半导体物理学第章半导体晶体结构和性质

《半导体物理学》课程教案大纲一、课程说明（一）课程名称：《半导体物理学》所属专业：物理学（电子材料和器件工程方向）课程性质：专业课学分：学分（二）课程简介、目标与任务：《半导体物理学》是物理学专业（电子材料和器件工程方向）本科生的一门必修课程。

通过学习本课程，使学生掌握半导体物理学中的基本概念、基本理论和基本规律，培养学生分析和应用半导体各种物理效应解决实际问题的能力，同时为后继课程的学习奠定基础。

本课程的任务是从微观上解释发生在半导体中的宏观物理现象，研究并揭示微观机理；重点学习半导体中的电子状态及载流子的统计分布规律，学习半导体中载流子的输运理论及相关规律；学习载流子在输运过程中所发生的宏观物理现象；学习半导体的基本结构及其表面、界面问题。

（三）先修课程要求，与先修课与后续相关课程之间的逻辑关系和内容衔接：本课程的先修课程包括热力学与统计物理学、量子力学和固体物理学，学生应掌握这些先修课程中必要的知识。

通过本课程的学习为后继《半导体器件》、《晶体管原理》等课程的学习奠定基础。

（四）教材与主要参考书：［］刘恩科，朱秉升，罗晋生. 半导体物理学（第版）［］. 北京：电子工业出版社. .［］黄昆,谢希德. 半导体物理学［］. 北京：科学出版社. .［］叶良修.半导体物理学（第版）［］. 上册. 北京：高等教育出版社. .［］. . , ( .), , , .二、课程内容与安排第一章半导体中的电子状态第一节半导体的晶格结构和结合性质第二节半导体中的电子状态和能带第三节半导体中电子的运动有效质量第四节本征半导体的导电机构空穴第五节回旋共振第六节硅和锗的能带结构第七节族化合物半导体的能带结构第八节族化合物半导体的能带结构第九节合金的能带第十节宽禁带半导体材料（一）教案方法与学时分配课堂讲授，大约学时。

限于学时，第节可不讲授，学生可自学。

（二）内容及基本要求本章将先修课程《固体物理学》中所学的晶体结构、单电子近似和能带的知识应用到半导体中，要求深入理解并重点掌握半导体中的电子状态（导带、价带、禁带及其宽度）；掌握有效质量、空穴的概念以及硅和砷化镓的能带结构；了解回旋共振实验的目的、意义和原理。

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。

半导体物理与器件半导体物理与器件是研究半导体材料和器件特性的学科领域，这是电子科学与工程的重要分支之一。

在现代科技的发展过程中，半导体物理与器件起到了至关重要的作用，推动了信息技术、通信技术、能源技术等领域的发展与创新。

一、半导体物理的基本概念半导体是介于导体和绝缘体之间的一种材料。

这类材料的导电性能介于金属和非金属之间，可以通过控制掺杂来调节其电导率。

半导体物理主要研究半导体的物理性质及其在器件中的应用。

1.1 半导体的晶体结构半导体通常采用晶格结构，其中最常见的是硅(Si)和锗(Ge)。

晶格结构决定了半导体的物理特性和电学性能。

1.2 半导体的能带结构能带结构是描述半导体的重要概念，半导体中的能带分为价带和导带。

当半导体被采取适当的掺杂和加压等方法后，会出现禁带宽度，电子能够充满价带或从导带跃迁到价带，形成导电能力。

1.3 半导体的载流子半导体中的载流子是指带电粒子，有正负两种。

在掺杂过程中，掺杂原子注入到半导体晶格中，会引入自由电子或空穴，从而影响半导体的导电性能。

二、半导体器件的应用半导体物理的研究成果被广泛应用于各种半导体器件中，这些器件在现代社会中扮演着重要的角色。

2.1 二极管二极管是最简单的半导体器件之一，具有单向导电特性。

它由正负两种半导体材料构成，在正向偏置时导通，在反向偏置时截止。

二极管广泛应用于电源、通信等领域。

2.2 三极管三极管是一种具有放大作用的半导体器件。

它由三个半导体区域组成，包括基极、发射极和集电极。

通过对基极电流的控制，可以实现对集电极电流的放大，被广泛应用于电子设备中。

2.3 场效应晶体管场效应晶体管（FET）是一种控制电流的半导体器件，具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点。

它可作为电压控制器件，广泛应用于放大、开关、模拟和数字电路等领域。

2.4 光电二极管光电二极管是将光信号转换为电信号的设备。

通过光敏材料和PN结的结合，光电二极管可以检测和转换光信号，被广泛应用于通信、光学传感器、光通信等领域。

半导体材料的基础知识半导体材料是一种在现代电子学和信息技术中应用广泛的材料。

它的基础性质和应用原理可以说是当代物理学和电子技术的重要研究内容。

在本文中，我们将介绍半导体材料的基础知识。

1. 半导体材料的基本结构半导体材料通常由硅，锗，蓝宝石，碳化硅等多种材料组成。

半导体材料的结构比较复杂，但是可以分为三个主要部分：晶格结构，杂质、缺陷与材料表面。

（1）晶格结构半导体材料是由晶体结构组成的，它具有一定的周期性和对称性。

硅族元素和氮族元素晶格结构通常为立方晶系，锗和砷的晶格结构则为钻石晶系。

晶格结构的大小和组成决定了材料的物理性质。

（2）杂质、缺陷和材料表面半导体材料的表面和晶界可能存在杂质和缺陷。

杂质是指掺入半导体晶体中的不同元素，通常称为掺杂。

这种掺杂可以改变材料的特性，如电导率、热导率等，从而使其达到所需的性能。

缺陷则是材料的晶体中的结构性变化。

他们可以导致材料的导电性变化，从而影响整个电子系统的运行效果。

2. 半导体物理特性半导体材料数电子学通常被用于发展系统和设备。

因为半导体材料具有一些特殊的物理和电学特性。

（1）导电类型半导体材料的导电型别主要有p型和n型。

它们的特点在于材料中的掺杂浓度不同。

p型是指加入含有三个电子的元素，取代了材料中原来的元素。

这些三价元素可以在p型半导体中留下空位置，其中可以容纳自由电子，从而形成电子空穴。

n型半导体与p 型有所不同，它是通过向材料中掺入含有五个电子的元素来形成的，如磷、硒等元素。

这些五价元素可以提供更多的自由电子，从而导致电子流通的过程。

（2）禁带宽度半导体材料有一个固有的能带结构，这个能带称为禁带。

当材料导电时，电子从导带中被激发到价带中。

而导带和价带之间的距离称为禁带宽度。

这个宽度影响材料的电性质，并且也很重要，因为它决定了材料能否被用作半导体器件的基础。

3. 典型半导体器件半导体材料不仅可以作为电子元器件的基础材料，还可以制成各种各样的器件。

理论体系半导体物理学是固体物理学的一个分支固体物理学的理论基础：(1) 晶体学: 晶体周期结构的确定1669: 晶面角守恒律(Steno)1784: 有理指数定律和晶胞学说(Hauy)1848: 空间点阵学说(Bravais)1889-1891: 空间群理论(Federov和Schvenflies) 1912: 晶体X射线衍射实验(Laue)(2) 固体比热的理论: 初步的晶格动力学理论1907: 独立振子的量子理论(Einstein)1912: 连续介质中的弹性波的量子理论(Debye)1912: 周期结构中的弹性波(Born 和von Karman)(3) 金属导电的自由电子理论: Fermi 统计1897: 电子的发现(Thomson)1900: 金属电导和热传导的经典自由电子理论(Drude) 1924: 基于Fermi统计的自由电子理论(Pauli和Sommerfield) (4) 铁磁性研究:自旋量子理论1894: 测定铁磁--顺磁转变的临界温度(Curie)1907: 铁磁性相变的分子场理论(Weiss)1928: 基于局域电子自旋相互作用的铁磁性量子理论另外:电子衍射的动力学理论(Bethe)金属导电的能带理论(Bloch)基于能带理论的半导体物理(Wilson)标志: 1940年Seitz “固体的现代理论”凝聚态物理学凝聚态物理从微观角度出发,研究相互作用多粒子系统组成的凝聚态物质(固体和液体)的结构和动力学过程, 及其与宏观物理性质之间关系的一门科学.和固体物理相比, 凝聚态物理:(1) 研究对象日益扩大和复杂；(2) 基本概念和理论工具已大为丰富；(3) 作为固体物理学分支的金属物理, 半导体物理, 磁学, 低温物理, 电介质物理之间交叉日益密切；(4) 一些新的分支如无序系统物理学, 准晶物理学, 介观系统物理学, 团簇物理学被开拓和建立起来。

要讲授的内容：半导体的晶格结构和电子状态(第一章)杂质和缺陷能级(第二章)载流子的统计分布(第三章)载流子的散射及电导问题(第四章)非平衡载流子产生、复合及其运动规律(第五章)半导体的表面和界面-包括p-n结、金属和半导体的接触、半导体表面及MIS结构、异质结(第六~九章)第一章半导体中的电子状态§1.1 半导体的晶体结构和结合性质一、金刚石型结构和共价键硅和锗属于Ⅳ族元素(元素周期表)。