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
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。
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
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 光电探测器 摘要 本文研究了近期崛起的高科技新秀：光电探测器。本文从光电探测器的分类、原理、主要参数、典型产品与应用、前景市场等方面简单介绍了光电探测器，使大家对光电探测器有一个初步的理解。了解光电探测材料的原理不仅有利于选择正确适宜的光电探测材料，而且对研发新的光电探测器有所帮助 一、简单介绍引入 光电探测器是指一类当有辐射照射在表面时，性质会发生各种变化的材料。光电探测器能把辐射信号转换为电信号。辐射信号所携带的信息有：光强分布、温度分布、光谱能量分布、辐射通量等，其进过电子线路处理后可供分析、记录、储存和显示，从而进行探测。 光电探测器的发展历史： 1826年，热电偶探测器→1880，金属薄膜测辐射计→1946，热敏电阻→20世纪50年代，热释电探测器→20世纪60年代，三元合金光探测器→20世纪70年代，光子牵引探测器→20世纪80年代，量子阱探测器→近年来，阵列光电探测器、电荷耦合器件（CCD） 这个被誉为“现代火眼金睛”的光电探测材料无论在经济、生活还是军事方面，都有着不可或缺的作用。 二、光电探测材料的分类。 由于器件对辐射响应的方式不一样，以此可将光电探测器分为两大类，分别是光 1 子探测器和热探测器。 ○1光子探测器：光子，是光的最小能量量子。单光子探测技术，是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术，其原理是利用新式光电效应，可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标信号的探测。光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于10－14W）信号探测中的一种新技术。 ○2利用光热效应制作的元件叫做热探测器，同时也叫热电探测器。（光热效应指的是当材料受光照射后，光子能量会同晶格相互作用，振动变得剧烈，温度逐渐升高，由于温度的变化，而逐渐造成物质的电学特性变化）。 若将光电探测器按其他种类分类，则 按应用分类：金属探测器，非成像探测器（多为四成像探测器），成像探测器（摄像管等）。 按波段分类：红外光探测器（硫化铅光电探测器），可见光探测器（硫化镉、硒化镉光敏电阻），紫外光探测器。 2 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 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）。 9金属半导体与半导体异质结 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。2.一片半导体材料上要做很多的双极型晶体管，各自必须隔离，应为不是所有的集电极都是同一个电位。 通常情况下，BE结是正偏的，BC结是反偏的。称为正向有源。附图： 由于发射结正偏，电子就从发射区越过发射结注入到基区。BC结反偏，所以在BC结边界，理想情况下少子电子浓度为零。 附基区中电子浓度示意图： 电子浓度梯度表明，从发射区注入的电子会越过基区扩散到BC结的空间电荷区， 半导体物理基本知识 一、导体、半导体和绝缘体 物质就其导电性来说，可以分为绝缘体、半导体、和导体。电阻率大于109欧姆·厘米的物体称为绝缘体，小于10-4欧姆·厘米的物体为导体，电阻率介于10-4～109欧姆·厘米的物体为半导体。 二、半导体材料的种类 半导体材料种类繁多，从单质到化合物，从无机物到有机物，从单晶体到非晶体，都可以作为半导体材料。半导体材料大致可以分为以下几类： 1、元素半导体 元素半导体又称为单质半导体。在元素周期表中介于金属与非金属之间的Si、Ge、Se、Te、B、C、P等元素都有半导体的性质。 在单质元素半导体中具有实用价值的只有硅、锗、硒。而硅和锗是最重要的两种半导体材料。尤其半导体硅材料已被广泛地用来制造各种器件、数字和线性集成电路以及大规模集成电路等。硒作为半导体材料主要用做整流器，但由于硅、锗制造的整流器比硒整流器性能良好，所以硒逐渐被硅、锗取代。 2、化合物半导体 化合物半导体是AⅢBⅤ型化合物，由元素中期表中ⅢA族的Al、Ga、和ⅤA族的P、As、Sb等合成的化合物成为AⅢBⅤ型化合物。如AlP、GaAs、GaSb、InAs、InSb。在这一类化合物半导体中用最广泛的是GaAs，它可以用来制作GaAs晶体管、场效应管、雪崩管、超高速电路及微波器件等。 3、氧化物半导体 许多金属的氧化物具有半导体性质，如Cu2O、CuO、ZnO、MgO、Al2O3等等。 4、固溶体半导体 元素半导体和无机化合物半导体相互溶解而成的半导体材料成为固溶体半导体。如：Ge-Si、GaAs-GaP，而GaAs-GaP是发光二极管的材料。 5、玻璃半导体 玻璃半导体是指具有半导体性质的一类玻璃。如氧化物玻璃半导体和元素玻璃半导 光电子技术论文报告 班级： 姓名： 学号： 成绩： 指导教 师： 完成日 期 本文主要对光电探测器进行探究，重点介绍光电二极管和光电倍增管，光电二极管中主要介绍PIN 光电二极管和雪崩光电二极管。对相应的光电探测器的结构、原理、特性参数及应用范围等展开探讨，以进一步了解光电探测器。 关键词：PIN 光电二极管雪崩光电二极管光电倍增管 第一章引言 (1) 第二章光电二极管 (2) 2.1P IN 光电二极管 . (2) 2.1.1工作原理 (2) 2.1.2结构 (2) 2.1.3影响因素 (3) 2.2雪崩光电二极管 (3) 2.2.1工作原理 (3) 2.2.2影响响应速度的因素 (4) 2.2.3优点 (4) 第三章光电倍增管 (5) 3.1结构 (5) 3.2使用特性 (5) 第四章结论与讨论 (9) 第五章参考文献 (10) 第一章引言光电探测器是指在光辐射作用下将其非传导电荷变为传导电荷的一类器件。广义的光电探测器包括所有将光辐射能转变为电信号的一类器件。光电探测器能把光信号转换为电信号。根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子探测器；另一类是热探测器。本文着重介绍光子探测器中的光电二极管和光电倍增管。 第二章光电二极管 光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN 结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。光电二极管是在反向电压作用之下工作的，在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。 2.1P IN 光电二极管 PIN型光电二极管也称PIN 结二极管、PIN 二极管，在两种半导体之间的PN 结，或者半导体与金属之间的结的邻近区域，在P区与N区之间生成I型层，吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器。具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点 2.1.1工作原理 在上述的光电二极管的PN 结中间掺入一层浓度很低的N 型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征( Intrinsic)半导体，故称I 层，因此这种结构成为PIN 光电二极管。I 层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I 层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I 层两侧是掺杂浓度很高的P 型和N 型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。 2.1.2结构 在P 型半导体和N 型半导体之间夹着一层本征半导体。因为本征层相对于P 区和N 区是高阻区这样，PN 结的内电场就基本上全集中于I 层中。如 图所示： 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1-7-12 2、质量作用定律，只用于本征半导体：公式1-7-27 3、用费米能级表示的载流子浓度：公式1-7-28和1-7-29 4、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1-9-11 4、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：1-9-24～1-9-27 5、费米势：公式1-10-5：电势与费米能级的转换 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 半导体物理基础知识 一、半导体导电特性 电子线路中的关键器件如二极管、三极管、场效应管、集成电路等都是由半导体材料制成的，要分析上述器件的工作原理，必须对半导体材料的导电特性应有所了解。 1、 什么是半导体 物质如按导电性能分可分为 （1） 导体： 电阻率ρ很小； （2） 绝缘体：电阻率ρ很大； （3） 半导体：电阻率ρ不大不小，10-3～109 Ω?cm 。 常见的有：硅（Si ）、锗（Ge ）、砷化镓（GaAs ）等。 2、 半导体独特的导电特性 （1） 受温度（T ）的影响大；T ↑→ρ↓，热稳定性差，但也可做热敏元件 （2） 受光照的影响大； （3） 掺杂对导电性能影响大。 例：室温，纯净的硅，ρ= 2*103Ω?cm ，如掺百万分之一（10-6 ）的磷（P ），纯度还有 99.9999%（6个9），则ρ= 4*10-3 Ω?cm 。 二、本征半导体 1、 什么是本征半导体：纯净的(9个9以上)，晶格整齐无缺陷的单晶半导体。 2、 本征半导体晶格结构 （1） 半导体原子结构 惯性核 价电子 （2）晶格结构 p3 图1-1-2 体。 3、 本征激发 （1） 当T=0K （绝对零度）时，所有价电子都束缚在共价键中，不能成为自由 电子，晶体相当绝缘体。 （2） 当T>0K 或光照时，部分价电子获得额外能量，摆脱共价键束缚变为自由 电子，并在共价键中留下一个缺少负电荷的空位（空穴）。这过程就叫本征激发。 （a ） 本征激发时，自由电子和空穴是成对出现，叫自由电子空穴对； （b ） 空穴是带正电的，因为原子是电中性的； （c ） 空穴可以运动：邻近共价键中的价电子填补空穴。 （d ） 温度越高，产生的自由电子空穴对就越多。 4、 载流子： 可以运动的带电粒子。 半导体中自由电子和空穴都是载流子。 5、 复合： 自由电子填补空穴。 自由电子和空穴成对消失。自由电子和空穴浓度越大，复合的几率就越大。 6、 热平衡载流子浓度i n 热平衡：在一定温度下，自由电子空穴对的产生与复合达到了动态平衡（单位时间有多少自由电子空穴对产生出来同时也有同等数量的自由电子空穴对复合掉）就叫热平衡。这时自由电子空穴对的浓度（单位体积粒子数）即热平衡热平衡载流子浓度i n 保持不变。 3 2 2go E KT i n AT e -= 当温度T ↑时，i n ↑↑ 常温下，i n 是很小的。例：硅在室温T=300K 时，1031.510i n cm -=?。而硅的原子密 半导体物理基础知识 1.1导体，绝缘体和半导体 自然界的各种物质就其导电性能来说、可以分为导体、绝缘体和半导体三大类。 导体具有良好的导电特性，常温下，其内部存在着大量的自由电子，它们在外电场的作用下做定向运动形成较大的电流。因而导体的电阻率很小，只有金属一般为导体，如铜、铝、银等，它们的电阻率一般在10–4欧姆·厘米以下。 绝缘体几乎不导电，如橡胶、陶瓷、塑料等。在这类材料中，几乎没有自由电子，即使受外电场作用也不会形成电流，所以，绝缘体的电阻率很大，它们的电阻率在109欧姆·厘米以上。 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅、锗、硒等，它们的电阻率通常在之间。半导体之所以得到广泛应用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的影响十分显著。如纯净的半导体单晶硅在室温下电阻率约为，若按百万分之一的比例掺入少量杂质（如磷）后，其电阻率急剧下降为，几乎降低了一百万倍。半导体具有这种性能的根本原因在于半导体原子结构的特殊性。它具有如下的主要特征。 （l）杂质影响半导体导电性能在室温下，半导体的电阻率在10–4～109欧姆·厘米之间。而且，加入微量杂质能显著改变半导体的导电能力。掺入的杂质量不同时，可使半导体的电阻率在很大的范围内发生变化。另外，在同一种材料中掺入不同类型的杂质，可以得到不同导电类型的材料。 （2）温度影响半导体材料导电性能温度能显著改变半导体的导电性能。在一般的情况下，半导体的导电能力随温度升高而迅速增加，也就是说，半导体的电阻率具有负温度系数。而金属的电阻率具有正温度系数，且随温度的变化很慢。 （3）有两种载流子参加导电在半导体中，参与导电的载流子有两种。一种是为大家所熟悉的电子，另一种则是带正电的载流子，称为空穴。而且同一种半导体材料，既可以形成以电子为主的导电，也可以形成以空穴为主的导电。在金属中则仅靠电子导电，而在电解质中，靠正离子和负离子同时导电。 （4）其它外界条件对导电性能的影响半导体的导电能力还会随光照而发生变化。例如一层淀积在绝缘基板上的硫化镉薄膜，其暗电阻约为数十兆欧，当受光照后，其电阻可下降到数十千欧。这种现象称为光电导效应。此外，半导体的导电能力还会随电场、磁场、压力和环境的作用而变化，具有其它特性和效应。 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。 半导体物理知识点及重点习题总结 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粒子，称其为空穴。它引起的假想电流正好等于价带中的电子电流。 1.4空穴是如何引入的，其导电的实质是什么？ 答： 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粒子，称其为空穴。 这样引入的空穴，其产生的电流正好等于能带中其它电子的电流。所以空穴导电的实质是能带中其它电子的导电作用，而事实上这种粒子是不存在的。 1.5 半导体的回旋共振现象是怎样发生的（以n 型半导体为例） 答案： 首先将半导体置于匀强磁场中。一般n 型半导体中大多数导带电子位于导带底附近，对于特定的能谷而言，这些电子的有效质量相近，所以无论这些电子的热运动速度如何，它们在磁场作用下做回旋运动的频率近似相等。当用电磁波辐照该半导体时，如若频率与电子的回旋运动频率相等，则半导体对电磁波的吸收非常显著，通过调节电磁波的频率可观测到共振吸收峰。这就是回旋共振的机理。 1.5 简要说明回旋共振现象是如何发生的。 半导体样品置于均匀恒定磁场，晶体中电子在磁场作用下运动 运动轨迹为螺旋线，圆周半径为r ， 回旋频率为 sin v B f qv B f qvB qv B θθ⊥=-?==r r r r r 与夹角c ω2 *2* * ,// / /c n n c n v r a v r m v r qv B m qBr v qB m ωω⊥⊥⊥⊥⊥==?=?=?=向心加速度 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；绝缘体能带中只有满带和空带，禁带宽度较宽一般大于2eV；半导体T=0 K时，能带中只有满带和空带，T>0 K时，能带中有不满带，禁带宽度较小，一般小于2eV。（能带状况会发生变化） 半导体的导带没有电子，但其价带中电子吸收能量，会跃迁至导带，价带中也会剩余空穴。在外电场的情况下，跃迁到导带中的电子和价带中的空穴都会参与导电。而金属中价带电子是非满带，在外场的作用下直接产生电流。 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。 （1）电阻率介于导体与绝缘体之间 （2）对温度、光照、电场、磁场、湿度等敏感 （3）性质与掺杂密切相关 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用玻耳兹曼分布来描述？ 麦克斯韦-玻尔兹曼统计的粒子是可分辨的；费米-狄拉克统计的粒子不可分辨，而且每个状态只可能占据一个粒子。低掺杂半导体中载流子遵循玻尔兹曼分布，称为非简并性系统；高掺杂半导体中载流子遵循费米分布，称为简并性系统。 费米分布：玻尔兹曼分布： 空穴分布函数：（能态E不被电子占据的几率）当时有，所以，则费米分布 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。 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。 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共有化运动由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子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空穴通常把价带中空着的状态看成是带正电的例子电子有效质量有效质量概括了半导体内部势场作用，使得在解决半导体中电子在外力作用的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。特点：1.有效质量由材料确定的2.有效质量可以用实验来测定3. 由于晶体各向异性，有效质量也各向异性。半导体中的载流子：能够导电的自由粒子。电子：带负电的导电载流子，是价电子脱离原子束缚后形成的自由电子，对应于导带中占据的电子。空穴：带正电的导电载流子，对应于价带中的电子空位。本征导电是由相同数目的电子和空穴所构成的混合导电性。直接带隙硅和锗的导带底和价带顶在k空间处于不同的k值。简介带隙GaAs的导带的极小值点和价带的极大值点为于K空间的同一点。间隙式杂质杂质原子位于晶格原子之间的间隙位置。替位式杂质杂质原子取代晶格原子而位于格点位置。杂质的补偿作用施主和受主之间相互抵消的作用。深、浅能级杂质杂质能级距离导带底,价带顶都比较远、近。热平衡状态在一定温度下，这两个相反的过程之间将建立起动态平衡。热平衡载流子半导体中的导电电子浓度和空穴浓度都保持一个稳定的数值，这种处于热平衡状态下的导电电子和空穴成为~。非平衡状态一定温度下，在外界作用下（光照、电场），半导体载流子浓度发生变化，偏离热平衡状态，这种状态就是非平衡状态。。非平衡载流子比平衡状态多出来的这部分载流子。非热平衡载流子寿命非平衡载流子在半导体中的生存时间称为非子寿命。复合几率一个非平衡子,在单位时间内发生复合的次数。准平衡态非平衡态体系中,通过载流子与晶格的相互作用,导带电子子系和价带空穴子系分别很快与晶格达到平衡。准费米能级E F n , E F P—用以替代E F ,描述导带电子子系和价带空穴子系局部的费米能级引入意义。光注入用光（hv≧Eg）照射半导体产生过剩载流子的方法称为光注入。稳态—当外界因素保持恒定,非平衡载流子的数目宏观上保持不变。产生率单位时间单位体积内产生的电子-空穴对数。复合率单位时间内复合掉的电子-空穴对数。直接复合—导带电子直接跃迁到价带。间接复合--导带电子跃迁到价带之前,要经历某一(或某些)中间状态。这些中间状态是禁带中的一些能级—复合中心.复合中心可以位于体内,也可以与表面有关。陷阱效应在非平衡载流子的情况下发生的一种效应，金属绝缘体半导体能带金属:有一个部分充满的导带。绝缘体:导带和价带之间存在较大的能隙—导带全空,价带全满.(满带电子对导电没有贡献) 半导体:导带和价带之间存在适当能隙的材料,Eg∽1eV. 导带几乎全空,价带几乎全满. 电子刚好填满最后一个带→绝缘体和半导体。一个带仅仅是部分被电子占有→导体.迁移率随温度和杂质浓度Ni的影响低温时，主要是电离杂质的散射，T↑，μ↑。高温时，主要是晶格散射，T↑，μ↓。N i＜1017/cm3，μ与N i无关；N i＞1017/cm3，μ随N i的增加而下降。电阻率随温度的变化AB段温度很低，本征激发可忽略，载流子主要由电离提供，随温度升高而增加，散射主要由电离杂质决定，迁移率也随温度升高而增大，所以电阻率随温度升高而下光电探测器 入门详细解析
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