第10讲5-4半导体物理II半导体的物理效应
高中物理第二册半导体及其应用超导ppt.ppt
从导电性的角度，我们把材料分为导体、绝缘体， 还有半导体。那么，还有没有导电性更为奇特的 材料呢？ 金属导体的电阻率一般都会随着温度的升高而升 高，随着温度的降低而降低，当温度降到足够低 的时候，情形会怎样呢？ 前面我们从理论的角度解释电阻定律时曾经说过， 促使电子定向移动的因素是什么？——☆学生： 电场力。制约电子定向移动的微观因素是什 么？——☆学生：电子的热运动。 那么我们是不是可以这样认为，当温度足够低， 热运动很微弱的时候，电子受到的阻碍作用会非 常非常小呢？ 下面大家从事实的角度、历史的角度、材料的角 度，还有应用的角度阅读一下教材P156~157的 内容，阅读完毕后，请同学们作相关的总结——
2、光敏性 解释可以源于化学键的性质。光敏电阻是一种薄膜 的电子元器件，材料一般为环氧树脂，阻值随着光 源强度而变化。应用—— 照相机自动测光、光电控制、室内光线控制、光控 音乐I.C. 、工业控制、光控开头光控灯、电子玩具。 3、二极管的单向导电性 如果将P型半导体和N型半导体烧结，由于两种半导 体载流子的不同，将形成单向导电性：即——P接 高电势N接低电势时电流较强（非线性）、N接高电 势P接低电势时电流较弱（非线性）。 这种特性广泛应用于电子线路中的整流环节。即便 是在一些简单的仪器中，也有应用，如打点计时 器…
5、超导磁悬浮列车 在超导磁悬浮列车的研究中走在最前列十日本。 1962年，日本着手设计磁悬浮列车，但当时是 利用正常导体产生的磁场时速达到307.8km/h ， 1997年，日本又试制了超导磁悬浮列车，关键 部分是由两组超导电磁铁构成的，它们能提供极 强的磁场，使列车的速度达到500km/h 。
三、半导体及其应用 四、超导及其应用
教学目标
1、知道什么是半导体、它的电阻率范围 2、了解半导体的应用 3、知道什么是超导现象，了解相关名词 4、了解超导的历史，知道一些重要的物理事 件 5、知道超导的应用，激发勇于探索前沿科技 的精神
半导体物理第二章ppt课件
引进有效质量，半导体中的电子所受的外力与
加速的关系和牛顿第二定律类似。
3、引进有效质量的意义：
由
a= f
m
* n
可以看出有效质量概括了半导体内
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。
课堂练习：习题3（P58)
2.6.3 状态密度、态密度有效质量、电导有效质量
近出现了一些空的量子状态，在外电场的作用下， 停留在价带中的电子也能够起导电的作用，把价带 中这种导电作用等效于把这些空的量子状态看做带 正电荷的准粒子的导电作用，常称这些空的量子状 态为空穴
2.3.2 金属、半导体、绝缘体的能带
2.4 半导体的带隙结构
间接能隙结构—即价带的最高 点与导带的最低点处于K空间 的不同点
3、 测不准关系
当微观粒子处于某一状态时，它的力学量（坐 标、动量、能量等）一般不具有确定的数值。
如： p g xh 同 一 粒 子 不 可 能 同 时 确 定 其 坐 标 和 动 量
测不准原理告诉我们,对微观粒子运动状态分 析，需用统计的方法。
4、 波函数
波函数 r ,t 描述量子力学的状态
= hk m
h2k 2 E
2m
对于波矢为k的运动状态，自由电子的能量E和动
量P，速度v均有确定的数值，因此，波矢量 k可
用以描述自由电子的运动状态，不同的k值标致
自由电子的不同状态。
6、 单原子电子
电子的运动服从量子力学，处于一系列特定的 运动状态---量子态，要完全描述原子中的一个电 子的运动状态，需要四个量子数。
氧的电子组态表示的意思：第一主轨道上有两个电子 ，这两个电子的亚轨道为s，（第一亚层）；第二主轨 道有6个电子，其中有2个电子分布在s 亚（第一亚层） 轨道上，有4个电子分布在p亚轨道上（第二亚层）
第半导体物理课件 第四章
用，对电子产生散射作用。
• 横声学波要引起一定的切变，对具有多极值、旋转椭球等 能面的锗、硅来说，也将引起能带极值的变化。
光学波散射
• 离子性半导体中，长纵光学波有重要的散射作用。 • 每个原胞内正负离子振动位移相反，正负离子形成硫密 相间的区域，造成在一半个波长区域内带正电，另一半 个波长区域内带负电，将产生微区电场，引起载流子散 射。 长声学波振动，声子的速度很小，散射前后电子能量基本不 变，－－弹性散射 光学波频率较高，声子能量较大，散射前后电子能 量有较大的改变，－－非弹性散射。
迁移率和杂质与温度关系
杂质浓度较低，迁移率随温度升高迅速减小，晶格散射起主要作用； 杂质浓度高，迁移率下降趋势不显著，说明杂质散射机构的影响为主。当 杂质浓度很高时，低温范围内，随温度升高，电子迁移率缓慢上升，直到
很高温度(约550K左右)才稍有下降，这说明杂质散射起主要作用。晶格 振动散射与前者比影响不大，所以迁移率随温度升高而增大；温度继续升 高后，又以晶格振动散射为主，故迁移随温度下降。
② 计算中假设散射后的速度完全无规则，即散射后载流子向各个方向运动 的几率相等。这只适用于各向同性的散射．对纵声学波和纵光学波的散射确 实是各向同性的．但是电离杂质的散射则偏向于小角散射。所以精确计算还 应考虑散射的方向性。
下节较精确地计算半导体的电导率，为简单起见，仍限于讨论各向同性的 散射。
5 玻耳兹曼方程· 电导率的统计理论
• 各向同性晶体特点：
a、声学波散射： Ps∝T3/2 b、光学波散射：P o∝[exphv/k0T）]-1
2）电离杂质散射：即库仑散射
散射几率Pi∝NiT-3/2（Ni：为杂质浓度总和）。
3)其它散射机构
《半导体物理》讲义
半导体物理讲义(第五稿)胡礼中编大连理工大学物理与光电工程学院电子科学与技术研究所2011年2月引言本课程是为我校电子科学与技术专业开设的一门必修专业基础课，也是其他相关专业的重要选修课，主要介绍半导体的一些基本物理概念、现象、物理过程及其规律，为学习诸如《半导体材料》、《半导体器件》等后续课程打下基础。
本课程共分八章。
第一和第二章扼要复习一下《固体物理》已详细介绍过的有关晶体结构和晶格振动及缺陷的基本知识，这些内容是学习后续内容前必需掌握的。
第三章到第八章，讲述半导体物理的主要内容。
包括：半导体中的电子状态，电子与空穴的统计分布，电导和霍尔效应，非平衡载流子，半导体的接触现象和半导体表面。
应该说，能带理论是半导体物理学的基础，因此在第三章中先通过简单的模型和讨论将能带理论的主要结论告诉同学们。
包括更复杂的数学推导与计算的严格能带理论，我们将安排在研究生的《半导体理论》课程中讲授。
半导体物理涉及的物理概念和基本原理较多，为了加深对它们的理解，在各章里均给同学们留有习题或思考题，这些题目有的还是基本内容的补充。
也有少量难度较大的题目，这样的问题有利于拓宽同学们的知识面和训练同学们的独立思考能力。
这里还想说明一点，近年来，半导体学科发展迅速，涉及的内容极其丰富，这门48学时的课程是远远不能容纳的。
我只希望能通过本课程的学习，把大家引进门，使同学们对半导体科学和技术发生兴趣，以便今后进一步深入学习、研究和应用。
第五稿修正了第四稿中仍然存在的一些错误和不妥之处。
参考书1．黄昆，谢希德《半导体物理学》，科学出版社，1958年2．黄昆，韩汝琦《半导体物理基础》，科学出版社，1979年3．刘文明《半导体物理学》，吉林人民出版社，1982年4．刘恩科等《半导体物理学》，国防工业出版社（1~~4版）5．孟宪章，康昌鹤《半导体物理学》，吉林大学出版社，1993年6．中岛坚志郎《半导体工程学》，科学出版社，2001年7．叶良修《半导体物理学》，高等教育出版社，1987年8．方俊鑫，陆栋《固体物理学》，上海科学技术出版社，1993年9．曾谨言《量子力学》，科学出版社，2000年作业本：活页形式目录第一章晶体结构 4 §1-1 晶体内部结构的周期性 4 §1-2 晶体的对称性 5 §1-3 倒格子与周期性函数的付立叶展开 6 §1-4 常见半导体的晶体结构7 第二章晶格振动和晶格缺陷9 §2-1 一维均匀线的振动9 §2-2 一维单原子链的振动10 §2-3 一维双原子链的振动12 §2-4 玻恩---卡门边界条件（周期性边界条件）14 §2-5 声子16 §2-6 晶体中的缺陷和杂质16 第三章半导体中的电子状态18 §3-1 电子的运动状态和能带18 §3-2 价带、导带和禁带21 §3-3 （自由）载流子22 §3-4 杂质能级与杂质补偿效应22 第四章半导体中载流子的统计分布25 §4-1 状态密度25 §4-2 费米分布函数和费米能级27 §4-3 导带电子密度和价带空穴密度29 §4-4 本征半导体30 §4-5 杂质半导体31 §4-5-1 杂质能级的占据几率31 §4-5-2 只含一种杂质的半导体32 §4-5-3 存在杂质补偿的半导体37 §4-6 简并半导体40 第五章半导体中的电导现象和霍耳效应42 §5-1 载流子的散射42 §5-2 电导现象44 §5-3 霍耳效应46 第六章非平衡载流子51 §6-1 非平衡载流子的产生和复合51 §6-2 连续性方程53 §6-3 非本征半导体中非平衡少子的扩散和漂移58 §6-4 近本征半导体中非平衡载流子的扩散和漂移63 §6-5 载流子复合64 第七章半导体的接触现象67 §7-1 外电场中的半导体67 §7-2 金属—半导体接触70 §7-3 金属—半导体接触的整流现象72 §7-4 半导体pn结74§7-5 pn结的整流现象77 §7-6 理想pn结理论（窄pn结理论）77 §7-7 pn结击穿80 §7-8 异质结81 §7-9 欧姆接触83 第八章半导体表面84 §8-1 表面态与表面空间电荷区84 §8-2 空间电荷区的理论分析84 §8-3 表面场效应87 §8-4 理想MOS的电容—电压特性88 §8-5 实际MOS的电容—电压特性90附：半导体物理习题。
张宝林-《半导体物理》[课件-总结]-文档资料
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莲藕批发供货合同模板甲方（供货方）：__________地址：_____________________联系电话：_________________法定代表人：_______________身份证号码：______________乙方（采购方）：__________地址：_____________________联系电话：_________________法定代表人：_______________身份证号码：______________根据《中华人民共和国合同法》及相关法律法规的规定，甲乙双方本着平等自愿、诚实信用的原则，就莲藕的批发供货事宜，经协商一致，签订本合同，以资共同遵守。
第一条产品信息1. 产品名称：莲藕。
2. 规格型号：______________________。
3. 质量标准：符合国家相关标准及行业规定。
4. 包装要求：应符合运输及储存要求，确保产品在运输过程中不受损害。
第二条供货数量及价格1. 供货数量：乙方每次采购的莲藕数量为______吨，具体数量以乙方订单为准。
2. 单价：每吨莲藕的价格为人民币______元（含税），价格随市场波动可进行调整，双方应提前协商确定。
3. 总价：根据实际供货数量乘以单价计算。
第三条交货时间及地点1. 交货时间：甲方应在乙方下达订单后______天内完成供货。
2. 交货地点：乙方指定的地点，具体地址以乙方订单为准。
第四条运输方式及费用1. 运输方式：______________________。
2. 运输费用：由______方承担。
第五条质量验收1. 乙方在收到货物后______小时内进行验收，如发现质量问题，应在______小时内书面通知甲方。
2. 甲方在接到乙方通知后应及时处理，如确属甲方责任，甲方应负责更换或退货。
第六条付款方式及期限1. 付款方式：乙方应在收到货物并验收合格后______天内支付货款。
2. 付款期限：乙方应在合同约定的付款期限内支付全部货款。
半导体物理第十章半导体的光学性质
吸收 自发吸收
受激辐射：
当处于激发态(E2)的原子收到另一个能量为(E2-E1)的光子 作用时，受激原子立刻跃迁到基态E1,并发射一个能量也 为(E2-E1)的光子。这种在光辐射的刺激下，受激原子从激 发态向基态跃迁的辐射过程，成为受激辐射。 受激辐射光子的全部特性（频率，位相，方向和偏振态等 与入射光子完全相同。 受激辐射过程中，一个入射光子能产生两个相位，同频率 的光子
透过一定厚度d的媒质(两个界面）：
T = (1− R)2 e−αd
如：玻璃，消光系数k=0 T=(1-R)2=0.962~92%
10.2 半导体的光吸收
本征吸收 直接跃迁，间接跃迁 其他吸收过程
10.2.1 本征吸收
本征吸收： 电子吸收光子由价带激发到导带的过程
条件：
hω ≥ hω0 = Eg
反射系数
R = ( n1 − n2 )2 n1 + n2
= ( n −1− ik )2 n +1− ik
=
(n −1)2 + k 2 (n +1)2 + k 2
玻璃折射率为 n~1.5，k~0, 反射率R~4% 如某一材料 n~4, k~0, 反射率为 R~36%
透射系数，透过某一界面的光的能流密度比值： T=1-R
把处于激发态E2的原子数大于处于基态E1的原子数的这种 反常情况，成为“分布反转”或“粒子数反转”。
要产生激光，必须在系统中造成粒子数反转。
粒子数反转条件
为了提高注入效率 异质结发光： PN结两边禁带宽度不等，势垒不对称。 空穴能注入N区，而电子不能注入P区。 P区为注入区，N区为发光区。
半导体高中物理
半导体高中物理半导体是一种电子能带结构介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的导电性质。
在高中物理学中，半导体是一个重要的话题。
本文将探讨半导体的基本概念、性质和应用。
首先，我们来了解半导体的基本概念。
半导体是指在温度较高时表现为导体，而在温度较低时表现为绝缘体的物质。
它的导电性质是通过材料中的载流子（电子或空穴）传导电流来实现的。
在半导体中，电子和空穴是通过化学反应或热激发产生的。
半导体材料可以是单晶体（如硅、锗）或复合材料（如硅锗合金）。
半导体具有一些独特的性质。
首先是温度敏感性。
随着温度的升高，半导体的导电性会增强，因为更多的载流子会被激发出来。
这种特性使得半导体在温度传感器和温度控制器中得到广泛应用。
其次是光电性质。
半导体在受到光照时，会发生光生电效应，产生电子-空穴对。
这种特性使得半导体在光电器件（如太阳能电池、光电二极管）中有重要的应用。
半导体的导电性质可以通过掺杂来调节。
掺杂是指向半导体中引入杂质，改变其导电性质的过程。
掺杂分为施主掺杂和受主掺杂。
施主掺杂是向半导体中引入能够提供额外自由电子的杂质，如磷或砷。
这些自由电子可以增加半导体的导电性能，使其成为N型半导体。
受主掺杂是向半导体中引入能够提供额外空穴的杂质，如硼或铟。
这些空穴可以增加半导体的导电性能，使其成为P型半导体。
N型半导体和P型半导体的结合形成PN结。
PN结是半导体器件中最基本的结构之一。
当N型半导体和P型半导体相接触时，N型半导体中的自由电子会向P型半导体中的空穴扩散，形成电子-空穴对结合区域。
在这个结合区域中，自由电子和空穴会重新组合，形成电子空穴复合。
这种电子空穴复合过程会导致PN结的区域失去自由电荷，形成一个电势差，称为内建电势。
内建电势使得PN结形成一个单向导电的区域，即正向偏置和反向偏置。
PN结具有一些重要的应用。
其中之一是二极管。
二极管是一种电子器件，可以在电流只能从P端流向N端的情况下导电。
二极管广泛应用于电源电路、整流电路和信号调制电路中。
《半导体物理》讲义：第五章 半导体中的电导现象和霍耳效应
第五章半导体的电导现象和霍耳效应半导体在电磁场中的电荷输运现象主要包括电导现象﹑光电效应、热电效应、霍耳效应和磁阻效应等。
这些现象是研究半导体基本特性的重要内容。
通过对电导率和霍耳系数的测量，可了解半导体中的载流子密度、迁移率、禁带宽度、施主和受主电离能等基本参数。
本章扼要介绍一下电导现象和霍耳效应。
光电效应：物质吸收了光能后转变为该物质中某些特定状态电子的能量而产生的电效应。
热电效应：是指受热物体中的电子（空穴），因温度梯度由高温区向低温区移动时产生电流或电荷堆积的一种现象。
磁阻效应（Magnetoresistance Effects）：是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。
同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。
在达到稳态时，某—速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。
这种偏转导致载流子的漂移路径增加。
或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。
这种现象称为磁阻效应。
§5-1 载流子的散射散射：物理学术语，指一个粒子与另一个粒子碰撞时运动状态发生改变的现象。
一．载流子散射在半导体中运载电荷而引起电流的是导带电子和价带空穴。
这些载流子在半导体中运动并不是完全自由的，它们不断地受到振动着的晶格原子、杂质、缺陷以及其他载流子的“碰撞”，使得其速度发生无规则变化。
通常称这种“碰撞”现象为载流子散射。
正因为这种散射作用，电子与电子之间，电子与原子之间，才可能交换能量，使它们成为一个热平衡体系。
半导体中的载流子主要通过与晶格中的不完整性发生碰撞交换能量的，载流子之间的散射一般情况下是次要的。
热平衡情况下，散射作用使得载流子的运动是完全无规则的，因此半导体中无电流流动。
当有外电磁场存在时，载流子除了作无规则的热运动外，还要在外场作用下作定向运动，这种定向运动称漂移运动。
半导体物理 吉林大学 半物第十章课件
光电效应：光电器件的基础； 光学方法：研究能带结构及特性参数的手段。
➢ 半导体吸收系数：p.293
角频率为 的平面电磁波，沿固体中x方向传播时，电场强度：
E y
E 0
expi
t
nx c
exp
x
c
(10.11)
光强： I ( x ) I e( x ) 0
(10.12)
称为吸收系数： ＝2
Ec
n1
n2
Eg
图10.9
n1 n2
Ev 激子能级
h
Eenx
激子吸收谱
二、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(图10.2)，原因：
自由载流子吸收：自由载流子在同一能带内的跃迁引起的吸收.
吸收谱在本征吸收限长波一侧，吸收系数随波长的增加而增大。
n，n 2，n与散射机制有关。 18
吸收阈值： Eg EI
（图10.16)
Ec Ed
Ev
c
Ec
Ea Ev
d
对于浅杂质，通常Eg-EI>EI，则： 电离杂质吸收谱在中性杂质吸收谱高能侧。
23
四、晶格振动吸收
远红外区，光子与晶格振动的相互作用引起的光吸收。 吸收机理：红外高频光波电场，使离子晶体的正负离子沿相 反方向移动 激发长光学波振动 交变的电偶极矩 其与电 磁场相互作用，导致光吸收。 晶格振动吸收，在离子晶体、极性半导体中较显著；在元素 半导体中，不存在固有电极矩偶，但也能观察到晶格振动吸 收较弱。实际上，这是一种二级效应，即，红外光的电场感 应产生电偶极矩，它反过来又与电场耦合，引起光吸收。
k
0
处的跃迁几率不为零的跃迁，称为允许跃迁。
半导体物理_第十章
最后，我们再给出BJT处于反向放大状态时不 同区域的少数载流子浓度分布。由于器件发射结 处于反偏状态，而收集结处于正偏状态，电子由 收集区注入到基区，最后扩散到发射结附近并被 发射结电场拉向发射区，基区中的过剩少子电子 的浓度梯度也与正向放大状态正好相反。
下图所示为工作在反向放大模式时BJT器件 中各区的能带情况示意图，这也与正向放大模 式时BJT器件中各区的能带情况呈对称状态。
当输入信号频率f达到共基极电流增益截止频率f时bjt器件共基极电流增益的幅度将下降为低频时的07是低频条件下bjt器件的共发射极电流增益f是共发射极电流增益截止频率当输入信号频率f达到共发射极电流增益截止频时bjt器件共发射极电流增益的幅度将下降为低频时的07107bjt器件的大信号开关特性bjt器件也可以工作在开关状态此时外加信号为大信号bjt器件在截止关断和饱和导通两种状态之间转换右图为工作在开关状态的双极型晶体管电路图左图为输入的开关信号波形图
随着收集结反偏电压的增加，收集结空间 电荷区展宽，并向基区中扩展，从而导致基区 宽度变窄、基区中少数载流子浓度梯度增加的 情况如下图所示。
厄立效应在BJT输出特性曲线上的反映如下 图所示。理想情况下器件收集极电流与收集结 上的反偏电压无关，即输出电导为零；然而由 于基区宽度调制效应，器件的输出电导不为零， 输出特性曲线变斜，斜线交点处的电压值称为 厄立电压，通常在100-300V之间。
G. 由于发射结正偏，因此基区中的空穴也会越过发射 结空间电荷区向发射区扩散，但是由于基区掺杂浓度通散至 发射区所引起的空穴电流也将远远小于电子由发射区扩
散至基区所引起的电子电流，这个空穴电流也构成了基
极电流和发射极电流的一个组成部分。
H. 反偏的收集区中也存在着一个反向漏电流，这个反
半导体物理第10章半导体的光学性质和光电与发光现象
二、激子吸收
激子可以在整个半导体材料中运动，由于它是电中性的，因 此，激子的运动并不形成电流。
对于常用的半导体材料，其禁带宽度都比较小，因而激子能 级都靠的很近，所以，激子吸收必须在低温下用分辨率极高的仪 器设备才能观测到。
随着超晶格、量子阱结构的出现，室温下在量子阱结构中观 测到了稳定的二维激子，并利用量子阱激子的纵向电场效应，已 制备出了光学双稳态器件和光调制器件。
二、激子吸收
激子中电子与空穴之间的关系，类似于氢原子中电子与质子的关系，因 此，激子具有和孤立氢原子相同的量子化能级。
根据氢原子的能级公式，激子的束缚能为：
Eenx
=
−
q4
8ε02ε2 rh2n2
mr*
mr*
=
m*p ⋅ mn* m*p + mn*
为电子、空穴的折合质量。
n = 1,2,L, ∞
n = 1 时，为激子的基态能级 Ee1x ；
间接跃迁（非竖直跃迁）： 不遵守选择定则的跃迁。电子不仅与电磁波作用而吸收光子，同时还和晶
格交换一定的振动能量，即发射或吸收一个声子。显然，间接跃迁是电子、光 子和声子三者同时参与的过程。其能量关系为：
hv0 ± Ep = 电子能量差△E
式中Ep为声子的能量，“+” 表示吸收声子，“—” 表示发射声子。通常声子的 能量非常小，可忽略不计，即有：
在实际中，发生间接跃迁的几率比直接跃迁的几率小的多。 间接跃迁 的光吸收系数比直接跃迁的光吸收系数小很多。 直接跃迁的光吸收系数约 为104～106/cm，而间接跃迁的光吸收系数约为1～103/cm。
一、本征吸收
对于直接带隙半导体GaAs，当 hv ≥ hv0
α
GaAs
半导体物理ppt课件
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.2晶体中的电子状态
2、电子共有化运动使能级分裂为能带
例如：两个原子 相距很远时，如同孤立原子，
每个能级都有两个态与之相应， 是二度简并的 能级如图1-6(a)所示
§1.2半导体中的电子状态和能带
定量理论（量子力学计算）：电子在周期场中运动，其 能量不连续形成能带。
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.4电子在周期场中的运动——能带论
3、能带理论的应用 能带（energy band）包括允带和禁带。
允带（allowed band）：允许电子能量存在的能量范 围。
禁带（forbidden band）：不允许电子存在的能量范 围。
半导体物理
Semiconductor Physics
第一章 半导体中的电子状态
§1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 1.晶体结构的描述（有关的名词） 格点：空间（一维或多维）点阵中的点（结点） 晶列：通过任意两格点所作的（晶列上有一系列格点） 晶向：在坐标系中晶列的方向（确定晶向的方法待定）
分电子。） 价带（valence band）:被价电子占据的允带（低温下
通常被价电子占满）。
§1.2半导体中的电子状态和能带
§1.2.4电子在周期场中的运动——能带论
1、自由电子的运动 晶体中电子的运动与孤立原子的电子、自由电子的运动不同： 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 晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动，
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。
半导体物理总结-讲义
击穿
当外加电压过高时，会发生雪崩 击穿，导致电流急剧增加。
双极晶体管
发射极
01
空穴和电子从这里注入到基极。
基极
02
控制空穴和电子的流动，起到放大作用。
集电极
03
收集从基极流过的空穴和电子，形成输出电流。
场效应晶体管
源极
提供电子通道。
漏极
收集电子通道中的电子。
栅极
控制电子通道的开启和关闭。
集成电路
掺杂
通过向半导体中添加杂质元素，可 以改变半导体的载流子浓度，从而 改变其导电性能。
热学性质
01
02
03
热容
热容是描述物质吸收或释 放热量时温度变化的物理 量。
热膨胀
当温度升高时，半导体材 料的体积会膨胀。
热传导
热传导是热量在物质内部 传递的过程。
电学性质
电导率
电导率是描述物质导电能 力的物理量。
半导体物理与其他领域的交叉研究
生物学
将半导体物理与生物学结合，研究生物分子在半导体表面上的吸附、反应和传输过程，为生物传感器 和生物芯片提供技术支持。
医学
利用半导体物理原理和技术，研究医学影像、诊断和治疗技术，提高医学诊断和治疗的准确性和安全 性。
半导体物理在新能源领域的应用
太阳能电池
研究高效、低成本、长寿命的太阳能电 池，利用半导体物理原理提高光电转换 效率。
费米能级
费米能级是描述半导体中电子占据状态的参数，它决定了半导体的导电性能。
能带填充
在半导体中，价带被填满，导带是空的，这决定了半导体的导电性。
载流子类型与浓度
自由电子与空穴
在半导体中，价带中的电子获得 足够的能量后跃迁到导带，形成 自由电子；而在价带中留下一个
半导体物理 ppt课件
• 半导体的EF一般位于位于禁带中。 VS 金属中， EF是一个允许的能级。
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）
• 服从费米统计律的电子系统称为简并性系统； 服从玻尔兹曼统计律的电子系统称为非简并性 系统
半导体物理学
10/27/2015
课程大纲
1. 半导体中的电子状态 2. 半导体中杂质和缺陷能级 3. 半导体中载流子的统计分布 4. 半导体的导电性 5. 非平衡载流子
6. p-n结 7. 金属和半导体的接触 8. 半导体表面与MIS结构 9. 半导体异质结构
10.半导体的光学性质和光电 与发光现象
，得到能带中的电子总数，除以半导体体
积，就得到了导带中的电子浓度 n 0
dNfB(E)gc(E)dE
fB ( E ) e x p ( E k 0 T E F ) e g x c p (( E k E 0 )T F ) e d d x E z p ( 2 k V E 0 T 2 ) ( 2 m A h n e 3 * x )3 p /( 2 (E k E 0 T ) E C )1 /2
为
1
f (E)
EEF
1 e k0T
• f ( E ) 称为电子的费米分布函数，在热平衡状态下，电 子在允许的量子态上如何分布的一个统计分布函数
• 1 f (E) 空穴的费米分布函数
费米分布函数
• E F 称为费米能级或费米能量
– 温度 – 导电类型 – 杂质含量 – 能量零点的选取
f (E)
1
EEF
《半导体物理学》【ch10】 半导体的光学性质和光电与发光现象 教学课件
半导体的光吸收
01 本征吸收
10. 2.1 本征吸收 hw0是能够引起本征吸收的最低限度光子能量，也即，对应于本征吸收光谱， 在低频方面必然存在 一个频率界限ω0（或者说在长波方面存在一个波长界限λ0）。当角频率低于ω0或波长大于λ0时， 不可能产生本征吸收，吸收系数迅速减小。这种吸收系数显著减小的特定波长λ0（或特定角频率ω0） 称为半导体的本征吸收限。图10- 4 给出几种半导体材料的本征吸收系数和波长的关系，曲线短波 端陡峻地上升标志着本征吸收的开始。根据式(10-26 ），并应用关系式w= 2πc／λ ，可得出本征 吸收限的公式为
半导体的光学常数
01 折射率和吸收系数
10. 1. 1 折射率和吸收系数 代入式(10 -10 ） ， 得
半导体的光学常数
01 折射率和吸收系数
10. 1. 1 折射率和吸收系数 这说明，当光波在媒质中传播时， H0与§0的数值不同， 且两者之间有一相差θ＝arctan k/n，从 式（10- 14a）得知，当σ≠0 时，光波以c／n的速度沿x方向传播，其振幅按exp (-wkx/c） 的形式 减小。这里n 是通常的折射率，而是则是表征光能衰减的参量， 称为消光系数。既然光波的电矢量 和磁矢量都按指数exp (-wkx/ c） 衰减，而能流密度（ 以坡印廷矢量表示）正比于电矢量和暗矢量 振幅的乘积， 其实数部分应该是光强度I 随传播距离Z 的变化关系。因此，光强度按exp ( -2wkx/ c ） 衰减，即 用透射法测定光的衰减〈见图10 -1 ）时，发现媒质中光的衰减与光强度成正比， 引入比例系数的 得
半导体的光吸收
01 本征吸收
10. 2.1 本征吸收 根据半导体材料不同的禁带 宽度，可算出相应的本征吸 收限。例如，目的Eg=1. 12eV, λ0 ≈ 1.1μm; GaAs的 Eg=1. 43eV ， λ0≈0. 867μm，两者吸收限都在红 外区； CdS 的Eg=2. 42eV， λ0≈ 0.513μm，在可见光区。
半导体物理霍耳效应
将考虑速度分布的迁移率
n
q pv2
mp v2
n
q nv2
mn v2
分别代入 n=qnn 和 p=qpp，并与RH相乘，得
RH p
q mp
p2 v 2 pv2
(H
)p
RH n
q mn
n2v2 nv2
(H
)n
称H为霍耳迁移率
霍耳迁移率与漂移迁移率之比 p型和n型半导体的霍耳系数
RH
Ix bd
BZ
得
RH
UHd I x Bz
由霍尔系数计算载流子密度 n或p RH / q
配合电阻率测试，求迁移率 RH /
Bz
y
Jx
d
b
四、霍尔迁移率
若考虑载流子的速度分布，p型和n型半导体的霍尔系数变为
RH
1 p2v2 v2 pq pv2 2
RH
1 nq
v2 2
n
v2
nv2 2
b n p
当两种载流子密度相差很大时，霍尔系数即前述只考虑一种
载流子的情况下所得之结果。
如果考虑载流子的速度分布
RH
H
1 q
(
p p
nb2 nb)
2
六、不同掺杂状态的RH
霍尔系数为负一定是n型半导体？
RH
H
1 q
(
p p
nb2 nb)
2
(1) 本征: ∵b>1且n=p, ∴RH 永 为负数，但随着温度的升高而
H
p
p2v2 v2 pv2 2
H
n
n2v2 v2 nv2 2
RH
1 p2v2 v2 pq pv2 2
H
半导体物理学PPT课件
半导体的掺杂
Ⅲ、Ⅴ族杂质在Si、Ge晶体中分别为受 主和施主杂质，它们在禁带中引入了能 级；受主能级比价带顶高 EA，施主能级 比导带底低 ED，均为浅能级，这两种 杂质称为浅能级杂质。
杂质处于两种状态：中性态和离化态。 当处于离化态时，施主杂质向导带提供 电子成为正电中心；受主杂质向价带提 供空穴成为负电中心。
解：（a）
r 1 (1 24
3a)
3a 8
（b）
8 4r3
3 a3
3
16
0.34
间隙式杂质、替位式杂质
杂质原子位于晶格原子间的间隙位置， 该杂质称为间隙式杂质。
间隙式杂质原子一般比较小，如Si、Ge、 GaAs材料中的离子锂（0.068nm）。
杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处， 该杂质称为替位式杂质。
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
半导体的纯度和结构
纯度
极高，杂质<1013cm-3
结构
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
半导体中净杂质浓度称为有效杂质 浓度（有效施主浓度；有效受主浓 度）
杂质的高度补偿（ NA ND ）
现
肖特基缺陷
只存在空位而无间隙原子 间隙原子和空位这两种点缺陷受温度影响较
大，为热缺陷，它们不断产生和复合，直至 达到动态平衡，总是同时存在的。 空位表现为受主作用；间隙原子表现为施主 作用
E(0)
物理学中的半导体物理知识点
物理学中的半导体物理知识点半导体物理学是物理学领域中的一个重要分支，研究半导体材料及其性质与行为。
本文将介绍几个半导体物理学中的知识点，包括半导体的基本概念、载流子行为、PN结及其应用。
一、半导体的基本概念半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料。
它的导电能力介于导体和绝缘体之间，可以通过控制外加电场或温度来改变其电导率。
根据能带理论，半导体材料中存在一个禁带，将价带和导带分开，如果半导体材料的价带被填满，而导带是空的，那么半导体就没有导电能力；当半导体材料的温度升高或者施加电场时，一些电子会跃迁到导带中，形成可以导电的载流子。
二、载流子行为在半导体中，载流子是指能够输送电流的带电粒子，可以分为自由电子和空穴两种类型。
1. 自由电子：自由电子是指在半导体晶格中脱离原子束缚的电子，它具有负电荷。
在纯净的半导体中，自由电子的数量较少。
2. 空穴：空穴是指由于半导体中某个原子缺少一个电子而形成的一个正电荷，可以看作是受激发的价带上的空位。
载流子的行为受到材料的类型和掺杂等因素的影响。
三、PN结及其应用PN结是半导体中最基本的器件之一，由P型半导体和N型半导体的结合构成。
P型半导体中的空穴浓度较高，N型半导体中的自由电子浓度较高，当这两种类型的半导体材料接触时，自由电子和空穴会发生复合，形成一个耗尽区域。
PN结的特性使得它在半导体器件中有着广泛的应用，例如：1. 整流器：利用PN结的单向导电性质，将交流电信号转换为直流电信号。
2. 发光二极管（LED）：在PN结中注入电流可以激发电子跃迁，从而产生光线，实现发光效果。
3. 晶体管：晶体管是一种基于PN结的三端口器件，通过调控PN结的导电状态，实现信号放大和开关控制。
PN结的应用广泛且多样化，是现代电子技术中不可或缺的一个元件。
总结：半导体物理学作为物理学中的重要分支，研究的是半导体材料及其性质与行为。
本文介绍了半导体的基本概念，包括能带理论和禁带，以及载流子行为，其中自由电子和空穴是半导体中的两种重要载流子。
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---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 第10讲5-4半导体物理II半导体的物理效应第5章导电物理章5.1 概述 5.2 材料的导电性能 5.3 金属电导 5.4 半导体物理 5.5 超导物理1/ 315.4 半导体物理5.4.1 5.4.2 5.4.3 半导体与p-n结半导体的物理效应能带理论在半导体中的应用---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 5.4.2 半导体的物理效应 5.4.2.1 余辉效应 5.4.2.1 发光二极管5.4.2.1 激光二极管 5.4.2.1 光伏特效应3/ 315.4.2.1余辉效应光致发光效应价带的电子受到入射光子的激发后，价带的电子受到入射光子的激发后，会跃过禁带进入导带。
会跃过禁带进入导带。
如果导带上的这些被激发的电子又跃迁回到价带时，被激发的电子又跃迁回到价带时，会以放出光子的形式来释放能量，这就是光致发出光子的形式来释放能量，这就是光致发光效应，也称为荧光效应荧光效应。
光效应，也称为荧光效应。
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 图5.18 荧光产生原理 (a) 金属金属; (b) 半导体5/ 31光致发光现象不会在金属中产生。
光致发光现象不会在金属中产生。
因为在金属中，具有没有充满电子的能带，金属中，具有没有充满电子的能带，低能级的电子只会激发到同一能带的高能级。
电子只会激发到同一能带的高能级。
在同一能带内，电子从高能级跃迁回到低能级，带内，电子从高能级跃迁回到低能级，所释放的能量太小，产生的光子的波长太长，的能量太小，产生的光子的波长太长，远远超过可见光的波长。
过可见光的波长。
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 在某些陶瓷和半导体中，在某些陶瓷和半导体中，价带和导带之间的禁带宽度适中，间的禁带宽度适中，被激发的电子从导带跃回到价带时释放的光子波长刚好在可见光波所以具有光致发光效应，段，所以具有光致发光效应，这类材料称为荧光材料。
荧光材料。
日光灯灯管的内壁涂有荧光物质。
日光灯灯管的内壁涂有荧光物质。
管内的汞蒸气在电场作用下发出紫外线，的汞蒸气在电场作用下发出紫外线，这些紫外线轰击在荧光物质上使其发光，外线轰击在荧光物质上使其发光，关掉电源后荧光物质便不再发光。
后荧光物质便不再发光。
7/ 31余辉现象如果荧光材料中含有一些微量杂质，如果荧光材料中含有一些微量杂质，且这些杂质的能级位于禁带内，这些杂质的能级位于禁带内，相当于陷阱能级(Ed)，从价带被激发的电子进入导带后，，从价带被激发的电子进入导带后，就会掉入这些陷阱能级。
就会掉入这些陷阱能级。
因为这些被陷阱能级所捕获的激发电子必须首先脱离陷阱能级进入导带，然后这些电子跃回到价带，进入导带，然后这些电子跃回到价带，才能发出可见光，所以它们被入射光子激发后，发出可见光，所以它们被入射光子激发后，需要延迟一段时间才会发光，需要延迟一段时间才会发光，这样就出现了所谓的余辉现象余辉现象。
所谓的余辉现象。
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 余辉时间余辉时间取决于这些陷阱能级与导带之间的能级差，陷阱能级深度。
间的能级差，即陷阱能级深度。
因为在一定温度下，定温度下，处于较深的陷阱能级上的电子被热重新激发到导带的几率较小，被热重新激发到导带的几率较小，或者电子进入导带后又落入其他陷阱能级（子进入导带后又落入其他陷阱能级（发生多次捕获），这些情况都使余辉时间变长，），这些情况都使余辉时间变长多次捕获），这些情况都使余辉时间变长，也就是使发光的衰减变得很慢。
也就是使发光的衰减变得很慢。
9/ 31图5.19 余辉产生原理---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 荧光材料电视机显示屏所用的荧光材料夜光材料? ZnS∶Cu ∶ ? SrAl2O4∶Eu,Dy ∶11/ 31图5.20 SrAl2O4∶Eu,Dy长余辉材料的发光原理长余辉材料的发光原理---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 5.4.2.2 发光二极管余辉效应是入射光引起的半导体发光现余辉效应是入射光引起的半导体发光现而发光二极管则是电场电场引起的半导体发象，而发光二极管则是电场引起的半导体发光现象。
光现象。
13/ 31平衡p-n结结平衡正偏注入发光---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 半导体p 半导体p-n结发光的原理在正向偏压的作用下，结势垒降低，在正向偏压的作用下，p-n结势垒降低，势结势垒降低垒区内建电场也相应减弱，垒区内建电场也相应减弱，载流子也会在正向偏压的作用下发生扩散。
型半导体区内的多数载流压的作用下发生扩散。
n型半导体区内的多数载流子电子扩散到p型半导体区同时p 型半导体区内型半导体区，子电子扩散到型半导体区，同时型半导体区内的多数载流子空穴扩散到n型半导体区型半导体区。
的多数载流子空穴扩散到型半导体区。
这些注入区的载流子电子和注入到n区的载流子空穴都到p区的载流子电子和注入到区的载流子空穴都区的载流子电子和注入到是非平衡的少数载流子。
是非平衡的少数载流子。
这些非平衡的少数载流子不断与多数载流子复合而发光，这就是半导体子不断与多数载流子复合而发光， p-n结发光的原理。
结发光的原理结发光的原理。
15/ 31导致发光的能级跃迁除了可以在导带与价带这样的带与带之间（称为本征跃迁）价带这样的带与带之间（称为本征跃迁）发生外，还可以在杂质能级与带之间、生外，还可以在杂质能级与带之间、杂质能级之间（称为非本征跃迁）发生。
级之间（称为非本征跃迁）发生。
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 图5.22 材料发光与能级跃迁17/ 31导带上的电子还会以热量的形式释放出一部分能量后掉入杂质能级，一部分能量后掉入杂质能级，然后再向价带跃迁。
这种跃迁称为间接跃迁，跃迁。
这种跃迁称为间接跃迁，其能量小于禁带宽度。
间接跃迁可以有4种类型种类型。
禁带宽度。
间接跃迁可以有种类型。
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 图5.23 发光二极管的发光颜色与材料成分的关系19/ 31能级跃迁所产生的光子并不能够全部传到半导体材料的外部来。
到半导体材料的外部来。
因为从发光区发出的光子不仅在通过半导体材料时有可能被再吸收，吸收，而且在半导体的表面处很可能发生全发射而返回到半导体材料内部。
发射而返回到半导体材料内部。
为了避免这种现象，可以将半导体材料表面制成球面，种现象，可以将半导体材料表面制成球面，并使发光区域处于球心位置。
并使发光区域处于球心位置。
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 5.4.2.3 激光二极管? 处于低能级的电子吸收一个入射光子后，从低能处于低能级的电子吸收一个入射光子后，级被激发到高能级，这个过程称为光吸收光吸收。
级被激发到高能级，这个过程称为光吸收。
? 当电子从高能级跃迁回到低能级时，会辐射放出当电子从高能级跃迁回到低能级时，一个光子，这种辐射称为自发辐射自发辐射。
一个光子，这种辐射称为自发辐射。
? 除了自发辐射外，还有一种受激辐射。
在受激辐除了自发辐射外，还有一种受激辐射受激辐射。
射过程中，处于高能级的电子受到入射光子的作用，射过程中，处于高能级的电子受到入射光子的作用，跃迁到低能级，并辐射放出一个与入射光子在频率、跃迁到低能级，并辐射放出一个与入射光子在频率、位相、传播方向、位相、传播方向、偏振状态等各方面完全相同的光子。
21/ 31当注入光子时，光吸收（受激吸收）当注入光子时，光吸收（受激吸收）与受激辐射这两种过程究竟哪一种占主导地位，地位，取决于处于高能级上和处于低能级上的电子数量之比。
上的电子数量之比。
如果处于高能级上的电子数大于处于低能级上的电子数，低能级上的电子数，受激辐射就会超过光吸收，而导致激光的产生。
激光的产生吸收，而导致激光的产生。
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------ 高浓度掺杂的p-n结制成的激光二极管结制成的激光二极管高浓度掺杂的对于高浓度掺杂的半导体p-n结，由于杂质浓结对于高浓度掺杂的半导体度很高，型区内来自杂质能级的载流子电子非常度很高，n型区内来自杂质能级的载流子电子非常费密能级位于导带之中。