半导体物理知识点总结汇总

一、半导体物理知识大纲

核心知识单元A:半导体电子状态与能级（课程基础 -------- 掌

握物理概念与物理过程、是后面知识的基础）半导体中的电子状态（第 1 章）半导体中的杂质和缺陷能级（第 2 章）

核心知识单元B:半导体载流子统计分布与输运（课程重点

——掌握物理概念、掌握物理过程的分析方法、相关参数的计算方法）

半导体中载流子的统计分布（第 3 章）半导体的导电性

（第 4 章）非平衡载流子（第 5 章）

核心知识单元C:半导体的基本效应（物理效应与应用——掌握各种半导体物理效应、分析其产生的物理机理、掌握具体的应用）半导体光学性质（第10 章）

半导体热电性质（第11 章）半导体磁和压阻效应（第12

章）

二、半导体物理知识点和考点总结

第一章半导体中的电子状态

本章各节内容提要：

本章主要讨论半导体中电子的运动状态。主要介绍了半导体的几种常见晶体结构，半导体中能带的形成，半导体中电子的状态和能带特点，在讲解半导体中电子的运动时，引入了有效质量的概念。阐述本征半导体的导电机构，引入了空穴散射的概念。最后，介绍了Si、Ge和GaAs的能带结构。

在 1.1 节，半导体的几种常见晶体结构及结合性质。（重点掌握）在 1.2 节，为了深入理解能带的形成，介绍了电子的共有化运动。介绍半导体中电子的状态和能带特点，并对导体、半导体和绝缘体的能带进行比较，在此基础上引入本征激发的概念。（重点掌握）在 1.3 节，引入有效质量的概念。讨论半导体中电子的平均速度和加速度。（重点掌握）

在 1.4 节，阐述本征半导体的导电机构，由此引入了空穴散射的概念，得到空穴的特点。（重点掌握）

在 1.5 节，介绍回旋共振测试有效质量的原理和方法。（理解即可）

在1.6节，介绍Si、Ge的能带结构。（掌握能带结构特征）在1.7节，介绍山-V族化合物的能带结构，主要了解GaAs 的能带结构。（掌握能带结构特征）

本章重难点：

重点：

1、半导体硅、锗的晶体结构（金刚石型结构）及其特点；三五

族化合物半导体的闪锌矿型结构及其特点。

2、熟悉晶体中电子、孤立原子的电子、自由电子的运动有何不

同：孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中

运动，自由电子是在恒定为零的势场中运动，而晶体中的电

子是在严格周期性重复排列的原子间运动(共有化运动) ，单

电子近似认为，晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原

子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格周期相同。

3、晶体中电子的共有化运动导致分立的能级发生劈裂，是形成半导体能

带的原因，半导体能带的特点：

①存在轨道杂化，失去能级与能带的对应关系。杂化后能带重新分

开为上能带和下能带，上能带称为导带，下能带称为价带

②低温下，价带填满电子，导带全空，高温下价带中的一部分电子跃

迁到导带，使晶体呈现弱导电性。

③导带与价带间的能隙(Energy gap )称为禁带(forbidden band) .

禁带宽度取决于晶体种类、晶体结构及温度。

④当原子数很大时，导带、价带内能级密度很大，可以认为能级准连

续。

4、晶体中电子运动状态的数学描述：自由电子的运动状态：对

于波矢为k的运动状态，自由电子的能量E，动量p，速度v 均有确定的数值。因此，波矢k 可用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，自由电子的 E 和k 的关系曲线呈抛物线形状，是连续能谱，从零到无限大的所有能量值都是允许的。晶体中的电子运动：服从布洛赫定理：晶体中的电子是以调幅平面波在晶体中传播。这个波

函数称为布洛赫波函数。求解薛定谔方程，得到电子在周期

场中运动时其能量不连续，形成一系列允带和禁带。一个允

带对应的K值范围称为布里渊区。

5、用能带理论解释导带、半导体、绝缘体的导电性。

6、理解半导体中求E（k）与k的关系的方法：晶体中电子的运

动状态要比自由电子复杂得多，要得到它的E（k）表达式很困难。但在半导体中起作用地是位于导带底或价带顶附近的电子。因此，可采用级数展开的方法研究带底或带顶E（k）关系。

7、掌握电子的有效质量的定义：m n = h2/宵（一维），注意，

dk

在能带底m；是正值，在能带顶m；是负值。电子的速度为V = 1dE

，

注意V可以是正值，也可以是负值，这取决于能量对

h dk

波矢的变化率。

8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式，即a = f/ m；。可见是以有效质量m；代换了电子惯性质量m o。

9、有效质量的意义：在经典牛顿第二定律中a=f/m0,式中f是

外合力，m o是惯性质量。但半导体中电子在外力作用下，描述电子运动规律的方程中出现的是有效质量mn*而不是电子

的惯性质量m o。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在没有外加电场作用时，它也要受到半导体内部原子及其它电子的势场作用。当电子在外力作用下运

动时，它一方面受到外电场力 f 的作用，同时还和半导体内部原子、电子相互作用着，电子的加速度应该是半导体内部势场和外电场作用的综合效果。但是，要找出内部势场的具体形式并且求得加速度遇到

一定的困难，引进有效质量后可使问题变得简单，直接把外力 f 和电子的加速度联系起来，而内部势场的作用则由有效质量加以概括。因此，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电子在外力作用下的运动运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。特别是mn*可以直接由实验测

定，因而可以很方便地解决电子的运动规律。在能带底部附近，

d2E/dk2>0 ，电子的有效质量是正值；在能带顶附近，d2E/dk2<0，电子的有效质量是负值，这是因为mn*既括了半导体内部的势场作用。有效质量与能量函数对于k 的二次微商成反比，对宽窄不同的各个能带，E（k）随k的变化情况不同，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大。内层电子的能带窄，有效质量大；外层电子的能带宽，有效质量小。因而，外层电子，在外力的作用下可以获得较大的加速度。

10、半导体中电子的准动量m；v = hk。

11、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，还必须考虑电子填充能带的情况，不能只看单个电子的运动。研究发现，如果一个能带中所有的状态都被电子占满，那么，即使有外加电场，晶体中也没有电流，即满带电子不导电。只有虽包含电子但并未填满的能带才有一定的导电性，即不满的能带中的电子才可以导电。绝对温度为零时，纯净半导体的价带被价电子填满，导带是空的。在一定的温度下，价带顶部附近有少量电子被激发到导带底部附近，在外电场作用下，导带中电子便参与导电。因为这