半导体物理第1章
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第一章 半导体物理基础解析
• 态密度
– 在能带中，能量E附近单位能量间隔内的量子 态数
g(E) dZ/dE
在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态
费米－狄拉克统计分布规律
• 温度为T（绝对温度）的热平衡态下，半导体中电子占据能量为E
的量子态的几率是
f (E)
1
exp( E EF ) 1
kT
– k是玻尔兹曼常数，EF是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。 – 当E-EF>>kT时，f（E）=0，说明高于EF几个kT以上的能级都是空的；而当E-EF<<kT
• 平均自由时间愈长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少， 载流子的迁 移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平均自由时间和有 效质量不同。
Hall效应
• 当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时， 则在半导体的两侧产生一横向电势差，其方向同时垂直 于电流和磁场，这种现象称为半导体的Hall效应。
简化能带图
1.3 半导体中的载流子
• 导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子， 是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。
满带
E
当电子从原来状态转移 到另一状态时，另一电子 必作相反的转移。没有额 外的定向运动。满带中电 子不能形成电流。
半（不）满带
E
半满带的电子可在外 场作用下跃迁到高一 级的能级形成电流。
能带结构：
(“施主能级”)
空带 施主能级 施主能级与上
空带下能级的
Eg
能级间隔称“
ED 施主杂质电离
满带
能”( ED )
导电机制：
空带
Eg
满带
施主能级
这种杂质可提 供导电电子故
ED 称为施主杂质
– 在能带中，能量E附近单位能量间隔内的量子 态数
g(E) dZ/dE
在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态
费米－狄拉克统计分布规律
• 温度为T（绝对温度）的热平衡态下，半导体中电子占据能量为E
的量子态的几率是
f (E)
1
exp( E EF ) 1
kT
– k是玻尔兹曼常数，EF是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。 – 当E-EF>>kT时，f（E）=0，说明高于EF几个kT以上的能级都是空的；而当E-EF<<kT
• 平均自由时间愈长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少， 载流子的迁 移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平均自由时间和有 效质量不同。
Hall效应
• 当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时， 则在半导体的两侧产生一横向电势差，其方向同时垂直 于电流和磁场，这种现象称为半导体的Hall效应。
简化能带图
1.3 半导体中的载流子
• 导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子， 是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。
满带
E
当电子从原来状态转移 到另一状态时，另一电子 必作相反的转移。没有额 外的定向运动。满带中电 子不能形成电流。
半（不）满带
E
半满带的电子可在外 场作用下跃迁到高一 级的能级形成电流。
能带结构：
(“施主能级”)
空带 施主能级 施主能级与上
空带下能级的
Eg
能级间隔称“
ED 施主杂质电离
满带
能”( ED )
导电机制：
空带
Eg
满带
施主能级
这种杂质可提 供导电电子故
ED 称为施主杂质
半导体物理-第1章-半导体中的电子态
4. (111)面的堆积与面心立方的密堆积类 似，但其正四面体的中心有一个原子，面 心立方的中心没有原子。
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。
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。
半导体物理第1章 半导体中的电子状态
作用很强，在晶体中电子在理想的周期势场内 作共有化运动 。
能带成因
当N个原子彼此靠近时，根据不相容原理 ，原来分属于N个原子的相同的价电子能 级必然分裂成属于整个晶体的N个能量稍 有差别的能带。
S i1 4 :1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 2
能带特点
分裂的每一个能带称为允带，允带间的能量范 围称为禁带
一.能带论的定性叙述 1.孤立原子中的电子状态
主量子数n:1,2,3,…… 角量子数 l：0，1，2，…（n－1）
s, p, d, ... 磁量子数 ml：0，±1，±2，…±l 自旋量子数ms：±1/2
n1
主量子数n确定后：n= 2(2l 1) 2n2 0
能带模型：
孤立原子、电子有确定的能级结构。 在固体中则不同，由于原子之间距离很近，相互
Ⅲ-Ⅴ族化合物，如 G a A S , I n P 等 部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硒化汞，碲化汞
等半金属材料。
1.1.3 纤锌矿型结构
与闪锌矿型结构相比 相同点 以正四面体结构为基础构成 区别 具有六方对称性，而非立方对称性 共价键的离子性更强
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.1原子的能级和晶体的能带
1.3半导体中电子的运动——有效质量
1.3.1半导体中的E(k)与k的关系 设能带底位于波数k，将E(k)在k=0处按
泰勒级数展开，取至k2项，可得
E (k)E (0 )(d d E k)k 0k1 2(d d k 2E 2)k 0k2
由于k=0时能量极小，所以一阶导数为0，有
E(k)E(0)1 2(d d2E 2k)k0k2
1.1.2 闪锌矿型结构和混合键
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 结晶学原胞结构特点 两类原子各自组成的面心立方晶格，沿
能带成因
当N个原子彼此靠近时，根据不相容原理 ，原来分属于N个原子的相同的价电子能 级必然分裂成属于整个晶体的N个能量稍 有差别的能带。
S i1 4 :1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 2
能带特点
分裂的每一个能带称为允带，允带间的能量范 围称为禁带
一.能带论的定性叙述 1.孤立原子中的电子状态
主量子数n:1,2,3,…… 角量子数 l：0，1，2，…（n－1）
s, p, d, ... 磁量子数 ml：0，±1，±2，…±l 自旋量子数ms：±1/2
n1
主量子数n确定后：n= 2(2l 1) 2n2 0
能带模型：
孤立原子、电子有确定的能级结构。 在固体中则不同，由于原子之间距离很近，相互
Ⅲ-Ⅴ族化合物，如 G a A S , I n P 等 部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硒化汞，碲化汞
等半金属材料。
1.1.3 纤锌矿型结构
与闪锌矿型结构相比 相同点 以正四面体结构为基础构成 区别 具有六方对称性，而非立方对称性 共价键的离子性更强
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.1原子的能级和晶体的能带
1.3半导体中电子的运动——有效质量
1.3.1半导体中的E(k)与k的关系 设能带底位于波数k，将E(k)在k=0处按
泰勒级数展开，取至k2项，可得
E (k)E (0 )(d d E k)k 0k1 2(d d k 2E 2)k 0k2
由于k=0时能量极小，所以一阶导数为0，有
E(k)E(0)1 2(d d2E 2k)k0k2
1.1.2 闪锌矿型结构和混合键
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 结晶学原胞结构特点 两类原子各自组成的面心立方晶格，沿
半导体物理基础第一章课件
42
1.7.5只有一种杂质的半导体
• 2、P型半导体
• 在杂质饱和电离的温度范围内有：p N a • 导带电子浓度为： n ni2 ni2
p Na
• 费米能级为
EF
EV
KT ln
NV Na
EF
Ei
KT
ln
Na ni
43
1.7.5只有一种杂质的半导体
• 结论：对于P型半导体，在杂质饱和电离 温度范围之内，费米能级位于价带顶之上， 本征费米能级之下。随着掺杂浓度提高， 费米能级接近价带顶；随着温度升高，费 米能级远离价带顶。
成共价键时，将因缺少一个价电子而形 成一个空穴，于是半导体中的空穴数目 大量增加。
22
1.6杂质能级
• Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导 体中提供导电的空穴，并成为带负电的 离子。
• 掺入受主杂质的半导体为P（Positive）型 半导体。施主杂质的浓度记为NA。
23
1.6杂质能级
• 受主接受电子称为受主杂 志，提供了一个局域化的 电子态，相应的能级称为 受主能级—Ea。
NV
2 2mdp KT
h3
3 2
• 称为价带有效状态密度
34
1.7.3能带中电子和空穴的浓度
• 导带电子浓度和价带空穴浓度之积
Eg
np Nc NV e KT • 式 把中它E写g为成禁经带验宽关度系。式与E温g 度有E关g0 ， 可T以
• 其 时中的Eg值为。禁带宽度温度系数，Eg0为0K
Chap1 半导体物理基础
1
1.2 能带
一、能带的形成 • 能级：电子所处的能量状态。 • 当原子结合成晶体时，原子最外层的价
1.7.5只有一种杂质的半导体
• 2、P型半导体
• 在杂质饱和电离的温度范围内有：p N a • 导带电子浓度为： n ni2 ni2
p Na
• 费米能级为
EF
EV
KT ln
NV Na
EF
Ei
KT
ln
Na ni
43
1.7.5只有一种杂质的半导体
• 结论：对于P型半导体，在杂质饱和电离 温度范围之内，费米能级位于价带顶之上， 本征费米能级之下。随着掺杂浓度提高， 费米能级接近价带顶；随着温度升高，费 米能级远离价带顶。
成共价键时，将因缺少一个价电子而形 成一个空穴，于是半导体中的空穴数目 大量增加。
22
1.6杂质能级
• Acceptor，掺入半导体的杂质原子向半导 体中提供导电的空穴，并成为带负电的 离子。
• 掺入受主杂质的半导体为P（Positive）型 半导体。施主杂质的浓度记为NA。
23
1.6杂质能级
• 受主接受电子称为受主杂 志，提供了一个局域化的 电子态，相应的能级称为 受主能级—Ea。
NV
2 2mdp KT
h3
3 2
• 称为价带有效状态密度
34
1.7.3能带中电子和空穴的浓度
• 导带电子浓度和价带空穴浓度之积
Eg
np Nc NV e KT • 式 把中它E写g为成禁经带验宽关度系。式与E温g 度有E关g0 ， 可T以
• 其 时中的Eg值为。禁带宽度温度系数，Eg0为0K
Chap1 半导体物理基础
1
1.2 能带
一、能带的形成 • 能级：电子所处的能量状态。 • 当原子结合成晶体时，原子最外层的价
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：该面截取了顶角四个原子和体心一个原子，顶角每个原子与面的截面角度为90度，90/360=1/4,体心原子与面的截面角度为360度，360/360=1，所以原子总数,1+1+1/4*4=2()223384 3.210510cm ρ-==⨯⨯个原子/举例2：第一次作业中有一道小题是计算硅晶体在晶面（1,1,1）的面密度，晶格常数为a ，如下图可以知道如图所示的等边三角形的边长为√2*a,三个角顶点截面角度为60度，所以该面实际占据这个三个点的比率都为1/6,三个面心点截面角度为180度，所以该面实际占据这个三个点的比率都为1/2.所以该面拥有原子数为3*1/6+3*1/2=1/2+3/2=2.等边三角形面积为√3/2*a^2,所以可以算出面密度为4/(√3a^2).10. 晶向：与晶面垂直的矢量（在非简立方体晶格中不一定成立）。
半导体物理第一章习题答案
半导体物理第一章习题答案半导体物理第一章习题答案在半导体物理学的学习中，习题是非常重要的一部分。
通过解答习题，我们可以加深对理论知识的理解，巩固所学内容，并培养解决问题的能力。
下面是一些关于半导体物理第一章的习题及其答案，希望对大家的学习有所帮助。
1. 什么是半导体？答：半导体是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，可以通过施加外界电场或温度的变化来改变其电导率。
2. 半导体的能带结构有哪些特点？答：半导体的能带结构具有以下特点：- 价带和导带之间存在禁带，禁带宽度决定了材料的导电性能。
- 价带和导带中的能级数目与电子数目之间存在关联，即保持电中性。
- 价带和导带中的电子分布符合费米-狄拉克分布。
3. 什么是载流子？答：载流子是指在半导体中参与电流传输的带电粒子。
在半导体中，载流子主要有电子和空穴两种类型。
4. 什么是固有载流子浓度？答：固有载流子浓度是指在材料中由于温度引起的自发激发和热激发所产生的载流子浓度。
它与材料的能带结构和温度有关。
5. 什么是掺杂？答：掺杂是指向纯净的半导体中加入少量杂质，通过改变杂质的电子结构来改变半导体的电导性能。
掺杂分为n型和p型两种。
6. 什么是pn结？答：pn结是由n型和p型半导体通过扩散或外加电场形成的结构。
在pn结中，n型半导体中的自由电子会扩散到p型半导体中，而p型半导体中的空穴会扩散到n型半导体中，形成电子-空穴复合区域。
7. 什么是势垒？答：势垒是指pn结两侧带电粒子所形成的电场引起的电位差。
势垒的存在导致了电子和空穴的扩散和漂移，从而产生电流。
8. 什么是正向偏置和反向偏置？答：正向偏置是指在pn结上施加外加电压，使得p区的正电荷和n区的负电荷相吸引，势垒减小，电流得以流动。
反向偏置是指在pn结上施加外加电压，使得p区的负电荷和n区的正电荷相吸引，势垒增大，电流被阻断。
9. 什么是击穿？答：击穿是指在反向偏置下，当外加电压达到一定值时，pn结中的电场强度足够大，使得势垒被完全破坏，电流急剧增大的现象。
半导体物理课件1-7章(第一章)
半导体禁带宽度Eg比较小，数量在1eV左右， 在通常温度下已有不少电子被激发到导带中去，所 以具有一定的导电能力，这是绝缘体和半导体的主 要区别。
室温下，金刚石的禁带宽度为6～7eV，它是绝 缘体；硅为1.12eV，锗为0.67eV，砷化镓为1.43eV， 所以它们都是半导体。
★本征激发：
一定温度下，价带电子依靠热激发获得能量脱 离共价键，成为准自由电子。价带电子激发成 为导带电子的过程，称为本征激发。
•*第8章 半导体表面MIS结构 •*第9章 半导体异质结构 •*第10章 半导体的光学性质和光电与发光现象 •*第11章 半导体的热电性质 •*第12章 半导体磁和压阻效应 •*第13章 非晶态半导体
第1章 半导体中的电子状态
本章重点 •半导体材料中的电子状态及其运动规律
处理方法 •单电子近似——能带理论
Springer (2010) • 7 Donald A. Neamen 《半导体物理与器件》，4th Ed，电子工业出版社 • ……
课程设置：
绪论：
2014年诺贝尔物理学奖被授予了日 本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日 裔科学家中村修二
表彰他们发明了蓝色发光二 极管(LED)，并因此带来的
1.2.2 半导体中的电子状态和能带
•★自由电子运动规律
动量方程 p m0v
能量方程 E p2
波方程
Φ
(
r
,t
2m0
)=A
e
i
(k
r
t
)
( x )e it
k为波矢，大小等于2/λ
• 方向与波面法线平行，即波的传播方向。
德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性.
具有确定的动量和确定能量的自由粒子，相当于 频率为和波长为的平面波
室温下，金刚石的禁带宽度为6～7eV，它是绝 缘体；硅为1.12eV，锗为0.67eV，砷化镓为1.43eV， 所以它们都是半导体。
★本征激发：
一定温度下，价带电子依靠热激发获得能量脱 离共价键，成为准自由电子。价带电子激发成 为导带电子的过程，称为本征激发。
•*第8章 半导体表面MIS结构 •*第9章 半导体异质结构 •*第10章 半导体的光学性质和光电与发光现象 •*第11章 半导体的热电性质 •*第12章 半导体磁和压阻效应 •*第13章 非晶态半导体
第1章 半导体中的电子状态
本章重点 •半导体材料中的电子状态及其运动规律
处理方法 •单电子近似——能带理论
Springer (2010) • 7 Donald A. Neamen 《半导体物理与器件》，4th Ed，电子工业出版社 • ……
课程设置：
绪论：
2014年诺贝尔物理学奖被授予了日 本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日 裔科学家中村修二
表彰他们发明了蓝色发光二 极管(LED)，并因此带来的
1.2.2 半导体中的电子状态和能带
•★自由电子运动规律
动量方程 p m0v
能量方程 E p2
波方程
Φ
(
r
,t
2m0
)=A
e
i
(k
r
t
)
( x )e it
k为波矢，大小等于2/λ
• 方向与波面法线平行，即波的传播方向。
德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性.
具有确定的动量和确定能量的自由粒子，相当于 频率为和波长为的平面波
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。
半导体物理第一章
1.1.1 金刚石型结构和共价键(Si、Ge)
➢ 化学键：构成晶体的结合力 共价键：由同种晶体构成的元素半导体，其原子间无负电 性差，它们通过共用两个自旋相反而配对的价电 子结合在一起。
半导体物理第一章
7
➢ 金刚石型结构特点： 每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成一个正四面
体结构。这四个原子分别处在正四面体的顶角上，任一顶角 上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共 有，组成四个共价键，它们之间具有相同的夹角（键角） 109°28′。
z
z
B
C
A D
y
x
Hale Waihona Puke 半导体物理第一章x5
➢面心立方晶格:除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在 六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。 很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper) 、金(gold)及铂(platinum)。
z
半导体物理第一章
6
1.1 半导体的晶体结构和结合性质
此位移四分之一空间对角线长度套构而成。每个原子被四个 异族原子所包围。例如，如果角顶上和面心上的原子是Ⅲ族 原子，则晶胞内部四个原子就是Ⅴ族原子，反之亦然。角顶 上八个原子和面心上六个原子可以认为共有四个原子而隶属 于某个晶胞，因而每一晶胞中有四 个Ⅲ族原子和四个Ⅴ族原子，共有 八个原子。它们也是依靠共价键结 合，但有一定的离子键成分。
➢ 晶格常数 Si：a=5.65754Å Ge：a=5.43089Å
半导体物理第一章
9
1.1.2 闪锌矿型结构和混合键(GaAs)
➢ 化学键：共价键+离子键
➢ 闪锌矿型结构特点： 与金刚石型结构类似，不同的是该结构由两类不同的
➢ 化学键：构成晶体的结合力 共价键：由同种晶体构成的元素半导体，其原子间无负电 性差，它们通过共用两个自旋相反而配对的价电 子结合在一起。
半导体物理第一章
7
➢ 金刚石型结构特点： 每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成一个正四面
体结构。这四个原子分别处在正四面体的顶角上，任一顶角 上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共 有，组成四个共价键，它们之间具有相同的夹角（键角） 109°28′。
z
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A D
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Hale Waihona Puke 半导体物理第一章x5
➢面心立方晶格:除了八个角落的原子外，另外还有六个原子在 六个面的中心。在此结构中，每个原子有12个最邻近原子。 很多元素具有面心立方结构，包括铝(aluminum)、铜(copper) 、金(gold)及铂(platinum)。
z
半导体物理第一章
6
1.1 半导体的晶体结构和结合性质
此位移四分之一空间对角线长度套构而成。每个原子被四个 异族原子所包围。例如，如果角顶上和面心上的原子是Ⅲ族 原子，则晶胞内部四个原子就是Ⅴ族原子，反之亦然。角顶 上八个原子和面心上六个原子可以认为共有四个原子而隶属 于某个晶胞，因而每一晶胞中有四 个Ⅲ族原子和四个Ⅴ族原子，共有 八个原子。它们也是依靠共价键结 合，但有一定的离子键成分。
➢ 晶格常数 Si：a=5.65754Å Ge：a=5.43089Å
半导体物理第一章
9
1.1.2 闪锌矿型结构和混合键(GaAs)
➢ 化学键：共价键+离子键
➢ 闪锌矿型结构特点： 与金刚石型结构类似，不同的是该结构由两类不同的
半导体物理第一章
• －电子在周期性势场中的运动，用平均速度，即群 速度来描述
• －群速度是介质中能量的传输速度 • －布洛赫定理说明电子的运动可以看作是很多行波
的叠加，它们可以叠加为波包；而波包的群速就是 电子的平均速度。 • －波包由一个特定波矢k附近的诸波函数组成，则
波包群速Vg为半导体中电子的平均速度
1.3.3 半导体中电子的加速度
a
➢ 体心立方单原胞角落上的1个原子将被8个相邻的原胞所均 分，即一个角落原子将有1/8被包含在单原胞之中,因此一体 心立方的原胞将有两个原子
➢ 答案：1.6x1022个/cm3
4.晶面与晶向
晶面可以用平面与晶格坐标轴的截距来表达。 截距：l=2, m=1, n=3 倒数：（1/2, 1, 1/3） 乘以最小公分母：（3, 6, 2） 该平面成为：(362)面
1.2 半导体中的电子状态和能带
重点:
• 电子的共有化运动 • 导带、价带与禁带
1 、原子的能级和晶体的能带
(1)孤立原子的能级
原子中的电子在原子核和 其它电子的作用下，分别 处在不同的能级，形成所 谓的电子壳层。用不同的 符号表示。和能量一一对 应
角量子数 l：0，1，2，…（n－1） 磁量子数 ml：0，±1，±2，…±l 自旋量子数ms：±1/2
(x) Aei2kx
电子在空间是等几率分布的，即自由电子在空间作 自由运动。
波矢k描述自由电子的运动状态。
2.周期势场中电子的波函数
V
孤
1
立 原
x
子
的
势 场
晶体的势能曲线
电子的运动方程为
2
2m0
d2 dx2
V (x) (x)
E (x)
( x) ei2kxuk ( x) 为布洛赫函数
• －群速度是介质中能量的传输速度 • －布洛赫定理说明电子的运动可以看作是很多行波
的叠加，它们可以叠加为波包；而波包的群速就是 电子的平均速度。 • －波包由一个特定波矢k附近的诸波函数组成，则
波包群速Vg为半导体中电子的平均速度
1.3.3 半导体中电子的加速度
a
➢ 体心立方单原胞角落上的1个原子将被8个相邻的原胞所均 分，即一个角落原子将有1/8被包含在单原胞之中,因此一体 心立方的原胞将有两个原子
➢ 答案：1.6x1022个/cm3
4.晶面与晶向
晶面可以用平面与晶格坐标轴的截距来表达。 截距：l=2, m=1, n=3 倒数：（1/2, 1, 1/3） 乘以最小公分母：（3, 6, 2） 该平面成为：(362)面
1.2 半导体中的电子状态和能带
重点:
• 电子的共有化运动 • 导带、价带与禁带
1 、原子的能级和晶体的能带
(1)孤立原子的能级
原子中的电子在原子核和 其它电子的作用下，分别 处在不同的能级，形成所 谓的电子壳层。用不同的 符号表示。和能量一一对 应
角量子数 l：0，1，2，…（n－1） 磁量子数 ml：0，±1，±2，…±l 自旋量子数ms：±1/2
(x) Aei2kx
电子在空间是等几率分布的，即自由电子在空间作 自由运动。
波矢k描述自由电子的运动状态。
2.周期势场中电子的波函数
V
孤
1
立 原
x
子
的
势 场
晶体的势能曲线
电子的运动方程为
2
2m0
d2 dx2
V (x) (x)
E (x)
( x) ei2kxuk ( x) 为布洛赫函数
半导体物理第一章
2、闪锌矿结构和混合键
III-V族化合物半导体绝大 多数具有闪锌矿型结构。闪 锌矿结构由两类原子各自组 成的面心立方晶胞沿立方体 的空间对角线滑移了1/4空 间对角线长度套构成的。每 个原子被四个异族原子包围。 例: GaAs、GaP、ZnO
2、闪锌矿结构和混合键
两类原子间除了依靠共价键结合外，还有一定 的离子键成分，但共价键结合占优势。 以离子为结合单元，由正、负离子组成的、靠 库仑力而形成的晶体。此种结合力称为离子键。 由碱金属元素与卤族元素所组成的化合物晶体 是典型的离子晶体，如NaCl、CsCl等。II-VI族 化合物晶体也可以看成是离子晶体，如CdS、 ZnS等。
⑴ 每一个BZ 内包含了所有能带中的全部电子状态。或者说，每一个区 域所包含的波矢数（即 k 的取值个数）等于晶体所包含的原胞数（ N）。 因此，电子的运动状态可以在一个 BZ内进行讨论，注意，在同一个BZ内， 电子的能量是准连续的。
布里渊区有如下若干主要特点：
布里渊区与能带：
求解一维条件下晶体中电子的薛定谔方程，可以得到如图所 示的晶体中电子的E(k)~k关系，虚线是自由电子 E(k)~k关 系。
1.自由电子的运动状态
（1）孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中 运动 （2）自由电子是在恒定势场中运动 （3）晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动
单电子近似——晶体中的某一个电子是在周期性排列且固 定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运 动，这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格周 期相同。
原子间通过共价键结合。
共价键的特点：饱和性、方向性。
⑴ 饱和性：共价键的饱和性是指，一个原子只能形成一定数目的共价 键。由于共价键是两个原子通过共用各自未配对的电子而形成的，而原 子的电子结构是确定的，某一原子在与其它原子化合时，能够形成共价 键的数目就完全取决于原子外层电子中未配对的电子数。此乃饱和性的 实质。 ⑵ 方向性：共价键的方向性是指，原子只能在某些特定的方向上形成 共价键。按量子理论，共价键实际上是由于相邻原子的电子云交叠而形 成的，电子云交叠程度的大小决定了共价键的强弱。因此，原子形成共 价键时，总是取电子云密度最大的方向。这就是方向性的根源。
第一章 半导体物理基础要点
E0
m
( EF ) m
s
En
EC
m s
( EF ) s
接触前
Ev
半导体一边的势垒高度
qVD m s ,
金属一边的势垒高度
B qVD En m
B
qVD
En
EC
EF
EV
忽略接触间隙
当金属与n型半导体接触
m s
1. 半导体表面形成一个正的空间电荷区 2. 电场方向由体内指向表面
E0
m
(EF)m
m 越大, 金属对电子的束缚越强
金属中的电子势阱
半导体功函数的定义: 真空中静止电子的能量 E0 与 半导体的 EF 能量之差， 即
s E0 EF s
E0
s
EC EF EV
电子的亲合能
E0 EC
半导体的功函数又写为
s EC ( EF ) s En
（1）金属栅足够厚 ,是等势体 （2）氧化层是完美的绝缘体无电流流过 氧化层 （3）在氧化层中或氧化层-半导体界面没 有电荷中心
0.01~1.0m
--场效应理论
栅
（4）半导体均匀掺杂
（5）半导体足够厚，无论VG多大，总有 零电场区域 （6）半导体与器件背面金属之间处于欧 姆接触 （7）MOS电容是一维结构，所有变量仅 是x的函数 （8） = =+(E -E )
硅的晶体结构
• 硅晶体中任何一原子都有4个最近邻的原子与之形成共 价键。一个原子处在正四面体的中心，其它四个与它共 价的原子位于四面体的顶点，这种四面体称为共价四面 体。
1.2 半导体能带模型
E 2p
禁带
半导体物理 第1章 半导体中的电子态
常用参数
• 晶格常数：硅 0.543nm, 锗 0.566nm
• 密度： Si : 5.00*1022cm-3,
•
Ge: 4.42*1022cm-3
• 共价键半径： Si : 0.117nm,
•
Ge: 0.122nm.
2.闪锌矿型结构和混合键
在金刚石结构中，若由两 类原子组成，分别占据两 套面心立方，则称为闪锌 矿结构。
堆积方式：III、V族原子构成双原子层堆积，每 一个原子层都是一个[111]面， III、V族化合物具 有离子性，因而构成一个电偶极层。
IIIV：[111]方向，III族原子层为[111]面。
与金刚石结构一样，闪锌矿结构的III-V化合物都由 两个面心立方结构套构而成。称这种晶格为双原子 复式晶格。晶格的周期性原胞中含有两个原子：一 个是III原子，另一个是V族原子。
结果：
n个靠得很近的能级 “准连续”带, 即形成了能带.
允带：能级分裂形成的每一个能带。
禁带：能级间没有能带的区域。
能带的特点： 1、在原有的能级基础上发生 分裂（分裂后的能级数与原子数有关），不 会大幅度改变原有的能级结构
★半导体中的能级分裂情况
原子能级 能带
能级电子的“座位” 能带总的座位集合 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。
a.晶体中电子的波函数与自由电子的波函数形
式相似。反映出了晶体中电子的波函数实 际上相当于一被调幅的自由电子波。
且uk(x)＝ uk(x+a)
b.在空间某点找到电子的概率与波函数的强 度成比例。在晶体中找到电子的概率是周期 性变化的。反映出电子共有化运动的特征。
|Ψ|2=ΨkΨk* =uk(x)uk* (x) c. 与自由电子中的波函数一样，波矢k描述晶体中电 子的共有化运动状态。注意： 晶体中电子波函数K 取值非连续. 只要晶体边界确定，电子波函数的k值 即可被确定，与其它参量无关。
半导体物理(第一章)
波矢k与自由电子波矢意义相似，具有量子数的作用，描述晶 体中电子共有化运动的量子状态。
3、布里渊区与能带
求解薛定谔方程可得出在晶格周期势场中运动的电子的 能量-动量（E～k)关系曲线。
当 k n ，(n=0, ±1, ±2…) 时，能量出现不连续——形成允带和
a 禁带。
允带出现的区域称为布里渊区。从k=0处向k>0和k<0延伸，分别有 第一布里渊区、第二布里渊区……，每一个布里渊区对应一个能带。
体的V(x)是很困难的。
研究发现，电子在周期性势场中运动的基本特点和自由电 子的运动十分相似。
1、自由电子的运动状态
V(x)=0。求解薛定谔方程可以得出：
( x) Ae-ikx
2k 2 E
k为波矢，k的大小为
k
2
2m0
（第六版以前的教材中的定义与此不同）
根据德布罗意关系，电子的能量、动量与频率、波矢之间 的关系为
1.2 半导体中的电子状态和能带
1.2.1 原子能级和晶体能带
单晶半导体是由按确定规律周期排列的原子构成，相邻原 子之间的间距只有几个埃，原子密度非常大。对于c-Si，原 子密度高达5×1022cm-3。所以，单晶半导体中电子的能量状 态与孤立原子中的一定不同，但可以想象，一定存在着某种 联系。
单个原子中电子的壳层排布为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10……， 但多个原子密集排布在一起时，相似壳层对应的能级会发生 交叠——电子变为在整个晶体中运动——电子的共有化运动。 最外壳层电子的共有化最显著！
电子状态用波函数x描述， x满足薛定谔方程（假设
为一维单个电子）：
2 2m0
d2 dx 2
V (x) (x)
E (x)
3、布里渊区与能带
求解薛定谔方程可得出在晶格周期势场中运动的电子的 能量-动量（E～k)关系曲线。
当 k n ，(n=0, ±1, ±2…) 时，能量出现不连续——形成允带和
a 禁带。
允带出现的区域称为布里渊区。从k=0处向k>0和k<0延伸，分别有 第一布里渊区、第二布里渊区……，每一个布里渊区对应一个能带。
体的V(x)是很困难的。
研究发现，电子在周期性势场中运动的基本特点和自由电 子的运动十分相似。
1、自由电子的运动状态
V(x)=0。求解薛定谔方程可以得出：
( x) Ae-ikx
2k 2 E
k为波矢，k的大小为
k
2
2m0
（第六版以前的教材中的定义与此不同）
根据德布罗意关系，电子的能量、动量与频率、波矢之间 的关系为
1.2 半导体中的电子状态和能带
1.2.1 原子能级和晶体能带
单晶半导体是由按确定规律周期排列的原子构成，相邻原 子之间的间距只有几个埃，原子密度非常大。对于c-Si，原 子密度高达5×1022cm-3。所以，单晶半导体中电子的能量状 态与孤立原子中的一定不同，但可以想象，一定存在着某种 联系。
单个原子中电子的壳层排布为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10……， 但多个原子密集排布在一起时，相似壳层对应的能级会发生 交叠——电子变为在整个晶体中运动——电子的共有化运动。 最外壳层电子的共有化最显著！
电子状态用波函数x描述， x满足薛定谔方程（假设
为一维单个电子）：
2 2m0
d2 dx 2
V (x) (x)
E (x)
半导体物理学刘恩科第一章p
2p
2p
2p
2s
2s
2s
• 电子受到另一原子的作用 能级分裂 • 两个原子越靠近，能级分裂越厉害！
1s 原子间距
➢ 晶体中原子周期性紧密排列 电子共有化运动：
• 电子只能在相似壳层中转移
• 只有最外层电子的共有化运动才显著！（交叠程度）
电子只能在相似壳层中转移 能级分裂成N个：一般N 很大
3. 具有波粒二象性的微观粒子，其运动不能再 用经典力学来描述，粒子状态用波函数表示， 而决定其状态变化的方程是薛定谔方程，而 不再是牛顿运动方程
➢自由电子的波函数和能量
自由电子：在恒定势场中运动，即处处不受力 U (r) U0
先看最简单情形：一维，质量 m0，且取 U0 0
故自由电子的波函数为：
化学键: 共价键+离子键 (离子键占优势）
(001)面是两类原子各自 组成的六方排列的双原子 层按ABABA…顺序堆积
➢纤锌矿型结构和混合键
– Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体也可为纤锌矿型结构：
➢基础结构仍为
正四面体结构
➢具有六方对称性
晶格常数 a、c
➢复式晶格
c
a
• 纤锌矿型结构和混合键
– 注意几点：
2. 三维情形： 沿 k方向传播的平面波
(r,
t
)
(r)
f
(t)
Aexp[i(k
r t )]
3. 自由电子波函数的强度| (r, t) |2 A2，说明任意时刻
在空间中任意一点找到自由电子的几率相等，这符合
其“自由”之意
➢自由电子的波函数和能量
– 注意几点：
4. 自由电子能量、动量、速度与波矢之间的关系为：
《半导体物理第一章》课件
3
1.3.3 pn结的I-V特性
详细解释pn结的I-V特性曲线，包括正向和反向电流的变化。
1.4 光电应及其在太 阳能电池中的应用。
2 1.4.2 光电二极管
阐述光电二极管的原理 及其在通信和显示技术 中的应用。
3 1.4.3 光电池
讨论光电池的构造、工 作原理和应用领域。
1.5 半导体器件的制作技术
晶体生长
介绍半导体晶体生长方法和技 术，如Czochralski法和液相外 延。
晶体制备
讨论半导体晶体的切割、抛光 和清洗等制备工艺。
制作半导体器件
概述半导体器件制作的关键步 骤，包括光刻、扩散和金属沉 积等工艺。
1.6 总结与展望
1.6.1 半导体物理的应用前景
评估半导体物理在电子技术、通信和能源领域 的未来发展。
1.1 半导体材料的基本性质
半导体的定义
介绍半导体的定义，以及其与导体和绝缘体的区别。
半导体的基本性质
探讨半导体的导电性、禁带宽度、载流子等基本特性。
半导体的能带结构
解释能带理论，讨论导带与禁带之间的能量差异对电子行为的影响。
1.2 掺杂半导体
1.2.1 掺杂的概念
介绍半导体掺杂的概念，包 括n型和p 型半导体的区别。
《半导体物理第一章》 PPT课件
An engaging and comprehensive introduction to the fundamental properties of semiconductor materials and their applications in electronic devices.
1.2.2 正、负离子掺 杂
说明正、负离子掺杂对半导 体电子结构的影响。
《半导体物理学》刘恩科课后答案
代入数据得：
t＝
6.62 ×10-34
＝ 8.3 ×10−6 （s）
2 ×1.6 ×10−19 × 2.5 ×10−10 × E
E
当 E＝102 V/m 时，t＝8.3×10－8（s）；E＝107V/m 时，t＝8.3×10－13（s）。
3. 如果 n 型半导体导带峰值在[110]轴上及相应对称方向上,回旋共振实验结果应 如何? [解] 根据立方对称性,应有下列 12 个方向上的旋转椭球面:
(6.625
×
10
−34
)
2
( 5.7
×
1018
)
2 3
=
2 2 × 3.14 ×1.38 ×10−23 × 300
= 3.39173 ×10−31 Kg
﹟求 77k 时的 Nc 和 Nv：
3
2(2π ⋅ mn*k0T ') 2
N
' c
=
h3
Nc
3
2(2π ⋅ mn*k 0T ) 2
=
(
T' T
)
3 2
d 2 EC dk 2
= 2h2 3m0
+ 2h2 m0
= 8h2 3m0
；∴
mn＝
h2
/
d 2 EC dk 2
=
3 8
m0
③价带顶电子有效质量 m’
d 2 EV dk 2
=
− 6h2 m0
，∴ mn'
=
h2Leabharlann /d 2 EV dk 2
=
−
1 6
m0
④准动量的改变量
h △k＝ h (kmin-kmax)=
半导体物理学(第一章)
n=1 2个电子
15
Si 半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
原子的能级的分裂 4个原子能级的分裂 个原子能级的分裂
孤立原子的能级
16
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
大量原子的能级分裂为能带
17
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
Si的能带（价带、导带和带隙） 的能带（价带、导带和带隙）
37
k = kx + k y + kz
2 2 2
2
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
具有确定能量E的全部 点 具有确定能量 的全部k点 的全部
r r r r k = kx + k y + kz
构成一个封闭的曲面， 构成一个封闭的曲面，称为等能面 理想的等能面为k空间的一个球面 理想的等能面为 空间的一个球面
4、无论是自由电子还是晶体材料中的电子，他们 、无论是自由电子还是晶体材料中的电子， 在某处出现的几率是恒定不变的。 在某处出现的几率是恒定不变的。 （ ） 5、分别叙述半导体与金属和绝缘体在导电过程中 、 的差别。 的差别。
30
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
与波矢k的关系 三、半导体中能量E与波矢 的关系 半导体中能量 与波矢
gap gap
3
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
硼 铝 锌 镓 镉 铟
碳 硅 锗 锡
氮 氧 磷 硫 砷 硒 锑 碲
4
半导体物理学 黄整
第一章 半导体中的电子状态
运动的描述
Minkowski空间：
x，y，z，ict px，py，pz，iE/c
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半导体物理
天津大学电子信息工程学院 张 为
教材及参考书目
《半导体物理学》刘恩科、 朱秉升、罗晋生等编著，电 子工业出版社 《半导体器件物理与工艺》 (美)A.S.格罗夫著，齐建译 《半导体物理基础》黄昆、 韩汝琦著 《半导体器件、物理与工艺》 ( 美 ) 施 敏 (S.M.Sze) 著 ， 王 阳 元等译 《半导体物理与器件 ——基 本原理》(第3版) (美) Donald A. Neamen著
价带顶附近
h2k 2 E (k ) E (0) 2m * p
对于实际三维晶体
k k k k
2 2 x 2 y
2 z
设导带底位于波数k=0，导带底附近
h2 2 2 E (k ) E (0) (k x k y k 2 ) z * 2mn
K空间等能面是环绕k0的一系列球面。
自由电子运动规律 基本方程
p = m0v
E = ½ |p|2/m0 Φ(r,t) = Aei2π(k·r - vt)
（动量方程） （能量方程） （波方程）
其中 k 为波矢，其大小等于波长的倒数 1/λ ，方向与波面法线平行，即波的传播 方向。
自由电子能量和动量与平面波频率和波 矢的关系
与自由电子相比，晶体中的电子在周期性势 场中运动的波函数与自由电子波函数形式相 似，不过这个波的振幅uk(x)随x呈现周期性 变化，且变化周期与晶格周期相同。——被 调幅的平面波。
对于自由电子在空间各点找到电子的几率相 同；而晶体中各点找到电子的几率具有周期 性的变化规律。——电子不再完全局限在某 个原子上，而是进行共有化运动。外层电子 共有化运动强，成为准自由电子。 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。
有效质量的大小由共有化运动的强弱有关。
1.4本征半导体的导电机构——空穴
导电机理：电子填充能带的情况 室温情况 绝对零度情况
两种情况下的能带图
空穴的特点
带正电荷+q
计算方法
电流密度：J=价带(k状态空出）电子总电流 若以电子电荷-q填充空的k状态，则总电流为0 J + (-q)v(k) = 0
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。该势场是具有与晶格同周期的 周期性势场。
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
当有强度为|E|的外电场时，电子受力： f=-q |E| 外力对电子做功：
dE fds fvdt
1 dE 由于 v h dk
f dE dt 所以 dE h dk
dE dk 而 dE dk
代入上式，可得
dk f h dt
上式说明，在外力作用下，波矢变化与 外力成正比。
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
4.其它结构
某些重要的半导体材料以氯化钠型结构 结晶（Ⅳ-Ⅵ族化合物）
如：硫化铅、硒化铅、碲化铅等
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.1原子的能级和晶体的能带
孤立原子与晶体的区别 单势场中的运动；周期性势场中的共有 化运动 孤立能级；准连续能带，价电子成为准 自由电子
1.2.3导体、半导体、绝缘体的能带
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
本征激发
常用禁带宽度 硅：1.12eV 锗：0.67eV 砷化镓： 1.43eV
1.3半导体中电子的运动——有效质量
1.3.1半导体中E(k)与k的关系 设能带底位于波数k=0处，将E(k)在k=0 处按泰勒级数展开，取至k2项，可得
考虑到晶体各向异性的性质，用泰勒 级数在极值k0 附近展开。略去高次项， 2 2 得 (k x k 0 x ) 2 (k y k 0 y ) (k z k 0 z ) 2 h
电子的加速度
dv 1 d dE 1 d E dk f d E a ( ) 2 2 dt h dt dk h dk dt h dk 2
2 2
h2 * mn 2 利用电子有效质量定义 d E dk 2
可得
f a * mn
上式与牛顿第二定律类似
1.3.4有效质量的意义
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)）
对于有限的晶体，根据周期性边界条件， 波矢k只能取分立数值。 对于边长为L的立方晶体
自由电子速度
根据E = ½ |p|2/m0，可得dE/dk=h2k/m0 所以自由电子速度 v = (1/h)dE/dk 也可以表示为 v = hk /m0
半导体中电子平均速度与能量的关系
根据量子力学，电子的运动可以看作波包的 运动，波包的群速就是电子运动的平均速度 （波包中心的运动速度）。 设波包有许多频率ν相近的波组成，则波包 的群速为：
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 载流子的散射及导电性 非平衡载流子 pn结 金属半导体接触 半导体表面及MIS结构
第一章 半导体中的电子状态
本章重点 半导体单晶材料中的电子状态及其运动 规律 领会“结构决定性质” 处理方法 单电子近似——能带论
硅、锗基本物理参数
晶格常数 硅：0.543089nm 锗：0.565754nm 原子密度 22 3 硅：5.00×10 /cm 锗：4.42×1022/cm3 共价半径 硅：0.117nm 锗：0.122nm
2.闪锌矿型结构和混合键
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 结晶学原胞结构特点： 两类原子各自组成的面 心立方晶格，沿空间对 角线方向彼此位移四分 之一空间对角线长度套 构而成。
J = (+q)v(k)
空穴具有正的有效质量 在电场作用下，电子与空穴有相同的运动速率
dk q E / h dt 价带顶部附近电子的加速度
qE dv(k ) f a * * dt mn mn
若令
m m
* p
* n
则空穴的加速度可表示为
dv (k ) q E a * dt mp
dE 1 d 2E E (k ) E (0) ( ) k 0 k ( 2 ) k 0 k 2 dk 2 dk
由于k=0时能量极小，所以一阶导数为0， 有
1 d E 2 E (k ) E (0) ( 2 ) k 0 k 2 dk
2
由于E(0)为导带底能量，对于给定半导 体二阶导数为恒定值，令
以金刚石结构单晶硅材料为例 3 能级sp 杂化后，硅原子最外层有四个能 量状态；若晶体中有N个原子，原子最外 层能级分裂后形成两个能带，各包含2N 各状态。 能量高的能带全空，称为导带；能量低 的能带全满，称为满带或价带。
1.2.2半导体中的电子状态和能带
电子在周期性势场中运动的基本特点和 自由电子（处于零势场中）的运动十分 相似
金刚石结构结晶学原胞 两个面心立方沿立方体空间对角线互相 位移了四分之一的空间对角线长度套构 而成。 金刚石结构固体物理学原胞 中心有原子的正四面体结构（相同双原 子构成的复式晶格）
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。
d v dk
根据波粒二象性，频率为ν的波，其粒子的 能量为hν，所以
1 dE v h dk
结论：与自由电子速度-能量关系相似
将
h2k 2 E (k ) E (0) * 代入上式，可得 2mn
hk v * mn
由于不同位置，有效质量的正负不同，则速 度的方向也不同。
1.3.3半导体中电子的加速度
1 d 2E 1 ( 2 ) k 0 * 2 h dk mn
所以有
h2k 2 E (k ) E (0) * 2mn
式中的 m 正值； 若能带顶也位于k=0处，则按照与上述相 * 同的方法可得能带顶电子有效质量，mn 为负值。
* n 称为能带底电子有效质量，为
1.3.2半导体中电子的平均速度
能带成因 当N个原子彼此靠近时，原来分属于N个 原子的相同的电子能级必然分裂为属于 整个晶体的N个（需计入原子本身的简并） 能量稍有差别的能级构成的能带。
能带特点 分裂的能带称为允带，允带间的能量范 围称为禁带 内层原子受到的束缚强，共有化运动弱， 能级分裂小，能带窄；外层原子受束缚 弱，共有化运动强，能级分裂明显，能 带宽。
引入空穴的意义
把价带中大量电子对电流的贡献用少量的空 穴表达出来。 半导体中有电子和空穴两种载流子，而金属 中只有电子一种载流子。
1.5回旋共振
晶体各向异性，不同方向晶体性质不同， E(k)~k关系不同。
1.5.1 k空间等能面 若设一维情况下能带极值在k=0处，导 带底附近
h2k 2 E (k ) E (0) * 2mn
天津大学电子信息工程学院 张 为
教材及参考书目
《半导体物理学》刘恩科、 朱秉升、罗晋生等编著，电 子工业出版社 《半导体器件物理与工艺》 (美)A.S.格罗夫著，齐建译 《半导体物理基础》黄昆、 韩汝琦著 《半导体器件、物理与工艺》 ( 美 ) 施 敏 (S.M.Sze) 著 ， 王 阳 元等译 《半导体物理与器件 ——基 本原理》(第3版) (美) Donald A. Neamen著
价带顶附近
h2k 2 E (k ) E (0) 2m * p
对于实际三维晶体
k k k k
2 2 x 2 y
2 z
设导带底位于波数k=0，导带底附近
h2 2 2 E (k ) E (0) (k x k y k 2 ) z * 2mn
K空间等能面是环绕k0的一系列球面。
自由电子运动规律 基本方程
p = m0v
E = ½ |p|2/m0 Φ(r,t) = Aei2π(k·r - vt)
（动量方程） （能量方程） （波方程）
其中 k 为波矢，其大小等于波长的倒数 1/λ ，方向与波面法线平行，即波的传播 方向。
自由电子能量和动量与平面波频率和波 矢的关系
与自由电子相比，晶体中的电子在周期性势 场中运动的波函数与自由电子波函数形式相 似，不过这个波的振幅uk(x)随x呈现周期性 变化，且变化周期与晶格周期相同。——被 调幅的平面波。
对于自由电子在空间各点找到电子的几率相 同；而晶体中各点找到电子的几率具有周期 性的变化规律。——电子不再完全局限在某 个原子上，而是进行共有化运动。外层电子 共有化运动强，成为准自由电子。 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。
有效质量的大小由共有化运动的强弱有关。
1.4本征半导体的导电机构——空穴
导电机理：电子填充能带的情况 室温情况 绝对零度情况
两种情况下的能带图
空穴的特点
带正电荷+q
计算方法
电流密度：J=价带(k状态空出）电子总电流 若以电子电荷-q填充空的k状态，则总电流为0 J + (-q)v(k) = 0
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。该势场是具有与晶格同周期的 周期性势场。
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
当有强度为|E|的外电场时，电子受力： f=-q |E| 外力对电子做功：
dE fds fvdt
1 dE 由于 v h dk
f dE dt 所以 dE h dk
dE dk 而 dE dk
代入上式，可得
dk f h dt
上式说明，在外力作用下，波矢变化与 外力成正比。
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
4.其它结构
某些重要的半导体材料以氯化钠型结构 结晶（Ⅳ-Ⅵ族化合物）
如：硫化铅、硒化铅、碲化铅等
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.1原子的能级和晶体的能带
孤立原子与晶体的区别 单势场中的运动；周期性势场中的共有 化运动 孤立能级；准连续能带，价电子成为准 自由电子
1.2.3导体、半导体、绝缘体的能带
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
本征激发
常用禁带宽度 硅：1.12eV 锗：0.67eV 砷化镓： 1.43eV
1.3半导体中电子的运动——有效质量
1.3.1半导体中E(k)与k的关系 设能带底位于波数k=0处，将E(k)在k=0 处按泰勒级数展开，取至k2项，可得
考虑到晶体各向异性的性质，用泰勒 级数在极值k0 附近展开。略去高次项， 2 2 得 (k x k 0 x ) 2 (k y k 0 y ) (k z k 0 z ) 2 h
电子的加速度
dv 1 d dE 1 d E dk f d E a ( ) 2 2 dt h dt dk h dk dt h dk 2
2 2
h2 * mn 2 利用电子有效质量定义 d E dk 2
可得
f a * mn
上式与牛顿第二定律类似
1.3.4有效质量的意义
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)）
对于有限的晶体，根据周期性边界条件， 波矢k只能取分立数值。 对于边长为L的立方晶体
自由电子速度
根据E = ½ |p|2/m0，可得dE/dk=h2k/m0 所以自由电子速度 v = (1/h)dE/dk 也可以表示为 v = hk /m0
半导体中电子平均速度与能量的关系
根据量子力学，电子的运动可以看作波包的 运动，波包的群速就是电子运动的平均速度 （波包中心的运动速度）。 设波包有许多频率ν相近的波组成，则波包 的群速为：
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 载流子的散射及导电性 非平衡载流子 pn结 金属半导体接触 半导体表面及MIS结构
第一章 半导体中的电子状态
本章重点 半导体单晶材料中的电子状态及其运动 规律 领会“结构决定性质” 处理方法 单电子近似——能带论
硅、锗基本物理参数
晶格常数 硅：0.543089nm 锗：0.565754nm 原子密度 22 3 硅：5.00×10 /cm 锗：4.42×1022/cm3 共价半径 硅：0.117nm 锗：0.122nm
2.闪锌矿型结构和混合键
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 结晶学原胞结构特点： 两类原子各自组成的面 心立方晶格，沿空间对 角线方向彼此位移四分 之一空间对角线长度套 构而成。
J = (+q)v(k)
空穴具有正的有效质量 在电场作用下，电子与空穴有相同的运动速率
dk q E / h dt 价带顶部附近电子的加速度
qE dv(k ) f a * * dt mn mn
若令
m m
* p
* n
则空穴的加速度可表示为
dv (k ) q E a * dt mp
dE 1 d 2E E (k ) E (0) ( ) k 0 k ( 2 ) k 0 k 2 dk 2 dk
由于k=0时能量极小，所以一阶导数为0， 有
1 d E 2 E (k ) E (0) ( 2 ) k 0 k 2 dk
2
由于E(0)为导带底能量，对于给定半导 体二阶导数为恒定值，令
以金刚石结构单晶硅材料为例 3 能级sp 杂化后，硅原子最外层有四个能 量状态；若晶体中有N个原子，原子最外 层能级分裂后形成两个能带，各包含2N 各状态。 能量高的能带全空，称为导带；能量低 的能带全满，称为满带或价带。
1.2.2半导体中的电子状态和能带
电子在周期性势场中运动的基本特点和 自由电子（处于零势场中）的运动十分 相似
金刚石结构结晶学原胞 两个面心立方沿立方体空间对角线互相 位移了四分之一的空间对角线长度套构 而成。 金刚石结构固体物理学原胞 中心有原子的正四面体结构（相同双原 子构成的复式晶格）
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。
d v dk
根据波粒二象性，频率为ν的波，其粒子的 能量为hν，所以
1 dE v h dk
结论：与自由电子速度-能量关系相似
将
h2k 2 E (k ) E (0) * 代入上式，可得 2mn
hk v * mn
由于不同位置，有效质量的正负不同，则速 度的方向也不同。
1.3.3半导体中电子的加速度
1 d 2E 1 ( 2 ) k 0 * 2 h dk mn
所以有
h2k 2 E (k ) E (0) * 2mn
式中的 m 正值； 若能带顶也位于k=0处，则按照与上述相 * 同的方法可得能带顶电子有效质量，mn 为负值。
* n 称为能带底电子有效质量，为
1.3.2半导体中电子的平均速度
能带成因 当N个原子彼此靠近时，原来分属于N个 原子的相同的电子能级必然分裂为属于 整个晶体的N个（需计入原子本身的简并） 能量稍有差别的能级构成的能带。
能带特点 分裂的能带称为允带，允带间的能量范 围称为禁带 内层原子受到的束缚强，共有化运动弱， 能级分裂小，能带窄；外层原子受束缚 弱，共有化运动强，能级分裂明显，能 带宽。
引入空穴的意义
把价带中大量电子对电流的贡献用少量的空 穴表达出来。 半导体中有电子和空穴两种载流子，而金属 中只有电子一种载流子。
1.5回旋共振
晶体各向异性，不同方向晶体性质不同， E(k)~k关系不同。
1.5.1 k空间等能面 若设一维情况下能带极值在k=0处，导 带底附近
h2k 2 E (k ) E (0) * 2mn