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1、半导体的物质结构和能带结构 1 半导体的原子结合与晶体结构2 半导体中的电子状态和能带3 半导体中载流子的有效质量 4 半导体中的杂质和缺陷能级5 典型半导体的能带结构6 半导体能带工程概要1泸州职业技术学院胡江泸州职业技术学院胡江半导体的物质结构和能带结构 1 半导体的原子结合与晶体结构2 半导体中的电子状态和能带3 半导体中载流子的有效质量 4 半导体中的杂质和缺陷能级5 典型半导体的能带结构6 半导体能带工程概要2泸州职业技术学院胡江泸州职业技术学院胡江固态晶体具有多种结晶形态，分属固态晶体具有多种结晶形态，分属固态晶体具有多种结晶形态，分属固态晶体具有多种结晶形态，分属7 7大晶系大晶
2、系大晶系大晶系1414种类型。种类型。种类型。种类型。结晶半导体大多数属于立方结晶半导体大多数属于立方结晶半导体大多数属于立方结晶半导体大多数属于立方(cubic)(cubic)晶系和六方晶系和六方晶系和六方晶系和六方(Hexagon)(Hexagon)晶系，且都是四面体晶系，且都是四面体晶系，且都是四面体晶系，且都是四面体(tetradron)(tetradron)结构。结构。结构。结构。只只只只有少数半导体具有其他结构。有少数半导体具有其他结构。有少数半导体具有其他结构。有少数半导体具有其他结构。1 半导体的晶格结构和结合性质半导体的晶格结构和结合性质 固体中原子的结合，归结为固体中原子的
3、结合，归结为固体中原子的结合，归结为固体中原子的结合，归结为5 5种方式。种方式。种方式。种方式。半导体中原半导体中原半导体中原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子的结合以共价键为主，化合物半导体包含有程子的结合以共价键为主，化合物半导体包含有程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。度不等的离子键成分。度不等的离子键成分。度不等的离子键成分。3泸州职业技术学院胡江泸州职业技术学院胡江一、元素的电负性与原子的结合性质一、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
4、，即电负性（子的能力，即电负性（electronegativity）。）。1 1 1 1、电负性的定义、电负性的定义、电负性的定义、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，原子吸引其在化学键中与另一原子之公有电子偶的能力，原子吸引其在化学键中与另一原子之公有电子偶的能力，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。其值为原子的电离能与电子亲和能之和。其值为原子的电离能与电子亲和能之和。其值为原子的电离能与电子亲和能之和。电离能指原子初次电离所需要的能量，亲和能则指中性电离能指原子初次电离所需要的能量，亲和能则指中性电离能指原子初次
5、电离所需要的能量，亲和能则指中性电离能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。原子获得一个电子所释放的能量。原子获得一个电子所释放的能量。原子获得一个电子所释放的能量。4泸州职业技术学院胡江泸州职业技术学院胡江2 2、元素的电负性及其变化规律、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；价电子数相同的原子，电子壳层数越多，电负性越小；价电子数相同的原子，电子壳层数越多，电负性越小；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。电子壳层数相同的原子，价电子数越多，电负性越强。电子壳层数相
6、同的原子，价电子数越多，电负性越强。电子壳层数相同的原子，价电子数越多，电负性越强。一些元素的电负性一些元素的电负性 （PaulingPauling尺度）尺度）Li0Be5B2.0C2.5N3.0O3.5F4.0Ne4.44Na0.9Mg2Al5Si8P2.1S2.5Cl3.0Ar3.46Cu9Zn6Ga6Ge8As2.0Se2.4Br2.8Kr3.24Ag9Cd7In7Sn8Sb9Te2.1I2.3Xe3.02Au2.4Hg9Tl8Pb8Bi9Rn3.0(Phillips(Phillips尺度尺度考虑了价电子的屏蔽考虑了价电子的屏蔽)He 3.58H 2.10Na0.72Mg0.95Al18
7、Si41P64S87Cl2.1Cu0.79Zn0.91Ga13Ge35As57Se79Br2.01Ag0.57Cd0.83In0.99Sn15Sb31Te47I63Au0.64Hg0.79Tl0.94Pb09Bi245泸州职业技术学院胡江泸州职业技术学院胡江3、电负性决定原子的结合性质、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）。少者还须依靠范德瓦尔斯力实现三
8、维的结合）。就化合物的结合而言，电负性差别较大的两种元素倾向于离子就化合物的结合而言，电负性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。性越强。6泸州职业技术学院胡江泸州职业技术学院胡江各种半导体的构成元素大多位于元各种半导体的构成元素大多位于元各种半导体的构成元素大多位于元各种半导
9、体的构成元素大多位于元素周期表中居中的位置，其构成元素周期表中居中的位置，其构成元素周期表中居中的位置，其构成元素周期表中居中的位置，其构成元素的电负性素的电负性素的电负性素的电负性(化合物半导体的平均化合物半导体的平均化合物半导体的平均化合物半导体的平均电负性电负性电负性电负性)属中等水平。属中等水平。属中等水平。属中等水平。4、电负性与半导体、电负性与半导体7泸州职业技术学院胡江泸州职业技术学院胡江二、共价结合与正四面体结构二、共价结合与正四面体结构1 1、原子排列近程序的、原子排列近程序的、原子排列近程序的、原子排列近程序的3 3个基本要素个基本要素个基本要素个基本要素 配位数、键长和键
10、角配位数、键长和键角配位数、键长和键角配位数、键长和键角2 2、共价结合的配位数、共价结合的配位数、共价结合的配位数、共价结合的配位数元素型共价键晶体的配位数遵从元素型共价键晶体的配位数遵从元素型共价键晶体的配位数遵从元素型共价键晶体的配位数遵从8 8NN法则；法则；法则；法则；化合物型共价键晶体的配位数等于其平均价电子数。化合物型共价键晶体的配位数等于其平均价电子数。化合物型共价键晶体的配位数等于其平均价电子数。化合物型共价键晶体的配位数等于其平均价电子数。III-VIII-V、II-VIII-VI化合物的平均价电子数与化合物的平均价电子数与化合物的平均价电子数与化合物的平均价电子数与 IV
11、IV族元素型共价键晶族元素型共价键晶族元素型共价键晶族元素型共价键晶体一样，都是体一样，都是体一样，都是体一样，都是4 4配位。配位。配位。配位。3、正四面体结构（、正四面体结构（Tetrahedron）原子的四配位密排方式；原子的四配位密排方式；4个键角相等，皆为个键角相等，皆为10928。8泸州职业技术学院胡江泸州职业技术学院胡江三、金刚石（三、金刚石（Diamond）结构）结构元素半导体金刚石、硅（元素半导体金刚石、硅（元素半导体金刚石、硅（元素半导体金刚石、硅（SiSi）、锗（）、锗（）、锗（）、锗（GeGe）和灰锡）和灰锡）和灰锡）和灰锡（-Sn-Sn）的晶体结构。）的晶体结构。）的
12、晶体结构。）的晶体结构。金刚石金刚石9泸州职业技术学院胡江泸州职业技术学院胡江晶格结构金金刚石石结构构闪锌矿型型结构构NaClNaCl型型结构构石墨石墨结构构纤锌矿型型结构构CsClCsCl型型结构构10泸州职业技术学院胡江泸州职业技术学院胡江四、闪锌矿和纤锌矿结构四、闪锌矿和纤锌矿结构双原子层的堆垛原则双原子层的堆垛原则11泸州职业技术学院胡江泸州职业技术学院胡江1、闪锌矿、闪锌矿(Zincblende)锌的主要矿石形态锌的主要矿石形态锌的主要矿石形态锌的主要矿石形态(硫化物硫化物硫化物硫化物),),属立方对称晶型。属立方对称晶型。属立方对称晶型。属立方对称晶型。ABCABCABCABC方式
13、堆垛方式堆垛方式堆垛方式堆垛 12泸州职业技术学院胡江泸州职业技术学院胡江闪锌矿型晶体结构和混合键材料材料:-族和-族二元化合物半导体 例:ZnS、ZnSe、GaAs、GaP化学化学键:共价键+离子键 (共价键占优势）极性半导体极性半导体13泸州职业技术学院胡江泸州职业技术学院胡江2、纤锌矿结构、纤锌矿结构(wurtzite)闪锌矿加热到闪锌矿加热到闪锌矿加热到闪锌矿加热到10201020时的变形体，属六方对称晶型。时的变形体，属六方对称晶型。时的变形体，属六方对称晶型。时的变形体，属六方对称晶型。ABABABAB方式堆垛方式堆垛方式堆垛方式堆垛14泸州职业技术学院胡江泸州职业技术学院胡江3、
14、同质异晶型（、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。双原子层堆垛顺序的变化，产生多种不同的晶体结构。双原子层堆垛顺序的变化，产生多种不同的晶体结构。双原子层堆垛顺序的变化，产生多种不同的晶体结构。按按按按ABABABAB顺序堆垛成纤锌矿结构顺序堆垛成纤锌矿结构顺序堆垛成纤锌矿结构顺序堆垛成纤锌矿结构(六方六方六方六方),),常用常用常用常用2H-2H-表示；表示；表示；表示；按按按按ABCABCABCABC顺序堆垛成闪锌矿结构顺序堆垛成闪锌矿结构顺序堆垛成闪锌矿结构顺序堆垛成闪锌矿结构(立方立方立方立方),),用用用用3C-3C-或或或或 -表示；表示；
15、表示；表示；按其他顺序堆垛成混合结构，例如：按其他顺序堆垛成混合结构，例如：按其他顺序堆垛成混合结构，例如：按其他顺序堆垛成混合结构，例如：以以以以ABACABAC为周期堆成为周期堆成为周期堆成为周期堆成4H4H型，其六方结构含量型，其六方结构含量型，其六方结构含量型，其六方结构含量5050；以以以以ABCACBABCACB为周期堆成为周期堆成为周期堆成为周期堆成6H6H型，其六方结构含量型，其六方结构含量型，其六方结构含量型，其六方结构含量3333；以以以以ABACBABCABACBABC为周期堆成为周期堆成为周期堆成为周期堆成8H8H型，其六方结构含量型，其六方结构含量型，其六方结构含量型
16、，其六方结构含量2525；混合结构和六方结构统称为混合结构和六方结构统称为混合结构和六方结构统称为混合结构和六方结构统称为 型型型型；15泸州职业技术学院胡江泸州职业技术学院胡江SiCSiC同质异晶型（同质异晶型（同质异晶型（同质异晶型（polytypepolytype）16泸州职业技术学院胡江泸州职业技术学院胡江由化学元素周期表中的由化学元素周期表中的由化学元素周期表中的由化学元素周期表中的IIIIII族元素硼、铝、镓、铟和族元素硼、铝、镓、铟和族元素硼、铝、镓、铟和族元素硼、铝、镓、铟和 族族族族元素氮、磷、砷、锑交相化合而成的元素氮、磷、砷、锑交相化合而成的元素氮、磷、砷、锑交相化合而成的元素氮、磷、砷、锑交相化合而成的1616种种种种III-III-族化合物族化合物族化合物族化合物半导体和半导体和半导体和半导体和IVIV族化合物碳化硅都具有闪锌矿型晶体结构，族化合物碳化硅都具有闪锌矿型晶体结构，族化合物碳化硅都具有闪锌矿型晶体结构，族化合物碳化硅都具有闪锌矿型晶体结构，但但但但4 4种氮化物和碳化硅也可具有纤锌矿型结构。种氮化物和碳化硅也可具有纤锌矿型结构。种氮化物和碳化硅也可
