半导体物理基础(4)06.02
(完整版)半导体物理知识点及重点习题总结(可编辑修改word版)
基本概念题：第一章半导体电子状态1.1半导体通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料，其导带在绝对零度时全空，价带全满，禁带宽度较绝缘体的小许多。
1.2能带晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。
这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。
1.2能带论是半导体物理的理论基础，试简要说明能带论所采用的理论方法。
答：能带论在以下两个重要近似基础上，给出晶体的势场分布，进而给出电子的薛定鄂方程。
通过该方程和周期性边界条件最终给出 E-k 关系，从而系统地建立起该理论。
单电子近似：将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑，这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。
绝热近似：近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换，而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。
1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法答案：克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和 E-k 关系而提出的一维晶体的势场分布模型，如下图所示X克龙尼克—潘纳模型的势场分布利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式，进而确定波函数并给出 E-k 关系。
由此得到的能量分布在 k 空间上是周期函数，而且某些能量区间能级是准连续的（被称为允带），另一些区间没有电子能级（被称为禁带）。
从而利用量子力学的方法解释了能带现象，因此该模型具有重要的物理意义。
1.2导带与价带1.3有效质量有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。
它概括了周期性势场对载流子运动的影响，从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。
其大小由晶体自身的 E-k 关B c n 系决定。
1.4 本征半导体既无杂质有无缺陷的理想半导体材料。
1.4 空穴空穴是为处理价带电子导电问题而引进的概念。
设想价带中的每个空电子状态带有一个正的基本电荷，并赋予其与电子符号相反、大小相等的有效质量，这样就引进了一个假想的粒子，称其为空穴。
半导体物理基本知识
半导体物理基本知识
嘿，朋友们！今天咱来聊聊半导体物理基本知识。
半导体啊，就像是一个充满奇妙魔法的世界。
你看，它就像是一座神秘的城堡，里面有着各种奇妙的现象和规律等待着我们去探索。
咱先来说说半导体的导电性。
这就好比是一条道路，有的时候畅通无阻，电流可以欢快地跑过去；有的时候又有点堵塞，电流就得费点劲才能通过。
半导体就是这么神奇，它能在不同的条件下表现出不同的导电性能。
再想想半导体的能带结构，那简直就是一个复杂又精妙的布局。
就像一个大型的游乐场，有着不同的区域和通道。
价带就像是普通游客区，电子们安安稳稳地待在那里；而导带呢，就像是刺激的游乐项目区，电子们要是能跑到那里，就会变得特别活跃。
还有半导体中的杂质，这可真是个有意思的玩意儿。
就好比是在一个原本平静的班级里，突然来了几个特别调皮或者特别优秀的学生，他们会改变整个班级的氛围和表现。
杂质的存在可以让半导体的性能发生很大的变化呢。
半导体物理可不只是理论上的东西哦，它在我们的生活中无处不在。
你手里拿着的手机，家里看着的电视，那里面可都有半导体的功劳。
没有半导体，这些高科技玩意儿可都没法正常工作啦！
想象一下，如果没有半导体，我们的世界会变成什么样？那肯定会变得很无趣，很多好玩的、好用的东西都没法出现了。
所以啊，半导体物理基本知识真的很重要，它就像是打开科技大门的一把钥匙。
我们得好好去了解它，去探索它的奥秘。
总之，半导体物理是个充满魅力和神奇的领域，值得我们花时间和精力去深入研究。
让我们一起在这个神奇的世界里畅游吧！。
半导体物理基础知识
半导体物理基础知识嘿，朋友们！今天咱来聊聊半导体物理基础知识。
这玩意儿啊，就像是一个神秘又有趣的魔法世界。
你想想看，半导体就像是一群小精灵，它们有着独特的脾气和本领。
这些小精灵能导电，但又不是那么随心所欲地导电，有点小个性呢！半导体里有一些关键的角色，比如说电子和空穴。
电子呢，就像是个调皮的小孩子，到处乱跑。
而空穴呢，就像是电子跑开后留下的小空位，也有着它的作用。
它们俩在半导体里跑来跑去，就演绎出了各种奇妙的现象。
比如说，半导体的导电性会随着温度啊、光照啊这些因素而变化。
这就好像天气一变，我们的心情和行为也可能跟着变一样。
有时候温度高一点，半导体就变得更活跃了，导电性也增强了。
这多有意思啊！还有啊，半导体可以用来做各种器件，像二极管、晶体管啥的。
这些器件就像是半导体世界里的小工具，能帮我们完成很多神奇的任务。
二极管就像是个单方向的小通道，只让电流往一个方向走，多奇妙啊！晶体管呢，更是厉害，它可以放大信号，就像把一个小小的声音变得大大的，让大家都能听到。
咱再说说半导体的能带结构吧。
这就像是给小精灵们划分了不同的活动区域。
有导带，那里是电子们撒欢的地方；还有价带，是电子们比较老实待着的地方。
中间还有个禁带，就像是一道小篱笆，把它们隔开。
那半导体物理知识有啥用呢？哎呀，用处可大啦！没有半导体物理，我们哪来的手机、电脑这些高科技玩意儿啊？它们可都是靠着半导体器件才能工作的呢！你能想象没有手机的日子吗？那得多无聊啊！所以啊，半导体物理基础知识可真是个宝。
它就像是打开科技大门的一把钥匙，让我们能进入一个充满神奇和创造的世界。
我们可得好好了解它，探索它的奥秘。
总之，半导体物理基础知识可不是什么枯燥无味的东西，它是充满趣味和惊喜的。
只要我们用心去感受，去学习，就能发现它的魅力所在。
让我们一起在这个半导体的魔法世界里尽情遨游吧！。
半导体物理知识点汇总总结
半导体物理知识点汇总总结一、半导体物理基本概念半导体是介于导体和绝缘体之间的材料，它具有一些导体和绝缘体的特性。
半导体是由单一、多层、回交或互相稀释的混合晶形的二元、三元或多元化合物所组成。
它的特点是它的电导率介于导体和绝缘体之间，是导体的电导率∗101~1015倍，是绝缘体的电导率÷102~103倍。
半导体材料具有晶体结构，对它取决于结晶度的大小，织排效应特别大。
由于它的电导率数值在半导体晶体内并不等同，所以它是隔离的，具有相当大的飞行束度，并且不容易受到外界的干扰。
二、半导体晶体结构半导体是晶体材料中最均匀最典型的材料之一，半导体的基本结构是一个由原子排成的一种规则有序的晶体结构。
半导体原子是立方体的晶体，具有600个原子的立方体晶体结构，又称之为立方的晶体结构。
半导体晶体结构的代表性六面体晶体结构，是一种由两个或两个以上的六面全部说构成的立方晶体。
半导体晶体的界面都是由两个或两个以上的六面全部说构成的晶体包围构成，是由两个或两个以上的六面全部说构成的立方晶体。
半导体晶体的界面都是由两个或两个以上的六面全部说构成的晶点构成，是由两个或两个以上的六面全部说构成的晶点构成。
三、半导体的能带结构半导体的能带“带”是指其电子是在“带”中运动的，是光电子带，又称作价带，当其中的自由电子都填满时另一种平面，又称导电带，当其中的自由电子并不填满时其另一种平面在有一些能够使电子轻易穿越的东西。
半导体的能带是由两个非常临近的能带组成的，其中价带的最上一层电子不足，而导电带的下一层电子却相当到往动能，这一些动能可能直到加到电子摆脱它自己体原子，变成自由电子，并且在整体晶体里自由活动。
四、半导体的导电机理半导体的导电机理是在外加电压加大时一部分自由电子均可以在各自能带中加速骚扰，从而增加在给导电子处所需要的电压增大并最终触碰到另一种平面上产生电流就可以。
五、半导体的掺杂掺杂是指在纯净半导体中加入某些以外杂质元素的行为。
半导体物理学基础知识
半导体物理学基础知识半导体是一种固体材料，它的电导率介于导体和绝缘体之间，因而得名。
半导体的特殊性质使得它在电子学、光电子学、计算机科学等众多应用领域具有重要的地位。
本文将介绍半导体物理学的基础知识，包括半导体材料的结构和性质，电子在半导体中的运动和掺杂等方面。
一、半导体材料的结构和性质半导体材料的基本结构由四个元素构成：硅、锗、砷和磷。
这些元素除了硅和锗是单质以外，其余的都是化合物。
半导体材料的晶体结构通常为立方晶体或四面体晶体。
半导体材料的电性质由其晶格结构和掺杂情况决定。
在材料内的原子构成规则的晶格结构中，每个原子都有定位，并与其他原子通过化学键相互链接。
晶格结构可以分为晶格点和间隙两个部分。
如果每个原子都占据晶格点，那么该半导体材料的结构就是类似于钻石的结构，实际上就是一个绝缘体。
但是，如果一些晶格点中有缺陷，或是有一些原子没有在晶格点上占据位置，则可以导致半导体材料成为电导率介于导体和绝缘体之间的半导体。
在半导体材料中，掺杂是一种常用技术，对于改变其电性质尤其有效。
掺杂就是在半导体中加入少量的另一种元素，以改变其电子结构和电导率。
掺杂元素是指半导体材料中所加入的杂质原子。
它们可以分为两类：施主和受主。
施主原子是比半导体材料中的原子更多的元素（例如磷或硼），在它占据晶格点时，它的外层电子一般比材料中的原子多，这些电子比较容易脱离施主原子并移动到其他位置，从而形成了自由电子。
受主原子是原子数比材料中的原子少的元素（例如锑或砷），因此它会在晶体中形成一些空位。
与施主原子不同的是，受主原子会接受电子，从而形成电子空穴。
二、电子在半导体中的运动在半导体中，电子的运动可以由以下几个方面来描述：载流子流动、漂移、扩散、复合效应。
载流子是电子在半导体中运动的基本单元，携带带电粒子的特性。
在半导体中，载流子通常包括自由电子和空穴。
电子的自由运动和空穴的自由运动是载流子流动的两种形式。
载流子流动的基本原理是，施主和受主原子的掺杂，带来了半导体内部电子和空穴的浓度不平衡，因此会发生电场和电流。
半导体物理基础4
前面已经介绍过，光在导电媒质中传播时具有衰减 现象，即产生光的吸收。半导体材料能强烈地吸收光能， 具有105cm-1的吸收系数。 大量实验证明，价带电子跃迁是半导体研究中最 重要的吸收过程。当一定波长的光照射半导体材料时， 电子吸收足够的能量，从价带跃迁入导带。电子从低能 带跃迁到高能带的吸收，相当于原子中的电子从能量较 低的能级跃迁到能量较高的能级的吸收。其区别在于： 原子中的能级是不连续的，两能级间的能量差是定值， 因而电子的跃迁只能吸收一定能量的光子，出现的是吸 收线；而在晶体中，与原子能级相当的是一个由很多能 级组成，实际上是连续的能带，因而光吸收也就表现为 连续的吸收带。
= nq（n+p）
前面所讲的都是在热平衡状态下的情况，我 们已提过，当用适当波长的光（例如：<0 的光） 照射半导体时，在半导体中将会出现非平衡载流 子，而载流子浓度的增大必须使样品电导率增大， 这种由光照引起的半导体电导率增加的现象称为 光电导。我们主要讨论由于本征吸收引起的光电 导，称为本征光电导。
四、半导体的光学性质
1、光吸收
固体对光的吸收过程，通常以折射率、消光系数和 吸收系数来表征。 根据麦克斯韦电磁波理论，当光波（也是电磁波）在 不带电的，各向同性的导电媒质中沿x方向传播时，其电场强 度E 满足以下方程： Ey=E0exp(-wkx/c)exp[iw(t-nx/c)]
这说明，光在媒质中传播时，是以c/n的速度沿x方向传 播，其振幅按exp(-wkx/c)的形式下降。
上图是Ge、Si、GaAs的本征吸收系数和光子能量的关系。
其他吸收过程
实验证明，波长比本征吸收限0长的光波在半导体中 往往也能被吸收。这说明，除了本征吸收外，还存在着其它 的光吸收过程：主要有激子吸收、杂质吸收、自由载流子吸 收等。 激子吸收：在本征吸收限，光子的吸收恰好形成一个在导带 底的电子和一个在价带顶的空穴。这样形成的是完全自由的 电子和空穴，它们之间没有相互作用，在外加电场的作用下 能改变运动状态而且能使电导率增大。但在低温时发现，某 些晶体在本征连续吸收光谱出现以前，即h<Eg 时，就已经 出现一系列吸收线，并且对应于这些吸收线并不伴有光电导。 这是因为这种吸收并不引起价带电子直接激发到导带，而是 形成所谓“激子”。
半导体物理基础
1第一章 半导体物理基础半导体物理知识是学习半导体器件物理课程的基础。
为了方便学过半导体物理的学生使用本书时对半导体物理的有关知识进行回顾和查阅，也为了给没有学过半导体物理的读者提供必要的参考，我们在本章简明地介绍半导体的基本性质。
其主要内容包括半导体能带论的主要结果，半导体中载流子浓度的统计分布，费米能级的计算，载流子的输运以及半导体中的基本控制方程等。
半导体表面和半导体光学性质等是半导体物理中的重要内容。
为不使本章的内容过于冗长，更为了学习相关器件物理的方便，分别把它们放在有关章节（第六、七章）予以介绍。
相信上述内容可为读者学习半导体器件物理提供足够的预备知识。
如果有些读者觉得本书所介绍的内容尚不够全面深入和详尽，可参阅标准的半导体物理和固体物理等教材。
1.1 半导体中的电子状态1.1.1半导体中电子的波函数和能量谱值 布洛赫定理电子状态亦称为量子态，指的是电子的运动状态。
晶体是由规则的周期性排列起来的原子所组成的。
每个原子又包含有原子核和核外电子。
原子核和电子之间、电子和电子之间存在着库仑作用。
因此，它们的运动不是彼此无关的，应该把它们作为一个体系统一地加以考虑。
也就是说，所遇到的是一个多体问题。
为使问题简化，近似地把每个电子的运动单独地加以考虑，即在研究一个电子的运动时，把在晶体中各处的其它电子和原子核对这个电子的库仑作用，按照它们的几率分布，被平均地加以考虑，这种近似称为单电子近似。
这样，一个电子所受的库仑作用仅随它自己的位置的变化而变化。
于是它的运动便由下面仅包含这个电子的坐标的波动方程式所决定()()()r E r r V m vv v h ψψ=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+∇−222 （1-1） 式中2222∇−mh —— 电子的动能算符 )(r V v——电子的势能算符，它具有晶格的周期性E ——电子的能量()r vψ ——电子的波函数π2h =h ，h 为普朗克常数，h 称为约化普朗克常数如果势函数)(r V v有晶格的周期性，即)()(r V R r V m vv v =+ （1-2）则方程（1-1）的解)(r vψ具有如下形式)()(r u e r k rk i kv v r vv v ⋅=ψ （1-3） 式中)(r u kvv 为一与晶格具有同样周期性的周期性函数，即 ()()r u R r u k m kvv v v v =+ （1-4）（1-2）和（1-4）式中的m R v称为晶格平移矢量：332211a m a m a m R m vv v v ++= （1-5）式中1a v 、2a v 、3a v为晶格的一组基矢量，1m 、2m 、3m 为三个任意整数。
半导体物理知识点
半导体物理知识点半导体是现代电子技术的核心材料，从我们日常使用的手机、电脑到各种高科技设备，都离不开半导体器件的应用。
了解半导体物理的基本知识点对于理解和掌握现代电子技术至关重要。
一、半导体的基本概念半导体是一种导电性能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。
在纯净的半导体中，导电能力较弱，但通过掺入杂质可以显著改变其导电性能。
半导体中的载流子包括电子和空穴。
电子带负电，空穴带正电。
在半导体中，电子和空穴都能参与导电。
二、晶体结构半导体材料通常具有晶体结构。
以硅为例，其晶体结构是金刚石结构。
在晶体中，原子按照一定的规律排列，形成晶格。
晶格常数是描述晶体结构的重要参数。
对于硅，晶格常数约为 0543 纳米。
三、能带结构在量子力学的框架下，半导体的电子能量状态形成能带。
包括导带和价带。
导带中的电子能够自由移动，从而导电；价带中的电子被束缚，不能自由导电。
导带和价带之间存在禁带宽度，也称为能隙。
能隙的大小决定了半导体的导电性能。
能隙较小的半导体，如锗，在常温下就有一定的导电能力；而能隙较大的半导体，如硅，在常温下导电性能较差。
四、施主杂质和受主杂质为了改变半导体的导电性能，常常掺入杂质。
施主杂质能够提供电子，使半导体成为n 型半导体。
例如，在硅中掺入磷（P）等五价元素，就形成了 n 型半导体。
受主杂质能够接受电子，形成空穴，使半导体成为 p 型半导体。
例如，在硅中掺入硼（B）等三价元素，就形成了 p 型半导体。
五、pn 结pn 结是半导体器件的基本结构之一。
当 p 型半导体和 n 型半导体接触时，会形成一个特殊的区域，即 pn 结。
在 pn 结处，存在内建电场，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，这是二极管的工作基础。
六、半导体的导电性半导体的电导率与温度、杂质浓度等因素密切相关。
随着温度的升高，本征半导体的电导率会增加，因为更多的电子会从价带跃迁至导带。
4 第一章：半导体物理基础 4
上述方程可用于PN结中的各个区域 上述方程可用于PN结中的各个区域 PN 1、离开结的中性区； 、离开结的中性区； 2、有固定电荷但无自由载流子的耗尽区； 、有固定电荷但无自由载流子的耗尽区； 3、中性区和耗尽区之间的边界层。 、中性区和耗尽区之间的边界层。
区域
Physics of Semiconductor Devices 1、对于N型中性区，可假设 、对于 型中性区， 型中性区 表示为： 表示为： 令： 远离结的N型中性区中的电势 远离结的 型中性区中的电势
D p ∇ 2 ( ∆p ) = ∆p
τp
3、空穴扩散电流密度： ( J p ) Dif = qS p = − qD p ∇ ( ∆p ) 空穴扩散电流密度： 4、空穴扩散电流密度： ( J n ) Dif = − qS n = − qDn ∇ ( ∆n ) 空穴扩散电流密度：
Physics of Semiconductor Devices 均匀掺杂的半导体， 1 、对均匀掺杂的半导体，如果存在外加电场的同时还存在非平衡载流子浓 度的不均匀，那么平衡和非平衡载流子都要作漂移运动， 度的不均匀，那么平衡和非平衡载流子都要作漂移运动，非平衡载流子还要 作扩散运动，因此： 作扩散运动，因此：
w− x sh w ＝(∆p)（ － x ） ∆p( x) = (∆p) 0 sh 0 1 L L w p p 由于a很小时，有sh (a) ≈ a 线性关系
Physics of Semiconductor Devices 这种样品的∆P(x)与x呈线性关系，与双极晶体管基区的非平衡载流子分布近 与 呈线性关系 呈线性关系， 这种样品的 似符合。 似符合。 此时： 扩散流密度为常数： 此时： 扩散流密度为常数：
半导体物理学基础知识
1半导体中的电子状态1.2半导体中电子状态和能带1.3半导体中电子的运动有效质量1半导体中E与K的关系2半导体中电子的平均速度3半导体中电子的加速度1.4半导体的导电机构空穴1硅和锗的导带结构对于硅，由公式讨论后可得：I.磁感应沿【1 1 1】方向，当改变B（磁感应强度）时，只能观察到一个吸收峰II.磁感应沿【1 1 0】方向，有两个吸收峰III.磁感应沿【1 0 0】方向，有两个吸收峰IV磁感应沿任意方向时，有三个吸收峰2硅和锗的价带结构重空穴比轻空穴有较强的各向异性。
2半导体中杂质和缺陷能级缺陷分为点缺陷，线缺陷，面缺陷(层错等)1.替位式杂质间隙式杂质2.施主杂质：能级为E(D),被施主杂质束缚的电子的能量状态比导带底E(C)低ΔE(D),施主能级位于离导带底近的禁带中。
3.受主杂质：能级为E(A),被受主杂质束缚的电子的能量状态比价带E(V)高ΔE(A),受主能级位于离价带顶近的禁带中。
4.杂质的补偿作用5.深能级杂质：⑴非3，5族杂质在硅，锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，离价带顶也较远，称为深能级。
⑵这些深能级杂质能产生多次电离。
6.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：只在晶体内部形成空位而无间隙原子。
空位表现出受主作用，间隙原子表现出施主作用。
3半导体中载流子的分布统计电子从价带跃迁到导带，称为本征激发。
一、状态密度状态密度g(E)是在能带中能量E附近每单位间隔内的量子态数。
首先要知道量子态，每个量子态智能容纳一个电子。
导带底附近单位能量间隔内的量子态数目，随电子的能量按抛物线关系增大，即电子能量越高，状态密度越大。
二、费米能级和载流子的统计分布在T=0K时，费米能级E(f)可看作是量子态是否被电子占据的一个界限。
附图：随着温度的升高，电子占据能量小于费米能级的量子态的概率下降，占据高于费米能级的量子态的概率上升。
2波尔兹曼分布函数在E-E(f)>>K(0)T时，服从波尔兹曼分布（是费米能级的一种简化形式）。
物理学中的半导体物理知识点
物理学中的半导体物理知识点半导体物理学是物理学领域中的一个重要分支，研究半导体材料及其性质与行为。
本文将介绍几个半导体物理学中的知识点，包括半导体的基本概念、载流子行为、PN结及其应用。
一、半导体的基本概念半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的导电能力介于导体和绝缘体之间，可以通过控制外加电场或温度来改变其电导率。
根据能带理论，半导体材料中存在一个禁带，将价带和导带分开，如果半导体材料的价带被填满，而导带是空的，那么半导体就没有导电能力；当半导体材料的温度升高或者施加电场时，一些电子会跃迁到导带中，形成可以导电的载流子。
二、载流子行为在半导体中，载流子是指能够输送电流的带电粒子，可以分为自由电子和空穴两种类型。
1. 自由电子：自由电子是指在半导体晶格中脱离原子束缚的电子，它具有负电荷。
在纯净的半导体中，自由电子的数量较少。
2. 空穴：空穴是指由于半导体中某个原子缺少一个电子而形成的一个正电荷，可以看作是受激发的价带上的空位。
载流子的行为受到材料的类型和掺杂等因素的影响。
三、PN结及其应用PN结是半导体中最基本的器件之一，由P型半导体和N型半导体的结合构成。
P型半导体中的空穴浓度较高，N型半导体中的自由电子浓度较高，当这两种类型的半导体材料接触时，自由电子和空穴会发生复合，形成一个耗尽区域。
PN结的特性使得它在半导体器件中有着广泛的应用，例如：1. 整流器：利用PN结的单向导电性质，将交流电信号转换为直流电信号。
2. 发光二极管（LED）：在PN结中注入电流可以激发电子跃迁，从而产生光线，实现发光效果。
3. 晶体管：晶体管是一种基于PN结的三端口器件，通过调控PN结的导电状态，实现信号放大和开关控制。
PN结的应用广泛且多样化，是现代电子技术中不可或缺的一个元件。
总结：半导体物理学作为物理学中的重要分支，研究的是半导体材料及其性质与行为。
本文介绍了半导体的基本概念，包括能带理论和禁带，以及载流子行为，其中自由电子和空穴是半导体中的两种重要载流子。
半导体技术的物理学基础
半导体技术的物理学基础半导体技术是当今世界上最为繁荣和迅猛发展的高科技产业之一，它涉及的领域广泛，包括计算机、电子设备、通讯与网络、能源和环保等。
半导体材料是半导体技术的基础和关键，它们通常都是通过纯化的硅等元素制造而成。
半导体材料的物理特性非常重要，为此，物理学成为半导体技术的重要分支。
本文将探讨半导体技术的物理学基础。
一、半导体的本质特性半导体是介于导体与绝缘体之间的一类物质。
它们的导电性介于金属和非金属之间，这是由于半导体材料的原子结构特点决定的。
晶体是由周期性排列的原子单元构成的，这些原子单元叫做“格子点”或“晶胞”。
对于同一种元素，所有的晶胞具有相同的大小和形状，这个性质叫做晶格平移对称性。
半导体材料的晶体结构一般分为两种类型：离子型半导体和共价型半导体。
在离子型半导体中，晶体中的原子由金属离子和非金属离子组成，它们形成的晶体结构是离子晶体；而共价型半导体则由原子之间形成共价键而构成。
半导体的常见材料包括硅、锗、砷化镓、氮化硼等。
在这些材料中，共价键非常牢固，只有获得足够的加热能量才能破裂，因此，在室温下它们的导带（可以带电的）是空的，价带（不可以带电的）也是空的，即不导电。
但当外加足够大的电场或加热该材料，价带里面就会出现自由电子，导带里面也会出现电子空穴，此时材料导电性变化非常显著。
这就是半导体的本质特性。
二、载流子的概念半导体的导电性是通过带电载流子的运动来实现的。
带电载流子指的是电子和电子空穴。
电子的负电荷带有负电，在电场的作用下，它们沿着阴阳电荷分布的方向移动，是半导体导电的主要载流子。
而电子空穴则是半导体中缺失电子留下的空位，它们能够像电子一样在半导体中流动。
电子空穴的运动器件本身不带电，但由于其本身的缺失，它具有带正电的特性，两者之间可以通过空穴洞传导机制完成能量和电荷的传递。
三、p型半导体和n型半导体p型半导体经过杂质掺杂处理，使其内部多出一些空穴，就成为了p型半导体。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
J = nqμ E = nqvd
在某一个电场强度 区域，电流密度随电场 强度的增大而减小。
负的微分电导（negetive differential conductance）。 NDC
3 Gunn effect (耿氏效应) 实验现象：
ε0
阈电场（threshold field）
对于GaAs： ε 0
电子 空穴
电场:
ε
v
若比例系数为 μ 则: v vd v ------迁移率 vd = με ∴ μ =
ε
单位电场下， 载流子的平均 漂移速度
2 Mobility（迁移率） 定性分析：迁移率的大小反映了载流子迁移的难易程度。
载流子的有效质量 m ∗ ↑⇒ μ ↓, 载流子的平均自由时间 τ ↑⇒ μ ↑
n1
μ 2 =100cm / V ⋅ s
2
n2
2 Negetive differential conductance(负微分电导)
n1μ1 + n2 μ 2 μ= n1 + n2
1 电场很低 2 电场增强 3 电场很强
n2 ≈ 0
n1 ↓
n1 ≈ 0
n ≈ n1
n2 ↑
n = n1 + n2
n ≈ n2可以证明：μ =qτ m∗
μn μp
qτ n = ∗ mn qτ p = m∗ p
3 影响迁移率的因素
qτ n μn = ∗ mn
μp =
qτ p m
∗ p
不同材料，载流子的有效质量不同；但材料一定，有效质 量则确定。 对于一定的材料，迁移率由平均自由时间决定。也就是 由载流子被散射的情况来决定的。
μ： T *中温
晶格振动散射
μ
ρ ρ
n（全电离）： n=ND 饱和 μ： T *高温 n（本征激发开始）：T n ρ 晶格振动散射 μ ρ
ρ
例题
例. 室温下,本征锗的电阻率为47Ω·㎝，(1)试求本征载流子浓 度。(2)若掺入锑杂质，使每106个锗中有一个杂质原子，计算室 温下电子浓度和空穴浓度。（3）计算该半导体材料的电阻率。 设杂质全部电离。锗原子浓度为4.4×/㎝3,μn=3600/V·s且不随掺 杂而变化. 解:
平均漂移速度变得随电场增加较缓慢
* 平均自由时间与载流子运动速度有关
v 载流子
vd vT
载流子平均漂移速度 载流子平均热运动速度
v=
无电场时： 低电场时：
l
τ
⇒τ =
l v
平均自由时间与电场无关 平均自由时间与电场基本 无关
v = vT vd << v
T
强电场时：
vd ≈ v
T
平均自由时间由两者共同 决定。
Chapter 4
Carrier Transport (载流子输运)
4.1.载流子的漂移（drift）运动
1 drift (漂移)
半导体中的载流子在外场的作用下，作定向运动---漂移运动。 相应的运动速度---漂移速度 。漂移运动引起的电流---漂移电流。
v 漂移速度: vd
v vd ∝ ε
v vn v vp
PI ∝ N I T
总的散射几率：
−3 2
其中：NI=ND+NA
P=PS+PO+PI+ ---总的迁移率：
1
μ
=
1
μS
+
1
μO
+
1
μI
+L
电离杂质的散射： 主要散 射机制
T ↑→ v载 ↑→ 越易掠过杂质中心 → τ i ↑
晶格振动的散射：
T ↑→ 晶格振动 ↑→ 晶格散射 ↑→ τ 格 ↓
4 迁移率与杂质浓度和温度的关系
≈ 3kV / cm
样品厚度 L = 25 × 10 −3 cm 时
振荡频率 ν ≈ 5GHz
4.3 非平衡载流子的扩散（Diffusion）运动
（1）扩散运动与扩散电流（diffusion current） 考察n型半导体的非少子扩散运动 沿x方向的浓度梯度 空穴的扩散流密度
（单位时间通过单位 截面积的空穴数）
电场不太强时： v
vd = με
∴μ =
v vd
ε
v vd ≠ με
μ与电场无关，欧姆定律成立。 电场强到一定程度（103 V/cm）后：
μ与电场有关，欧姆定律不成立。 平均漂移速度随外电场的增加而加快的速度变得 比较慢。 电场很强时： 平均漂移速度趋于饱和 饱和漂移速度/极限漂移速度。
解释： * 载流子与晶格振动散射交换能量过程 * 平均自由时间与载流子运动速度有关
其中 LP = D pτ p
若样品足够厚，
−
x Lp
+ Be
x Lp
称作扩散长度
x→∞
有Δp( x ) → 0
∴B = 0
又 x = 0 时, Δp( x ) = (Δp )0
最后得 Δp( x ) = (Δp )0 e
1 注意到 Δp (L p ) = (Δp )0 e
x − Lp
表明在稳定光照下，某 一时刻非平衡载流子浓 度随位置x的变化规律是 按指数规律衰减。
dΔp dx dΔp S p (x ) ∝ dx dΔp S p (x ) = − D p dx
S p (x )
→
dΔp( x ) → − dx Dp---空穴扩散系数（ hole diffusion coefficients）
S p ( x ) − S p ( x + Δx )
---单位时间在小体积Δx·1中积累的空穴数
(1)迁移率~杂质浓度
轻掺杂时 非轻掺杂时
电离杂质散射可忽略 杂质浓度 电离杂质散射 迁移率
（2）迁移率与温度的关系
轻掺：忽略电离杂质散射 T 晶格振动散射
μ
非轻掺： 低温： 电离杂质散射为主
T
电离杂质散射
μ
高温： 晶格振动散射为主 T 晶格振动散射 μ
5 载流子的迁移率与电导率的关系(Mobility~Conductivity) （1）殴姆定律的微分形式
l ε ↑⇒ vd ↑⇒ τ = ↓⇒ μ ↓ vd + v L
极强电场时： 与光学波声子散射 载流子从电场获得的能量大部分又消失,故平均漂 移速度可以达到饱和。
v
4.3 Intervalley Carrier Transfer （能谷间的载流子转移）
1 Intervalley Scattering ( 能谷间散射）
v v v dΔn( x ) v J n = J n漂 + J n扩 = qnμ nε + qDn dx v v v dΔp( x ) v J p = J p漂 + J p扩 = qpμ pε − qD p dx
v v v J总 = J n + J p
（3） Einstein Relationship（爱因斯坦关系） 载流子的扩散与迁移均受散射影响，散射越厉害，迁 移、扩散越困难，可以证明，
1 μ Q = niq( n +μp ) ρ 1 ni = ρq( n +μp ) μ 1 ∴ = −19 47 ×1.6 ×10 × (3600 + 1700) = 2.5 ×1013 1/cm3
(
)
(2) ∴
N D = 4.4 × 10 22 ×10 −6 = 4.4 ×1016 1 / cm3 n0 = N D = 4.4 ×10 1 / cm
D
k0T = μ q
v v v J n漂 = σε = qn（x）μ nε 0
ε
ε
显然
n型 半导体 σ = nqμ n p型 半导体 σ = pqμ p 混合型 半导体 σ = nqμ n + pqμ p 本征半导体 则 n = p = ni
σ = ni q(μ n + μ p )
Ez
电导迁移率
μc
电导有效质量
mc
6 电阻率与掺杂、温度的关系
1 ρ= = σ nqμ n + pqμ p
dQ = nqvn dt ⋅ ds
dQ = nqvn , J n = nqvn dt ⋅ dS
v v 那么, J n = − nqvn
v v J p = pqv p
显然
v v v J总 = J n + J p
（3）电导率与迁移率的关系
∴
v v v v J = σε = − nqvn + pqv p v v vp − vn σ = nq v + pq v = nqμ n + pqμ p
物理机制： 从能带结构分析
n2 n1
*Central valley *Satellite valley
谷2（卫星谷）：E-k曲线曲率小
m∗
μ
μ 2 < μ1
卫星能谷中电子的漂移远比中心能谷中电子的漂移慢.
m1∗ = 0.072m0 中心谷：
卫星谷： m∗ = 0.36m0 2
μ1 = 5 ×103 cm 2 / V ⋅ s
能带边缘非周期性起伏
（1）晶格振动散射 声学波声子散射几率：
Ps ∝ T
32
光学波声子散射几率：
32
(hv) Po ∝ 12 (k0T )
⎤ ⎡ 1 1 ⎢ hv1 ⎥ ~ hv ⎥ ⎛ hv ⎞ ⎢ k0T k0T ⎟ e −1 ⎣ e − 1⎦ f ⎜ ⎜k T ⎟ ⎝ 0 ⎠
（2）电离杂质散射 电离杂质散射几率：
（2）总电流密度
−
x Ln
Dn = −q Δn( x ) Ln
在光照和外场同时存在的情况下，非平衡载流子不仅做扩 散运动，而且对漂移运动也有贡献。