WORD格式一、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：半导体的根本效应 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 章专业资料整理WORD格式二、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构造，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 的能带构造。在 1.1 节，半导体的几种常见晶体构造及结合性质。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展比拟，在此根底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，介绍盘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 的能带构造。掌握能带构造特征在 1.7节，介绍 -族化合物的能带构造，主要了解GaAs 的能带构造。掌握能带结构特征本章重难点：重点：1、 半导体硅、锗的晶体构造金刚石型构造及其特点；三五族化合物半导体的闪锌矿型构造及其特点。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一样。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，高温下价带中的一局部电子跃迁到导带，使晶体呈现弱导电性。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、晶体构造及温度。 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。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X围称为布里渊区。专业资料整理WORD格式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Ek关系。7、 掌握电子的有效质量的定义：mn*h2/ d2E一维，注意，在能带底mn*是正值，在dk 2能带顶 mn*是负值。电子的速度为v1dE，注意 v 可以是正值，也可以是负值，这hdk取决于能量对波矢的变化率。8、 引入电子有效质量后， 半导体中电子所受的外力与加速度的关系具有牛顿第二定律的形式，即 a f/ mn*。可见是以有效质量mn*代换了电子惯性质量 m0。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，m0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 m0。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/dk 20，电子的有效质量是正值；在能带顶附近，d2 E/dk20，数值上与该处的电子有效质量一样，即m*n专业资料整理WORD格式m*n0，空穴带电荷q。专业资料整理WORD格式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、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 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、硅和锗的价带构造：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。专业资料整理WORD格式17、砷化镓的能带构造：导带极小值位于布里渊区中心k 0 处，等能面为球面，专业资料整理WORD格式导带底电子有效质量为0.067 m0。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拟小，所以此处电子有效质量比拟大，约为0.55 m0，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。价带构造与硅、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，例如金刚石型构造的原胞为棱长2a 的菱立2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，例如同为金刚石型构造，其晶胞为棱长为a 的正立方体，含有 8 个原子。2、 闪锌矿型构造的族化合物和金刚石型构造一样，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，那么每个原胞中只包含两个原子，一个是族原子，另一个是族原子。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