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1、第二章第二章 半导体物理基础半导体物理基础1一、半导体中的电子状态和能带一、半导体中的电子状态和能带21、原子的能级和晶体的能带制造半导体器件所用的材料大多是单晶体。单晶体是由靠得很紧密的原子周期性重复排列而成，相邻原子间距只有几个埃的量级。1埃 () = 10-10米 (m)3一般的晶体结合，可以概括为离子性结合，共价结合，金属性结合和分子结合（范得瓦尔斯结合）四种不同的基本形式。晶体的结合形式晶体的结合形式半导体材料主要靠的是共价键结合。饱和性：一个原子只能形成一定数目的共价键；方向性：原子只能在特定方向上形成共价键；共价键的特点：4The electrons orbit the nucl
2、eus at different distances, depending on their energy level; an electron with less energy orbits close to the nucleus, whereas one of greater energy orbits farther away. The electrons farthest from the nucleus interact with those of neighboring atoms to determine the way solid structures are formed.
3、 原子中的电子在原子核势场和其它电子的作用下，分列在不同的能级上，形成电子壳层，不同支壳层的电子分 别 用 1s; 2s; 2p;3s;3p等符号表示，每一壳层对应于确定的能量。1s2s2p电子能量n=2n=1孤立原子的能级5电子的共有化运动电子的共有化运动当原子相互接近形成晶体时，不同原子的内外各电子壳层之间就有一定程度的交叠，相邻原子最外层交叠最多，内壳层交叠较少。原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全局限在某一原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，因而，电子可以在整个晶体中运动，这种运动称为电子的共有化运动。电子只能在相似壳层间转移；最外层电子的共有化运动最显著；6当两个
4、原子相距很远时，如同两个孤立的原子，每个能级是二度简并的。当两个原子互相靠近时，每个原子中的电子除了受到本身原子势场的作用，还要受到另一个原子势场的作用，其结果是每一个二度简并的能级都分裂为二个彼此相距很近的能级，两个原子靠得越近，分裂得越厉害。当N个原子互相靠近形成晶体后，每一个N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，这时电子不再属于某一个原子而是在晶体中作共有化运动。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。78所有固体中均含有大量的电子，但其导电性却相差很大。量子力学与固体能带论的发展，使人们认识到固体导电性可根据电子填充能带的情况来说明。2、
5、金属、绝缘体与半导体、金属、绝缘体与半导体固体能够导电，是固体中电子在外电场作用下作定向运动的结果。由于电场力对电子的加速作用，使电子的运动速度和能量都发生了变化。也就是说，电子与外电场间发生了能量交换。从能带论的观点来看，电子能量的变化，就是电子从一个能级跃迁到另一个能级上去。9对于所有能级均被电子所占满的能带（满带），在外电场作用下，其电子并不形成电流，对导电没有贡献。- 满带电子不导电。通常原子中的内层电子都是占满满带中的能级，因而内层电子对导电没有贡献。对于被电子部分占满的能带（导带），在外电场作用下，电子可从外电场吸收能量跃迁到未被电子占据的能级去，从而形成电流，起导电作用。- 导带
6、电子有导电能力。10对于金属，由于组成金属的原子中的价电子占据的能带是部分占满的，所以，金属是良好的导体。11电子和空穴电子和空穴左图是一定温度下半导体的能带示意图。图中代表电子，它们在绝对零度时填满价带中所有能级，Ev称为价带顶，它是价带电子的最高能量。在一定温度下，价电子有可能依靠热激发，获得能量脱离共价键，在晶体中自由运动，成为准自由电子。它们也就是能带图中导带上的电子。脱离共价键所需的最小能量就是禁带宽度 Eg，Ec称为导带底，它是导带电子的最低能量。本征激发：价带电子激发成为导带电子的过程。12当价带顶部的一些电子被激发到导带后，价带中就留下了一些空状态。相当于在下图中的共价键上缺少
7、一个电子而出现一个空位。在晶格间隙出现一个导电电子。根据电中性的要求，可以认为这个空状态带有正电荷。因为价带带有空状态后，就会有电流，而价带电子的总电流，就如同一个带正电荷的粒子运动时所产生的电流。因此，通常把价带中空着的状态看成是带正电的粒子，称为空空穴穴。引入这样一个假想的粒子-空穴后，便可以把价带中大量电子对电流的贡献用少量空穴表达出来。半导体中除了导带上电子的导电作用外，还有价带上空穴的导电作用。133、几种常见的半导体材料、几种常见的半导体材料硅硅(Silicon)重要的半导体材料硅、锗等在化学元素周期表中都属于第IV族元素，原子最外层都具有四个价电子。The silicon ato
8、m has 14 electrons, but their natural orbital arrangement allows only the outer four of these to be given to, accepted from, or shared with other atoms. These outer four electrons, called valence electrons, play an important role in the photovoltaic effect. 14例如：硅的最外层电子是3s23p2，应该分裂成N个s能级和3N个p能级，中间夹以
9、禁带。这样的话，硅最外层的4N的电子将填满整个s能级和半填满p能级，根据能带论，Si将是导体。但实际上，硅原子组成晶体时，其 s和p轨道将会由于sp3轨道杂化而形成杂化轨道，结果就形成上下各包含2N个状态的两个能带，因而4N个电子恰好将下面的能带填满而上面的能带全空，形成了价带（满带）和导带，中间隔以禁带。15 Si的晶格常数是0.54nm，密度为2.33x10-3 kg/cm3;Si在室温下的禁带宽度为1.12eV；Si熔点是1420oC；Si的折射率是3.4(5m);16砷化镓（砷化镓（GaAs）由化学元素周期表中的III族和V族元素构成的化合物，都是半导体材料。砷化镓为其中的一个重要代表。这些化合物半导体材料绝大多数具有闪锌矿结构，与金刚石结构类似，所区别的它是由两类不同原子组成。即每个原子被四个其它异族原子所保围。17GaAs的晶格常数为0.564nm，密度为5.3x10-3 kg/cm3;GaAs在室温下的禁带宽度为1.43eVGaAs熔点是1238oC；GaAs的折射率是4.025(0.55m);18
