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1、2022/5/241n1、晶面表示方法：、晶面表示方法：(1) 平面截距：平面截距：3，2，1(2) 倒数：倒数：1/3，1/2，1/1(3) 倒数乘以最小公分母：倒数乘以最小公分母：2，3，6平面用平面用(236)标记，这些整数称为密勒指数。标记，这些整数称为密勒指数。晶面可用密勒指数（截距的倒数）来表示：晶面可用密勒指数（截距的倒数）来表示：(hkl)Si和锗是元素半导体，GaAs是化合物半导体求晶体中的原子体密度求晶体中的原子体密度体密度体密度=(等效原子个数等效原子个数)/(晶胞体积晶胞体积)金刚石等效为8个原子；原则：顶点算八分之一，面上算二分之一，体内算为一个。2022/5/242
2、n简立方晶体的三种晶面简立方晶体的三种晶面 (100) (110) (111) 1.3空间晶格空间晶格1.3.3 晶面与密勒指数晶面与密勒指数2022/5/2431.5.1 固体中的缺陷固体中的缺陷晶体缺陷晶体缺陷指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。几何形态几何形态：点缺陷、线缺陷、点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。面缺陷、体缺陷。形成原因形成原因：热缺陷、杂质缺陷、热缺陷、杂质缺陷、非化学计量缺陷等。非化学计量缺陷等。I.晶体缺陷的含义晶体缺陷的含义II.晶体缺陷的分类晶体缺陷的分类硅硅(Si)和锗和锗(Ge)都具有金刚石结构。都具有金刚石结
3、构。GaAs是闪是闪(铅铅)锌矿结构锌矿结构2022/5/244 热热缺缺陷陷是是指指由由热热起起伏伏的的原原因因所所产产生生的的空空位位或或间间隙隙质质点点（原原子子或或离离子子），是是所所有有晶晶体体都都有有的的一一类类缺缺陷陷。随随温温度度升升高，热缺陷浓度指数增加。高，热缺陷浓度指数增加。热缺陷（晶格振动缺陷）热缺陷（晶格振动缺陷）1.5.1 固体中的缺陷固体中的缺陷点缺陷（空位缺陷和填隙缺陷）点缺陷（空位缺陷和填隙缺陷） 对对于于实实际际的的晶晶体体，某某特特定定晶晶格格格格点点的的原原子子可可能能缺缺失失，这这种种缺缺陷陷称称为为空空位位。在在其其他他位位置置，原原子子可可能能嵌嵌
4、于于格格点点之之间间，这这种缺陷称为种缺陷称为填隙填隙。2022/5/245n 掺杂掺杂为为了了改改变变导导电电性性而而向向半半导导体体材材料料中中加加入入杂杂质质的的技技术术称称为为掺掺杂杂。两种掺杂方式为填两种掺杂方式为填(间间)隙杂质和替位杂质隙杂质和替位杂质 通常有两种掺杂方法：杂质扩散和离子注入通常有两种掺杂方法：杂质扩散和离子注入。第第V族元素和第族元素和第族元素掺杂一般为替位式掺杂？族元素掺杂一般为替位式掺杂？一一般般半半导导体体为为SiSi或或GeGe元元素素形形成成的的半半导导体体，而而他他们们位位于于第第族族，所所以以第第V V族族元元素素和和第第族族元元素素与与第第族族元
5、元素素的的原原子子大大小接近，所以一般为替位式掺杂。小接近，所以一般为替位式掺杂。n如果如果Si、Ge中的中的、族杂质浓度不太高，在包括室温的相当族杂质浓度不太高，在包括室温的相当宽的温度范围内，宽的温度范围内，杂质几乎全部离化杂质几乎全部离化，此情况为轻掺杂，此情况为轻掺杂2022/5/246间隙式杂质，替位式杂质间隙式杂质，替位式杂质n杂质进入半导体后可以存在于晶格杂质进入半导体后可以存在于晶格原子之间的间隙位置上，称为间隙原子之间的间隙位置上，称为间隙式杂质，间隙式杂质原子一般较小。式杂质，间隙式杂质原子一般较小。n也可以取代晶格原子而位于格点上，也可以取代晶格原子而位于格点上，称为替（
6、代）位式杂质，替位式杂称为替（代）位式杂质，替位式杂质通常与被取代的晶格原子大小比质通常与被取代的晶格原子大小比较接近而且电子壳层结构也相似。较接近而且电子壳层结构也相似。图图 替位式杂质和间隙式杂质替位式杂质和间隙式杂质 、族元素掺入族元素掺入族的族的Si或或Ge中形成替位式杂质，用单位体积中中形成替位式杂质，用单位体积中的杂质原子数，也就是杂质浓度来的杂质原子数，也就是杂质浓度来定量描述杂质含量多少，杂质浓度定量描述杂质含量多少，杂质浓度的单位为的单位为1/cm3 。非本征半导体：非本征半导体：掺杂半导体掺杂半导体4.2 掺杂原子与能级掺杂原子与能级 4.2.1 定性描述定性描述2022/
7、5/247n三个基本原理三个基本原理 能量量子化原理（普朗克提出）能量量子化原理（普朗克提出） 波粒二相性原理（德布罗意提出）波粒二相性原理（德布罗意提出） 不确定原理（测不准原理）不确定原理（测不准原理）(海森堡提出海森堡提出)2.1 量子力学的基本原理量子力学的基本原理概率密度函数是一个与坐标无关的常量。概率密度函数是一个与坐标无关的常量。具有明确动量具有明确动量意义的自由粒子在空间任意位置出现的概率相等，这个意义的自由粒子在空间任意位置出现的概率相等，这个结论与海森堡的不确定原理是一致的，即准确的动量对结论与海森堡的不确定原理是一致的，即准确的动量对应不确定的位置。应不确定的位置。粒子的
8、能量是不连续的，其能量是各个分立的能量确定值，称为能级，其粒子的能量是不连续的，其能量是各个分立的能量确定值，称为能级，其值由主量子数值由主量子数n决定。决定。 ！2022/5/248三个对半导体材料分析有用的结论三个对半导体材料分析有用的结论第第一一个个结结论论是是对对应应简简单单势势函函数数的的薛薛定定谔谔波波动动方方程程解解引引出出的的电子概率函数；电子概率函数；第二个结论是束缚态电子能级的量子化；第二个结论是束缚态电子能级的量子化；第三个结论是由分离变量引出的量子数和量子态的概念。第三个结论是由分离变量引出的量子数和量子态的概念。（）主量子数（）主量子数n：决定体系能量：决定体系能量E
9、或电子离核远近距离或电子离核远近距离r。（2）角量子数）角量子数l:确定原子轨道的形状并在多电子原子中和主量子数一确定原子轨道的形状并在多电子原子中和主量子数一起决定电子的能级。起决定电子的能级。 （3）磁量子数）磁量子数m:决定原子轨道在空间的取向的个数。决定原子轨道在空间的取向的个数。（4）自旋量子数：只决定电子运动状态与薛定谔方程无关。）自旋量子数：只决定电子运动状态与薛定谔方程无关。n l m s 四个量子数四个量子数2022/5/249本征激发：本征激发：导带电子唯一来源于成对地产生电子导带电子唯一来源于成对地产生电子-空穴对因此导带电空穴对因此导带电子浓度就等于价带空穴浓度。子浓度
10、就等于价带空穴浓度。本征激发的特点：本征激发的特点：成对的产生导带电子和价带空穴。成对的产生导带电子和价带空穴。允带允带(允许电子存在的能带允许电子存在的能带)是准连续的是准连续的禁带宽度：禁带宽度：价带顶和导带底之间的带隙能量价带顶和导带底之间的带隙能量Eg即为禁带宽度。即为禁带宽度。3.2 固体中电的传导固体中电的传导 3.2.1 能带和键模型能带和键模型激发过程受电子跃迁过程和能量最低原理制约，激发过程受电子跃迁过程和能量最低原理制约，半导体中真正对导电半导体中真正对导电有贡献的是那些导带底部附近的电子和价带顶部附近电子跃迁后留下有贡献的是那些导带底部附近的电子和价带顶部附近电子跃迁后留
11、下的空态的空态(等效为空穴等效为空穴)。 换言之，半导体中真正起作用的是那些能量状态位于能带极值附换言之，半导体中真正起作用的是那些能量状态位于能带极值附近的电子和空穴。近的电子和空穴。2022/5/2410n在图在图 (a)中，中，A点的状态和点的状态和a点的状态完点的状态完全相同，也就是由布里渊区一边运动出全相同，也就是由布里渊区一边运动出去的电子在另一边同时补充进来，因此去的电子在另一边同时补充进来，因此电子的运动并不改变布里渊区内电子分电子的运动并不改变布里渊区内电子分布情况和能量状态，所以满带电子即使布情况和能量状态，所以满带电子即使存在电场也不导电。存在电场也不导电。n但对于图但对
12、于图(b)的半满带，在外电场的作用的半满带，在外电场的作用下电子的运动改变了布里渊区内电子的下电子的运动改变了布里渊区内电子的分布情况和能量状态，电子吸收能量以分布情况和能量状态，电子吸收能量以后跃迁到未被电子占据的能级上去了，后跃迁到未被电子占据的能级上去了，因此半满带中的电子在外电场的作用下因此半满带中的电子在外电场的作用下可以参与导电。可以参与导电。 满带与半满带满带与半满带满带满带=价带价带半满带半满带=导带导带3.2 固体中电的传导固体中电的传导 3.2.1 能带和键模型能带和键模型2022/5/2411 (a) T=0K (b) T0K (c) 简化能带图简化能带图nT=0K的半导
13、体能带见图的半导体能带见图 (a)，这时半导体的价带是满带，而，这时半导体的价带是满带，而导带是空带，故半导体不导电。导带是空带，故半导体不导电。n当温度升高或在其它外界因素作用下，原先空着的导带变为当温度升高或在其它外界因素作用下，原先空着的导带变为半满带，而价带顶附近同时出现了一些空的量子态也成为半半满带，而价带顶附近同时出现了一些空的量子态也成为半满带，这时导带和价带中的电子都可以参与导电，见图满带，这时导带和价带中的电子都可以参与导电，见图 (b)。n常温下半导体价带中已有不少电子被激发到导带中，因而具常温下半导体价带中已有不少电子被激发到导带中，因而具备一定的导电能力。图备一定的导电
14、能力。图 (c)是最常用的简化能带图。是最常用的简化能带图。 半导体的能带半导体的能带 3.2 固体中电的传导固体中电的传导 3.2.1 能带和键模型能带和键模型2022/5/2412n粒子所受作用力粒子所受作用力粒子所受外力粒子所受外力内力内力粒子静止质量粒子静止质量加速度加速度粒子粒子有效质量，包括了粒子有效质量，包括了粒子的质量以及内力作用的效果。的质量以及内力作用的效果。加速度加速度3.2 固体中电的传导固体中电的传导 3.2.3 电子的有效质量电子的有效质量2022/5/2413有效质量的意义有效质量的意义n上上述述半半导导体体中中电电子子的的运运动动规规律律公公式式都都出出现现了了
15、有有效效质质量量mn*，原原因因在在于于F=mn*a中的中的F并不是电子所受力的总和。并不是电子所受力的总和。n即即使使没没有有外外力力作作用用，半半导导体体中中电电子子也也要要受受到到格格点点原原子子和和其其它它电电子子的的作作用用。当当存存在在外外力力时时，电电子子所所受受合合力力等等于于外外力力再再加加上上原原子子核核势势场场和其它电子势场力。和其它电子势场力。n由由于于找找出出原原子子势势场场和和其其他他电电子子势势场场力力的的具具体体形形式式非非常常困困难难，这这部部分分势势场场的的作作用用就就由由有有效效质质量量mn*加加以以概概括括，mn*有有正正有有负负正正是是反反映映了了晶体
16、内部势场的作用。晶体内部势场的作用。n既既然然mn*概概括括了了半半导导体体内内部部势势场场作作用用，外外力力F与与晶晶体体中中电电子子的的加加速速度就通过度就通过mn*联系了起来而不必再涉及内部势场。联系了起来而不必再涉及内部势场。3.2 固体中电的传导固体中电的传导 3.2.3 电子的有效质量电子的有效质量导带底部的电子与价带顶部的空穴有效质量都为正值，价带顶部的电子和导带底部的空穴有效质量都为负值2022/5/2414n一一定定温温度度下下，价价带带顶顶附附近近的的电电子子受受激激跃跃迁迁到到导导带带底底附附近近，此此时时导导带带底底电电子子和和价价带带中中剩剩余余的的大大量量电电子子都都处处于于半半满满带带当当中中，在外电场的作用下，它们都要参与导电。在外电场的作用下，它们都要参与导电。n对对于于价价带带中中电电子子跃跃迁迁出出现现空空态态后后所所剩剩余余的的大大量量电电子子的的导导电电作作用，可以等效为少量空穴的导电作用。用，可以等效为少量空穴的导电作用。n空空穴穴具具有有以以下下的的特特点点：(1)带带有有与与电电子子电电荷荷量量相相等等但但符符号号相相反反的的+q电电荷荷
