CH1 半导体中的电子状态(无习题答案).ppt

教材及参考书目 教材：《半导体物理学》（第7版）刘恩科、朱秉升、罗晋生等编著，电子工业出版社 参考教材： 《半导体物理》叶良修著 《半导体物理基础》黄昆、韩汝琦著 《半导体器件 物理与工艺》(美)施敏(S.M.Sze)著，王阳元等译 《半导体物理与器件——基本原理》(第3版)(美)DonaldA.Neamen著 主要内容 绪论 （1学时） Ch1 半导体中的电子状态 （5学时） Ch2 半导体中的杂质和缺陷能级 （4学时） Ch3 半导体中载流子的统计分布 （ 8学时） Ch4 半导体的导电性 （6学时） Ch5 非平衡载流子 （8学时） Ch6 pn结 （10学时） Ch7 金属和半导体的接触 （8学时） Ch8 半导体的光学性质和光电与发光现象 （4学时） 绪论 半导体物理课程介绍 什么是半导体？ 半导体的主要特征 半导体的发展历史与现状 半导体的明天 一《半导体物理》课程介绍 半导体的物理现象、物理性质、基本理论以及实验方法。 学习目的：了解和掌握半导体物理的基本概念、基本物理模型以及处理半导体系统的基本方法 Ch1 半导体中的电子状态 重点和难点： Si和GaAs的晶体结构 Si、Ge和GaAs的能带结构 本征半导体及其导电结构、空穴 能带结构 决定 材料的性质 1.1.1 金刚石型结构和共价键 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。 将许多正四面体累积起来就得到金刚石结构 硅、锗基本物理参数 晶格常数 硅：5.43089埃 锗：5.65754nm埃 原子密度 硅：5.00×1022/cm-3 锗：4.42×1022/cm-3 共价半径 硅：0.117nm 锗：0.122nm 1.1.2 闪锌矿型结构和混合键 材料： Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料以及部分Ⅱ-Ⅵ族化合物 如GaAs, InP, AlAs · · · · · · 共价键具有一定的极性（两类原子的电负性不同） 共价键+离子键 晶胞特点：两类原子各自组成面心立方晶格，沿空间对角线方向彼此位移1/4空间对角线长度套构而成 1.1.3纤锌矿型结构 材料：ZnS, ZnSe，CdS。。。。 与闪锌矿型结构相比 相同点： 以正四面体结构为基础构成 区别： 具有六方对称性，而非立方对称性 共价键的离子性更强 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.2.1 原子的能级和晶体的能带 重点： 电子的共有化运动 原子能级分裂以及能带的形成 导带、价带与禁带 一、电子的共有化运动 孤立原子：1s, 2s, 2p,3s, 3p, 3d · · · 等电子壳层 晶体：不同原子的内外各电子壳层出现交叠，电子可由一个原子转移到相邻的原子，因此，电子可以在整个晶体中运动，称为电子的共有化运动 以金刚石结构单晶硅材料为例 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。 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，成为满带或价带。 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，价带填满电子，导带全空，升温或光照下价带中的一部分电子跃迁到导带，使晶体呈现弱导电性。 导带与价带间的能隙（Energy gap）称为禁带（forbidden band）.禁带宽度取决于晶体种类、晶体结构及温度。 当原子数很大时，导带、价带内能级密度很大，可以认为能级准连续 共价键理论 共价键理论主要有三点： 晶体的化学键是共价键，如 Si，Ge。 共价键上的电子处于束缚态，不能参与导电。 处于束缚态的价电子从外界得到能量，有可能挣脱束缚成为自由电子，参与导电。 能带理论与共价键理论的对应关系 能带理论 共价键理论 价带中电子 共价键上的电子 导带中电子 挣脱共价键的电子（变 为自由电子） 禁带宽度 脱离共价键所需的最小能量 定量理论 定性理论 1.2.2半导体中电子的状态和能带 重点 E(k)～k关系 波函数：描述微观粒子（如电子）的运动 薛定谔方程：揭示粒子运动的基本规律 （2）晶体中电子的E与k关系1. 晶体