第一章半导体中的电子状态更新上传.ppt

第一章 半导体中的电子状态主要内容 § 1.1 半导体电子状态与能带 § 1.2半导体电子运动 有效质量 § 1.3 半导体中载流子的产生及导电机构 § 1.4 Si、Ge、GaAs的能带结构 § 1.1 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 二、能带的形成电子的共有化运动是能带理论的基础,能带的形成是电子共有化运动的必然结果 两个原子靠近时，电子波函数将重叠。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 允带、禁带的形成 能带中能量不连续,但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。 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。 当原子数很多时，导带、价带内能级密度很大，可以认为能级准连续 三、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 3、布里渊区与能带 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 晶体中的电子能量并不是可以取任意值,有些能量是禁止的.允带以禁带分隔,禁带出现在布里渊区边界 一个k值——对应一个能级 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 能带图 绝缘体的能带宽度：6~7ev 半导体的能带宽度：1~3ev 常温下： Si：Eg=1.12ev Ge: Eg=0.67ev GaAs: Eg =1.43ev 3.加速度a 当有外力F作用于电子时,在dt 时间内,设电子位移了ds 距离,那么外力对电子所作的功等于能量的变化,即: 三. 有效质量的意义 §1-3 本征半导体中载流子产生及导电机构 一、载流子的产生 对有效质量的补充说明 对于特殊器件的设计必须考虑有效质量的各向异性。 对于大多数器件的计算，使用有效质量的统计平均值就足够。 （3）禁带宽度Eg 在T=0K时， Eg（0）=1.17eV Eg的负温度特性： Eg= Eg（0）—αT2（T+β） α=4.73×10-4eV/K β=636K （3）禁带宽度Eg 在T=0K时， Eg（0）=0.7437eV Eg的负温度特性： Eg= Eg（0）—αT2（T+β） α=4.774×10-4eV/K β=235K 第一章课堂思考题 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？ 如何理解能级分裂成能带，以si为例说明孤立原子的能级和能带对应的情况。 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？ 简述有效质量与能带结构的关系？ 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？ 举例说明什么是间接能隙和直接能隙半导体？ 将一半导体样品放在一均匀恒定的磁场B中,电子在磁场中作螺旋运动,它的回旋频率ωc与有效质量(对于球形等能面)的关系为: 2.回旋共振 二. Si.Ge.GaAs半导体的能带结构 元素半导体Si、Ge结构 金刚石结构 Si: a=5.65754? Ge: a=5.43089? 硅的能