半导体物理学
半导体是带隙适中的材料，其电导率可通过温度、掺杂和外加电场进行调节，使其成为现代电子器件的物理基础。
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Definition
半导体物理学是将电子能带理论应用于带隙足够小的材料，使得热激发和掺杂能够使导带和价带充满可移动的电子和空穴，其浓度和运动可以被控制以构建电子器件。
Scope
本领域涵盖半导体固体的物理学：本征和外征（掺杂）行为、电子和空穴载流子统计、费米能级的位置、p-n结的形成和界面处的能带弯曲，以及控制器件的光吸收和传输特性。它将能带理论应用于小带隙材料，并将微观电子结构与二极管、晶体管和光电器件的运行联系起来，同时将器件工程细节留给应用领域。
Sub-topics
Core questions
- 半导体的小带隙如何使其载流子浓度对温度和掺杂敏感？
- 空穴的作用是什么？施主和受主杂质如何产生n型和p型材料？
- p-n结如何通过能带弯曲和内建电势来整流电流？
- 什么决定了控制半导体器件的光吸收和载流子迁移率？
Key concepts
- 带隙、导带和价带
- 电子和空穴作为电荷载流子
- 施主和受主掺杂（n型和p型）
- 费米能级和载流子统计
- p-n结、内建电势和整流
Key theories
- 载流子统计和质量作用定律
- 平衡电子和空穴浓度由态密度和费米-狄拉克统计决定；它们的乘积在给定温度下是固定的，因此提高一种载流子的掺杂会抑制另一种载流子。
- p-n结整流
- 将p型和n型材料连接起来会使费米能级对齐，从而使能带弯曲并形成一个具有内建电场的耗尽区，该电场只允许电流在一个方向上容易流动，这是二极管的基础。
Clinical relevance
半导体物理学是整个电子和信息技术产业的基础：二极管、晶体管、集成电路、太阳能电池、发光二极管、激光器和光电探测器都建立在此处发展的载流子和结物理学之上。
History
20世纪30年代，能带的量子理论解释了半导体行为；1947-1948年，巴丁（Bardeen）、布拉顿（Brattain）和肖克利（Shockley）在贝尔实验室发明了点接触晶体管和结型晶体管，使半导体物理学成为现代电子学和随后的微电子革命的基础。
Key figures
- William Shockley
- John Bardeen
- Walter Brattain
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Seminal works
- sze2007
- ashcroft1976
Frequently asked questions
- 什么是空穴？
- 空穴是原本充满的价带中缺少电子的状态；它表现得像一个带正电的可移动载流子，追踪空穴比追踪许多移动以填充它们的电子要简单得多。
- 为什么添加微量杂质会如此显著地改变电导率？
- 施主或受主原子在带隙内引入了在室温下易于电离的能级，因此即使是百万分之几的掺杂也能使自由载流子浓度改变许多数量级。