半 导 体 物 理SEMICONDUCTOR PHYSICS 第一章 半导体中的电子状态• 半导体的晶体结构和结合性质• 半导体中的电子状态和能带• 半导体中的电子运动• 半导体中的导电机制• 回旋共振• 硅锗能带 重点重点: 1、晶体、晶体结构构: (1) 金金刚石型：石型：Ge、、Si (2) 闪锌矿型：型：GaAs 2、化合、化合键: (1) 共价共价键：：Ge、、Si (2) 混合混合键：：GaAs§§1·1 半导体的晶体结构和结合性质半导体的晶体结构和结合性质 Crystal Structure and Bonds in Semiconductors 1、金刚石型结构和共价键共价键共价键化学键化学键: 构成晶体的结合力构成晶体的结合力. 由同种晶体组成的元由同种晶体组成的元素半导体素半导体,其原子间无负其原子间无负电性差电性差,它们通过共用一它们通过共用一对自旋相反而配对的价对自旋相反而配对的价电子结合在一电子结合在一 起Crystal Structure and Bonds in Semiconductors •金刚石结构•第VI族元素半导体材料硅、锗原子最外层都具有四个价电子。
硅、锗原子通过共价键组合成晶体，其晶格结构属于金刚石型结构这种结构的特点是：每个原子周围都有四个最近邻的原子，组成一个正四面体结构金刚石型结构的结晶学原胞是立方对称的晶胞这种晶胞是两个面心立方晶胞沿立方体的空间对角线互相位移了四分之一的空间对角线套构而成原胞含2个原子Crystal Structure and Bonds in Semiconductors 硅和锗的晶格常数分别为硅和锗的晶格常数分别为0.543089nm0.543089nm和和0.565754nm0.565754nm，从而求，从而求得硅每立方厘米体积内有得硅每立方厘米体积内有5.00×105.00×102222个原子，锗有个原子，锗有4.42×104.42×102222个原子，个原子，两原子间最短距离硅两原子间最短距离硅0.235nm0.235nm，锗为，锗为0.245nm0.245nm，因而它们的共价半径，因而它们的共价半径分别为分别为0.1170.117和和0.122nm0.122nm Crystal Structure and Bonds in Semiconductors 共 价 键 的 特 点：•1、、 饱和性和性 •2、、 方向性方向性 Crystal Structure and Bonds in Semiconductors 金刚石型结构{100}面上的投影Crystal Structure and Bonds in Semiconductors 金刚石结构的结晶学原胞•Si: a=5.43089埃埃 •Ge: a=5.65754埃埃Crystal Structure and Bonds in Semiconductors 2、、闪锌矿结构和混合构和混合键材料材料: ⅢⅢ-ⅤⅤ族和族和ⅡⅡ-ⅥⅥ族二元化合物半导体。
族二元化合物半导体 例如：例如： GaAs、、GaP、、SiC、、SiGe、、InP、、InAs、、InSb……… 化学化学键: 共价共价键+离子离子键Crystal Structure and Bonds in Semiconductors III-V族元素，如：Al，Ga和In和N, P等合成的化合物都是半导体材料，它们绝大多数具有闪锌矿型结构 与金刚石型结构类似，但是此结构由不同的原子构成，两种原子各自组成面心立方晶格，沿空间对角线彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成，与IV族元素半导体的情况类似，这类共价性的化合物半导体中，共价键也是以sp3杂化轨道为基础的 与IV族元素半导体相比的重要区别：在此类共价性化合晶体中具有不同程度的离子性，常称这类半导体为极性半导体闪锌矿型结构和混合键Crystal Structure and Bonds in Semiconductors 闪锌矿结构的结晶学原胞Crystal Structure and Bonds in Semiconductors 3、纤锌矿结构： ZnO、GaN、AlN、ZnS、ZnTe、CdS、CdTe…… Crystal Structure and Bonds in Semiconductors•纤锌矿型结构和闪锌矿型结构相接近，也是以正四面体结构为基础构成的，但是它具有六方对称性。
它是由两类原子各组成六方排列的双原子层堆积而成，但它只有两种类型的六方原子层，它的(001)面规则地按ABAB…顺序堆积，从而构成纤锌矿型结构•氮化物和硫化物半导体材料等 Crystal Structure and Bonds in Semiconductors 重点重点: Ø 电子的共有化运子的共有化运动 Ø 导带、价带与禁带导带、价带与禁带§§1·2 半导体中的电子状态和能带半导体中的电子状态和能带 Electron States and Relating Bonds in Semiconductors 单电子近似：单电子近似： 研究固态晶体中电子的能量状态即假研究固态晶体中电子的能量状态即假设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场及其他电子的平均势场中运动该势场核势场及其他电子的平均势场中运动该势场是具有与晶格同周期的周期性势场是具有与晶格同周期的周期性势场Electron States and Relating Bonds in Semiconductors 固体中电子状态和能带•能带的概念•单原子中的电子：电子在原子核的势场和其它电子的作用下，它们处于不同的能级，即所谓电子壳层。
同一能级中的电子因角动量不同，处于不同支壳层的电子分别用s、p、d等对应于确定的能量 •出现几率：Electron States and Relating Bonds in Semiconductors 1 、原子的能级和晶体的能带(1)孤立原子的能级Electron States and Relating Bonds in Semiconductors 相互靠近的双原子：电子云产生交叠，能级分裂Electron States and Relating Bonds in Semiconductors l 原子相互接近形成晶体时，原子组成晶体产生壳层交叠．电子可以在整个晶体中运动－共有化运动因为原子相似壳层上的电子才有相同的能量，电子只能在相同壳层中转移Electron States and Relating Bonds in Semiconductorsl 从能量角度来看，每个原子上的电子除受到本身原子的势场作用外，还要受到周围原子势场的作用，N个原子组成的晶体结果是一度简并的能级都分裂成N个彼此相距很近的能级，这N个能级组成一个能带分裂的每一个能带都称为允带，允带之间因没有能级称为禁带 u轨道杂化:原子在成键时受到其他原子的作用,原有一些能量较 近的原子轨道重新 组合成新的原子轨道,使轨道发挥 更高的成键效能u简并度:具有相同能量的粒子可以处在不同的量子态(即不同的 波函数),即每一个能级 上可能有若干个不同的量子状 态存在,反映在光谱上就是代表某一能级的谱线, 常常 是由好几条非常接近的精细谱线所构成,量子力学中把 能级可能有的微观状态数称为该能级的简并度 单个原子的能级是分立的，单个原子的能级是分立的，N个相距无限远的原子能个相距无限远的原子能级也是分立的，当固体中级也是分立的，当固体中N个原子紧密排列时，由于原子个原子紧密排列时，由于原子间的相互作用，原来同一大小的能级这时彼此数值上就有间的相互作用，原来同一大小的能级这时彼此数值上就有小的差异。
同一能级就分裂成为一系列和原来能级很接近小的差异同一能级就分裂成为一系列和原来能级很接近的仍包含的仍包含N个能量的新能级这些新能级基本上连成一片个能量的新能级这些新能级基本上连成一片形成能带形成能带能级与能带有何不同？固体的能带怎么形成的？能级与能带有何不同？固体的能带怎么形成的？ Electron States and Relating Bonds in Semiconductors Electron States and Relating Bonds in Semiconductors(2)晶体的能带晶体的能带电子共有化运动电子共有化运动 Electron States and Relating Bonds in Semiconductors能级的分裂能级的分裂能级的分裂能级的分裂 Electron States and Relating Bonds in Semiconductors Electron States and Relating Bonds in Semiconductors N个原子的能级的分裂•由于外壳由于外壳层电子的共有子的共有化运化运动加加剧,原子的能原子的能级分裂亦加分裂亦加显著著: • • s能能级 N个个子子带 • p能能级 3N个个子子带Electron States and Relating Bonds in Semiconductors出现准出现准 连续能级连续能级 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。
Electron States and Relating Bonds in Semiconductors空带空带 即导带即导带满带满带 即价带即价带 描述原子中的电子运动状态有四个量子数： n:1, 2, 3,….n主量子数，代表原子的壳层 l：0,1, 2,… n-2 ,n-1 轨道（角）量子数，代表支壳层 ml:±l, ±(l-1), ±1,0, 轨道磁量子数 ms:±1/2自旋磁量子数主量子n 轨道量子l 磁量子m 总轨道量子数 自旋s 容纳电子数1 0 0 1s 1 ±l 2 2 0 0 2s 1 8 1 -1,0,1 2p 3 3 0 0 3s 1 18 1 -1,0,1 3p 3 2 -2,-1,0,1,2 3d 5 n n-1,…, 1,0 ±l, n2 2n2Electron States and Relating Bonds in Semiconductors END 。