电子科技大学半导体物理课件第一章.ppt

第一章 半导体中的电子状态 电子科技大学微固学院 * 主要内容 § 1.1 半导体的晶体结构和结合性质 § 1.2 半导体电子状态与能带 § 1.3 半导体电子运动 有效质量 § 1.4 半导体中载流子的产生 导电机构 § 1.5 Si、Ge、GaAs的能带结构 § 1.1 半导体的晶体结构和结合性质 § 1.2 半导体中的电子状态与能带 电子壳层：1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s… 孤立原子中的电子能级是量子化的 能量最低原理 泡利不相容原理 电子的共有化运动 ——原子组成晶体后，由于相邻原子的“相似”电子壳层发生交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上，因而，电子将可以在整个晶体相似壳层间运动 电子的共有化运动示意图 3. 能带的形成 两个原子靠近时，电子运动将重叠。这时泡利不相容原理不允许一个量子态上有两个电子存在，于是一个能级将分裂为2个能级 N个原子靠近时，一个能级将分裂为N个相距很近的能级，形成能带 能带的形成 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。 能带中能量不连续, 当原子数很多时，导带、价带内能级密度很大，可以认为能级准连续 每个能带中的能级数目与晶体中的原子数有关 能带的宽窄由晶体的性质决定, 与所含的原子数无关 金刚石结构半导体的能带形成 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，高温下价带中的一部分电子跃迁到导带，使晶体呈现弱导电性。 3.半导体电子状态与能带 波函数——描述微观粒子的状态 薛定谔方程——决定微观粒子运动的方程 晶体中电子的波动方程 电子波函数 能带中电子能量的分布 不同k状态的电子具有不同的能量。求解晶体中电子波动方程，可得E(k)~k关系曲线。 布里渊区与能带 允带和禁带 晶体中的电子能量某些能量区域是禁止的，即禁带.允带以禁带分隔,禁带出现在布里渊区边界 k值只能取分立值——对应一个能级，线度为1/L 布里渊区——对应一个能带 第一布里渊区,对应内壳层分裂的能级能量 第二布里渊区,对应较高壳层的能级能量 简约布里渊区 将其他区域平移n/a移动至第一布里渊区，这时第一布里渊区称为简约布里渊区 这一区域的波矢k 称为简约波矢 绝缘体的禁带宽度：6~7ev 半导体的禁带宽度：1~3ev 半导体导带中E(k)与k的关系 定性关系：如图 定量关系： E(k)函数 加速度 a 有外力F作用于电子,在dt 时间内, 电子位移了ds 距离 外力对电子所作的功等于能量的变化,即: §1.4 半导体中载流子产生及导电机构 1. 载流子的产生 第一章思考题与自测题： 原子中的电子和晶体中电子受势场作用情况以及运动情况有何不同？原子中内层电子和外层电子参与共有化运动有何不同？ 晶体体积的大小对能级和能带有什么影响？ 描述半导体中电子运动为什么要引入“有效质量”的概念？用电子的惯性质量描述能带中电子运动有何局限性？ 一般来说，对应于高能级的能带较宽，而禁带较窄，是否如此？为什么？ 有效质量对能带的宽度有什么影响？有人说：“有效质量愈大，能量密度也愈大，因而能带愈窄。”是否如此？为什么？ 简述有效质量与能带结构的关系？ 对于自由电子，加速反向与外力作用反向一致，这个结论是否适用于布洛赫电子？ 从能带底到能带顶，晶体中电子的有效质量将如何变化？外场对电子的作用效果有什么不同？ 试述在周期性势场中运动的电子具有哪些一般属性？ 以硅的本征激发为例，说明半导体能带图的物理意义及其与硅晶格结构的联系？为什么电子从其价键上挣脱出来所需的最小能量就是半导体的禁带宽度？ 为什么半导体满带中的少量空状态可以用具有正电荷和一定质量的空穴来描述？ 有两块硅单晶，其中一块的重量是另一块重量的二倍。这两块晶体价带中的能级数是否相等？彼此有何联系？ 说明布里渊区和k空间等能面这两个物理概念的不同。 §1-5 半导体的能带结构 掌握硅、锗的能带结构特点 掌握砷化镓的能带结构特点 间接带隙半导体 直接带隙半导体 半导体能带极值附近E(k)的分布 k E 1. k 空间的等能面 b. 极值点k0=k0 (kx0,ky0,kz0) (1) 一般情况: 三维晶体. k=k(kx,ky,kz) c. 各向异性晶体 m*=m*(m*x,m*y,m*z). 其中： 能量E在极值点k0附近展开 移项后： ● ko kx ky kz 在长轴方向:m*大,E的变化缓慢, 在短轴方向:m*小,E的变化快. 椭球等能面 (2) 极值点k0正好在某一坐标轴上 设k0在Z轴上,