中的空穴统计分布问题。
这种情况称为载流子的简并化。
发生载流子简并化的半导体称为简并半导体。
4.功函数答：功函数又称功函、逸出功，在固体物理中被定义成：把一个电子从固体内部刚刚移到此物体表面所需的最少的能量。
（百度）５.有效质量答：有效质量（Effective mass），是用来方便引入经典力学的解决方法牛顿第二定律的一种近似。
它近似认为电子受到原子核的周期性势场（这个势场和晶格周期相同）以及其他电子势场综合作用的结果。
（维基百科）６.迁移率答：表示单位场强下电子的平均漂移速度。
７.ＰＮ节电容答：ｐｎ结有整流效应，但是它又包含着破坏整流特性的因素。
这个因素就是ｐｎ结的电容，它包括势垒电容和扩散电容两部分。
ｐｎ结上外加电压变化，引起势垒区的空间电荷数量随外加电压变化，这种电容效应称为势垒电容。
而由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为ｐｎ结的扩散电容。
８.爱因斯坦关系答：对于电子（Ｄｎ/μn）=（k0T/q），对于空穴（D p/μp）=（k0T/q），上述两式称为爱因斯坦关系式，它表明了非简并情况下载流子迁移率和扩散系数之间的关系。
半导体物理
半导体器件
2.4.1 点缺陷
弗仑克耳缺陷
间隙原子和空位成对出现
肖特基缺陷
只存在空位而无间隙原子
间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较 大，为热缺陷，它们不断产生和复合，直至 达到动态平衡，总是同时存在的。
半导体器件
点缺陷
弗仑克尔缺陷：一定温度下，格点原子在平衡位置附近振动，
后成为负电中心，称为受主离化态。 Si中掺入受主杂质后，受主电离增加了导电空穴，增强了 半导体导电能力，把主要依靠空穴导电的半导体称作p型 半导体。p型半导体中空穴是多子，电子是少子。
半导体器件
表 Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗晶体中的电离能(eV)
晶体 Si Ge
Ⅴ族杂质电离能ΔED P 0.044 0.0126 As 0.049 0.0127 Sb 0.039 0.0096 B 0.045 0.01
半导体器件
2.1 硅、锗晶体中的杂质能级
例：如图2-1所示为一晶格常数为a的Si晶胞，求： （a）Si原子半径
（b）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比
1 1 3 a 解：（a） r ( 3a) 2 4 8
4 3 8 r 3 3 （b） 0.34 3 a 16
半导体器件
半导体器件
深能级杂质
以Ge中掺Au为例：
图2-6 Au在Ge中的能级
图中Ei表示禁带中线位置， Ei以上注明的是杂质能级距导带底 Ec的距离， Ei以下标出的是杂质能级距价带顶Ev的距离。
半导体器件
解释：
中性Au0的一个价电子可以电离释放到导带，形成施主能级 ED,其电离能为(Ec-ED)，从而成为带一个正电荷的单重电施 主离化态Au+。这个价电子因受共价键束缚，它的电离能仅 略小于禁带宽度Eg，所以施主能级ED很接近Ev。 中性Au0为与周围四个Ge原子形成共价键，还可以依次由价 带再接受三个电子，分别形成EA1，EA2，EA3三个受主能级。 价带激发一个电子给Au0，使之成为单重电受主离化态Au-， 电离能为EA1-Ev ；从价带再激发一个电子给Au-使之成为二 重电受主离化态 Au＝ ，所需能量为EA2-Ev；从价带激发第 三个电子给使之成为三重电受主离化态 ，所需能量为 Au EA3-Ev 。
半导体物理与器件专业
半导体物理与器件专业半导体物理与器件专业是电子信息科学与技术领域的重要学科之一，主要研究半导体材料的物理特性以及基于半导体材料制造的各种器件的原理和应用。
本文将从半导体物理和半导体器件两个方面进行介绍。
一、半导体物理半导体物理是半导体器件研究的基础，主要研究半导体材料的电子结构、能带理论、载流子行为等方面的物理现象。
其中，半导体材料的电子结构是研究的核心内容之一。
半导体材料的电子结构决定了其导电性质。
通过研究半导体材料的能带结构，可以了解其导电机制和电子行为。
此外，载流子行为也是半导体物理研究的重要内容之一。
载流子包括电子和空穴，其在半导体材料中的运动行为决定了半导体器件的性能。
因此，研究半导体材料中载流子的输运、复合、注入等现象对于半导体器件的设计和制造具有重要意义。
二、半导体器件半导体器件是利用半导体材料制造的各种电子器件，包括二极管、晶体管、场效应晶体管、光电二极管等。
半导体器件由于具有可控性强、体积小、功耗低等优点，在电子技术领域得到了广泛应用。
其中，二极管是最简单的半导体器件之一，它由P型和N型半导体材料组成。
通过在PN结上加正向或反向电压，可以实现电流的导通或截止。
晶体管是一种能够放大电信号的器件，它由三层P-N结构组成，通过控制输入信号的电流，可以控制输出信号的放大倍数。
场效应晶体管是一种控制电流的器件，它通过控制栅极电压来控制漏极电流。
光电二极管则可以将光信号转换为电信号，广泛应用于光通信和光电转换领域。
半导体物理与器件专业的学习内容主要包括半导体物理基础、半导体器件设计与制造技术、半导体器件测试与分析方法等方面。
学生需要掌握半导体材料的物理特性、器件的工作原理和制造工艺等知识。
此外，还需要具备实验能力，能够利用实验手段对半导体材料和器件进行性能测试和分析。
半导体物理与器件专业毕业生可以在电子、通信、计算机等领域从事半导体器件的研发、制造和应用工作。
随着信息技术的快速发展，半导体器件在各个领域的应用越来越广泛，对于半导体物理与器件专业的需求也越来越大。
半导体物理
禁带 允带 禁带
内层电子共有化运动弱，能级分裂小，能带 窄，外层电子共有化运动强，能级分裂厉害，能 带宽。
如果考虑2P能级3度简并
3度简并 …
P
3N个能级 3N个状态
S
非简并 …
N个能级 N个状态
N个孤立原子
N个原子组成晶体
晶体的能带与孤立原子的能级并非一一对应
4N 6N
6N
2N 4N
2N
晶格常数
4. 有效质量的意义
（1）能带顶附近 m
(2)
* n
* 0， 导带底附近 mn 0
d 2 E －1 * mn （ 2） dk
内层电子 能带窄，
外层电子
能带宽，
m
* 大 n
小
(3) 意义：它概况了半导体内部势场的作用，可不涉及内部 势场而直接用牛顿第二定律解决半导体中电子有外力 时的运动规律。
2
2
* 能带顶，E ( k ) E (0)，mn 0
能带极值附近m ~ k的关系
* n
m
第 一 布 区 边 界
* n
第 一 布 区 边 界
k
例：
某一维晶体的电子能带为
E(k ) E0 1 0.1cos(ka) 0.3sin(ka)
其中E0=3eV，晶格常数a=5х10-11m。 求： 能带宽度； 能带底和能带顶的有效质量。
半导体物理学
Semiconductor Physics
李竞春
电子科技大学 电子科技大学
微电子固体电子学院 微电子固体电子学院
课程任务
阐述半导体物理的基础理论和半导体的主 要性质，以适应后续专业课程的学习。
半导体高中物理
半导体高中物理
半导体物理是研究半导体材料的性质、结构及其在电子器件中的应用的一门学科。
它是物理学、化学和材料科学的交叉领域，对于现代电子技术的发展具有重要意义。
半导体物理的主要内容包括：
1. 半导体的基本概念：半导体是一种介于导体（如金属）和绝缘体（如玻璃、橡胶）之间的材料，其电导率介于两者之间。
半导体的导电性能受温度、杂质等因素的影响较大。
2. 半导体的能带结构：半导体中的电子能量分布在不同的能带中，主要有价带、导带和禁带。
价带中的电子受到束缚，不能自由移动；导带中的电子可以自由移动，参与导电过程。
禁带是价带和导带之间的能量间隔，决定了半导体的导电类型（n型或p型）。
3. 载流子：半导体中的电子和空穴都可以作为载流子参与导电过程。
n型半导体中的多数载流子是电子，p型半导体中的多数载流子是空穴。
4. 掺杂：通过向半导体中添加杂质元素，可以改变其导电类型和导电性能。
n型半导体中加入五价元素（如磷），p型半导体中加入三价元素（如硼）。
5. p-n结：将n型半导体和p型半导体结合形成的结构称为p-n结。
p-n结具有单向导电性，即在正向偏置下电阻很小，电流可以顺利通过；在反向偏置下电阻很大，电流几乎不流动。
p-n结是许多半导体器件的基础。
6. 二极管：利用p-n结的特性制成的电子器件。
二极管具有整流、稳压等功能，广泛应用于电路中。
7. 晶体管：利用p-n结和多层半导体结构制成的电子器件。
晶体管具有放大和开关功能，是现代电子设备的核心元件。
半导体物理基础
CVD、PVD方法(非晶薄膜）：
(11)
§1.2 晶体结构--单晶半导体材
晶体中原子的周期性排列称为晶格，整个晶格可以用单胞来描 重复单胞能够形成整个晶格。 三种立方晶体单 z a y x 简单立方 Cubic (P Mn) x 体心立方 bcc Body center (Na,W,etc) z a y x 面心立方 fcc (Al,Au,etc) z a y
(15)
元素/化合物 元素半 导体 C Ge Si Sn SiC AlSb BN BP GaN GaSb GaAs GaP InSb InAs InP
名称 Carbon(Diamond) Germanium Silicon Grey Tin Silicon carbide Aluminum antimonide Boron nitride Boron phosphide Gallium nitride Gallium antimonide Gallium arsenide Gallium phosphide Indium antimonide Indium arsenide Indium phosphide
S 硫 Se 硒 Te 碲
元素与化合物半导体
元素
IV-IV族 化合物 SiC
III-V族 化合物
AlAs AlSb BN GaAs GaP GaSb InAs InP InSb
II-VI族 化合物
IV-VI族 化合物
Si
60年代初
Ge
50年代初
CdS CdSe PbS CdTe PbTe ZnS ZnSe ZnTe
(6)
绝缘体、半导体和导体电导率的典型范围。
(7)
周期表中与半导体有关的部分
半导体物理
二维半导体薄膜
03
基于光子的量子计算机
利用光子实现量子比特，表现出传输速度快和适合分布式计算的优点。
量子信息和量子计算
01
基于超导量子比特的量子计算机
通过超导电路实现量子比特，实现算力呈指数级增长的计算能力。
02
基于离子阱的量子计算机
性质
定义和性质
半导体材料
如硅和锗，是最常用的半导体材料。
元素半导体
化合物半导体
非晶半导体
纳米半导体
由两种或两种以上的元素组成的化合物，如砷化镓、碳化硅等。
由非晶态物质组成的半导体，如非晶硅、非晶硒等。
由纳米结构组成的半导体材料，具有尺寸效应等特殊性质。
19世纪末和20世纪初：半导体概念的形成和发展。
பைடு நூலகம்
半导体光电子器件和光子集成
06
半导体物理的应用领域
微电子学
半导体物理研究为微电子学的发展提供了理论基础和技术支持，使得集成电路的制造成为可能，推动了电子工程领域的进步。
电子器件设计
半导体物理的研究为电子器件的设计提供了理论基础，如设计更高效的太阳能电池、发光二极管和激光器等。
电子工程和计算机科学
根据应用需求，选择不同材料和性质的薄膜。
薄膜制备方法
包括物理沉积、化学沉积、分子束外延等。
薄膜质量影响因素
包括温度、压力、磁场、电场等。
薄膜制备
包括离子注入、扩散、化学气相沉积等。
掺杂方法
杂质种类和作用
杂质控制技术
包括施主杂质和受主杂质，对半导体导电性能的影响不同。
采用多种掺杂方法，结合半导体制造工艺，实现杂质的有效控制。
半导体物理 课程简介
《半导体物理》是电子科学与技术专业、微电子科学与工程专业的专业基础课程，也是“微电子学”、“集成电路设计与集成系统”专业的一门基础和核心主干课程。
该课程在综合运用学生已经学习的《固体物理》、《量子力学》等基础课程的相关知识的基础上，系统地介绍半导体中的电子状态、载流子的统计分布、半导体的导电性以及金半结、MIS结、异质结、半导体的光学性质、半导体的热电性质以及磁效应等内容。
通过学习这门课程，学生可以全面系统地掌握能带、载流子及其基本特性，建立半导体器件物理模型和特殊半导体器件物理模型，为后续半导体器件等专业课程的学习奠定较为扎实的基础。
同时，该课程在整个教学体系中起着十分重要的作用，为后续的专业知识学习和实践能力的培养提供基础。
《半导体物理》课程通常包括半导体的晶体结构与价键模型、半导体的电子结构、半导体中的载流子、半导体中载流子的定量统计描述等内容。
此外，课程还会涵盖半导体物质结构和能带结构、半导体载流子及其输运性质、非热平衡状态下的半导体、pn结、金属和半导体接触、半导体表面与MIS结构等主题。
这门课程对于理解现代电子工业的基础理论至关重要，因为电子工业中的许多关键组件，如手机、数码相机、计算机CPU和DRAM内存等，都是基于半导体物理学的原理设计和制造的。
半导体物理学
偏离理想的各种因素
• 1、反向电压时的势垒区产生电流 J g qni X D / 2
• 2、势垒区的复合电流
• 3、大注入
pn结电容
• 势垒电容 突变结
线性缓变结
• 扩散电容
pn击穿
• 雪崩击穿 • 隧道击穿
• 热击穿
第七章金属和半导体接触
• Wm金属功函数 • 半导体功函数
接触电势差
• 对于n型半导体
• 1、当Wm>Ws • 阻挡层 • qVd=-qVs=Wm-Ws
• 2、当Wm<Ws 反阻挡层
表面态
• 受主型表面态 • 施主型表面态
金属接触整流理论
• 扩散理论 Jsd=
热电子发射理论
镜像力、隧道效应
• 反向特性影响显著 • 原因： 金属的势垒高度下降
隧道效应： 当势垒宽度很小时可近似认为 完全透明
n0 ND 4、过渡区：
n0 N D p0 • 5、高温本征激发区：
n0 p0
费米能级的变化
• 温度T
• 杂质浓度
简并半导体
禁带宽度变窄效应
• 杂质能级扩展
第四章半导体导电性
重点在于迁移率
J ,欧姆定理微分形式 nq,电导率 1/ nq,电阻率
1/(nqn pq p )
电阻率随温度变化
• 对于纯半导体： • 对于掺杂半导体： • AB；BC;C...
第五章非平衡载流子
• 非平衡状态 • 比平衡状态多出来的就是非平衡载流子
非平衡载流子寿命
复合理论
• 直接复合 • 间接复合：体内复合，表面复合
直接复合
复合率：R=rnp; 产生率：G 热平衡：G rn0 p0
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中国科学院大学
2013年招收攻读硕士学位研究生入学统一考试试题
科目名称：半导体物理
考生须知：
1．本试卷满分为150分，全部考试时间总计180分钟。
2．所有答案必须写在答题纸上，写在试题纸上或草稿纸上一律无效。
3．可以使用无字典存储和编程功能的电子计算器。
一、（共50分，每题5分）解释下列名词或概念
1. 空穴；
2. 佛伦克尔缺陷；
3. 受主杂质；
4. 简并半导体；
5. 汤姆孙效应；
6. 单电子近似法；
7. pn 结势垒电容； 8. 欧姆接触；
9. MIS 平带状态； 10. 热载流子。
二、（共20分，每题10分）简答题
1. 用图示意地绘出一定掺杂浓度硅样品的电导率随温度的变化关系，并解释变化趋势及原因。
2. 简述半导体的热平衡状态。
三、（20分）对一种施主浓度为N D 的非简并半导体，在300K 下禁带宽度为E g ，导带和价带的有效态密度分别为N c 和N v ，证明由掺杂状态到本征状态的转折温度为⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅⋅=320300ln d D v c
g
d T N N N k E T （式中，k 0为玻耳兹曼常数）。
四、（20分）试推导pn 结的自建电势差 20ln i
D A D n N N q T k V =（式中，k 0为玻尔兹曼常数，T 为温度，q 为电子电量，N A 和N D 分别为p 型区和n 型区掺杂浓度，n i 为本征载流子浓度）。
五、（20分）室温下用恒定光照射一均匀掺杂的n 型半导体。
假定光被该样品均匀地吸收，并产生过剩载流子，产生率为s cm g p ⋅⨯=316105/，空穴寿命为s p μτ10=。
(1) 写出光照下非平衡载流子浓度所满足的连续性方程；
(2) 求出光照下非平衡载流子达到稳定状态时的浓度。
六、（20分）设n 型硅掺杂浓度31610cm N D /=，一金属板与n 型硅相距m μ40.,构成平行板电容器，其间的干燥空气的相对介电常数1=ra ε。
当金属端加负电压时，半导体处于耗尽状态。
(1) 求半导体耗尽层内的电势分布)(x V ，并给出半导体表面势S V 的表达式；
(2) 求当半导体表面势V V S 40.=时，半导体中的耗尽层宽度d X （单位μm ）；
当表面势V S 为多大时，耗尽层宽度达到最大值dm X ，并计算给出dm X （单位μm ）；
(3) 如忽略金属与半导体的功函数差，求金属板上的电压G V 为多大时，半导体耗尽层宽度刚好达到最大值？
(电子电量C q 191061-⨯=.，本征载流子浓度3101051cm n i /.⨯=，真空介电常数
m F /.12010858-⨯=ε，
玻耳兹曼常数K J k /.23010381-⨯=，硅的相对介电常数为11.9。
）。