我们将发现电子的容许能态会形成容许能带(allowedenergybands).PPT

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我们将发现电子的容许能态会形成容许能带(allowedenergybands)

半導體物理-基本原理 CHAPTER 2 Introduction to Quantum Mechanics 半導體物理 基本原理 大綱 半導體的定義與分類 半導體的晶體結構 量子力學的基本概念 晶體能帶的基本概念 在固體中的電傳導 電洞的概念 金屬、絕緣體與半導體 摻雜半導體 半導體的定義與分類 材料的分類 導體(Conductors) 大部分為金屬 半導體(Semiconducrors) 絕緣體(Isulators) 什麼是半導體(Semiconductor)? 半導體是傳導性介於金屬與絕緣體之間的材料 什麼是半導體? 半導體是能隙(energy gap)大於零但小於4 eV*的固體。如此的能隙可使半導體在室溫時具有適度的傳導性與載子*密度。 *1 eV = 1.6?10-19焦耳(joule) = 電子通過一伏特電壓差所獲得的能量 *載子:固體中帶有電荷,可擔任電流傳遞工作的粒子,如電子及電洞。 半導體的分類 元素半導體(elemental semiconductors) 週期表中的IV族元素。 化合物半導體(compound semiconductors) III族與V族元素的結合 II族與VI族元素的結合 常見的元素半導體與化合物半導體 化合物半導體 二元素(二元)化合物(binary compounds) Ex. GaAs, GaP 三元素(三元)化合物 (ternary compounds) Ex. AlxGa1-xAs, ZnxCd1-xSe x – 較低原子序的元素的比例 半導體的晶體結構 固體的種類 非晶體(amorphous) 晶體(crystal) 多晶(polycrystalline) 單晶(single crystal) 半導體的晶體結構 多數半導體以結晶形式存在 常見的半導體晶體結構 鑽石結構(Diamond structure) 閃鋅礦結構(Zincblende structure) 鑽石結構(Diamond structure) 矽(silicon, Si)和 鍺(germanium, Ge) 屬於IV族元素 有相同的鑽石結構 鑽石結構由四面體結構為基底所組成 每個原子有4個最近鄰原子。 閃鋅礦結構(Zincblende strucure) 閃鋅礦結構與鑽石結構不同處僅在於晶格是由兩種不同的原子所組成。 例如:化合物半導體GaAs,ZnSe等。 閃鋅礦結構 量子力學的基本概念 電磁波頻譜 電磁波頻譜 光的波長 紫外光(Ultraviolet, UV) 0.01μm (10 nm) - 0.380 μm (380 nm) 可見光(Visible, VIS) 0.38μm (380 nm) - 0.75μm (750nm) 紅外光(Infrared, IR) 0.75μm (750 nm) - 1000μm 1 nm = 1?10-9 m 1 ?m = 1?10-6 m 愛因斯坦(Einstein)的光量子假說(1905年) 光波(電磁波)的能量以分立的形式包含在一個一個的波包中。 此具有粒子特性的能量波包稱為光子(photon)。 光子的能量為 波長 ? 愈短,則頻率 ? 愈高,光子能量 E 也愈高。 德布洛依(de Broglie)的物質波假說(1924年) 因為電磁波顯現類似粒子的行為,粒子應該也具有類似波的特性 物質波(Matter wave) 波-粒二重性(Wave-particle duality) 電磁波有時會顯示粒子(光子)的行為,而粒子有時也會顯示波動(物質波)的行為。 光子的動量與能量 粒子的波長與頻率 波動力學(wave mechanics) 薛丁格(Schr?dinger)在1926年提出處理物質波的數學架構,稱為波動力學。 波動力學的基礎為Schr?dinger波方程式 波函數的意義 氫原子 氫原子:一個質子(proton)與一個電子(electron)藉由庫倫(Coulomb)吸引力束縛在一起。 電子的位能函數 氫原子的Schr?dinger波方程式 氫原子中電子的能態與能量 電子的能態與能量可用一些量子數來標示 能量為負值表示電子被原子核所束縛 受束縛的電子的能量是量子化的(quantized) 氫原子的最低能量狀態 (基態ground state) 電子在原子中的能階 電子在原子中的能階可以用量子數 (Quantum numbers)來標示。 一個電子僅能留存於許多軌道當中的一個軌道上。 n = 1 為能階中最低者,稱之為「 基態 (Ground state)」能階。 n 1 為「 激發態 (Excited state)」能階。 電子在能階間的躍遷 當電子吸收一個光子獲得能量時,有可能從較低的能階跳躍至較高

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