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1、大连民族学院 刘丹,半 导 体 物理 SEMICONDUCTOR PHYSICS,教材及参考书目,半导体物理学刘恩科、朱秉升、罗晋生等编著，电子工业出版社 半导体物理学叶良修编著，高等教育出版社 半导体物理基础黄昆、韩汝琦著，科学出版社 半导体物理钱佑华、徐至中编著，高等教育出版社 半导体物理学李名復著，科学出版社 Semiconductor Physics and Devices-Basic Principles(USA)(影印版)Donald. A. Neamen著，清华大学出版社,内容简介,半导体中的电子状态 杂质和缺陷能级 载流子的统计分布 半导体的导电性 非平衡载流子 pn结 金属和
2、半导体的接触 半导体表面及MIS结构 半导体的光学性质和光电效应,答疑时间、地点,答疑时间： 答疑地点：综合楼B507 联系方式：8765613513555986092,课程要求,认真听课，适当笔记 按时完成作业 请假事先需有假条,第一章 半导体中的电子状态,11 半导体的晶格结构和结合性质 Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,重点: 1、晶体结构: (1) 金刚石型： Ge、Si (2) 闪锌矿型： GaAs 2、化合键: (1) 共价键： Ge、Si (2) 混合键： GaAs,1.1 半导体的晶格结构和结合性质,预备知识 晶体（cr
3、ystal） 由周期排列的原子构成的物体 重要的半导体晶体 单质：硅、锗 化合物：砷化镓、碳化硅、氮化镓,晶格（lattice）：晶体中原子排列的具体形式,Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,相同点 用来描述晶体中晶格周期性的最小重复单元 不同点： 固体物理学：原胞只强调晶格的周期性，其最小重复单元为原胞 结晶学：晶胞还要强调晶格中原子分布的的对称性。,原胞和晶胞,Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,几种晶格结构,结晶学晶胞： 简立方:立方体的八个顶角各有一个原子。,Crystal
4、Structure and Bonds in Semiconductors,结晶学晶胞： 体心立方： 简立方的中心加进一个原子。,Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,结晶学晶胞： 面心立方：简立方的六个面的中心各有一个原子。,Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,结晶学晶胞： 金刚石结构:同种原子构成的两个面心立方沿体对角线相对位移套构而成。每个晶胞含原子数：,Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,1.金刚石结构和共价键,硅、锗：共
5、价半导体（IV族元素） 硅、锗晶体结构：金刚石结构,Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,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,Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,共 价 键 的 特 点,1、 饱和性 2、 方向性,Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,金刚石结构结晶学原胞 两个面心立
6、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（相同原子构成的复式晶格）,Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,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。,Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,（111）面的堆积,（100）面上的投影,Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,硅、锗基本物理参数,
7、Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,晶格常数硅：0.543089 nm锗：0.565754 nm 原子密度硅：5.001022锗：4.421022 共价半径硅：0.117nm锗：0.122nm,2.闪锌矿型结构和混合键,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。,材料: -族和-族二元化合物半导体。 例如：,GaAs、GaP、SiC、SiGe、InP、InAs、InSb,化学键: 共价键+离子键,Crystal Structure and Bonds in Semicond
8、uctors,Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,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。,Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,3.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 具有六方对称性，而非立方对称性 共价键的离子性更强,Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,纤维锌矿结构,Crystal Structure and Bo
9、nds in Semiconductors,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,Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,某些重要的半导体材料以氯化钠型结构结晶 如-族化合物硫化铅、硒化铅、碲化铅等,Crystal Structure and Bonds in Semiconductors,1.2半导体中的电子状态和能带 Electron States and Energy Bands in Semiconductors,1.2.1原子的能级和晶体的能带孤立原子与晶体的区别 单势场中的运动；周期性势场中的共
10、有化运动 孤立能级；准连续能带,1、电子共有化运动 原子中的电子在原子核的势场和其它电子的作用下，分列在不同的能级上，形成所谓电子壳层不同支壳层的电子分别用1s;2s,2p;3s,3p,3d;4s等符号表示，每一壳层对应于确定的能量。当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子壳层之间就有了一定程度的交叠，相邻原子最外壳层交叠最多，内壳层交叠较少。,Electron States and Energy Bands in Semiconductors,原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原于转移到相邻的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动。这种运
11、动称为电子的共有化运动 注意：各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量，电子只能在相似壳层间转移。,共有化运动的产生是由于不同原子的相似壳层的交叠,Electron States and Energy Bands in Semiconductors,能带成因 当N个原子彼此靠近时，根据不相容原理，原来分属于N个原子的相同的价电子能级必然分裂成属于整个晶体的N个能量稍有差别的能带。,Electron States and Energy Bands in Semiconductors,Electron States and Energy Bands in Semiconductors,Electro
12、n States and Energy Bands in Semiconductors,能带特点 分裂的每一个能带称为允带，允带间的能量范围称为禁带 内层原子受到的束缚强，共有化运动弱，能级分裂小，能带窄；外层原子受束缚弱，共有化运动强，能级分裂明显，能带宽。,Electron States and Energy Bands in Semiconductors,N个原子的能级的分裂,由于外壳层电子的共有化运动加剧,原子的能级分裂亦加显著: s能级 N个子带 p能级 3N个子带,Electron States and Energy Bands in Semiconductors,以金刚石结构单晶
13、硅材料为例 能级sp3杂化后，硅原子最外层有四个能量状态；若晶体中有N个原子，能级分裂后形成两个能带，各包含2N个状态。 能量高的能带有2N个状态，全空，称为导带；能量低的能带有2N个状态，全满，称为满带或价带。,Electron States and Energy Bands in Semiconductors,金刚石型结构价电子的能带: 对于由N个原子组成的晶体，共有4N个价电子位于满带（价带）中，其上的空带就是导带，二者之间是不允许电子状态存在的禁区禁带。,空带 即导带,满带 即价带,Electron States and Energy Bands in Semiconductors,1
14、.2.2半导体中的电子状态和能带,单电子近似认为：晶体中某一电子的运动是处于周期性原子核势场和其他大量电子平均势场中 电子在周期性势场中运动的基本特点和自由电子（处于零势场中）的运动十分相似,Electron States and Energy Bands in Semiconductors,自由电子运动规律 基本方程 p = m0v （动量方程） E = |p|2/m0 （能量方程） (r,t) = Aei2(kr - vt) （波方程）其中k 为波矢，大小等于波长倒数1/ ，方向与波面法线平行，即波的传播方向。,Electron States and Energy Bands in Sem
15、iconductors,自由电子能量和动量与平面波频率和波矢的关系,Electron States and Energy Bands in Semiconductors,考虑一维情况，根据波函数和薛定谔方程，可以求得：对于自由电子能量和运动状态之间呈抛物线变化关系；即自由电子的能量可以是0至无限大间的任何值。,Electron States and Energy Bands in Semiconductors,1.晶体中的薛定谔方程及其解的形式,自由电子的波函数晶体中电子遵守的薛定谔方程布洛赫定理及布洛赫波,Electron States and Energy Bands in Semicon
16、ductors,Electron States and Energy Bands in Semiconductors,对于一维情况 uk(x) = uk(x+na) 式中n为整数 与自由电子相比，晶体中的电子在周期性的势场中运动的波函数与自由电子波函数形式相似，不过这个波的振幅uk(x)随x作周期性的变化，且变化周期与晶格周期相同。被调幅的平面波,Electron States and Energy Bands in Semiconductors,对自由电子： 说明电子在空间是等几率分布的，即自由电子在空间作自由运动。波矢k描述自由电子的运动状态。,对半导体-晶体中的电子： 说明分布几率是晶格的周期函数，但对每个原胞的相应位置，电子的分布几率一样的。这里的波矢k描述晶体中电子的共有化运动状态。,
