半导体物理名词解释
金刚石型结构：金刚石结构是一种由相同原子构成的复式晶体，它是由两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成。每个原子周围都有4个最近邻的原子，组成一个正四面体结构。
闪锌矿型结构：闪锌矿型结构的晶胞，它是由两类原子各自组成的面心立方晶格，沿空间对角线彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成。
有效质量：粒子在晶体中运动时具有的等效质量，它概括了半导体内部势场的作用。有效质量表达式为：
费米能级: 费米能级是T=0 K 时电子系统中电子占据态和 未占据态的分界线，是T=0 K 时系统中电子所能具有的最高能量。
准费米能级:统一的费米能级是热平衡状态的标志。当外界的影响破坏了热平衡，使半导体处于非平衡状态时，就不再存在统一的费米能级。但是可以认为，分别就导带和价带中的电子讲，他们各自基本上处于平衡状态，导带与价带之间处于不平衡状态。因为费米能级和统计分布函数对导带和价带各自仍是适用的，可以引入导带费米能级和价带费米能级，它们都是局部的费米能级。称为“准费米能级”
费米面：将自由电子的能量E 等于费米能级Ef 的等能面称为费米面。
费米分布：大量电子在不同能量量子态上的统计分布。费米分布函数为：
施主能级：通过施主掺杂在半导体的禁带中形成缺陷能级，被子施主杂质束缚的电子能量状态称为施主能级。
受主能级：通过受主掺杂在半导体的禁带中形成缺陷能级，被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级。
禁带：能带结构中能态密度为零的能量区间。
价带：半导体或绝缘体中，在绝对零度下能被电子沾满的最高能带。
导带：导带是自由电子形成的能量空间，即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。
222*dk E d h m n
=T
k E E F
e E
f 011)(-+=
N型半导体: 在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。
P型半导体: 在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，形成P 型半导体。
简并半导体: 对于重掺杂半导体，费米能级接近或进入导带或价带，导带/价带中的载流子浓度很高，泡利不相容原理起作用，电子和空穴分布不再满足玻耳兹曼分布，需要采用费米分布函数描述。称此类半导体为简并半导体。
非简并半导体: 掺杂浓度较低，其费米能级EF在禁带中的半导体; 半导体中载流子分布可由经典的玻尔兹曼分布代替费米分布描述时，称之为非简并半导体
施主杂质：V族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质。
受主杂质：Ⅲ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负点中心，所以称它们为受主杂质或p型杂质。
替位式杂质：杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处。
间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子的间隙位置。
等电子杂质：当杂质的价电子数等于其所替代的主晶格原子的价电子数时，这种杂质称为等电子杂质
空穴：定义价带中空着的状态看成是带正电荷的粒子，称为空穴
意义 a 把价带中大量电子对电流的贡献仅用少量的空穴表达出来b金属中仅有电子一种载流子，而半导体中有电子和空穴两种载流子，正是这两种载流子的相互作用，使得半导体表现出许多奇异的特性，可用来制造形形色色的器件
理想半导体（理想与非理想的区别）：a 原子并不是静止在具有严格周期性的晶格的格点位置上，而是在其平衡位置附近振动 b 半导体材料并不是纯净的，而是含有各种杂质即在晶格格点位置上存在着与组成半导体材料的元素不同其他化学元素的原子c 实际的半导体晶格结构并不是完整无缺的，而存在着各种形式的缺陷
杂质补偿：在半导体中，施主和受主杂质之间有相互抵消的作用通常称为杂质的补偿作用
深能级杂质：非Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗的禁带中产生的施主能级距离导带较远，他们产生的受主能级距离价带也较远，通常称这种能级为深能级，相应的杂质为深能级杂质
浅能级杂质：在半导体中、其价电子受到束缚较弱的那些杂质原子，往往就是能够提供载流子（电子或空穴）的施主、受主杂质，它们在半导体中形成的能级都比较靠近价带顶或导带底，因此称
其为浅能级杂质。
迁移率：单位电场作用下，载流子获得的平均定向运动速度，反映了载流子在电场作用下的输运能力，是半导体物理中重要的概念和参数之一。迁移率的表达式为：μ=q τ/m* 。可见，有效质量和弛豫时间（散射）是影响迁移率的因素。
空穴的牵引长度：表征空穴漂移运动的有效范围的参量就是空穴的牵引长度
点缺陷：是最简单的晶体缺陷，它是在 结点上 或 邻近的微观区域内 偏离晶体结构的正常排列 的一种缺陷。包括：间隙原子和空位是成对出现的弗仓克耳缺陷 和只在晶体内形成空位而无间隙原子的肖特基缺陷。
弗仑克耳缺陷：间隙原子和空穴成对出现导致的缺陷。
肖特基缺陷：只在晶体内形成空位而无间隙原子时的缺陷。
空穴：在电子挣脱价键的束缚成为自由电子，其价键中所留下来的空位。
空位：在一定条件下，晶格原子不仅在其平衡位置附近振动，而且有一部分原子会获得足够的能量，脱离周围原子对他的束缚，挤入晶格原子间隙间成为间隙原子，原来的位置便成为空位 本征载流子：就是本征半导体中的载流子（电子和空穴），即不是由掺杂所产生出来的。
非平衡载流子: 半导体处于非平衡态时，比平衡态时多出来的那一部分载流子称为非平衡载流子。Δp=Δn
热载流子：热载流子：在强电场情况下，载流子从电场中获得的能量很多，载流子的平均能量比热平衡状态时的大，因而载流子与晶格系统不再处于热平衡状态。温度是平均动能的量度，既然载流子的能量大于晶格系统的能量，人们便引入载流子的有效温度Te 来描写这种与晶格系统不处于热平衡状态时的载流子，并称这种状态载流子为热载流子
束缚激子：等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心，这一中心由于库仑作用又能俘获另一种带电符号相反的载流子从而成为定域激子，称为束缚激子。
漂移运动：在外加电压时，导体或半导体内的载流子受电场力的作用，做定向运动。
扩散运动 ：当半导体内部的载流子存在浓度梯度时，引起载流子由浓度高的地方向浓度低的地方
扩散，扩散运动是载流子的有规则运动。电子扩散电流
dx dn qD J n diff n =, 状态密度：就是在能带中能量E 附近每单位能量间隔内的量子态数。
dE
dZ
E g =)(
直接复合：导带中的电子越过禁带直接跃迁到价带，与价带中的空穴复合，这样的复合过程称为直接复合
间接复合：导带中的电子通过禁带的复合中心能级与价带中的空穴复合，这样的复合过程称为间接复合。
俄歇复合：载流子从高能级向低能级跃迁发生电子-空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回到低能级时，多余的能量常以声子的形式放出，这种复合称为俄歇复合，显然这是一种非辐射复合。
陷阱中心:半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能级，这些能级具有收容部分非平衡载流子的作用，杂质能级的这种积累非平衡载流子的作用称为陷阱效应。把产生显著陷阱效应的杂质和缺陷称为陷阱中心。
复合中心：半导体中的杂质和缺陷可以在禁带中形成一定的能级，对非平衡载流子的寿命有很大影响。杂质和缺陷越多，寿命越短，杂质和缺陷有促进复合的作用，把促进复合的杂质和缺陷称为复合中心。
等电子复合中心：等电子复合中心：在Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中掺入一定量的与主原子等价的某种杂质原子，取代格点上的原子。由于杂质原子和主原子之间电负性的差别，中性杂质原子可以束缚电子或空穴而成为带电中心，带电中心会吸引和被束缚载流子符号相反的载流子，形成一个激子束缚态。
爱因斯坦关系：对电子Dn/μn =k0T/q 对空穴Dp/μp =k0T/q它表明非简并情况下载流子的迁移率和扩散系数之间的关系。
陷阱效应：杂质能级积累非平衡载流子的作用就称为陷阱效应。
回旋共振：一些物质如半导体中的载流子在一定的恒定磁场和高频磁场同时作用下会发生抗磁共振。
砷化镓负阻效应：当电场达到一定値时，能谷1中的电子可从电场中获得足够的能量而开始转移到能谷2，发生能谷间的散射，电子的动量有较大的改变，伴随吸收或发射一个声子。但是，这两个能谷不是完全相同的，进入能谷2的电子，有效质量大为增加，迁移率大大降低，平均漂移速度减小，电导率下降，产生负阻效应
耿氏效应：在半导体本体内产生高频电流的现象称为耿氏效应
扩散长度：扩散长度是表征载流子扩散有效范围的一个物理量，它等于扩散系数乘以寿命的平方根。
势垒电容：在外加正向偏压增加时，将有一部分电子和空穴“存入”势垒区，反之，当正向偏压减小时，势垒区的电场增强，势垒区宽度增加，空间电荷数量增多，这就是有一部分电子和空穴从势垒区“取出”。对于加反向偏压的情况类似。总之，pn结上外加电压的变化，引起了电子和空穴在势垒区的“存入”和“取出”作用，导致势垒区的空间电荷数量随外加电压而变化，这和一个电容器的充放电作用相似，这种pn结的电容效应称为势垒电容
扩散电容：正向偏压时，有空穴从p区注入n区，于是在势垒区与n区边界n区一侧一个扩散长度内，便形成了非平衡空穴和电子的积累，同样在p区也有非平衡电子和空穴的积累。当正向偏压增加时，由p区注入到n区的空穴增加，注入的空穴一部分扩散走了。所以外加电压变化时，n 区扩散区内积累的非平衡空穴也增加，与它保持电中性的电子也相应增加。同样，p区扩散区内积累的非平衡电子和与它保持电中性的空穴也要增加。这种由于扩散区的电荷数量随外加电压的变化所产生的电容效应，称为pn结的扩散电容
pn结隧道效应：在简并化的重掺杂半导体中，n型半导体的费米能级进入了导带，p型半导体的费米能级进入了价带。在重掺杂情况下，杂质浓度大，势垒区很薄，由于量子力学的隧道效应，n 区导带的电子可能穿过禁带到p区价带，p区价带电子也可能穿过禁带到n区导带，从而有可能产生隧道电流。
耗尽层近似：当势垒高度远大于koT时，势垒区可近似为一个耗尽层。在耗尽层中，载流子极为稀少，他们对空间电荷的贡献可以忽略；杂质全部电离，空间电荷完全由电离杂质的电荷形成。肖特基势垒二极管：利用金属-半导体整流接触效应特性制成的二极管称为肖特基势垒二极管，它和pn结二极管具有类似的电流-电压关系，即它们都有单向导电性，但前者又又区别于后者的以下显著特点 a 就载流子的运动形式而言，pn结正向导通时，由p区注入n区的空穴或由n区注入p区的电子，都是少数载流子，他们先形成一定的积累，然后靠扩散运动形成电流。这种注入的非平衡载流子的积累称为电荷贮存效应，它严重地影响了pn结的高频性能。而肖特基势垒二极管的正向电流，主要是由半导体的多数载流子进入金属形成的。它是多数载流子器件。因此，肖特基势垒二极管比pn结二极管有更好的高频特性 b 对于相同的高度，肖特基势垒二极管的Jsd 或Jst要比pn结的反向饱和电流Js大得多。
欧姆接触：金属与半导体接触时还可以形成非整流接触，即欧姆接触，它不产生明显的附加阻抗，而且不会使半导体内部的平衡载流子浓度发生显著的改变（半导体重掺杂时，它与金属的接触可以形成接近理想的欧姆接触
理想MIS结构：a 金属与半导体间功函数差为零 b 在绝缘层中没有任何电荷且绝缘层完全不导
电 c 绝缘层与半导体界面处不存在任何界面态
深耗尽状态：在金属和半导体之间加一脉冲阶跃或高频正弦波形成的正电压时，由于空间电荷层内的少数载流子的产生速率跟不上电压的变化，反型层来不及建立，只有靠耗尽层延伸向半导体深处而产生大量受主负电荷以满足电中性条件。因此，这种情况时，耗尽层的宽度很大，可远大于强反型的最大耗尽层宽度，且其宽度随电压幅度的增大而增大，这种状态称为深耗尽状态
Si-SiO2系统各种电荷：a 二氧化硅层中的可动离子。主要是带正电的钠离子，还有钾、氢等正离子 b 二氧化硅层中的固定电荷 c 二氧化硅层中的电离陷阱电荷。是由于各种辐射如X射线、γ射线、电子射线等引起
异质结：有两种不同的半导体单晶材料可超过组成的结，则称为异质结
异质结的特点：a 能带发生了弯曲，出现“尖峰”和“凹口” b 能带在交界面处不连续，有一个突变
异质pn结的超注入现象：指在异质pn结中有宽禁带半导体注入到窄禁带半导体中的少数载流子浓度宽带半导体中多数载流子浓度
间接带隙半导体：导带极小值和价带极大值没有对应于相同的波矢，例如像锗、硅一类半导体，价带顶位于K空间原点，而导带低则不在k空间原点，这种半导体称为间接带隙半导体
非竖直（直接）跃迁：在非竖直（直接）跃迁中，电子不仅吸收光子，同时还和晶格交换一定的振动能量，即吸收或放出一个声子
光电探测器件工作原理及用途：有光照引起半导体电导率增加的现象称为光电导。大量实验证明，半导体光电导的强弱与照射波长有密切的关系，所谓光电导的光谱分析，就是指对应于不同的波长，光电导响应灵敏度的变化关系。因此，可以通过测量光电导的光谱分布来确定半导体材料光电导特性，根据这一原理可制成光电探测器。用途：PbS、PbSe和PbTe是重要的红外探测器材料，CdS除了对可见光有响应外，还可有效地用于短波方面，知道x光短波
半导体太阳电池的基本原理：当用适当波长的光照射非均匀半导体（pn结等）时，由于内建电场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势（光生电压），如将pn结短路，则出现电流。这种由内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。根据这一原理可制成太阳能电池，将太阳辐射能直接转变为电能
光电池（光电二极管）的基本原理：当用适当波长的光照射pn结时，由于pn结势垒区内存在较强的内建电场，结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反的方向运动，pn结两端产生光生电动势，如将pn结与外电路接通，只要光照不停止，就会有渊源不断的电流过电路，pn结起到了电源的作用
半导体发光器件的基本原理：半导体的电子可以吸收一定能量的光子而被激发。同样，处于激发态的电子也可以向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放出能量，也就是电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这就是半导体的发光现象。（产生光子发射的主要条件是系统必须处于非平衡状态，即在半导体内需要有某种激发过程存在，通过与非平衡载流子的复合，才能形成发光半导体激光器件的基本原理：处在激发态E2的原子数大于处在激发态E1的原子数，则在光子流hν12照射下，受激辐射将超过吸收过程。这样由系统发射的能量为hν12将大于进入系统的同样能量的光子数，这钟现象称为光量子放大。通常把处于激发态E2（高能级）的原子数大于处在激发态E1（低能级）的原子数的这种反常情况，称为“分布反转”或“粒子数反转”。激光的发射，必须满足 a 形成分布反转，使受激辐射占优势 b 具有共振腔，以实现光量子放大 c 至少达到阈值电流密度，使增益至少等于损耗
半导体霍尔器件的基本原理：把通有电流的半导体放在均匀磁场中，设电场沿X方向，磁场方向和电场垂直，沿z方向，则在垂直于电场和磁场的+y或-y方向将产生一个横向电场，这个现象称为霍尔效应。利用霍尔效应制成的电子器件称为霍尔器件
二维电子气：MOS反型层中的电子被局限在很窄的势阱中运动，所以反型层中的电子沿垂直于界面的z方向的运动是量子化的，形成一系列分立能级E0，E1，…，Ej…。在xy平面内，即沿着界面方向能量仍是准连续的。称这样的电子系统为二维电子气
半导体压阻器件的基本原理：对半导体施加应力时，半导体的电阻率要发生改变，这种现象称为压阻效应。应用:半导体应变计、压敏二极管、压敏晶体管等 a 利用半导体电阻随应力变化的这一现象可以制成半导体应变计bpn结伏安特性随压力变化很大，利用他的这一压敏特性可以制成压敏二极管和压敏三极管
非晶态半导体：原子排列不具有周期性，即不具有长程有序的半导体称为非晶态半导体
半导体热电效应应用：温差发电器制冷器原理P373
判断半导体的导电类型
a 热探针法当温度增加时，载流子浓度和速度都增加，它们由热端扩散到冷端，如果载流子是空穴，则热端缺少空穴，冷端有过剩空穴，冷端电势较高，形成由冷端指向热端的电场；如果载流子是电子，则热端缺少电子，冷端有过剩电子，热端电势较高，形成由热端指向冷端的电场。所以，由半导体的温差电动势的正负，可以判断半导体的导电类型
B霍尔效应法
n型和p型半导体的霍尔系数符号相反，也即霍尔电压Vh的正负相反，所以，从霍尔电压Vh的正负可以判断半导体的导电类型
第一章习题 1．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： E c =0 2 20122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V - =-+ 0m 。试求： 为电子惯性质量，nm a a k 314.0,1== π （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; （4）价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化 解：（1） eV m k E k E E E k m dk E d k m k dk dE Ec k k m m m dk E d k k m k k m k V C g V V V c 64.012)0()43 (0,060064 3 382324 3 0)(2320 2121022 20 202 02022210 1202== -==<-===-==>=+===-+ 因此：取极大值 处，所以又因为得价带： 取极小值处，所以：在又因为：得：由导带： 04 32 2 2*8 3)2(1 m dk E d m k k C nC ===
s N k k k p k p m dk E d m k k k k V nV /1095.704 3 )() ()4(6 )3(25104 3002 2 2*1 1 -===?=-=-=?=- == 所以：准动量的定义： 2. 晶格常数为0.25nm 的一维晶格，当外加102V/m ，107 V/m 的电场时，试分别 计算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。 解：根据：t k h qE f ??== 得qE k t -?=? s a t s a t 137 19 282 1911027.810 10 6.1)0(102 7.810106.1) 0(----?=??-- =??=??-- = ?π π 第三章习题和答案 1. 计算能量在E=E c 到2 *n 2 C L 2m 100E E π+= 之间单位体积中的量子态数。 解 3 2 2233 *28100E 212 33*22100E 00212 3 3 *231000L 8100)(3222)(22)(1Z V Z Z )(Z )(22)(23 22 C 22C L E m h E E E m V dE E E m V dE E g V d dE E g d E E m V E g c n c C n l m h E C n l m E C n n c n c π ππππ=+-=-=== =-=*++??** ）（）（单位体积内的量子态数） （
1半导体中的电子状态 1.2半导体中电子状态和能带 1.3半导体中电子的运动有效质量 1半导体中E与K的关系 2半导体中电子的平均速度 3半导体中电子的加速度 1.4半导体的导电机构空穴 1硅和锗的导带结构 对于硅，由公式讨论后可得： I.磁感应沿【1 1 1】方向，当改变B（磁感应强度）时，只能观察到一个吸收峰 II.磁感应沿【1 1 0】方向，有两个吸收峰 III.磁感应沿【1 0 0】方向，有两个吸收峰 IV磁感应沿任意方向时，有三个吸收峰 2硅和锗的价带结构 重空穴比轻空穴有较强的各向异性。 2半导体中杂质和缺陷能级 缺陷分为点缺陷，线缺陷，面缺陷(层错等 1.替位式杂质间隙式杂质
2.施主杂质：能级为E(D,被施主杂质束缚的电子的能量状态比导带底E(C低ΔE(D,施主能级位于离导带底近的禁带中。 3. 受主杂质：能级为E(A,被受主杂质束缚的电子的能量状态比价带E(V高ΔE(A,受主能级位于离价带顶近的禁带中。 4.杂质的补偿作用 5.深能级杂质： ⑴非3，5族杂质在硅，锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远，离价带顶也较远，称为深能级。 ⑵这些深能级杂质能产生多次电离。 6.点缺陷：弗仑克耳缺陷：间隙原子和空位成对出现。 肖特基缺陷：只在晶体内部形成空位而无间隙原子。 空位表现出受主作用，间隙原子表现出施主作用。 3半导体中载流子的分布统计 电子从价带跃迁到导带，称为本征激发。 一、状态密度 状态密度g(E是在能带中能量E附近每单位间隔内的量子态数。 首先要知道量子态，每个量子态智能容纳一个电子。 导带底附近单位能量间隔内的量子态数目，随电子的能量按抛物线关系增大，即电子能量越高，状态密度越大。 二、费米能级和载流子的统计分布
基本概念题： 第一章半导体电子状态 1.1 半导体 通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料，其导带在绝对零度时全空，价带全满，禁带宽度较绝缘体的小许多。 1.2能带 晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些区间没有能及分布。这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。 1.2能带论是半导体物理的理论基础，试简要说明能带论所采用的理论方法。 答： 能带论在以下两个重要近似基础上，给出晶体的势场分布，进而给出电子的薛定鄂方程。通过该方程和周期性边界条件最终给出E-k关系，从而系统地建立起该理论。 单电子近似： 将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑，这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。 绝热近似： 近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换，而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。 1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法 答案： 克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型，如下图所示 利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式，进而确定波函数并给出E-k关系。由此得到的能量分布在k空间上是周期函数，而且某些能量区间能级是准连续的（被称为允带），另一些区间没有电子能级（被称为禁带）。从而利用量子力学的方法解释了能带现象，因此该模型具有重要的物理意义。 1.2导带与价带 1.3有效质量 有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。它概括了周期性势场对载流子运动的影响，从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。其大小由晶体自身的E-k 关系决定。 1.4本征半导体 既无杂质有无缺陷的理想半导体材料。 1.4空穴 空穴是为处理价带电子导电问题而引进的概念。设想价带中的每个空电子状态带有一个正的基本电荷，并赋予其与电子符号相反、大小相等的有效质量，这样就引进了一个假想的
1.迁移率 参考答案： 单位电场作用下，载流子获得的平均定向运动速度，反映了载流子在电场作用下的输运能力，是半导体物理中重要的概念和参数之一。迁移率的表达式为：* q m τμ= 可见，有效质量和弛豫时间（散射）是影响迁移率的因素。 影响迁移率的主要因素有能带结构（载流子有效质量）、温度和各种散射机构。 n p neu peu σ=+ 2.过剩载流子 参考答案： 在非平衡状态下，载流子的分布函数和浓度将与热平衡时的情形不同。非平衡状态下的载流子称为非平衡载流子。将非平衡载流子浓度超过热平衡时浓度的部分，称为过剩载流子。 非平衡过剩载流子浓度：00,n n n p p p ?=-?=-，且满足电中性条件：n p ?=?。可以产 生过剩载流子的外界影响包括光照（光注入）、外加电压（电注入）等。 对于注入情形，通过光照或外加电压（如碰撞电离）产生过剩载流子：2i np n >，对于抽取情形，通过外加电压使得载流子浓度减小：2i np n <。 3. n 型半导体、p 型半导体 N 型半导体：也称为电子型半导体.N 型半导体即自由电子浓度远大于空穴浓度的杂质半导体.在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷）,使之取代晶格中硅原子的位置,就形成了N 型半导体.在N 型半导体中,自由电子为多子,空穴为少子,主要靠自由电子导电.自由电子主要由杂质原子提供,空穴由热激发形成.掺入的杂质越多,多子（自由电子）的浓度就越高,导电性能就越强. P 型半导体：也称为空穴型半导体.P 型半导体即空穴浓度远大于自由电子浓度的杂质半导体.在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼）,使之取代晶格中硅原子的位子,就形成P 型半导体.在P 型半导体中,空穴为多子,自由电子为少子,主要靠空穴导电.空穴主要由杂质原子提供,自由电子由热激发形成.掺入的杂质越多,多子（空穴）的浓度就越高,导电性能就越强. 4. 能带 当N 个原子处于孤立状态时，相距较远时，它们的能级是简并的，当N 个原子相接近形成晶体时发生原子轨道的交叠并产生能级分裂现象。当N 很大时，分裂能级可看作是准连续
第五章习题 1. 在一个n 型半导体样品中，过剩空穴浓度为1013cm -3, 空穴的寿命为100us 。计算空穴的复合率。 2. 用强光照射n 型样品，假定光被均匀地吸收，产生过剩载流子，产生率为,空 穴寿命为。 （1）写出光照下过剩载流子所满足的方程； （2）求出光照下达到稳定状态时的过载流子浓度。 3. 有一块n 型硅样品，寿命是1us ，无光照时电阻率是10??cm 。今用光照射该样品，光被半导体均匀的吸收，电子-空穴对的产生率是1022cm -3s-1,试计算光照下样品的电阻率，并求电导中少数在流子的贡献占多大比例 s cm p U s cm p U p 31710 10010 313/10U 100,/10613 ==?= ====?-??-τ τμτ得：解：根据？求：已知：τ τ τ ττ g p g p dt p d g Ae t p g p dt p d L L t L =?∴=+?-∴=?+=?+?-=?∴-. 00 )2()(达到稳定状态时，方程的通解：梯度，无飘移。 解：均匀吸收，无浓度cm s pq nq q p q n pq np cm q p q n cm g n p g p p n p n p n p n L /06.396.21.0500106.1101350106.11010.0:101 :1010100 .19 16191600'000316622=+=???+???+=?+?++=+=Ω=+==?==?=?=+?-----μμμμμμσμμρττ光照后光照前光照达到稳定态后
4. 一块半导体材料的寿命=10us ，光照在材料中会产生非平衡载流子，试求光照突然停止20us 后，其中非平衡载流子将衰减到原来的百分之几 5. n 型硅中，掺杂浓度N D =1016cm -3, 光注入的非平衡载流子浓度n=p=1014cm -3。计算无光照和有光照的电导率。 6. 画出p 型半导体在光照（小注入）前后的能带图，标出原来的的费米能级和光照时的准费米能级。 % 2606.38.006.3500106.1109. ,.. 32.0119 161 0' '==???=?∴?>?Ω==-σσ ρp u p p p p cm 的贡献主要是所以少子对电导的贡献献 少数载流子对电导的贡Θ。 后，减为原来的光照停止%5.1320%5.13) 0() 20()0()(1020 s e p p e p t p t μτ ==???=?--cm s q n qu p q n p p p n n n cm p cm n cm p n cm n K T n p n i /16.21350106.110:,/1025.2,10/10.105.1,30019160000003403160314310=???=≈+=?+=?+=?===?=??==---μμσ无光照则设半导体的迁移率） 本征 空穴的迁移率近似等于的半导体中电子、 注：掺杂有光照131619140010(/19.20296.016.2)5001350(106.11016.2)(: --=+=+???+≈+?++=+=cm cm s nq q p q n pq nq p n p n p n μμμμμμσ
半导体物理知识点总结 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Ⅲ-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。
半导体重点 第一章 1.能带论：用单电子近似的方法研究晶体中电子状态的理论成为能带论。 2.单电子近似：即假设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场及其它电子的平均势场中运动的。 3.金属中，由于组成金属的原子中的价电子占据的能带是部分占满的，所以金属是良好的导体。半导体中，如图所示，下面是被价电子占满的满带，亦称价带，中间为禁带，上面是空带，当温度升高，或者有光照的时候，满带中有少量电子可能被激发到上面的空带中去，此时半导体就能导电了。在半导体中导带的电子和价带的空穴均参与导电，金属中只有电子导电。 4.电子公有化运动：当原子相互接近形成晶体是，不同原子的相似壳层之间就有了一定程度的交叠，电子不再完全局限在一个原子上，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，这种运动就称为电子的共有化运动。 第二章 1.施主杂质：在Si，Ge中电离是能够施放电子而产生导电电子，并形成正电中心的杂质。常见V族杂质有：P，As，Sb
2.受主杂质：在Si，Ge中电离是能够接收电子而产生导电空穴并形成负电中心的杂质。 常见的III族杂质：B，Al，Ga，In 3．深能级：非III，V族杂质在Si，Ge的禁带中产生的施主能级距导带底较远，产生的受主能级距价带顶也较远，通常称这种能级为深能级，相应的杂质为深能级杂质。 作用：这些深能级杂质能够产生多次电离，每一次电离相应的有一个能级。因此这些杂质在Si，Ge的禁带中往往引入若干个能级，而且有的杂质既能产生施主能级，又能产生受主能级。对于载流子的复合作用比前能级杂质强，Au是一种很典型的复合中心，在制造高速开关器件是，常有意掺入Au以提高器件的速度。 4.补偿作用：在半导体中，施主和受主杂质之间的相互抵消的作用称为杂质的补偿。 （1）当N >>N ：为n型半导体，（2）当N >>N ：为P型半导体，（3）N >>N 时，施主电子刚好填充受主能级，虽然杂质很多，但不能向导带和价带提供电子和空穴，这种现象称为杂质的高度补偿。 利用杂质的补偿作用，可以根据需要用扩散或者离子注入方法来改变半导体中某一区域的导电类型，以制成各种器件。
1. 有效质量:粒子在晶体中运动时具有的等效质量，它概括 了半导体内部势场的作用。 2. 费米能级:费米能级是T=0 K时电子系统中电子占据态和未占据态的分界线，是T=0 K时系统中电子所能具有的最高能量。 3. 准费米能级:半导体处于非平衡态时，导带电子和价带空穴不再有统一的费米能级，但可以认为它们各自达到平衡，相应的费米能级称为电子和空穴的准费米能级。 4. 金刚石型结构：金刚石结构是一种由相同原子构成的复式 晶体，它是由两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成。每个原子周围都有4个最近邻的原子，组成一个正四面体结构。 5. 闪锌矿型结构：闪锌矿型结构的晶胞，它是由两类原子各 自组成的面心立方晶格，沿空间对角线彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成。 6. N型半导体:在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使 之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。7. P型半导体:在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼）， 使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。 8. 状态密度:在能带中能量E附近每单位能量间隔内的量子 态数 9. 费米分布函数:大量电子在不同能量量子态上的统计分布 10.非平衡载流子:半导体处于非平衡态时，比平衡态时多出来的那一部分载流子称为非平衡载流子。Δp=Δn 11.直接复合：电子从导带直接跃迁至价带与空穴相遇而复 合。 12.间接复合:电子通过禁带中的能级而跃迁至价带与空穴 相遇而复合。 13.施主能级:通过施主掺杂在半导体的禁带中形成缺陷能 级，被子施主杂质束缚的电子能量状态称施主能级。 14 受主能级：通过受主掺杂在半导体的禁带中形成缺陷能 级。正常情况下，此能级为空穴所占据，这个被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级。 15.陷阱中心:半导体中的杂质和缺陷在禁带中形成一定的能 级，这些能级具有收容部分非平衡载流子的作用，杂质能级的这种积累非平衡载流子的作用称为陷阱效应。把产生显著陷阱效应的杂质和缺陷称为陷阱中心。 16.复合中心：半导体中的杂质和缺陷可以在禁带中形成一定 的能级，对非平衡载流子的寿命有很大影响。杂质和缺陷越多，寿命越短，杂质和缺陷有促进复合的作用，把促进复合的杂质和缺陷称为复合中心。（2分） 17等电子复合中心：等电子复合中心：在Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体中掺入一定量的与主原子等价的某种杂质原子，取代格点上的原子。由于杂质原子和主原子之间电负性的差别，中性杂质原子可以束缚电子或空穴而成为带电中心，带电中心会吸引和被束缚载流子符号相反的载流子，形成一个激子束缚态。 18.迁移率：单位电场作用下，载流子获得的平均定向运动速度，反映了载流子在电场作用下的输运能力，是半导体物 理中重要的概念和参数之一。迁移率的表达式为：μ=qτ/m* 。可见，有效质量和弛豫时间（散射）是影响迁移率的因素。 19.漂移运动:载流子在电场作用下的运动。总漂移电流密度方程 E pq nq J J J p n p n ) (μ μ+ = + = 20.扩散运动：当半导体内部的载流子存在浓度梯度时，引起载流子由浓度高的地方向浓度低的地方扩散，扩散运动是载流子的有规则运动。电子扩散电流dx dn qD J n diff n = , 空穴扩散电流dx dp qD J p diff p - = , 21.简并半导体:对于重掺杂半导体，费米能级接近或进入导带或价带，导带/价带中的载流子浓度很高，泡利不相容原理起作用，电子和空穴分布不再满足玻耳兹曼分布，需要采用费米分布函数描述。称此 类半导体为简并半导体。满足的条件 为 22.非简并半导体:掺杂浓度较低，其费米能级EF在禁带中 的半导体;半导体中载流子分布可由经典的玻尔兹曼分布代替费米分布描述时，称之为非简并半导体 23迁移率：单位电场作用下，载流子获得的平均定向运动速度，反映了载流子在电场作用下的输运能力，是半导体物理中重要的概念和参数之一。迁移率的表达式为：μ=qτ/m* 。可见，有效质量和弛豫时间（散射）是影响迁移率的因素。 24硅中掺金的工艺主要用于制造＿＿器件。 若某材料电阻率随温度上升而先下降后上升，该材料是＿＿。 25.Pn结外加反向偏压时，流过pn结的电流比由扩散理论得 到的理论结果要大，而且随外加反向偏压的增大而缓慢增加。除扩散电流外，该电流还包括＿＿。 26若某半导体导带中发现电子的几率为零，则该半导体必定＿＿。 27室温下，，已知Si的电子迁移率为， Dn为。 28在光电转换过程中，硅材料一般不如砷化镓量子效率高，因其。 28．有效陷阱中心的位置靠近。 29.对于只含一种杂质的非简并n型半导体，费米能级Ef随 温度上升而。 30.长声学波对载流子的散射几率Ps与温度T的关系 是，由此所决定的迁移率与温度的关系为31.已知硅的禁带宽度为1.12eV，则本征吸收的长波限为 （微米），锗的禁带宽度为0.67eV，则长波限为（微米）。 32.复合中心的作用是。起有效复合中 心的杂质能级必须位于，而且对电子和空穴的俘获系数rn 和rp 须满足。 0.026 k T q V =
第一章半导体中的电子状态例1.证明:对于能带中的电子，K状态和-K状态的电子速度大小相等,方向相反。即：v(k)= －v(－k)，并解释为什么无外场时，晶体总电流等于零。 解：K状态电子的速度为： ?????????????????????????????????????????? （1）同理，－K状态电子的速度则为： ????????????????????????????????????????（2）从一维情况容易看出：??????? ????????????????????????????????????????????????????????（3）同理有：????????????????????????????? ????????????????????????????????????????????????????????（4）???????????????????????????????????????????????????????? ?????????????????????（5） 将式（3）（4）（5）代入式（2）后得： ??????????????????????????????????????????（6）利用（1）式即得：v(－k)= －v(k)因为电子占据某个状态的几率只同该状态的能量有关，即：E(k)=E(－k)故电子占有k状态和-k状态的几率相同，且v(k)=－v(－k)故这两个状态上的电子电流相互抵消，晶体中总电流为零。
例2.已知一维晶体的电子能带可写成： 式中，a为晶格常数。试求： （1）能带的宽度； （2）能带底部和顶部电子的有效质量。 解：（1）由E(k)关系??????????????????? ??????????????????????????????????????????????? （1） ????????????????????????????????????（2）令???得：????? 当时，代入（2）得： 对应E(k)的极小值。 ?当时，代入（2）得： 对应E(k)的极大值。 根据上述结果，求得和即可求得能带宽度。 故：能带宽度????????? （3）能带底部和顶部电子的有效质量： 习题与思考题： 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？试定性说明之。 2 试定性说明Ge、Si的禁带宽度具有负温度系数的原因。
半导体物理名词解释
1.单电子近似：假设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场及其他电子的平均势场中运动。该势场是具有与晶格同周期的周期性势场。 2.电子的共有化运动：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个原子上，可以由一个原于转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动。这种运动称为电子的共有化运动。 3.允带、禁带： N个原子相互靠近组成晶体，每个电子都要受到周围原子势场作用，结果是每一个N度简并的能级都分裂成距离很近能级，N个能级组成一个能带。分裂的每一个能带都称为允带。允带之间没有能级称为禁带。 4.准自由电子：内壳层的电子原来处于低能级，共有化运动很弱，其能级分裂得很小，能带很窄，外壳层电子原来处于高能级，特别是价电子，共有化运动很显著，如同自由运动的电子，常称为“准自由电子”，其能级分裂得很厉害，能带很宽。 6.导带、价带：对于被电子部分占满的能带，在外电场的作用下，电子可从外电场中吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去，形成了电流，起导电作用，常称这种能带为导带。下面是已被价电子占满的满带，也称价带。 8.（本证激发）本征半导体导电机构：对本征半导体，导带中出现多少电子，价带中相应地就出现多少空穴，导带上电子参与导电，价带上空穴也参与导电，这就是本征半导体的导电机构。 9.回旋共振实验意义：这通常是指利用电子的回旋共振作用来进行测试的一种技术。该方法可直接测量出半导体中载流子的有效质量，并从而可求得能带极值附近的能带结构。当交变电磁场角频率W等于回旋频率Wc时，就可以发生共振吸收，Wc=qB/有效质量 10.波粒二象性，动量，能量 P=m0v E=1 2P2 m0 P=hk 1.间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子间的间隙位置，称为间隙式杂质。
第一章习题 1.设晶格常数为a 的一维晶格,导带极小值附近能量E c (k)与价带极大值附近 能量E V (k)分别为: E c =0 2 20122021202236)(,)(3m k h m k h k E m k k h m k h V -=-+ 0m 。试求： 为电子惯性质量，nm a a k 314.0,1==π (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; (4)价带顶电子跃迁到导带底时准动量的变化 解:(1) eV m k E k E E E k m dk E d k m k dk dE Ec k k m m m dk E d k k m k k m k V C g V V V c 64.012)0()43(0,060064 30382324 30)(2320212102 2 20 202 02022210 1202==-==<-===-== >=+== =-+ηηηηηηηη因此：取极大值处，所以又因为得价带： 取极小值处，所以：在又因为：得：由导带： 04 3222* 83)2(1m dk E d m k k C nC ===η
s N k k k p k p m dk E d m k k k k V nV /1095.704 3)()()4(6 )3(25104300222* 11-===?=-=-=?=-==ηηηηη所以：准动量的定义： 2、 晶格常数为0、25nm 的一维晶格,当外加102V/m,107 V/m 的电场时,试分别计 算电子自能带底运动到能带顶所需的时间。 解:根据:t k h qE f ??== 得qE k t -?=?η s a t s a t 13719282 1911027.810106.1) 0(1027.810106.1) 0(----?=??--= ??=??-- =?π πηη 补充题1 分别计算Si(100),(110),(111)面每平方厘米内的原子个数,即原子面密度(提示:先 画出各晶面内原子的位置与分布图) Si 在(100),(110)与(111)面上的原子分布如图1所示: (a)(100)晶面 (b)(110)晶面
半导体物理考点归纳 一· 1.金刚石 1) 结构特点： a. 由同类原子组成的复式晶格。其复式晶格是由两个面心立方的子晶格彼此沿其空间对角线位移1/4的长度形成 b. 属面心晶系，具立方对称性，共价键结合四面体。 c. 配位数为4，较低，较稳定。(配位数：最近邻原子数) d. 一个晶体学晶胞内有4+8*1/8+6*1/2=8个原子。 2) 代表性半导体：IV 族的C ，Si ，Ge 等元素半导体大多属于这种结构。 2.闪锌矿 1) 结构特点： a. 共价性占优势，立方对称性； b. 晶胞结构类似于金刚石结构，但为双原子复式晶格； c. 属共价键晶体，但有不同的离子性。 2) 代表性半导体：GaAs 等三五族元素化合物均属于此种结构。 3.电子共有化运动： 原子结合为晶体时，轨道交叠。外层轨道交叠程度较大，电子可从一个原子运动到另一原子中，因而电子可在整个晶体中运动，称为电子的共有化运动。 4.布洛赫波： 晶体中电子运动的基本方程为： ，K 为波矢，uk(x)为一个与晶格同周期的周期性函数， 5.布里渊区： 禁带出现在k=n/2a 处，即在布里渊区边界上； 允带出现在以下几个区： 第一布里渊区:－1/2a 一、名词解释（本大题共5题每题4分，共20分） 1. 受主能级：通过受主掺杂在半导体的禁带中形成缺陷能级。正常情况下，此能级为空穴所占据，这个被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级。 2. 直接复合：导带中的电子越过禁带直接跃迁到价带，与价带中的空穴复合，这样的复合过程称为直接复合。 3. 空穴：当满带顶附近产生P0个空态时，其余大量电子在外电场作用下所产生的电流，可等效为P0个具有正电荷q和正有效质量m p，速度为v(k)的准经典粒子所产生的电流，这样的准经典粒子称为空穴。 4. 过剩载流子：在光注入、电注入、高能辐射注入等条件下，半导体材料中会产生高于热平衡时浓度的电子和空穴，超过热平衡浓度的电子△n=n-n0和空穴 △p=p-p0称为过剩载流子。 5.费米能级、化学势 答：费米能级与化学势：费米能级表示等系统处于热平衡状态，也不对外做功的情况下，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。处于热平衡的系统有统一的化学势。这时的化学势等于系统的费米能级。费米能级和温度、材料的导电类型杂质含量、能级零点选取有关。费米能级标志了电子填充能级水平。费米能级位置越高，说明较多的能量较高的量子态上有电子。随之温度升高，电子占据能量小于费米能级的量子态的几率下降，而电子占据能量大于费米能级的量子态的几率增大。 二、选择题（本大题共5题每题3分，共15分） 1．对于大注入下的直接辐射复合，非平衡载流子的寿命与（D ） A. 平衡载流子浓度成正比 B. 非平衡载流子浓度成正比 C. 平衡载流子浓度成反比 D. 非平衡载流子浓度成反比 2．有3个硅样品，其掺杂情况分别是： 含铝1×10-15cm-3乙.含硼和磷各1×10-17cm-3丙.含镓1×10-17cm-3 室温下，这些样品的电阻率由高到低的顺序是（C ） 甲乙丙 B. 甲丙乙 C. 乙甲丙 D. 丙甲乙3．有效复合中心的能级必靠近( A ) 禁带中部 B.导带 C.价带 D.费米能级4．当一种n型半导体的少子寿命由直接辐射复合决定时，其小注入下的少子寿 半导体物理第四章习题 答案 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN 第四篇 题解-半导体的导电性 刘诺 编 4-1、对于重掺杂半导体和一般掺杂半导体，为何前者的迁移率随温度的变化趋势不同？试加以定性分析。 解：对于重掺杂半导体，在低温时，杂质散射起主体作用，而晶格振动散射与一般掺杂半导体的相比较，影响并不大，所以这时侯随着温度的升高，重掺杂半导体的迁移率反而增加；温度继续增加后，晶格振动散射起主导作用，导致迁移率下降。对一般掺杂半导体，由于杂质浓度较低，电离杂质散射基本可以忽略，起主要作用的是晶格振动散射，所以温度越高，迁移率越低。 4-2、何谓迁移率影响迁移率的主要因素有哪些 解：迁移率是单位电场强度下载流子所获得的漂移速率。影响迁移率的主要因素有能带结构（载流子有效质量）、温度和各种散射机构。 4-3、试定性分析Si 的电阻率与温度的变化关系。 解：Si 的电阻率与温度的变化关系可以分为三个阶段： （1） 温度很低时，电阻率随温度升高而降低。因为这时本征激发极弱，可以 忽略；载流子主要来源于杂质电离，随着温度升高，载流子浓度逐步增加，相应地电离杂质散射也随之增加，从而使得迁移率随温度升高而增大，导致电阻率随温度升高而降低。 （2） 温度进一步增加（含室温），电阻率随温度升高而升高。在这一温度范 围内，杂质已经全部电离，同时本征激发尚不明显，故载流子浓度基本没有变化。对散射起主要作用的是晶格散射，迁移率随温度升高而降低，导致电阻率随温度升高而升高。 （3） 温度再进一步增加，电阻率随温度升高而降低。这时本征激发越来越 多，虽然迁移率随温度升高而降低，但是本征载流子增加很快，其影响大大超过了迁移率降低对电阻率的影响，导致电阻率随温度升高而降低。当然，温度超过器件的最高工作温度时，器件已经不能正常工作了。 4-4、证明当μn ≠μp ，且电子浓度p n i n n μμ/0=，空穴浓度n p i n p μμ/0=时半导体的电导率有最小值，并推导min σ的表达式。 证明： 半导体物理知识整理 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 基础知识 1.导体,绝缘体和半导体的能带结构有什么不同?并以此说明半导体的导电机理（两种载流子参与导电）与金属有何不同？ 导体：能带中一定有不满带 半导体：T=0K，能带中只有满带和空带；T>0K,能带中有不满带 禁带宽度较小，一般小于2eV 绝缘体：能带中只有满带和空带 禁带宽度较大，一般大于2eV 在外场的作用下，满带电子不导电，不满带电子可以导电 总有不满带的晶体就是导体，总是没有不满带的晶体就是绝缘体 半导体不时最容易导电的物质，而是导电性最容易发生改变的物质，用很方便的方法，就可以显著调节半导体的导电特性 金属中的电子，只能在导带上传输，而半导体中的载流子：电子和空穴，却能在两个通道：价带和导带上分别传输信息 2.什么是空穴?它有哪些基本特征?以硅为例，对照能带结构和价键结构图理解空穴概念。 当满带附近有空状态k’时，整个能带中的电流，以及电流在外场作用下的变化，完全如同存在一个带正电荷e和具有正有效质量|m n* | 、速度为v(k’)的粒子的情况一样，这样假想的粒子称为空穴 3.半导体材料的一般特性。 电阻率介于导体与绝缘体之间 对温度、光照、电场、磁场、湿度等敏感（温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降；适当波长的光照可以改变半导体的导电能力） 性质与掺杂密切相关（微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力） 4.费米统计分布与玻耳兹曼统计分布的主要差别是什么？什么情况下费米分布函数可以转化为玻耳兹曼函数。为什么通常情况下，半导体中载流子分布都可以 ●有效质量：粒子在晶体中运动时具有的等效质量，它概括了半导体内部势场的作用。其 物理意义：1.有效质量的大小仍然是惯性大小的量度；2.有效质量反映了电子在晶格与外场之间能量和动量的传递，因此可正可负。 ●能带：晶体中，电子的能量是不连续的，在某些能量区间能级分布是准连续的，在某些 区间没有能及分布。这些区间在能级图中表现为带状，称之为能带。 ●空穴：假想的粒子，与价带顶部的空状态相关的带正电“粒子”。 ●空穴：在电子挣脱价键的束缚成为自由电子，其价键中所留下来的空位。 ●空穴：定义价带中空着的状态看成是带正电荷的粒子，称为空穴。 ●替位式杂质：杂质原子取代晶格原子而位于晶格点处。 ●间隙式杂质：杂质原子位于晶格原子的间隙位置。 ●点缺陷：是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排 列的一种缺陷。包括：间隙原子和空位是成对出现的弗仓克耳缺陷和只在晶体内形成空位而无间隙原子的肖特基缺陷。 ●施主能级：通过施主掺杂在半导体的禁带中形成缺陷能级，被子施主杂质束缚的电子能 量状态称为施主能级。 ●施主能级：离化能很小，在常温下就能电离而向导带提供电子，自身成为带正电的电离 施主，通常称这些杂质能级为施主能级。 ●受主杂质：能够接受电子而产生导电空穴，并形成负电中心的杂质。 ●受主杂质：Ⅲ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负点中心，所以 称它们为受主杂质或p型杂质。 ●受主能级：通过受主掺杂在半导体的禁带中形成缺陷能级。正常情况下，此能级为空穴 所占据，这个被受主杂质束缚的空穴的能量状态称为受主能级。 ●n型半导体：以电子为主要载流子的半导体。 ●p型半导体：以空穴为主要载流子的半导体。 ●多数载流子：指的是半导体中的电子流。n型半导体中的电子和p型半导体中的空穴称 之为多数载流子。 ●少数载流子：指的是半导体中的电子流。n型半导体中的空穴和p型半导体中的电子称 之为少数载流子。 ●（半导体材料中有电子和空穴两种载流子。在 N 型半导体中,电子是多数载流子, 空穴 是少数载流子。在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。） 第三章习题与答案 1、 计算能量在E=E c 到2 *n 2 C L 2m 100E E π+= 之间单位体积中的量子态数。 解: 2、 试证明实际硅、锗中导带底附近状态密度公式为式(3-6)。 3 22 233*28100E 21 23 3 *22100E 002 1 233*231000L 8100)(3 222)(22)(1Z V Z Z )(Z )(22)(23 22 C 22 C L E m h E E E m V dE E E m V dE E g V d dE E g d E E m V E g c n c C n l m h E C n l m E C n n c n c πππππ= +-=-== ==-=*+ + ? ?** ）（） （单位体积内的量子态数） （) (21)(,)"(2)()(,)(,)()(2~.2'2 1 3'' ''''2'21'21'21' 2 2222 22C a a l t t z y x a c c z l a z y t a y x t a x z t y x C C e E E m h k V m m m m k g k k k k k m h E k E k m m k k m m k k m m k ml k m k k h E k E K IC E G si -=??? ? ??+?=+++====+++=* ****系中的态密度在等能面仍为球形等能面 系中在则：令） （关系为 ）（半导体的、证明：[] 3 1 23 221232' 2123 2 31'2 '''')()2(4)()(111100)()(24)(4)()(~l t n c n c l t t z m m s m V E E h m E sg E g si V E E h m m m dE dz E g dk k k g Vk k g d k dE E E =-==∴-??? ?????+??==∴?=??=+** πππ）方向有四个， 锗在（旋转椭球，个方向，有六个对称的导带底在对于即状态数。 空间所包含的空间的状态数等于在 半导体物理答案 一、选择 1.与半导体相比较，绝缘体的价带电子激发到导带所需的能量（比半导体的大）； 2.室温下，半导体Si 掺硼的浓度为1014cm -3，同时掺有浓度为1.1×1015cm -3的磷，则电子 浓度约为（1015cm -3 ），空穴浓度为（2.25×105cm -3 ），费米能级为（高于E i ）；将该半导 体由室温度升至570K ，则多子浓度约为（2×1017cm -3），少子浓度为（2×1017cm -3），费米 能级为（等于E i ）。 3.施主杂质电离后向半导体提供（电子），受主杂质电离后向半导体提供（空穴），本征 激发后向半导体提供（空穴、电子）； 4.对于一定的n 型半导体材料，温度一定时，减少掺杂浓度，将导致（E F ）靠近E i ； 5.表面态中性能级位于费米能级以上时，该表面态为（施主态）； 6.当施主能级E D 与费米能级E F 相等时，电离施主的浓度为施主浓度的（1/3）倍； 重空穴是指（价带顶附近曲率较小的等能面上的空穴） 7.硅的晶格结构和能带结构分别是（金刚石型和间接禁带型） 8.电子在晶体中的共有化运动指的是电子在晶体（各元胞对应点出现的几率相同）。 9.本征半导体是指（不含杂质与缺陷）的半导体。 10.简并半导体是指（(E C -E F )或(E F -E V )≤0）的半导体 11.3个硅样品的掺杂情况如下： 甲．含镓1×1017cm -3；乙.含硼和磷各1×1017cm -3；丙.含铝1×1015cm -3 这三种样品在室温下的费米能级由低到高（以E V 为基准）的顺序是(甲丙乙) 12.以长声学波为主要散射机构时，电子的迁移率μn 与温度的（B 3/2次方成反比） 13.公式*/q m μτ=中的τ是载流子的（平均自由时间）。 14.欧姆接触是指（阻值较小并且有对称而线性的伏－安特性）的金属－半导体接触。 15.在MIS 结构的金属栅极和半导体上加一变化的电压，在栅极电压由负值增加到足够大 的正值的的过程中，如半导体为P 型，则在半导体的接触面上依次出现的状态为（多数载 流子堆积状态，多数载流子耗尽状态，少数载流子反型状态）。 16.在硅和锗的能带结构中，在布里渊中心存在两个极大值重合的价带，外面的能带（曲 率小），对应的有效质量（大），称该能带中的空穴为(重空穴E )。 17.如果杂质既有施主的作用又有受主的作用，则这种杂质称为（两性杂质）。 18.在通常情况下，GaN 呈（纤锌矿型 ）型结构，具有（六方对称性），它是（直接带 隙）半导体材料。 19.同一种施主杂质掺入甲、乙两种半导体，如果甲的相对介电常数εr 是乙的3/4， m n */m 0值是乙的2倍，那么用类氢模型计算结果是（甲的施主杂质电离能是乙的32/9，的 弱束缚电子基态轨道半径为乙的3/8 ）。 20.一块半导体寿命τ=15μs，光照在材料中会产生非平衡载流子，光照突然停止30μs 后，其中非平衡载流子将衰减到原来的（1/e 2）。 21.对于同时存在一种施主杂质和一种受主杂质的均匀掺杂的非简并半导体，在温度足够 高、n i >> /N D -N A / 时，半导体具有 （本征） 半导体的导电特性。 22.在纯的半导体硅中掺入硼，在一定的温度下，当掺入的浓度增加时，费米能级向 （Ev ）移动；当掺杂浓度一定时，温度从室温逐步增加，费米能级向( Ei )移动。 23.把磷化镓在氮气氛中退火，会有氮取代部分的磷，这会在磷化镓中出现（产生等电子 陷阱）。 24.对于大注入下的直接复合，非平衡载流子的寿命不再是个常数，它与（非平衡载流子 浓度成反比）。半导体物理试卷a答案
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