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1、半导体物理学,刘瑶,广西大学物理学院电子教研室 Email: 2012年,半 导 体 物 第 理 七 学 版,课程简介1,学习目的,课程简介2,特点 系统性 容量大 仍在飞速发展的学科 学习方法 掌握物理概念和物理模型 掌握预备知识,参考书目： 1.黄昆 ,半导体物理基础，科学出版社 2. Donald A.Neamen，半导体物理与器件，电子工业出版社 3.季振国，半导体物理，浙江大学出版社 4.王长安，半导体物理基础，上海科学技术出版社 5.施敏，半导体器件-物理与工艺，科学出版社 6.田敬民， 半导体物理问题与习题，国防工业出版社,1. 半导体概述,什么是半导体？ 半导体(semico
2、nductor)，顾名思义就是指导电性介于导体与绝缘体的物质,半导体的主要特征？ 半导体的电阻率可在很大范围内变化,(1833-1931年)现象观察半导体所具有的负电阻温度系数 、光电导效应、整流效应 、光电池效应 的发现 1931年A.H.Wilson 通过解薛定谔方程发展了能带理论 1947年贝尔实验室发明晶体管,半导体学科发展,1947年Shockley提出p-n结型晶体管，1952年提出第一个场效应管, Ebers发明晶闸管，1958年发明隧道二极管 1958年：杰克-S-基尔比发明第一块集成电路,1959年第一块单片集成系统，在Si衬底制备了真正的集成电路,1971年由Intel公司
3、制造出第一个微处理器4004,半导体材料应用广泛 微电子学：集成电路，量子器件 光电子学：半导体激光器，探测器，光通讯，光电池,半导体元素,2.物质结构,常见的半导体材料,Element semiconductors: Si, Ge,固体材料类型： 晶体 长程有序（至少在微米量级范围有序排列） 非晶体 无序,无定型(非晶) 只在几个原子或分子 尺度内有序,多晶 微米级范围内有序,单晶 整个固体中排列有序,3. 空间晶格,晶体结构的周期性： 基元：构成晶体的基本单元称为基元，由一种原子或多种原子（离子）组成的原子团构成 格点：基元在晶格中的位置用基元中任一点（如重心）作为代表的点 晶格：周期性排
4、列的格点和它们之间的间距所形成的空间点阵 布拉维格子：每个格点周围的情况完全相同的晶格称为布拉维格子 基矢：晶格任一格点可表示为：Rl(r)= l1a1+l2a2+l3a3, a1、a2 和a3为基矢。,二维晶格,原胞（固体物理学原胞）：最小重复单元 每个原胞只有一个格点(基元) 晶胞（结晶学原胞）：为反映对称性选取的最小重复单元的几倍 晶胞的边长称为晶格常数,二维结构,三维结构,晶格常数：晶胞的边长 晶轴：晶胞的三个方向,4. 基本的晶体结构,简立方,体心立方,面心立方,立方晶系晶轴相互垂直，且边长相等的晶胞称为立方晶系的晶胞。,例1,体心立方结构的晶格常数为a=5A，确定其原子体密度。,立
5、方晶胞,原胞,立方晶系的复式格子NaCl结构,复式格子：基元含有2种或2种以上的原子。,一维的复式格子,a,原胞：对于布拉维格子，每个原胞只含有一个原子。 对于复式格子：每个原胞中原子的数目=每个基元中原子数目,金刚石 结构,闪锌矿结构,六方结构hcp,晶系和布拉维晶胞,通常描写晶胞的六个物理量是三个基矢的长度和基矢之间的夹角，如图所示 a，b，c，通常又称为晶格常数，可以由x射线确定 根据a，b，c，的不同，晶格可分为七大晶系和十四种布拉维晶胞,七大晶系,十四种布拉维晶胞,三斜：简单 单斜：简单，底心 正交：简单，体心，面心，底心 四方：简单，体心 六角：简单 三角：简单 立方：简单，体心，
6、面心,属于每一晶系的空间格子，因为重复单元所包括的点子（格点、结点）不同，又可分为一种或几种类型。这样，七个晶系中共有14种重复单元，通常称为14种布拉维晶胞。14种布拉维晶胞中，按每个格子所包含的结点数目，又可分为原始格子、底心格子、体心格子和面心格子四种。,5晶体结构的表征,晶面，晶向和指数 晶体的一个基本特点是具有方向性，沿晶体的不同方向 晶体的性质不同。 晶体中原子排列成的直线称晶列，每个晶列定义一个方向称为晶向 晶向指数：晶面的法向指数 具体方向: 100,晶向指数的确定：如果沿着某一晶向，从一个原子到最近的原子的位移矢量为：Rl(r)= l1a1+l2a2+l3a3, ，则该晶向就
7、用l1、l2、l3来标志，写成l1 l2 l3。标志晶向的这组数称为晶向指数。 以简立方晶格为例,晶面：晶格的格点还可以看成分列在平行等距的平面系上，这样的平面称为晶面，,晶面指数：标志不同的晶面，常用密勒指数。 密勒指数的确定：在晶格中，选一格点为原点，并以3个基矢a1、a2、a3 为坐标轴建立坐标系。该晶面族中任一晶面与3个坐标轴交点的位矢分别为ra1、sa2、ta3，则它们的倒数连比可化为互质的整数，即 其中h、k、l为互质的整数，晶体学中以（hkl）来标志该晶面，称为密勒指数。 相同的晶面簇表示为单形符号：hkl,平面与三个坐标轴的截距分别是1、3和2，于是该平面的密勒指数便是6、2
8、和3，这个面便标作（623）面。,立方晶格的不同晶面,晶向指数是晶面的法向指数,6. 量子化概念,与经典物理相悖的试验现象 光电效应和入射光的频率相关，和入射光强度无关。 物质的波粒二相性 微观粒子表现出波的特性德布罗意波（de broglie） 能量分立（Plank能量子概念） 量子态的能量只能取某些特定的值，而不是随意的,2. 计算波长为0.7A的x光光子能量。,例2,7. 薛定谔波动方程,分离变量法,可得,可看成是与时间无关的发现粒子的概率密度函数,可以得出电子在晶体中的能量分布,-用于研究大量电子在各类量子态中的分布情 况，即具有某种能量值的电子出现的概率。,作业： 1. 面心立方结构的单晶体晶格常数是a=4.75A，求原子的体密度。 2. 已知硅材料的晶格常数a=5.43A,求单位体积原子个数。 3. 确定如图所示晶胞中的晶面的密勒指数。 4. 计算以1105m/s运动的自由电子的动量和德布罗意波长,
