半导体物理知识点总结.doc

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〔课程根底——掌握物理概念与物理过程、是后面知识的根底〕
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，而内部势场的作用那么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/dk2>0，电子的有效质量是正值；在能带顶附近，d2E/dk2<0，电子的有效质量是负值，这是因为mn*概括了半导体内部的势场作用。有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比，对宽窄不同的各个能带，E〔k〕随k的变化情况不同，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大。内层电子的能带窄，有效质量大；外层电子的能带宽，有效质量小。因而，外层电子，在外力的作用下可以获得较大的加速度。
半导体中电子的准动量v＝hk。
满带中的电子不导电：电子可以在晶体中作共有化运动，但是，这些电子能否导电，还必须考虑电子填充能带的情况，不能只看单个电子的运动。研究发现，如果一个能带中所有的状态都被电子占满，那么，即使有外加电场，晶体中也没有电流，即满带电子不导电。只有虽包含电子但并未填满的能带才有一定的导电性，即不满的能带中的电子才可以导电。绝对温度为零时，纯洁半导体的价带被价电子填满，导带是空的。在一定的温度下，价带顶部附近有少量电子被激发到导带底部附近，在外电场作用下，导带中电子便参与导电。因为这些电子在导带底部附近，所以，它们的有效质量是正的。同时，价带缺少了一些电子后也呈不满的状态，因而价带电子也表现出具有导电的特性，它们的导电作用常用空穴导电来描写。
空穴的概念：在牛顿第二定律中要求有效质量为正值，但价带顶电子的有效质量为负值。这在描述价带顶电子的加速度遇到困难。为了解决这一问题，引入空穴的概念。
价带中不被电子占据的空状态
价带顶附近空穴有效质量 >0，数值上与该处的电子有效质量相同，即＝－>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。
本征半导体的导电机构：对本征半导体，导带中出现多少电子，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。
盘旋共振的实验发现，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，硅有六个椭球等能面，分别分布在<100>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。仅从盘旋共振的实验还不能决定导带极值〔椭球中心〕确实定位置。通过施主电子自旋共振实验得出，硅的导带极值位于<100>。
n型锗的实验指出，锗的导电极小值位于<100>方向的布里渊区边界上共有八个。极值附近等能面为沿<100>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。
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，＝，对于锗＝，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。
砷化镓的能带结构：导带极小值位于布里渊区中心k＝0处，等能面为球面，。在<100>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，，。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。。
难点：
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，其晶胞为棱长为a的正立方体，