半导体的物质结构和能带结构.ppt

半导体的物质结构和能带结构 1 半导体的原子结合与晶体结构 2 半导体中的电子状态和能带 3 半导体中载流子的有效质量 4 半导体中的杂质和缺陷能级 5 典型半导体的能带结构 6 半导体能带工程概要 半导体的物质结构和能带结构 1 半导体的原子结合与晶体结构 2 半导体中的电子状态和能带 3 半导体中载流子的有效质量 4 半导体中的杂质和缺陷能级 5 典型半导体的能带结构 6 半导体能带工程概要 1 半导体的晶格结构和结合性质 固态晶体具有多种结晶形态，分属7大晶系14种类型。结晶半导体大多数属于立方(cubic)晶系和六方(Hexagon)晶系，且都是四面体(tetradron)结构。只有少数半导体具有其他结构。 一、元素的电负性与原子的结合性质 原子以何种方式结合成固体，完全决定于其得到或失去电子的能力，即电负性（electronegativity）。 2、元素的电负性及其变化规律 价电子数相同的原子，电子壳层数越多，电负性越小； 电子壳层数相同的原子，价电子数越多，电负性越强。 3、电负性决定原子的结合性质 就同种元素原子的结合而言，电负性小按金属键结合，电负性大按分子键结合，电负性中按共价键结合（其中共价键数目较少者还须依靠范德瓦尔斯力实现三维的结合）。 4、电负性与半导体 各种半导体的构成元素大多位于元素周期表中居中的位置，其构成元素的电负性(化合物半导体的平均电负性)属中等水平。 二、共价结合与正四面体结构 1、原子排列近程序的3个基本要素 配位数、键长和键角 三、金刚石（Diamond）结构 元素半导体金刚石、硅（Si）、锗（Ge）和灰锡（?-Sn）的晶体结构。 晶格结构 四、闪锌矿和纤锌矿结构 双原子层的堆垛原则 1、闪锌矿(Zincblende) 闪锌矿型晶体结构和混合键 2、纤锌矿结构(wurtzite) 闪锌矿加热到1020℃时的变形体，属六方对称晶型。 ABAB…方式堆垛 3、同质异晶型（polytype） 双原子层堆垛顺序的变化，产生多种不同的晶体结构。 按ABAB顺序堆垛成纤锌矿结构(六方), 常用2H-表示； 按ABCABC顺序堆垛成闪锌矿结构(立方), 用3C-或?-表示； 按其他顺序堆垛成混合结构，例如： 闪锌矿与纤锌矿结构 由化学元素周期表中的III族元素硼、铝、镓、铟和Ⅴ族元素氮、磷、砷、锑交相化合而成的16种III-Ⅴ族化合物半导体和IV族化合物碳化硅都具有闪锌矿型晶体结构，但4种氮化物和碳化硅也可具有纤锌矿型结构。 五、半导体的其他结晶类型 1、具有正四面体结构的其他结晶类型 黄铜矿（CuFeS2）型 ，（ I-III-VI2 和 II-IV-V） 半导体的物质结构和能带结构 1 半导体的原子结合与晶体结构 2 半导体中的电子状态和能带 3 半导体中载流子的有效质量 4 半导体中的杂质和缺陷能级 5 典型半导体的能带结构 6 半导体能带工程概要 2 半导体中的电子状态和能带 一 原子的能级和晶体的能带 二 半导体中的电子状态和能带 三导体、半导体、绝缘体的能带 常用原子的电子结构 原子外围价电子 二、原子中的电子能级与固体中的电子能带 1 原子的能级和晶体的能带 原子中电子能级的形成和晶体的能带 自由电子的能级 Kronig-Penney 模型 K-P模型 E(k)-k关系 满带:当所有状态都被电子占据; 金属的价电子能级形成一个半满带；半导体的价电子能级杂化为一个满带和一个空带；绝缘体的价电子能级形成一个满带 导带、价带；空带、满带 导带:具有空的能级,可以起导电作用的能带. 导带上的本征激发电子很少，本征时可以认为是空带。杂质半导体导带上的电子来源于施主杂质的电离。 价带:已被价电子占满的能带称为价带。 价带上的本征激发空穴很少，本征时可以认为是满带(电子填满)。杂质半导体价带上的空穴来源于受主杂质的电离。 半导体的物质结构和能带结构 1 半导体的原子结合与晶体结构 2 半导体中的电子状态和能带 3 半导体中载流子的有效质量 4 半导体中的杂质和缺陷能级 5 典型半导体的能带结构 6 半导体能带工程概要 3 半导体中载流子的有效质量 一 半导体能带极值附近的 E(k)函数与k的关系 二 导电电子和空穴的有效质量 三 三维K空间的等能面 四 回旋共振 一、半导体中极值附近E(k)与k的关系 一维E(k)函数极值附近的E－k关系:在能带(导带)底部和(价带) 顶部附近,将E(k)进行泰勒展开.设能带底位于k=0,将E(k)在 k=0附近进行泰勒展开: 二、导电电子和空穴的有效质量 空穴的有效质量 有效质量的意义 分别代表导带底和价带顶的曲率，反映能量大小对动量变化的敏感程度 电子的加速度是半导体内部势场和外电场作用的综合效果。 因