半导体器件物理 Chapter2 半导体物理基础知识

半导体物理与器件的基本原理解析半导体是一种能够在一定条件下既能导电又能绝缘的物质，因其在电子学领域的广泛应用而备受关注。

本文将对半导体物理及器件的基本原理进行解析，为读者提供更全面的了解。

一、半导体物理基础1. 原子结构半导体是由原子构成的，涉及到原子的结构和性质非常重要。

原子包含了原子核和绕核运动的电子。

每个原子都有自己的特定电子结构和能级分布。

2. 能带理论能带理论是解释电子在固体中运动的模型。

根据能带理论，固体的电子能级可以分为多个能带，其中最高填充的被称为价带，最低未被填充的被称为导带。

价带与导带之间的能量间隙称为禁带宽度。

3. 共价键与禁带在半导体中，原子通过共价键形成晶体。

共价键是由原子之间的电子互相共享形成的。

晶体中的共价键形成了价带，而禁带宽度是导带和价带之间的能隙。

二、半导体器件原理解析1. P-N 结P-N 结是最基本也是最重要的半导体器件。

它由一片N型半导体和一片P型半导体组成。

在P-N 结中，P型半导体中的空穴与N型半导体中的电子发生重组，产生了一个空穴-电子对。

这种特殊的结构和电子重组现象使得P-N 结具有二极管特性。

2. 二极管二极管是一种基本半导体器件，它由P-N 结组成。

二极管具有一个P型区域和一个N型区域，其中P型区域为阳极，N型区域为阴极。

正向偏置时，电流可以流过二极管；反向偏置时，电流无法通过二极管。

3. 晶体管晶体管是一种用来放大和开关电信号的半导体器件。

它由三个区域构成：发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。

晶体管的工作原理是通过外加电压控制基区的电流，从而控制集电极和发射极之间的电流流动。

4. MOSFETMOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）是一种常见的半导体器件，用于放大和开关电信号。

MOSFET由金属栅极、绝缘层和半导体通道构成。

通过改变栅极电压，可以控制通道中的电流。

5. 整流器整流器是一种将交流电转换为直流电的设备。

半导体物理的基础知识半导体物理是研究半导体材料及其电子行为的一门学科。

半导体是介于导体和绝缘体之间的材料，具有独特的电子特性。

本文将介绍半导体物理的基础知识，包括半导体材料的结构、能带理论、杂质掺杂以及PN结等内容。

一、半导体材料的结构半导体材料是由单晶、多晶或非晶三种形态构成。

单晶是指晶体结构完整、无缺陷的材料，拥有良好的导电性能。

多晶是由多个晶粒组成，晶界存在缺陷，导电性能较差。

非晶的特点是结构无序，导电性能较差。

半导体材料的基本结构由共价键和离散缺陷构成。

共价键是指半导体材料中相邻原子之间的化学键，它保持了材料的稳定性。

离散缺陷是指晶体中出现的缺陷，如杂质、空穴等。

这些离散缺陷的存在对半导体材料的导电性能有重要影响。

二、能带理论能带理论是解释物质的导电性能的基础理论。

根据这一理论，半导体材料的电子行为与能带结构有密切关系。

能带是电子能量的分布区域，分为价带和导带两部分。

价带中的电子具有固定位置，不能自由移动；而导带中的电子能够自由移动。

在纯净的半导体中，价带带满，导带没有电子。

半导体的导电性能是通过在半导体中掺入适量的杂质来改变的。

杂质的掺入会导致新的能带形成，同时增加或减少可自由移动的电子数量。

掺杂过程中形成的能带被称为禁带，其能量介于价带和导带之间。

三、杂质掺杂杂质掺杂是一种通过引入少量外来原子来改变半导体材料导电性能的方法。

根据杂质掺入的原子种类不同，可以分为n型和p型两种半导体。

n型半导体是通过掺入五价元素，如磷（P）或砷（As），在半导体中形成额外的自由电子，增加导电性能。

这些自由电子会填满主导带，并进入导带，从而形成导电能力。

n型半导体表现为电子富余。

p型半导体是通过掺入三价元素，如硼（B）或铋（Bi），在半导体中形成额外的空穴，增强导电性能。

空穴是一种电子缺失的状态，它通过与晶格中的自由电子结合来传导电荷。

p型半导体表现为电子贫缺。

四、PN结PN结是将p型半导体和n型半导体通过一定方法连接而成的结构。

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。

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。

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在T=0K时，费米能级E(f)可看作是量子态是否被电子占据的一个界限。

附图：随着温度的升高，电子占据能量小于费米能级的量子态的概率下降，占据高于费米能级的量子态的概率上升。

2波尔兹曼分布函数在E-E(f)>>K(0)T时，服从波尔兹曼分布（是费米能级的一种简化形式）。