半导体物理发展历程

半导体物理发展历程
半导体物理发展历程

一、半导体物理的发展历程

半导体物理是凝聚态物理领域中的一个活跃分支,也是半导体科学技术发展的重要物理基础。半个多世纪以来,半导体物理自身不仅在晶态半导体、非晶态半导体、半导体表面、半导体超晶格、纳米半导体和有机半导体等领域中都获得了令世人瞩目的重大进展,而且它还是一系列新材料、新结构、新效应、新器件和新工艺产生的源泉,极大地丰富了凝聚态物理的研究内容和有力地促进了半导体科学技术的迅速发展。温故而知新。今天,我们重新认识它的发展规律与特点,对于把握半导体物理在21世纪的发展走向具有直接的现实指导意义。

(一)半导体物理早期发展阶段

20世纪30年代初,人们将量子理论运用到晶体中来解释其中的电子态。1928年布洛赫提出著名的布洛赫定理,同时发展完善固体的能带理论。1931年威尔逊运用能带理论给出区分导体、半导体与绝缘体的微观判据,由此奠定半导体物理理论基础。到了20世纪40年代,贝尔实验室开始积极进行半导体研究,且组织一批杰出的科学家工作在科学前沿。1947年12月,布拉顿和巴丁宣布点接触晶体管试制的成功。1948年6月,肖克利研制结接触晶体管。这三位科学家做出杰出贡献,使得他们共同获得1956年诺贝尔物理学奖。

晶体管的发明深刻改变人类技术发展的进程与面貌,也是社会工业化发展的必然结果。早在20世纪30年代,生产电子设备的企业希望有一种电子器件能有电子管的功能,但没有电子管里的灯丝,这因为加热灯丝不但消耗能量且要加热时间,这会延长工作启动过程。因此,贝尔实验室研究人员依据半导体整流和检波作用特点,考虑研究半导体能取代电子管的可能性,从而提出关于半导体三极管设想。直到1947,他们经反复实验研制了一种能够代替电子管的固体放大器件,它主要由半导体和两根金属丝进行点接触构成,称之为点接触晶体管。之后,贝尔实验室的结型晶体管与场效应晶体管研究工作成功。20世纪50年代,晶体管重要的应用价值使半导体物理研究蓬勃地展开。到了20世纪60年代,半导体物理发展达到成熟和推广时期,在此基础上迎来微处理器与集成电路的发明,这为信息时代到来铺平道路。1958年,安德森提出局域态理论,开创无序系统研究新局面,这也为非晶态半导体物理奠定基础。1967年,Grove等人对半导体表面物理研究已取得重要进展,并使得Si-MOS集成电路稳定性能得以提高。1969年,江崎与朱兆祥提出通过人工调制能带方式制备半导体超晶格。正是在半导体超晶格研究中,冯·克利青发现整数量子霍尔效应。在1982年,崔琦等发现了分数量子霍尔效应,这一系列物理现象的发现正揭开现代半导体物理发展序幕。

(二)半导体超晶格物理的发展

建立半导体超晶格物理是半导体的能带理论发展的必然。之后,人们对各种规则晶体材料性能有相当认识,从而开创以能带理论作为基础的半导体物理体系,也借助其来解释出现的一系列现象。1969年与1976年的分子束外延和金属有机物化学汽相沉积薄膜生长技术正为半导体科学带来一场革命。随微加工技术的逐步发展,加之超净工作条件的建立,实现了晶体的低速率生长,也使人们能创造高质量的异质结构,同时为新型半导体器件设计及应用奠定技术基础。1969年,江崎和朱兆祥第一次提出“超晶格”概念,这里“超”的意思是在天然的周期性外附加人工周期性。1971年,卓以和利用分子束外延技术生长出第一个超

晶格材料。从此拉开了超晶格、量子点、量子线和量子阱等等低维半导体材料研究序幕。

(三)半导体物理的发展特点与沿革方向

1.半导体物理的发展序幕—晶态半导体物理

如果将半导体物理的发展比喻为一台威武雄壮的话剧,那么开场剧目则是关于具有完整周期结构的晶态半导体的研究。而作为这一研究的两大理论基石则是于20世纪30年代创建的固体能带理论和50年代初期建立的晶格动力学理论。众所周知,1947年晶体管的发明就是建立在以量子力学体系为基础的固体能带理论上的。可以说,固态电子理论的建立,不仅使人们能够成功地用导带、价带和禁带的概念将金属、半导体和绝缘体分开,从而对晶态半导体结构的认识有了一个新的飞跃,而且还使我们能够深刻理解、牢固掌握和灵活运用半导体的各种物性与本质,并为设计和制备各种半导体器件及其集成电路奠定了重要物理基础。如果说固体能带理论是在状态空间中描述电子的分布特点与能量状态,那么晶格动力学理论则是在实空间中,从原子微观振动的概念出发,深刻揭示晶格原子之间的相互作用,即晶体在温度场中的行为和规律的理论。它在解释一系列晶体,当然也包括晶态半导体的热学性质、力学性质、弹性性质、介电性质和光学性质等方面都获得了巨大成功。由玻恩与黄昆二人于1954年完成的《晶格动力学理论》这部权威性经典专著,对这些内容作了精辟的论述。

有效质量理论和“空穴”概念的提出,是晶态半导体物理研究中的另一个重大发展。引进有效质量的意义有两个方面,一是它概括了半导体内部势场的作用,使得在解决半导体中的电子处于外力作用下的运动规律时,可以不涉及到半导体内部势场的作用。另一方面,它定量地描述了半导体导带和价带边附近细致的能带结构,给出了研究半导体中浅施主和浅受主能级、激子能级和磁能级等的理论方法,从而促进了当时的回旋共振、磁光吸收、自由载流子吸收和激子光谱等实验研究。而“空穴”概念的提出,使得半导体中可以用电子和空穴这两种载流子来描述半导体的导电特性。正是由于这两种载流子的作用,使得晶态半导体呈现出许多异彩纷呈的特性。掺杂与缺陷是晶态半导体物理研究中的一个不可忽略的重要侧面。通过掺入不同种类的杂质可以改变其导电类型,而通过控制掺入杂质数量可以显著改变其导电能力,这是晶态半导体的一个重要物理属性。以P-n结为基础的Si平面型双极晶体管和MOS场效应晶体管等半导体器件及其集成电路都是以此为有源区制作的。此外,在实际的晶态半导体中总是存在着一定数量的各种缺陷,如点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷等,它们在决定晶态半导体的许多物理性质方面起着重要的作用,特别是在控制晶态半导体中的载流子输运过程和光学特性方面尤为突出。因此,在整个20世纪50~60年代中,人们从理论和实验等方面对各种缺陷的结构性质、热力学性质、动力学性质、电子性质以及对半导体其它物理性质的影响,都进行了富有成效的系统研究。1957年由日本物理学家Esaki发现的隧道效应,是晶态半导体物理发展史上的一个科学里程碑,它开辟了研究半导体中载流子隧道贯穿输运特性的新领域。隧道效应的发现对半导体科学技术发展所产生的贡献在于,一是它把具有特殊掺杂分布P-n结二极管的正向电流-电压特性,用量子力学的隧道效应从理论上作出了精辟说明。二是它为1969年前后由Esaki及其合作者首次提出“半导体超晶格”这一新概念,以及其后在各种半导体微结构中所出现的量子隧穿效应研究都提供了重要物理依据。

2.原子排列从有序向无序的转变—非晶态半导体物理

作为半导体物理中的一个活跃前沿,非晶态半导体物理在上世纪70~80年代初期获得了迅速发展。因为研究非晶态半导体的意义,不仅是在科学技术上能够获得大量的新材料和新器件,而且对于认识固体理论中的许多基本物理问题也会产生重要影响。与晶态半导体不同,非晶态半导体是一类无序体系,即短程有序和长程无序。对于这种结构中电子的能量状态与运动规律,不能机械地采用传统的固态电子理论研究,而必须借助于新的理论模型。为了解决这个问题,人们经过长期努力,终于找到了能够比较成功地描述非晶态半导体中电子态的理论。1958年,Anderson发表了具有开创性的《扩散在一定的无规网络中消失》的著名论文,首次明确提出了无序体系中电子的定域化概念。其后,Mott等人在深入的实验和理论研究基础上,又提出了迁移率边和带尾定域态的概念(即Mott2COF模型),从而丰富了人们对非晶态半导体能带理论的认识与理解。由于Mott与Anderson对非晶态半导体理论研究作出的重大贡献,使他们共同荣获了1977年诺贝尔物理学奖,成为非晶态半导体物理发展中的一个重要里程碑。由于非晶态半导体在结构特性与电子性质方面与晶态半导体不同,这使得它也有着显著不同的输运性质。从20世纪70年代初期开始,人们先后用多种电学与光学测量方法,对非晶态半导体的隙态密度及其分布特征进行了测量分析,并比较系统地研究了非晶态半导体中电子漂移迁移率以及弥散性传导过程。其中,1972年由Anderson 所提出的跳跃过程中电子-声子相互作用的模型,在发展无序体系中电子的跳跃式输运特性理论方面起了重要作用。关于非晶态半导体在器件的实际应用方面,在20世纪70年代前后有两个重大发展。一是1968年由Ovshinsky在硫系非晶态半导体中所发现的开关和存储效应,二是1975年由Spear等人利用SiH4的直流辉光放电技术实现的非晶硅(α2Si)的掺杂效应。开关和存储效应的发现,首次显示出非晶态半导体在光电开关与信息存储器件应用方面的巨大威力,而α2Si的可控掺杂使其室温电导率提高了近10个数量级,从而为α2Si太阳电池和非晶硅薄膜晶体管(α2Si:HTF T)的研制开辟了新的用武之地。非晶态半导体薄膜在光电效应方面的敏感性,使它成为制备新型光电器件的自然候选者。但是,非晶态半导体的性能会因光照而发生具有亚稳的光诱导现象。因而,澄清代表光诱导现象的SW效应产生的机理和持久光电导过程的起因,成为非晶态半导体物理研究中的又一个关键问题。20世纪80年代中,人们相继提出了Si2 Si弱键断裂模型、悬挂键电荷变化模型和Si2H键断裂模型,用于解释α2Si:H中的SW效应。然而,这些模型都不能令人信服地解释SW效应的物理机制。随着实验事实的不断积累,人们逐渐认识到,SW效应不能简单地用孤立的价键构型变化来阐明,认为这种效应很有可能与由于光照引起的整个Si网络结构的改变有关。基于这样一种观点,我国学者孔光临等人首次利用“差分电容膨胀计方法”进行实验测定,发现了α2Si:H膜在光照作用下会出现体积增大的现象,认定SW效应就是这种“光膨胀”的后续效应,从而为澄清SW效应的起因提供了一个十分重要的新见解。

3。材料性质从体内向表面的转变—半导体表面物理

表面与界面物理在半导体物理研究中占据着举足轻重的地位,并且随着半导体器件尺寸的微细化、结构的低维化和性能的量子化,表面与界面在半导体异质结构和器件物理研究中所起的作用越加重要。表面和界面物理研究的最主要问题是清洁表面、真实表面和各类异质结界面的原子组态、电子结构及其对器件性能的影响。尤其是最近,随着各种固体表面上自组织生长以量子线和量子点为主的各类有序纳米结构的兴起,“人工设计表面原子结构”的研究也引起了人们的浓

厚兴趣。

早在20世纪60年代初期人们就意识到,Si2MOS器件与集成电路的稳定性可能与栅氧化层中的各种界面电荷状态直接相关。但深刻揭示它们的性质、起因、对器件性能的影响以及如何对它们进行有效地控制,并不是一件轻而易举的事情。为此,众多科学家如Grove和Deal等人通力合作,他们经过近10年的艰苦努力,终于在

1967年基本上搞清了Si2SiO2界面系统中的四种电荷的性质和起因,即可动Na+离子、固定表面电荷、快界面态与电离辐照陷阱等,并且在工艺上找到了以掺氯氧化和磷硅玻璃钝化等为主的表面钝化方法,由此使Si2MOS集成电路的稳定性得以显著提高。

Si2SiO2界面电学性质的研究使人们开始意识到表面与界面物理研究所具有的重要意义。而作为表面物理的核心内容,是表面原子结构与表面电子态的系统研究。由于半导体表面是体内原子在三维周期方向上排列的中断,这种与体内不同的原子排列方式,使它有着与体内显著不同的电子结构性质。通常,半导体表面又分两种,一种是在超高真空中获得的与理想表面相接近的表面,即清洁半导体表面。另一种则是带有很薄氧化层的、或有原子与分子吸附的实际表面,即吸附半导体表面。清洁半导体表面的研究主要集中在以Si和Ge为主的元素半导体和以GaAs和InP为主的Ⅲ-Ⅴ族化合物。

半导体方面。在这一领域的研究中,人们一方面用表面电子态理论对其电子结构进行理论计算,另一方面借助于各种电子和离子能谱等表面分析手段进行测试分析,由此获得了有关晶体表面的原子排列状态、价键组合方式以及电子能量分布等大量有用信息。而在清洁表面的研究中,通过表面热处理获得的各种再构表面,如Si(100)-(2×1)、Si(111)-(2×1)、GaAs(001)-(2×4)以及GaAs(111)-(2×2)等则是研究的重点。尤其值得一提的Si(111)-(7×7)表面,是自1959年来关于Si 清洁表面研究的一个热点课题。虽然人们先后提出过各种模型,用于解释该表面的原子结构,但都未能给出一幅清晰的物理图象。直到1985年,日本的Takayanagi在前人工作的基础上,利用透射电子衍射提出了“配位-外加原子-层错”(DAS)模型,才第一次比较成功地解释了Si(111)-(7×7)的表面原子结构,这是在表面再构问题研究中取得的一个显著进展。20年后的今天,我们不仅对各类再构表面原子结构已经有了一个比较清楚的物理认识,而且还可以利用高真空扫描隧道显微镜等多种表面分析手段对其进行直接观测,甚至还可以做到对其表面原子进行任意操纵。应该说,这是现代表面分析手段对半导体表面物理研究所作出的重大贡献。

吸附半导体表面有着比清洁半导体表面更丰富的研究内容,如吸附物(如原子、分子和凝聚等)的类型、起因、性质、位置和成键特性及其对表面电子结构的影响。而更为重要的是从实际应用的角度出发,研究吸附物在固体表面上所发生的反应、迁移、扩散、成核以及解吸等表面物理化学过程,这对各类超薄层微结构,如纳米薄膜、量子线与量子点或团簇等的制备具有十分重要的实际意义。事实上,目前的许多量子点微结构都是在晶格失配的表面、再构的表面、台阶的表面以及由原子或分子吸附的表面上实现的,并且已经成为晶粒尺寸趋于一致和密度分布趋于均匀的有序纳米量子点自组织化形成的一种主要工艺方法。可以预期,清洁表面与吸附表面的深入研究,必将会为各类半导超薄层微结构的生长与新型量子功能器件的制造产生重要影响。

除了表面之外,由金属-半导体接触,绝缘体-半导体接触以及由多层半导体薄

膜构成的各种界面,也是半导体表面物理研究中的一个重要组成部分,例如Al2Si 接触界面、过渡金属-Si界面、稀土金属-Si界面、多晶Si-Si界面以及金属-化合物半导体界面等就是一些最典型的界面。长期以来,通过人们对此所进行了大量卓有成效的实验研究,不仅使我们对各种界面处的原子排列、价键结合、界面互扩散和界面电子结构有了一个深入的了解,而且通过工艺技术的提高进一步改善了器件性能,由此大大推动了各类大规模集成电路的迅速发展。

5.体系结构从三维向零维的转变—纳米半导体物理

纳米半导体材料与物理是随着半导体超晶格研究的不断深化和纳米科学技术的急速兴起而发展起来的。作为凝聚态物理中的一个活跃分支,以量子线、量子点、纳米团簇等为主的纳米结构的研究一直是近10年来人们所跟踪的一个热点。因为对这种小量子体系进行研究不仅有重要的科学意义,而且有着巨大的应用前景。

三维量子限制效应是纳米量子点所具有的一个最重要物理性质,利用这种效应可以对各种纳米量子点结构的发光特性进行成功解释。我们不妨以硅基纳米发光材料的研究为例加以说明。1990年,英国科学家Canham利用电化学方法制备了纳米多孔硅,首次观测到了该纳米结构中的室温强光致发光现象。同年,日本学者Takagi等人实验研究了镶嵌于SiO2层中的Si纳米晶粒,发现室温下Si晶粒的发光特性强烈依存于Si晶粒尺寸。1996年,Lockwood等人实验研究了室温条件下SiO2/Si超晶格结构的光致发光特性,也显著观察到了光致发光的峰值能量随Si层厚度减小而出现蓝移的物理现象。这些纳米结构的发光特性都利用三维量子限制效应进行了合理解释。当然,由于各种Si基纳米材料结构的复杂性,不能单由上述模型进行解释。因此,我们最近提出了用于解释各种Si基纳米材料发光特性的三种重要发光模型,即量子限制效应发光、与氧相关的缺陷发光、量子限制效应-发光中心复合发光。除了Si基纳米材料之外,Ⅲ-Ⅴ族化合物量子点,如InAs/GaAs,In2GaAs/GaAs以及Ⅲ族氮化物GaN,AlGaN和InGaN等量子点的发光特性、发光机制与器件应用的研究也都取得了令人称道的重要进展。

而在量子点的输运性质研究方面,以单电子隧穿和库仑阻塞为主的单电子物理具有代表性。早在15年前的1989年,人们首先利用金属微小隧道结构观测到了该结构所具有的库仑阻塞现象。其后,各种纳米结构中的单电子现象研究和以此为基础的单电子器件的制备也相继展开。人们对此项研究的浓厚兴趣正如上所述,一是通过对其研究可以丰富和深化对低维小量子系统中电子结构和输运性质的理解,如单电子隧穿、电荷的量子化、能级的共振、电流的呈库仑台阶现象,电导的呈周期振荡特性,单电子存储以及近藤效应等。二是性能优异的单电子器件及其集成电路在未来的大容量信息存储、高速逻辑运算、复杂数据处理以及量子计算中都具有潜在的重要应用。

作为从电子体系到光子体系转变的代表,近年来光子晶体和膺带隙光子晶体的研究日趋活跃。光子晶体的诞生是由于人们希望能像控制电子一样来控制光子,类似于半导体周期性结构对电子的控制,使电子不能在禁带中存在,但可以跨禁带跃迁。证明光子晶体存在的

首例实验,是用机械钻刻方法在GaAs衬底上制备的具有面心立方结构(FCC)的光子晶体。最近,在InP衬底和Si基衬底材料上也先后试制成功了二维和三维的光子

带隙晶体。可以预期,就象半导体对电子学的贡献一样,光子晶体将会对光子学和光电子学的发展产生重要影响,或者会具有某种革命性的意义。

而作为从电子输运到自旋操作转变的研究,纳米结构中的自旋电子学也初露端倪。所谓自旋电子学是研究利用固体中电子的自旋而不是电荷来传递信息,由载流子的自旋和磁性杂质的相互作用产生了一系列的与自旋有关的效应。将它们与标准的微电子技术结合起来,为新一代量子器件的研制将会提供更好的机会和更大的发展空间。最近,纳米级自旋电子学材料取得重大进展。通过大规模系统的高精度第一原理计算,发现三个3d过渡金属硫化物的闪锌矿相具有优异的半金属铁磁性,并且其结构性能适合作成具有足够厚度的薄膜或层状材料,便于应用于纳米级自旋电子器件。最近,Koto等人在研究中出人意料地发现,自旋控制可以通过将半导体薄膜置于一个所施加的电场中使其受到应力作用而实现。这种电子自旋的控制方法既不用磁场也不用磁性材料,因而既方便又灵活。

6。元素组成从原子向分子的转变—有机半导体物理

有机电致发光器件是当今显示器件领域的研究热点,越来越多的人们正致力于开发高性能的电致发光材料和研制高效率的器件结构。事实上,以有机半导体材料为主的电致发光材料、物性及器件应用的研究,可以追溯到上世纪60~70年代,当时有关简单有机分子晶体,如萘、蒽及并多苯的电子性质研究就已开始,并明确了分子本身的电子结构仍然大体上遗存在晶体中发挥作用。然而总体而言,这一时期中关于有机半导体等电致发光材料的研究未能取得明显进展。到了20世纪80年代,有机薄膜制备技术有了长足的进展,从而为发展有机半导体材料提供了便利条件。1987年,美国EastmanKodak公司的Tang等人对有机电致发光进行了具有开创性的研究。他们采用由芳香族六胺的空穴输运层和Alq3(82羟基喹啉)的发射层组成的双层有机膜结构,演示成功了高效电致发光器件,从而使有机半导体的研究开始受到化学与半导体物理学界的高度重视。

物理与化学两大学科的紧密交叉和化学家与物理学家的密切合作,使有机聚合物材料的研究呈现出令人欣慰的新面貌。剑桥大学卡文迪许实验室的弗朗德与大学化学实验室的荷尔姆斯长期合作,于1990年试制成功了第一个聚合物(聚对苯乙烯)发光二极管,由此开创了聚合物发光的新领域。近10余年来,不管是有机电致发光材料物理,还是有机电致发光器件与阵列,或是有机场效应晶体管及其相应集成电路的研究,都取得了一系列显著进展。如弗朗德利用聚合物的自组织特性将聚噻吩体系的载流子迁移率提高了5个数量级,并试制了场效应晶体管。特别是2000年Sch¨on研究组的一系列工作,使有机单晶体的研究跨上了一个新台阶。他们成功地制备了纯度较高的有机单晶体(并四苯、并五苯和C60等),而将这些绝缘体制成场效应管,通过改变极电压来对晶态表面层进行电子或空穴掺杂。由于所掺入的电子或空穴仅限于晶体表面薄层内,从而避免了由化学掺杂引入的无序和结构畸变等不利影响。结果证实,不仅有机晶体的迁移率有了明显提高,而且还在1。7K超低温下观测到了量子霍耳效应。随后,他们又在并四苯晶体中同时掺入了电子和空穴,并通过它们的复合而发射激光,这是采用有机半导体实验的首例电致发光研究。

关于有机半导体中基础物理的研究也是令人感兴趣的课题,如有机固体分子中激子束缚能问题便是其中之一例。物理学家和化学家都采用光生电流谱和光吸收谱研究了这种材料中的激子束缚能。有人指出激子的束缚能不超过60meV,因此聚合物属于电子弱关联体系的一维半导体。而有人对聚对苯乙烯所作的研究认为,其激子束缚能为leV,因此认为是具有强电子关联的分子固体。目前,对于这一研究人们还未能取得共识。这表明我们对有机聚合物所具有的许多物理与化学性质了解的还并不太多,而且也不够深入,看来这方面的研究工作仍然任重而道远。

二.半导体物理的趋势

以上,我们从不同的角度和侧面对半导体物理50多年的发展历程进行了简单回顾。从中,我们得到了以下几点有益的启示:

1.半导体物理研究与材料、器件和工艺相结合,极大地促进了半导体科学技术的发展。半个多世纪以来,半导体与微电子技术将材料、物理、器件与工艺融为一体,四者相互促进与影响,成为完美体现当代科学技术发展的一个极好范例。新的工艺创造了新的材料,新的材料孕育着新的物理效应,基于新的效应研制成功了新型器件,而新型器件性能的提高又要求工艺技术不断改进与完善。很显然,这一良性循环的发展模式今后仍将贯穿在半导体科学技术的发展过程中。

2。半导体物理研究与低维物理、介观物理和无序体系物理等研究相结合,将进一步繁荣了凝聚态物理的发展。在当代物理学的发展中,凝聚态物理学占有极其重要的地位,研究内容可谓瀚如烟海。而以半导体超晶格、量子阱、量子线、量子点、纳米团簇、光子晶体以及自旋电子学等为主的低维物理则为凝聚态物理的研究注入了巨大活力。其研究内容之丰富,物理内涵之深刻,令人们惊叹不已。如果说凝聚态物理的蓬勃发展是得益于半导体物理,大概不会有人提出异议。

3。半导体物理研究与化学、表面科学、超高真空技术与超低温技术相结合,将有力地刺激了其它相关学科领域的发展。反过来说,半导体物理研究的进展也离不开这些相关学科的紧密配合。如有机半导体的研究是由物理学家与化学家共同携手展开的,纳米半导体的研究离不开以扫描隧道显微镜为主的先进表面分析技术的支持,而量子霍耳效应和分数量子霍耳效应则是在超低温和强磁场条件下实现的,超晶格与量子阱则是以分子束外延等为主的先进超薄层外延技术制备的。显而易见,学科的相互交叉与渗透已经成为现代科学技术发展中的一个主旋律。

回顾过去,半导体物理的研究已是硕果累累,成绩斐然,它对凝聚态物理乃至整个现代物理学的发展所产生的影响将是深刻而久远的。展望未来,半导体物理的发展又将是一片生机,前景广阔。物理学家们的执着追求和不懈努力,将会使他们在21世纪的半导体物理发展史上谱写出更加灿烂辉煌的新篇章。

半导体物理学基础知识_图文(精)

1半导体中的电子状态 1.2半导体中电子状态和能带 1.3半导体中电子的运动有效质量 1半导体中E与K的关系 2半导体中电子的平均速度 3半导体中电子的加速度 1.4半导体的导电机构空穴 1硅和锗的导带结构 对于硅,由公式讨论后可得: I.磁感应沿【1 1 1】方向,当改变B(磁感应强度)时,只能观察到一个吸收峰 II.磁感应沿【1 1 0】方向,有两个吸收峰 III.磁感应沿【1 0 0】方向,有两个吸收峰 IV磁感应沿任意方向时,有三个吸收峰 2硅和锗的价带结构 重空穴比轻空穴有较强的各向异性。 2半导体中杂质和缺陷能级 缺陷分为点缺陷,线缺陷,面缺陷(层错等 1.替位式杂质间隙式杂质

2.施主杂质:能级为E(D,被施主杂质束缚的电子的能量状态比导带底E(C低ΔE(D,施主能级位于离导带底近的禁带中。 3. 受主杂质:能级为E(A,被受主杂质束缚的电子的能量状态比价带E(V高ΔE(A,受主能级位于离价带顶近的禁带中。 4.杂质的补偿作用 5.深能级杂质: ⑴非3,5族杂质在硅,锗的禁带中产生的施主能级距离导带底较远,离价带顶也较远,称为深能级。 ⑵这些深能级杂质能产生多次电离。 6.点缺陷:弗仑克耳缺陷:间隙原子和空位成对出现。 肖特基缺陷:只在晶体内部形成空位而无间隙原子。 空位表现出受主作用,间隙原子表现出施主作用。 3半导体中载流子的分布统计 电子从价带跃迁到导带,称为本征激发。 一、状态密度 状态密度g(E是在能带中能量E附近每单位间隔内的量子态数。 首先要知道量子态,每个量子态智能容纳一个电子。 导带底附近单位能量间隔内的量子态数目,随电子的能量按抛物线关系增大,即电子能量越高,状态密度越大。 二、费米能级和载流子的统计分布

初中物理所有公式总结

1. 电功(W):电流所做的功叫电功, 2. 电功的单位:国际单位:焦耳。常用单位有:度(千瓦时),1度=1千瓦时= 3.6×106焦耳。 3. 测量电功的工具:电能表(电度表) 4. 电功计算公式:W=UIt(式中单位W→焦(J);U→伏(V);I→安 (A);t→秒)。 5. 利用W=UIt计算电功时注意:①式中的W.U.I和t是在同一段电路;②计算时单位要统一;③已知任意的三个量都可以求出第四个量。 6. 计算电功还可用以下公式:W=I2Rt ;W=Pt;W=UQ(Q是电量); 7. 电功率(P):电流在单位时间内做的功。单位有:瓦特(国际);常用单位有:千瓦 8. 计算电功率公式: (式中单位P→瓦(w);W→焦;t→秒;U→伏(V); I→安(A) 9. 利用计算时单位要统一,①如果W用焦、t用秒,则P的单位是瓦;②如果W用千瓦时、t用小时,则P的单位是千瓦。 10.计算电功率还可用右公式:P=I2R和P=U2/R 11.额定电压(U0):用电器正常工作的电压。 12.额定功率(P0):用电器在额定电压下的功率。 13.实际电压(U):实际加在用电器两端的电压。 14.实际功率(P):用电器在实际电压下的功率。 当U > U0时,则P > P0 ;灯很亮,易烧坏。当U < U0时,则P < P0 ;灯很暗,当U = U0时,则P = P0 ;正常发光。 (同一个电阻或灯炮,接在不同的电压下使用,则有 ;如:当实际电压是额定电压的一半时,则实际功率就是额定功率的1/4。例220V100W是表示额定电压是220伏,额定功率是100瓦的灯泡如果接在110伏的电路中,则实际功率是25瓦。) 15.焦耳定律:电流通过导体产生的热量跟电流的二次方成正比,跟导体的电阻成正比,跟通电时间成正比。 16.焦耳定律公式:Q=I2Rt ,(式中单位Q→焦; I→安(A);R→欧

半导体物理知识点及重点习题总结

基本概念题: 第一章半导体电子状态 1.1 半导体 通常是指导电能力介于导体和绝缘体之间的材料,其导带在绝对零度时全空,价带全满,禁带宽度较绝缘体的小许多。 1.2能带 晶体中,电子的能量是不连续的,在某些能量区间能级分布是准连续的,在某些区间没有能及分布。这些区间在能级图中表现为带状,称之为能带。 1.2能带论是半导体物理的理论基础,试简要说明能带论所采用的理论方法。 答: 能带论在以下两个重要近似基础上,给出晶体的势场分布,进而给出电子的薛定鄂方程。通过该方程和周期性边界条件最终给出E-k关系,从而系统地建立起该理论。 单电子近似: 将晶体中其它电子对某一电子的库仑作用按几率分布平均地加以考虑,这样就可把求解晶体中电子波函数的复杂的多体问题简化为单体问题。 绝热近似: 近似认为晶格系统与电子系统之间没有能量交换,而将实际存在的这种交换当作微扰来处理。 1.2克龙尼克—潘纳模型解释能带现象的理论方法 答案: 克龙尼克—潘纳模型是为分析晶体中电子运动状态和E-k关系而提出的一维晶体的势场分布模型,如下图所示 利用该势场模型就可给出一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程的具体表达式,进而确定波函数并给出E-k关系。由此得到的能量分布在k空间上是周期函数,而且某些能量区间能级是准连续的(被称为允带),另一些区间没有电子能级(被称为禁带)。从而利用量子力学的方法解释了能带现象,因此该模型具有重要的物理意义。 1.2导带与价带 1.3有效质量 有效质量是在描述晶体中载流子运动时引进的物理量。它概括了周期性势场对载流子运动的影响,从而使外场力与加速度的关系具有牛顿定律的形式。其大小由晶体自身的E-k 关系决定。 1.4本征半导体 既无杂质有无缺陷的理想半导体材料。 1.4空穴 空穴是为处理价带电子导电问题而引进的概念。设想价带中的每个空电子状态带有一个正的基本电荷,并赋予其与电子符号相反、大小相等的有效质量,这样就引进了一个假想的

半导体物理知识点总结

半导体物理知识点总结 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结构,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的能带结构。 在1.1节,半导体的几种常见晶体结构及结合性质。(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行比较,在此基础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,介绍回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的能带结构。(掌握能带结构特征)在1.7节,介绍Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带结构,主要了解GaAs的能带结构。(掌握能带结构特征)本章重难点: 重点: 1、半导体硅、锗的晶体结构(金刚石型结构)及其特点; 三五族化合物半导体的闪锌矿型结构及其特点。 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相同。 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: ①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②低温下,价带填满电子,导带全空,高温下价带中的一部分电子跃迁到导带,使晶体呈现弱导电性。

半导体物理重点

半导体重点 第一章 1.能带论:用单电子近似的方法研究晶体中电子状态的理论成为能带论。 2.单电子近似:即假设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场及其它电子的平均势场中运动的。 3.金属中,由于组成金属的原子中的价电子占据的能带是部分占满的,所以金属是良好的导体。半导体中,如图所示,下面是被价电子占满的满带,亦称价带,中间为禁带,上面是空带,当温度升高,或者有光照的时候,满带中有少量电子可能被激发到上面的空带中去,此时半导体就能导电了。在半导体中导带的电子和价带的空穴均参与导电,金属中只有电子导电。 4.电子公有化运动:当原子相互接近形成晶体是,不同原子的相似壳层之间就有了一定程度的交叠,电子不再完全局限在一个原子上,可以由一个原子转移到相邻的原子上去,因而,电子可以在整个晶体中运动,这种运动就称为电子的共有化运动。 第二章 1.施主杂质:在Si,Ge中电离是能够施放电子而产生导电电子,并形成正电中心的杂质。常见V族杂质有:P,As,Sb

2.受主杂质:在Si,Ge中电离是能够接收电子而产生导电空穴并形成负电中心的杂质。 常见的III族杂质:B,Al,Ga,In 3.深能级:非III,V族杂质在Si,Ge的禁带中产生的施主能级距导带底较远,产生的受主能级距价带顶也较远,通常称这种能级为深能级,相应的杂质为深能级杂质。 作用:这些深能级杂质能够产生多次电离,每一次电离相应的有一个能级。因此这些杂质在Si,Ge的禁带中往往引入若干个能级,而且有的杂质既能产生施主能级,又能产生受主能级。对于载流子的复合作用比前能级杂质强,Au是一种很典型的复合中心,在制造高速开关器件是,常有意掺入Au以提高器件的速度。 4.补偿作用:在半导体中,施主和受主杂质之间的相互抵消的作用称为杂质的补偿。 (1)当N >>N :为n型半导体,(2)当N >>N :为P型半导体,(3)N >>N 时,施主电子刚好填充受主能级,虽然杂质很多,但不能向导带和价带提供电子和空穴,这种现象称为杂质的高度补偿。 利用杂质的补偿作用,可以根据需要用扩散或者离子注入方法来改变半导体中某一区域的导电类型,以制成各种器件。

半导体物理知识点梳理

半导体物理考点归纳 一· 1.金刚石 1) 结构特点: a. 由同类原子组成的复式晶格。其复式晶格是由两个面心立方的子晶格彼此沿其空间对角线位移1/4的长度形成 b. 属面心晶系,具立方对称性,共价键结合四面体。 c. 配位数为4,较低,较稳定。(配位数:最近邻原子数) d. 一个晶体学晶胞内有4+8*1/8+6*1/2=8个原子。 2) 代表性半导体:IV 族的C ,Si ,Ge 等元素半导体大多属于这种结构。 2.闪锌矿 1) 结构特点: a. 共价性占优势,立方对称性; b. 晶胞结构类似于金刚石结构,但为双原子复式晶格; c. 属共价键晶体,但有不同的离子性。 2) 代表性半导体:GaAs 等三五族元素化合物均属于此种结构。 3.电子共有化运动: 原子结合为晶体时,轨道交叠。外层轨道交叠程度较大,电子可从一个原子运动到另一原子中,因而电子可在整个晶体中运动,称为电子的共有化运动。 4.布洛赫波: 晶体中电子运动的基本方程为: ,K 为波矢,uk(x)为一个与晶格同周期的周期性函数, 5.布里渊区: 禁带出现在k=n/2a 处,即在布里渊区边界上; 允带出现在以下几个区: 第一布里渊区:-1/2a

初中物理公式总结大全(最新归纳)

初中物理公式汇总 速度公式: t s v = 公式变形:求路程——vt s = 求时间——t=s/v 重力与质量的关系: G = mg 密度公式: V m = ρ 浮力公式: F 浮= G 物 – F 示 F 浮= G 排=m 排g F 浮=ρ液gV 排 F 浮= G 物 压强公式:P=F/S (固体) 液体压强公式: p =ρgh 物理量 单位 p ——压强 Pa 或 N/m 2 ρ——液体密度 kg/m 3 h ——深度 m g=9.8N/kg ,粗略计算时取g=10N/kg 面积单位换算: 1 cm 2 =10--4m 2 1 mm 2 =10--6m 2 注意:S 是受力面积,指有受到压力作用的那部分面积 注意:深度是指液体内部某一点到自由液面的竖直距离; 单位换算:1kg=103 g 1g/cm 3=1×103kg/m 3 1m 3=106cm 3 1L=1dm 3=10-3m 3 物理量 单位 p ——压强 Pa 或 N/m 2 F ——压力 N S ——受力面积 m 2 物理量 单位 F 浮——浮力 N G 物——物体的重力 N 提示:[当物体处于漂浮或悬浮时] 物理量 单位 v ——速度 m/s km/h s ——路程 m km t ——时间 s h 单位换算: 1 m=10dm=102cm=103mm 1h=60min=3600 s ; 1min=60s 物理量 单位 G ——重力 N m ——质量 kg g ——重力与质量的比值 g=9.8N/kg ;粗略计算时取 物理量 单位 ρ——密度 kg/m 3 g/cm 3 m ——质量 kg g V ——体积 m 3 cm 3 物理量 单位 F 浮——浮力 N ρ ——密度 kg/m 3 V 排——物体排开的液体的体积 m 3 g=9.8N/kg ,粗略计算时取g=10N/kg G 排——物体排开的液体 受到的重力 N m 排——物体排开的液体 的质量 kg

半导体物理知识

半导体物理知识整理

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基础知识 1.导体,绝缘体和半导体的能带结构有什么不同?并以此说明半导体的导电机理(两种载流子参与导电)与金属有何不同? 导体:能带中一定有不满带 半导体:T=0K,能带中只有满带和空带;T>0K,能带中有不满带 禁带宽度较小,一般小于2eV 绝缘体:能带中只有满带和空带 禁带宽度较大,一般大于2eV 在外场的作用下,满带电子不导电,不满带电子可以导电 总有不满带的晶体就是导体,总是没有不满带的晶体就是绝缘体 半导体不时最容易导电的物质,而是导电性最容易发生改变的物质,用很方便的方法,就可以显著调节半导体的导电特性 金属中的电子,只能在导带上传输,而半导体中的载流子:电子和空穴,却能在两个通道:价带和导带上分别传输信息 2.什么是空穴?它有哪些基本特征?以硅为例,对照能带结构和价键结构图理解空穴概念。 当满带附近有空状态k’时,整个能带中的电流,以及电流在外场作用下的变化,完全如同存在一个带正电荷e和具有正有效质量|m n* | 、速度为v(k’)的粒子的情况一样,这样假想的粒子称为空穴 3.半导体材料的一般特性。 电阻率介于导体与绝缘体之间 对温度、光照、电场、磁场、湿度等敏感(温度升高使半导体导电能力增强,电阻率下降;适当波长的光照可以改变半导体的导电能力) 性质与掺杂密切相关(微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力) 4.费米统计分布与玻耳兹曼统计分布的主要差别是什么?什么情况下费米分布函数可以转化为玻耳兹曼函数。为什么通常情况下,半导体中载流子分布都可以

初三物理公式总结归纳

初三物理公式总结归纳 怎样掌握好物理公式这个问题被很多学生频繁的问起,为了帮助大家更好地掌握物理公式,小编特地为大家整理了九年级物理公式总结归纳,希望对大家学习物理有所帮助。 【一】速度公式 物理量计算式国际主单位常用单位换算关系 速度v V=s/t m/s Km/h 1m/s=3.6km/h 路程s S=vt m Km 1km=1000m 时间t t=s/v s h 1h=60min=3600s 火车过桥(洞)时通过的路程s=L桥+L车 声音在空气中的传播速度为340m/s 光在空气中的传播速度为3108m/s 【二】密度公式 (水=1.0103kg/ m3) 物理量计算式国际主单位常用单位换算关系 密度=m/v Kg/ m3 g/ Cm3 1g/ Cm3=1000kg/ m3 质量m M=v Kg g 1kg=1000g 体积v V=m/m3 Cm3 1 m3=103dm3=106cm31L=103ml(cm3) 冰与水之间状态发生变化时m水=m冰冰v水 同一个容器装满不同的液体时,不同液体的体积相等,密度大的质量大 空心球空心部分体积V空=V总-V实

【三】重力公式 G=mg (通常g取10N/kg,题目未交待时g取9.8N/kg)同一物体G月=1/6G地m月=m地 【四】杠杆平衡条件公式 F1l1=F2l2F1 /F2=l2/l1 【五】动滑轮公式 不计绳重和摩擦时F=1/2(G动+G物)s=2h 六、滑轮组公式 不计绳重和摩擦时F=1/n(G动+G物)s=nh 七、压强公式〔普适〕 P=F/S固体平放时F=G=mg S的国际主单位是m21m2=102dm2=104cm2=106mm2 八、液体压强公式P=gh 液体压力公式F=PS=ghS 规那么物体(正方体、长方体、圆柱体)公式通用 九、浮力公式 (1)、F浮=F-F (压力差法) (2)、F浮=G-F (视重法) (3)、F浮=G (漂浮、悬浮法) (4)、阿基米德原理:F浮=G排=液gV排 (排水法) 十、功的公式 W=FS把物体举高时W=GhW=Pt

半导体物理答案知识讲解

半导体物理答案

一、选择 1.与半导体相比较,绝缘体的价带电子激发到导带所需的能量(比半导体的大); 2.室温下,半导体Si 掺硼的浓度为1014cm -3,同时掺有浓度为1.1×1015cm -3的磷,则电子 浓度约为(1015cm -3 ),空穴浓度为(2.25×105cm -3 ),费米能级为(高于E i );将该半导 体由室温度升至570K ,则多子浓度约为(2×1017cm -3),少子浓度为(2×1017cm -3),费米 能级为(等于E i )。 3.施主杂质电离后向半导体提供(电子),受主杂质电离后向半导体提供(空穴),本征 激发后向半导体提供(空穴、电子); 4.对于一定的n 型半导体材料,温度一定时,减少掺杂浓度,将导致(E F )靠近E i ; 5.表面态中性能级位于费米能级以上时,该表面态为(施主态); 6.当施主能级E D 与费米能级E F 相等时,电离施主的浓度为施主浓度的(1/3)倍; 重空穴是指(价带顶附近曲率较小的等能面上的空穴) 7.硅的晶格结构和能带结构分别是(金刚石型和间接禁带型) 8.电子在晶体中的共有化运动指的是电子在晶体(各元胞对应点出现的几率相同)。 9.本征半导体是指(不含杂质与缺陷)的半导体。 10.简并半导体是指((E C -E F )或(E F -E V )≤0)的半导体 11.3个硅样品的掺杂情况如下: 甲.含镓1×1017cm -3;乙.含硼和磷各1×1017cm -3;丙.含铝1×1015cm -3 这三种样品在室温下的费米能级由低到高(以E V 为基准)的顺序是(甲丙乙) 12.以长声学波为主要散射机构时,电子的迁移率μn 与温度的(B 3/2次方成反比) 13.公式*/q m μτ=中的τ是载流子的(平均自由时间)。 14.欧姆接触是指(阻值较小并且有对称而线性的伏-安特性)的金属-半导体接触。 15.在MIS 结构的金属栅极和半导体上加一变化的电压,在栅极电压由负值增加到足够大 的正值的的过程中,如半导体为P 型,则在半导体的接触面上依次出现的状态为(多数载 流子堆积状态,多数载流子耗尽状态,少数载流子反型状态)。 16.在硅和锗的能带结构中,在布里渊中心存在两个极大值重合的价带,外面的能带(曲 率小),对应的有效质量(大),称该能带中的空穴为(重空穴E )。 17.如果杂质既有施主的作用又有受主的作用,则这种杂质称为(两性杂质)。 18.在通常情况下,GaN 呈(纤锌矿型 )型结构,具有(六方对称性),它是(直接带 隙)半导体材料。 19.同一种施主杂质掺入甲、乙两种半导体,如果甲的相对介电常数εr 是乙的3/4, m n */m 0值是乙的2倍,那么用类氢模型计算结果是(甲的施主杂质电离能是乙的32/9,的 弱束缚电子基态轨道半径为乙的3/8 )。 20.一块半导体寿命τ=15μs,光照在材料中会产生非平衡载流子,光照突然停止30μs 后,其中非平衡载流子将衰减到原来的(1/e 2)。 21.对于同时存在一种施主杂质和一种受主杂质的均匀掺杂的非简并半导体,在温度足够 高、n i >> /N D -N A / 时,半导体具有 (本征) 半导体的导电特性。 22.在纯的半导体硅中掺入硼,在一定的温度下,当掺入的浓度增加时,费米能级向 (Ev )移动;当掺杂浓度一定时,温度从室温逐步增加,费米能级向( Ei )移动。 23.把磷化镓在氮气氛中退火,会有氮取代部分的磷,这会在磷化镓中出现(产生等电子 陷阱)。 24.对于大注入下的直接复合,非平衡载流子的寿命不再是个常数,它与(非平衡载流子 浓度成反比)。

初三物理公式总结

物理公式汇总 一、密度(ρ): 1、定义:单位体积的某种物质的质量叫做这种物质的密度。 2、公式: 变形 m 为物体质量,主单位kg ,常用单位:t g mg ; v 为物体体积,主单位cm 3 m 3 3、单位:国际单位制单位: kg/m 3 常用单位g/cm 3 单位换算关系:1g/cm 3=103kg/m 3 1kg/m 3=10-3g/cm 3水的密度为1.0×103kg/m 3,读作1.0×103千克每立方米,它表示物理 意义是:1立方米的水的质量为1.0×103千克。 二、速度(v ): 1、定义:在匀速直线运动中,速度等于运动物体在单位时间内通过的路程。 物理意义:速度是表示物体运动快慢的物理量 2、计算公式: 变形 , S 为物体所走的路程,常用单位为km m ;t 为物体所用的时间,常用单位为s h 3、单位:国际单位制: m/s 常用单位 km/h 换算:1m/s=3.6km/h 。 三、重力(G ): 1、定义:地面附近的物体,由于地球的吸引而受的力叫重力 2、计算公式: G=mg m 为物理的质量;g 为重力系数, g=9.8N/kg ,粗略计算的时候g=10N/kg 3、单位:牛顿简称牛,用N 表示 四、杠杆原理 1、定义:杠杆的平衡条件为动力×动力臂=阻力×阻力臂 2、公式:F 1l 1=F 2l 2 也可写成:F 1 / F 2=l 2 / l 1 其中F 1为使杠杆转动的力,即动力;l 1为从支点到动力作用线的距离,即动力臂; F 2为阻碍杠杆转动的力,即阻力;l 2为从支点到阻力作用线的距离,即阻力臂 五、压强(P ): 1、定义:物体单位面积上受到的压力叫压强。 物理意义:压强是表示压力作用效果的物理量。 2、计算公式: P=F/S F 为压力,常用单位牛顿(N );S 为受力面积,常用单位米2(m 2 ) 3、单位是:帕斯卡(Pa ) 六、液体压强(P ): 1、计算公式:p =ρgh 其中ρ为液体密度,常用单位kg/m 3 g/cm 3 ;g 为重力系数,g=9.8N/kg ; h 为深度,常用单位m cm 2、单位是:帕斯卡(Pa ) ρ m V = V m ρ = V m ρ = v s t = t s v = v t s =

半导体物理学第七章知识点

第7章 金属-半导体接触 本章讨论与pn 结特性有很多相似之处的金-半肖特基势垒接触。金-半肖特基势垒接触的整流效应是半导体物理效应的早期发现之一: §7.1金属半导体接触及其能级图 一、金属和半导体的功函数 1、金属的功函数 在绝对零度,金属中的电子填满了费米能级E F 以下的所有能级,而高于E F 的能级则全部是空着的。在一定温度下,只有E F 附近的少数电子受到热激发,由低于E F 的能级跃迁到高于E F 的能级上去,但仍不能脱离金属而逸出体外。要使电子从金属中逸出,必须由外界给它以足够的能量。所以,金属中的电子是在一个势阱中运动,如图7-1所示。若用E 0表示真空静 止电子的能量,金属的功函数定义为E 0与E F 能量之差,用W m 表示: FM M E E W -=0 它表示从金属向真空发射一个电子所需要的最小能量。W M 越大,电子越不容易离开金属。 金属的功函数一般为几个电子伏特,其中,铯的最低,为1.93eV ;铂的最高,为5.36 eV 。图7-2给出了表面清洁的金属的功函数。图中可见,功函数随着原子序数的递增而周期性变化。 2、半导体的功函数 和金属类似,也把E 0与费米能级之差称为半导体的功函数,用W S 表示,即 FS S E E W -=0 因为E FS 随杂质浓度变化,所以W S 是杂质浓度的函数。 与金属不同,半导体中费米能级一般并不是电子的最高能量状态。如图7-3所示,非简并半导体中电子的最高能级是导带底E C 。E C 与E 0之间的能量间隔 C E E -=0χ 被称为电子亲合能。它表示要使半导体导带底的电子逸出体外所需要的最小能量。 利用电子亲合能,半导体的功函数又可表示为 )(FS C S E E W -+=χ 式中,E n =E C -E FS 是费米能级与导带底的能量差。 图7-1 金属中的电子势阱 图7-2 一些元素的功函数及其原子序数 图7-3 半导体功函数和电子亲合能

半导体物理与器件基础知识

9金属半导体与半导体异质结 一、肖特基势垒二极管 欧姆接触:通过金属-半导体的接触实现的连接。接触电阻很低。 金属与半导体接触时,在未接触时,半导体的费米能级高于金属的费米能级,接触后,半导体的电子流向金属,使得金属的费米能级上升。之间形成势垒为肖特基势垒。 在金属与半导体接触处,场强达到最大值,由于金属中场强为零,所以在金属——半导体结的金属区中存在表面负电荷。 影响肖特基势垒高度的非理想因素:肖特基效应的影响,即势垒的镜像力降低效应。金属中的电子镜像到半导体中的空穴使得半导体的费米能级程下降曲线。附图: 电流——电压关系:金属半导体结中的电流运输机制不同于pn结的少数载流子的扩散运动决定电流,而是取决于多数载流子通过热电子发射跃迁过内建电势差形成。附肖特基势垒二极管加反偏电压时的I-V曲线:反向电流随反偏电压增大而增大是由于势垒降低的影响。 肖特基势垒二极管与Pn结二极管的比较:1.反向饱和电流密度(同上),有效开启电压低于Pn结二极管的有效开启电压。2.开关特性肖特基二极管更好。应为肖特基二极管是一个多子导电器件,加正向偏压时不会产生扩散电容。从正偏到反偏时也不存在像Pn结器件的少数载流子存储效应。 二、金属-半导体的欧姆接触 附金属分别与N型p型半导体接触的能带示意图 三、异质结:两种不同的半导体形成一个结 小结:1.当在金属与半导体之间加一个正向电压时,半导体与金属之间的势垒高度降低,电子很容易从半导体流向金属,称为热电子发射。 2.肖特基二极管的反向饱和电流比pn结的大,因此达到相同电流时,肖特基二极管所需的反偏电压要低。 10双极型晶体管 双极型晶体管有三个掺杂不同的扩散区和两个Pn结,两个结很近所以之间可以互相作用。之所以成为双极型晶体管,是应为这种器件中包含电子和空穴两种极性不同的载流子运动。 一、工作原理 附npn型和pnp型的结构图 发射区掺杂浓度最高,集电区掺杂浓度最低 附常规npn截面图 造成实际结构复杂的原因是:1.各端点引线要做在表面上,为了降低半导体的电阻,必须要有重掺杂的N+型掩埋层。2.一片半导体材料上要做很多的双极型晶体管,各自必须隔离,应为不是所有的集电极都是同一个电位。 通常情况下,BE结是正偏的,BC结是反偏的。称为正向有源。附图: 由于发射结正偏,电子就从发射区越过发射结注入到基区。BC结反偏,所以在BC结边界,理想情况下少子电子浓度为零。 附基区中电子浓度示意图: 电子浓度梯度表明,从发射区注入的电子会越过基区扩散到BC结的空间电荷区,

九年级上物理知识点+公式总结

九年级物理上 第十一章简单机械和功知识归纳 1.杠杆:一根在力的作用下能绕着固定点转动的硬棒就叫杠杆。 2.什么是支点、动力、阻力、动力臂、阻力臂 (1)支点:杠杆绕着转动的点(O) (2)动力:使杠杆转动的力(F1) (3)阻力:阻碍杠杆转动的力(F2) (4)动力臂:从支点到动力的作用线的距离(L1)。 (5)阻力臂:从支点到阻力作用线的距离(L2) 3.杠杆平衡的条件:动力×动力臂=阻力×阻力臂.或写作:F1L1=F2L2或写成F1实质是动力臂为阻力臂二倍的杠杆) 7.滑轮组:使用滑轮组时,滑轮组用几段绳子吊着物体,提起物体所用的力就是物重的几分之一。 1.功的两个必要因素:一是作用在物体上的力;二是物体在力的方向上通过的距离。 2.功的计算:功(W)等于力(F)跟物体在力的方向上通过的距离(s)的乘积。(功=力×距离) 3. 功的公式:W=Fs;单位:W:焦(耳)J;F:N;s:m。(1J=1N·m).

4.功的原理:使用机械时,人们所做的功,都等于不用机械而直接用手所做的功,也就是说使用任何机械都不省功。 5.斜面:FL=Gh,斜面长是斜面高的几倍,推力就是物重的几分之一。(螺丝、盘山公路也是斜面) 6.机械效率:有用功跟总功的比值叫机械效率。 计算公式:η=W有/W总 7.功率(P):单位时间(t)里完成的功(W),叫功率。 计算公式:P=W/t。单位:P:瓦(特)W;W→J;t→s。(1W=1J/s。1kW=1000W)第十二章机械能和内能知识归纳 1.一个物体能够做功,这个物体就具有能(能量)。 2.动能:物体由于运动而具有的能叫动能。 3.运动物体的速度越大,质量越大,动能就越大。 4.势能分为重力势能和弹性势能。 5.重力势能:物体由于被举高而具有的能。 6.物体质量越大,被举得越高,重力势能就越大。 7.弹性势能:物体由于发生弹性形变而具的能。 8.物体的弹性形变越大,它的弹性势能就越大。

半导体物理学第八章知识点

第8章 半导体表面与MIS 结构 许多半导体器件的特性都和半导体的表面性质有着密切关系,例如,晶体管和集成电路的工作参数及其稳定性在很大程度上受半导体表面状态的影响;而MOS 器件、电荷耦合器件和表面发光器件等,本就是利用半导体表面效应制成的。因此.研究半导体表面现象,发展相关理论,对于改善器件性能,提高器件稳定性,以及开发新型器件等都有着十分重要的意义。 §8.1 半导体表面与表面态 在第2章中曾指出,由于晶格不完整而使势场的周期性受到破坏时,禁带中将产生附加能级。达姆在1932年首先提出:晶体自由表面的存在使其周期场中断,也会在禁带中引入附加能级。实际晶体的表面原子排列往往与体内不同,而且还存在微氧化膜或附着有其他分子和原子,这使表面情况变得更加复杂。因此这里先就理想情形,即晶体表面无缺陷和附着物的情形进行讨论。 一、理想一维晶体表面模型及其解 达姆采用图8-l 所示的半无限克龙尼克—潘纳模型描述具有单一表面的一维晶体。图中x =0处为晶体表面;x ≥0的区域为晶体内部,其势场以a 为周期随x 变化;x ≤0的区域表示晶体之外,其中的势能V 0为一常数。在此半无限周期场中,电子波函数满足的薛定谔方程为 )0(20202≤=+-x E V dx d m φφφη (8-1) )0()(2202≥=+-x E x V dx d m φφφη (8-2) 式中V (x)为周期场势能函数,满足V (x +a )=V(x )。 对能量E <V 0的电子,求解方程(8-1)得出这些 电子在x ≤0区域的波函数为 ])(2ex p[)(001x E V m A x η -=φ (8-3) 求解方程(8-2),得出这些电子在x ≥0区域中波函数的一般解为 kx i k kx i k e x u A e x u A x ππφ22212)()()(--+= (8-4) 当k 取实数时,式中A 1和A 2可以同时不为零,即方程(8-2)满足边界条件φ1(0)=φ2(0)和φ1'(0)=φ2'(0)的解也就是一维无限周期势场的解,这些解所描述的就是电子在导带和价带中的允许状态。 但是,当k 取复数k =k '+ik ''时(k '和k ''皆为实数),式(8-4)变成 x k x k i k x k x k i k e e x u A e e x u A x '''--''-'+=ππππφ2222212)()()( (8-5) 此解在x→∞或-∞时总有一项趋于无穷大,不符合波函数有限的原则,说明无限周期势场不能有复数解。但是,当A 1和A 2任有一个为零,即考虑半无限时,k 即可取复数。例如令A 2=0,则 x k x k i k e e x u A x ''-'=ππφ2212)()( (8-6) 图8-l 一维半无限晶体的势能函数

经典初三物理公式总结

经典初三物理公式总结 下面是一篇有关于经典初三物理公式总结的文章,希望同学们认真看看下面的物理公式好好学习哦。 速度V(m/S) v=S/t; S:路程,t:时间 重力G(N) G=mg; m:质量 ; g:9.8N/kg或者10N/kg 密度(kg/m3) = m/V m:质量;V:体积 合力F合(N) 方向相同:F合=F1+F2 方向相反:F合=F1F2 方向相反时,F1F2 浮力F浮(N) F浮=G物G视 ;G视:物体在液体的重力 浮力F浮(N) F浮=G物; 此公式只适用物体漂浮或悬浮 浮力F浮(N) F浮=G排=m排g=液gV排; G排:排开液体的重力;m排:排开液体的质量,液:液体的密度,V排:排开液体的体积(即浸入液体中的体积) 杠杆的平衡条件 F1*L1= F2*L2 F1:动力, L1:动力臂F2:阻力 L2:阻力臂 定滑轮 F=G物,S=h, F:绳子自由端受到的拉力,G物:物体的重力,S:绳子自由端移动的距离,h:物体升高的距离 动滑轮 F= (G物+G轮)/2,S=2 h, G物:物体的重力, G轮:动滑轮的重力 滑轮组 F= (G物+G轮)/n,S=n h , n:承担物重的段数 机械功W(J) W=FS F:力 S:在力的方向上移动的距离 有用功:W有,总功:W总, W有=G物*h,W总=Fs ,适用滑轮组

竖直放置时机械效率 =W有/W总100% 功 W = F S = P t 1J = 1N?m = 1W?s 功率 P = W / t = F*v(匀速直线) 1KW = 10^3 W,1MW = 10^3KW 有用功 W有用 = G h= W总 W额 =W总 额外功 W额 = W总 W有 = G动 h(忽略轮轴间摩擦)= f L(斜面) 总功 W总= W有用+ W额 = F S = W有用 / 以上就是这篇经典初三物理公式总结的全部内容,希望能够对同学们有所帮助!

初中物理公式大全(详解)

这是我在补习班蹭到的~临近中考了,希望能帮上同学们的忙。 恒定电流 1.电流强度:I=q/t{I:电流强度(A),q:在时间t内通过导体横载面的电量(C),t:时间(s)} 2.欧姆定律:I=U/R {I:导体电流强度(A),U:导体两端电压(V),R:导体阻值(Ω)} 3.电阻、电阻定律:R=ρL/S{ρ:电阻率(Ω?m),L:导体的长度(m),S:导体横截面积(m2)} 4.闭合电路欧姆定律:I=E/(r+R)或E=Ir+IR也可以是E=U内+U外 {I:电路中的总电流(A),E:电源电动势(V),R:外电路电阻(Ω),r:电源内阻(Ω)} 5.电功与电功率:W=UIt,P=UI{W:电功(J),U:电压(V),I:电流(A),t:时间(s),P:电功率(W)} 6.焦耳定律:Q=I2Rt{Q:电热(J),I:通过导体的电流(A),R:导体的电阻值(Ω),t:通电时间(s)} 7.纯电阻电路中:由于I=U/R,W=Q,因此W=Q=UIt=I2Rt=U2t/R 8.电源总动率、电源输出功率、电源效率:P总=IE,P出=IU,η=P出/P总{I:电路总电流(A),E:电源电动势(V),U:路端电压(V),η:电源效率} 9.电路的串/并联串联电路(P、U与R成正比) 并联电路(P、I与R成反比) 电阻关系(串同并反) R串=R1+R2+R3+ 1/R并=1/R1+1/R2+1/R3+ 电流关系 I总=I1=I2=I3 I并=I1+I2+I3+ 电压关系 U总=U1+U2+U3+ U总=U1=U2=U3 功率分配 P总=P1+P2+P3+ P总=P1+P2+P3+ 10.欧姆表测电阻 (1)电路组成 (2)测量原理 两表笔短接后,调节Ro使电表指针满偏,得 Ig=E/(r+Rg+Ro) 接入被测电阻Rx后通过电表的电流为 Ix=E/(r+Rg+Ro+Rx)=E/(R中+Rx) 由于Ix与Rx对应,因此可指示被测电阻大小 (3)使用方法:机械调零、选择量程、欧姆调零、测量读数{注意挡位(倍率)}、拨off挡。 (4)注意:测量电阻时,要与原电路断开,选择量程使指针在中央附近,每次换挡要重新短接欧姆调零。 11.伏安法测电阻 电流表内接法: 电压表示数:U=UR+UA 电流表外接法: 电流表示数:I=IR+IV

半导体物理考研总结

1.布喇格定律(相长干涉):点阵周期性导致布喇格定律。 2.晶体性质的周期性:电子数密度n(r)是r的周期性函数,存在 3.2πp/a被称为晶体的倒易点阵中或傅立叶空间中的一个点,倒易点中垂线做直线可得布里渊区。 3.倒易点阵: 4.衍射条件:当散射波矢等于一个倒易点阵矢量G时,散射振幅达到最大 波矢为k的电子波的布喇格衍射条件是: 一维情况(布里渊区边界满足布拉格)简化为: 当电子波矢为±π/a时,描述电子的波函数不再是行波,而是驻波(反复布喇格反射的结果) 5.布里渊区:

6.布里渊区的体积应等于倒易点阵初基晶胞的体积。 7.简单立方点阵的倒易点阵,仍是一个简立方点阵,点阵常数为2π/a,第一布里渊区是个以原点为体心,边长为2π/a的立方体。 体心立方点阵的倒易点阵是个面心立方点阵,第一布里渊区是正菱形十二面体。面心立方点阵的倒易点阵是个体心立方点阵,第一布里渊区是截角八面体。 8.能隙(禁带)的起因:晶体中电子波的布喇格反射-周期性势场的作用。(边界处布拉格反射形成驻波,造成能量差) 9.第一布里渊区允许的波矢总数=晶体中的初基晶胞数N -每个初基晶胞恰好给每个能带贡献一个独立的k值;

-直接推广到三维情况考虑到同一能量下电子可以有两个相反的自旋取向,于是每个能带中存在2N个独立轨道。 -若每个初基晶胞中含有一个一价原子,那么能带可被电子填满一半; -若每个原子能贡献两个价电子,那么能带刚好填满;初基晶胞中若含有两个一价原子,能带也刚好填满。 绝缘体:至一个全满,其余全满或空(初基晶胞的价电子数目为偶数,能带不交 叠)2N. 金属:半空半满 半导体或半金属:一个或两个能带是几乎空着或几乎充满以外,其余全满 (半金属能带交叠) 10.自由电 子: 11.半导体的E-k关系:

半导体物理基本知识

半导体物理基本知识 一、导体、半导体和绝缘体 物质就其导电性来说,可以分为绝缘体、半导体、和导体。电阻率大于109欧姆·厘米的物体称为绝缘体,小于10-4欧姆·厘米的物体为导体,电阻率介于10-4~109欧姆·厘米的物体为半导体。 二、半导体材料的种类 半导体材料种类繁多,从单质到化合物,从无机物到有机物,从单晶体到非晶体,都可以作为半导体材料。半导体材料大致可以分为以下几类: 1、元素半导体 元素半导体又称为单质半导体。在元素周期表中介于金属与非金属之间的Si、Ge、Se、Te、B、C、P等元素都有半导体的性质。 在单质元素半导体中具有实用价值的只有硅、锗、硒。而硅和锗是最重要的两种半导体材料。尤其半导体硅材料已被广泛地用来制造各种器件、数字和线性集成电路以及大规模集成电路等。硒作为半导体材料主要用做整流器,但由于硅、锗制造的整流器比硒整流器性能良好,所以硒逐渐被硅、锗取代。 2、化合物半导体 化合物半导体是AⅢBⅤ型化合物,由元素中期表中ⅢA族的Al、Ga、和ⅤA族的P、As、Sb等合成的化合物成为AⅢBⅤ型化合物。如AlP、GaAs、GaSb、InAs、InSb。在这一类化合物半导体中用最广泛的是GaAs,它可以用来制作GaAs晶体管、场效应管、雪崩管、超高速电路及微波器件等。 3、氧化物半导体 许多金属的氧化物具有半导体性质,如Cu2O、CuO、ZnO、MgO、Al2O3等等。 4、固溶体半导体 元素半导体和无机化合物半导体相互溶解而成的半导体材料成为固溶体半导体。如:Ge-Si、GaAs-GaP,而GaAs-GaP是发光二极管的材料。 5、玻璃半导体 玻璃半导体是指具有半导体性质的一类玻璃。如氧化物玻璃半导体和元素玻璃半导

初三物理公式总结基本公式

初三物理公式总结基本公式 下面是一篇有关于初三物理公式总结基本公式的文章,希望同学们认真看看下面的物理公式好好学习哦。 一、有两套单位(国际单位和常用单位) 序号公式适用范围各物理量及单位 1 =m/v 求物体的密度、质量和体积密度kg/m3 m 质量kg V 体积m3 g/cm3 g cm3 2 v = s / t 求物体的速度、路程和时间v 速度m/s s路程m t 时间s km/h km h 3 P = W / t 求做功的功率、功和做功时间P功率w W功J t 时间s kw kwh h 二、基本公式(只能采用国际单位) 序号公式适用范围各物理量及单位 1 G = m g 求物体的重力和质量G重力 N m 质量 kg g 9.8N/kg 2 F浮=g v 求受到的浮力液体密度、体积F浮浮力 N 液体密度

kg/m3 v 排开(浸在)液体体积m3 3 P =g h 求液体的压强、密度和深度P压强 Pa 液体密度 kg/m3 h 深度 m 4 P = F / S 求物体的压强压力、受力面积P 压强 Pa F压力 N S 受力面积 m2 5 W = F S 求机械做功的多少、力和距离W 功 J F做功的力 N S 做功的距离 m 6 =W有/W总求机械效率和有用功、总功机械效率W有有用功 J W总总功 J 7 I = U / R 求电路中的电流、电压和电阻I 电流 A U电压 V R 电阻 8 P = U I 求电功率、电压和电流P电功率 W U电压

V I 电流 A 9 Q=I2Rt 求电路产生的电热Q 电热 J I电流 A R 电阻 t 时间 s 10 Q = m q 求燃料完全燃烧放出的热量、燃料质量、热值Q 热量 J m 质量 kg q 热值 J/kg (J/ m3) 11 Q = cmt 求物体吸收或放出热量、比热容和温度变化量Q 热量 J c 比热容 J/(kg ℃) m 质量 kg t 温度差 12 F1L1=F2L2 求作用在杠杆的力和力臂F1F2 动力和阻力N L1L2动力臂和阻力臂 m 三、推导出的公式(只能使用国际单位) 公式适用范围公式适用范围

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