半导体物理知识点总结

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

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： i2 kx 晶体中电子运动的基本方程为： k ( x ) u k ( x ) e ，K为波矢，uk(x)为一个与晶格同周期的周期性函数， uk(x) uk(x na)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：

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

通常就是指导电能力介于导体与绝缘体之间的材料,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,电子的能量就是不连续的,在某些能量区间能级分布就是准连续的,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能带论就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。通过该方程与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—潘纳模型就是为分析晶体中电子运动状态与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

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

V X 克龙尼克—潘纳模型的势场分布

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

1、在晶体衍射中，为什么不能用可见光？

[解答]

晶体中原子间距的数量级为1010

-米，要使原子晶格成为光波的衍射光栅，光波的波长应小于1010-米. 但可见光的波长为7.6?4.0710-?米, 是晶体中原子

间距的1000倍. 因此, 在晶体衍射中，不能用可见光.

2、为什么许多金属为密积结构?

[解答]

金属结合中, 受到最小能量原理的约束, 要求原子实与共有电子电子云间的库仑能要尽可能的低(绝对值尽可能的大). 原子实越紧凑, 原子实与共有电子电子云靠得就越紧密, 库仑能就越低. 所以, 许多金属的结构为密积结构.

3、长光学支格波与长声学支格波本质上有何差别?

[解答]

长光学支格波的特征是每个原胞内的不同原子做相对振动, 振动频率较高, 它包含了晶格振动频率最高的振动模式. 长声学支格波的特征是原胞内的不同原子没有相对位移, 原胞做整体运动, 振动频率较低, 它包含了晶格振动频率最低的振动模式, 波速是一常数. 任何晶体都存在声学支格波, 但简单晶格(非复式格子)晶体不存在光学支格波

4、电子的有效质量*

m 变为∞的物理意义是什么?

[解答]

从能量的角度讨论之. 电子能量的变化

m E m E m E 晶格对电子作的功外场力对电子作的功外场力对电子作的功

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

半导体物理 一、什么是半导体 导体

绪 论

绝缘体

半导体

电导率ρ <10?3 10?3~109 ?109 ??cm 此外，半导体还有以下重要特性

1、 温度可以显著改变半导体导电能力

例如：纯硅（Si） 若温度从30?C变为20?C时，ρ增大一倍 2、 微量杂质含量可以显著改变半导体导电能力

例如：若有100万硅掺入1个杂质（P . Be）此时纯度99.9999% ，室温（27?C 300K）时，电阻率由214000Ω降至0.2Ω 3、 光照可以明显改变半导体的导电能力

例如：淀积在绝缘体基片上（衬底）上的硫化镉（CdS）薄膜，无光照时电阻（暗电阻）约为几十欧姆，光照时电阻约为几十千欧姆。

另外，磁场、电场等外界因素也可显著改变半导体的导电能力。

综上：

? 半导体是一类性质可受光、热、磁、电，微量杂质等作用而改变其性质的材料。 二、课程内容

本课程主要解决外界光、热、磁、电，微量杂质等因素如何影响半导体性质的微观机制。

预备知识——化学键的性质及其相应的具体结构 晶体：常用半导体材料Si Ge GaAs等都是晶体 固体

非晶体：非晶硅（太阳能电池主要材料）

晶体的基本性质：固定外形、固定熔点、更重

初试科目：半导体物理学

参考书：半导体物理学 顾祖毅 田立林 富力文 电子工业出版社 考试大纲：

第一章 半导体的晶格结构和缺陷 1 半导体的基本特性 2 常见半导体材料

3 主要半导体器件及其可选用的材料 4 常见半导体的结构类型 5 名词解释

化学键 共价键 离子键 分子键 金属键 晶格缺陷 间隙式杂质 代位式杂质 反晶格缺陷 层错 扩散系数 晶粒间界 第二章 半导体中的电子状态

1 在周期性势场中，电子薛定谔方程的解为布洛赫函数，即波函数：

?1(r)?uk(r)eik?r

uk(r)?uk(r?an)

布洛赫函数不是单色平面波。K为波矢，描述电子共有化运动。平面波因子e表明晶体中不再是局域化的，扩展到整个晶体之中，反映了电子的共有化运动。uk(r)反映了周期性势场对电子运动的影响，说明晶体中电子在原胞中不同位置上出现的几率不同。uk(r)的周期性说明晶体中不同原胞的各等价位置上出现的几率相同。

2 电子在周期场中运动的量子力学处理有几种近似的方法？试简述之。

（1）近自由电子近似 （2）紧束缚近似

3 由于共有化运动，晶体中电子可以看成是整个晶体共有的，因此孤立原子的能

1. （ D ）下面关于有效质量的叙述错误的是 。 A. 有效质量概括了半导体内部势场的作用

B. 有效质量直接把外力f和电子的加速度联系起来

C. 有效质量的引入使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用

D. 不是所有的有效质量都可以直接由实验测定

2. （ D ）对于只含一种杂质的非简并ｐ型半导体，费米能级随温度上升而 。 A. 上升 B. 下降 C. 不变

D. 经过一极值后趋近Ei

3. （ C ）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 。 A.1/4 ； B.1/e ； C.1/e2 ； D.1/2 4. （ A ）不是深杂质能级特点的是 。 A. 杂质能级离带边较近 B. 多次电离（多重能级） C. 有可能成为两性杂质 D. ED，EA 可与Eg相比拟

5.（ B ）对于补偿的半导体材料，下列叙述正确的是 。 A.载流子浓度取决于杂质浓度较大者，载流子迁移率取决于电离杂质总浓度 B.载流子浓

一、名词解释

迁移率：单位场强下电子的平均漂移速度

复合中心：促进复合过程的杂质和缺陷称为复合中心

空间电荷：在pn结附近的电离施主和电离受主所带的电荷 陷阱效应：杂质能级积累非平衡载流子的作用 载流子：电子与空穴

金刚石结：构形成的晶体结构是一个正四面体，具有金刚石晶体结构 本征电离：

散射：载流子在半导体中运动时，便会不断地与热振动着的晶格原子或电离电了的杂质离子发

生作用，或者说发生碰撞，碰撞后载流子速度的大小及方向就发生改变，用波的概念，

就是说电子在半导体中传播时遭到散射。

浅能级杂质的作用：提供载流子

深能级杂质的作用：起复合中心的作用

杂质补偿：施主电子刚好够填充受主能级，但是不能向导带和价带提供电子和空穴，这种现象

称为杂质的高度补偿 扩散定律：SP= －DP

d?p(x)?x 这个公式描写了非平衡载流子空穴的扩散规律，称为扩散定律。

强电场效应：在强电场情况下，载流子从电场中获得的能量很多，载流子的平均能量比热平衡

状态时大，因而载流子和晶格系统不在处于热平衡状态。

非平稳载流子：比平衡状态多出来的这部分载流子称为非平衡载流子

准费米能级：导带和价带各自处于平衡态，因此存在导带费米能级和价带费米能级，称其为“准

费米能级”

稳态扩散