半导体物理：半导体中的电子状态

第三章半导体中的电子状态半导体独特的物理性质与其内部电子的运动状态密切相关。

本章扼要介绍一些有关的基本概念。

§3-1 电子的运动状态和能带§3-1-1孤立原子和自由空间中的电子状态为了便于理解半导体中的电子运动状态和能带的概念，先复习一下孤立原子中的电子状态和能级﹑自由空间中的电子状态和能谱的概念。

一．原子中的电子状态和能级。

原子是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成的，原子核的质量远大于电子的质量。

因此，可认为电子是在原子核的库仑引力作用下绕着原子核运动的。

电子绕原子核运动遵从量子力学规律，处于一系列特定的运动状态，这些特定状态称量子态或电子态。

在每个量子态中，电子的能量（能级）是确定的。

处于确定状态的电子在空间的几率分布是一定的。

在讨论原子中的电子运动时，也常采用经典力学的“轨道”概念，不过其实际含义是指电子在空间运动的一个量子态和几率分布。

按“轨道”概念，对于原子中的电子，能级由低到高可分为E1﹑E2﹑E3﹑E4..等，分别对应于1s﹑2s﹑2p﹑3s…等一系列量子态。

如图3-1所示，内层轨道上的电子离原子核近，受到的库仑束缚作用强，能级低。

越往外层，电子受到的束缚越弱，能级越高。

总之，在单个原子中，电子运动的特点是其运动状态为一些局限在原子核周围的局域化量子态，其能级取一系列分立值。

二．自由空间中的电子状态和能谱。

根据量子力学理论，在势场不随位置变化的自由空间中，电子的运动状态满足下面的定态薛定谔方程)(）（)(222r k E r mψψ=∇- （3-1） 该方程的解为平面波：r k i ke V r ⋅=1)(ψ )(22)(222222z y x k k k mm k k E ++== （3-2） 其中，)(r k ψ称波函数，)(k E 称能量谱值或本征值，V 为空间体积，k 为平面波的波矢，其大小为波长倒数的2π倍，即k=2π/λ。

这里k 也起着量子数的作用，用来标志自由电子的运动状态。

半导体物理考点归纳第一章 半导体中的电子状态一．名词解释1.电子的共有化运动：（P10）原子组成晶体后，由于电子壳的交叠，电子不再局限于某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去。

因而，电子可以在整个晶体中运动。

这种运动称为电子的共有化运动。

2.单电子近似：（P11）单电子近似方法认为，晶体中德电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场，以及其他大量电子的平均势场中运动，这个势场是周期性变化的，且其周期与晶格周期相同。

3.有效质量：（P19）有效质量2*22n h m d Edk =，它直接把外力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。

二．判断题1.金刚石和闪锌矿结构的结晶学原胞都是双原子复式格子，而纤锌矿结构与闪锌矿结构型类似，以立方对称的正四面体结构为基础。

（X ）金刚石型结构为单原子复式格子，纤锌矿型是六方对称的。

2.硅晶体属于金刚石结构。

（√）3.Ge 的晶格是单式格子。

（X ） （复式）4.有效质量都是正的。

（X ） （有正有负）5.能带越窄，有效质量越小。

（X ）（2*22n h m d Edk =，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大） 6.硅锗都是直接带隙半导体。

（X ） （间接）7.Ge 和Si 的价带极大值均位于布里渊区的中心，价带中空穴主要分布在极大值附近，对应同一个k 值，()E k 可以有两个值。

8.实际晶体的每个能带都同孤立原子的某个能级相当，实际晶体的能带完全对应于孤立原子的能带。

（X ） （不相当，不完全对应）三．填空题1.晶格可以分为7大晶系，14种布拉菲格子，按照每个格子所包含的各点数，可分为原始格子，体心，面心，底心。

2.如今热门的发光材料LED 是直接带隙半导体，该种材料的能带结构特点是当k=0时的能谷的极值小。

3.Ge 、Si 是间接带隙半导体，InSb 、GaAs 是直接带隙半导体。

4.回旋共振实验中能测出明显的共振吸收峰，就要求样品纯度高，而且要在低温下进行。

半导体物理半导体中的电子状态半导体物理：半导体中的电子状态半导体是一种在电性能上介于导体和绝缘体之间的材料。

半导体中的电子状态对于半导体器件的特性和性能起着至关重要的作用。

本文将探讨半导体中的电子状态，并介绍与之相关的几个重要概念。

1. 能带结构半导体中的电子状态与能带结构密切相关。

能带是将材料中的电子能级按照能量高低进行分类的一种方式。

在半导体中，一般存在两个主要的能带，即价带和导带。

价带是电子处于较低能量状态的能带，而导带则是电子处于较高能量状态的能带。

能带之间的能隙决定了电子的跃迁行为。

2. 杂质能级半导体中的杂质能级是指由掺入杂质引起的局部能量水平。

掺杂是通过向半导体中引入少量的杂质元素改变其电子状态。

掺入五价元素（如磷）会产生施主能级，该能级位于导带上方，提供自由电子；而掺入三价元素（如硼）会产生受主能级，该能级位于价带下方，吸收自由电子。

杂质能级的引入对半导体器件的性能起着决定性作用。

3. 载流子在半导体中，载流子是负责电荷传输的粒子。

主要有电子（负载流子）和空穴（正载流子）两种类型。

在纯净的半导体中，电子和空穴的浓度相等，称为本征半导体。

通过掺杂，可以改变载流子的浓度，从而实现半导体的导电性的调控。

4. 载流子的浓度与掺杂浓度的关系半导体材料的光、热、电等特性与掺杂浓度有关。

掺杂浓度越高，材料的导电性能越好。

在一定范围内，载流子浓度与掺杂浓度成正比。

然而，过高的掺杂浓度可能导致材料中的杂质能级相互重叠，从而影响器件的性能。

5. 半导体的禁带宽度禁带宽度是指价带和导带之间的能量间隔，决定了半导体材料的电导率。

半导体的禁带宽度较小，比绝缘体的小，但比导体的大。

通过控制禁带宽度，可以实现对半导体的电学性质调控。

总结：本文讨论了半导体中的电子状态。

通过对能带结构、杂质能级、载流子浓度与掺杂浓度关系，以及禁带宽度等概念的介绍，我们可以更好地理解半导体器件的工作原理和性能特点。

半导体物理作为一门重要的学科领域，对于现代电子技术的发展和应用具有重要意义。

半导体中的电子状态引言随着科技的发展，半导体材料在电子行业中扮演了重要的角色。

半导体材料的特殊结构使得它们在导电性质上介于导体和绝缘体之间。

研究半导体中的电子状态对于了解半导体的导电机制和优化器件性能具有重要意义。

本文将介绍半导体中的电子状态，并探讨其在实际应用中的影响。

电子能级受限在半导体中，电子能级是受限的，这意味着电子只能取特定的能量值。

通过与能带理论相关联，我们可以将半导体中的电子能级划分为价带和导带。

价带是半满的，而导带是部分填充的。

能带间隙能带间隙（band gap）是指价带和导带之间不允许存在任何电子能级的能量差。

对于导体来说，能带间隙非常小，几乎可以忽略不计。

而对于绝缘体来说，能带间隙非常大，使得电子无法跃迁到导带中。

而半导体的能带间隙大小适中，介于导体和绝缘体之间。

能带间隙的大小决定了半导体的电导率和其他电学性质。

纯半导体中的电子状态在纯半导体中，没有掺杂物存在。

在绝对零度下，所有的价带都被填满，而导带都是空的。

这种状态下，半导体是非导电的。

当温度升高时，由于晶格的振动，一些电子可以跃迁到导带中，形成导电。

这种现象被称为本征激发。

杂质半导体中的电子状态杂质半导体是指在纯半导体中掺入其他原子，以改变半导体的电子状态。

当掺入杂质元素时，会形成杂质能级。

这些能级位于能带间隙的中间，可分为n型杂质能级和p型杂质能级。

n型杂质能级暗示占据了原本在导带的电子，而p型杂质能级暗示原本从价带“升级”的电子。

能带理论和电子迁移能带理论是半导体物理学中的基本概念之一。

它描述了在不同能带之间电子的跃迁行为。

根据能带理论，当一个电子从价带跃迁到导带时，会在价带留下一个“空穴”（被电子跃迁到导带的位置）。

空穴的移动速度会影响半导体器件的工作性能。

由于空穴的速度较慢，限制了电子的迁移速度。

这也是为什么n型半导体比p 型半导体具有更好的导电性能的原因，因为电子比空穴移动速度更快。

电子状态与半导体器件性能的关系半导体中的电子状态与器件性能密切相关。

第一章半导体中的电子状态1.分类说明半导体材料的晶格结构与结合特性。

答：金刚石结构特点：每个原子周围有四个最邻近的原子，组成一个正四面体结构，配位数是4. 夹角109°28′。

金刚石结构可以看成是两个面心立方晶包沿立方体的空间对角线相互位移四分之一对角线套构而成。

闪锌矿结构特点：双原子复式结构，它是由两类原子各自组成的面心立方晶胞沿立方体的空间对角线相互位移四分之一对角线套构而成。

以共价键为主，结合特性具有不同程度的离子性，称为极性半导体。

2.什么是电子共有化运动？原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同？答：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，可以由一个原子转移到相邻的原子上去。

因而，电子可以在整个晶体上运动。

因为个原子中相似壳层上的电子才有相同能量，电子只能在相似壳层上转移，因此共有化运动的产生是由于不同原子的相似壳层之间的交叠。

由于内外层交叠程度很不相同，所以只有最外层电子的共有化运动才显著。

3.说明能级分裂成能带的根本原因以及内外层能带有何不同？答：根本原因，当周围n个原子相互靠近时，每个原子中的电子除受到本身原子的势场作用外，还要受到其他原子的作用，其结果是每一个n度简并的能级都分裂为n个彼此相距很近的能级；·内壳层原来处于低能级，共有化运动很弱，能级分裂的很小，能带窄。

外壳层电子原来处于高能级，共有化运动显著，能带分裂的厉害，能带宽。

4.原子中的电子自由电子和晶体中电子受势场作用情况有何不同？自由电子和晶体中电子运动情况有何不同？答: 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势场中运动5.导体、半导体和绝缘体能带的区别？答：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电体。

绝缘体禁带宽度大，常温下激发到导带的电子很少，导电性差。