半导体物理学 第七版 刘恩科编著chap1.ppt

大连民族学院 刘丹半 导 体 物理SEMICONDUCTOR PHYSICS教材及参考书目v《半导体物理学》刘恩科、朱秉升、罗晋生等编著 ，电子工业出版社v《半导体物理学》叶良修编著，高等教育出版社v《半导体物理基础》黄昆、韩汝琦著，科学出版社v《半导体物理》钱佑华、徐至中编著，高等教育出 版社v《半导体物理学》李名復著，科学出版社v《Semiconductor Physics and Devices-Basic Principles》(USA)(影印版)Donald. A. Neamen著， 清华大学出版社 内容简介v半导体中的电子状态v杂质和缺陷能级v载流子的统计分布v半导体的导电性v非平衡载流子vpn结v金属和半导体的接触v半导体表面及MIS结构v半导体的光学性质和光电效应答疑时间、地点v答疑时间：v答疑地点：综合楼B507v联系方式：liudan@8765613513555986092课程要求v认真听课，适当笔记v按时完成作业v请假事先需有假条第一章 半导体中的电子状态 1·1 半导体的晶格结构和结合性质 Crystal Structure and Bonds in Semiconductors 重点: 1、晶体结结构: (1) 金刚刚石型： Ge、Si (2) 闪锌矿闪锌矿 型： GaAs 2、化合键键: (1) 共价键键： Ge、Si (2) 混合键键： GaAs1.1 半导体的晶格结构和结合性质预备知识 晶体（crystal）v由周期排列的原子构成的物体 重要的半导体晶体v单质：硅、锗v化合物：砷化镓、碳化硅、氮化镓晶格（lattice）：晶体中原子排列的具体形式Crystal Structure and Bonds in Semiconductorsv相同点 用来描述晶体中晶格周期性的最小重复单 元v不同点： 固体物理学：原胞只强调晶格的周期性， 其最小重复单元为原胞 结晶学：晶胞还要强调晶格中原子分布的 的对称性。

原胞和晶胞Crystal Structure and Bonds in Semiconductors几种晶格结构 结晶学晶胞： •简立方:立方体的八 个顶角各有一个原子 Crystal Structure and Bonds in Semiconductors结晶学晶胞： •体心立方： 简立方的中心加进一个原子Crystal Structure and Bonds in Semiconductors结晶学晶胞： •面心立方：简立方的 六个面的中心各有一 个原子Crystal Structure and Bonds in Semiconductors结晶学晶胞： •金刚石结构:同种原子构成的两个面心立方沿体 对角线相对位移套构而成 • 每个晶胞含原子数：Crystal Structure and Bonds in Semiconductors1.金刚石结构和共价键v硅、锗：共价半导体 （IV族元素）v硅、锗晶体结构：金 刚石结构Crystal Structure and Bonds in Semiconductors金刚石结构v每个原子周围有四个 最邻近的原子，这四 个原子处于正四面体 的顶角上，任一顶角 上的原子和中心原子 各贡献一个价电子为 该两个原子所共有， 并形成稳定的共价键 结构。

v共价键夹角：109˚28’Crystal Structure and Bonds in Semiconductors共 价 键键 的 特 点• 1、 饱饱和性 • 2、 方向性 Crystal Structure and Bonds in Semiconductors金刚石结构结晶学原胞v两个面心立方沿立方体空 间对角线互相位移了四分 之一的空间对角线长度套 构而成 金刚石结构固体物理学原胞v中心有原子的正四面体结 构（相同原子构成的复式 晶格）Crystal Structure and Bonds in Semiconductors金刚石结构原子在晶胞内 的排列情况v顶角八个，贡献1个原 子；v面心六个，贡献3个原 子；v晶胞内部4个；v共计8个原子Crystal Structure and Bonds in SemiconductorsØ（111）面的堆积Ø（100）面上的投影Crystal Structure and Bonds in Semiconductors硅、锗基本物理参数Crystal Structure and Bonds in Semiconductorsv晶格常数硅：0.543089 nm锗：0.565754 nmv原子密度硅：5.00×1022锗：4.42×1022v共价半径硅：0.117nm锗：0.122nm2.闪锌矿型结构和混合键结晶学原胞结构特点v两类原子各自组成的面心立方晶格，沿空间 对角线方向彼此位移四分之一空间对角线长 度套构而成。

材料: Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体 例如： GaAs、GaP、SiC、SiGe、 InP、InAs、InSb……… 化学键键: 共价键键+离子键键Crystal Structure and Bonds in SemiconductorsCrystal Structure and Bonds in Semiconductors与金刚石结构的区别v共价键具有一定的极性（两类原子的电负性 不同），因此晶体不同晶面的性质不同v不同双原子复式晶格Crystal Structure and Bonds in Semiconductors3.纤锌矿型结构与闪锌矿型结构相比 相同点v以正四面体结构为基础构成 区别v具有六方对称性，而非立方对称性v共价键的离子性更强Crystal Structure and Bonds in Semiconductors纤维锌矿结纤维锌矿结 构Crystal Structure and Bonds in Semiconductorsv硫化锌、硒化锌、硫化镉、硒化镉等材料均 可以闪锌矿型和纤锌矿型两种结构结晶Crystal Structure and Bonds in Semiconductorsv某些重要的半导体材料以氯化钠型结构结晶 如Ⅳ-Ⅵ族化合物硫化铅、硒化铅、碲化铅等Crystal Structure and Bonds in Semiconductors1.2半导体中的电子状态和能带 Electron States and Energy Bands in Semiconductors1.2.1原子的能级和晶体的能带孤立原子与晶体的区别v单势场中的运动；周期性势场中的共有化运 动v孤立能级；准连续能带1、电子共有化运动v原子中的电子在原子核的势场和其它电子的作 用下，分列在不同的能级上，形成所谓电子壳 层不同支壳层的电子分别用 1s;2s,2p;3s,3p,3d;4s…等符号表示，每一壳层 对应于确定的能量。

v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了一定程度的交叠，相邻 原子最外壳层交叠最多，内壳层交叠较少Electron States and Energy Bands in Semiconductors•原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电子不再完全 局限在某一个原子上，可以由一个原于转移到相邻的原 子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动这种运 动称为电子的共有化运动 •注意：各原子中相似壳层上的电子才有相同的能量，电 子只能在相似壳层间转移•共有化运动的产生是由于 不同原子的相似壳层的交 叠Electron States and Energy Bands in Semiconductors能带成因v当N个原子彼此靠近时，根据不相容原理， 原来分属于N个原子的相同的价电子能级必 然分裂成属于整个晶体的N个能量稍有差别 的能带Electron States and Energy Bands in SemiconductorsElectron States and Energy Bands in SemiconductorsElectron States and Energy Bands in Semiconductors能带特点v分裂的每一个能带称为允带，允带间的能量 范围称为禁带v内层原子受到的束缚强，共有化运动弱，能 级分裂小，能带窄；外层原子受束缚弱，共 有化运动强，能级分裂明显，能带宽。

Electron States and Energy Bands in SemiconductorsN个原子的能级级的分裂• 由于外壳层电层电 子的共 有化运动动加剧剧,原子的 能级级分裂亦加显显著: • • s能级级 N个子带带 • p能级级 3N个子带带 • 出现准 连续能级Electron States and Energy Bands in Semiconductors以金刚石结构单晶硅材料为例v能级sp3杂化后，硅原子最外层有四个能量状 态；若晶体中有N个原子，能级分裂后形成 两个能带，各包含2N个状态v能量高的能带有2N个状态，全空，称为导带 ；能量低的能带有2N个状态，全满，称为满 带或价带Electron States and Energy Bands in Semiconductors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——禁带空带 即导带满带 即价带Electron States and Energy Bands in Semiconductors1.2.2半导体中的电子状态和能带v单电子近似认为：晶体中某一电子的运动是 处于周期性原子核势场和其他大量电子平均 势场中v电子在周期性势场中运动的基本特点和自由 电子（处于零势场中）的运动十分相似Electron States and Energy Bands in Semiconductors自由电子运动规律v基本方程›p = m0v （动量方程）›E = ½ |p|2/m0 （能量方程）›Φ(r,t) = Aei2π(k·r - vt) （波方程）其中k 为波矢，大小等于波长倒数1/λ ，方向 与波面法线平行，即波的传播方向。

Electron States and Energy Bands in Semiconductorsv自由电子能量和动量与平面波频率和波矢的关 系Electron States and Energy Bands in Semiconductorsv考虑一维情况，根据波函数和薛定谔方程，可以求得：v 对于自由电子能量和运动状态之间呈抛物线变化关系； 即自由电子的能量可以是0至无限大间的任何值Electron States and Energy Bands in Semiconductors1.晶体中的薛定谔方程及其解的形式v自由电子的波函数v晶体中电子遵守的薛定谔方程v布洛赫定理及布洛赫波Electron States and Energy Bands in SemiconductorsElectron States and Energy Bands in Semiconductors对于一维情况vuk(x) = uk(x+na) v式中n为整数›与自由电子相比，晶体中的电子在周期性的势场 中运动的波函数与自由电子波函数形式相似，不 过这个波的振幅uk(x)随x作周期性的变化，且变 化周期与晶格周期相同。

——被调幅的平面波Electron States and Energy Bands in Semiconductors对自由电子： 说说明电电子在空间间是等几率分布的，即自由电电子在 空间间作自由运动动。