第一章半导体电子状态.ppt

半导体物理SEMICONDUCTOR PHYSICS 河海大学 计算机与信息工程学院 第一章 半导体的电子状态 1.1 半导体的晶格结构及结合性质 1.2 半导体的电子状态和能带 1.3 半导体中的电子运动 有效质量 1.4 本征半导体的导电机构 空穴 1.5 回旋共振 1.6 硅和锗的能带结构 1.7 1.8 3－5 及 2－6族化合物半导体的能带结构 引 言 什么是半导体 按不同的标准，有不同的分类方式。 按固体的导电能力区分，可以区分为导体、半导体和绝缘体 表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围 此外，半导体还具有一些重要特性，主要包括： 温度升高使半导体导电能力增强，电阻率下降 如室温附近的纯硅(Si)，温度每增加8℃，电阻率相应地降低50%左右 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质（比如磷）为例，这时 硅的纯度仍高达99.9999%，但电阻率在室温下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力 如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜，无光照时的暗电阻为几十MΩ，当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ 此外，半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变 复习 晶体的基本知识 1.晶体 晶体和非晶体。 晶体的基本特点： 具有一定的外形和固定的熔点，组成晶体的原子（或 离子）在较大的范围内（至少是微米量级）是按一定的方式 有规则的排列而成——长程有序。（如Si，Ge，GaAs） 晶体又可分为：单晶和多晶。 单晶：指整个晶体主要由原子(或离子)的一种规则排列方式 所贯穿。常用的半导体材料锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓 (GaAs)都是单晶。 多晶：是由大量的微小单晶体（晶粒）随机堆积成的整块材 料，如各种金属材料和电子陶瓷材料。 非晶（体）的基本特点： 无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长程有序，但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列——短程有序 （如非晶硅：a-Si） 图1.1 非晶、多晶和单晶示意图 对于单晶Si或Ge，它们分别由同一种原子组成，通过二个原子间共有一对自旋相反配对的价电子把原子结合成晶体。 这种依靠共有自旋相反配对的价电子所形成的原子间的结合力，称为共价键。 由共价键结合而成的晶体称为共价晶体。Si、Ge都是典型的共价晶体。 共价键的性质：饱和性和方向性 饱和性：指每个原子与周围原子之间的共价键数目有一定的限制。 Si、Ge等Ⅳ族元素有4个未配对的价电子，每个原子只能与周围4个原子共价键合，使每个原子的最外层都成为8个电子的闭合壳层，因此共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是4。 方向性：指原子间形成共价键时，电子云的重叠在空间一定方向上具有最高密度，这个方向就是共价键方向。 共价键方向是四面体对称的，即共价键是从正四面体中心原子出发指向它的四个顶角原子，共价键之间的夹角为109°28′，这种正四面体称为共价四面体。 图中原子间的二条连线表示共有一对价电子，二条 线的方向表示共价键方向。 共价四面体中如果把原子粗 略看成圆球并且最近邻的原 子彼此相切，圆球半径就称 为共价四面体半径。 3. 晶体结构描述 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直线（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）…… 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 通过晶格中任意两格点可以作一条直线，而且通过其它格点还可以作出很多条与它彼此平行的直线，而晶格中的所有格点全部位于这一系列相互平行的直线系上，这些直线系称为晶列。 晶列的取向称为晶向。 为表示晶向，从一个格点O沿某个晶向到另一格点P作位移矢量R，如图1.7，则 R=l1a+l2b+l3c 若l1:l2:l3不是互质的，通过 l1:l2:l3 ＝m:n:p化