半导体物理基础(黄昆,韩汝琦著)思维导图
固体物理学_答案(黄昆 原著 韩汝琦改编)
《固体物理学》习题解答黄昆 原著 韩汝琦改编 （陈志远解答，仅供参考）第一章 晶体结构1.1、解：实验表明，很多元素的原子或离子都具有或接近于球形对称结构。
因此，可以把这些原子或离子构成的晶体看作是很多刚性球紧密堆积而成。
这样，一个单原子的晶体原胞就可以看作是相同的小球按点阵排列堆积起来的。
它的空间利用率就是这个晶体原胞所包含的点的数目n 和小球体积V 所得到的小球总体积nV 与晶体原胞体积Vc 之比，即：晶体原胞的空间利用率， VcnVx = （1）对于简立方结构：（见教材P2图1-1）a=2r ， V=3r 34π，Vc=a 3，n=1 ∴52.06r 8r34a r 34x 3333=π=π=π= （2）对于体心立方：晶胞的体对角线BG=x 334a r 4a 3=⇒= n=2, Vc=a 3∴68.083)r 334(r 342a r 342x 3333≈π=π⨯=π⨯=（3）对于面心立方：晶胞面对角线BC=r 22a ,r 4a 2=⇒= n=4，Vc=a 374.062)r 22(r 344a r 344x 3333≈π=π⨯=π⨯= （4）对于六角密排：a=2r 晶胞面积：S=6260sin a a 6S ABO ⨯⨯=⨯∆=2a 233 晶胞的体积：V=332r 224a 23a 38a 233C S ==⨯=⨯ n=1232126112+⨯+⨯=6个 74.062r224r346x 33≈π=π⨯= （5）对于金刚石结构，晶胞的体对角线BG=3r 8a r 24a 3=⇒⨯= n=8, Vc=a 334.063r 338r 348a r 348x 33333≈π=π⨯=π⨯=1.2、试证：六方密排堆积结构中633.1)38(a c 2/1≈= 证明：在六角密堆积结构中，第一层硬球A 、B 、O 的中心联线形成一个边长a=2r 的正三角形，第二层硬球N 位于球ABO 所围间隙的正上方并与这三个球相切，于是： NA=NB=NO=a=2R.即图中NABO 构成一个正四面体。
第二章 半导体物理和半导体器件物理基础图文
如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻
率相应地降低50%左右
反之，纯净半导体在低温下的电阻率很高，呈
现出绝缘性
几种材料电阻率与温度的关系：
绝 缘 体
R
半导体
T
微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比 如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电 阻率在室温下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力 如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照 时的暗电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下 降为几十KΩ 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而 改变即半导体的导电能力可以由外界控制
电离受主 B 价带空穴
使空穴摆脱受主束缚的能 量就是受主的电离能 受主杂质B的电离能很小， 只有0.045eV，因此受主 上的空穴几乎都能全部电 离，形成自由导电的空穴。
3.有机半导体
有机半导体通常分为有机分子晶体、有机分子络 合物和高分子聚合物。 酞菁类及一些多环、稠环化合物，聚乙炔和环化 脱聚丙烯腈等导电高分子，他们都具有大π键结 构。
2.2 半导体中的载流子
2.2.1 半导体的能带
量子态和能级
电子的微观运动服从不同于一般力学的量子力学规律， 其基本的特点包含以下两种运动形式： （1）电子做稳恒的运动，具有完全确定的能量。这种恒 稳的运动状态称为量子态，相应的能量称为能级。 （2）一定条件下（原子间相互碰撞，或者吸收光能量 等），电子可以发生从一个量子态转移到另一个量子态 的突变，这种突变叫做量子跃迁。 **量子态的最根本的特点是只能取某些特定的值，而不能 取随意值。
半导体物理基础第一章课件
1.7.4本征半导体
• 本征载流子浓度ni和pi：
ni pi NCN V12exp2E K gT(169)
npni2(170)
• 称为质量作用定律。在非本征半导体情况 下同样适用。在热平衡情况下，已知ni和 一种载流子的浓度，可以求得另外一种载 流子的浓度
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1.7.4本征半导体
• 受主杂质很容易从价带接 收一个电子——受主电离 能很小，因此受主能级位 于价带之上，并距离很近 。
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1.6杂质能级
• 受主杂质电离的另外一种表述：把中性 的受主杂质看成带负电的硼离子在它周 围束缚一个带正点的空穴，把受主杂质 从价带接收一个电子的电离过程，看做 被硼离子束缚的空穴被激发的导带的过 程。
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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
电子实际上是被晶体中所有原子所共有 ，称为共有化。 • 共有化导致电子的能量状态发生变化， 产生了密集能级组成的准连续能带---能 级分裂。
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• 右图为硅 晶体的原 子间相互 作用示意 图
1.2 能带
si
si
si
si
si
si
si
si
si
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1.2 能带
• 二、能带结构与原子间距的关系 • 随着原子间距的缩小，能带结构发生的
变化依次为各能级分立、出现能级分裂 、合并为一个能带、再次出现能级分裂 等过程。 • 在“实际硅晶体原子间距”位置，共分 裂为两个能带，较低的能带被价电子填 满，较高的能带是空的。
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1.7载流子的统计分布
半导体物理第一章解读
讨论：
对于半导体Ge，上述讨论依然成立。由于Ge 较大的原子系数，其对价电子束缚力较弱。 存在大量的化合物半导体材料。比如III-V 型化合物：GaAs,InSb,GaP,InP等。II-VI型 半导体：ZnO,CdS. GaAs是一类重要的半导体，已广泛用于制 造发光二极管、激光器以及微波器件等。
第一章：掺杂半导体的导电性
1.1 载流子
半导体的导电与金属不同，存在两种载流 子：电子和空穴。 空穴：可以自由移动的缺位。 常温下，热运动对半导体导电性影响十分微 弱（对于Si，Ne, Np<1.5×1010 cm-3）。 掺杂是控制半导体中载流子浓度，从而控制半导体 导电性的重要手段。
1.2 掺杂
xj称为结深。表面厚度为xj的 这一层叫做扩散薄层，通常厚 度为几个微米。
扩 散 后 的 杂 质 浓 度 分 布 （ 型 ）
p
离开表面深度
对于电阻率恒定的薄层导体，如果其宽为W、厚为 d，则其电阻为：
L L R ( ) Wd d W
比例系数 d 称为方块电阻 R
( x) N ( x) q 对于电阻率不恒定的薄层导体， 1 1 1 R xj x 1 j xj xj x ( x)dx q 0 N ( x) dx j xj 0
授课主要内容（半导体物理基础知识）：
掺杂半导体的导电性（载流子，电导率，电阻率， 迁移率，方块电阻） 能级（多子，少子，费米能级，非平衡载流子复合、 扩散） PN结（I-V关系，空间电荷区，晶体管，PN结击穿、 电容效应，金属-半导体接触） 半导体表面（表面空间电荷区，MIS电容器，MOS场 效应晶体管，电荷耦合器件） 晶格和缺陷（空位，间隙原子，位错，层错，相变， 相图）
1.半导体材料导电类型的测定
实验1 半导体材料导电类型的测定1．实验目的通过本实验学习判定半导体单晶材料导电类型的几种方法。
2．实验内容用冷热探针法和三探针法测量单晶硅片的导电类型。
3．实验原理3.1半导体的导电类型是半导体材料重要的基本参数之一。
在半导体器件的生产过程中经常要根据需要采用各种方法来测定单晶材料的导电类型。
测定材料导电类型的方法有很多种，这里介绍常用的几种测定导电类型的方法，即冷热探针法、单探针点接触整流法和三探针法。
3.1.1 冷热探针法冷热探针法是利用半导体的温差电效应来测定半导体的导电类型的。
在图1a中，P型半导体主要是靠多数载流子——空穴导电。
在P型半导体未加探针之前，空穴均匀分布，半导体中处处都显示出电中性。
当半导体两端加上冷热探针后，热端激发的载流子浓度高于冷端的载流子浓度，从而形成了一定的浓度梯度。
于是，在浓度梯度的驱使下，热端的空穴就向冷端做扩散运动。
随着空穴不断地扩散，在冷端就有空穴的积累，因而带上了正电荷，同时在热端因为空穴的欠缺(即电离受主的出现)而带上了负电荷。
上述正负电荷的出现便在半导体内部形成了由冷端指向热端的电场。
于是，冷端的电势便高于热端的电势，冷热两端就形成了一定的电势差，这一效应又称为温差电效应，这个电势差又称为温差电势。
如果此时在冷热探针之间接入检流计，那么，在外电路上就会形成由冷端指向热端的电流，检流计的指针就会向一个方向偏转。
从能带的角度来看，在没有接入探针前，半导体处于热平衡状态，体内温度处处相等，主能带是水平的，费米能级也是水平的。
在接入探针以后，由于冷端电势高于热端电势，所以冷端主能带相对于热端主能带向下倾斜，同时由于冷端温度低于热端，故热端的费米能级相对于冷端的费米能级来说，距离价带更远，如图1b所示。
如果我们将上述的P型半导体换成N型半导体，则电子做扩散运动，在冷端形成积累。
由于电子带有负电荷，所以，冷端电势低于热端电势，在外电路形成的电流从热端指向冷端，检流计向另一方向偏转。
半导体物理第1章半导体的晶体结构与价键模型
•成键的条件：成键原子得失电子的能力相当或是差别较小 •非极性共价键：元素半导电体子科的技大相学 邻刘诺原子吸引电子的能力一样，
共用电子对不会发生偏移
共价键的特征
方向性
原子只在特定方向形成共价键 键之间的夹角都是109°28´
饱和性
每个原子的价电子层都是满的
离子键：原子首先转变为正、负离子，然后正、负离
例：晶面指数？
晶面指数（1/2, 1/2, 1/1）-> （112）
电子科技大学 刘诺
弥勒（Miller）指数:晶向指数
晶向指数描述特定的晶向
电子科技大学 刘诺
第1章 半导体的晶体结构与价键模型
1.1 材料和晶体的分类 1.2 晶面、晶向和勒指数 1.3 原子价键 1.4三维晶体结构的定性描述 1.5π电子体系晶体结构简介 1.6小结
• 晶向指数：[hkl] • 等效晶向指数：<hkl> • 等效晶面指数：{hkl}
电子科技大学 刘诺
弥勒（Miller）指数:晶面指数
(110)面
电子科技大学 刘诺
晶面指数
确定方法
(110)面
晶面与坐标轴相交
确定晶面在三个坐标轴上的截距（1, 1, ∞ ）的数值 取截距的倒数（1/x, 1/y, 1/z）= （110） （1/x, 1/y, 1/z）乘以电子最科技小大学公刘诺分母= （110）
[2] 黄昆，谢希德.半导体物理学。北京：科学出版社，1965.
[3] 黄昆，韩汝琦.半导体物理基础。北京：科学出版社，1979.
[4] 刘恩科，朱秉升，罗晋生. 半导体物理学。北京：电子工业出版社，2005.
[5] 萨支唐. 固态电子学基础。上海：复旦大学出版社，2002.
《半导体物理基础》课件
04 半导体中的载流子输运
CHAPTER
载流子的产生与复合
载流子的产生
当半导体受到外界能量（如光、热、电场等）的作用时，其 内部的电子和空穴的分布状态会发生改变，导致电子和空穴 从价带跃迁到导带，产生电子-空穴对。
06 半导体物理的应用与发展趋势
CHAPTER
半导体物理在电子器件中的应用
01
02
03
晶体管
利用半导体材料制成的晶 体管是现代电子设备中的 基本元件，用于放大、开 关和整流信号。
集成电路
集成电路是将多个晶体管 和其他元件集成在一块芯 片上，实现特定的电路功 能。
太阳能电池
利用半导体的光电效应将 光能转化为电能，太阳Hale Waihona Puke 电池是可再生能源的重要 应用之一。
半导体物理在光电子器件中的应用
LED
发光二极管，利用半导体的光电效应发出可见光 ，广泛应用于照明和显示领域。
激光器
利用半导体的光放大效应产生激光，用于数据存 储、通信和医疗等领域。
光探测器
利用半导体的光电效应探测光信号，用于光纤通 信、环境监测等领域。
半导体物理的发展趋势与展望
新材料和新型器件
随着科技的发展，人们不断探索新的半导体材料和新型器件，以 提高性能、降低成本并满足不断变化的应用需求。
闪锌矿结构
如铬、钨等金属的晶体结构。
如锗、硅等半导体的晶体结构。
面心立方结构（fcc）
如铜、铝等金属的晶体结构。
纤锌矿结构
如氮化镓、磷化镓等半导体的晶 体结构。
晶体结构对半导体性质的影响
第一章-晶体结构-《固体物理学》黄昆-韩汝琦
6. 几种化合物晶体的晶格 1) NaCl晶体的结构 氯化钠由Na+和Cl－结合而成 —— 一种典型的离子晶体 Na+构成面心立方格子；Cl－也构成面心立方格子
01_01_一些晶体的实例 —— 晶体结构
2) CsCl晶体的结构 CsCl结构 —— 由两个简单立方子晶格彼此沿立方体空间对 角线位移1／2 的长度套构而成
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第一章 晶体结构
晶体：在微米量级的范围是有序排列的 —— 长程有序
—— 在熔化过程中，晶态固体的长程有序解体时对应一定 的熔点
晶体的规则外形
—— 最显著的特点是晶面有规则、对称地配置 —— 一个理想完整的晶体，相应的晶面的面积相等
01_01_一些晶体的实例 —— 晶体结构
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不同生长条件下NaCl晶体的外形___b, c, d
—— 20世纪三十年代，建立了固体能带论和晶格动力学
01_00_绪论 —— 固体物理_黄昆
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—— 固体能带论说明了导体与绝缘体的区别，并断定有 一类固体，其导电性质介于两者之间______半导体
—— 20世纪四十年代末，以诸、硅为代表的半导体单晶的 出现并制成了晶体三极管______ 产生了半导体物理
体心立方晶格中，A层中原Байду номын сангаас球的距离等于A－A层之间的距
离，A层原子球的间隙 —— 0.31r0
r0 —— 原子球的半径
—— 体心立方晶格 结构的金属
Li、Na、K、Rb、 Cs、Fe 等
01_01_一些晶体的实例 —— 晶体结构
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体心立方晶格结构金属 —— Iron
01_01_一些晶体的实例 —— 晶体结构
钙钛矿结构 —— 钛酸钙（CaTiO3）结构 —— 重要介电晶体 钛酸钡（BaTiO3） 锆酸铅（PbZrO3） 铌酸锂（LiNbO3） 钽酸锂（LiTaO3）等
1.半导体材料导电类型的测定
实验1 半导体材料导电类型的测定1．实验目的通过本实验学习判定半导体单晶材料导电类型的几种方法。
2．实验内容用冷热探针法和三探针法测量单晶硅片的导电类型。
3．实验原理3.1半导体的导电类型是半导体材料重要的基本参数之一。
在半导体器件的生产过程中经常要根据需要采用各种方法来测定单晶材料的导电类型。
测定材料导电类型的方法有很多种，这里介绍常用的几种测定导电类型的方法，即冷热探针法、单探针点接触整流法和三探针法。
3.1.1 冷热探针法冷热探针法是利用半导体的温差电效应来测定半导体的导电类型的。
在图1a中，P型半导体主要是靠多数载流子——空穴导电。
在P型半导体未加探针之前，空穴均匀分布，半导体中处处都显示出电中性。
当半导体两端加上冷热探针后，热端激发的载流子浓度高于冷端的载流子浓度，从而形成了一定的浓度梯度。
于是，在浓度梯度的驱使下，热端的空穴就向冷端做扩散运动。
随着空穴不断地扩散，在冷端就有空穴的积累，因而带上了正电荷，同时在热端因为空穴的欠缺(即电离受主的出现)而带上了负电荷。
上述正负电荷的出现便在半导体内部形成了由冷端指向热端的电场。
于是，冷端的电势便高于热端的电势，冷热两端就形成了一定的电势差，这一效应又称为温差电效应，这个电势差又称为温差电势。
如果此时在冷热探针之间接入检流计，那么，在外电路上就会形成由冷端指向热端的电流，检流计的指针就会向一个方向偏转。
从能带的角度来看，在没有接入探针前，半导体处于热平衡状态，体内温度处处相等，主能带是水平的，费米能级也是水平的。
在接入探针以后，由于冷端电势高于热端电势，所以冷端主能带相对于热端主能带向下倾斜，同时由于冷端温度低于热端，故热端的费米能级相对于冷端的费米能级来说，距离价带更远，如图1b所示。
如果我们将上述的P型半导体换成N型半导体，则电子做扩散运动，在冷端形成积累。
由于电子带有负电荷，所以，冷端电势低于热端电势，在外电路形成的电流从热端指向冷端，检流计向另一方向偏转。
第二讲-半导体物理及器件基础总结PPT课件
If you can draw one, but don't, then your audience won't know what you are talking about.
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