《半导体物理》讲义

半半 导导 体体 物物 理理 讲讲 义义 第 五 稿 胡 礼 中 编 大连理工大学物理与光电工程学院 电子科学与技术研究所 2011 年 2 月 1 引言引言 本课程是为我校电子科学与技术专业开设的一门必修专业基础课 也是其 他相关专业的重要选修课 主要介绍半导体的一些基本物理概念 现象 物理 过程及其规律 为学习诸如 半导体材料 半导体器件 等后续课程打下基 础 本课程共分八章 第一和第二章扼要复习一下 固体物理 已详细介绍过 的有关晶体结构和晶格振动及缺陷的基本知识 这些内容是学习后续内容前必 需掌握的 第三章到第八章 讲述半导体物理的主要内容 包括 半导体中的 电子状态 电子与空穴的统计分布 电导和霍尔效应 非平衡载流子 半导体 的接触现象和半导体表面 应该说 能带理论是半导体物理学的基础 因此在第三章中先通过简单的 模型和讨论将能带理论的主要结论告诉同学们 包括更复杂的数学推导与计算 的严格能带理论 我们将安排在研究生的 半导体理论 课程中讲授 半导体物理涉及的物理概念和基本原理较多 为了加深对它们的理解 在 各章里均给同学们留有习题或思考题 这些题目有的还是基本内容的补充 也 有少量难度较大的题目 这样的问题有利于拓宽同学们的知识面和训练同学们 的独立思考能力 这里还想说明一点 近年来 半导体学科发展迅速 涉及的内容极其丰富 这门 48 学时的课程是远远不能容纳的 我只希望能通过本课程的学习 把大家 引进门 使同学们对半导体科学和技术发生兴趣 以便今后进一步深入学习 研究和应用 第五稿修正了第四稿中仍然存在的一些错误和不妥之处 参考书参考书 1 黄昆 谢希德 半导体物理学 科学出版社 1958 年 2 黄昆 韩汝琦 半导体物理基础 科学出版社 1979 年 3 刘文明 半导体物理学 吉林人民出版社 1982 年 4 刘恩科等 半导体物理学 国防工业出版社 1 4 版 5 孟宪章 康昌鹤 半导体物理学 吉林大学出版社 1993 年 6 中岛坚志郎 半导体工程学 科学出版社 2001 年 7 叶良修 半导体物理学 高等教育出版社 1987 年 8 方俊鑫 陆栋 固体物理学 上海科学技术出版社 1993 年 9 曾谨言 量子力学 科学出版社 2000 年 作业本 作业本 活页形式 2 目录目录 第一章 晶体结构 4 1 1 晶体内部结构的周期性 4 1 2 晶体的对称性 5 1 3 倒格子与周期性函数的付立叶展开 6 1 4 常见半导体的晶体结构 7 第二章晶格振动和晶格缺陷 9 2 1 一维均匀线的振动 9 2 2 一维单原子链的振动 10 2 3 一维双原子链的振动 12 2 4 玻恩 卡门边界条件 周期性边界条件 14 2 5 声子 16 2 6 晶体中的缺陷和杂质 16 第三章半导体中的电子状态 18 3 1 电子的运动状态和能带 18 3 2 价带 导带和禁带 21 3 3 自由 载流子 22 3 4 杂质能级与杂质补偿效应 22 第四章 半导体中载流子的统计分布 25 4 1 状态密度 25 4 2 费米分布函数和费米能级 27 4 3 导带电子密度和价带空穴密度 29 4 4 本征半导体 30 4 5 杂质半导体 31 3 4 5 1 杂质能级的占据几率 31 4 5 2 只含一种杂质的半导体 32 4 5 3 存在杂质补偿的半导体 37 4 6 简并半导体 40 第五章 半导体中的电导现象和霍耳效应 42 5 1 载流子的散射 42 5 2 电导现象 44 5 3 霍耳效应 46 第六章 非平衡载流子 51 6 1 非平衡载流子的产生和复合 51 6 2 连续性方程 53 6 3 非本征半导体中非平衡少子的扩散和漂移 58 6 4 近本征半导体中非平衡载流子的扩散和漂移 63 6 5 载流子复合 64 第七章 半导体的接触现象 67 7 1 外电场中的半导体 67 7 2 金属 半导体接触 70 7 3 金属 半导体接触的整流现象 72 7 4 半导体 pn 结 74 7 5 pn 结的整流现象 77 7 6 理想 pn 结理论 窄 pn 结理论 77 7 7 pn 结击穿 80 7 8 异质结 81 7 9 欧姆接触 83 4 第八章 半导体表面 84 8 1 表面态与表面空间