半导体物理学课件高茜(1,2)2014版全解.ppt

半导体物理学 SEMICONDUCTOR PHYSICS 编者：　　高茜（东北大学物理系 ） 参考教材：半导体物理学（西安交通大学出版社） 编写：刘恩科，朱秉升，罗晋升 前 言 1 半导体物理学的研究对象及其在科学中的地位和作用 （1）. 半导体物理学是以研究半导体材料物理性质为主要目的的物理学分支学科 （2）. 半导体物理学是现代信息科学（微电子学和光电子学）的物质基础 前 言 2　半导体物理学的主要内容： （1）半导体的晶格结构和电子状态 （2）杂质和缺陷能级 （3）载流子的统计分布 （4）载流子的散射与电导问题 （5）非平衡载流子的产生、复合及运动规律 （6）半导体的表面和界面包括 p-n结；M-S接触；S-S接触（异质结）；MOS；MIS结构； （7）半导体的光、热、磁、压阻等物理现象　 前 言 3　半导体物理学采用的主要理论－能带理论 （1）能带理论：用单电子近似方法来研究固态晶体中电子能量状态的理论 （2）单电子近似方法：假设每个电子在固定不动的周期性排列的原子核势场和其它电子形成的平均势场中运动。这个势场的周期与晶格的周期是相同的。 （3）为什么要采用近似方法？对于半导体材料－复杂的多体问题严格求解薛定谔方程是不可能的。 第一章 半导体中的电子状态 §1·1 半导体的晶体结构和结合性质 典型的半导体主要是由共价键结合的晶体。如硅、锗的晶体和具有金刚石结构Ⅲ-Ⅴ化物以及一些Ⅲ-Ⅵ化合物具有闪锌矿结构或纤锌矿结构。这些都是最典型的共价键结合的晶体结构，其中每个原子由四个共价键与近邻原子相结合。组成共价键的价电子呈现出相对集中于近邻原子之间的空间分布，它们同时又是运动于晶体中的共有电子，具有典型的连续能量分布。 1、金刚石型结构和共价键 金刚石型结构的材料（C,Si,Ge）构成：第Ⅳ族元素(化学元素周期表.exe) 例如：典型的半导体晶体硅（Si）和锗(Ge) 化学鍵：共价键 即两个原子通过共用一对自旋相反 的价电子结合在一起，是以 sp3 　杂化轨 道为基础的，具有方向性和饱和性； 硅和锗原子组成晶体与碳原子组成的金刚石 晶格一样，属于金刚石型结构： 1，以共价键结合成的正四面体结构和金刚石型结构 金刚石型结构 金刚石型结构的晶胞及堆积和投影 2，闪锌矿结构和混合键 注：与Ⅳ族元素半导体不同的是这类共价性化合物晶体中，结合性质具有不同程度的离子性，故，常称此类半导体为极性半导体.如GaAs中的As电负性较强，成鍵的电子更集中地分布在它的附近。此类共价性化合物当共价结合占优势时，倾向于形成闪锌矿结构 闪锌矿型结构和混合键 3，纤锌矿型结构 如：硫化锌、硒化锌、硫化镉、硒化镉都是以闪锌矿型和纤锌矿型两种结构结晶的。 还有一些重要的半导体材料不是以四面体结构结晶的而是以氯化钠型结构结晶的 如Ⅳ－Ⅵ族化合物： 硫化铅、硒化铅、碲化铅等，都是以氯化钠型结构结晶的。 总 结　 1 半导体材料一些是以四面体结构结晶的 （1）金刚石型，如： Ⅳ族元素半导体（共价鍵） （2）闪锌矿型，如： Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半导体 （3）纤锌矿型，如： Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体 　　它们都是以混和鍵结合的 2 一些重要的半导体材料不是以四面体结构结晶的如：Ⅳ－Ⅵ族化合物： 硫化铅、硒化铅、碲化铅等， 是以氯化钠型结构结晶的。 1 、原子的能级和晶体的能带(1)孤立原子的能级 (2)晶体的能带 8个原子的能级的分裂 原子轨道与原子能级及晶体能带的关系 内层轨道的电子有化运动较弱，对应的能带较窄； 外层轨道的电子有化运动较强，对应的能带较宽 每个能带包含有多少个能级呢？ 注意： 实际晶体的能带及电子的分布不一定与孤立原子的能级对应　 金刚石型结构价电子的能带 空带 ，即导带 2 、半导体中电子的状态和能带 （1）自由电子的运动： 为简单计，考虑一维情况： 因其在ox方向遵守薛定諤方程 自由电子能量与波矢k 的关系: 薛定諤方程的解可以得出自由电子在空间作自由运动时，能量与波矢 的关系。 对于自由电子来说，波矢k从0到∞都是允许的状态。 （2）晶体中的电子: 对于一维晶格，电子位于x处的势能为 （3）布里渊区与能带晶体中电子处于不同的波矢就有不同的能量，求解周期性势场中的薛定諤方程得出能量与波矢的关系如图（a）(实线为周期性势场中电子的；虑线为自由电子的) （1）每隔1/a的k表示的是同一 个电子态；（2）波矢k只能取一系列分立的值，每个k占有的线度为1/L； L-1/a(1/2,1/2,1/2),布里渊区沿111轴的交点； X-1/a(0,0,1),布里渊区沿100轴的交点； K-1/a(3/4,3/4,0),布里渊区沿110