半导体物理
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
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。
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 数学二的专业
半导体物理数学二的专业
（实用版）
目录
一、半导体物理简介
二、半导体物理与数学二的关系
三、半导体物理的重要性
四、半导体物理的应用领域
正文
一、半导体物理简介
半导体物理是研究半导体材料性质和运行规律的学科，它是现代科学技术领域中的重要组成部分。半导体物理的发展极大地推动了信息技术、通讯技术、光电子技术等领域的进步，为我们的生活带来了极大的便利。
二、半导体物理与数学二的关系
半导体物理是一门理论和实践相结合的学科，它涉及到许多数学知识，特别是数学二中的微积分、线性代数、概率论等知识。这些数学知识是理解和掌握半导体物理的基础，也是解决半导体物理问题的重要工具。
三、半导体物理的重要性
半导体物理的重要性体现在以下几个方面：首先，半导体物理的研究推动了半导体技术的发展，使得半导体材料得以广泛应用；其次，半导体物理的研究有助于我们理解和掌握半导体材料的性质和运行规律，从而优化半导体材料的性能；最后，半导体物理的研究也为我国科技进步和经济发展做出了重要贡献。
四、半导体物理的应用领域
半导体物理的应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个领域：信息
技术，如集成电路、光电子器件等；通讯技术，如光纤通信、无线通信等；能源技术，如太阳能电池、LED 照明等。这些应用领域的发展都离不开半导体物理的支持。
半导体物理学第8版
半导体物理学第8版
半导体物理学是研究半导体材料及其性质、行为和应用的学科。随着半导体技术的不断发展与应用，半导体物理学也成为了现代电子学中的重要分支领域。
半导体物理学的研究对象主要是半导体材料，这些材料具有介于导体和绝缘体之间的特性。半导体材料的主要特点是在低温下表现为绝缘体，但在高温下或受到外界电场或光照的激励下表现出导体的特性。这种特性使得半导体材料在电子学和光电子学领域中具有广泛的应用。
在半导体物理学中，研究者主要关注半导体材料的电子结构、载流子输运、能带理论、半导体器件等方面。电子结构研究揭示了半导体材料中电子的能级分布情况，以及能带间距、禁带宽度等参数的影响。载流子输运研究则关注电子和空穴在半导体中的运动规律，以及外界电场对其运动的影响。能带理论是解释半导体材料中电子行为的基础理论，它描述了电子在能带中的分布和运动规律。半导体器件研究则是将半导体材料制成各种电子器件，如二极管、晶体管、光电二极管等，研究其工作原理和性能。
半导体物理学的研究对现代电子技术的发展起到了重要的推动作用。半导体材料的特性使得它在电子学中具有广泛的应用。例如，晶体管作为一种重要的半导体器件，被广泛应用于放大和开关电路中。
光电二极管则利用半导体材料对光的敏感性，实现了光电转换功能。此外，半导体材料还被应用于光电子学领域，如激光器、太阳能电池等。
半导体物理学的研究也促进了半导体材料的制备技术的发展。通过研究和理解半导体材料的物理性质，科学家们不断改进半导体材料的制备方法，提高材料的纯度和晶体质量。这些技术进步为半导体器件的制造提供了可靠的基础，也为电子技术的发展提供了强大的支持。
半导体物理学
半导体物理学
半导体物理学是研究半导体材料及其物性的学科领域。半导体材料
是一种将电流在导电和绝缘体之间进行调控的材料，具有在一定条件
下可变的电导特性。在现代电子技术中，半导体器件如晶体管、二极
管和集成电路等起着重要作用。本文将介绍半导体物理学的基本概念、理论与应用。
一、半导体的基本概念
半导体是介于导体和绝缘体之间的一类材料。与导体相比，半导体
的电导率较低；而与绝缘体相比，半导体在一定条件下可以导电。半
导体材料通常由硅、锗和化合物半导体等组成。
半导体中主要存在两种载流子：电子和空穴。电子是带负电荷的粒子，而空穴则可以被视为缺少一个电子的位置。在半导体中，电子和
空穴的行为决定了它的导电特性。
二、半导体的能带结构
半导体的能带结构与其导电特性密切相关。能带是描述材料中电子
能量和允许电子处于的状态的能级。常用的能带有价带和导带。
在绝缘体和绝缘态半导体中，价带和导带之间存在能隙，电子需要
克服能隙才能跃迁到导带中形成电流。而在半导体中，能隙相对较小，室温下部分电子已经跃迁到导带，因此半导体材料具有较好的导电性。
三、半导体的掺杂
掺杂是通过向半导体材料中引入杂质来改变其电导特性。掺杂分为n型和p型两种类型。
n型半导体是通过掺入五价杂质（如磷或砷）来引入额外的自由电子，从而增加半导体的导电性能。而p型半导体则是通过掺入三价杂质（如硼或铝）来引入额外的空穴，从而增加半导体的导电性能。
四、半导体器件
半导体物理学的应用主要体现在各种半导体器件的研制和应用上。
晶体管是最重要的半导体器件之一。晶体管的基本原理是通过控制电流在半导体材料中的流动来放大和开关信号。晶体管的发明极大地改变了电子技术的发展，并推动了计算机、通信和各种电子设备的进步。
半导体物理与器件
E Ec dE
Ec
1
exp
E
EF kT
仍然做变量代换
并且定义：
E Ec
kT
F
EF Ec kT
半导体物理与器件
载流子浓度公式变为：
n0
4
2mn*kT h2
3/ 2
1/ 2
d
0 1 exp F
F1/2F
1/ 2
0 1 exp F
d
费米——狄拉克积分
注意当ηF>0时，实际上意味着费米能级已经进入到导带中（简并）。
P91给出了费米积分曲线，利用它可以计算费米积分。 例4.6（E4.8）给出了一个用费米积分计算出的电子浓度。
小于用玻尔兹曼近似计算值 典型的简并半导体电子浓度
半导体物理与器件
与此类似，热平衡状态下的空穴浓度也可以表示为：
其中：
可见，当η’F>0时，实际上也就意味着费米能级已 经进入到价带中。
该公式可推广
EF>EFi电子浓度超 过本征载流子浓度；
EF<EFi空穴浓度超 过本征载流子浓度
半导体物理与器件
费米－狄拉克积分
在我们前面推导电子浓度n0和空穴浓度p0的过程中，我们 都假设了玻尔兹曼近似成立的条件，如果不满足玻尔兹曼
近似条件，则热平衡状态下的电子浓度必须表示为：
4
n0
半导体物理意义
半导体物理意义
半导体是一种在温度较高时具有导电性能的材料，但在室温下却表现出很弱的导电性。半导体物理研究的重要性在于它在现代电子技术中的广泛应用。半导体物理涉及多个方面，包括能带理论、载流子、PN结等。
能带理论是半导体物理研究的基础。能带是描述电子能量分布的概念，可以用于解释材料的导电性质。在半导体中，能带被分为价带和导带。价带中的电子呈现较低的能量状态，而导带中的电子则具有较高的能量。两者之间的能隙称为禁带宽度，决定了半导体的导电性能。当禁带宽度较小时，半导体在室温下可以被激发到导带中的电子数量较多，从而表现出较好的导电性。
半导体中的载流子也是半导体物理研究的重要内容之一。载流子是指在导电过程中参与电荷传输的粒子，可以分为电子和空穴两种。在纯净的半导体中，载流子主要由杂质引起。杂质可以引入额外的电子或空穴，从而改变半导体的导电性质。控制载流子浓度和移动性是半导体器件设计的关键。
PN结也是半导体物理研究中的重要内容。PN结是由P型半导体和N型半导体结合而成的结构。P型半导体中的载流子主要是空穴，而N型半导体中的载流子主要是电子。当P型半导体和N型半导体接触时，会形成一个电势垒。在外加电压的作用下，电势垒可以
被破坏，从而形成电流。PN结广泛应用于二极管、晶体管等电子器件中。
半导体物理的研究对于现代电子技术的发展具有重要意义。半导体材料的导电性能可以通过控制材料的特性来实现，从而实现各种功能的电子器件。例如，通过控制半导体材料的禁带宽度和载流子浓度，可以设计出具有不同性能的二极管、晶体管和集成电路等。
半导体物理学的应用
半导体物理学的应用
半导体物理学是研究半导体材料的性质和行为的科学，广泛应用于
现代科技和工程领域。本文将探讨半导体物理学在各个应用领域的重
要性和影响。
一、信息技术领域
1.半导体器件
半导体物理学在信息技术领域中起到了关键作用。半导体器件，如
晶体管和集成电路，是现代电子设备的核心组件。通过理解和应用半
导体物理学的原理，我们能够设计和制造出更加小型化、高效能、智
能化的电子设备。半导体技术的发展使得计算机、手机、平板电脑等
电子产品的性能得到了飞跃提升。
2.半导体光电子学
半导体物理学也在光电子学领域有着重要应用。半导体激光器、光
伏电池和光电二极管等器件是光通信、太阳能发电和显示技术的基础。光通信能够实现高速、远距离的数据传输，而太阳能发电则可以利用
半导体材料将太阳能转化为电能。这些创新技术的发展为我们的生活
带来了便利和效益。
二、能源领域
1.太阳能电池
半导体物理学在能源领域的应用也非常重要。太阳能电池是将光能直接转化为电能的器件，其工作原理正是基于半导体物理学的知识。通过在半导体材料中引入特定的组分和结构设计，能够实现高效率的太阳能电池。这一技术的发展对于实现可持续能源和减少对化石燃料的依赖具有重要意义。
2.燃料电池
半导体物理学还在燃料电池领域有着应用价值。燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，其中的质子交换膜燃料电池（PEMFC）就是基于半导体材料的工作原理。半导体物理学的原理应用于燃料电池的设计和优化，可以提高电池的效率、稳定性和寿命。
三、医疗领域
1.医学成像
半导体物理学在医学成像领域的应用也十分广泛。例如，X射线和CT扫描技术都使用了半导体探测器来获取图像和诊断信息。通过掌握半导体物理学原理，可以提高成像设备的分辨率、减少辐射剂量，从而保证医学诊断的准确性和安全性。
半导体物理-第10章-半导体的光学性质
半导体晶格热振动也可引起对光的吸收，光子能量直接 转变为晶格热振动的能量，使半导体的温度升高，这样的 光吸收过程称为晶格吸收。晶格吸收光谱在远红外范围， 对于离子晶体或离子性晶体具有较明显的晶格吸收作用
10.2 半导体的光电导 10.2.1 光电导的描述
光照射半导体，使其电导率改变的现象为光电导效应。 （1）本征光电导：本征吸收引起载流子数目变化。 （2）杂质光电导：杂质吸收引起载流子数目变化。
受光的激发作用，使原子从E1基态激发到E2的激发态中去，处于激发 态的原子始终要跃迁回到基态。那么，原子跃迁回基态的过程可以由 两种不同的情况。
原子在跃迁过程中不受外界 因素的作用，自动地从激发 态跃迁回基态，从而放出电 子，称之为自发辐射跃迁
在外来光子hv的诱发下，原 子才从激发态跃迁回基态，同 时放出光子，称之为受激辐射 跃迁
跃迁前后能量改变为
E E' E h
跃迁前后动量没有改变
hk hk' k k'
直接带隙材料：导带极小 值和价带极大值都处于同 一波失k的半导体材料 （GaAs, GaSb）
5. 间接跃迁（非竖直跃迁）
概念：在半导体本征吸收过程中电子激发，不但吸 收光子的能量而且还与晶格热振动交换能量的跃迁 过程。 跃迁前后能量改变为
少数载流子陷阱作 用，增加了定态光 电导的灵敏度。
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。
半导体物理入门
半导体物理入门
1. 学习基础知识：在学习半导体物理之前，需要掌握一些基础知识，如物理学、数学和电子工程等方面的基本概念和原理。
2. 了解晶体结构：半导体材料的晶体结构是半导体物理的基础，因此需要学习晶体结构的基本概念，如晶格、晶向、晶面等。
3. 学习能带理论：能带理论是半导体物理的核心内容之一，它描述了半导体材料中电子的能量状态和运动行为。需要学习能带结构、能带宽度、能带隙等基本概念。
4. 了解载流子输运：载流子（电子和空穴）在半导体中的输运是半导体器件工作的基础，因此需要学习载流子的漂移、扩散、复合等基本概念和过程。
5. 学习 p-n 结：p-n 结是半导体器件中最基本的结构之一，需要学习 p-n 结的形成、特性和工作原理。
6. 阅读相关书籍和文献：可以阅读一些半导体物理方面的经典教材和相关文献，深入了解半导体物理的各个方面。
7. 进行实验：通过实验可以更加深入地了解半导体材料的物理性质和电子特性，建议在学习过程中尝试进行一些简单的实验。
8. 参加课程和培训：如果有条件，可以参加一些半导体物理相关的课程和培训，以系统地学习半导体物理知识。
总之，学习半导体物理需要系统地学习相关知识，并进行实践和实验，不断加深对半导体材料和器件的理解。同时，需要保持学习的热情和耐心，不断提高自己的知识水平。
半导体物理-第三章-PPT
在N型半导体材料中，导带中的电子浓度大 于价带中的空穴浓度，此时我们把电子称为多数 载流子，而把空穴称为少数载流子；
与此类似，在P型半导体材料中，由于空穴 浓度大于电子浓度，因此我们把P型半导体材料 中的空穴称为多数载流子，而把电子则称为少数 载流子。
39
如果我们在上述两个有关热平衡状态下载 流子浓度公式的指数项中略做变换，还可导出 另外一组有关载流子浓度的公式：
掺杂的情况比较复杂。 以砷化镓材料为例，通常II价元素的杂质
（例如Be、Mg、Zn等）在砷化镓材料中往往取 代镓原子的位置，表现为受主特性，而VI价元 素的杂质（例如S、Se、Te等）在砷化镓材料 中则往往取代砷原子的位置，表现为施主特性
32
至于IV价元素硅、锗等，在砷化镓晶体材 料中则既可以取代镓原子的位置，表现出施主 特性，也可以取代砷原子的位置，表现出受主 特性，通常我们把这类杂质称为两性杂质。实 验结果表明，在砷化镓材料中，锗原子往往倾 向于表现为受主杂质，而硅原子则倾向于表现 为施主杂质。
其中费米能级EF位置位于
禁带中心附近。当电子的 1
0
态密度有效质量与空穴的
态密度有效质量相等时，
则gC(E)与gV(E)关于禁带 中心线相对称。
7
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
8
右图中曲线围着的面积即为导带中总的电子浓度 n0，它是由gC(E)fF(E)对整个导带的能量区间进 行积分求得，即单位体积内的导带电子数量
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
输运过程
半导体中的载流子通过扩散、漂移和散射等方式输运。扩散主要由浓度梯度驱动，而漂移则由电场驱动。散射则是由晶格振动、杂质或缺陷等引起的随机碰撞，影响载流子的平均自由程和迁移率。
载流子和输运过程
反向偏置电压
当加反向电压到一定值时，会发生雪崩击穿，二极管被击穿。
击穿电压
总结词
双极性晶体管是一种三端器件，利用两种载流子的注入和收集来控制电流的开关和放大器件。
集电极反偏置
当加反向偏置电压时，即发射极接负极，集电极接正极，基区电子被吸引到集电极形成较小的反向电流。
击穿电压
当加反向电压到一定值时，会发生雪崩击穿，晶体管被击穿。
肖特基势垒二极管（SBD）：利用金属与半导体表面形成的势垒来整流和信号放大的一种二极管。
04
半导体工艺的基本原理
包括气相生长、液相生长、固相生长等。
晶体生长
晶体生长技术
涉及溶液的制备、单晶的生长、晶体的切割和表面处理等环节。
晶体生长过程
通常包括金属、非金属元素、化合物和合金等。
晶体生长材料
薄膜材料选择
利用离子阱技术实现量子比特，展示出在纠错和容错方面的优势。
半导体光电子器件
利用半导体材料的光学性质，实现光信号的产生、调制、探测等功能，应用于光通信、光谱分析和生物医学等领域。
半导体物理学简介
半导体物理学简介
半导体物理学是研究半导体材料和器件行为的学科领域。半导体材
料具有介于导体和绝缘体之间的特性，在电子学和光学等领域中具有
重要应用。本文将从半导体材料的基本概念开始介绍，然后讨论半导
体器件的工作原理，最后简要介绍半导体物理学在现代科技中的应用。
1. 半导体材料
半导体材料是由各种元素组成的晶体结构。半导体中的原子排列形
成了能带结构，其中包括价带和导带。在室温下，半导体材料的价带
通常被填充满，而导带则处于空的状态。电子在价带和导带之间跃迁
可以导致电子和空穴的形成，这对于半导体器件的工作至关重要。
2. PN结
PN结是最简单的半导体器件之一，由一块P型半导体和一块N型
半导体组成。P型半导体具有多余的正电荷，而N型半导体具有多余
的负电荷。当将P型半导体和N型半导体连接在一起时，电子会从N
型半导体中跃迁到P型半导体中，形成电子-空穴对。这种跃迁产生的
电子和空穴在PN结中形成一个电势垒，导致PN结具有整流特性。
3. 晶体管
晶体管是一种常见的半导体器件，可以用于放大和开关电信号。晶
体管由三个不同掺杂的半导体层组成：发射区域、基区域和集电区域。当一个电压加到基区域时，可以控制从发射区域到集电区域的电流。
晶体管的运作基于注入控制和电场控制两种模式，可以实现信号放大
和开关。
4. 光电二极管
光电二极管是一种特殊的半导体器件，可以将光信号转换为电信号。它基于内部光电效应，通过光的能量激发电子从价带跃迁到导带，从
而形成电流。光电二极管广泛应用于通信、图像传感和光谱分析等领域。
5. 半导体物理学的应用
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子键 会 形 成 闪 锌 矿 结
构
）
氯化钠
原胞：立方体
其它类型
其它类型结构、非晶、多晶等半导体
1.2 半导体中的电子状态和能带
与孤立原子的关系：
本质上，半导体晶体是由一系列孤立的原子按周期性排 列组合而成，因而它的电子状态也与孤立原子有所相同 之处。要解半导体内的电子状态，有必要先了解孤立原 子内的电子状态。
原子间的键态：共价键＋弱离 子键
常见物质： Ⅲ-Ⅴ族化合物，代表：砷化镓(GaAs)、部分Ⅱ-Ⅵ族
化合物，如硒化汞，碲化汞等半金属材料。
C. 纤锌矿结构
与闪锌矿型结构相比
相同点： 原胞相同：以正四面体结构为 基础构成
不同点： a、晶胞不同：具有六方对称 性，而非立方对称性 b、共价键的离子性更强
其中，有机半导体用于制备 a、可弯曲， 甚至折叠 b、高亮度、高响应度的显示器。
常见的半导体结构
半导体晶格结构
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结构特点
键态特点
代表物质
金刚石 闪锌矿
纤锌矿
晶胞：立方对称
共价键
硅、锗
原胞：正四面体
晶胞：立方对称 晶胞：六方对称
共价键＋弱离子 键
砷化镓
硫化铅、硒化铅、
共价键＋较强离碲 化 铅 等 。 （ 也
代表物质：部分II-IV族材料，其中，硫化锌、硒化锌、 硫化镉、硒化镉等材料均可以闪锌矿型和纤锌矿型两种 结构结晶。
D. 氯化钠型结构
特点：两面心立方沿 任一边移动1/2晶格 常数所套购而成。
代表材料：部分IV-VI族材料，如硫化铅、硒化铅、碲
化铅等。
E. 其它类型半导体结构
多晶半导体：多晶硅 非晶半导体：非晶硅，有机半导体等。
半导体的这些性质，与其微观结构（导致的能级分布） 是紧密相关的。
1.1、常见半导体的晶格结构
1、什么叫晶格：
针对晶体而言，晶体中原子排列的具体形式。（形式相 同、距离不同，仍可说具相同的晶格结构）
2、描述晶格的参数：
a、晶格的基矢 （对原胞而言，最小的重复单元，原胞 有多种取法）
b、晶格常数 （对晶胞而言，为体现对称性而选取的重 复单元。通常一个晶胞包括有多个原胞） 晶胞的类型＋ 晶胞的边长
分析该问题的三个基本步骤： A、孤立原子的能级 B、共有化运动 C、能带的形成（能级分裂）
A、孤立原子中的能级
玻耳的 氢原子 理论
氢原子能级公式
En
mq4
8 02 n2 h2
氢原子第一玻耳轨道半径
r1
0h2 m q2
这两个公式还可用于类氢原子（今后用到）。 更精确求解表明：孤立原子的电子在原子核的势场和其它 电子的作用下，其能量不但与主量子数n，也与角量子数l
参考书目:
1、《半导体物理基础》黄昆、韩汝琦著 2、《半导体器件 物理与工艺》(美)施敏(S.M.Sze)著， 王
阳元等译 3、《半导体物理与器件——基本原理》(第3版) (美)
DonaldA.Neamen著 4、《半导体器件物理与工艺》(美)A.S.格罗夫著，齐建译
内容简介
半导体的晶格结构和电子状态 杂质和缺陷能级 载流子的统计分布 载流子的散射及电导 非平衡载流子 pn结 半导体表面及MIS结构
有关，n、l相同的电子，能量相同，形成所谓电子壳层。
不同支壳层的电子分别用1s;2s,2p;3s,3p,3d; 4s…等符号 表示，每一壳层对应于确定的能量。
B、共有化运动(原子相互靠近时)
当原子相互接近: 电子壳层间发生交叠（外壳层交叠最多，内壳层交
叠较少） 电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原
1)、影响导电能力的因素：
1. 固体材料拥有的有效的载流子数
可自由移动的电子浓度（热激发、掺杂等），非总共的 电子数。
2. 载流子本身能否有效运动（与各散射机制相关）
受到各种各样的碰撞（散射，畅通无阻或磕磕碰碰） 描述参数： 迁移率
半导体、绝缘体、导体是否有绝对界限？
2)、半导体特点：敏感
温度敏感 辐射敏感 其它(如气敏)
注意：结晶学中，原胞和晶胞通常有固定的选法。
A. 金刚石结构
特点：两个面心立方沿对
角线位移1/4对角线的距离 嵌套构成的。 每原子有四个最邻近的原 子，位于正四面体顶角， 各贡献一原子形成稳定的 共价键结构。 共价键夹角：109˚28’
代表物质：金刚石、硅、锗等。
结构相同，能带分布情况往往类似。不同地方：禁带宽度不同。
金刚石结构原子在晶胞内的排列情况 顶角八个，贡献1个原子； 面心六个，贡献3个原子； 晶胞内部4个； 共计8个原子。
硅、锗基本物理参数
晶格常数 硅：0.543089nm 锗：0.565754nm
原子密度 硅：5.00×1022 锗：4.42×1022
B. 闪锌矿结构
特点：
1.与金刚石结构相似。 2.但两面心立方上原子不同。 具有一定的极性，晶体不同晶 面的性质不同。
第一章 半导体中的电子状态
？什么是半导体？
对固体材料，电阻公式： R l
s
其中，电阻率（电导率）是体现了固体材料的 导电能力，它是区分导体、半导体、绝缘体的 关键参数。
导电能力介于 导体（超导体）和绝缘体 之间的物质，均可称为半导体。
固体材料：超导体: 大于106(cm)-1 导 体: 106~104(cm)-1 半导体: 104~10-10(cm)-1 绝缘体: 小于10-10(cm)-1
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。
注意：各原子中相似壳层上的电子才有相同的能 量，电子只能在相似壳层间转移。
C、能带的形成（能级分裂）
电子共有化运动：相当于引入了一个外部势场，从而 改变原有的能级结构（微扰）。
结果： 1、不会大幅度改变原有的能级结构 2、不会毫无改变原有的能级结构
电子只能在这些位置上 作“跳跃”运动，能量 是突变、非连续变化的。 实际是准连续变化。
关于能级分裂的情况说明1：
各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量，电 子只能在相似壳层间转移。
结果：在原有的能级基础上发生辟裂（辟裂后的能级 数与原子数有关）
下图示意地画出了八个原子互相靠近时能级分裂 的情况。可以看到．每个能级部分裂为八个相距 很近的能级（间距不同、原子壳层不同，原子能 级分裂情况均不一样）。
★实际晶体（以半导体为例）的能级分裂
情况
原子能级 能带
➢能级电子的“座位”
➢能带总的座位集合