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1、半导体物理学黄 整1半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态 教材:半导体物理学，刘恩科等编著 参考书：半导体物理与器件，Donald A.Neamen著，电子工业出版社 2半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态固体材料分类：绝缘体、半导体、导体、超导体什么是半导体？gap gap3半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态硼碳氮 氧铝硅硫锌 镓锗硒镉 铟锡锑 碲磷砷4半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态运动的描述Minkowski空间：x，y，z，ictpx，py，pz，iE/c守恒量：不确定关系：波粒二象性：5半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态经典描述：x，y
2、，z，t定态描述：px，py，pz，E适于描述晶体中原子核的运动适于描述晶体中电子的运动kx，ky，kz，E也可用于描述晶体中原子核的振动能谱6半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态单胞 对于任何给定的晶体，形成晶体结构的最小单元 称为单胞注：（a）单胞无需是唯一的（b）单胞无需是基本的一、晶体结构7半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态 三维立方单胞简立方 体心立方BCC 面立方 FCC8半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态1。金刚石型晶体结构原子结合形式：共价键晶体结构： 构成一个正四面体， 具有 金 刚 石 晶 体 结 构9半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态
3、具有金刚石型结构的半导体有:元素半导体，如Si、Ge10半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态具有闪锌矿型晶体结构的半导体有: 化合物半导体 如GaAs、InP、ZnS2。闪锌矿型晶体结构11半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态3。纤锌矿型晶体结构具有纤锌矿型晶体结构 的半导体有:化合物半导体如ZnS、 ZnSn、GeS、GeSn12半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态练习1、单胞是基本的、不唯一的单元。（ ）2、按半导体结构来分，应用最为广泛的 是（ ）。3、写出三种立方单胞的名称，并分别计 算单胞中所含的原子数。4、计算金刚石型单胞中的原子数。13半导体物理学 黄整第
4、一章 半导体中的电子状态原子的能级二、电子状态和能带 电子壳层 不同支壳层电子1s；2s，2p；3s，2p，3d； 共有化运动14半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态+14 量子化的电子能级n=3 4个价电子n=28个电子n=1 2个电子SiSi原子的能级总共14个电子15半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态原子的能级的分裂孤立原子的能级4个原子能级的分裂 16半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态大量原子的能级分裂为能带 17半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态Si的能带（价带、导带和带隙）18半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态价带：0K条件下被电子填
5、充的能带导带：0K条件下未被电子填充的能带带隙：导带底与价带顶之间的能量差半导体的能带结构导导 带带价价 带带E Eg gFermi能禁带禁带19半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态自由电子的运动非相对论近似波粒二象性 波函数20半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态晶体中电子的运动薛定谔方程及其解的形式 布洛赫波函数n为整数21半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态动量的量子化=1必须为有理 数，不能为 无理数n为整数，晶格数目22半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态波函数对动量的周期性能量是k的周期函数，准连续的有理数k构成周期性变 化的k空间晶格结构，其晶格参
6、数为：23半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态布里渊区中的能带结构布里渊区第一布里渊区E为k的多值函 数，标为Emm=1m=2m=3m=424半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态面心立方（FCC）晶格的布里渊区k空间为BCC结构第一布里渊区25半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态第一布里渊区26半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态固体材料的能带27半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态绝缘体、半导体和导体28半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态半导体的本征激发：价带上的电子受热激发到 导带的过程。 29半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态练
7、习1、什么是共有化运动？2、画出Si原子结构图（画出s态和p态并注明该能 级层上的电子数）3、电子所处能级越低越稳定。 （ ）4、无论是自由电子还是晶体材料中的电子，他们 在某处出现的几率是恒定不变的。 （ ）5、分别叙述半导体与金属和绝缘体在导电过程中 的差别。30半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态三、半导体中能量E与波矢k的关系设一维导带的底部在波矢k=0处，将E作泰勒展开=0令有效质量E031半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态电子的平均速度在周期性势场内，电子的平均速度u可表示为波 包的群速度 32半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态电子的加速度外加电场E的作
8、用下，电子能量变化电子受力电子加速度33半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态电子有效质量的意义 自由电子只受外力作用；半导体中的电子不仅受 到外力的作用，同时还受半导体内部势场的作用。 意义：有效质量概括了半导体内部势场的作用， 使得研究半导体中电子的运动规律时更为简便。有 效质量可由实验测定。34半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态四、空穴只有非满带电子才可导 电导带电子和价带空穴均 具有导电特性电子带负电-q（导带底 ），空穴带正电+q（价 带顶）35半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态五、k 空间等能面设k=0处为能带极值导带底附近价带顶附近36半导体物理学 黄整
9、第一章 半导体中的电子状态k空间三维的情况为导带底则附近设37半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态具有确定能量E的全部k点构成一个封闭的曲面，称为等能面 理想的等能面为k空间的一个球面为各向同性的38半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态回旋共振考察磁场中半 导体的电子则回旋频率( 角频率)此时频率为wc的 电磁波通过样品 ，要发生共振吸 收，称为回旋吸 收。39半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态如果等能面不是球面而是椭球面，则回旋 共振吸收频率与磁场的方向有关。 可能会出现13个不同的wc。40半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态六、硅和锗的能带结构轻空穴重空穴锗硅一个wc两个wc41半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态七、-族化合物半导体的能带结构锑化铟电子有效 质量很小重空穴， 极大值偏 离中心点轻空穴 旋轨耦合分 裂出来的第 三能带42半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态砷化镓电子有效 质量很小有效质 量较大轻空穴重空穴旋轨耦合 的第三带43半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态八、-族化合物半导体的能带结构碲化镉碲化汞Eg=1.5eVEg=-0.15eV半金属 或零带 隙材料44半导体物理学 黄整第一章 半导体中的电子状态谢谢!45
