《半导体物理学简明教程 教学课件 ppt 作者 陈治明 第1章 半导体的物质结构和能带结构2011》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体物理学简明教程 教学课件 ppt 作者 陈治明 第1章 半导体的物质结构和能带结构2011（122页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、西安理工大学电子工程系 马剑平,1,第一章 半导体的物质结构和能带结构,1.1 半导体的原子结合与晶体结构 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.3 半导体中载流子的有效质量 1.4 半导体中的杂质和缺陷能级 1.5 典型半导体的能带结构 1.6 半导体能带工程概要,西安理工大学电子工程系 马剑平,2,第一章 半导体的物质结构和能带结构,1.1 半导体的原子结合与晶体结构 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.3 半导体中载流子的有效质量 1.4 半导体中的杂质和缺陷能级 1.5 典型半导体的能带结构 1.6 半导体能带工程概要,西安理工大学电子工程系 马剑平,3,固态晶体具有多种结晶形态，分
2、属7大晶系14种类型。结晶半导体大多数属于立方(cubic)晶系和六方(Hexagon)晶系，且都是四面体(tetradron)结构。只有少数半导体具有其他结构。,1.1 半导体的晶格结构和结合性质,固体中原子的结合，归结为5种方式。半导体中原子的结合以共价键为主，化合物半导体包含有程度不等的离子键成分。,西安理工大学电子工程系 马剑平,4,一、元素的电负性与原子的结合性质,原子以何种方式结合成固体，完全决定于其得到或失去电子的能力，即电负性（electronegativity）。,1、电负性的定义 原子吸引其在化学键中与另一原子之公有电子偶的能力，其值为原子的电离能与电子亲和能之和。 电离能
3、指原子初次电离所需要的能量，亲和能则指中性原子获得一个电子所释放的能量。,西安理工大学电子工程系 马剑平,5,2、元素的电负性及其变化规律,价电子数相同的原子，电子壳层数越多，电负性越小； 电子壳层数相同的原子，价电子数越多，电负性越强。,一些元素的电负性 （Pauling尺度）,(Phillips尺度考虑了价电子的屏蔽),He 3.58,H 2.10,西安理工大学电子工程系 马剑平,6,3、电负性决定原子的结合性质,就同种元素原子的结合而言，电负性小按金属键结合，电负性大按分子键结合，电负性中按共价键结合（其中共价键数目较少者还须依靠范德瓦尔斯力实现三维的结合）。,就化合物的结合而言，电负性
4、差别较大的两种元素倾向于离子键结合；电负性差别不大的两种元素倾向于共价键结合，但公有电子向电负性较强的一边倾斜，因而具有一定的离子性，形成混合键。构成混合键的两种元素的电负性差别越大，其离子性越强。,西安理工大学电子工程系 马剑平,7,各种半导体的构成元素大多位于元素周期表中居中的位置，其构成元素的电负性(化合物半导体的平均电负性)属中等水平。,4、电负性与半导体,西安理工大学电子工程系 马剑平,8,二、共价结合与正四面体结构,1、原子排列近程序的3个基本要素 配位数、键长和键角,2、共价结合的配位数 元素型共价键晶体的配位数遵从8N法则； 化合物型共价键晶体的配位数等于其平均价电子数。 II
5、I-V、II-VI化合物的平均价电子数与 IV族元素型共价键晶体一样，都是4配位。,3、正四面体结构（Tetrahedron） 原子的四配位密排方式；4个键角相等，皆为10928 。,西安理工大学电子工程系 马剑平,9,三、金刚石（Diamond）结构,元素半导体金刚石、硅（Si）、锗（Ge）和灰锡（-Sn）的晶体结构。,金刚石,西安理工大学电子工程系 马剑平,10,晶格结构,金刚石结构,闪锌矿型结构,NaCl型结构,石墨结构,纤锌矿型结构,CsCl型结构,西安理工大学电子工程系 马剑平,11,四、闪锌矿和纤锌矿结构,双原子层的堆垛原则,西安理工大学电子工程系 马剑平,12,1、闪锌矿(Zin
6、cblende),锌的主要矿石形态(硫化物), 属立方对称晶型。 ABCABC方式堆垛,西安理工大学电子工程系 马剑平,13,闪锌矿型晶体结构和混合键,材料: -族和-族二元化合物半导体,例: ZnS、ZnSe、GaAs、GaP,化学键: 共价键+离子键 (共价键占优势） 极性半导体,西安理工大学电子工程系 马剑平,14,2、纤锌矿结构(wurtzite),闪锌矿加热到1020时的变形体，属六方对称晶型。 ABAB方式堆垛,西安理工大学电子工程系 马剑平,15,3、同质异晶型（polytype）,双原子层堆垛顺序的变化，产生多种不同的晶体结构。 按ABAB顺序堆垛成纤锌矿结构(六方), 常用2
7、H-表示； 按ABCABC顺序堆垛成闪锌矿结构(立方), 用3C-或-表示； 按其他顺序堆垛成混合结构，例如：,以ABAC为周期堆成4H型，其六方结构含量50； 以ABCACB为周期堆成6H型，其六方结构含量33； 以ABACBABC为周期堆成8H型，其六方结构含量25； 混合结构和六方结构统称为型；,西安理工大学电子工程系 马剑平,16,SiC同质异晶型（polytype）,西安理工大学电子工程系 马剑平,17,由化学元素周期表中的III族元素硼、铝、镓、铟和族元素氮、磷、砷、锑交相化合而成的16种III-族化合物半导体和IV族化合物碳化硅都具有闪锌矿型晶体结构，但4种氮化物和碳化硅也可具有
8、纤锌矿型结构。,由化学元素周期表中的族元素锌、镉、汞和族元素硫、硒、碲化合而成的-族化合物，除硒化汞、碲化汞是半金属外其余都是半导体，它们大部分同时具有闪锌矿型结构和纤锌矿型结构。,闪锌矿与纤锌矿结构,西安理工大学电子工程系 马剑平,18,五、半导体的其他结晶类型,1、具有正四面体结构的其他结晶类型 黄铜矿（CuFeS2）型 ，（ I-III-VI2 和 II-IV-V）,2、非四面体结构型半导体 还有一些重要的半导体材料不具有四面体结构，这主要是-族化合物硫化铅、硒化铅和碲化铅，其晶体结构为氯化钠型。,两个 II-VI 族化合物分子中的 II 族原子分别被一个 III 族原子和一个 I 族原
9、子取代，两个 III-VI族化合物分子中的 III 族原子分别被一个 II族原子和一个 IV 族原子取代,西安理工大学电子工程系 马剑平,19,第一章 半导体的物质结构和能带结构,1.1 半导体的原子结合与晶体结构 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.3 半导体中载流子的有效质量 1.4 半导体中的杂质和缺陷能级 1.5 典型半导体的能带结构 1.6 半导体能带工程概要,西安理工大学电子工程系 马剑平,20,1.2 半导体中的电子状态和能带,一 原子的能级和晶体的能带 二 半导体中的电子状态和能带 三导体、半导体、绝缘体的能带,西安理工大学电子工程系 马剑平,21,常用原子的电子结构,一 原
10、子的能级和晶体的能带,西安理工大学电子工程系 马剑平,22,原子外围价电子,Silicon Tetravalent (四价),Boron Trivalent (三价) “Acceptor”,Phosphorus Pentavalent (五价) “Donor”,西安理工大学电子工程系 马剑平,23,二、原子中的电子能级与固体中的电子能带,1、分立原子的凝聚使其孤立能级分裂成带，消除简并,有着完全相同能级结构的N个孤立原子构成的系统，一个原子有几条能级这个系统也只有几条能级；若某条能级在孤立原子中是m度简并的，这条能级在该系统中的简并度就是Nm。但在凝聚为一体时外层电子波函数的交叠使其在所有N个
11、原子间作共有化运动。同时，原子间的相互作用也使其每一能级分裂为能值不同但差别甚小的Nm个能级，从而消除简并，形成一个能量准连续的能带。,按此规则，由s能级分裂而成的能带有N条能级，由p能级分裂而成的能带应有3N条能级。s电子填s带，p电子填p带，如果两带皆被电子填满则为绝缘体，若有一带未满则为金属。,西安理工大学电子工程系 马剑平,24,1 原子的能级和晶体的能带,原子能级 能带,西安理工大学电子工程系 马剑平,25,Solid of N atoms,Two atoms,Six atoms,Electrons must occupy different energies due to Paul
12、i Exclusion principle.,原子中电子能级的形成和晶体的能带,西安理工大学电子工程系 马剑平,26,理论基础:,波粒二象性(Wave-particle Duality) DeBroglie 假设: l = h/p, mV=P=hk,Schrodinger 方程,2 半导体中的电子状态和能带-能带论,周期性势场近似-Bloch 波 电子在周期性势场中运动,其波函数具有Bloch 波形式:(x)=uk(x+na)ei2kx,西安理工大学电子工程系 马剑平,27,自由电子的能级,西安理工大学电子工程系 马剑平,28,Kronig-Penney 模型,西安理工大学电子工程系 马剑平,
13、29,K-P模型 E(k)-k关系,西安理工大学电子工程系 马剑平,30,满带:当所有状态都被电子占据; 金属的价电子能级形成一个半满带；半导体的价电子能级杂化为一个满带和一个空带；绝缘体的价电子能级形成一个满带,三 导体、半导体、绝缘体的能带,西安理工大学电子工程系 马剑平,31,导带、价带；空带、满带,导带:具有空的能级,可以起导电作用的能带. 导带上的本征激发电子很少，本征时可以认为是空带。杂质半导体导带上的电子来源于施主杂质的电离。 价带:已被价电子占满的能带称为价带。 价带上的本征激发空穴很少，本征时可以认为是满带(电子填满)。杂质半导体价带上的空穴来源于受主杂质的电离。,西安理工大
14、学电子工程系 马剑平,32,第一章 半导体的物质结构和能带结构,1.1 半导体的原子结合与晶体结构 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.3 半导体中载流子的有效质量 1.4 半导体中的杂质和缺陷能级 1.5 典型半导体的能带结构 1.6 半导体能带工程概要,西安理工大学电子工程系 马剑平,33,1.3 半导体中载流子的有效质量,一 半导体能带极值附近的 E(k)函数与k的关系 二 导电电子和空穴的有效质量 三 三维K空间的等能面 四 回旋共振,西安理工大学电子工程系 马剑平,34,一、半导体中极值附近E(k)与k的关系,一维E(k)函数极值附近的Ek关系:在能带(导带)底部和(价带) 顶部附
15、近,将E(k)进行泰勒展开.设能带底位于k=0,将E(k)在 k=0附近进行泰勒展开:,对于给定的半导体,此为定值,在 K=0附近,此值为0,称mn*为周期势场中电子处于E(k)极值附近时的有效质量,对极小值，二阶导数0，所以导带底附近电子 mn*为正,西安理工大学电子工程系 马剑平,35,二、导电电子和空穴的有效质量,同样,若能带顶位于k=0,将E(k)在 k=0附近进行泰勒展开:,能带顶电子有效质量mn*,对于能带（价带）顶，二阶导数0，所以价带顶附近电子 mn*为负,西安理工大学电子工程系 马剑平,36,空穴的有效质量,在外力 f 的作用下，价带顶附近电子的加速度可记为,于是该式改写为,
16、式中,称为空穴的有效质量。,对极大值，(d2E/dk2)0，所以价带顶附近电子 mn*为负；,式中,西安理工大学电子工程系 马剑平,37,有效质量的意义,分别代表导带底和价带顶的曲率，反映能量大小对动量变化的敏感程度 电子的加速度是半导体内部势场和外电场作用的综合效果。 因此,有效质量概括了半导体内部势场的作用,直接把外力F和电子的加速度联系起来,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半导体内部势场的具体形式。 有效质量可以由实验测定,方便的解决了电子运动的规律。,西安理工大学电子工程系 马剑平,38,三、三维K空间的等能面,K空间与布里渊区的概念,k空间按E(k)的周期变化分为若干区域，每个区域中E(k)作为k的多值函数重复出现。称边界为1/2a的区域为简略布里渊区。,：布里渊区中心； L：布里渊区边界与（111）轴的交点； X：布里渊区边界与（100）轴的交点； ：布里渊区边界与（110）轴的交点。,西安理工大学电子工程系 马剑平,39,1、导带底不在布里渊区中心的一般情况
