半导体物理第1章全解.ppt

第1章 半导体中的电子状态 本章重点 半导体材料中的电子状态及其运动规律 领会“结构决定性质” 处理方法 单电子近似——能带论 能带理论 能带理论是研究固体运动的理论基础 能带理论是一个近似的理论。 在固体中存在大量的电子，它们的运动是相互关联的。 每个电子的运动都要受到其它的电子运动的牵连，这种多电子系统严格的解显难是不可能的。 假设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场及其它电子的平均势场中运动。 该势场具有与晶格同周期的周期性势场。 1.1 半导体的晶格结构和结合性质 预备知识 晶体（crystal） 由周期排列的原子构成的物体 重要的半导体晶体 单质：硅、锗 化合物：砷化镓、碳化硅、氮化镓 周期性结构： 如简立方、面心立方、体心立方等。 晶胞（cell） 周期性重复单元 固体物理学原胞：最小重复单元 结晶学原胞： 为反映对称性选取的最小重复单元的几倍 1.1.1 金刚石型结构和共价键 硅、锗：共价半导体 硅、锗晶体结构：金刚石结构 每个原子周围有四个最邻近的原子，这四个原子处于正四面体的顶角上。 任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有，并形成稳定的共价键结构。 共价键夹角：109?28’ 化合键 (bond) (1) 共价键： Ge、Si (2) 混合键： GaAs (3) 离子键： NaCl 金刚石结构结晶学原胞 两个面心立方沿立方体空间对角线互相位移了四分之一的空间对角线长度套构而成。 金刚石结构固体物理学原胞 中心有原子的正四面体结构 金刚石结构原子在晶胞内的排列情况 顶角八个，贡献1个原子； 面心六个，贡献3个原子； 晶胞内部4个； 共计8个原子。 硅、锗基本物理参数 一、晶格常数 硅：0.543089nm 锗：0.565754nm 二、原子密度（个/cm3） 硅：5.00×1022 锗：4.42×1022 三、共价半径 硅：0.117nm 锗：0.122nm 1.1.2 闪锌矿型结构和混合键 Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料 结晶学原胞结构特点 两类原子各自组成的面心立方晶格，沿空间对角线方向彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成。 共价键具有一定的极性（两类原子的电负性不同），因此晶体不同晶面的性质不同。 不同双原子复式晶格。 闪锌矿与金刚石结构的比较 Ⅲ-Ⅴ族化合物 部分Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硒化汞，碲化汞等半金属材料。 1.1.3 纤锌矿型结构 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 纤锌矿结构 半导体中的晶体结构 (1) 金刚石型： Ge、Si (2) 闪锌矿型： GaAs (3) 纤锌矿型： ZnS、ZnTe、 CdS、CdTe (4) 氯化钠型：PbS, PbSe, PbTe 氯化钠型结构 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 孤立原子、电子有确定的能级结构。 在固体中则不同，由于原子之间距离很近，相互作用很强，在晶体中电子在理想的周期势场内作共有化运动 。 能带成因 当N个原子彼此靠近时，根据不相容原理，原来分属于N个原子的相同的价电子能级必然分裂成属于整个晶体的N个能量稍有差别的能带。 分裂的每一个能带称为允带，允带间的能量范围称为禁带 内层原子受到的束缚强，共有化运动弱，能级分裂小，能带窄； 外层原子受束缚弱，共有化运动强，能级分裂明显，能带宽。 1.2.2 半导体中的电子状态和能带 自由电子运动规律 基本方程 （动量方程） E = ? |p|2/m0 （能量方程） Φ(r,t) = Aexp{i(k·r - ?t)} （波方程） k为波矢，大小等于波长倒数2?/λ 方向与波面法线平行，即波的传播方向。 德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性. 具有确定的动量和确定能量的自由粒子，相当于频率为?和波长为?的平面波 自由电子能量和动量与平面波频率和波矢的关系 自由电子的能量可以是0至无限大间的任何值。 1.晶体中的薛定谔方程及其解的形式 描述微观粒子运动的方程------薛定谔方程 晶体中电子遵守的薛定谔方程 布洛赫定理及布洛赫波 自由电子的波函数 对于自由电子在空间各点找到电子的几率相同； 而晶体中各点找到电子的几率具有周期性的变化规律,即描述了晶体电子围绕原子核的运动。 电子不再完全局限在某个原子上，而是可以从晶胞中的某一点自由的运动到其他晶胞内的