硅、锗、砷化镓的能带结构

半导体晶体类型

半导体晶体类型半导体是一种电阻率介于导体和绝缘体之间的材料，其中电子的能隙小于导体，但大于绝缘体。

半导体的导电性能受温度、杂质等多种因素影响，因此可以通过控制这些因素来实现半导体材料的性能调控和应用。

半导体材料的晶体结构不同，可以分为以下几种类型。

1. 硅晶体硅晶体是最常见的半导体材料，其结构为面心立方格子结构。

硅晶体的晶格常数为5.43Å，其中每个原子有四个共价键，形成四面体结构。

硅晶体的导电性能随温度升高而增强，但是当温度过高时，硅晶体会失去半导体特性，成为导体。

硅晶体在电子学领域应用广泛，例如制作集成电路、太阳能电池等。

2. 锗晶体类似于硅晶体，锗晶体的结构也是面心立方格子结构，但是其晶格常数为5.66Å，每个原子有四个共价键，形成类似于四面体的结构。

锗晶体的导电性能也随温度升高而增强，但是其导电度比硅晶体低。

锗晶体在电子学领域的应用相对较少，主要用于制作红外光电器件等。

3. 碲化镉晶体碲化镉晶体的结构为六角最密堆积结构，其中每个镉原子都被六个碲原子包围，每个碲原子都被三个镉原子包围。

碲化镉晶体的导电性能比硅晶体和锗晶体好，其电阻率约为10-3 Ω·cm。

碲化镉晶体在红外光电领域应用广泛，例如制作红外探测器、激光器等。

4. 氮化硅晶体氮化硅晶体的结构为六角最密堆积结构，其中硅原子和氮原子交替排列。

氮化硅晶体的导电性能比硅晶体和锗晶体好，其电阻率约为10-2 Ω·cm，且具有优良的热稳定性。

氮化硅晶体在电子学领域应用广泛，例如制作高功率电子器件、蓝色LED等。

5. 砷化镓晶体砷化镓晶体的结构为锌切面结构，其中镓原子和砷原子交替排列。

砷化镓晶体的导电性能比氮化硅晶体更好，其电阻率约为10-6 Ω·cm，具有高移动率和快速响应特性。

砷化镓晶体在光电领域应用广泛，例如制作高速光电器件、半导体激光器等。

半导体材料的晶体类型不同，其性能和应用也各有特点。

常用半导体的能带结构

半导体物理 Semiconductor Physics
谢谢！

Eg
(0)

T
T
2

半导体物理 Semiconductor Physics
uctor Physics
具有闪锌矿型结构的硫化锌、硒化锌、碲化锌导带极小值和价带极大值均位于k=0处，价带也包含重空穴带、轻空穴带和自旋-轨道耦合分裂出来的第三个能带。禁带宽度较宽，分别为 3.6eV、2.58eV、2.28eV。
例如，砷化镓和磷化镓，其化学分子式可以写成GaAs1xPx(0≤x ≤1),x称为混晶比。
混合物的结构性质随组分x的不同而不同
近年来，人们更进一步制成四元化合物
人们已利用混合晶体的禁带宽度随组分的变化的特性制备发光或激光器件。
半导体物理 Semiconductor Physics
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。
重空穴带和轻空穴带在k=0附近的E-k关系可表示为
E

EV

h2 2m0
{Ak 2
[B2k 4

C
2
(kx2k
2 y

k
k2 2
yz
1

常用的半导体单晶材料

常用的半导体单晶材料
半导体材料是现代电子科技的基础。

常用的半导体单晶材料包括硅、锗、砷化镓、硒化铟、氮化镓等。

以下是我对各种材料的介绍和应用。

1. 硅
硅是最常见的半导体材料。

其结晶格子具有优异的周期性，加之有很
多方法可以获得高纯度的硅单晶。

硅的禁带宽度约为1.1电子伏特，
可以导电也可以不导电。

在电子元器件中，硅是最重要的原料之一。

从集成电路到太阳能电池，硅都扮演着重要的角色。

2. 锗
锗是另一种常见的半导体材料，相较于硅，其导电性和光学性质较为
优越，可用于制作红外探测器等器件。

然而，由于热力学上的限制，
用锗制作高灵敏度元件的难度相对较高。

3. 砷化镓
砷化镓是一种优秀的半导体材料，拥有很宽的带隙（1.43电子伏特），以及良好的电学和光学特性。

它被广泛应用于微波电子学、激光器和LED等器件的制造。

4. 硒化铟
硒化铟也是一种重要的半导体材料。

虽然其带隙只有0.25电子伏特，但其好的电学性能和红外光学性能使得它在红外目标识别、近红外发光器和高速光通信等领域发挥了重要作用。

5. 氮化镓
氮化镓是最近发展起来的一种半导体材料，由于其具有高硬度、高热导率、高抗氧化性、高光学透明性等特性，被广泛应用于高功率电子器件的制造，如蓝光激光器、高频高功率晶体管等。

总之，以上提到的半导体材料都是现代电子技术不可或缺的原材料，它们在电子学、光学、材料科学等方面发挥重要的作用。

未来，随着科技的发展，半导体材料的种类和应用也将随之增加和扩展。

砷化镓材料物理特性及应用

砷化镓物理特性及应用院系：可再生能源学院专业：新能源材料与器件班级：能材1201班**: ***学号：**********2015年1月摘要：文章从砷化镓材料的结构，物理特性以及应用方面，对砷化镓材料进行了简单的介绍和了解。

Ⅲ-Ⅴ族半导体砷化镓具有禁带宽度大且为直接带隙、本征载流子浓度低，而且具有半绝缘性能，其具有耐热、耐辐射及对磁场敏感等特性，制造的器件也具有特殊用途和多样性,应用已经延伸到硅、锗器件所不能达到的领域，是用途广泛，非常重要的一种半导体材料。

关键词：砷化镓直接带隙结构Ⅲ-Ⅴ族半导体半绝缘砷化镓一．引言化合物半导体材料砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）是微电子和光电子的基础材料，而砷化镓则是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材料，也是目前研究得最成熟、生产量最大的化合物半导体材料。

由于砷化镓具有电子迁移率高（是硅的5~6倍）、禁带宽度大（它为1.43eV，Si为1.1eV）且为直接带隙，容易制成半绝缘材料（电阻率107~109Ωcm）、本征载流子浓度低、光电特性好。

用砷化镓材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度高，能满足集成光电子的需要。

它是目前最重要的光电子材料，也是继硅材料之后最重要的微电子材料，它适合于制造高频、高速的器件和电路。

此外, GaAs材料还具有耐热、耐辐射及对磁场敏感等特性。

所以,用该材料制造的器件也具有特殊用途和多样性,其应用已延伸到硅、锗器件所不能达到的领域。

即使在1998年世界半导体产业不景气的状况下, GaAs材料器件的销售市场仍然看好[1]。

当然, GaAs材料也存在一些不利因素,如:材料熔点蒸气压高、组分难控制、单晶生长速度慢、材料机械强度弱、完整性差及价格昂贵等,这都大大影响了其应用程度。

然而, GaAs材料所具有的独特性能及其在军事、民用和产业等领域的广泛用途,都极大地引起各国的高度重视,并投入大量资金进行开发和研究。

二．材料的结构2.1砷化镓的晶体结构砷化镓晶格是由两个面心立方(fcc)的子晶格(格点上分别是砷和镓的两个子晶格)沿空间体对角线位移1/4套构而成。

半导体材料的分类_及其各自的性能

其中晶态半导体又可以分为单晶半导体和多晶半导体。

上述材料中，锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)都是单晶，是由均一的晶粒有序堆积组成；而多晶则是由很多小晶粒杂乱地堆积而成。

对于非晶态半导体，有非晶态硅、非晶态锗等，它们没有规则的外形，也没有固定熔点，内部结构不存在长程有序，只是在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列，称作短程有序。

另外，在实际应用中，根据半导体材料中是否含有杂质，又可以将半导体材料分为本征半导体和杂质半导体。

在下面的章节中将会介绍，杂质的存在将对材料的性能产生很大的影响。

二. 半导体材料的结构及其性能1.几种半导体材料的结构1.1金刚石结构型材料Si、Ge等Ⅳ族元素有4个未配对的价电子，每个原子只能与周围4个原子共价键合，使每个原子的最外层都成为8个电子的闭合壳层，因此共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是 4。

方向性是指原子间形成共价键时，电子云的重叠在空间一定方向上具有最高密度，这个方向就是共价键方向。

共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角为109°28′，这种正四面体称为共价四面体，见图 1.2。

图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条线的方向表示共价键方向。

共价四面体中如果把原子粗略看成圆球并且最近邻的原子彼此相切，圆球半径就称为共价四面体半径。

单纯依靠图1.2那样的一个四面体还不能表示出各个四面体之间的相互关系，为充分展示共价晶体的结构特点，图1.3(a)画出了由四个共价四面体所组成的一个Si、Ge晶体结构的晶胞，统称为金刚石结构晶胞，整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成。

它是一个正立方体，立方体的八个顶角和六个面心各有一个原子，内部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一个原子，金刚石结构晶胞中共有8个原子。

金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互平移 1/4 对角线长度套构而成的。

半导体物理知识点总结

半导体物理知识点总结5、半导体中电子的准动量：经典意义上的动量是惯性质量与速度的乘积，即v。

根据教材式（1-1）和式（1-10），对于自由电子v＝hk，这是自由电子的真实动量，而在半导体中hk＝v；有效质量与惯性质量有质的区别，前者隐含了晶格势场的作用（虽然有质量的量纲）。

因为v与v具有相同的形式，因此称v为准动量。

6、本征激发：共价键上的电子激发成为准自由电子，亦即价带电子吸收能量被激发到导带成为导带电子的过程，称为本征激发。

这一概念今后经常用到。

7、载流子：晶体中荷载电流（或传导电流）的粒子。

金属中为电子，半导体中有两种载流子即电子和空穴，而影响半导体导电性的主要是导带电子和价带空穴。

8、回旋共振实验：目的是测量电子的有效质量，以便采用理论与实验相结合的方法推出半导体的能带结构。

为能观测出明显的共振吸收峰，就要求样品纯度要高，而且实验一般在低温下进行，交变电磁场的频率在微波甚至在红外光的范围。

实验中常是固定交变电磁场的频率，改变磁感应强度以观测吸收现象。

磁感应强度约为零点几T。

等能面的形状与有效质量密切相关，对于球形等能面，有效质量各向同性，即只有一个有效质量；对于椭球等能面，有效质量各向异性，即在不同的波矢方向对应不同的有效质量。

9、横向有效质量沿椭球短轴方向，纵向有效质量沿椭球长轴方向。

10、直接带隙半导体是指导带极小值与价带极大值对应同一波矢；间接带隙半导体是指导带极小值与价带极大值对应不同的波矢。

本章要求掌握的内容及考点：——本章要求熟练掌握基本的物理原理和概念——考题主要涉及填空、名词解释和简答题（物理过程的解释）1、以上基本概念和名词术语的解释。

2、熟悉金刚石型结构与闪锌矿型结构晶胞原子的空间立体分布及硅、锗、砷化镓晶体结构特点，晶格常数，原子密度数量级（1022个原子/立方厘米）。

3、掌握能带形成的原因及电子共有化运动的特点；掌握实际半导体的能带的特点。

4、掌握有效质量的意义及计算公式，速度的计算方法，正确理解半导体中电子的加速度与外力及有效质量的关系，正确理解准动量及其计算方法，准动量的变化量应为。

III—V族化合物半导体的能带结构解析

砷化镓和磷化镓合成后可以制成磷砷化镓混合晶体，形成三元化合物半导体，其化学分子式可写成x称为混晶比。
能带结构随组分x的不同而不同: 实验发现，当0≤x≤0.53时，其能带结构与砷化镓类似; 当 0.53≤x≤1时，其能带结构成磷化镓。
除了三元化合物外，人们更进一步制成由III-V族化合物构成的四元化合物混合晶体。例如，在磷化铟衬底上可制备出四元化合物，在GaAs衬底上制备出四元化合物，图1-28和1-29分别为和的禁带宽度和晶格常数随组分x、y的变化关系(Ga1-xInxAs1-yPy) 。
L能量比布里渊区中心极小值高出0.29eV。
砷化镓价带也具有一个重空穴带 V1，一个轻空穴带V2和由于自旋-轨道耦合分裂出来的第三个能带V3，重空穴带极大值也稍许偏离布里渊区中心。
重空穴有效质量为0.45m0，轻空穴有效质量为0.082m0，第三个能带裂距为0.34eV。
室温下禁带宽度为1.变化，
实线为等禁带宽度线，虚线为等晶格常数线，图中阴影部分表示在该组分内材料属于间接带隙半导体。
间接带隙半导体:导带和价带的极值处于不同的k空间，跳跃是间接的。
间接跳跃过程除了发射光子还有声子。
问题：硅，锗，砷化镓是什么类型的半导体？
人们已利用混合晶体的禁带宽度随组分变化的特性制备发光
或激光器件。
光二极管(LED)，当x=0.38~0.40时，室温下禁带宽度在 1.84~1.94eV范围，其能带结构类似砷化镓，当导带电子与价带空穴复合时可以发出波长在6400~6800A范围内的红光。
调节的x、y部分，以研制1.3~1.6μm红外光的所谓长波长激光器是当前很活跃的研究领域。
什么是发光二极管（LED: light-emitting diode）

关于半导体材料硅和砷化镓的钎焊

关于半导体材料硅和砷化镓的钎焊半导体材料种类繁多，但除硅与砷化镓外，工业上利用钎焊技术进行链接的并不多。

再者，半导体材料的特性与所含杂质的成分和数量有关。

两种材料之间必须保证是欧姆接触。

为了保证材料的性质不变，在钎焊过程中，钎焊温度必须低于母材的最高工作温度。

钎焊方法分两种：一种为普通软钎焊，即用钎料片放置于半导体材料和管壳或引线之间进行钎焊；另一种为共晶钎焊，即在半导体材料上覆盖多层金属膜，升温过程中金属膜之间互相扩散成共晶成分，当温度达到共晶熔化温度时，金属膜融化使半导体材料与管壳等连到一起。

半导体材料的钎焊一般都在保护气氛中进行。

钎焊温度通常不超过450℃。

半导体材料是电阻率介于导体（主要是金属）和非导体（电介质）之间的一类物质。

它们的点阻力介于10-4~109Ω·cm之间。

半导体材料的应用特性极大地依赖于其中所含的微量杂质。

若半导体材料中的杂质含量从10-9变到10-2，则它的电导率会变化数百万倍。

半导体材料的另一个特征是，它传导电流时不仅依靠电荷——电子，而且依靠在数量上与电子相等的正电荷——空穴。

电子导电性称为n型导电性，空穴导电性称为p型导电性。

具有半导体性质的材料种类繁多，按化学成分可分成六类。

1.元素半导体材料。

元素半导体材料有硼（B）、碳（C）、硅（Si）、锗（Ge）、锡（Sn）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、硫（S）、硒（Se）、碲（Te）和碘（I）等十二种元素。

硅、锗、硒是常用元素半导体材料。

硒是最早使用的元素半导体材料，主要用于制造硒整流器，硒光电池和静电复印半导体。

锗是一种稀有元素，是工业上最先实用化的半导体材料，由于在地壳中含量极少，大约为百万分之二，而且极为分散，因此料源十分贫乏。

锗的禁带宽度（0.67eV）比硅的宽度（1.08eV）小，因而锗器件的最高工作温度（≈100℃）较硅器件（≈250℃）低；锗的电阻率范围较硅小三个数量级；用于制造器件的品种少，不宜制作高反向耐压的大功率器件。

半导体物理课件硅和锗的能带结构

• 象Si,Ge半导体能带，其导带底与价带顶位于空间不同点，具这种类型的半导体为间接带隙半导体(间接禁带半导体)。
• 间接带隙半导体与直接带隙半导体在发光和光吸收方面有着很大的不同。理论上可以证明，电子吸收光子自价带状态跃进到导带状态时，除了必须满足能量守恒外，还必须符合准动量守恒的选样定则。
8
碲化镉的能带
Eg极小且为负值室温下， Eg ~ －0.15 eV
半金属或零带隙材料
8
碲化汞的能带
混合晶体的能带结构
半导体＋半金属，如 Hg1-xCdxTe 的能带结构由半金属向半导体过渡
Hg1-xCdxTe能带随 x 变化示意图
x0.14 x~0.14 x~0.2
远红外探测器
Hg1-xCdxTe的 Eg 随 x 的变化
激光器件 Ga1-xInxP1-yAsy 长波长激光器调节 x、y 组分可获得1.3~1.6m 红外光
2. II－VI族化合物半导体的能带结构
二元化合物的能带结构 ➢导带极小值和价带极大值位于 k=0 ➢价带包含三个能带：重空穴带V1
轻空穴带V2 能带V3（L-S耦合） ➢ 禁带宽度较宽
室温下， Eg ~ 1.50 eV
• 这样，由于光子动量很小，对于间接带隙的半导体，必须在吸收光子的同时，伴随有吸收或发射一个声子，以满足准动量守恒。
• 于是，与直接带隙相比，间接带隙半导体的光吸收或发射是一个二级过程，发生的几率要小得多。
当AC，BC两种晶体，一个是直接带隙另一个是间接带隙材料时，在组分配比x 由0 1的过程中将发生一个由直接带隙向间接带隙过渡的过程，或者是相反的过程。
以GaAs/GaP 混晶为例，
• 在x<0.45时为类GaAs 的直接带隙， • 在x>0.45时为类GaP 的间接带隙。

半导体物理学简明教程 (2)[111页]

《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
40
2.4.2 能带图及其画法
图2.7在简约区能带图的右边画出了使用方便的简化能带图，其纵坐标为电子能量，横坐标通常是没有意义的。这种表示方法简单，直观性强，是经常使用的一种能带图。例如在讨论半导体表面问题和半导体接触现象时，用的都是这种图，并使横坐标也有明确的含义。图中Eg 表示两个能带之间的带隙宽度即禁带宽度。
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
38
2.4.2 能带图及其画法
（2）重复区形式：把每一个能带都按照式 (2.4-3)周期性地重复，在每一个布里渊区中表示出所有的能带。这时E是k的多值函数。
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
39
2.4.2 能带图及其画法
（3）简约区形式：在第一布里渊区中表示出所有能带。这时E是k的多值函数，与每个k值对应的不同能量属于不同的能带，如图2.6所示。在用图形表示晶体的能带结构时经常使用的就是这种形式。
V (r + Rm ) = V (r )
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
3
2.1 周期性势场
上图给出一维周期性势场的示意图。周期性势场可以看做是各个孤立原子的势场的叠加。V1, V2, V3, …分别代表原子1, 2, 3, …的势场，V代表叠加后的晶体势场。
《半导体物理学简明教程》孟庆巨等编著.电子工业出版社
11
波矢量k和波矢量 k’= k+Kn标志的两个状态
( n1, n2, n3为任意整数) 为倒格矢。晶格平移矢量 Rm 和倒格矢 Kn 之间满足如下关系 K n Rm 2 ( μ为任意整数) (1.3-5) 所以 iK n Rm (2.2-6) e 1 式(2.2-6)即为式(1.3-4)。利用式(2.2-6)，有

半导体物理硅、锗、砷化镓的能带结构

二、固溶体的基本性质固溶体的物理性质一般会连续地随组份比的变化而变化
1．晶格常数服从Vegard关系： aAB xaB (1 x)aA
aABC xaA yaB (1 x y)aC
InSb 0.64
晶格常数 a （nm）
0.62 AlSb InAs 0.60
InP 0.58
GaAs 0.56
x
EgXx 1.115 0.43x 0.206x2 eV 0 x 0.85
EgL x 2.01 1.27 x
eV
0.85 x 1
3) GeSi固溶体的赝晶生长 GeSi固溶体的晶格常数随着Ge组分的升高而增大，如果以硅片为衬底生长GeSi固溶体薄膜，在Ge组分较高时出现严重晶格失配，生成高密度失配缺陷。
组份比 x
2、固溶体的禁带宽度 • 固溶体的能带结构随其组分的变化而变化，每个导带极小
值与价带顶之间的距离都随组分的变化而变化
Eg,AB xEg,A (1 x)Eg,B Eg,ABC xEg,A yEg,B (1 x y)Eg,C
Eg a bx cx2
固溶体
Eg (eV)
固溶体
AlxIn1-xP
1.351+2.23x
AlxGa1-xAs
AlxIn1-xAs 0.36+2.012x+0.698x2 AlxGa1-xSb
AlxIn1-xSb 0.172+1.621x+0.43x2 GaxIn1-xP
GaxIn1-xAs
0.36+1.064x
GaxIn1-xSb
Eg (eV)
1.424+1.247x; 1.424+1.455x
ax 0.5431 0.01992x 0.002733x2 nm

半导体物理知识点总结汇总

m
*概括了半导体内部的势场作用。有效质量与能量函数对于k的二次
E（k）随k的变化情况不同，能带越窄，二次微
、半导体中电子的准动量*
mv＝hk。
、满带中的电子不导电：电子可以在晶体中作共有化运动，但是，这些电子能否导电，还
、空穴的概念：在牛顿第二定律中要求有效质量为正值，但价带顶电子的有效质量为负值。
v（k）运动时所产生的电流。因此，通常把价带中空着的状态看成是带正电
称为空穴。引进这样一个假象的粒子――空穴后，便可以很简便地描述价带（未
、回旋共振原理及条件。
、对E（k）表达式和回旋共振实验有效质量表达式的处理。在k空间合理的选取坐标系，
E为能量零点，以sk0为坐标原点，取1k、2k、3k为三个
1dkdE，注意v可以是正值，也可以是负值，这
、引入电子有效质量后，半导体中电子所受的外力与加速度的关系具有牛顿第二定律的形
a＝f/*
m。可见是以有效质量*nm代换了电子惯性质量0m。、有效质Βιβλιοθήκη 的意义：在经典牛顿第二定律中a=f/m
,式中f是外合力，
m是惯性质量。但
m
*，而不
m。这是因为外力f并不是电子受力的总和，半导体中的电子即使
、回旋共振实验：目的是测量电子的有效质量，以便采用理论与实验相结合的方法推出半
T。等能面的形
、横向有效质量沿椭球短轴方向，纵向有效质量沿椭球长轴方向。
、直接带隙半导体是指导带极小值与价带极大值对应同一波矢；间接带隙半导体是指导带
——本章要求熟练掌握基本的物理原理和概念——
、以上基本概念和名词术语的解释。
核心知识单元A：半导体电子状态与能
半导体中的电子状态（第1章）

半导体物理分章答案第四章

可忽略
可忽略
占主导
非本征区
本征区
低温区
0 K
4.6 强电场下的效应热载流子 Effect at Large Field, Hot Carrier
学习重点：
强电场下欧姆定律发生偏离的原因
1、欧姆定率的偏离与强电场效应
N型锗样品电流与电场强度的关系
光学波散射：
正负离子的振动位移会产生附加势场，因此化合物半导体中光学波散射较强。例如：GaAs 对于元素半导体，只是在高温条件下才考虑光学波散射的作用。例如：Ge、Si 离子晶体中光学波对载流子的散射几率
4.3 迁移率与杂质浓度和温度的关系
当几种散射机构同时存在时
2
平均自由时间τ和散射几率P的关系
晶格振动表现为格波
1
N个原胞组成的晶体→格波波矢有N个。格波的总数等于原子自由度总数
2
一个格波波矢q 对应3(n-1)支光学波+3支声学波。
3
光学波=N (n-1)个纵波+2 N (n-1)个横波
4
声学波=N个纵波+2N个横波
5
晶格振动散射可理解为载流子与声子的碰撞，遵循两大守恒法则
6
准动量守恒
7
1、迁移率( Mobility ) 2、散射机制(Scattering mechanisms) 3、迁移率、电阻率与温度的关系
第四章半导体的导电性 Electrical conduction of Semiconductors
202X
重点：
漂移运动迁移率电导率
学习重点：
202X
§4.1 载流子的漂移运动迁移率 The drift motion of carrier, mobility

哈尔滨工业大学半导体物理真题荟萃

十二、五、以p型硅MOS结构为例，画出可能测得的高频和低频C-V特性曲线，说明如何确定平带电压（15分）；若SiO2层中存在Na+离子，曲线将如何变化？如何通过实验确定其面密度（15分）？
十三、解释下列名词或概念：（30分）
1、异质结6、杂质电离能
2、间接带隙式半导体7、光电导
3、载流子散射8、空穴
三．简述半导体的散射机制。
四．以下p型和mos结构为例,说明的能测得的c-v特性曲线,如果有Na+影响又如何?如何测定平带电压以及如何用实验的方法求出SiO2层中Na+密度。
五．连续性方程。（《半导体物理》刘秉升课本例题）
二．简述杂质在半导体中的作用。
三．在一维情况下，以p型非均匀掺杂半导体为例，推出爱因斯坦关系式。
五、如图所示，有一均匀掺杂的ｐ型半导体（非高阻材料），在稳定光照下，体内均匀地产生非平衡载流子，且满足小注入条件，产生率为gｎ，半导体内部均匀掺有浓度为Nt的金，电子俘获系数为rn。仅在一面上存在表面复合，表面复合速度为Sｎ，载流子的扩散系数为Dｎ，试确定非平衡载流子的分布。
五、解释下列名词或概念（30分）：
1．布里渊区6.高度补偿半导体
2.光生伏特效应7.状态密度
3.本征吸收8.消光系数
4.间接带隙式半导体9.表面复合率
5.准费密能级10.光电导增益
二、分别论述深能级和浅能级杂质对半导体的影响(30分)。
三、在一维情况下，以p型非均匀掺杂半导体为例，推出空穴的爱因斯坦关系式（30分）
四、画出理想p-n结和硅p-n结的电流电压曲线（15分），并根据曲线的差异简述硅p-n结电流电压曲线偏离理想p-n结主要因素（15分）
哈尔滨工业大学半导体物理真题荟萃

湖南大学半导体物理考试重点(全)

半导体物理第一章半导体中的电子状态单电子近似：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1.大量的硅、锗原子组合成晶体靠的是共价键结合，他们的晶体结构与碳原子组成的一种金刚石晶格都属于金刚石型结构。

2.闪锌矿型结构（见课本8页）1.2半导体中电子的状态和能带1.Φ(r,t)=Ae i(k.r−wt) k为平面波的波数2.k=|k|=2л/λ波的传播方向为与波面法线平行3.在晶体中波函数的强度也随晶格周期性变化，所以在晶格中各点找到该电子的概率也具有周期性变化的性质。

这反映了电子不再完全局限在某一个原子上，而是可以从晶胞中某一点自由运动到其他晶胞内的对应点，因而电子可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子在晶体内的公有化运动。

1.3半导体中的电子的运动有效质量1.导带低电子的有效能量1h2(d2Edk2)k=0=1m n∗2.引进有效质量的意义在于它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中的电子外力作用下的运动规律时，可以不涉及半导体内部势场的作用。

3.能量带越窄二次微商越小，有效质量越大。

内层电子的能量带越窄，有效质量大；外层电子的能量带宽，有效质量小。

1.4本征半导体的到点机构空穴1.可以认为这个空状态带有正电。

2.正电荷为空状态所有，它带的电荷是+q。

3.空穴：通常把价带中空着的状态看成是带正电的粒子，称为空穴。

.空穴不仅带有正电荷+q，而且还具有正的有效质量。

4引进空穴概念后，就可以把价带中大量电子对电流的贡献用少量的空穴表达出来。

半导体中除了导电带上电子导体作用外，价带中还有空穴的导电作用，这就是本征半导体的导电机构。

1.6 硅和锗的能带结构硅和锗的禁带宽度是随温度变化的，在T=0K时，硅和锗的禁带宽度E g分别趋近于1.70eV和0.7437eV.随着温度的升高，E g按如下规律减小E g（T）=E g（0）- -aT2T+β,式中E g（T）和E g（0）分别表示温度为T和0K时的禁带宽度，a,β为温度系数。

半导体物理

在外力作用下电子状态的变化
•
1:波矢量为k的自由电子:
V=
1 h

E
k
,
• 2:晶体中电子
P=hK
一维情况下:

k(x,t)=exp[i(kx-
E h
t)]u (x) k
由波矢量在K附近的布洛赫波组成的波包可由下面的积分表示
= (x,t)
k0 kexp
k0 k
i(kx
E h
• b:能带的形成：将分裂成具有不同能量的一些能级组成的带，称为能带。原子之间的距离愈小它们之间的相互作用愈强，能带的宽度也愈大。(图3.2)
• 原子能级和能带之间并不一定都存在一一对应的关系。当共有化运动很强时，能带可能很宽而发生能带见的重叠，碳原子组成的金刚石就是属于这种情况。(图3.3)
∣Ψ(x) ∣2几率密度 ∣Ψ(x+na) ∣2=∣exp(ikna)Ψ(x) ∣2 =∣Ψ(x) ∣
电子在个原胞对应点出现的几率相同
k:波矢量量子数
1.自由电子:p=hk 晶体电子:准动量
2.k的取值范围
自由电子:遍及整个k空间
晶体电子:第一布里渊区
k : Ψ(x+na)= exp(ikna)Ψ(x)
v
上式表明，当价带中有一个波矢量为k的状态空着时，价带中实际存在的那些电子所引起的电流密度j，可用一个假想的粒子----空穴代替。空穴携带正电荷（+e）,以速度v(k)运动。
则：
1 v(k)= h k E(k)
• 空穴的加速度和有效质量
空穴在布里渊区中改变状态的速度，与空状态上有电子存在时，这
du1 ∣ = du2 ∣
dx
xa

光电子(1,2章)复习题(1)

光电器件基础·期末复习指导第一章半导体光学基础知识[基本概念]1.光电子技术:光子技术和电子技术相结合而形成的一门技术。

2.光的波粒二象性：某物质同时具备波的特质及粒子的特质。

3.直接带隙半导体:导带底和价带顶在k 空间同一点的半导体4.间接带隙半导体:导带底和价带顶不在k 空间同一点的半导体5.内建电场:半导体pn结界面处两侧的离子带电类型不同，使得空间电荷层中存在着从n 型区一侧指向p 型区一侧的电场6.半导体异质结构：专指不同单晶半导体之间的晶体界面。

[基本理论]1.光的电磁波谱众所周知，光是一种电磁波。

如图1.5 所示，从无线电波到γ射线的整个电磁波谱中，光辐射只是从波长1 nm ~ 1 mm（频率为3×1011 Hz ~ 3×1017 Hz）范围内的电磁辐射，它包括真空紫外线、紫外线、可见光、红外辐射等部分。

可见光是波长为380 nm ~ 780 nm 的光辐射，这一波段范围内的电磁波被人眼所感知。

图1.5 光的电磁波谱2.pn 结的伏安特性pn 结加正向偏压时，通过pn 结的电流主要为扩散电流，电流随电压成指数增加；加负向偏压时，扩散运动受到严重抑制，通过pn 结的电流主要是很小的漂移电流。

这里仅给出电流电压关系为[exp(/)1]s a b J J eV K T =-其中0[]p n n p p n eD P eD n Js L L =+上式称为理想二极管方程。

它是在很大电流与电压范围内pn 结电流电压特性的最佳描述。

图1.17 为pn 结电流电压关系曲线。

假如V a 为负值（反向偏压），反偏电流会随着反偏电压的增大而迅速趋向于一个恒定值-J s ，与反向偏压的大小就无关了。

J s 称为反向饱和电流密度。

很显然，pn 结的电流电压特性是非对称的。

[综合问题]1.单晶硅、锗与砷化镓能带结构有何特点？硅和锗的能带结构有何特点：硅和锗的导带在布里渊区中心虽然都有极小值，但导带中最小的极小值却不在布里渊区中心Γ 点，如图1.10所示，硅导带中的最小极值在空间[1 0 0]方向上，Γ 点之间的距离约为Γ 点和X 点间距的5/6，锗导带中的最小极值在空间[1 1 1]方向上的L 点处。

阐述半导体砷化镓的晶体结构

阐述半导体砷化镓的晶体结构半导体砷化镓（Gallium Arsenide，简称GaAs）是一种重要的半导体材料，其晶体结构对其性能和应用具有重要影响。

砷化镓的晶体结构是指由砷化镓晶体中原子的排列方式和空间结构组成的。

了解砷化镓的晶体结构对于深入理解其性质和应用非常重要。

砷化镓属于锗石英结构，其晶体结构与钻石、锗等半导体材料有一定的相似性。

砷化镓的晶体结构可以用空间群F-43m表示，属于立方晶系。

在砷化镓的晶体结构中，砷（As）和镓（Ga）原子以共价键的形式相互连接，形成一个类似于钻石结构的三维晶格。

砷化镓的晶体结构中，每个砷原子被周围的四个镓原子包围，同时每个镓原子也被四个砷原子包围。

这种四面体结构的排列方式使得砷化镓晶体具有较高的结构稳定性和热稳定性。

除了共价键的形式，砷化镓的晶体结构中还存在一些离子键的相互作用，这种离子键的存在使得砷化镓具有良好的导电性能和光电性能。

砷化镓的晶体结构还具有一定的缺陷和杂质。

在砷化镓晶体中，镓原子和砷原子之间的大小差异会导致晶体中存在一些晶格缺陷，如位错和空位等。

此外，砷化镓还容易受到一些杂质元素的污染，如硅、碳等，这些杂质元素会影响砷化镓的导电性能和光电性能。

砷化镓的晶体结构对其性能和应用具有重要影响。

由于砷化镓具有较好的导电性能和光电性能，广泛应用于半导体器件和光电子器件领域。

例如，在微电子领域，砷化镓可用于制造高速、高频的场效应晶体管（FET）、电子器件、集成电路等。

在光电子器件领域，砷化镓可用于制造高效能、高速度的光电探测器、激光器等。

砷化镓的晶体结构是由砷和镓原子的排列方式和空间结构决定的。

砷化镓的晶体结构对其性能和应用具有重要影响，了解砷化镓的晶体结构有助于深入理解其性质和应用。

砷化镓作为一种重要的半导体材料，其晶体结构的研究和应用将进一步推动半导体器件和光电子器件的发展。

1.6 硅和锗的能带结构(雨课堂课件)

认识能带结构的意义能带结构决定了晶体的多种性质，如电学性质和光学性质。
直接带隙
间接带隙
间接带隙半导体中电子跃迁时，极大的几率将能量释放给晶格，转化为声子，变成热能释放掉。而直接带隙中的电子跃迁前后只有能量变化，而无位置变化，于是便有更大的几率将能量以光子的形式释放出来。因此在制备光学器件中，通常选用直接带隙半导体，而不是间接带隙半导体。
硅和锗导带等能面示意图
图1-26 硅和锗的能带结构
2．硅和锗的价带结构（间接带隙半导体）
(1) 在考虑自旋-轨道耦合时，价带的E(k)~k关系如下：
E k
h2 2m0
Ak2
B2k 4
C2
k
2 x
k
2 y
k
2 y
k
2 z
k
2 z
k
2 x
1/ 2
(1-64)
Ek h2 Ak2
提交
单选题 1分
n型硅的回旋共振实验时，磁场沿[111]方向时能观察到 ( ) 个吸收峰。
A1 B2 C3 D4
提交
单选题 1分
n型硅的回旋共振实验时，磁场沿[100]方向时能观察到 ( ) 个吸收峰。
A1 B2 C3 D4
提交
单选题 1分
n型硅的回旋共振实验时，磁场沿[110]方向时能观察到 ( ) 个吸收峰。
方向的夹角余弦为
cos ki 1 ,i 1,2,3
3 ki2 3
cos2 1 ,sin2 2
3
3
代入(1-58) mn* mt
ml
mt sin2 ml cos2
mn* mt
3ml 2mt ml
(1-59)
讨论：mn*