清华大学831半导体物理、器件及集成电路考研参考书目、考研真题、复试分数线831半导体物理、器件及集成电路课程介绍研究半导体原子状态和电子状态以及各种半导体器件内部电子过程的学科。

是固体物理学的一个分支。

研究半导体中的原子状态是以晶体结构学和点阵动力学为基础，主要研究半导体的晶体结构、晶体生长，以及晶体中的杂质和各种类型的缺陷。

研究半导体中的电子状态是以固体电子论和能带理论为基础，主要研究半导体的电子状态，半导体的光电和热电效应、半导体的表面结构和性质、半导体与金属或不同类型半导体接触时界面的性质和所发生的过程、各种半导体器件的作用机理和制造工艺等。

半导体物理学的发展不仅使人们对半导体有了深入的了解，而且由此而产生的各种半导体器件、集成电路和半导体激光器等已得到广泛的应用。

典型的半导体主要是由共价键结合的晶体。

如硅、锗的晶体具有半导体物理学金刚石结构（图1），Ⅲ-Ⅴ化合物以及一些Ⅲ-Ⅵ化合物具有闪锌矿结构（图2）或纤锌矿结构（图3）。

这些都是最典型的共价键结合的晶体结构，其中每个原子由四个共价键与近邻原子相结合。

能带的概念组成共价键的价电子呈现出相对集中于近邻原子之间的空间分布，它们同时又是运动于晶体中的共有电子，具有典型的连续能量分布（图4）就是由X射线电子谱所测的硅中价电子的能量分布）。

按照固体的能带理论，晶体中的电子态分属于若干能带，每个能带包含能量连续分布的2N个电子态（计入自旋），N代表晶体包含的元胞总数。

上述价电子的能量分布实际上包含着几个部分相互重叠的能带，它们正好被晶体中的价电子所填满，统称为价带。

原理能带中的电子态是用一个波数矢k标志的，它的意义近似于一个自由电子的德布罗意波的波数。

为了展示能带中的电子态，往往采用以k为坐标的“k空间”，k空间中的一点表示一个电子态(不计自旋),k的取值限于环绕原点的一个具有晶体对称性的多面体区域，称为布里渊区。

图5表示半导体物理学金刚石(或闪锌矿)晶体的布里渊区。

一个能带的具体结构是由k空间中的能量函数E(k)描述的，E(k)代表能带中电子态k的能量。

波矢k和E(k)函数决定着电子的动力学性质；将k称为电子的准动量，在外力F作用下，准动量的变化服从类似牛顿第二定律的规律：,等于在k状态的电子的平均速度，所以，在外力F作用下，电子产生下列加速度。

由此可见，起着类似于惯性质量的倒数作用，但它一般是一个张量，其倒数称为有效质量。

半导体价带以上的能带称为导带。

在价带最高量能（价带顶）和导带最低能量（导带底）之间的能区称为禁带隙（简称禁带）。

本征光谱和能带结构半导体的本征吸收光谱直接反映半导体的能带结构（实际测量则可以间接通过反射光谱及各种调制光谱的方法）。

本征吸收光谱是由价带电子吸收光子而跃迁到导带所产生的。

因为光子的动量很小，一个状态k的价带电子跃迁到导带中相同k的状态（准动量守恒），所吸收的光子能量为,Ec(k)和Ev(k)分别表示导带和价带的能量函数。

这个跃迁过程形象地表示在图6中；由于k可以遍及整个布里渊区，因而形成连续的本征吸收光谱。

计算方法在布里渊区的某些对称点（如图5中的Γ，X，L等），E(k)－Ev(k)的一次微商为0，因此可以是极小值、极大值或是鞍点，反映在本征光谱上成为几种不同形式的奇点。

解释本征半导体物理学光谱往往借助于对这类奇点的分析，从而与k空间的能带结构联系起来。

目前各种半导体的能带结构就是根据近似的理论计算结合实测的本征光谱求得的。

例如，为此常用所谓经验赝势的方法（见固体的能带）。

这种方法是用只包含几个参数的所谓“赝势”近似描述电子在晶体内的势能场，从理论上计算出能带结论，然后通过拟合本征光谱的数据（如各奇点处的光子能量）反过来确定赝势中的参数。

对于能量小于禁带宽的光子显然没有本征吸收；当光子能量达到禁带宽时，本征吸收开始，称为本征吸收边。

一般的半导体可以区分为两类情形，形象地表示在图7a和图7b中。

两图中的箭头都表示对应于吸收边的电子跃迁。

在图7a的情形，导带底和价带顶都位于k=0，所以吸收边的电子跃迁符合k不变的要求，这样的半导体称为直接带隙半导体。

在图7b的情形，导带底不在k=0,电子从价带顶跃迁到导带底，准动量是不守恒的，所以本来是不允许的；实际上实现这一跃迁是借助于同时还吸收或发射一个声子，以补偿电子准动量的变化。

这样的半导体称为间接带隙半导体。

反应状态本征吸收的过程在导带中产生一个电子，同时在价带中产生一个空穴（即价带中的空能级）；其逆过程是电子与空穴复合（即导带电子填充价带中的空能级─空穴），同时发射光子。

直接带隙半导体（如砷化镓、锑化铟、磷化铟等），在吸收边的本征吸收和电子－空穴复合都比间接带隙半导体（如硅、锗、磷化镓等）强很多。

由于本征吸收产生的一对电子和空穴之间存在库仑吸引力，它们可以形成类似氢原子的束缚态，称为激子。

所以，实际上在低于禁带隙能量还存在相应的激子吸收谱线，同半导体物理学时电子和空穴间的库仑作用也影响吸收边附近的光谱强度分布。

图8是直接带隙半导体砷化镓的本征吸收边和激子谱。

强光照射下，本征吸收在锗、硅等半导体内产生高浓度的电子和空穴，它们迅速形成激子。

在足够低的温度下，发现这种激子气可以发生相变，形成由电子和空穴组成的“液滴”，称为电子-空穴液滴。

近年来，对这种电子－空穴液滴构成的特殊物质状态，从实验和理论上都进行了集中深入的研究。

杂质电子态实际的半导体都不是绝对完整和纯净的晶体。

一方面为了控制半导体的性质，往往有意在半导体中掺进某些杂质元素；另一方面，在半导体中还不可避免地存在由于原材料或制备过程引入的各种杂质。

而且，材料制备的高温过程还在半导体中引入空位和间隙原子等点缺陷，它们往往还要进一步发生凝聚或与杂质原子聚合等变化，构成更为复杂的缺陷及络合体。

所有这些杂质和缺陷都可以对半导体的物理性质发生重要的影响。

半导体中的杂质或缺陷可以束缚电子或空穴，形成能量在禁带中的局域态（即电子被限制在某一局部区域的量子态）。

一般把它们区分为浅能级和深能级。

浅能级指能量很靠近导带底的电子束缚态，或能量很接近价带顶的空穴束缚态。

浅能级中的电子或空穴，在稍高的温度（如室温）就基本上电离而成为在导带中的自由电子和价带中的自由空穴，起导电作用。

这样的自由的电子或空穴统称载流子。

杂质元素所谓类氢能级是最典型的浅能级。

Ⅴ族元素如磷、砷、锑掺入硅或锗，取代原来的Ⅳ族原子；或Ⅵ族元素掺入Ⅲ-Ⅴ化合物，取代其中Ⅴ族原子；都可以形成类氢能级。

在这类能级中，多一价的杂质原子构成正电荷中心，以其库仑电场束缚电子，类似于氢原子。

但是，由于介电作用和有效质量，束缚能一般只有几十毫电子伏，甚至更小。

这类杂质通过电离能在导带中释放电子，称为施主。

典型的空穴类氢能级可以通过掺入少一价的杂质原子（如Ⅲ族元素掺入硅、锗，或Ⅱ族元素掺入Ⅲ-Ⅴ化合物取代Ⅲ族原子等）形成负电荷中心，从而束缚空穴。

这样的杂质称为受主，因为它们电离（为价带提供空穴半导体物理学）实际上就是接受来自价带的电子。

类氢能级的杂质原子除形成正或负电中心，在原子以外的空间等效于点电荷外，在原子内的区域和原来的原子的势能是有差别的，这样就使类氢能级的基态在一定程度上偏离类氢的模型，称为中心胞修正。

在半导体中掺入同一族的原子有时也可以束缚载流子形成浅能级，称为等电子中心。

等电子中心与类氢能级不同，没有长程的库仑场，而主要靠中心原子势能场的短程作用形成束缚态，因而具有某些与类氢能级很不同的特征。

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