半导体物理总复习
半导体物理复习试题及答案(复习资料)
半导体物理复习试题及复习资料一、选择题1.与绝缘体相比，半导体的价带电子激发到导带所需要的能量（ B ）。
A. 比绝缘体的大B.比绝缘体的小C. 和绝缘体的相同2.受主杂质电离后向半导体提供（ B ），施主杂质电离后向半导体提供（ C ），本征激发向半导体提供（ A ）。
A. 电子和空穴B.空穴C. 电子3.对于一定的N型半导体材料，在温度一定时，减小掺杂浓度，费米能级会（ B ）。
A.上移B.下移C.不变4.在热平衡状态时，P型半导体中的电子浓度和空穴浓度的乘积为常数，它和（ B ）有关A.杂质浓度和温度B.温度和禁带宽度C.杂质浓度和禁带宽度D.杂质类型和温度5.MIS结构发生多子积累时，表面的导电类型与体材料的类型（ B ）。
A.相同B.不同C.无关6.空穴是( B )。
A.带正电的质量为正的粒子B.带正电的质量为正的准粒子C.带正电的质量为负的准粒子D.带负电的质量为负的准粒子7.砷化稼的能带结构是（ A ）能隙结构。
A. 直接B. 间接8. 将Si 掺杂入GaAs 中，若Si 取代Ga 则起（ A ）杂质作用，若Si 取代As 则起（ B ）杂质作用。
A. 施主B. 受主C. 陷阱D. 复合中心9. 在热力学温度零度时，能量比F E 小的量子态被电子占据的概率为（ D ），当温度大于热力学温度零度时，能量比F E 小的量子态被电子占据的概率为（ A ）。
A. 大于1/2B. 小于1/2C. 等于1/2D. 等于1E. 等于010. 如图所示的P 型半导体MIS 结构的C -V 特性图中，AB 段代表（ A ），CD 段代表（B ）。
A. 多子积累B. 多子耗尽C. 少子反型D. 平带状态11. P 型半导体发生强反型的条件（ B ）。
A. ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=i A S n N q T k V ln 0B. ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≥i A S n N q T k V ln 20 C. ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=i D S n N q T k V ln 0 D. ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≥i D S n N q T k V ln 20 12. 金属和半导体接触分为：（ B ）。
半导体器件物理复习纲要word精品文档5页
第一章 半导体物理基础能带：1-1什么叫本征激发？温度越高，本征激发的载流子越多，为什么？1-2试定性说明Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数的原因。
1-3、试指出空穴的主要特征及引入空穴的意义。
1-4、设晶格常数为a 的一维晶格，导带极小值附近能量E c (k)和价带极大值附近能量E v (k)分别为：2222100()()3C k k k E k m m -=＋和22221003()6v k k E k m m =－；m 0为电子惯性质量，1k a π=；a ＝0.314nm ，341.05410J s -=⨯⋅，3109.110m Kg -=⨯，191.610q C -=⨯。
试求：①禁带宽度；②导带底电子有效质量；③价带顶电子有效质量。
题解：1-1、 解：在一定温度下，价带电子获得足够的能量（≥E g ）被激发到导带成为导电电子的过程就是本征激发。
其结果是在半导体中出现成对的电子-空穴对。
如果温度升高，则禁带宽度变窄，跃迁所需的能量变小，将会有更多的电子被激发到导带中。
1-2、 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。
温度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。
反之，温度降低，将导致禁带变宽。
因此，Ge 、Si 的禁带宽度具有负温度系数。
1-3、准粒子、荷正电：+q ； 、空穴浓度表示为p （电子浓度表示为n ）； 、E P =-E n （能量方向相反）、m P *=-m n *。
空穴的意义：引入空穴后，可以把价带中大量电子对电流的贡献用少量空穴来描述，使问题简化。
1-4、①禁带宽度Eg 根据dk k dEc )(＝2023k m ＋2102()k k m -＝0；可求出对应导带能量极小值E min 的k 值： k min ＝143k ， 由题中E C 式可得：E min ＝E C (K)|k=k min =2104k m ；由题中E V 式可看出，对应价带能量极大值Emax 的k 值为：k max ＝0；并且E min ＝E V (k)|k=k max ＝22106k m ；∴Eg ＝E min －E max ＝221012k m ＝222012m a π ＝23423110219(1.05410)129.110(3.1410) 1.610π----⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯＝0.64eV②导带底电子有效质量m n2222200022833C d E dk m m m =+=；∴ 22023/8C n d E m m dk == ③价带顶电子有效质量m ’ 22206V d E dk m =-，∴2'2021/6V n d E m m dk ==- 掺杂：2-1、什么叫浅能级杂质？它们电离后有何特点？2-2、什么叫施主？什么叫施主电离？2-3、什么叫受主？什么叫受主电离？2-4、何谓杂质补偿？杂质补偿的意义何在？题解：2-1、解：浅能级杂质是指其杂质电离能远小于本征半导体的禁带宽度的杂质。
半导体物理复习归纳
半导体物理复习归纳————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期:一、半导体的电子状态1、金刚石结构（Ｓi、Ge）Si、Ge原子组成，正四面体结构，由两个面心立方沿空间对角线互相平移１/４个空间对角线长度套构而成。
由相同原子构成的复式格子。
2、闪锌矿结构（GaAｓ)３-5族化合物分子构成，与金刚石结构类似,由两类原子各自形成的面心立方沿空间对角线相互平移1/４个空间对角线长度套构而成。
由共价键结合,有一定离子键。
由不同原子构成的复式格子。
3、纤锌矿结构（ＺnＳ)与闪锌矿结构类似，以正四面体结构为基础,具有六方对称性,由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积而成。
是共价化合物，但具有离子性，且离子性占优。
4、氯化钠结构（NaＣl)沿棱方向平移1／2,形成的复式格子。
5、原子能级与晶体能带原子组成晶体时,由于原子间距非常小,于是电子可以在整个晶体中做共有化运动，导致能级劈裂形成能带。
6、脱离共价键所需的最低能量就是禁带宽度。
价带上的电子激发为准自由电子，即价带电子激发为导带电子的过程,称为本征激发。
7、有效质量的意义a.有效质量概括了半导体内部势场的作用（有效质量为负说明晶格对粒子做负功)b.有效质量可以直接由实验测定c.有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比。
能带越窄,二次微商越小，有效质量越大。
8、测量有效质量的方法回旋共振。
当交变电磁场角频率等于回旋频率时,就可以发生共振吸收。
测出共振吸收时电磁波的角频率和磁感应强度,就可以算出有效质量。
为能观测出明显的共振吸收峰，要求样品纯度较高,且实验要在低温下进行。
9、空穴价带中空着的状态被看成带正电的粒子，称为空穴。
这是一种假想的粒子，其带正电荷+q，而且具有正的有效质量m p＊。
10、轻／重空穴重空穴:有效质量较大的空穴轻空穴：有效质量较小的空穴11、间接带隙半导体导带底和价带顶处于不同k值的半导体。
半导体物理复习资料
第一章 半导体中的电子状态1.导体、半导体、绝缘体的划分：Ⅰ导体内部存在部分充满的能带，在电场作用下形成电流；Ⅱ绝缘体内部不存在部分充满的能带，在电场作用下无电流产生； Ⅲ半导体的价带是完全充满的，但与之上面靠近的能带间的能隙很小，电子易被激发到上面的能带，使这两个能带都变成部分充满，使固体导电。
2.电子的有效质量是*n m ，空穴的有效质量是*p m ；**np m m -=，电量等值反号，波矢k 与电子相同 能带底电子的有效质量是正值，能带顶电子的有效质量是负值。
能带底空穴的有效质量是负值，能带顶空穴的有效质量是正值。
3.半导体中电子所受的外力dtdkh f ⋅=的计算。
4.引进有效质量的意义：概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在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。
第二章 半导体中杂质和缺陷能级1.施主能级：被施主杂质束缚的电子的能量状态称为施主能级E D ；施主能级很接近于导带底；受主能级：被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级E A ；受主能级很接近于价带顶。
施主能级图 受主能级图2.浅能级杂质：杂质的电离能远小于本征半导体禁带宽度的杂质，电离后向相应的能带提供电子或空穴。
深能级杂质：能级位于禁带中央位置附近，距离相应允带差值较大。
深能级杂质起复合中心、陷阱作用；浅能级杂质起施主、受主作用。
3.杂质的补偿作用：半导体中同时含有施主和受主杂质，施主和受主先相互抵消，剩余的杂质发生电离。
在Ⅲ-Ⅴ族半导体中(Ga-As )掺入Ⅳ族杂质原子(Si )，Si 为两性杂质，既可作施主，亦可作受主。
设315100.1-⨯=cm N A ，316101.1-⨯=cm N D ；则316100.1-⨯=-=cm N N n A D 由p n n i ⋅=2，可得p 值；①p n ≈时，近似认为本征半导体，i F E E =；②p n μμ=时，本征电导p n σσ=； p n >>时，杂质能级靠近导带底；第三章 半导体中载流子的统计分布1.费米分布函数(简并半导体)⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-+=Tk E E E f F 0exp 11)((本征)；⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-+=T k E E E f F 0exp 2111)((杂质)；玻尔兹曼分布函数(非简并半导体) ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-=T k E A E f B0exp )(；2.费米能级：TF N F E ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂==μ；系统处于热平衡状态，也不对外界做功的情况下，系统中增加一个电子所引起系统自由能的变化，等于系统的化学势，也就是等于系统的费米能级。
半导体物理总复习
隧道效应
单独的N型和P型半导体是电中性的,当这两 对于P型半导体和N型半导体结合面附近 种半导体结合形成PN结时，将在N型半导体和P 的电离施主和电离受主所带电荷称为空间电 型半导体的结合面上形成如下物理过程: 荷，它们所在的区域称为空间电荷区。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也 因浓度差 称耗尽层。 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内建电场 内建电场促使少子漂移 内建电场阻止多子扩散
本征半导体： 不含杂质且结构非常完整的单晶半导体。 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
有效质量的特点
决定于材料； E ② mn*只在能带极值附近有意义; ③ mn*可正可负; 在能带底部附近，E(k)曲线开口向上，d2E/dk2>0， mn*>0; 0 在能带顶部附近，E(k)曲线开口向下， 1/2 v a d2E/dk2<0， mn*<0; ④ mn*大小与能带宽窄有关; 0 内层:能带窄, d2E/dk2小, mn*大； 外层:能带宽, d2E/dk2大, mn*小. mn 因而，外层电子在外力作用下可以获得 + * 较大的加速度。 ⑤ 对于带顶和带底的电子,有效质量恒定。 0
本征区
● 饱和电离区的确定
载流子浓度随温度、掺杂浓度的变化规律 费米能级位置随温度、掺杂浓度的变化情况
图3-3、3-7、3-10、3-11、3-13、3-14、3-15
第四章
一、电导率、迁移率、电导率和平均自由 时间的关系 二、载流子的散射
1.电离杂质的散射：低温、掺杂浓度高 2.晶格散射：高温、掺杂浓度低
高度补偿：若施主杂质浓度与受主杂质浓度相差不大或二者相等，则不能提 供电子或空穴，这种情况称为杂质的高等补偿。
半导体物理总复习
禁带宽度：导带底与价带顶之间的能量差
3.电子的有效质量
（1） 晶体中的电子在外加电场作用下，电子除受外电场
的作用力，还受到内部原子核和其它电子的作用力，但
内部势场的作用力难以精确确定。电子的有效质量将晶 体导带中电子的加速度与外加作用力联系起来，电子有 效质量概括了晶体中内部势场对电子的作用力。这样仍 能用经典力学的方法来描述晶体中电子运动规律。即：
5.不同温区载流子浓度和费米能级的计
强电离区
n型半导体
n0 N D ni2 p0 n0 p0 N A ni2 n0 p0
当N D N A时： n0 N D N A
补偿型半导体
ni2 p0 n0 当N D N A时 p0 N A N D ni2 n0 p0
间接带隙半导体：导带低和价带顶对应的电子波矢不相同
二. 基本公式
有效质量
2 h m* 2 d E dk 2
速度：
1 dE h dk
例1、 一维晶体的电子能带可写为，
7 1 E（k ) ( coska cos2ka) 2 8 ma 8
式中a为晶格常数，试求
1、能带宽度； 2、电子在波矢k状态时的速度； 3、能带底部电子的有效质量； 4、能带顶部空穴的有效质量；
n p 中处于准平衡分布，可以有各自的费米能级 E F 和E F
称为准费米能级，准费米能级分离的程度，即
E E
n F
p F
的大小，反映了与平衡态分离的程度
4. 解释载流子的产生和复合，直接复合，间接复合，复合率 产 生：电子和空穴被形成的过程，如电子从价带跃迁到导 带，或 电子从杂质能级跃迁到导带的过程或空穴从
2
1、由
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第一章 半导体中的电子状态1. 如何表示晶胞中的几何元素？规定以阵胞的基矢群为坐标轴，即以阵胞的三个棱为坐标轴，并且以各自的棱长为单位，也称晶轴。
2. 什么是倒易点阵（倒格矢）？为什么要引入倒易点阵的概念？它有哪些基本性质？ 倒格子： 2311232()a a b a a a π⨯=⋅⨯3122312()a a b a a a π⨯=⋅⨯1233122()a a b a a a π⨯=⋅⨯倒格子空间实际上是波矢空间，用它可很方便地将周期性函数展开为傅里叶级数，而傅里叶级数是研究周期性函数的基本数学工具。
3. 波尔的氢原子理论基本假设是什么？（1）原子只能处在一系列不连续的稳定状态。
处在这些稳定状态的原子不辐射。
（2）原子吸收或发射光子的频率必须满足。
（3）电子与核之间的相互作用力主要是库仑力，万有引力相对很小，可忽略不计。
（4）电子轨道角动量满足：h m vr nn π== 1,2,3,24. 波尔氢原子理论基本结论是什么？ （1） 电子轨道方程：0224πεe r mv = （2） 电子第n 个无辐射轨道半径为：2022meh n r n πε= （3） 电子在第n 个无辐射轨道大巷的能量为：222042821hn me mv E n n ε== 5. 晶体中的电子状态与孤立原子中的电子状态有哪些不同？（1）与孤立原子不同，由于电子壳层的交迭，晶体中的电子不再属于某个原子，使得电子在整个晶体中运动，这样的运动称为电子共有化运动，这种运动只能在相似壳间进行，也只有在最外层的电子共有化运动才最为显著。
（2）孤立原子钟的电子运动状态由四个量子数决定，用非连续的能级描述电子的能量状态，在晶体中由于电子共有化运动使能级分裂为而成能带，用准连续的能带来描述电子的运动状态。
6. 硅、锗原子的电子结构特点是什么？硅电子排布：2262233221p s p s s锗电子排布：22106262244333221p s d p s p s s价电子有四个：2个s 电子，2个p 电子。
半导体物理学期末总复习
态密度
导带底附近状态密度（理想情况）
V 2 dz 3 4 k dk 4
2 2
k E (k ) EC * 2mn
kdk
mn dE
2 1/ 2
*
V (2mn ) dz 2 3 2
* 3/ 2
( E EC ) dE
态密度
dz V (2mn* )3/ 2 1/ 2 gc ( E ) 2 ( E E ) C 3 dE 2
k u * mn
自由电子的速度
微观粒子具有波粒二象性
p m0u
p E 2m0
i ( K r t )
2
p K E hv
k u m0
(r, t ) Ae
半导体中电子的加速度
半导体中电子在一强度为 E的外加电场作用 下，外力对电子做功为电子能量的变化
u
dE fds fudt
的体积 前两者相乘得状态数 dz 根据定义公式求得态密度 g ( E )
k 空间中的量子态
/ 8 ） 在 k 空间中，电子的允许能量状态密度为V （ ， 考虑电子的自旋情况，电子的允许量子态密度 3 / 4 ） 为V （ ，每个量子态最多只能容纳一个电子。
3
nx k x 2 (nx 0, 1, 2, ） L ny k y 2 (ny 0, 1, 2, ） L nz k z 2 (nz 0, 1, 2, ） L
K空间等能面
在k=0处为能带极值
k E (k ) E (0) * 2mn
2 2
导带底附近
k E(k ) E(0) * 2mp
2 2
价带顶附近
K空间等能面
kz 为坐标轴构成 k 空间， 以 kx 、k y 、 k 空间 任一矢量代表波矢 k
半导体物理复习试题及答案复习资料
半导体物理复习试题及答案复习资料一、选择题1、下面关于晶体结构的描述，错误的是（）A 晶体具有周期性的原子排列B 晶体中原子的排列具有长程有序性C 非晶体的原子排列没有周期性D 所有晶体都是各向同性的答案：D解释：晶体具有各向异性，而非各向同性。
2、半导体中的施主杂质能级（）A 位于导带底附近B 位于价带顶附近C 位于禁带中央D 靠近价带顶答案：A解释：施主杂质能级靠近导带底，容易向导带提供电子。
3、本征半导体的载流子浓度随温度升高而（）A 不变B 减小C 增大D 先增大后减小答案：C解释：温度升高，本征激发增强，载流子浓度增大。
4、下面关于 PN 结的描述，正确的是（）A PN 结空间电荷区中的内建电场方向由 N 区指向 P 区B 正向偏置时，PN 结电流很大C 反向偏置时，PN 结电流很小且趋于饱和D 以上都对答案：D解释：PN 结空间电荷区中的内建电场方向由 N 区指向 P 区，正向偏置时多数载流子扩散电流大，反向偏置时少数载流子漂移电流小且趋于饱和。
5、金属和半导体接触时，如果形成阻挡层，那么半导体表面是（）A 积累层C 反型层D 以上都可能答案：B解释：形成阻挡层时，半导体表面通常是耗尽层。
二、填空题1、常见的半导体材料有_____、＿____和_____等。
答案：硅、锗、砷化镓2、半导体中的载流子包括_____和_____。
答案：电子、空穴3、施主杂质的电离能_____受主杂质的电离能。
（填“大于”或“小于”）答案：小于4、当半导体处于热平衡状态时，其费米能级_____。
（填“恒定不变”或“随温度变化”）答案：恒定不变5、异质结分为_____异质结和_____异质结。
答案：突变异质结、缓变异质结1、简述半导体中施主杂质和受主杂质的作用。
答：施主杂质在半导体中能够提供电子，使其成为主要的导电载流子，增加半导体的电导率。
受主杂质能够接受电子，产生空穴，使空穴成为主要的导电载流子，同样能提高半导体的电导率。
半导体物理总复习
能带论 共有化运动 电子/空穴 有效质量
杂质能级（施主、受主） E EF c k0T
n0 = Nc exp
p0 = Nv exp
E EF
k 0T
v
分本征、杂质半导体两种情况讨论（变化规律的物理图像） 简并半导体及其禁带变窄效应
n0p0 = ni2
Chapter 3
外场作用下载流子的运动规律
11/98
12/98
13/98
18/98
19/98
20/98
21/98
22/98
23/98
2
半导体中载流子的统计分布
本章内容提要
n n n
热平衡状态，状态密度 费米能级与分布函数 电中性方程 载流子浓度 Vs 温度
n
n
简并半导体
24/98
产生载流子（本征激发/杂质电离）
电子由低能态向高能态跃迁
EF p < EF
n = Nc exp
p = Nv exp np = n0p0 exp
空穴准费米能级比平衡费米能级低
Ec EF n k0T
p E F Ev k0T
EF EF = ni exp = n0 exp k0T = p0 exp EF EFp k0T
n p
n
n
EF Ei
陷阱中心的特点
复合中心：
rn 能 rp 够俘获两种不同载流子而复合掉
而陷阱中心对两种载流子的俘获能力必然相差很大
Nt
越大，陷阱作用最强
杂质能级与平衡时的费米能级重合时，陷阱作用最强
61/98
5
p-n结
本章内容提要
n n n n
p-n结的形成及其能带图 p-n结伏安特性 p-n结电容 p-n结击穿 p-n结隧道效应
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。
半导体物理复习归纳
一、半导体的电子状态1、金刚石结构（Si、Ge）Si、Ge原子组成，正四面体结构，由两个面心立方沿空间对角线互相平移1/4个空间对角线长度套构而成。
由相同原子构成的复式格子。
2、闪锌矿结构（GaAs）3-5族化合物分子构成，与金刚石结构类似，由两类原子各自形成的面心立方沿空间对角线相互平移1/4个空间对角线长度套构而成。
由共价键结合，有一定离子键。
由不同原子构成的复式格子。
3、纤锌矿结构（ZnS）与闪锌矿结构类似，以正四面体结构为基础，具有六方对称性，由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积而成。
是共价化合物，但具有离子性，且离子性占优。
4、氯化钠结构（NaCl）沿棱方向平移1/2，形成的复式格子。
5、原子能级与晶体能带原子组成晶体时，由于原子间距非常小，于是电子可以在整个晶体中做共有化运动，导致能级劈裂形成能带。
6、脱离共价键所需的最低能量就是禁带宽度。
价带上的电子激发为准自由电子，即价带电子激发为导带电子的过程，称为本征激发。
7、有效质量的意义a.有效质量概括了半导体内部势场的作用（有效质量为负说明晶格对粒子做负功）b.有效质量可以直接由实验测定c.有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比。
能带越窄，二次微商越小，有效质量越大。
8、测量有效质量的方法回旋共振。
当交变电磁场角频率等于回旋频率时，就可以发生共振吸收。
测出共振吸收时电磁波的角频率和磁感应强度，就可以算出有效质量。
为能观测出明显的共振吸收峰，要求样品纯度较高，且实验要在低温下进行。
9、空穴价带中空着的状态被看成带正电的粒子，称为空穴。
这是一种假想的粒子，其带正电荷+q，而且具有正的有效质量m p*。
10、轻/重空穴重空穴：有效质量较大的空穴轻空穴：有效质量较小的空穴11、间接带隙半导体导带底和价带顶处于不同k值的半导体。
二、半导体中的杂质和缺陷能级1、晶胞空间体积计算Si晶胞中有8个硅原子，每个原子看做半径为r的圆球，则8个原子占晶胞空间的百分数：立方体某顶角的圆球中心与距此顶角1/4体对角线长度处的圆球中心间的距离为2r，且等于边长为a的立方体体对角线长（a3）的1/4。
半导体物理基础 总复习
掌握熟悉了解第一章半导体物理基础一、能带理论1、能带的形成、结构：导带、价带、禁带•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•价带：绝对0度条件下被电子填充的能量最高的能带；结合成共价键的电子填充的能带。
•导带：绝对0度条件下未被电子填充的能量最低的能带2、导体、半导体、绝缘体的能带结构特点•禁带的宽度区别了绝缘体和半导体；而禁带的有无是导体和半导体、绝缘体之间的区别；绝缘体是相对的，不存在绝对的绝缘体。
3、导电的前提：不满带的存在二、掺杂半导体1、两种掺杂半导体的能级结构。
2、杂质补偿的概念三、载流子统计分布1、费米函数、费米能级：公式1-7-9和1-7-10，及其简化公式1-7-11和1-7-122、质量作用定律，只用于本征半导体：公式1-7-273、用费米能级表示的载流子浓度：公式1-7-28和1-7-294、杂质饱和电离的概念（本征激发）5、杂质半导体费米能级的位置：公式1-7-33和1-7-37。
意义（图1-13，费米能级随着掺杂浓度和温度的变化）。
6、杂质补充半导体的费米能级四、载流子的运输1、（1.8节）载流子的运动模式：散射－漂移－散射。
平均弛豫时间的概念2、迁移率，物理意义：公式1-9-4和1-9-5（迁移率与电子自由运动时间和有效质量有关），迁移率与温度和杂质浓度的关系3、电导率，是迁移率的函数：公式1-9-10和1-9-114、在外电场和载流子浓度梯度同时存在的条件下，载流子运输公式：1-9-24～1-9-275、费米势：公式1-10-5：电势与费米能级的转换6、以静电势表示的载流子浓度1-10-6和1-10-7或1-10-9和1-10-107、爱因斯坦关系：反映了扩散系数和迁移率的关系。
在非热平衡状态下也成立。
公式1-10-11和1-10-12 五、非平衡载流子1、概念：平衡与非平衡（能带间的载流子跃迁）；过剩载流子2、大注入和小注入3、产生率、复合率、净复合率4、非平衡载流子的寿命：从撤销外力，到非平衡载流子消失。
半导体物理学期末总复习
半导体中的热平衡态
载流子的扩散
在半导体中，不同区域的载流子浓度不同，浓度高的区域的载流子会向浓度低的区域扩散，这种现象称为载流子的扩散。
载流子的漂移
当半导体中存在电场时，载流子会受到电场力的作用，从高电场强度区域向低电场强度区域移动，这种现象称为载流子的漂移。
载流子的输运过程
在半导体中，载流子的浓度分布取决于载流子的产生、复合、扩散、漂移等过程的综合作用。
太阳能电池
利用半导体物理器件的能带结构，可以制造出高效的太阳能电池。
半导体物理器件在新能源和环境中的应用
风能发电装置
利用半导体物理器件的高频特性，可以制造出高效的风能发电装置。
水质监测和污水处理
利用半导体物理器件的化学传感器作用，可以制造出用于水质监测和污水处理中的传感器。
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04
半导体的光学性质
光吸收
半导体对光的吸收主要取决于材料中的电子和原子结构。在光子能量大于或等于半导体带隙时，光子会被吸收并产生电子-空穴对。
光发射
光发射是半导体中电子从束缚态跃迁到自由态并辐射出光子的过程。光发射的能量与带隙密切相关，带隙越大，发射光的能量越高。
半导体中的光吸收与光发射
光电效应
5G和6G通信技术
随着5G和6G通信技术的不断发展，现代半导体器件需要适应更高的频率和更复杂的通信协议。
半导体物理器件在集成电路中的应用
存储器
半导体物理器件还可以应用于存储器中，例如动态随机存储器和闪存等。
传感器
半导体物理器件还可以应用于传感器中，例如光传感器、温度传感器和压力传感器等。
微处理器
半导体物理器件在集成电路中的应用最为广泛，其中微处理器是其中的代表。
半导体物理学总复习课
－1
• 玻尔兹曼分布
E − EF f B (E ) = exp − k0T
E − EF >> kT时, exp [(E-EF )/kT] >> 1
此时,费米分布函数近似为
E − EF f F (E ) = 1＋exp kT
− t
τ
∆n(t ) = ∆n(0)e
−
t
τ
平衡时
n0、 p0
光注入后从非平 衡到平衡的过程
n = n0 + ∆n p = p0 + ∆p
σ＝( n0＋∆n ) qµn＋( p0＋∆p) qµp
= (n 0 qµ n ＋p 0 qµ p ) + (∆nqµ n ＋∆pqµ p )
= σ 0 (原光电导） ∆σ + （附加光电导）
非平衡载流子的寿命
复合过程引起非平衡载流子的减少,随时间做指数衰减。
非平衡载流子的复合率:单位时间单位体积内复合消失的电子-空 穴对的数目。
d ∆p (t ) d ∆p (t ) 复合率U = = ∆t dt t − 1 1 τ = ∆p (0)e (− ) = − ∆p (t )
∆p (t ) = −Uτ
先求多子（空穴）浓度 先求多子（空穴）浓度
n0 = N D − N A + p0 ni2 p0 = n0
( N D − N A ) + (( N D − N A ) 2 + 4ni2 )1/2 = 2
强 n0 = ni + N A − ND 电 ≈ N A − ND 离 再求少子浓度 区
ni2 n0 = p0
先求多子（空穴）浓度 先求多子（空穴）浓度
半导体物理知识复习
根据所掺元素的不同，又可将掺杂后 的半导体分为N型半导体（掺入5价元 素）和P型半导体（掺入3价元素）。
N型半导体及其性质
+5 +4 N型硅表示 +4 +4+
不能导电 对于N型半导体 施主杂质 来说，其中的电
N型半导体中: 电子为多数载流子（多子），主要由 杂质原子提供 空穴为少数载流子（少子），主要由 热激发产生
载流子的概念
+4 +4 +4 +4
自由电子与空穴均可视为 载流子，但所携带电荷的 极性不同。 载流子：载运电流的粒子
空穴 自由电子 带正电 带负电
在本征半导体中，自由电 子与空穴总是成对出现， 成为电子-空穴对,从而两 种载流子的浓度相等。
电子浓度：ni 空穴浓度：pi
ni pi
第 一 节 ： 半 导 体 中 的 载 流 子 及 其 运 动
施主能级
V族施主电离能很小 施主的电离：施主能级 上的电子跃迁到导带
受主能级
负电中心束缚空穴 III族受主电离能很小 受主的电离：价带电子跃迁 到受主能级，失去空穴的负 电中心
半导体中少子和多子的平衡 n型半导体：主要电子导电，有少量空穴 P型半导体：主要空穴导电，有少量电子
多子：多数载流子
n型半导体：电子 p型半导体：空穴
• 硅、锗等半导体都属于金刚石型结构。 • III-V族化合物（如砷化镓等）大多是属于闪 锌矿型结构，与金刚石结构类似。 • 晶格常数是晶体的重要参数。 • aGe=0.5658nm,aSi=0.5431nm
半导体的原子结构
Si
Ge
硅原子
价电子
锗原子
价电子
+4
正离子
半导体物理学期末总复习
Si原子的能级
▪ 电子的能级是量子化的
n=3 四个电子
n=2 8个电子
+14
n=1
H
2个电子
Si
原子的能级的分裂
▪ 孤立原子的能级 4个原子能级的分裂
原子的能级的分裂
▪ 原子能级分裂为能带
半导体的能带结构
导带 Eg
价带
价带：0K条件下被电子填充的能量的能带 导带：0K条件下未被电子填充的能量的能带 带隙：导带底与价带顶之间的能量差
热平衡状态
▪ 在一定温度下，载流子的产生和载流子的复 合建立起一动态平衡，这时的载流子称为热 平衡载流子。
▪ 半导体的热平衡状态受温度影响，某一特定 温度对应某一特定的热平衡状态。
▪ 半导体的导电性受温度影响剧烈。
态密度的概念
▪ 能带中能量 E 附近每单位能量间隔内的量子态
数。 ▪ 能带中能量为 E （E dE）无限小的能量间隔内
半导体物理学
一．半导体中的电子状态 二．半导体中杂质和缺陷能级 三．半导体中载流子的统计分布 四．半导体的导电性 五．非平衡载流子 六．pn结 七．金属和半导体的接触 八．半导体表面与MIS结构 九．半导体的光学性质和光电与发光现象
晶体结构
▪ 半导体的晶格结构和结合性质 ▪ 半导体中的电子状态和能带 ▪ 半导体中的电子运动和有效质量 ▪ 本征半导体的导电机构 ▪ 空穴 ▪ 回旋共振 ▪ 硅和锗的能带结构 ▪ III－V族化合物半导体的能带结构 ▪ II－VI族化合物半导体的能带结构
k0T
k0T
k0T
k0T
玻尔兹曼分布函数
▪ 导带中电子分布可用电子的玻尔兹曼分布函数 描写（绝大多数电子分布在导带底）；价带中 的空穴分布可用空穴的玻尔兹曼分布函数描写 （绝大多数空穴分布在价带顶）
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3、禁带宽度1.424eV,直接带隙半导体。
半导体物理总复习
二. 基本公式
有效质量 速度：
m*
h2 d 2E
dk 2
1 dE
h dk
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例1、 一维晶体的电子能带可写为，
E （ k)2 (7co ks a1co 2ks)a
图2所示的E-k关系曲线表示出了两种可能的价带， 则价带（ B带 ）对应的空穴有效质量大。
图1
图2 半导体物理总复习
4.空穴：空穴是几乎被电子填满的能带中未被电子占据的 少数空的量子态，这少量的空穴总是处于能带顶附近。是 价电子脱离原子束缚 后形成的电子空位，对应于价带顶的 电子空位。把半导体中的空穴看成一个带有电荷为+q，并 以该空状态相应的电子速度v(k)运动的粒子，它具有正的 有效质量，价带中大量电子的导电作用可以用少数空穴的 导电作用来描写。
能带形成的定量化关系
E-K关系图
E-K关系图的简约布里渊区
半导体物理总复习
（1）越靠近内壳层 的电子，共有化运动 弱，能带窄。
（2）各分裂能级间 能量相差小，看作准 连续
（3）有些能带被电 子占满（满带），有 些被部分占满（半满 带），未被电子占据 的是空带。
原子能级
半导体物理总复习
能带
2、半导体的导带，价带和禁带宽度
同于电子的惯性质量m0
因为导带底部E(k)有极小值，所以导带底电子的有效质
量为正值。
d 2E 0 dk 2
因为价带顶顶部E(k)有极大值，所以价带顶电子的有效
质量为负值
d 2E dk 2
0
半导体物理总复习
有效质量： m
* n
2 d 2E
与E(k)曲线的曲率半径成正比
dk 2
在半导体同一能带的不同位置（k不同），有效质量可能
f外 mn*a
半导体物理总复习
（3）电子的有效质量与晶体的能带结构有关 利用有效质量可以对半导体的能带结构进 行研究
（4）有效质量可以通过回旋共振实验测得，并 椐此推出半导体的能带结构
m
* n
h2 d 2E
dk 2
半导体物理总复习
：
m
* n
h2 d 2E
dk 2ห้องสมุดไป่ตู้
m
* n
叫做电子的有效质量，因为具有质量的量纲，但不
2) 图中哪个能带上的电子有效质量最小？ 3）第II能带上空穴的有效质量mp*比第III能带上
的电子有效质量mn*大还是小？(同一个K) 4) 当k为何值时，能带I和能带II之间，能带II和能
带III之间发生跃迁需要的能量最小？
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讨论题2 图1所示E-k关系曲线表示出了两种可能的导带， 则导带，（ B带 ）对应的电子有效质量较大
m2a8
8
式中a为晶格常数，试求
1、能带宽度；
2、电子在波矢k状态时的速度；
3、能带底部电子的有效质量；
4、能带顶部空穴的有效质量；
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1、由 dE(k) 0 dk
得 k n （n=0，1，2…） a
进一步分析
k (2n1)
a
（n=0，1，2……）时，E（k）有极大值，E（k)
22 MAX ma2
a
a
金刚石结构
闪锌矿结构
半导体物理总复习
第一章
一、基本概念
1. 能带，允带，禁带，K空间的能带图 能带: 在晶体中可以容纳电子的一系列能级 允带：分裂的每一个能带都称为允带。 禁带：晶体中不可以容纳电子的一系列能级 K空间的能带图：晶体中的电子能量随电子波矢k的
变化曲线，即E（K）关系。
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导带
Eg
价带
价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带 导带： 0K条件下未被电子填充的能量最低的能带 禁带：导带底与价带顶之间能带 禁带宽度：导带底与价带顶之间的能量差
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3.电子的有效质量
（1） 晶体中的电子在外加电场作用下，电子除受外电场 的作用力，还受到内部原子核和其它电子的作用力，但 内部势场的作用力难以精确确定。电子的有效质量将晶 体导带中电子的加速度与外加作用力联系起来，电子有 效质量概括了晶体中内部势场对电子的作用力。这样仍 能用经典力学的方法来描述晶体中电子运动规律。即：
半导体物理复习
半导体物理总复习
1.1 半导体的晶格结构和结合性质
金 刚 石 晶 体 结 构和共价键 Si：a=5.43A; Ge:a=5.66A ; -SiC:a=4.35A， 金刚石 a=3.567A 每一个Si(或Ge)原子有四个近邻原子，构成四个共价键。 Ⅲ-Ⅴ族和大部分Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体属于闪锌矿结构
Eg随温度增加而减小
Eg(T)Eg(0)TT2
E g ( 0 ) 1 .170 eV 4 .73 10 4 eV / K 636 K
硅
Eg (0) 0.743eV
4.774104eV / K 235K
半导体物理总复习
锗
砷化镓（GaAs)能带结构
1、导带极小值位于布里渊区中心，等 能面是球面，导带底电子有效质量为 0.067m0。在L和X点还各有一个极小值， 电子的有效质量分别为0.55m0和0.85m0. ,L,X三个极小值与价带顶的能量差分别 为1.424eV,1.708eV,1.90eV。 2。有三个价带，重空穴的有效质量
k 2n
a
（n=0，1，2……）时，E（k）有极小值 E(k) 0 MIN
所以布里渊区边界为
k (2n1)
a
（n=0，1，2……）
半导体物理总复习
1.能带宽度为
不同。
在同一半导体中k相同的不同能带处，（k相同，En不 同），有效质量可能不同。
能带越窄，有效质量越大（内层电子），能带越宽，有 效质量越小（外层电子）。
半导体物理总复习
讨论题1
1. 一维晶格能量E与波矢k的关系如图所示。分 别讨论下列问题：
1）假设电子能谱和自由电子一样，写出与简约 波 矢k=1/4a对应的A（第I能带），B (第II能 带)和 C (第III能带)三点处的能量E。
5。直接带隙半导体和间接带隙半导体
直接带隙半导体：导带低和价带顶对应的电子波矢相同
间接带隙半导体：导带低和价带顶对应的电子波矢不相同
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1.6硅、锗的能带结构
Ge： [111]能谷 为导带底
Si：
[100]能谷 为导带底
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禁带
硅：Eg=1.12eV, 间接带隙半导体 室温 锗：Eg=0.67eV, 间接带隙半导体