半导体的应用极大的促进了微电子工业的发展，改变了人类的生活方式。化合物半导体的种类极为丰富，对应的半导体参数性质也各不相同，这极大的满足各类应用领域对半导体性质提出的特定需求。化合物半导体的多样性也给对其系统研究带来了困难，不同的化合物半导体材料在应用过程中会涉及到不同的核心物理问题。二氧化硅（SiO2）、铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4）、氮化硼（BN）和砷化铟（InAs）这四种半导体分别涉及到宽禁带半导体的非对称掺杂、影响器件性能的关键缺陷、材料生长中缺陷结构、表面电荷输运等半导体物理中基态性质和激发态动力学的关键问题，对这些半导体物理问题的理解研究可以拓展这些半导体材料在相关领域的应用前景。本文通过基于密度泛函理论的第一性原理计算和含时密度泛函理论的激发态动力学分别对它们进行了系统的研究，得到了以下四个方面的创新性结果，1.以二氧化硅（SiO2）为例研究宽禁带半导体的非对称掺杂问题。为了适应微电子器件在极端条件下和高性能领域的应用，人们对半导体材料提出了宽禁带、耐高温、高迁移率等新的要求。但是宽禁带半导体在掺杂过程中会遇到非对称掺杂问题。我们通过系统的研究SiO2的替位掺杂特性发现，并没有发现施主能级和受主能级位置的非对称掺杂性质，仅在替位掺杂缺陷的形成能中有稍许的非对称性。通过GGA+U方法，能够正确实现对SiO2中替位杂质缺陷局域结构的正确描述，符合电子顺磁共振实验的结果。SiO2可以实现浅（相对于SiO2的带隙值）的施主过渡能级和受主过渡能级。计算表明最好的p型和n型替位掺杂缺陷分别为AlSi（价带顶以上0.86eV）和PS（i导带底以下0.74eV），计算得到的过渡能级和实验测量吻合。这些发现坚实的证明了宽禁带半导体材料不一定会引入非对称掺杂问题。2.铜锌锡硫（CZTS）半导体中本征缺陷问题的研究。CZTS是铜铟硒（CIS）半导体在太阳能电池领域的完美替代品，组成CZTS的四种元素都是地壳中储量丰富、廉价、而且对环境无害的元素，它能够克服生产CIS太阳能电池遇到的原材料供应问题。尤其是近几年在光电转换效率的巨大提高，加速了CZTS的应用。对于四元化合物半导体来说，可能存在的本征缺陷类型很多，直接在实验中辨别对半导体性质有明显影响的缺陷是非常困难的。而且对CZTS的缺陷理论研究还不够充分，在涉及CZTS的导电类型和影响器件性能的关键缺陷仍然存在争论。我们通过杂化泛函的计算揭示了影响CZTS性能的关键本征缺陷。缺陷团簇(Cu3)Sn和反位缺陷SnZn被证明是CZTS中主要的少数载流子束缚缺陷。计算结果从微观上解释了CZTS的最优生长条件，即Cu缺乏和Zn富集的最优生长条件是为了抑制缺陷团簇(Cu3)Sn和反位缺陷SnZn的产生。在最优生长条件下，VCu是CZTS中提供空穴载流子最主要的缺陷，尽管VCu的缺陷浓度远远小于另外一个受主缺陷CuZn。除此以外，计算中没有发现负形成能的缺陷存在，表明CZTS是一种热力学稳定的材料。3．氢（H）在氮化硼（BN）生长过程中缺陷行为的研究。BN包括两种常见构型，六方BN（hBN）和立方BN（cBN），它们拥有良好的润滑性能和机械性能，还具有耐高温、耐腐蚀、绝缘性能好等特点。基于BN半导体广阔且重要的应用前景，全世界范围内的众多科研人员对其表现出了浓厚的研究兴趣。BN最大的问题来自于单晶的合成问题，BN在生长过程中存在大量H，直接影响了其合成质量，但是H在BN生长过程中的缺陷行为却鲜有讨论，是值得进一步探索的关键问题。我们通过研究H在BN晶体中的热力学行为和振动性质发现，H更容易以H2分子或H2**缺陷团簇形式存在于hBN中而不是cBN中。令人意外的是，这些H2分子或H2**缺陷团簇会自发形成团簇集合。在H存在的条件下，cBN的形成受到抑制。因此，Al在hBN中引入的sp3晶核会迅速的被钝化掉。解释了为什么Al的掺杂不会明显的促进hBN向cBN的转变的原因。4.砷化铟（InAs）表面量子photo-Dember效应的研究。飞秒激光在InAs半导体表面进行激发后可以产生THz辐射，这种现象可以用photo-Dember效应来解释，但对photo-Dember效应的理解还局限在半经典理论框架下。这种解释在量子力学角度框架下存在其固有的局限，比如表面载流子的动力学弛豫过程和降温过程都是有非绝热过程所主导，表面态载流子的弛豫过程会涉及到强烈的载流子-离子之间的相互作用。因此，从量子力学角度框架下重新理解在半导体表面产生THz辐射的电荷输运过程是十分必要的。我们通过基于含时密度泛函理论的激发态动力学揭示了半导体表面量子photo-Dember效应的存在。与当前理解相反的是，半导体表面有着无限大质量的载流子可以以高达106cm/s的速度向半导体内部传播。这种传播是由电子-声子耦合产生的。这种耦合不仅发生在表面态上，我们认为量子photo-Dember效应可以存在表面激发的任何态上，即使是在半经典部分占主导的区间。电子-声子耦合通常会以散射或者形成电荷偶极的方式降低载流子的扩散速度。我们的结果给出了一个相反的情况，即耦合可以促进载流子的扩散。