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1.正向特性 图1-10所示曲线①部分为正向特性。在二极管两端加正向
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自 由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自 由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
半导体物理与器件-课件-教学PPT-作者-裴素华-第1章-半导体材料的基本性质
简化为
J = pqv p
1.6.4 半导体的电阻率ρ
电阻率是半导体材料的一个重要参数，其值为电导率
的倒数。 1
1
ρ= =
σ nqμn + pqμ p
对于强P型和强N型半导体业有相应的简化。
从上面的公式可以看出，半导体电阻率的大小决定于 n, p, μn ,μp的具体数值，而这些参数又与温度有关， 所以电阻率灵敏的依赖于温度，这是半导体的重要 特点之一。
b) P型硅中电子和空穴 的迁移率
载流子的迁移率还要随温度而变化。
硅中载流子迁移率随温度变化的曲线 a) μn b) μp
1.6.3 半导体样品中的漂移电流密度
设一个晶体样品如图所示， 以单位面积为底，以平 均漂移速度v为长度的矩 形体积。先求出电子电 流密度，设电场E为x方 向，在电场的作用下， 电子应沿着-x方向运动。
不论半导体中的杂质激发还是本征激发，都是依靠吸收 晶格热振动能量而发生的。由于晶格的热振动能量是随 温度变化的，因而载流子的激发也要随温度而变化。
载流子激发随温度的变化 a）温度很低 b）室温临近 c）温度较高 d）温度很高
伴随着温度的升高，半导体的费米能级也相应地发 生变化
杂质半导体费米能级随温度的变化 a）N型半导体 b）P型半导体
a)随机热运动 b) 随机热运动和外加电场作用下的运动合成
随机热运动的结果是没有电荷迁移，不能形成电流。
引入两个概念：
1. 大量载流子碰撞间存在一个路程的平均值，称为平 均自由程，用λ表示，其典型值为10-5cm；
2. 两次碰撞间的平均时间称为平均自由时间，用τ表示, 约为1ps；
建立了上述随机热运动的图像后，就可以比较实际地去 分析载流子在外加电场作用下的运动了。
《半导体物理学》课件
重要性
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。
THANKS
THANK YOU FOR YOUR WATCHING
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 。
半导体物理课件
结论:磷杂质在硅、锗中电离时，能够释放电子而 产生导电电子并形成正电中心。这种杂质称施主杂 质 。掺施主杂质后，导带中的导电电子增多，增 强了半导体的导电能力。
主要依靠导带电子导电的半导体称n型半导体。
*从Si的电子能量图看:
电离能的计算:
氢原子
En
mq4
(4 0 )2 22
1 n
（2）受主杂质 (Acceptor) p型半导体 Ⅳ族元素硅、锗中掺Ⅲ族元素,如硼（B）: *从si的共价键平面图看:
两边取对数并整理,得:
EF
1 2
EC ED
1 2
k0T
ln(
ND 2NC
)
ED起了本征EV 的作用
载流子浓度:
EC EF
EC
EF
n0 NCe k0T NCe k0T e k0T
ND NC
1
2
EC ED
e 2k0T
ND NC
1 2
ED
e 2k0T
2
2
(2)中温强电离区
N
D
n0 ND
（2）EF ~T
（3）EF ~掺杂（T一定，则NC也一定）
T一定，ND越大，EF越靠近EC（低温： ND > NC 时 , ND
(ln ND -ln2 NC)
ND < NC 时, ND
|ln ND -ln2 NC| 中温：由于T的升高， NC增加，使ND < NC ， ND
B13:1S22S22P63S23P1 B有三个价电子,当它与周围的四
个Si原子形成共价键时，必须从别 处的硅原子中夺取一个价电子,共价 键中缺少一个价电子，产生空穴。 硼原子接受一个电子后，成为带负 电的硼离子。 B- —负电中心.
半导体物理学ppt课件
在电场
②当电流密度一定时, dEF/dx与载流子浓
度成反比 ③上述讨论也适用于电子子系及空穴子系
(用准费米能级取代费米能级):
J =n
dEF dx
J =p
dEF dx
35
36
★ 正向偏压下的p-n结
①势垒: ♦ 外电压主要降落
于势垒区 ♦ 加正向偏压V, 势
垒高度下降为 e(VD-V),
荷区的产生—复合作用。 P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落
在过渡区上。
57
准中性区的载流子运动情况
稳态时, 假设GL=0
0
DN
d 2np dx2
n p
n
......x
xp
0
DP
d 2pn dx2
边界条件:
pn
p
......x
xn
图6.4
欧姆接触边界
以及工作温度
24
③接触电势差:
♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD
♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
VD
kT e
ln nn0 np0
kT e
ln
NDNA ni2
♦ VD与二边掺杂有关,
与Eg有关
25
电势
图6-8
电子势能(能带)
26
④平衡p-n结的载流子浓度分布: ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
52
53
54
理想二极管方程
PN结正偏时
55
理想二极管方程
PN结反偏时
②当电流密度一定时, dEF/dx与载流子浓
度成反比 ③上述讨论也适用于电子子系及空穴子系
(用准费米能级取代费米能级):
J =n
dEF dx
J =p
dEF dx
35
36
★ 正向偏压下的p-n结
①势垒: ♦ 外电压主要降落
于势垒区 ♦ 加正向偏压V, 势
垒高度下降为 e(VD-V),
荷区的产生—复合作用。 P型区和N型区的电阻率都足够低，外加电压全部降落
在过渡区上。
57
准中性区的载流子运动情况
稳态时, 假设GL=0
0
DN
d 2np dx2
n p
n
......x
xp
0
DP
d 2pn dx2
边界条件:
pn
p
......x
xn
图6.4
欧姆接触边界
以及工作温度
24
③接触电势差:
♦ pn结的势垒高度—eVD 接触电势差—VD
♦ 对非简并半导体,饱和电离近似,接触 电势为:
VD
kT e
ln nn0 np0
kT e
ln
NDNA ni2
♦ VD与二边掺杂有关,
与Eg有关
25
电势
图6-8
电子势能(能带)
26
④平衡p-n结的载流子浓度分布: ♦ 当电势零点取x=-xp处,则有: EC (x) EC qV (x)
52
53
54
理想二极管方程
PN结正偏时
55
理想二极管方程
PN结反偏时
(第一章)半导体物理ppt课件
下这些部分占满的能带中的电子将参与导电。由于绝缘
体的禁带宽度很大，电子从价带激发到导带需要很大能
量，所以通常温度下绝缘体中激发到导带去的电子很少，
导电性差；半导体禁带比较小（数量级为1eV），在通常
温度下有不少电子可以激发到导带中去，所以导电能力
比绝缘体要好。
最新课件
27
§1.3 半导体中电子（在外力下）的运动 及有效质量
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
⒉波函数
德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性。 自由粒子的波长、频率、动量、能量有如下关系
Eh P h k
即：具有确定的动量和确定能量的自由粒子，相当 于频率为ν和波长为λ的平面波，二者之间的关系 如同光子与光波的关系一样。
书中(1-13)
最新课件
16
§1.1半导体中的电子状态和能带
§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论
布洛赫曾经证明，满足式(1-13)的波函数一定具有 如下形式：
k(x)uk(x)eikx 书中(1-14)
式中k为波数，u k ( x是) 一个与晶格同周期的周期性函 数，即：
uk(x)uk(xna)
1.3.1半导体导带中E(k)与k 的关系
定性关系如图所示 定量关系必须找出E(k)函数带底附近E（k）与k的关 系
用泰勒级数展开可以近似求出极值附近的E(k)与k 的关系，以一维情况为例，设能带底位于k＝0，将 E(k)在E ( kk ＝) 0E 附(0 近) 按(d 泰d勒)E k k 级0k 数 展1 2(开d d 2 ，E 2k )取k 0 至k2 k项2 ，得到
K=0时能量极小，所以(ddEk)k0k ，0因而
半导体物理课件
32
考虑一维情况，根据波函数和薛定谔方程，可 以求得：
v = hk /m0
E = h2k2/2m0
根据上述方程可以看出：对于自由电子能量和 运动状态之间呈抛物线变化关系；即自由电子 的能量可以是0至无限大间的任何值。
33
1.晶体中的薛定谔方程及其解的形式
晶体中电子遵守的薛定谔方程 布洛赫定理及布洛赫波
布洛赫波函数中的波矢k与自由电子波函数 中的一样，描述晶体中电子的共有化运动状 态。
37
2.布里渊区与能带
求解晶体中电子的薛定谔方程，可得如 图1-10(a)所示的E(k)~k关系。
K = n/2a (n = 0, ±1, ±2, …)时能量出 现不连续。
简约布里渊区（图1-10(c)）
38
由于k是分立的，所以布里渊区中的能级 是准连续的。
每个能带最多可以容纳2N个电子。
42
三维晶格布里渊区的做法（略） 参见教材P15-P16
43
1.2.3导体、半导体、绝缘体的能带
44
45
46
47
三者的主要区别： 禁带宽度和导带填充程度
金属导带半满 半导体禁带宽度在1eV左右 绝缘体禁带宽且导带空
规律 领会“结构决定性质” 处理方法 单电子近似——能带论
4
单电子近似 假设每个电子是在周期性排列且固定不
动的原子核势场及其它电子的平均势场 中运动。该势场具有与晶格同周期的周 期性势场。
5
1.1 半导体的晶格结构和结合性质
预备知识 晶体（crystal） 由周期排列的原子构成的物体 重要的半导体晶体 单质：硅、锗 化合物：砷化镓、碳化硅、氮化镓
沿磁场方向做匀速运动，速度
v|| vcos
考虑一维情况，根据波函数和薛定谔方程，可 以求得：
v = hk /m0
E = h2k2/2m0
根据上述方程可以看出：对于自由电子能量和 运动状态之间呈抛物线变化关系；即自由电子 的能量可以是0至无限大间的任何值。
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1.晶体中的薛定谔方程及其解的形式
晶体中电子遵守的薛定谔方程 布洛赫定理及布洛赫波
布洛赫波函数中的波矢k与自由电子波函数 中的一样，描述晶体中电子的共有化运动状 态。
37
2.布里渊区与能带
求解晶体中电子的薛定谔方程，可得如 图1-10(a)所示的E(k)~k关系。
K = n/2a (n = 0, ±1, ±2, …)时能量出 现不连续。
简约布里渊区（图1-10(c)）
38
由于k是分立的，所以布里渊区中的能级 是准连续的。
每个能带最多可以容纳2N个电子。
42
三维晶格布里渊区的做法（略） 参见教材P15-P16
43
1.2.3导体、半导体、绝缘体的能带
44
45
46
47
三者的主要区别： 禁带宽度和导带填充程度
金属导带半满 半导体禁带宽度在1eV左右 绝缘体禁带宽且导带空
规律 领会“结构决定性质” 处理方法 单电子近似——能带论
4
单电子近似 假设每个电子是在周期性排列且固定不
动的原子核势场及其它电子的平均势场 中运动。该势场具有与晶格同周期的周 期性势场。
5
1.1 半导体的晶格结构和结合性质
预备知识 晶体（crystal） 由周期排列的原子构成的物体 重要的半导体晶体 单质：硅、锗 化合物：砷化镓、碳化硅、氮化镓
沿磁场方向做匀速运动，速度
v|| vcos
《半导体物理》PPT课件
。
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 1 1]方向， 则与上述六个<100>
方2向的方2 向 余2弦相1/等3：
对于每个旋转椭球来
讲:
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
3ml 2mt ml
大小相等，对应的回旋频率大小相同，因此只有一个吸收峰
半导体物理 Semiconductor Physics
上式代表的等能面不再是球面（只有当 C为零时是球面），而是扭曲的球面， 重空穴带的扭曲比轻空穴带的扭曲更为 显著。
半导体物理 Semiconductor Physics
两个带下面的第三个能带，由于自旋-轨道 耦合作用，使能量降低了Δ，与以上两个能 带分开，具有球形等能面。其能量表示式
半导体物理 Semiconductor Physics
在Si中，其它能 谷比<100>谷高 的多
半导体物理 Semiconductor Physics
硅和锗的价带结构
半导体物理 Semiconductor Physics
硅锗的价带结构是比较复杂的。价带 顶位于k=0。在价带顶附近有三个带， 其中两个最高的带在k=0处简并，分别 对应于重空穴带和轻空穴带（曲率较 大的为轻空穴带），下面还有一个带， 是由于自旋-轨道耦合分裂出来的。
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 0 0]方向，则：
对于[1 0 0] 轴上的两个 椭球来讲，其
2 2 0 2 1
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
半导体物理 Semiconductor Physics
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 1 1]方向， 则与上述六个<100>
方2向的方2 向 余2弦相1/等3：
对于每个旋转椭球来
讲:
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
3ml 2mt ml
大小相等，对应的回旋频率大小相同，因此只有一个吸收峰
半导体物理 Semiconductor Physics
上式代表的等能面不再是球面（只有当 C为零时是球面），而是扭曲的球面， 重空穴带的扭曲比轻空穴带的扭曲更为 显著。
半导体物理 Semiconductor Physics
两个带下面的第三个能带，由于自旋-轨道 耦合作用，使能量降低了Δ，与以上两个能 带分开，具有球形等能面。其能量表示式
半导体物理 Semiconductor Physics
在Si中，其它能 谷比<100>谷高 的多
半导体物理 Semiconductor Physics
硅和锗的价带结构
半导体物理 Semiconductor Physics
硅锗的价带结构是比较复杂的。价带 顶位于k=0。在价带顶附近有三个带， 其中两个最高的带在k=0处简并，分别 对应于重空穴带和轻空穴带（曲率较 大的为轻空穴带），下面还有一个带， 是由于自旋-轨道耦合分裂出来的。
半导体物理 Semiconductor Physics
若B沿[1 0 0]方向，则：
对于[1 0 0] 轴上的两个 椭球来讲，其
2 2 0 2 1
mn*
mt mt ml
mt 2 mt 2 ml 2
mt
半导体物理 Semiconductor Physics
大学物理课件半导体基础 共94页PPT资料
绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
(1-3)
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时， 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出 的电容是势垒电容。
-N
扩散电容：为了形成正向电流
+
（扩散电流），注入P 区的少子
P
（电子）在P 区有浓度差，越靠
近PN结浓度越大，即在P 区有电
子的积累。同理，在N区有空穴的
积累。正向电流大，积累的电荷
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
(1-8)
二、本征半导体的导电机理 1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。
i
iL
稳压管的技术参数:
UzW10V,Izmax20mA, ui
R
DZ
iZRL uo
Izmin5mA
负载电阻 RL 2k。要求当输入电压由正常值发
生20%波动时，负载电压基本不变。
求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。
半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
(1-3)
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如：
• 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化。
势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时， 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出 的电容是势垒电容。
-N
扩散电容：为了形成正向电流
+
（扩散电流），注入P 区的少子
P
（电子）在P 区有浓度差，越靠
近PN结浓度越大，即在P 区有电
子的积累。同理，在N区有空穴的
积累。正向电流大，积累的电荷
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
(1-8)
二、本征半导体的导电机理 1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有 可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电 能力为 0，相当于绝缘体。
i
iL
稳压管的技术参数:
UzW10V,Izmax20mA, ui
R
DZ
iZRL uo
Izmin5mA
负载电阻 RL 2k。要求当输入电压由正常值发
生20%波动时，负载电压基本不变。
求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。
《半导体物理基础》课件
当电子从导带回到价带时，会释 放能量并发出光子，这就是发光 效应。发光效应是半导体的一个 重要应用，如发光二极管和激光 器等。
04 半导体中的载流子输运
CHAPTER
载流子的产生与复合
载流子的产生
当半导体受到外界能量（如光、热、电场等）的作用时，其 内部的电子和空穴的分布状态会发生改变，导致电子和空穴 从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
06 半导体物理的应用与发展趋势
CHAPTER
半导体物理在电子器件中的应用
01
02
03
晶体管
利用半导体材料制成的晶 体管是现代电子设备中的 基本元件，用于放大、开 关和整流信号。
集成电路
集成电路是将多个晶体管 和其他元件集成在一块芯 片上，实现特定的电路功 能。
太阳能电池
利用半导体的光电效应将 光能转化为电能，太阳Hale Waihona Puke 电池是可再生能源的重要 应用之一。
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响
04 半导体中的载流子输运
CHAPTER
载流子的产生与复合
载流子的产生
当半导体受到外界能量（如光、热、电场等）的作用时，其 内部的电子和空穴的分布状态会发生改变，导致电子和空穴 从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
06 半导体物理的应用与发展趋势
CHAPTER
半导体物理在电子器件中的应用
01
02
03
晶体管
利用半导体材料制成的晶 体管是现代电子设备中的 基本元件，用于放大、开 关和整流信号。
集成电路
集成电路是将多个晶体管 和其他元件集成在一块芯 片上，实现特定的电路功 能。
太阳能电池
利用半导体的光电效应将 光能转化为电能，太阳Hale Waihona Puke 电池是可再生能源的重要 应用之一。
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响
半导体物理ppt课件
结晶学晶胞：
面心立方：简立方的六 个面的中心各有一个原 子。
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 2.几种晶格结构
结晶学晶胞：
金刚石结构:同种原子构成的两个面心立方沿体对角线 相对位移体对角线的套构而成。
每个晶胞含原子数：
1×（8 顶角）＋1 （6 面心）＋4（体心）＝8个
8
2
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.2晶体中的电子状态
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，可以由一个原于转移到相邻的原 子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动。这种运 动称为电子的共有化运动
格矢：在固体物理学中，选某一格点为原点O， l任1, l一2 , l格3为点晶A轴的上格的矢投为影，取整RA数 ，l1a1 l2a2 l3a3 a1, a2, a3为晶轴上的单位矢量。
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 1.晶体结构的描述（有关的名词）
在结晶学中（用的较多），选某一格点为原点 O，任一格点A的格矢为 RA l1a l2b l3c
(b)金刚石型结构
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 3.半导体硅锗的晶体结构（金刚石结构）
(c)金刚石型结构的晶胞
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 3.半导体硅锗的晶体结构（金刚石结构）
(d)（111）面的堆积
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 3.半导体硅锗的晶体结构（金刚石结构）
l1, l2 , l3 为对应晶轴上的投影，取有理数
a1, a2 , a3为晶轴上的单位矢量。
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 1.晶体结构的描述（有关的名词）
面心立方：简立方的六 个面的中心各有一个原 子。
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 2.几种晶格结构
结晶学晶胞：
金刚石结构:同种原子构成的两个面心立方沿体对角线 相对位移体对角线的套构而成。
每个晶胞含原子数：
1×（8 顶角）＋1 （6 面心）＋4（体心）＝8个
8
2
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.2晶体中的电子状态
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，可以由一个原于转移到相邻的原 子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动。这种运 动称为电子的共有化运动
格矢：在固体物理学中，选某一格点为原点O， l任1, l一2 , l格3为点晶A轴的上格的矢投为影，取整RA数 ，l1a1 l2a2 l3a3 a1, a2, a3为晶轴上的单位矢量。
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 1.晶体结构的描述（有关的名词）
在结晶学中（用的较多），选某一格点为原点 O，任一格点A的格矢为 RA l1a l2b l3c
(b)金刚石型结构
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 3.半导体硅锗的晶体结构（金刚石结构）
(c)金刚石型结构的晶胞
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 3.半导体硅锗的晶体结构（金刚石结构）
(d)（111）面的堆积
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 3.半导体硅锗的晶体结构（金刚石结构）
l1, l2 , l3 为对应晶轴上的投影，取有理数
a1, a2 , a3为晶轴上的单位矢量。
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 1.晶体结构的描述（有关的名词）
【精品】半导体物理(SEMICONDUCTOR PHYSICS )PPT课件
第二章 半导体的能带与杂质能级
2.1 半导体中电子共有化运动与能带 2.2 半导体中的电子的E(k)~k关系 有效质量和
k空间等能面 2.3 Si、Ge和GaAs的能带结构 2.4 本征半导体和杂质半导体
2.1 半导体中电子共有化运动与能带
一、孤立原子中的电子状态
1. 单电子原子
En
m0q4 8 ε02h2
1.1 半导体的晶体结构
一、晶体的基本知识
长期以来将固体分为：晶体和非晶体。 晶体的基本特点：
具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子（或 离子）在较大的范围内（至少是微米量级）是按一定的方式 有规则的排列而成——长程有序。（如Si，Ge，GaAs）
晶体又可分为：单晶和多晶。 单晶：指整个晶体主要由原子(或离子)的一种规则排列方式
对多电子原子，电子能量同样是不连续的。由主量子 数、角量子数、磁量子数、自旋量子数描述。
二、自由电子状态（一维）
一维恒定势场中的自由电子，遵守薛定谔方程
2 d 2ψ(x) Vψ(x) Eψ(x) 2m0 dx2
如果势场V=0，则此方程的解为
ψ(x) Aei2kx
代表一个沿方向传播的平面波，k具有量子数的作用。 其中Ψ(x)为自由电子的波函数，A为振幅，k为平面波 的波数，k=1/λ， λ为波长。规定k为矢量，称为波矢， 波矢k的方向为波面的法线方向。
• 虽然这两种点缺陷同时存在，但由于在Si、Ge中形成间隙 原子一般需要较大的能量，所以肖特基缺陷存在的可能性 远比弗仑克尔缺陷大，因此Si、Ge中主要的点缺陷是空位
(a) 弗仑克尔缺陷
(b) 肖特基缺陷
图1.11 点缺陷
• 化合物半导体GaAs中，如果成份偏离正常化学比，也会出 现间隙原子和空位。如果Ga成份偏多会造成Ga间隙原子和 As空位；As成份偏多会造成As间隙原子和Ga空位。
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导体、半导体、绝缘体的能带
(a)绝缘体
(b)半导体
(c)导体
1.3 半导体中电子的运动 有效质量
E(k)和k之间的关系 之前只给出了一个定性的关系，对E(k)
和k的关系式并不清楚。
通常半导体中，起作用的是导带底或价带 顶的电子，需考虑能带极值附近E(k)和k的 关系。
1.4 本征半导体的导电结构 空穴
半导体物理学
理学院物理科学与技术系
半导体物理发展进程
半导体物理的发展序幕
晶态半导体物理
原子排列从有序向无序的转变 非晶态半导体物理
材料性质从体内向表面的转变 半导体表面物理
能带特征从自然向人工的转变 半导体超晶格物理
体系结构从三维向零维的转变 纳米半导体物理
元素组成从原子向分子的转变 有机半导体物理
1.1半导体的晶格结构和结合性质
半导体的单晶材料和其他固态晶体材料一 样，是由大量原子周期性重复排列而成。每 个原子又包含原子核和核外电子。
单电子近似方法，即假设每个电子是在 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。该势场具 有与晶格同周期的周期性势场。
三种简单格子
简立方 体心立方 面心立方
1.5回旋共振
不同的半导体材料，其能带结构不同，从 理论上难以确定E与波矢k的关系，需借助 实验的帮助。
回旋共振实验用于测量半导体中载流子有 效质量及能带结构。
1.6硅和锗的能带结构
1.导带结构
若等能面是球面，那么只能观察到一个吸收峰。
对硅来说， （1）当B沿[111]晶轴方向，只能观察到一个吸收峰； （2）当B沿[110]晶轴方向，可以观察到两个吸收峰； （3）当B沿[100]晶轴方向，也能观察到两个吸收峰； （4）当B沿任意晶轴方向，可以观察到三个吸收峰。
离子键
1.2半导体中的电子状态和能带
半导体材料大都是单晶体。单晶体是由靠 得很紧密的原子周期性重复排列而成，相 邻原子之间间距在nm量级，因此半导体中 电子状态肯定和单原子的电子状态有所不 同。
电子的共有化运动
共有化运动的能量
原子能级分裂为能带的示意图
金刚石型结构价电子能带示意图 导带 价带 禁带
在实际应用的半导体材料中，总是存在 偏离理想的情况。
1）原子并不是静止的； 2）半导体材料并不是纯净的； 3）晶格结构存在缺陷。
缺陷的分类：
1）点缺陷； 2）线缺陷； 3）面缺陷。
实践表明，极微量的杂质和缺陷，能 够对半导体材料的物理特性和化学特 性产生决定性的影响，也严重影响半 导体器件的质量。
半导体物理学研究对象
研究半导体的各种物理性质及其内在规律的 一 门学科。
主要研究在外界作用下(掺杂、电场、温度场、磁 场)半导体性质的变化及其原因。
半导体种类繁多，本课程主要针对硅基晶态半导 体作为研究对象。
学习本课程的基础课程 量子力学
半导体物理
热力学
固体物理 统计物理
Hale Waihona Puke 主要参考书：半导体中电子的状态和能带
晶体中的原子与孤立原子的电子不同，也 和自由运动的电子不同。
单电子近似认为，晶体中某一个电子是在 周期性排列且固定不动的原子核势场和其 他大量电子的势场中运动。
研究发现，电子在周期性势场中运动的基 本特点和自由电子运动十分相似。
布里渊区与能带
简约布里渊区与能带
金刚石型结构的第一布里渊区
四面体的结合
结晶学原胞
两个面心立方沿立方 体的空间对角线互相 位移了空间对角线四 分之一的长度套构而 成。8个原子在角顶， 6个在面中心，晶胞内 部有4个原子，顶角和 面心与这4个原子周围 不同，是相同原子构 成的复式格子。
晶向面的介绍
(001)(010)(100)(110)(111)面 <001><110><111>向 {100}{110}{111}
半导体物理学，第6版，刘恩科，朱秉升，罗晋生 等编，电子工业出版社，2005年
其他参考书：
半导体物理与器件，裴素华，机械工业出版社, 2008年9月 固体物理，方俊鑫，上海科技出版社，1995
第一章 半导体中的电子状态
1.1半导体的晶格结构和结合性质 1.2半导体的电子状态和能带 1.3半导体中电子的运动 有效质量 1.4本征半导体的导电机构 空穴 1.5回旋共振 1.6硅和锗的能带结构
原胞：重复的单元。 边长等于该方向上的周期，结点为顶点的平行
六面 体
晶体学原胞： 为反映晶体的对称性，体积不一定最小
布喇菲点阵 多种原子：同种原子组成子晶格 相对位移形成复式格子。 相对结构子晶格相互位移套构而成
结晶学 晶体学中的布喇菲原胞，按对称特点来选取。基矢在晶 轴方向，固体物理学中选取的原胞，不是任意重复单元， 基矢方向和晶轴方向还是有一定的相对取向。 结晶学中的立方晶系,布喇菲原胞
简立方(SC) 体心立方(BCC) 面心立方(FCC)
1.金刚石型结构和共价键
Si，Ge都是第四周期的 元素，即外层有四个价 电子。硅、锗的结合依 靠共价键结合，组成金 刚石型结构。结构特点： 每一个原子周围有四个 最邻近的原子，这四个 原子分别处在四个顶角 上，任一顶角的原子和 中心原子各贡献一个价 电子为两个原子所共有。
解释： 如果硅导带底附近等能面是沿[100]方 向的旋转椭球面，椭球长轴与该方向重合，那 么理论与实验结果一致。同时，导带最小值不 在k空间原点，在[100]方向上。
硅导带等能面示意图
半导体物理学
理学院物理科学与技术系
第二章 半导体中杂质和缺陷能级
2.1 硅、锗中的杂质能级 2.2 三－五族化合物中的杂质能级 2.3 缺陷、位错能级
由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周 期性排列的原子所产生的周期性势场受 到破坏，有可能在禁带中引入能级。
2.闪锌矿型结构和离子键
由三族元素Al、Ga，铟和五族元素P、As组 成的三五族化合物，它们大都是闪锌矿型 结构。
闪锌矿结构：与金刚石型结构类似，由两 类原子组成，双原子复式格子。
以共价键为主，但有一定的离子键成分。
3.纤锌矿型结构
二－六族化合物，如锌、铬、汞和硫、硒、 碲等组成的化合物大部分具有闪锌矿型结 构，但其中有些也可具有纤锌矿型结构。