注：文本中宋体部分是原书的翻译，楷体部分是译者的思考，一并呈现在文本中。
第二章 量子力学初步
2.0本章概要
我们的总目标是帮助读者理解半导体器件的工作原理和特征，但是为了更深入地理解半
导体器件的工作特性，我们必须首先了解在不同的势函数下，晶体中电子状态的一些相关知
识（这与整个器件的工作特性是直接相关的）。
电子和高频电磁波的描述必须依靠量子力学规则而不是牛顿运动定律，因此可以说量子
力学的波理论是半导体物理学理论的基础。
定义：利用量子力学规则对电子的状态和特性进行系统的描述称为波动力学。
本章将利用薛定谔波动方程来阐述波动力学中的一些主要内容。
本章目标：
①了解应用在半导体器件物理中的量子力学的基本原理。
②讨论薛定谔波动方程。
③考虑在各种势函数的前提下，薛定谔波动方程的应用。（这可以用来确定晶体中电子
的行为特征）
④对一个电子的原子（就是H原子）应用薛定谔波动方程。（这会产生4个基本的量子
数，帮助我们理解离散能带的概念，建立初始的周期表）
2.1量子力学的基本原理
在深入探究量子力学的数学计算之前，我们要考虑三个原则：能量量子化原理、波粒二
象性以及测不准原理。
2.1.1能量量子化原理
光电效应的实验结果并不符合光的经典理论。
按照我们过去经典理论的解释，应该是这样的：在一定的条件下，如果一束单色光入射
到一种材料的干净表面上，电子（光电子）会从材料的表面射出。如果入射光的强度（光强）
足够大，不管入射光的频率如何，只要满足某一个激活条件，那么一个电子就会从材料的表
面射出。
令人困惑的是这样的现象并没有被发现。
观察到的现象是：在一个确定的入射光强下，射出的光电子的最大动能（注意是动能）
与入射光的频率线性相关（同时有一个阈值v0，阈值之下没有电子射出）。结论请看图2.1。
反过来，如果入射光的频率不变而光强在一定范围内变化，单位时间内射出电子的数目就会
发生变化，但是这些电子的最大动能是不变的。
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半导体器件物理复习题
一． 平衡半导体：
概念题：
1. 平衡半导体的特征（或称谓平衡半导体的定义）
所谓平衡半导体或处于热平衡状态的半导体，是指无外界（如电压、电场、磁场或温度梯度等）作用影响的半导体。在这种情况下，材料的所有特性均与时间和温度无关。
2. 本征半导体：
本征半导体是不含杂质和无晶格缺陷的纯净半导体。
3. 受主（杂质）原子：
形成P型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅲ族元素）。
4. 施主（杂质）原子：
形成N型半导体材料而掺入本征半导体中的杂质原子（一般为元素周期表中的Ⅴ族元素）。
5. 杂质补偿半导体：
半导体中同一区域既含受主杂质又含施主杂质的半导体。
6. 兼并半导体：
对N型掺杂的半导体而言，电子浓度大于导带的有效状态密度，
费米能级高于导带底（0FcEE）；对P型掺杂的半导体而言，空穴浓度大于价带的有效状态密度。费米能级低于价带顶（0FvEE）。 2
7. 有效状态密度：
在导带能量范围（~cE）内，对导带量子态密度函数3/2*342nccmgEEEh与电子玻尔兹曼分布函数expFFEEfEkT的乘积进行积分（即3/2*0342expcnFcEmEEnEEdEhkT）得到的3*2222ncmkTNh称谓导带中电子的有效状态密度。
在价带能量范围（~vE）内，对价带量子态密度函数3/2*342pvvmgEEEh与空穴玻尔兹曼函数expFFEEfEkT的乘积进行积分（即3/2*0342expvEpFvmEEpEEdEhkT）得到的3*2222pvmkTNh称谓价带空穴的有效状态密度。
8. 以导带底能量cE为参考，导带中的平衡电子浓度：
半导体器件物理教案课件PPT
第一章：半导体物理基础知识
1.1 半导体的基本概念
介绍半导体的定义、特点和分类
解释n型和p型半导体的概念
1.2 能带理论
介绍能带的概念和能带结构
解释导带和价带的概念
讲解半导体的导电机制
第二章：半导体材料与制备
2.1 半导体材料
介绍常见的半导体材料，如硅、锗、砷化镓等
解释半导体材料的制备方法，如拉晶、外延等
2.2 半导体器件的制备工艺
介绍半导体器件的制备工艺，如掺杂、氧化、光刻等
解释各种制备工艺的作用和重要性
第三章：半导体器件的基本原理
3.1 晶体管的基本原理
介绍晶体管的结构和工作原理
解释n型和p型晶体管的概念
讲解晶体管的导电特性
3.2 半导体二极管的基本原理 介绍半导体二极管的结构和工作原理
解释PN结的概念和特性
讲解二极管的导电特性
第四章：半导体器件的特性与测量
4.1 晶体管的特性
介绍晶体管的主要参数，如电流放大倍数、截止电流等
解释晶体管的转移特性、输出特性和开关特性
4.2 半导体二极管的特性
介绍半导体二极管的主要参数，如正向压降、反向漏电流等
解释二极管的伏安特性、温度特性和频率特性
第五章：半导体器件的应用
5.1 晶体管的应用
介绍晶体管在放大电路、开关电路和模拟电路中的应用
解释晶体管在不同应用电路中的作用和性能要求
5.2 半导体二极管的应用
介绍半导体二极管在整流电路、滤波电路和稳压电路中的应用
解释二极管在不同应用电路中的作用和性能要求
第六章：场效应晶体管（FET）
6.1 FET的基本结构和工作原理
介绍FET的结构类型，包括MOSFET、JFET等
解释FET的工作原理和导电机制
讲解FET的输入阻抗和输出阻抗 6.2 FET的特性
介绍FET的主要参数，如饱和电流、跨导、漏极电流等
解释FET的转移特性、输出特性和开关特性
分析FET的静态和动态特性
第七章：双极型晶体管（BJT）
7.1 BJT的基本结构和工作原理
第二章 习题
2–1热平衡时净电子电流或净空穴电流为零，用此方法推导方程20lniadTpnnNNV。
2-2．根据修正欧姆定律和空穴扩散电流公式证明，在外加正向偏压V作用下，PN结N侧空穴扩散区准费米能级的改变量为qVEFP。
2-3． 硅突变结二极管的掺杂浓度为：31510cmNd，320104cmNa，在室温下计算：
（a）自建电势（b）耗尽层宽度 （c）零偏压下的最大内建电场。
2–4．若突变结两边的掺杂浓度为同一数量级，则自建电势和耗尽层宽度可用下式表示
)(2)(020dapndaNNKxxNqN )(200daaanNNqNNKx 2100)(2daadpNNqNNKx
试推导这些表示式。
2-5．长PN结二极管处于反偏压状态，求：
（1）解扩散方程求少子分布)(xnp和)(xpn，并画出它们的分布示意图。
（2）计算扩散区内少子贮存电荷。
（3）证明反向电流0II为PN结扩散区内的载流子产生电流。
