半导体物理知识点总结-半导体物理总结

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1、半导体物理知识点总结-半导体物理总结一、半导体物理知识大纲0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）e半导体中的电子状态（第1章）e半导体中的杂质和缺陷能级（第2章）0核心知识单元B：半导体载流子统计分布与输运（课程重点一一掌握物理 概念、掌握物理过程的分析I方法、相关参数的计算方法）e 半导体中载流子的统计分布（第3章）e 半导体的导电性（第4章）e 非平衡载流子（第5章）0核心知识单元C：半导体的基本效应（物理效应与应用一一掌握各种半导 体物理效应、分析b其产生的物理机理、掌握具体的应用）e 半导体光学性质（第10章）e 半导体热电性质（第

2、11章）e 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

3、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。2、熟悉晶体中电子、孤立原子的电子、自由电子的运动有何不同：孤立原 子

4、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，而晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动（共有化运 动），单电子近似认为，晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核 的势场以及其它大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期性变化的，而且它 的周期与晶格周期相同。3、晶体中电子的共有化运动导致分立的能级发生劈裂，是形成半导体能带 的原因，半导体能带的特点： 存在轨道杂化，失去能级与能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能 带和下能带，上能带称为导带，下能带称为价带 低温下，价带填满电子，导带全空，高温下价带中的一部分电子跃迁到导 带，使晶体呈现弱

5、导电性。 导带与价带间的能隙(Energy gap)称为禁带(forbidden band).禁带 宽度取决于晶体种类、晶体结构及温度。 当原子数很大时，导带、价带内能级密度很大，可以认为能级准连续。4、晶体中电子运动状态的数学描述：自由电子的运动状态：对于波矢为k 的运动状态，自由电子的能量E,动量p,速度v均有确定的数值。因此，波矢k 可用以描述自由电子的运动状态，不同的k值标志自由电子的不同状态，自由电子 的E和k的关系曲线呈抛物线形状，是连续能谱，从零到无限大的所有能量值都是 允许的。晶体中的电子运动：服从布洛赫定理：晶体中的电子是以调幅平面波在晶 体中传播。这个波函数称为布洛赫波函数

6、。求解薛定谔方程，得到电子在周期场中 运动时其能量不连续，形成一系列允带和禁带。一个允带对应的K值范围称为布里 渊区。5、用能带理论解释导带、半导体、绝缘体的导电性。6、理解半导体中求E(k)与k的关系的方法：晶体中电子的运动状态要比 自由电子复杂得多，要得到它的E (k)表达式很困难。但在半导体中起作用地是 位于导带底或价带顶附近的电子。因此，可采用级数展开的方法研究带底或带顶E(k)关系。7、掌握电子的有效质量的定义：=/ (一维)，注意，在能带底是正值，在 能带顶是负值。电子的速度v=，注意v可以是正值，也可以是负值，这取决于 能量对波矢的变化率。8、引入电子有效质量后，半导体中电子所受

7、的外力与加速度的关系具有牛 顿第二定律的形式，即a=f/。可见是以有效质量代换了电子惯性质量。9、有效质量的意义：在经典牛顿第二定律中a=f/m0,式中f是外合力，是 惯性质量。但半导体中电子在外力作用下，描述电子运动规律的方程中出现的是有 效质量mn_,而不是电子的惯性质量。这是因为外力f并不是电子受力的总和，半 导体中的电子即使在没有外加电场作用时，它也要受到半导体内部原子及其它电子 的势场作用。当电子在外力作用下运动时，它一方面受到外电场力f的作用，同时 还和半导体内部原子、电子相互作用着，电子的加速度应该是半导体内部势场和外 电场作用的综合效果。但是，要找出内部势场的具体形式并且求得加

8、速度遇到一定 的困难，引进有效质量后可使问题变得简单，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。因此，引进有效质量的意义在于它 概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动运动 规律时，可以不涉及到半导体内部势场的作用。特别是mn_可以直接由实验测定， 因而可以很方便地解决电子的运动规律。在能带底部附近，d2E/dk20，电子的有 效质量是正值；在能带顶附近，d2E/dk20，数值上与该处的电子有效质量相同，即 =一0，空穴带电荷+ q。 空穴的能量坐标与电子的相反，分布也服从能量最小原理。13、本征半导体的导电机构：对本征半导体，导带

9、中出现多少电子，价带中 就对应出现多少空穴，导带上电子参与导电，价带上空穴也参与导电，这就是本征 半导体的导电机构。这一点是半导体同金属的最大差异，金属中只有电子一种荷载 电流的粒子（称为载流子），而半导体中有电子和空穴两种载流子。正是由于这两 种载流子的作用，使半导体表现出许多奇异的特性，可用来制造形形色色的器件。14、回旋共振的实验发现，硅、锗电子有效质量各向异性，说明其等能面各 向异性。通过分析b ，硅有六个椭球等能面，分别分布在晶向的六个等效晶轴 上，电子主要分布在这六个椭球的中心（极值）附近。仅从回旋共振的实验还不能 决定导带极值（椭球中心）的确定位置。通过施主电子自旋共振实验得出，

10、硅的导 带极值位于方向的布里渊区边界的0.85倍处。15、n型锗的实验指出，锗的导电极小值位于方向的布里渊区边界上共有八 个。极值附近等能面为沿方向旋转的八个椭球面，每个椭球面有半个在布里渊区， 因此，在简约布里渊区共有四个椭球。16、硅和锗的价带结构：有三条价带，其中有两条价带的极值在k = 0处重 合，有两种空穴有效质量与之对应，分别为重空穴和轻空穴，还有第三个价带，其 带顶比前两个价带降低了，对于硅，=0.04ev，对于锗= 0.29ev，这条价带给出了 第三种空穴。空穴重要分布在前两个价带。在价带顶附近，等能面接近平面。17、砷化镓的能带结构：导带极小值位于布里渊区中心k = 0处，等

11、能面为 球面，导带底电子有效质量为0.067。在方向布里渊区边界还有一个导带极小值， 极值附近的曲线的曲率比较小，所以此处电子有效质量比较大，约为0.55，它的 能量比布里渊区中心极小值的能量高0.29ev。正是由于这个能谷的存在，使砷化 镓具有特殊的性能（见第四章）。价带结构与硅、锗类似。室温下禁带宽度为 1.424ev。难点：1、描述晶体的周期性可用原胞和晶胞，要把原胞和晶胞区分开。在固体物 理学中，只强调晶格的周期性，其最小重复单元为原胞，例如金刚石型结构的原胞 为棱长a的菱立方，含有两个原子；在结晶学中除强调晶格的周期性外，还要强调 原子分布的对称性，例如同为金刚石型结构，其晶胞为棱长

12、为a的正立方体，含有 8个原子。2、闪锌矿型结构的IIIV族化合物和金刚石型结构一样，都是由两个面心 立方晶格套构而成，称这种晶格为双原子复式格子。如果选取只反映晶格周期性的 原胞时，则每个原胞中只包含两个原子，一个是III族原子，另一个是V族原子。3、布洛赫波函数的意义：晶体中的电子在周期性势场中运动的波函数与自 由电子的波函数形式相似，代表一个波长为1/k而在k方向上传播的平面波，不过 这个波的振幅（_）随_作周期性的变化，其变化周期与晶格周期相同。所以常说晶 体中的电子是以一个被调幅的平面波在晶体中传播。显然，若令（_）为常数，则 在周期性势场中运动的电子的波函数就完全变为自由电子的波函

13、数了。其次，根据 波函数的意义，在空间某一点找到电子的几率与波函数在该点的强度（即|=）成比例。对于自由电子，|=A，即在空间各点波函数的强度相等，故在空 间各点找到电子的几率相同，这反映了电子在空间中的自由运动，而对于晶体中的 电子，|=|（_）（_）|，但（_）是与晶格同周期的函数，在晶体中波函数的强度 也随晶格周期性变化，所以在晶体中各点找到该电子的几率也具周期性变化的性 质。这反映了电子不再完全局限在某一个原子上，而是可以从晶胞中某一点自由地运动到其它晶胞内的对应点，因而电子可以在整个晶体中运动，这种运动成为电子 在晶体内的共有化运动。组成晶体的原子的外层电子共有化运动较强，其行为与自

14、 由电子相似，常称为准自由电子。而内层电子的共有化运动较弱，其行为与孤立原 子中的电子相似。最后，布洛赫波函数中的波矢k与自由电子波函数的一样，它描 述晶体中电子的共有化运动状态，不同的k的标志着不同的共有化运动状态。4、金刚石结构的第一布里渊区是一个十四面体， (见教材图111)，要 注意图中特殊点的位置。5、有效质量的意义：引入有效质量后，电子的运动可用牛顿第二定律描述，a=f/mn_。注意，这是一个经典力学方程，f是外合力。半导体中的电子除了 外力作用外，还受到半导体内部原子及其它电子势场力的作用，这种作用隐含在有 效质量中，这就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

15、 半导体内部势场的作用。6、价带电子导电通常用空穴导电来描述。实践证明，这样做是十分方便 的。但是，如何理解空穴导电？设想价带中一个电子被激发到价带，此时价带为不 满带，价带中电子便可导电。设电子电流密度密度为J,贝V： J二价带(k状态空 出)电子总电流可以用下述方法计算出J的值。设想以一个电子填充到空的k状态，这个电 子的电流等于电子电荷-q乘以k状态电子的速度v (k)，即k状态电子电流=(-q) v (k) 填入这个电子后，价带又被填满，总电流应为零，即J+(-q) v (k)=0因而得到J=(+q) v (k)这就是说，当价带k状态空出时，价带电子的总电流，就如同一个正电荷的 粒子以

16、k状态电子速度v (k)运动时所产生的电流。因此，通常把价带中空着的 状态看成是带正电的粒子，称为空穴。引进这样一个假象的粒子一一空穴后，便可 以很简便地描述价带(未填满)的电流。7、回旋共振原理及条件。第 6页共 44页8、对E (k)表达式和回旋共振实验有效质量表达式的处理。在k空间合理 的选取坐标系，可是问题得到简化。如选取为能量零点，以为坐标原点，取、为 三个直角坐标轴，分别与椭球主轴重合，并使轴沿椭球长轴方向(即沿方向)，则 等能面分别为绕轴旋转的旋转椭球面。E (k)表达式简化为E (k)=；如果、轴选取恰当，计算可简单，选取使磁感应强度B位于轴和轴所组成的平面 内，且同轴交角，则在这个坐标系里，B的方向余弦、分别