半导体物理基础
第一章 半导体物理基础解析
– 在能带中，能量E附近单位能量间隔内的量子 态数
g(E) dZ/dE
在量子力学中，微观粒子的运动状态称为量子态
费米－狄拉克统计分布规律
• 温度为T（绝对温度）的热平衡态下，半导体中电子占据能量为E
的量子态的几率是
f (E)
1
exp( E EF ) 1
kT
– k是玻尔兹曼常数，EF是一个与掺杂有关的常数，称为费米能级。 – 当E-EF>>kT时，f（E）=0，说明高于EF几个kT以上的能级都是空的；而当E-EF<<kT
• 平均自由时间愈长，或者说单位时间内遭受散射的次数愈少， 载流子的迁 移率愈高；电子和空穴的迁移率是不同的，因为它们的平均自由时间和有 效质量不同。
Hall效应
• 当有一方向与电流垂直的磁场作用于一有限半导体时， 则在半导体的两侧产生一横向电势差，其方向同时垂直 于电流和磁场，这种现象称为半导体的Hall效应。
简化能带图
1.3 半导体中的载流子
• 导带中的电子和价带中的空穴统称为载流子， 是在电场作用下能作定向运动的带电粒子。
满带
E
当电子从原来状态转移 到另一状态时，另一电子 必作相反的转移。没有额 外的定向运动。满带中电 子不能形成电流。
半（不）满带
E
半满带的电子可在外 场作用下跃迁到高一 级的能级形成电流。
能带结构：
(“施主能级”)
空带 施主能级 施主能级与上
空带下能级的
Eg
能级间隔称“
ED 施主杂质电离
满带
能”( ED )
导电机制：
空带
Eg
满带
施主能级
这种杂质可提 供导电电子故
ED 称为施主杂质
半导体物理与器件基础知识
一、肖特基势垒二极管欧姆接触：通过金属-半导体的接触实现的连接。
接触电阻很低。
金属与半导体接触时，在未接触时，半导体的费米能级高于金属的费米能级，接触后，半导体的电子流向金属，使得金属的费米能级上升。
之间形成势垒为肖特基势垒。
在金属与半导体接触处，场强达到最大值，由于金属中场强为零，所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。
影响肖特基势垒高度的非理想因素：肖特基效应的影响，即势垒的镜像力降低效应。
金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。
附图：电流——电压关系：金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流，而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。
附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线：反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。
肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较：1.反向饱和电流密度（同上），有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。
2.开关特性肖特基二极管更好。
应为肖特基二极管是一个多子导电器件，加正向偏压时不会产生扩散电容。
从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。
二、金属-半导体的欧姆接触附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图三、异质结：两种不同的半导体形成一个结小结：1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时，半导体与金属之间的势垒高度降低，电子很容易从半导体流向金属，称为热电子发射。
2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大，因此达到相同电流时，肖特基二极管所需的反偏电压要低。
10双极型晶体管双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结，两个结很近所以之间可以互相作用。
之所以成为双极型晶体管，是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。
一、工作原理附npn型和pnp型的结构图发射区掺杂浓度最高，集电区掺杂浓度最低附常规npn截面图造成实际结构复杂的原因是：1.各端点引线要做在表面上，为了降低半导体的电阻，必须要有重掺杂的N+型掩埋层。
半导体物理的基础知识
半导体物理的基础知识半导体物理是研究半导体材料及其电子行为的一门学科。
半导体是介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电子特性。
本文将介绍半导体物理的基础知识，包括半导体材料的结构、能带理论、杂质掺杂以及PN结等内容。
一、半导体材料的结构半导体材料是由单晶、多晶或非晶三种形态构成。
单晶是指晶体结构完整、无缺陷的材料，拥有良好的导电性能。
多晶是由多个晶粒组成，晶界存在缺陷，导电性能较差。
非晶的特点是结构无序，导电性能较差。
半导体材料的基本结构由共价键和离散缺陷构成。
共价键是指半导体材料中相邻原子之间的化学键，它保持了材料的稳定性。
离散缺陷是指晶体中出现的缺陷，如杂质、空穴等。
这些离散缺陷的存在对半导体材料的导电性能有重要影响。
二、能带理论能带理论是解释物质的导电性能的基础理论。
根据这一理论，半导体材料的电子行为与能带结构有密切关系。
能带是电子能量的分布区域，分为价带和导带两部分。
价带中的电子具有固定位置，不能自由移动；而导带中的电子能够自由移动。
在纯净的半导体中，价带带满，导带没有电子。
半导体的导电性能是通过在半导体中掺入适量的杂质来改变的。
杂质的掺入会导致新的能带形成，同时增加或减少可自由移动的电子数量。
掺杂过程中形成的能带被称为禁带，其能量介于价带和导带之间。
三、杂质掺杂杂质掺杂是一种通过引入少量外来原子来改变半导体材料导电性能的方法。
根据杂质掺入的原子种类不同，可以分为n型和p型两种半导体。
n型半导体是通过掺入五价元素，如磷（P）或砷（As），在半导体中形成额外的自由电子，增加导电性能。
这些自由电子会填满主导带，并进入导带，从而形成导电能力。
n型半导体表现为电子富余。
p型半导体是通过掺入三价元素，如硼（B）或铋（Bi），在半导体中形成额外的空穴，增强导电性能。
空穴是一种电子缺失的状态，它通过与晶格中的自由电子结合来传导电荷。
p型半导体表现为电子贫缺。
四、PN结PN结是将p型半导体和n型半导体通过一定方法连接而成的结构。
半导体物理基础
1.7载流子的统计分布
• 如何确定能带中的载流子浓度：
• 问题一：能带中能容纳载流子的状态数目— —状态密度。（1.7.1） • 问题二：载流子占据这些状态的概率——分 布函数（1.7.2）
30
1.7载流子的统计分布
• 在沿能量变化方向上取ΔE 这一个很小能 量范围（比如0.005000～0.005001eV 这 个范围），那么这个能量间隔范围内又 多少个能级，或者说又多少个原子轨道 （分子轨道）呢？ • 能带是无数个能级“压缩”而成的，而 且能带是量子化的，所以在这个能量范 围必然有一定数量的能级（轨道）存在。
5
1.2 能带
合并为一个能带 出现能级分裂
导带
价带
实际硅晶体原子间距
6
1.2 能带
• • • • • • • 四、简化的能带结构 图1-3 导带：接收被激发的电子（对于半导体） 价带：通常被价电子填满（对于半导体） EC：导带底的能量 EV：价带顶的能量 EG：禁带宽度，是打破共价键所需的最小能 量，是材料特有的重要特性。
19
1.6杂质能级
• 硅的四面体结构， 每个小棒代表了 一个共价键。 • 杂质以替位的方 式掺入硅晶体中。
20
1.6杂质能级
• 1、施主杂质和施主能级（N型半导体） • Ⅴ族杂质元素中最通用的是磷。 • 磷原子在取代原晶体结构中的原子并构 成共价键时，多余的第五个价电子很容 易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子。 这个电子可以进入导带，称为导带电子。 • 如图1.8所示
• 按照能带被电子填充的情况来分析金属、 半导体和绝缘体： • 金属：被电子填充的最高能带是不满的， 而且能带中的电子密度很高，所以金属 有良好的导电性。 • 绝缘体和半导体：在绝对零度时，被电 子占据的最高能带是满的，没有不满的 能带存在。因此不能导电。
01.半导体物理基础知识
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.4硅晶体内的共价键 硅晶体的特点是原子之间靠共有电子对连接在一起。硅原子 的4个价电子和它相邻的4个原子组成4对共有电子对。这种共有 电子对就称为“共价键”。如图1.2-2所示。
图1.2-2
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.5硅晶体的金刚石结构 晶体对称的，有规则的排列叫做晶体格子，简称 晶格，最小的晶格叫晶胞。图1.2-3表示一些重要的 晶胞。
1.9平衡载流子和非平衡载流子
一块半导体材料处于某一均匀的温度中，且不 受光照等外界因素的作用，即这块半导体处于平衡状 态，此时半导体中的载流子称为平衡态载流子。 半导体一旦受到外界因素作用（如光照，电流 注入或其它能量传递形式）时，它内部载流子浓度就 多于平衡状态下的载流子浓度。半导体就从平衡状态 变为非平衡状态，人们把处于非平衡状态时，比平衡 状态载流子增加出来的一部分载流子成为非平衡载流 子。
1.2半导体材料硅的晶体结构
1.2.2晶体结构 固体可分为晶体和非晶体两大类。原子无规 则排列所组成的物质为非晶体。而晶体则是由原子 规则排列所组成的物质。晶体有确定的熔点，而非 晶体没有确定熔点，加热时在某一温度范围内逐渐 软化。 1.2.3单晶和多晶 在整个晶体内，原子都是周期性的规则排列， 称之为单晶。由许多取向不同的单晶颗粒杂乱地排 列在一起的固体称为多晶。
1.1导体，绝缘体和半导体
物体的导电能力，一般用材料电阻率的大小来 衡量。电阻率越大，说明这种材料的导电能力越弱。 表1-1给出以电阻率来区分导体，绝缘体和半导体的 大致范围
物体 电阻率 Ω·CM
导体 <10e-4
半导体 10e3~10e9
绝缘体 >10e9
表1-1
半导体物理基础(准费米能级)
第二章半导体物理基础一般而言，制作太阳能电池的最基本材料是半导体材料，因而本章将介绍一些半导体物理的基本知识，包括半导体中的电子状态和能带、本征与掺杂半导体、pn结以及半导体的光学性质等内容。
一、半导体中的电子状态和能带1、原子的能级和晶体的能带(m)一般的晶体结合，可以概括为离子性结合，共价结合，金属性结合和分子结合（范得瓦尔斯结合）四种不同的基本形式。
晶体的结合形式半导体材料主要靠的是共价键结合。
饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价键；方向性：原子只能在特定方向上形成共价键；共价键的特点：电子的共有化运动当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子壳层之间就有一定程度的交叠，相邻原子最外层交叠最多，内壳层交叠较少。
原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。
电子只能在相似壳层间转移；最外层电子的共有化运动最显著；当两个原子相距很远时，如同两个孤立的原子，每个能级是二度简并的。
当两个原子互相靠近时，每个原子中的电子除了受到本身原子势场的作用，还要受到另一个原子势场的作用，其结果是每一个二度简并的能级都分裂为二个彼此相距很近的能级，两个原子靠得越近，分裂得越厉害。
当N个原子互相靠近形成晶体后，每一个N度简并的能级都分裂成N个彼此相距很近的能级，这N 个能级组成一个能带，这时电子不再属于某一个原子而是在晶体中作共有化运动。
分裂的每一个能带都称为允带，允带之间因没有能级称为禁带。
所有固体中均含有大量的电子，但其导电性却相差很大。
量子力学与固体能带论的发展，使人们认识到固体导电性可根据电子填充能带的情况来说明。
2、金属、绝缘体与半导体固体能够导电，是固体中电子在外电场作用下作定向运动的结果。
由于电场力对电子的加速作用，使电子的运动速度和能量都发生了变化。
也就是说，电子与外电场间发生了能量交换。
半导体物理基础
选择题：
半导体材料的主要特性是什么？
A. 导电性能介于导体和绝缘体之间（正确答案）
B. 具有很高的导电性
C. 完全不导电
D. 在所有温度下导电性都保持不变
在半导体中，哪种载流子对导电起主要作用？
A. 电子和空穴（正确答案）
B. 只有电子
C. 只有空穴
D. 离子
下列哪种材料是典型的半导体材料？
A. 铜
B. 硅（正确答案）
C. 橡胶
D. 玻璃
半导体中的掺杂过程是为了什么？
A. 改变半导体的导电类型（正确答案）
B. 增加半导体的密度
C. 使半导体完全导电
D. 降低半导体的温度系数
PN结在正向偏置时，其导电性能如何？
A. 导电性能增强（正确答案）
B. 导电性能减弱
C. 导电性能保持不变
D. 变为绝缘体
下列哪个现象是半导体材料特有的？
A. 光电效应
B. 掺杂效应（正确答案）
C. 磁效应
D. 热电效应
半导体器件的工作温度范围通常受到什么限制？
A. 半导体材料的熔点
B. 半导体材料的本征温度（正确答案）
C. 环境温度
D. 半导体器件的封装材料
在半导体物理中，费米能级是指什么？
A. 半导体中电子的最高能级
B. 半导体中电子和空穴的平衡能级（正确答案）
C. 半导体中价电子的能级
D. 半导体中杂质能级
半导体中的本征激发是指什么？
A. 半导体中的电子从价带跃迁到导带的过程（正确答案）
B. 半导体中的空穴从价带跃迁到导带的过程
C. 半导体中的电子和空穴同时从价带跃迁到导带的过程
D. 半导体中的杂质电离的过程。
半导体物理基础
第二章半导体物理基础2.1 半导体材料固态材料可分为三类，即绝缘体、半导体及导体。
图1列出了这三类中一些重要材料的电导率（electrical conductive）σ（及对应电阻率ρ＝1/σ）的范围。
图1 典型绝缘体、半导体及导体的电导率范围绝缘体如熔融石英及玻璃有很低的电导率，大约介于20-18S/cm到10-8S/cm之间；而导体如铝及银有较高的电导率，一般介于104S/cm到106/cm之间。
半导体到电导率则介于绝缘体及导体之间。
它易受温度、照光、磁场及微量杂质原子（一般而言，大约1kg的半导体材料中，约有1μg～1g的杂质原子）的影响。
正是半导体的这种对电导率的高灵敏度特性使半导体成为各种电子应用中最重要的材料之一。
2.1.1 元素（element）半导体有关半导体材料的研究开始于19世纪初，表1 列出周期表中有关半导体元素的部分。
在周期表第IV族中的元素如硅（Si）、锗（Ge）都是由单一原子所组成的元素半导体。
在20世纪50年代初期，锗曾是最主要的半导体材料，但自60年代初期以来，硅已取代之成为半导体制造的主要材料。
现今我们使用硅的主要原因，乃是因为硅器件在室温下有较佳的特性，且高品质的硅氧化层可由热生长的方式产生，经济上的考虑也是原因之一，可用于制造器件等级的硅材料，远比其他半导体材料价格低廉。
在二氧化硅及硅酸盐中的硅含量占地表的25%，仅次于氧。
到目前为止，硅可说是周期表中被研究最多且技术最成熟的半导体元素。
表1 周期表中与半导体相关的部分2.1.2 化合物（compound）半导体近年来一些化合物半导体已被应用于各种器件中。
表2列出与两种元素半导体同样重要的化合物半导体。
二元化合物半导体是周期表中的两种元素组成。
例如，III－V族元素化合物半导体砷化镓（GaAs）是由III族元素镓（Ga）及V族元素砷（As）所组成。
除了二元化合物（binary compounds）半导体外，三元（ternary compounds）及四元化合物（quaternary compounds）半导体也各有其特殊用途。
半导体物理入门
半导体物理入门
1. 学习基础知识：在学习半导体物理之前，需要掌握一些基础知识，如物理学、数学和电子工程等方面的基本概念和原理。
2. 了解晶体结构：半导体材料的晶体结构是半导体物理的基础，因此需要学习晶体结构的基本概念，如晶格、晶向、晶面等。
3. 学习能带理论：能带理论是半导体物理的核心内容之一，它描述了半导体材料中电子的能量状态和运动行为。
需要学习能带结构、能带宽度、能带隙等基本概念。
4. 了解载流子输运：载流子（电子和空穴）在半导体中的输运是半导体器件工作的基础，因此需要学习载流子的漂移、扩散、复合等基本概念和过程。
5. 学习 p-n 结：p-n 结是半导体器件中最基本的结构之一，需要学习 p-n 结的形成、特性和工作原理。
6. 阅读相关书籍和文献：可以阅读一些半导体物理方面的经典教材和相关文献，深入了解半导体物理的各个方面。
7. 进行实验：通过实验可以更加深入地了解半导体材料的物理性质和电子特性，建议在学习过程中尝试进行一些简单的实验。
8. 参加课程和培训：如果有条件，可以参加一些半导体物理相关的课程和培训，以系统地学习半导体物理知识。
总之，学习半导体物理需要系统地学习相关知识，并进行实践和实验，不断加深对半导体材料和器件的理解。
同时，需要保持学习的热情和耐心，不断提高自己的知识水平。
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
于
N N
0 v, Ga 0 v, As
3.3 10 2.2 10
18
e e
0 .4 /k T 0.7/kT
20
当空位形成时不是四个键都打断，流下一个电子，成 为-1价空位，它的激活能显然与中性空位不同。带-1价 空位的平衡浓度为： n 半导体自由电子载流子浓度
N v N v
带隙：导带底与价带顶之间的能量差
导 带
Eg
价 带
本征半导体的能带
电子和空穴的产生
电 子 能 量 增 加
空 穴 能 量 增 加
电子摆脱共价键而形成一对电子和空穴的过程，在 能带图上看，就是一个价电子从价带到导带的量子跃迁 过程。其结果是在导带中增加了一个电子而在价带中则 出现了一个空的能级（空穴）。 半导体中的导电电子就是处于导带中的电子，空穴的导 电性反映的仍是价带中电子的导电作用。
漂移-扩散模型中半导体 载流子的输运方程：
j p q p p E qD p p
jn q n n E qD n n
漂移项 扩散项
载流子的漂移运动
载流子在电场作用下的运动
漂移电流
J Drift qnv d qn E
单位电场作用下载流子获得平均速度 反映了载流子在电场作用下输运能力
能带的产生
能带的产生
半导体晶体中的电子的能量既不像自由电子哪样 连续，也不象孤立原子哪样是一个个分立的能级， 而是形成能带，每一带内包含了大量的，能量很近 的能级。
导带、价带、禁带
价带：0 K 条件下被电子填充的能量最高的能带
导带：0 K 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
电子：Electron 空穴：Hole
《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
半导体物理基础
状态密度 g(E)—单位能量间隔中的量子态数（能级数）
分布函数 f(E)—能量为E的量子态被一个粒子占据的几率.
1. Electorn concentration (导带中的电子浓度) *状态密度(Density of states)：
dvx f x = mx ax = mx dt dv y * * f y = my a y = my dt
dvz f z = m z a z = mz dt
* *
洛伦磁力
设B沿kx、ky、kz轴的方向余弦分别为：
α、β 、γ
f x = −qB (v yγ − v z β )
f = −qv × B
f y = −qB (v zα − v xγ ) f z = −qB (v x β − v yα )
Constant-Energy Surface （等能面 ） Ge、Si
E-k 关系图（Ge、Si）
3.3.2
T=0 K 锗： Eg=0.74eV 硅: Eg=1.17eV
Heavy holes？ Light holes？
1-Heavy holes 2-Light holes
E-k 关系图 （GaAs）
∗ y
∗ z
* m* = m x y = mt
α=sinθ
β=0 γ=cos θ
则：
m = mt
∗ n
ml 2 2 mt sin θ + ml cos θ
[001]
B
θ
k3 k2
qB ωc = ∗ mn
m = mt
∗ n
k1
ml mt sin 2 θ + ml cos 2 θ
半导体物理基础
CVD、PVD方法(非晶薄膜）：
(11)
§1.2 晶体结构--单晶半导体材
晶体中原子的周期性排列称为晶格，整个晶格可以用单胞来描 重复单胞能够形成整个晶格。 三种立方晶体单 z a y x 简单立方 Cubic (P Mn) x 体心立方 bcc Body center (Na,W,etc) z a y x 面心立方 fcc (Al,Au,etc) z a y
(15)
元素/化合物 元素半 导体 C Ge Si Sn SiC AlSb BN BP GaN GaSb GaAs GaP InSb InAs InP
名称 Carbon(Diamond) Germanium Silicon Grey Tin Silicon carbide Aluminum antimonide Boron nitride Boron phosphide Gallium nitride Gallium antimonide Gallium arsenide Gallium phosphide Indium antimonide Indium arsenide Indium phosphide
S 硫 Se 硒 Te 碲
元素与化合物半导体
元素
IV-IV族 化合物 SiC
III-V族 化合物
AlAs AlSb BN GaAs GaP GaSb InAs InP InSb
II-VI族 化合物
IV-VI族 化合物
Si
60年代初
Ge
50年代初
CdS CdSe PbS CdTe PbTe ZnS ZnSe ZnTe
(6)
绝缘体、半导体和导体电导率的典型范围。
(7)
周期表中与半导体有关的部分
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导带电子和价带空穴具有导电特性；电子 带负电-q（导带底），空穴带正电+q（价 带顶）
物理与电子工程学院
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
p m0u
p E 2m0
i ( K r t )
2
p K E hv
k u m0
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(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
1 dE dk
金刚石结构
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金刚石晶体结构
半 导 体 有: 元 素 半 导 体 如Si、Ge
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闪锌矿晶体结构
金刚石型 闪锌矿型
半 导 体 有: 化 合 物 半 导 体 如GaAs、InP、ZnS
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练习
1、单胞是基本的、不唯一的单元。（ ）
2、按半导体结构来分，应用最为广泛的是 （ ）。 3、写出三种立方单胞的名称，并分别计算 单胞中所含的原子数。
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半导体物理基础
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
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半导体的纯度和结构
纯度
极高，杂质<1013cm-3
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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
k kx k y kz
2 2 2
2
导带底附近
2 2 2 E (k ) E (0) (k x k y k z ) * 2mn
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2
外阅读· 10%；期末考试70%
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半导体物理基础
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
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半导体物理基础
微电子学简介:
固态电子学分支之一 微电子学 光电子学
研究在固体（主要是半导体〕材料上构成 的微小型化器件、电路、及系统的电子学 分支学科
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半导体物理基础
微电子学研究领域
•半导体器件物理 •集成电路工艺 •集成电路设计和测试
微电子学发展的特点
向高集成度、低功耗、 高性能高可靠性电路方 向发展 与其它学科互相渗透， 形成新的学科领域： 光电集成、MEMS、生 物芯片
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半导体及其基本特性
什么是半导体？ 固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体
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2
1 d 2E 1 ( 2 )k 0 * 代入上式得 令 2 dk mn
k E (k ) E (0) * 2mn
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2 2
自由电子的能量
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 E 2m0
2 2
(r, t ) Ae
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半导体中电子的平均速度
在周期性势场内，电子的平均速度u可表示 为波包的群速度
dv u dk
h 2k 2 E (k ) E (0) 2mn*
E hv
1 dE u dk
k u * mn
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自由电子的速度
微观粒子具有波粒二象性
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半导体物理基础
教材: • 半导体物理 季振国 参考书：
浙江大学出版社
《半导体物理学》（第八版），刘恩科著，
电子工业出版社 《半导体物理学基础教程》，冯文修等著， 国防工业出版社
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半导体物理基础
课程考核办法 :
本课采用开卷笔试的考核办法。 总评成绩构成比例为：平时成绩20%； 课
结构
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晶体结构
单胞
对于任何给定的晶体，可以用来形成其晶体结构的
最小单元
注：（a）单胞无需是唯一的
（ b）单胞无需是基本的
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晶体结构
三维立方单胞
简立方、
体心立方、
面立方
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金刚石晶体结构
原子结合形式：共价键 形成的晶体结构： 构成一个正四 面体，具有 金 刚 石 晶 体 结 构
dE 1 d E 2 E (k ) E (0) ( ) k 0 k ( 2 ) k 0 k .... dk 2 dk 1 d E 2 E (k ) E (0) ( 2 ) k 0 k 2 dk
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2
2
半导体中E（K）与K的关系
1 d 2E 2 E (k ) E (0) ( 2 ) k 0 k 2 dk
4、计算金刚石型单胞中的原子数。
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原子的能级
电子壳层
不同支壳层电子
1s；2s，2p；3s，2p，3d；…
共有化运动
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Si原子的能级
电子的能级是量子化的
n=2 8个电子 +14 n=3 四个电子
H
n=1 2个电子 Si 物理与电子工程学院
原子的能级的分裂
3、电子所处能级越低越稳定。 （ ）
4、无论是自由电子还是晶体材料中的电子，他们 在某处出现的几率是恒定不变的。 （ ）
5、分别叙述半导体与金属和绝缘体在导电过程中 的差别。
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半导体中E（K）与K的关系
在导带底部，波数 k 0 ，附近 k 值很小， 将 E (k ) 在 k 0 附近泰勒展开
孤立原子的能级 4个原子能级的分裂
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原子的能级的分裂
原子能级分裂为能带
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Si的能带 （价带、导带和带隙〕
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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
mn 2 d E 2 dk
*
2
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有效质量的意义
自由电子只受外力作用；半导体中的电子 不仅受到外力的作用，同时还受半导体内 部势场的作用 意义：有效质量概括了半导体内部势场的 作用，使得研究半导体中电子的运动规律 时更为简便（有效质量可由试验测定）
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空穴
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自由电子的运动
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
(r, t ) Ae
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半导体中电子的运动
薛定谔方程及其解的形式
V ( x) V ( x sa) d ( x) V ( x) ( x) E ( x) 2 2m0 dx ikx k ( x ) uk ( x ) e
2 2
uk ( x) uk ( x na)
布洛赫波函数
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固体材料的能带图
固体材料分成：超导体、导体、半导体、绝缘体
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半导体、绝缘体和导体
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半导体的能带
本征激发
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练习
1、什么是共有化运动？
2、画出Si原子结构图（画出s态和p态并注明该能 级层上的电子数）
dk f dt 2 2 du 1 d dE 1 d E dk f d E a ( ) 2 2 dt dt dk dk dt dk 2
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f dE dE dt dk
半导体中电子的加速度
1 1 d E 2 * mn dk 2
2
令
即
f a * mn
K空间等能面
对应于某一 E ( k ) 值，有许多组不同的 (kx , k y , kz )，这些组构成一个封闭面， 在这 等能面为一球面（理想）
2 2 2 E (k ) E (0) (k x k y k z ) * 2mn