异质结的基本特性

所谓半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜，依先后次序沉积在同一基座上。例如图1所描述的就是利用半导体异质结构所作成的雷射之基本架构。半导体异质结构的基本特性有以下几个方面。

(1) 量子效应：因中间层的能阶较低，电子很容易掉落下来被局限在中间层，而中间层可以只有几十埃（1埃=10-10米）的厚度，因此在如此小的空间内，电子的特性会受到量子效应的影响而改变。例如：能阶量子化、基态能量增加、能态密度改变等，其中能态密度与能阶位置，是决定电子特性很重要的因素。

(2) 迁移率(Mobility)变大：半导体的自由电子主要是由于外加杂质的贡献，因此在一般的半导体材料中，自由电子会受到杂质的碰撞而减低其行动能力。然而在异质结构中，可将杂质加在两边的夹层中，该杂质所贡献的电子会掉到中间层，因其有较低的能量（如图3所示）。因此在空间上，电子与杂质是分开的，所以电子的行动就不会因杂质的碰撞而受到限制，因此其迁移率就可以大大增加，这是高速组件的基本要素。

(3)奇异的二度空间特性：因为电子被局限在中间层内，其沿夹层的方向是不能自由运动的，因此该电子只剩下二个自由度的空间，半导体异质结构因而提供了一个非常好的物理系统可用于研究低维度的物理特性。低维度的电子特性相当不同于三维者，如电子束缚能的增加、电子与电洞复合率变大，量子霍尔效应，分数霍尔效应等。科学家利用低维度的特性，已经已作出各式各样的组件，其中就包含有光纤通讯中的高速光电组件，而量子与分数霍尔效应分别获得诺贝尔物理奖。

(4)人造材料工程学：半导体异质结构之中间层或是两旁的夹层，可因需要不同而改变。例如以砷化镓来说，镓可以被铝或铟取代，而砷可以用磷、锑、或氮取代，所设计出来的材料特性因而变化多端，因此有人造材料工程学的名词出现。最近科学家将锰原子取代镓，而发现具有铁磁性的现象，引起很大的重视，因为日后的半导体组件，有可能因此而利用电子自旋的特性。此外，在半导体异质结构中，如果邻近两层的原子间距不相同，原子的排列会被迫与下层相同，那么原子间就会有应力存在，该应力会改变电子的能带结构与行为。现在该应力的大小已可由长晶技术控制，因此科学家又多了一个可调变半导体材料的因素，产生更多新颖的组件，例如硅锗异质结构高速晶体管。

半导体异质结构一般是由两层以上不同材料所组成，它们各具不同的能带隙。这些材料可以是GaAs之类的化合物，也可以是Si-Ge之类的半导体合金。按异质结中两种材料导带和价带的对准情况可以把异质结分为Ⅰ型异质结和Ⅱ型异质结两种，两种异质结的能带结构

无论是半导体物理考研专业课，还是本科课程学习，搭建框架都挺重要的。不知道哪里是重点？这篇文章介绍《半导体物理学》的框架，有助于初学者了解这个科目的整体结构。

面对比较复杂的科目，初学者可能会遇到这种情况——学了好几章，仍然云里雾里，不知自己在学什么，接下来又要学什么。等到学完，只记得一些零零散散的知识点，无法形成完整体系。这可能是因为忽略了一些内容，那就是这个科目的框架。

接下来以刘恩科《半导体物理学（第七版）》为参考书，讲讲半导体物理学的框架。当然，同样的知识可以有很多种分类方式，我非常鼓励大家按自己的理解去划分，以下内容可供参考借鉴。

这本《半导体物理学》共13章，但大部分本科课程及考研大纲，重点在1~8章（半导体的电效应），剩余章节仅对少量内容作要求。

按大的来分，就是两个部分：1~9章是半导体的电效应（核心）、10~13章是其他效应和拓展。再分细一点，我们可以把整本书分为四个部分：

第一部分：固体物理基础（1,2章）

第二部分：载流子的性质（3,4,5章）

第三部分：器件结构（6,7,8,9章）

第四部分：其他效应及拓展（10,11,12,13章）

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第1章 半导体中的电子状态 

第2章 半导体中的杂质和缺陷能级

第一部分，主要解决【半导体是什么】、【半导体中有什么】这两个问题。

首先介绍半导体作为晶体的性质：晶格结构，以及晶体的能带。

然后介绍半导体中有什么：载流子（电子和空穴），以及杂质等缺陷。

电子和空穴这两种载流子，决定了半导体的电、光、热、磁等基本性质。而杂质，则是调控半导体这些性质最重要的手段。

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第3章 半导体中载流子的统计分布 

第4章 半导体的导电性 

第5章 非平衡载流子

第二部分中，主要解决【如何调控载流子浓度】、【如何调控半导体电学性质】这两个问题。

第3章介绍“温度、杂质浓度和载流子浓度的关系”。温度和杂质浓度对载流子浓度有决定性的影响，控制这两个量，就能控制载流子浓度，调控半导体的各种性质。

第4章介绍“温度、杂质浓度和导电性的关系”。从σ=nqμ知道，半导体导电性主要受载流子浓度、迁移率的影响，其中迁移率主要受散射影响。无论是载流子浓度还是散射，都由温度和杂质浓度控制。因此，确定了温度和杂质浓度，就能调控半导体的导电性。

第5章介绍“载流子的动态变化”。载流子不是静态的，它有产生、复合、扩散、漂移等活动，载流子浓度会因此发生动态变化。我们据此采取措施，可以进一步调控载流子浓度。

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第6章 pn结

第7章 金属和半导体的接触

第8章 半导体表面与MIS结构

第9章 半导体异质结构

第三部分主要解决【半导体有什么用】这个问题。

半导体最重要的性质就是电效应，1~9章都在讲电效应，后面的10~13章，研究方法与电效应是相通的。

半导体电效应的应用，最重要的就是6~9章对应的四种结构——pn结、肖特基结、MIS结构、异质结。重中之重是pn结和MIS结构，它们是信息时代的基石。

基于pn结的双极晶体管，是集成电路的滥觞，它的问世掀起了一场技术革命，让人类社会从工业时代进入了信息时代。

基于MIS结构的场效应晶体管，占今天所用晶体管的绝大部分（具体比例没查到，可能要高于99%）。你现在拿着的手机里，就有几十亿、上百亿个基于MIS结构的场效应晶体管。[1]

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第10章 半导体的光学性质和光电与发光现象 

第11章 半导体的热电性质 

第12章 半导体磁和压阻效应

第13章 非晶态半导体

第四部分，解决的是【半导体还有什么用】、【介绍特殊的半导体】这两个问题。

光、热、磁效应的研究方法，与电效应是相通的，也是从载流子、能带、温度、杂质这几个方面去研究。看看采取什么措施能调控这些性质，能做出什么有用的器件。

1~12章的内容都是基于半导体晶体，因为我们日常所用的绝大部分半导体，都是晶态半导体。但除此之外，还有一种特殊的半导体——非晶态半导体。

如果要对非晶态半导体进行研究，方法和1~12章是一样的，我们同样按以下顺序，解决非晶态半导体的问题即可：

【半导体是什么】

【半导体中有什么】

【如何调控载流子浓度】   

【如何调控半导体电学性质】

【半导体有什么用（电效应）】

【半导体还有什么用（光热磁）】

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怎么样，现在对半导体物理学的框架有概念了吧？在接下来的学习过程中，一步步解决问题，就能学懂半导体物理了。加油！

怎样学好半导体物理？

武忠祥这个是在营销吗？

PS. 写干货好累啊，一不小心就到一两点了。真吃不消。少熬夜。休息一段时间。

参考文献：[1] 麒麟9000集成153亿晶体管

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