《半导体物理》教案.doc

PAGE PAGE 84 《半导体物理》 教案 半导体中的电子状态 §1.1 晶体结构预备知识，半导体晶体结构 本节内容： 1.晶体结构的描述（有关的名词） 格点：空间（一维或多维）点阵中的点（结点） 晶列：通过任意；两格点所作的（晶列上有一系列格点） 晶向：在坐标系中晶列的方向（确定晶向的方法待定）用晶向指数表示；如[110]。 晶面：通过格点作的平面。一组平行的晶面是等效的，其中任意两晶面上的格点排列是相同的，且面间距相等。晶面用晶面指数（密勒指数）表示，如（111），（100）…… 反映晶体周期性的重复单元，有两种选取方法： 在固体物理学中——选取周期最小的重复单元，即原胞。 在晶体学中——由对称性取选最小的重复单元，即晶胞（单胞） 基矢：确定原胞（晶胞）大小的矢量。原胞（晶胞）以基矢为周期排列，因此，基矢的大小又成为晶格常数。 晶轴：以（布拉菲）原胞（或晶胞）的基矢为坐标轴——晶轴 格矢：在固体物理学中，选某一格点为原点O，任一格点A的格矢 ＝++，、、为晶轴上的投影，取整数，、、为晶轴上的单位矢量。 在结晶学中（用的较多），选某一格点为原点O，任一格点A的格矢 ＝++，、、为对应晶轴上的投影，取有理数，、、为晶轴上的单位矢量。 晶列指数及晶向：格矢在相应晶轴上投影的称作晶列指数，并用以表示晶向，即格矢所在的晶列方向。 固体物理学中，表示为[ ]，投影为负值时，l的数字上部冠负号。等效晶向用 表示。 晶面：通过格点作的平面，用晶面指数表示。 晶面指数：表示晶面的一组数。 晶向与晶面的关系：在正交坐标系中，晶面指数与晶面指数相同时，晶向垂直于晶面。 2.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。 体心立方：简立方的中心加进一个原子。 面心立方：简立方的六个面的中心各有一个原子。 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体对角线的套构而成。 每个晶胞含原子数：8（顶角）＋6（面心）＋4（体心）＝8个 如果只考虑晶格的周期性，可用固体物理学原胞表示： 简立方原胞：与晶胞相同，含一个原子。 体心立方原胞：为棱长a的简立方，含一个原子。 面心立方原胞：为棱长a的菱立方，由面心立方体对角线的；两个原子和六个面心原子构成，含一个原子。 金刚石结构原胞：为棱长a的菱立方，由体对角线的两个原子和六个面心原子构成棱立方，其内包含一个距顶角体对角线的原子，因此，原胞共含有2个原子。 3.半导体硅、锗的晶体结构（金刚石型结构） 4.闪锌矿型结构 课程重点：半导体硅、锗的晶体结构（金刚石型结构）及其特点；半导体的闪锌矿型结构及其特点。 课程难点： 1、描述晶体的周期性可用原胞和晶胞，要把原胞和晶胞区分开。在固体物理学中，只强调晶格的周期性，其最小重复单元为原胞，例如金刚石型结构的原胞为棱长a的菱立方，含有两个原子；在结晶学中除强调晶格的周期性外，还要强调原子分布的对称性，例如同为金刚石型结构，其晶胞为棱长为a的正立方体，含有8个原子。 2、闪锌矿型结构的Ⅲ－Ⅴ族化合物和金刚石型结构一样，都是由两个面心立方晶格套构而成，称这种晶格为双原子复式格子。如果选取只反映晶格周期性的原胞时，则每个原胞中只包含两个原子，一个是Ⅲ族原子，另一个是Ⅴ族原子。 基本概念：原胞和晶胞都是用来描述晶体中晶格周期性的最小重复单元，但二者有所不同。在固体物理学中，原胞只强调晶格的周期性；而在结晶学中，晶胞还要强调晶格中原子分布的的对称性。 基本要求：记住晶向与晶面的关系；熟悉金刚石型结构与闪锌矿型结构晶胞原子的空间立体分布及硅、锗、砷化镓晶体结构特点，晶格常数，原子密度数量级（个原子/立方厘米）。 §1.2半导体中的电子状态 本节内容：1、原子中的电子状态 1、1玻耳的氢原子理论 2玻耳氢原子理论的意义 3氢原子能级公式及玻耳氢原子轨道半径 4索末菲对玻耳理论的发展 5量子力学对半经典理论的修正 6原子能级的简并度 晶体中的电子状态 2、1电子共有化运动 2、2电子共有化运动使能级分裂为能带 半导体硅、锗晶体的能带 3、1硅、锗原子的电子结构 3、2硅、锗晶体能带的形成 3、3半导体（硅、锗）的能带特点 课程重点： 1、氢原子能级公式 =-，氢原子第一玻耳轨道半径 =，这两个公式还可用于类氢原子（今后用到） 量子力学认为微观粒子（如电子）的运动须用波函数来描述，经典意义上的轨道实质上是电子出现几率最大的地方。电子的状态可用四个量子数表示。 晶体形成能带的原因是由于电子共有化运动 半导体（硅、锗）能带的特点： 存在轨道杂化，失去能级与能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带，上能带称为导带，下能带称为价带 低温下，价带填