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1、第二章 半导体材料的成份与结构,半导体材料是一种导电能力介于导体与绝缘体之间的材料。,材料按导电能力,一、 固体（半导体）材料的分类：,材料按能带特点,半导体材料按成份分类,半导体材料按结构分类,半导体材料按功能分类,理想晶体的原子排列具有周期性，或长程有序。 晶格晶体中原子排列的具体形式称为晶格（或格子）。,二、晶体结构预备知识,2. 原胞一个晶格的最小的周期性单元。,原胞示意图,3. 晶格基矢原胞的边矢量（单位矢量）。 能通过平移画出整个点阵的最小可能的矢量。,在结晶学中，选某一格点为原点O，任一格点A的格矢为,4. 格矢（平移矢量）,为对应晶轴上的投影，取整数。,为晶轴上的单位矢量。,5
2、. 布拉菲格子由同种原子构成的点阵。 6. 复式格子结点由两种或两种以上原子构成的点阵，各种原子各自构成相同的布拉菲格子，但相互有一个位移，形成一个复式点阵。 7. 晶列布拉菲格子的格点可以看成分布在一系列相互平行的直线系上，这些直线系叫晶列。 8. 晶向每一个晶列定义了一个方向，称为晶向。 如果从一个原子沿晶向到最近的原子的位移矢量为,则晶向就用l1, l2, l3来标志，写成l1 l2 l3晶向指数,晶列,晶向,9. 晶面布拉菲格点还可看成分列在平行等距的平面系上，这样的平面称为晶面。,密勒指数（h1h2h3）： | h1 | 、| h2 | 、| h3 |表示等距的晶面分别把基矢a1、a
3、2、a3分割成多少个等份。,(110),(111),(100),10. 倒格矢,与真实空间的晶格对应，动量空间也有一套相应的点阵，即倒易点阵。 X射线、电子显微镜等利用衍射得到的是倒格子信息。 STM（扫描透视显微镜）得到的是真实空间结构。,正空间基矢 与倒空间基矢 关系：,另外，正空间基矢与倒空间基矢关系：,倒格矢与晶面间距 d,纳米ZnO的XRD及TEM,11. 原子的结合,电负性：获取电子的能力。 轨道杂化：原子中不同轨道的电子结合成晶体时为降低总能量导致的轨道混杂的现象。本质为波函数叠加。,金刚石型结构,金刚石结构 每个原子周围有四个最邻近的原子，这四个原子处于正四面体的顶角上，任一顶
4、角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。 共价键夹角：10928,金刚石结构结晶学原胞 两个面心立方沿立方体空间对角线互相位移了四分之一的空间对角线长度套构而成。 金刚石结构固体物理学原胞 中心有原子的正四面体结构（相同双原子复式晶格） 金刚石结构原子在晶胞内的排列情况 顶角八个，贡献1个原子； 面心六个，贡献3个原子； 晶胞内部4个； 共计8个原子。,硅、锗基本物理参数,晶格常数 硅：0.543089nm 锗：0.565754nm 原子密度 硅：5.001022 锗：4.421022 共价半径 硅：0.117nm 锗：0.122nm,-族化合物半导体材
5、料 结晶学原胞结构特点 两类原子各自组成的面心立方晶格，沿空间对角线方向彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成。,闪锌矿型结构,与金刚石结构的区别 共价键具有一定的极性（两类原子的电负性不同），因此晶体不同晶面的性质不同。 不同双原子复式晶格。 常见闪锌矿结构半导体材料 -族化合物 部分-族化合物，如硒化汞，碲化汞等半金属材料。,纤锌矿型结构,与闪锌矿型结构相比 相同点：以正四面体结构为基础构成 区别： 1. 具有六方对称性，而非立方对称性 2. 共价键的离子性更强 硫化锌、硒化锌、硫化镉、硒化镉等材料均可以闪锌矿型和纤锌矿型两种结构结晶 某些重要的半导体材料以氯化钠型结构结晶。如-族化合物硫
6、化铅、硒化铅、碲化铅等。,第三章 晶体中电子的能带,一. 能带的形成,2. 电子的共有化 由于量子力学的隧道效应，能量低于势垒的价电子也有较大的概率穿越势垒而摆脱单个原子核的束缚。而能量高于势垒的价电子本身已是自由电子。于是，价电子不再被约束于单个原子，而为整个晶体中原子所共有。这称为电子的共有化。 它显然是一种量子效应。,能带的形成和能带的结构 能带的形成: 由于电子的共有化, 使原来原子中的电子能级分裂而形成能带。(实质上是固体中原子相互作用, 相互影响的结果),说明: a. 新能级的能量范围称为能带； b. 由于N极大, E又很小, 故能带内能级可看成是连续的；,（3）价带与导带 价带:
7、 绝对零度时，全满的能带。 对半导体而言，价带中的能级基本上是连续的。全充满的能带中的电子不能产生宏观电流。若受到光照，可吸收足够能量而跳入下一个容许的最高能区，从而使价带变成部分充填，在电场作用下就可以产生宏观电流。 导带: 绝对零度时，全空的能带。,二.导体、绝缘体和半导体的能带结构,2. 绝缘体： 绝缘体的价带为满带，且满带与空带之间的禁带宽度Eg 较大，电子很难跃迁导电。但是，如果外电场很强，使满带中的电子大量跃迁到空带中去，从而绝缘体变成导体，这就是绝缘体的击穿。,绝缘体 半导体 导体,三.空穴,价带一般是满的。 研究价带上电子的途径：电子、空着的状态。,价带空穴,导带电子,空穴：代
8、表价带顶部附近的电子激发到导带后留下的价带空状态。 为了讨论方便而假设的粒子。 电 荷：+e 运动方向：与导带电子方向相反,导电机制 半导体：电子+空穴=载流子 金 属：电子,四. 本征半导体与杂质半导体 1. 本征半导体：不含任何杂质和缺陷的理想半导体。 本征载流子本征半导体中参与导电的电子和空穴； 本征激发电子由满带直接激发到导带中而在满带中留下空穴。 本征导电只由本征载流子参与的导电。,以上杂质能级属于“浅能级”。 N 电 四五 施主导底 P 空 四三 受主满顶,注意 ：P型半导体的多数载流子是空穴， 但仍有少数载流子是电子。,注意：N 型半导体多数载流子是电子，但仍有少数载流子是空穴。
9、,五. 电子的有效质量,有效质量体现了晶格场的影响。 晶体中电子的有效质量并不是电子的静止质量或惯性质量，它是为了讨论方便引入的。 在能带底附近，电子的有效质量为正值。在能带顶附近，电子的有效质量为负值。而在某些点电子的有效质量为无穷大。,有效质量为负,例: 2. 晶体中电子有效质量自由电子质量 周期势场、全同,有了有效质量，晶体中载流子在散射、偏转等问题中可以简化为经典粒子，使问题简化。而直接利用量子力学的波动方程解决将非常困难。,有效质量的意义:它概括了半导体内部势场的作用，使得在解决半导体中电子在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。 有效质量mn*可以直接由实验测定，因而可以很方便地解决电子的运动规律。 有效质量与能量函数对于k的二次微商成反比，能带越窄，二次微商越小，有效质量越大。 内层电子的能带窄，有效质量大 外层电子的能带宽，有效质量小 外层电子在外力的作用下可以获得较大的加速度。,六. 周期场中的电子 晶体中的电子运动服从布洛赫定理： 晶体中的电子是以调幅平面波在晶体中传播。这个波函数称为布洛赫波函数。,求解薛定谔方程，得到电子在周期场中运动时其能量不连续，形成一系列允带和禁带。一个允带对应的k值范围称为布里渊区。,金刚石结构的第一布里渊区是一个十四面体。,
