第二章 半导体材料的基本性质
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案
半导体物理与器件(尼曼第四版)答案第一章：半导体材料与晶体1.1 半导体材料的基本特性半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的基本特性包括：1.带隙：半导体材料的价带与导带之间存在一个禁带或带隙，是电子在能量上所能占据的禁止区域。
2.拉伸系统：半导体材料的结构是由原子或分子构成的晶格结构，其中的原子或分子以确定的方式排列。
3.载流子：在半导体中，存在两种载流子，即自由电子和空穴。
自由电子是在导带上的，在外加电场存在的情况下能够自由移动的电子。
空穴是在价带上的，当一个价带上的电子从该位置离开时，会留下一个类似电子的空位，空穴可以看作电子离开后的痕迹。
4.掺杂：为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
掺杂是将少量元素添加到半导体材料中，以改变载流子浓度和导电性质。
1.2 半导体材料的结构与晶体缺陷半导体材料的结构包括晶体结构和非晶态结构。
晶体结构是指材料具有有序的周期性排列的结构，而非晶态结构是指无序排列的结构。
晶体结构的特点包括：1.晶体结构的基本单位是晶胞，晶胞在三维空间中重复排列。
2.晶格常数是晶胞边长的倍数，用于描述晶格的大小。
3.晶体结构可分为离子晶体、共价晶体和金属晶体等不同类型。
晶体结构中可能存在各种晶体缺陷，包括：1.点缺陷：晶体中原子位置的缺陷，主要包括实际缺陷和自间隙缺陷两种类型。
2.线缺陷：晶体中存在的晶面上或晶内的线状缺陷，主要包括位错和脆性断裂两种类型。
3.面缺陷：晶体中存在的晶面上的缺陷，主要包括晶面位错和穿孔两种类型。
1.3 半导体制备与加工半导体制备与加工是指将半导体材料制备成具有特定电性能的器件的过程。
它包括晶体生长、掺杂、薄膜制备和微电子加工等步骤。
晶体生长是将半导体材料从溶液或气相中生长出来的过程。
常用的晶体生长方法包括液相外延法、分子束外延法和气相外延法等。
掺杂是为了改变半导体材料的导电性能，通常会对其进行掺杂。
常用的掺杂方法包括扩散法、离子注入和分子束外延法等。
半导体材料的简介
半导体材料的简介一、引言半导体材料是一类特殊的材料，具有介于导体和绝缘体之间的特性。
它在现代电子技术中扮演着重要的角色。
本文将介绍半导体材料的定义、性质、种类以及在各个领域中的应用。
二、定义和性质2.1 定义半导体材料是一种具有能带间隙的固体材料，其导电性介于导体和绝缘体之间。
半导体的导电性主要由载流子（电子和空穴）的运动决定。
2.2 性质1.导电性：半导体的电导率介于导体和绝缘体之间，它能在外加电场或热激发下传导电流。
2.温度特性：半导体的电导率随温度的变化而变化，通常是随温度的升高而增加。
三、半导体材料的种类3.1 元素半导体元素半导体是由单一元素构成的半导体材料，常见的有硅（Si）和锗（Ge）。
3.2 化合物半导体化合物半导体是由两个或更多的元素组合而成的半导体材料，例如砷化镓（GaAs）和磷化氮（GaN）。
3.3 合金半导体合金半导体是由不同元素的合金构成的半导体材料，合金的成分可以调节材料的性质。
四、半导体材料的应用4.1 电子器件半导体材料是制造各种电子器件的重要材料，如晶体管、二极管和集成电路。
这些器件被广泛应用于电子设备、通信系统等领域。
4.2 光电子学半导体材料在光电子学中有重要应用，例如激光器、光电二极管和太阳能电池。
这些器件利用半导体材料的光电转换特性，将光能转化为电能或反之。
4.3 光通信半导体材料广泛应用于光通信领域，如光纤通信和光学传感器。
半导体激光器和光电探测器在光通信中起到关键作用。
4.4 光储存半导体材料在光存储技术中发挥重要作用，如CD、DVD等光盘的制造。
这些光存储介质利用半导体材料的光电转换和可擦写性能来实现信息存储与读取。
五、总结半导体材料是一类具有重要应用价值的材料，广泛应用于电子器件、光电子学、光通信和光存储等领域。
随着科技的不断发展，对新型半导体材料的研究和应用也在不断推进。
通过不断探索和创新，半导体材料有望在未来的科技发展中发挥更加重要的作用。
参考文献1.Bhuyan M., Sarma S., Duarah B. (2018) [Introduction toSemiconductor Materials]( In: Introduction to Materials Science and Engineering. Springer, Singapore.。
半导体材料的性质和制备
半导体材料的性质和制备半导体材料是一种具有特殊性质的材料，具有电学性质介于导体和绝缘体之间。
它的电学性质具有温度敏感、电阻率渐进式降低、半导带型式可控等特点。
因此，半导体材料在现代电子技术领域的应用非常广泛，例如计算机芯片、太阳能电池板、LED灯等众多高新技术产品都需要半导体材料。
一、半导体材料的性质半导体材料的性质决定了它可以用来制作何种电子器件。
其中最关键的属性是它的电阻率。
半导体材料的电阻率介于导体和绝缘体之间，用Ohm*cm或Ohm*m表示，一般在10^-2 ~10^8之间，通过杂质掺杂可以将半导体材料的电阻率调节到所需要的范围内。
其次，半导体材料的温度敏感性是其独特性质之一。
当半导体材料温度上升时，其电导率会随之增加。
这种性质被广泛用于制造高精度温度测量器和温度控制器。
半导体材料的导带和价带之间的带隙能量也是其重要的性质。
带隙能量越小，材料的电导率越高，反之则越低。
通过控制半导体材料的带隙能量可以改变其电学性质。
半导体材料具有电学性质介于导体和绝缘体之间，与导体不同的是，半导体材料中的电子不能自由传导，但与绝缘体不同的是，半导体材料中的电子可以被激发到导电状态。
二、半导体材料的制备半导体材料的制备主要通过控制杂质掺入来改变其电学性质。
这种方法被称为半导体掺杂。
半导体材料的制备通常有以下几种方法：1. 气相扩散法这种方法是将一种气体制成相对静止的状态，使其扩散到待制成半导体材料的样品中。
杂质通过热扩散的方式将杂质掺入到半导体材料中。
这种方法制造的材料质量较高，但加工比较复杂。
2. 原位合成法这种方法是通过化学气相沉积、分子束外延等技术将杂质掺入到半导体材料中。
这种方法可以制造出高品质的单晶薄膜。
3. 离子注入法这种方法是利用离子束将杂质注入到半导体材料中。
这种方法精度高、效率高，但可能会造成杂质的残留，对杂质掺入量的控制不够精细。
4. 液相扩散法这种方法是利用化学反应，在液相中将杂质掺入到半导体材料中。
半导体材料的性质及应用
半导体材料的性质及应用半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有导电性和绝缘性。
它的导电性介于金属和非金属之间，而它的绝缘性则取决于材料中载流子的浓度。
半导体材料的性质：1. 阻带半导体材料中存在着能级间隔，其中从价带到导带的能隙被称为阻带。
在纯半导体中，电子在价带中，因此材料不能导电。
只有当外界施加功率，激发电子跃迁至导带中才会导电。
电子跃迁时释放的能量通过热传导或辐射传导，使半导体温度升高，这也被称为耗能。
2.载流子半导体的导电性能够体现出载流子的特性。
通常材料中含有非常少的自由电子和空穴，初始不具有导电性。
在加入掺杂物后，形成了n型和p型半导体。
n型半导体由元素（例如磷、氮）掺入，导致一些额外的电子存储在晶格中。
p型半导体由元素（例如铝、硼）掺入，导致一些额外的空穴存储在晶格中。
3. p-n结p-n结是半导体材料中一个非常重要的结构。
它由一个p型区域和一个n型区域组成，中间夹着一个非常薄的界面。
p-n结的导电性能够由正向偏置和反向偏置控制。
在正向偏置时，电子和空穴在结附近重新结合，导致电流的流动。
反向偏置时，由于存在阻挡电场，电流几乎不会流动。
p-n结的应用广泛，如发光二极管（LED）、太阳能电池等。
半导体材料的应用：半导体材料是当今很多电子设备的核心材料，如晶体管、集成电路、光电传感器和太阳能电池等。
这些设备的应用是基于半导体电子与光学性质之间的相互作用。
1. 晶体管晶体管是一种用于放大电信号的半导体器件。
在晶体管中，控制信号的电压可以控制大量电子或空穴的流量，从而可以控制电路的运行。
晶体管经常用于放大器和开关，可广泛应用于电视机、收音机、计算机等各种电子设备中。
2. 集成电路集成电路平均只占从前一堆晶体管和元件的约四分之一的面积，但其中蕴藏着复杂的电子电路。
集成电路可以分为数字集成电路（Digital IC）和模拟集成电路（Analog IC）。
数字集成电路通常用于计算和逻辑电路，在计算机和控制电子设备中用于控制和计算。
半导体材料的基本性质及应用前景
半导体材料的基本性质及应用前景随着人类科技的不断发展，半导体技术得到了广泛的应用。
半导体材料作为半导体技术的基础，其基本性质和应用前景也逐渐引起了人们的注意。
一、半导体材料的基本性质半导体材料具有包括导电性、光电性、热电性、感应光电性、压电性、光致发光性等在内的多种物理特性。
其中最核心的特性是导电性和不导电性。
半导体材料导电性的变化，可以通过控制半导体中杂质或缺陷的数量和类型实现。
杂质或缺陷的引入可以增强或减弱半导体的导电性。
例如，硅与锗纯净材料的导电性很弱，但加入P、N、B、As等DONOR或ACCEPTOR型杂质后，可以制备出p型或n型半导体材料。
半导体材料还具有光电性，它们与化学元素周期表上的光电发射材料相似。
半导体材料可以吸收光，电荷在导带和价带之间跃迁，从而导致光电效应。
常见的应用包括太阳能电池、光电探测器和紫外线灯等。
半导体材料的热电性可以用来制备热电材料，这种材料能够将热转换成电。
它的应用主要涉及节能和环境保护，例如，通过热电材料可以将热能转化为电能，应用于废气排放泄露的能量回收。
二、半导体材料的应用前景半导体技术以其稳定的性能、小型化的尺寸、易制备的成本、低功耗的特点等，日益成为信息技术、光电技术、新材料技术、环境保护技术等领域的重要基础材料。
以下几个方向是半导体材料未来的主要应用领域：1、新型显示屏随着信息技术的不断发展，显示屏在我们的生产和生活中发挥着越来越重要的作用。
半导体材料的光电性和导电性使其成为新一代显示技术的必需品。
例如，OLED技术已经得到了广泛的应用，其特点是超薄、超亮、超清、超省电，非常适合移动设备、电视以及广告牌等领域。
2、光电器件光电探测器、半导体激光器、光电开关、光电晶体管、光电倍增管等光电器件的应用正迅速扩展。
半导体材料的光电性使其非常适合用于制造光电器件，以便高效地转换光和电。
3、太阳能电池半导体材料的光电性是太阳能电池得以进行光电转换的重要基础材料。
第二章 半导体及其本征特征解读
3、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载 流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度0K时不导电。 两种载流子
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
导带底与价带顶之间的能量差半导体中载流子的行为可以等效为自由粒子但与真空中的自由粒子不同考虑了晶格作用后的等效粒子有效质量可正可负取决于与晶格的作用受主掺杂施主掺杂二杂质半导体杂质半导体主要靠多数载流子导电
第二章 半导体物理和器件物理基础
Recap:
主要知识点和阅读章节
• • • • • • 1、半导体材料基本特性 2、pn结 3、双极晶体管 4、场效应管 阅读教材第二章 阅读康华光《电子技术基础-模拟部分（第 五版）》第1、2、3、4、5章.
• 参考教材： • [1] 童诗白,华成英(著).模拟电子技术基础 (第四版)[M].北京:高等教育出版社,2006. • [2] 康华光(著).电子技术基础:模拟部分(第 五版))[M].北京:高等教育出版社,2010.
第一讲 半导体物理基础
• 2.1 半导体及其基本性质
• 2.2 半导体中的载流子
在非本征情形:
np n
2 i
n p
N型半导体：n大于p
P型半导体：p大于n
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
少子：少数载流子
n型半导体：空穴 p型半导体：电子
7. 电中性条件: 正负电荷之和为0
p + N d – n – Na = 0
施主和受主可以相互补偿
p = n + Na – Nd n = p + N d – Na
第二章半导体材料的基本性质
第二章半导体材料的基本性质半导体材料是一类介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电学性质和光学性质，广泛应用于电子器件和光电器件中。
本文将从电学性质和光学性质两个方面介绍半导体材料的基本性质。
一、电学性质1.带隙：半导体材料具有带隙，即价带和导带之间的能隙。
在绝缘体中，带隙较大，电子不易通过；在导体中，带隙为零，电子容易通过。
而在半导体中，带隙较小，介于绝缘体和导体之间，可以通过掺杂和加电场的方式改变其电导性能。
2.载流子：在半导体中，电子和空穴是载流子。
在纯净的半导体中，电子和空穴的数量相等，即n型和p型半导体中电子和空穴的浓度相等。
而在掺杂半导体中，通过掺杂可以使电子或空穴的浓度增加，从而改变其电导性质。
3.本征导电性：半导体材料在纯净状态下呈现本征导电性，即电导率较低。
本征导电性是由于半导体中的有限数量的载流子引起的。
n型半导体中主要是电子导电，p型半导体中主要是空穴导电。
本征导电性可以通过掺杂来改变。
4.外加电场下的导电性：在外加电场的作用下，半导体材料的导电性能发生变化。
当正电荷提供给半导体，将推动电子向正极移动，此时半导体变为n型半导体；当负电荷提供给半导体，将推动空穴向负极移动，此时半导体变为p型半导体。
这种现象被称为电场效应，也是半导体中众多器件如二极管和晶体管的基础。
二、光学性质1.吸收：半导体材料具有宽带隙能够吸收光的性质。
当光射入半导体中，部分光能会被电子吸收，使电子从价带跃迁到导带，此时光的能量将转化为电子的动能。
不同的半导体材料对不同波长的光吸收能力不同，这种特性使半导体材料成为光电器件的重要组成部分。
2.发光：除了吸收光能，有些半导体材料还可以发光。
当电子从导带跃迁到价带时，会释放出能量，部分能量以光的形式散发出来，形成发光现象。
不同的半导体材料对应不同的发光颜色，从红光到紫光等都可以通过不同材料的跃迁产生。
3.光电效应：半导体材料的光电效应是指当光照射到半导体表面时，会产生电流。
半导体材料的性质及在电子行业的应用
半导体材料的性质及在电子行业的应用半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，具有一些独特的性质和特点，因而在电子行业中有着广泛的应用。
本文将简要介绍半导体材料的性质和应用。
一、半导体材料的性质1.导电性能。
半导体材料的导电性能介于导体和绝缘体之间。
与导体相比，半导体的导电性能较弱，但比绝缘体要强。
通常情况下，半导体的导电性能受温度、掺杂浓度等因素的影响，可以通过控制这些因素来改变半导体材料的导电性能。
2.禁带宽度。
半导体材料中能带的能量范围称为禁带，禁带中间的能量范围称为禁带宽度。
半导体材料的禁带宽度通常较窄，约为1eV左右，这使得半导体材料在连通和断开电路方面比绝缘体更加灵活。
3.热电性能。
半导体材料还具有一些特殊的热电性能。
例如，热电效应使得半导体材料可以将温度变化转化为电压输出。
这种特性在温度传感器方面有着广泛的应用。
二、半导体材料应用于电子行业1.半导体芯片。
半导体芯片是半导体材料最重要的应用之一。
半导体材料可以制成各种芯片，如处理器芯片、内存芯片、传感器芯片等。
这些芯片是电子设备的核心，它们的性能直接影响到设备的整体性能。
2.光电设备。
半导体具有较好的光电特性，如光电转换和发光等。
在光电设备方面，半导体材料可以用于制造光电二极管、太阳能电池板、LED灯等。
这些设备在通信、光学、能源等领域有着广泛的应用。
3.传感器。
半导体材料的热电、光电等特性使得其可以用于制造各种传感器。
例如，压力传感器、温度传感器、光传感器等。
这些传感器在工业生产、汽车行业、医疗行业等多个领域都有广泛的应用。
4.功率器件。
功率器件是电子行业中必不可少的元器件，半导体材料可以制成各种功率器件，如三极管、场效应管、晶闸管等。
这些器件在电力、电动车、电子制造等领域有着广泛的应用。
总体而言，半导体材料具有独特的性质和特点，可以制成各种电子器件，应用于多个领域。
随着半导体技术的不断发展和进步，半导体材料在电子行业中的应用也会越来越广泛，为我们的生活带来更多的便利和高科技体验。
半导体材料量子效应的研究与应用
半导体材料量子效应的研究与应用引言半导体材料是一种重要的功能材料，广泛应用于电子、光电、信息科学等领域。
随着科技的不断进步，人们对半导体材料的研究也越来越深入。
其中，量子效应是半导体材料中的一个研究热点。
本文将介绍半导体材料量子效应的研究进展和应用。
第一章半导体材料的基本性质半导体材料具有介于导体和绝缘体之间的特性。
其电导率介于金属与非金属之间，当受到外部激励后，其电阻率或电导率会发生变化。
半导体材料的主要特点包括：1.电子结构复杂：半导体材料的导电性主要由价带和导带的电子贡献决定。
2.宏观材料性质受微观结构和杂质的影响：微观结构和杂质可影响材料的电子结构和导电性质。
3.半导体材料对辐射的响应敏感：其对辐射的吸收和发射非常敏感，可广泛应用于光电材料中。
第二章半导体材料量子效应的基本理论量子效应是指材料在极端条件下出现的微观物理现象，主要涉及到量子力学运动规律。
在半导体材料中，量子效应包括：1.量子限制：由于半导体材料中的粒子(如电子)被束缚在其固有能级中，因此存在“量子限制”现象。
2.量子电磁效应：当材料在极端条件下(如极低温度或极高场强)时，其电磁性质会出现量子效应。
量子效应最为常见的现象是量子隧穿效应，即粒子可跨越材料势垒进行自由运动。
此外，还存在量子振荡效应、量子干涉效应等多种量子效应。
第三章半导体材料量子效应的研究进展随着计算机技术和理论物理学的发展，半导体量子效应的研究也有了长足的进展。
近年来，随着纳米技术和量子计算机的兴起，半导体量子效应的研究迎来了新的发展机遇。
1.量子点：量子点是一种三维纳米结构，其物理性质受量子限制的影响非常强。
量子点具有优异的发光、感应、检测和传感等特性，在照明、生物科技、催化剂等领域有着广泛的应用。
量子点已经被制备成为各种形式的纳米材料，如半导体量子球、量子棒等。
2.量子阱：量子阱是区分远离宏观影响并在三个维度中约束电子或孔子的半导体薄膜，量子阱具有一维量子限制特性，其能量谱明显不同于普通半导体材料，可实现电子与光的高效转换。
半导体物理的心得体会
半导体物理的心得体会一、引言在学习半导体物理的过程中，我不仅仅学到了有关半导体材料、器件以及其应用的基本知识，更重要的是领悟到了科学研究的思维方式和方法。
本文将从我的学习体会出发，对半导体物理进行探讨和总结。
二、半导体材料的基本性质半导体材料是介于导体和绝缘体之间的材料，具备一些独特的特性。
比如，它的电导率随着温度的变化而改变，且在室温下的电导率介于导体和绝缘体之间。
另外，半导体材料还具备自激活和本征导电的特性，这些性质使得半导体物理具有广泛的应用前景。
三、半导体器件的工作原理半导体器件是半导体物理的重要应用之一，常见的半导体器件包括二极管、晶体管和光电二极管等。
通过研究半导体器件的工作原理，我们可以深入理解半导体材料的特性。
以二极管为例，它是由P型半导体和N型半导体结合而成。
当施加正向偏置电压时，P型半导体中的空穴向N型半导体中的电子进行扩散，并发生复合现象，导致电流通过。
而当施加反向偏置电压时，由于内建电场的作用，电流无法通过二极管，呈现出绝缘体的特性。
通过对这些器件的研究和理解，我们可以设计和改进各种半导体器件，以满足不同的应用需求。
四、半导体物理的应用领域半导体物理广泛应用于电子、光电、通信、信息技术等领域。
在电子领域，半导体材料和器件被广泛用于集成电路、计算机硬件、智能手机等电子产品中，推动了电子技术的快速发展。
在光电领域，半导体材料可以通过受激发射产生激光，同时也可以将光信号转化为电信号，实现光电转换。
在通信领域，光纤通信技术的发展离不开半导体材料和器件的支持。
在信息技术领域，半导体材料在存储器件、传感器件以及量子计算等方面的应用具有重要价值。
可以说，半导体物理的应用已经深入到我们生活的方方面面。
五、我对半导体物理的心得体会在学习半导体物理的过程中，我深刻认识到物理学与工程技术的紧密联系。
只有深入理解半导体物理的原理和机制，才能够在实践中应用和创新。
而且需要不断学习和关注最新的科研进展，以跟上发展的步伐。
材料科学中的半导体材料的性质和应用研究
材料科学中的半导体材料的性质和应用研究半导体材料在材料科学领域中具有重要的地位，其性质和应用研究是材料科学的热点之一、本文将从半导体材料的基本性质、其应用领域以及当前的研究进展等方面进行探讨。
首先，半导体材料的基本性质是指其导电性能介于导体和绝缘体之间。
导电性的大小取决于材料的带隙宽度，带隙宽度越小，导电性越强。
在室温下，绝缘体的带隙宽度通常大于3电子伏特，而导体的带隙宽度则小于0.1电子伏特。
而半导体的带隙宽度则介于两者之间，通常为0.1-3电子伏特。
此外，半导体材料的导电性还受到温度的影响，随着温度的升高，导电性会增强。
半导体材料广泛应用于电子器件制造、光电子器件制造等领域。
在电子器件制造方面，半导体材料主要应用于集成电路、晶体管、二极管等器件的制造。
集成电路是半导体材料应用的重要领域之一，它将成千上万个晶体管、电容器和电阻器等元件集成到一块半导体晶片上，实现电路功能的高度集成和微小化。
而晶体管则起着电流放大、开关控制等重要作用，广泛应用于计算机内存、放大器、继电器等器件中。
二极管则是一种半导体器件，具有电流只能单向传导的特性，适用于电源、电涌保护、光电转换等领域。
在光电子器件制造方面，半导体材料主要应用于光电二极管、激光器、太阳能电池等器件的制造。
光电二极管是利用半导体材料的特性来转换光能为电能的器件，具有灵敏度高、动态范围大、响应时间短等优点，广泛应用于光通信、光电检测等领域。
激光器是一种可以产生高度聚焦、高功率的激光光束的器件，主要应用于激光切割、激光打印、医疗等领域。
太阳能电池则利用半导体材料的光电转换特性来将太阳能转化为电能，具有清洁、可再生等优点，是解决能源问题的重要途径之一当前，在半导体材料的性质和应用研究方面，有几个重要的研究领域和进展。
首先是半导体材料的合成和制备技术。
随着纳米科技的发展，人们开始研究和开发纳米级半导体材料，并通过不同的合成和制备技术来控制其晶体结构、尺寸、形貌等，从而调控其性质和应用。
《微电子与集成电路设计导论》第二章 半导体物理基础
导带
Eg
价带
2.5 半导体的掺杂
载流子：低温时，电子分别被束缚在四面体晶格中，因此无法作电的传导。但在 高温时，热振动可以打断共价键。当一些键被打断时，所产生的自由电子可以参 与电的传导。而一个自由电子产生时，会在原处产生一个空缺。此空缺可由邻近 的一个电子填满，从而产生空缺位置的移动，并可被看作与电子运动方向相反的 正电荷，称为空穴(hole)。半导体中可移动的电子与空穴统称为载流子。
F(E)
500K 0.5
300K
费米能级(Fermi level)：是电
100K
子占有率为1/2时的能量。
≈
-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2
Ga 0.065 0.011
Si
1.12
Sb 0.039
0.045 B
P
As
0.045 0.054
0.067 0.072 Al Ga
Ti
C
0.21
0.25
0.34 0.35 D
0.16
In Pd
Pt 0.25
0.36 0.3 D
Au O
0.16 0.38 A 0.54 0.51 A 0.41
0.29 D
＋4
0, 1 , 0 2
＋4
＋4
＋4
＋4
半导体的共价键结合
砷化镓为四面体闪锌矿结构，其主要结合也是共价键，但在砷化镓中存在微 量离子键成分，即Ga＋离子与其四个邻近As－离子或As－离子与其四个邻近Ga＋ 离子间的静电吸引力。以电子观来看，这表示每对共价键电子存在于As原子的时 间比在Ga原子中稍长。
杂质半导体
非本征（杂质）半导体：当半导体被掺入杂质时，半导体变 成非本征的（extrinsic），而且引入杂质能级。
半导体材料基础_基本特性
为直接跃迁。相当于电子由价带竖直地跃迁到导带，所以也
称为垂直跃迁。对应的材料为直接带隙半导体。k = k'+ hv
间接跃迁
c
若导带底和价带顶位于k空间的不同位置，则任
何竖直跃迁所吸收的光子能量都应该比禁带宽
度大。但实验指出，引起本征吸收的最低光子
能量还是约等于Eg。
——推论：除竖直跃迁，还存在另一类跃迁过
激子吸收不会改变半导体的导 电性。
Eenx
=
1
2 r
m* m
13.6 n2 (eV )
iii) 杂质吸收
杂质可以在半导体的禁带中引入杂质能级，占据杂质 能级的电子或空穴的跃迁可以引起光吸收，这种吸收 称为杂质吸收，可以分为下面三种类型： a.吸收光子可以引起中性施主上的电子从基态到激发 态或导带的跃迁； b.中性受主上的空穴从基态到激发态或价带的跃迁； c.电离受主到电离施主间的跃迁；
自由载流子吸收也需要声子参与， 因此也是二级过程，与间接跃迁过 程类似。但这里所涉及的是载流子 在同一带内不同能级间的跃迁。
自由载流子吸收不会改变半导体的 导电性。
v) 子带间的跃迁
电子在价带或导带中子带（sub-band）之间的跃迁。 在这种情况下，吸收曲线有明显的精细结构，而不同 于由自由载流子吸收系数随波长单调增加的变化规律 。
由于杂质能级是束缚态，因而动量没有确定的值，所 以不必满足动量守恒的要求，因此跃迁几率较大。
杂质吸收的长波长总要长于本征吸收的长波长。杂质 吸收会改变半导体的导电性，也会引起光电效应。
电子在杂质能级及杂质能级与带间的跃迁
浅能级杂质：红外区 深能级杂质：可见、紫外区
iv) 自由载流子吸收
当入射光的波长较长，不足以引起 带间跃迁或形成激子时，半导体中 仍然存在光吸收，而且吸收系数随 着波长的增加而增加。这种吸收是 自由载流子在同一能带内的跃迁引 起的，称为自由载流子吸收。（准 连续、长波长段）
半导体的性质
半导体的性质半导体是一种特殊的材料，它具有绝对电导率和几乎绝对的绝缘性，使它成为电子器件的关键材料。
近半个世纪以来，半导体材料的研究和应用得到了蓬勃发展，并在改变着我们的生活方式。
本文将简要介绍半导体的基本性质，以及它如何影响我们的日常生活。
一、半导体的性质1.定义半导体是一种材料，具有中间的电导率，既比金属高，又比绝缘体低。
它介于绝缘体和导体之间，用于将电能传递给物理设备。
半导体由晶体结构的离子组成，其中一些离子是带电的，可以传导电流。
2.电子结构半导体由电子、孔和离子组成。
电子是组成晶体结构的最小粒子，它们在晶体结构中运动，可以传导电流。
孔是晶体结构中的空位，它们可以吸收电子，形成局域态（电子活动区域）。
离子是晶体结构中的带电粒子，它们可以吸收电子，形成另一个局域态（离子活动区域）。
3.电子能带半导体电子能带是一种电子活动区域，由电子和空位（孔）组成。
它有两个部分：电子能带总体和电子能带禁带。
电子能带总体包括从最低到最高能级的能带，它们可以传导电流，也就是电子传导性。
电子能带禁带是一个禁止电子传导的区域，其高度要低于电子能带总体，因此它们不能传导电流，也就是绝缘性。
4.半导体的类型半导体的类型可以分为半导体和半导体半导体。
半导体半导体是一种由半导体结构组成的半导体，它包括金属半导体、半导体材料，以及混合半导体材料。
金属半导体是一种由金属原子构成的半导体材料，具有较高的电导率，但具有绝缘性。
半导体材料是一种由碳原子构成的半导体材料，具有较低的电导率，但具有几乎绝缘性。
混合半导体材料是一种由金属和碳原子构成的半导体材料，具有中间的电导率，既比金属高，又比绝缘体低，可以将电能传递给物理设备。
二、半导体的应用1.晶体管晶体管是一种由金属半导体和碳半导体组成的三极管。
它是由一个金属半导体封装在一块碳半导体上，金属半导体是收集极，碳半导体是基极，晶体管可以控制电流的流向，从而控制电流的大小。
晶体管可以将一个微弱的电流放大，也可以将一个强电流压缩，是一种关键的电子器件。
半导体材料的基本性质
N型半导体的概念
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
V族杂质在硅中电离时，能够释放电子而产生导电电 子并形成正电中心，称为施主杂质。
施主电离能和施主能级
2.3 半导体中的杂质和缺陷
2.3.1 本征半导体 2.3.2 n型半导体 2.3.3 p型半导体
2.3.1 本征半导体
完全纯净、结构完整的 半导体晶体称为本征半 导体。
本征半导体也存在电子 和空穴两种载流子
但电子数目n和空穴数目 p一一对应，数量相等， n＝p。
•传导电子
•导带
•空穴
电流密度
•V •E
•L
电流密度是指通过垂直于电流方向的单位 面积的电流
均匀导体，电流密度 电场强度 欧姆定律的微分形式
迁移率
假设电子平均速度为vd，电子浓度为n，电流密度为
平均速度和电场强度成正比 电流密度 电导率
称为电子迁移率，表示单位场强下电子的平均漂移 速度
2.4.2 电导率
晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原 子核势场以及其它大量电子的平均势场中运动
大量电子的平均势场也是周期性变化的，而且它的周 期与晶格的周期相同。
两者的共同点在于都有一个恒定的势场。 因而可以先分析自由电子的状态，接着再考虑加上一
个平均场后的电子状态
（1）自由电子的薛定谔方程
自由电子与时间因素无关，因而波函数可以表 示为：
•E1＝－13.6 eV
多电子原子能级
晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小，原 来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠：
半导体材料有哪些基本特性
半导体材料基本特性在当今科技领域，半导体材料是一类关键的材料，在电子、光电子和通讯领域具有广泛应用。
半导体材料与金属和绝缘体都有着截然不同的特性。
下面将介绍半导体材料的一些基本特性。
导电性半导体材料的导电性介于金属和绝缘体之间。
在室温下，半导体的电导率比绝缘体高，但远远低于金属。
这是因为半导体材料具有能带结构，在绝缘体中，能带带隙很大，电子难以从价带跃迁到导带，因此导电性很差；而在金属中，能带带隙几乎为零，使得电子自由跃迁，导电性很好。
而在半导体中，能带带隙介于绝缘体和金属之间，当半导体受到外部激发（如光或热）时，电子可以跃迁到导带，形成电流，导致导电性增加。
光吸收和发射半导体材料还具有光吸收和发射的特性。
当光线照射在半导体表面时，光子能量被半导体吸收，激发半导体内的电子跃升至激发态，形成激子。
当激子重新组合时，释放出能量，发出辐射光。
这种光发射现象被广泛应用于半导体激光器、LED 等领域。
能带结构半导体的能带结构是其特有的性质之一。
能带结构包括导带和价带，两者之间的能隙是半导体的重要指标。
当传输能量较小的电子从价带跃迁到导带时，半导体呈现导电性，而当没有足够能量的光子作用时，电子则不能跃迁到导带，半导体呈现绝缘性。
温度特性半导体材料的电学性质与温度密切相关。
一般来说，在半导体中，随着温度升高，电阻率会降低，导电性将增强；而在一些特殊情况下，随温度升高，半导体的导电性也可能会降低。
这种温度特性是半导体器件稳定工作的重要因素之一。
杂质控制半导体材料的纯度对其性能有着重要影响。
在制备半导体材料时，必须严格控制杂质的含量，尤其是掺杂控制。
通过掺入不同种类的杂质元素，可以调节半导体的电学性质，如增加或减小导电性等。
因此，对杂质的控制是确保半导体器件稳定性和可靠性的关键要素。
综上所述，半导体材料具有独特的导电性、光吸收和发射特性、能带结构、温度特性和杂质控制等基本特性，这些特性使得半导体材料在现代电子、光电子和通讯领域发挥着重要作用。
第一章 半导体材料绪论
李斌斌 南京航空航天大学
《半导体材料》教材
教材： 《半导体材料》，邓志杰等编，化学工业出版社 参考书目： 1. 《半导体材料》杨树人 等编，科学出版社
2. 《半导体物理学》刘思科等编，国防工业出版社
讲课内容
第一章 绪论 第二章 半导体材料的基本性质 第三章 元素半导体材料 第四章 化合物半导体材料 第五章 固溶体半导体材料 第六章 非晶、有机和微结构半导体材料 第七章 半导体器件基础 第八章 半导体电子材料 第九章 半导体光电子材料 第十章 其他半导体材料 第十二章 半导体材料的制备
光生伏特效应是半导体材料的特有性质 之四
照片
光生伏特效应
1.1.6 半导体的特有性质－霍尔效应
1879年，霍尔(E.H. Hall) 在研究通有电流的导 体在磁场中受力，发现在垂直于磁场和电流 的方向上产生了电动势，这个电磁效应称为 “霍尔效应”。 “霍尔效应”就是为纪念霍尔而命名的。 利用“霍尔效应”可以测量半导体材料的载 流子浓度、迁移率、电阻率、霍尔系数等重 要参数。 霍尔效应是半导体材料的特有性质之五
第一章 绪论
1.1 半导体材料的发展简史
1.2 半导体材料的发展趋势 1.3 半导体材料的分类
1.1.1 首次报道半导体
伏特 A. Volta (1745~1827)，意大利物理学家 国际单位制中,电压的单位伏即为纪念他而命 名。 1800年，他发明了世界上第一个伏特电池， 这是最早的直流电源。从此，人类对电的研 究从静电发展到流动电，开拓了电学的研究 领域。 他利用静电计对不同材料接地放电，区分了 金属，绝缘体和导电性能介于它们之间的 “半导体”。 他在给伦敦皇家学会的一篇论文中首先使用 了“Semiconductor”（半导体）一词。
半导体物理知识点及重点习题总结
半导体物理知识点及重点习题总结半导体物理是现代电子学中的重要领域，涉及到半导体材料的电学、热学和光学等性质，以及半导体器件的工作原理和应用。
本文将对半导体物理的一些重要知识点进行总结，并附带相应的重点习题，以帮助读者更好地理解和掌握相关知识。
一、半导体材料的基本性质1. 半导体材料的能带结构半导体材料的能带结构决定了其电学性质。
一般而言，半导体材料具有禁带宽度，可以分为导带（能量较高）和价带（能量较低）。
能量在禁带内的电子处于被限制的状态，称为束缚态，能量在导带中的电子可以自由移动，称为自由态。
2. 掺杂和杂质掺杂是将少量的杂质原子引入纯净的半导体材料中，以改变其导电性质。
掺入价带原子的称为施主杂质，掺入导带原子的称为受主杂质。
施主杂质会增加导电子数，受主杂质会增加载流子数。
3. P型和N型半导体掺入施主杂质的半导体为P型半导体，施主杂质的电子可轻易地跳出束缚态进入导带，形成载流子。
掺入受主杂质的半导体为N型半导体，受主杂质的空穴可轻易地跳出束缚态进入价带，形成载流子。
二、PN结和二极管1. PN结的形成和特性PN结是P型和N型半导体的结合部分，形成的原因是P型半导体中的空穴与N型半导体中的电子发生复合。
PN结具有整流作用，使得电流在正向偏置时能够通过，而在反向偏置时被阻止。
2. 二极管的工作原理二极管是基于PN结的器件，正向偏置时，在PN结处形成正电压，使得电子流能够通过。
反向偏置时，PN结处形成反电压，使得电流无法通过。
3. 二极管的应用二极管广泛用于整流电路、电压稳压器、振荡器和开关等领域。
三、晶体管和放大器1. 晶体管的结构和工作原理晶体管是一种三端器件，由三个掺杂不同的半导体构成。
其中，NPN型晶体管由N型掺杂的基区夹在两个P型掺杂的发射极和集电极之间构成。
PNP型晶体管的结构与之类似。
晶体管的工作原理基于控制发射极和集电极之间电流的能力。
2. 放大器和放大倍数晶体管可以作为放大器来放大电信号。
半导体物理与材料2
施主原子的轨道上施主电子Bohr氢原子模型. 这个轨道的半径仍用氢原子模型计算,得:
* rd 0 h 2 /(q 2m0 ) 0.53 10 8 ( r / 0 )( m0 / m0 )cm 13 10 8 cm
现在考虑左图的情形,随着施主原子增多,第 五个电子的轨道开始交叠,这种情况发生的临 界杂质浓度Ncrit可以通过计算体积求出:
100
1015
1019
N
迁移率与掺杂浓度关系
迁移率依赖于温度
1. 低掺杂:晶格散射占优势 3/ 2 温度增加,晶格振动加剧,增加碰撞,因而迁移率减小 T . 2. 高掺杂:电离杂质散射占优势 在这种情况下,主要因素是电子保留在电离杂质原子附近的时间长短,时 间越长,库仑效应越明显.但电子在高温下运动速度加快,停留在杂质原子 3/ 2 附近的时间变短,散射效应变弱,迁移率增加,理论上有 T .
热平衡状态
热平衡时未掺杂的半导体的载流子浓度由带隙Eg决定. 带隙越大.n0 , p0 就越小.因为在热平衡状态下,粒子的能量只有热 能,其量级是kT,而Eg远大于kT,所以只有很少的电子从价带激发到导 带.对本征半导体,可以推导出严格解：
n p ni C exp( Eg / 2kT ) C exp( Ei / kT )
空穴电荷，而将多数载流子浓度写为：
nn 0 N D
下标n代表N型材料,0代表热平衡状态.
考虑到电中性：
nn 0 N D pn 0
根据质量作用定律，就可以求出少子浓度：
pn 0 ni2 / N D
同理，对于P型半导体有：
p p 0 N A , p p 0 N A n p 0 , n p 0 ni2 / p p 0 ni2 / N A
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P型半导体的概念 型半导体的概念
在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，即构成 P 型半导体(或称空穴型半导体)。 常用的 3 价杂质元素有硼、镓、铟等 III族杂质在硅中电离时，能够释放空穴而产生导电空 穴并形成负电中心，称为受主杂质。
受主电离能和受主能级
多余的空穴束缚在负电中 心B－的周围，但这种束 缚作用比共价键的弱得多， 只要很少的能量就可以使 它摆脱束缚，形成导电空 穴。 使空穴摆脱束缚所需要的 能量称为受主杂质电离能 ∆E A = ED − EV
原子能级结构图
E4＝－0.85 eV 激发态 E3＝－1.51 eV E2＝－3.4 eV
hν = E2 − E1
基态 E1＝－13.6 eV
多电子原子能级
晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小，原 来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠： 1. 电子也不再完全局限于某一个原子，形成“共有化” 电子。 2. 原来孤立的能级便分裂成彼此相距很近的N个能级， 准连续的，可看作一个能带
2.1.1 晶体
晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的 固体物质，具有规则几何外形。
晶体之所以具有规则的几何外形，是因其内部的质点作规则的排 列，实际上是晶体中最基本的结构单元重复出现的结果。
晶胞参数
我们把晶体中重复出现的最基本的结构单元叫晶胞。 构成晶胞的六面体的三个边长a、b、c及三个夹角α、 β、γ称为晶胞参数。 它们决定了晶胞的大小和形状。
七大晶系
晶系 立方 四方 正交 三方 六方 单斜 三斜 晶轴 a=b=c a=b≠c a≠b≠c a=b=c a=b≠c a≠b≠c a≠b≠c 夹角 α=β=γ= 900 α=β=γ= 900 α=β=γ= 900 α=β=γ≠ 900 α=β= 900， γ =1200 α= γ= 900 ，β≠ 900 α≠ β≠ γ≠ 900
1 1 p2 E = m0 v 2 = 2 2 的电子状态 p = ℏk
1 1 p 2 E = m0 v = 2 2 m0
2
ℏ2k 2 E= 2m0
自由电子E与 的关系 自由电子 与k的关系
E
( ℏ k) 2 E = 2m
自由电子的能量E与波失k的 关系呈抛物线形状。 波失k可以描述自由电子的运 动状态 不同的k值标志自由电子的不 同状态 波失k的连续变化，自由电子 的能量是连续能谱，从零到 无限大的所有能量值都是允 许的。
(ℏ k) 2 E= 2m
E
Resulted from ρ-
Eg
k
−2π/a −π/a 0 π/a 2π/a
Resulted from ρ+
布里渊区
晶体中电子的能量E和波失k的关系曲线基本和自由电 子的关系曲线一样，但在
n k= 2a
(n = 0, ±1, ±2,.......)
时，能量出现不连续，形成了一系列的允带和禁带。 每一个布里渊区对应于一个允带
2.2.5 半导体的能带结构
导带 Eg > 6 eV 价带
Eg
绝缘体
半导体
导体
直接带隙和间接带隙
直接带隙半导体和间接带隙半导体
价带的极大值和导带的极小 值都位于k空间的原点上 价带的电子跃迁到导带时， 只要求能量的改变，而电子 的准动量不发生变化，称为 直接跃迁 直接跃迁对应的半导体材料 称为直接禁带半导体 例子：GaAs，GaN，ZnO 价带的极大值和导带的极小 值不位于k空间的原点上 价带的电子跃迁到导带时， 不仅要求电子的能量要改变， 电子的准动量也要改变，称 为间接跃迁 间接跃迁对应的半导体材料 称为间接禁带半导体 例子：Si，Ge
传导电子
导带 禁带
价带
（2）空穴 ）
价带顶部的电子被激发到导 带后，价带中就留下了一些 空状态
导带
激发一个电子到导带，价带 中就出现一个空状态
空穴 禁带
把价带中空着的状态看成是 带正电的粒子，称为空穴
价带
空穴不仅有正电荷＋q，还具 有正的有效质量。
半导体的导电特征
导带上的电子参与导电 价带上的空穴也参与导电 半导体具有电子和空穴两种载流子 金属只有电子一种载流子
原子能级分裂为能带
允带 禁带 允带
禁带
允带
原子能级
能带
2.2.2 半导体的电子状态
孤立原子的电子状态 孤立原子的电子只在该原子核的势场中运动 金属的电子状态 金属元素的价电子为所有原子（或离子）所共有，可 以在整个金属晶格的范围内自由运动，称为自由电子。 自由电子是在一恒定为零的势场中运动 半导体的电子状态
（1）晶胞中质点的占有率 ）
体心
面心
棱边
顶角
晶胞中各质点的占有率 体心：
立方晶胞
1
面心： 1/2 棱边： 1/4 顶点： 1/8
（2）密排堆积方式 ）
密堆积方式因充分利用了空间，而使体系的势能尽可 能降低，而结构稳定。 常见的密排堆积方式的种类有： 简单立方堆积 体心立方堆积 面心立方堆积 密排六方堆积 金刚石型堆积
施主电离能和施主能级
多余的价电子束缚在正电 中心P＋的周围，但这种 束缚作用比共价键的弱得 多，只要很少的能量就可 以使它摆脱束缚，形成导 电电子。 使价电子摆脱束缚所需要 的能量称为杂质电离能 ∆ED = EC − ED
EC ED
∆ED
⊕ ⊕
Eg EV EV－－ 价带能级 EC－－ 导带能级 ED－－ 施主能级 Eg－－ 带隙宽度
EC Eg
Θ Θ
∆E A
ED EV
EV－－ 价带能级 EC－－ 导带能级 ED－－ 施主能级 Eg－－ 带隙宽度
自补偿效应
有些半导体中，既有n型杂质又有p型杂质 N型杂质和P型杂质先相互补偿，称为自补偿效应。
EC ED Eg EA EV
热平衡条件
温度一定时，两种载流子浓度乘积等于本征浓度 的平方。
半导体中的电子状态
晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原 子核势场以及其它大量电子的平均势场中运动 大量电子的平均势场也是周期性变化的，而且它的周 期与晶格的周期相同。 两者的共同点在于都有一个恒定的势场。 因而可以先分析自由电子的状态，接着再考虑加上一 个平均场后的电子状态
（1）自由电子的薛定谔方程 ）
多子和少子
N型半导体中，自由电子浓度远大于空穴的浓 度，即 n >> p 。 电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少 数载流子(简称少子)。
2.3.4 P型半导体 型半导体
B是第III族元素，每一个B原 子具有3个价电子
+4 +4 +4
额外的空穴
+4 +3 +4 +4
B替位式掺入Si中，当它和 周围的原子形成了共价键时， 还缺少一个价电子，必须从 别处硅原子中夺取一个价电 子，于是在硅晶体的共价键 中产生了一个空穴 相当于形成了一个负电中心 B－和一个多余的空穴
简单立方堆积
体心立方堆积
面心立方堆积
密排六方堆积
金刚石型堆积
109º28´ ´
半导体的晶体结构
结构类型 金刚石型 闪锌矿型 纤锌矿型 NaCl型 半导体材料 Si，金刚石，Ge GaAs，ZnO，GaN，SiC InN，GaN，ZnO，SiC PbS，CdO
2.1.3 晶体类型
金属晶体 通过金属键而形成的晶体 离子晶体 通过离子键而形成的晶体 分子晶体 通过分子间作用力而形成的晶体 原子晶体 通过共价键形成的晶体
c
αβ b γ
c a b a
c b a
立方 Cubic
四方 Tetragonal
正交 Rhombic
c b a b c a b
c a
c b a
三方 Rhombohedral 六方 Hexagonal 单斜 Monoclinic
三斜 Triclinic
2.1.3 晶体结构
一般表达一个晶体结构，需要给出： 1. 晶系； 2. 晶胞参数； 3. 晶胞中所包含的原子或分子数Z； 4. 特征原子的坐标。
k
（2）晶体中的电子状态 ）
在自由电子的薛定谔方程上再考虑一个周期性 势场
V ( x) = V ( x + sa )
晶体中电子所遵守的薛定谔方程为：
ℏ 2 d 2ψ ( x) − + V ( x)ψ ( x) = Eψ ( x) 2 2m0 dx
晶体中电子的E(k)与K的关系 与 的关系 晶体中电子的
+4 +4 +4
额外的电子
+4 +5 +4 +4
P替位式掺入Si中，其中 四个价电子和周围的硅 原子形成了共价键，还 剩余一个价电子 相当于形成了一个正电 中心P＋和一个多余的价 电子
+4
+4
+4
N型半导体的概念 型半导体的概念
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。 常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。 V族杂质在硅中电离时，能够释放电子而产生导电电 子并形成正电中心，称为施主杂质。
2.3.2 杂质半导体
为了控制半导体的性质而人为的掺入杂质，这些半导 体称为杂质半导体，可以分为： N型半导体和P型半导体 后面以硅掺杂为例子进行说明 硅是化学周期表中的第IV族元素，每一个硅原子具有 四个价电子，硅原子间以共价键的方式结合成晶体。
2.3.3 N型半导体 型半导体
P是第V族元素，每一个 P原子具有5个价电子
np = ni
2 2
ni为本征载流子浓度 本征半导体 n型半导体 p型半导体
n0 p0 = ni
n 禁带出现在 k = 2a 处，即出现在布里渊区边界上