固 体 物 理（II）
半导体中的电子过程 固体的介电性 固体的光学性质 固体的磁性 超导电性
非晶固体和准晶体
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第1章 半导体的电子过程
伴随着以半导体材料制造的电子元器件广泛地进入人 们的日常生活，半导体已成为家喻户晓的一个词汇。
半导体是一种特殊的固体材料。1931年，威尔逊根据 固体能带结构，把晶体划分为金属、半导体和电介质， 并建立了半导体导电的量子模型。1932年，提出了杂质 及缺陷能级的概念，取得了掺杂半导体导电机理的重大 突破，并为晶体管的诞生奠定了理论基础。 半导体元器件的功能基于半导体材料的电子性质，这 就是本章的主要内容。
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Si、Ge 金刚石型
As
Ga 闪锌矿型
本征半导体的正四面体结构
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（2）掺杂半导体(Doped Semiconductor) 以硅中掺磷和棚为例，说明掺杂半导体的晶体结构。
在硅晶体中，每个原子与最近邻的四个原子形成共价
键，从而使每个原子最外层都形成具有八个电子的稳定 结构，如图(a)所示。 如果晶体中的某 一硅原子被磷原子 所替代，则磷原子 与近邻硅原子形成 共价键后，尚多余 一个电子，如图(b) 所示。
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显然，对于硅或锗晶体，由于sp³ 轨道杂化，本应统一 的价带分成上、下各包含2N个量子态的能带。 其中，下能带恰 好容纳4N个价电子 而形成满带，上能 带则成为没有价电 子占据的空带。 在硅或锗晶体的 能带结构中，下能 带可视为价带，上 能带则为导带，如 右图所示。 在低温下，导带中实际上没有电子。
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第1节 半导体的基本特征
半导体结构 本征半导体的能带 杂质能级
第2节 半导体中的载流子分布
本征载流子密度 掺杂半导体的载流子分布
第3节 半导体的输运过程
半导体的电导率 半导体的霍尔效应 非平衡载流子的扩散
第4节 半导体器件的基本原理
芯片表面
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（1）在半导体中加入微量杂质后，可以使电导率发生 非常明显的变化； 例如，在半导体硅或锗中，掺入百万分支一数量级的 III族元素棚或V族元素磷，可使其室温电导率增加五、 六个数量级。 （2）金属的电阻温度系数很小，且为正值； 而半导体的电阻，既可以在某个温度范围内随温度升 高而增大，也可以在另一个温度范围内随温度升高而急 剧减小，即具有负的电阻温度系数。
(a)本征硅结构 (b) n 型硅结构
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同理，如果晶体中的某一硅原子被硼原子所替代，则 硼原子与近邻硅原子形成完整共价键尚缺一个电子。此 时，附近硅原子上的价电子不需要多大的能量就能够过 来填补这一空缺，从而使该原子处留下一个电子缺位， 如图(c)所示。
(b)n硅结构
(c) p 型硅结构上页
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金刚石的这种复式结构，相当于原来相互重叠的两个 面心立方格子，沿体对角线相互平移错开体对角线长度 的 1/4 套构而成。 III-V族化合物具有闪锌矿型结构，如图所示。 同金刚石型结构类似，闪锌矿 型结构也是复式格子，它相当于 两种不同原子所形成的面心立方 格子，沿体对角线平移 1/4 体对 角线的长度套构而成。 金刚石结构与闪锌矿结构的共 同特点是：每个原子同最近邻的 四个原子共价键合，形成正四面 体结构。
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上式给出的原子轨道的线性组合，称为杂化。 由于每一个轨道包含着 s/4 和 3p/4 的成分，因此称为 sp³ 杂化轨道。 IV族元素碳、硅和锗结合成晶体时，近邻原子间由sp³ 杂化轨道形成共价键而联系到一起。一个 s 原子轨道激 发到 p 轨道所需要的能量，由 原子结合成晶体时释放的内聚 能补偿。 成键后，四个共价键等同， 键角均为109º28’，如图所示 。 一个原子与近邻的四个原子 形成的共价键构成正四面体， 四个原子在四面体顶点上。
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sp³ 杂化轨道对硅或锗晶体的能带影响如图所示。 当近邻原子之间 的距离足够大时， 价电子仍处于原子 能级ns与np中。 随着原子间距的 减小，s与 p能级均 展宽成能带、且发 生交叠而成统一的 能带，原子轨道相 应杂化。 当原子间距达到平衡原子间距时，形成硅或锗晶体。 此时，统一的能带又分成上、下各包含2N个量子态的能 化对能带的影响
金刚石、硅和锗的价电子组态为ns² np² ，当形成晶体 时，有一个 s 电子激发到 p 态，从而使价电子组态变为 nsnp³ 。 1
(s px p y pz ) 1 在价电子组态 nsnp³ 2 1 中，一个 s 态电子与三 2 (s px p y pz ) 个 p态电子重新进行线 2 1 性组合，形成四个等价 3 ( s p x p y p z ) 的轨道，分别为 2 1 ( s p p p ) 4 x y z 2
双极型晶体管 习题
单极型晶体管
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§1.1 半导体的基本特征
一、半导体的结构
1. 半导体（Semiconductor）
半导体是指导电性能介于金属和绝缘体之间的、非离 子性的导电物质。 半导体一般为固体，例如，硅、锗、砷化镓是三种典 型的半导体材料。 在室温下，半导体的电阻率约为 103 ~ 109 Ω cm。 同金属相比，除电阻率的区别外，半导体的导电性能 还具有以下三个显著特征：
（3）当存在光照等情况时，半导体的电阻率将减小， 而金属的电阻率则不变。
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2. 半导体的晶体结构
（1）本征半导体 本征半导体是指，除晶格振动外，不存在任何杂质和 缺陷等不完整性的半导体。 IV族晶体锗、硅具有金刚石型结构，如图所示。
在金刚石结构中，除面 心立方晶胞所含的(绿色) 原子外，晶胞内体对角线 上还有四个(红色) 原子。 由于顶点原子与这两种原 子成键的取向不同，因此 这种结构是复式格子。
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