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半导体物理学讲义转
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第一章 半导体中的电子状态
本章介绍:
本章主要讨论半导体中电子的运动状态。主要介绍了半导体的几种常见晶体结构,半导
体中能带的形成,半导体中电子的状态和能带特点,在讲解半导体中电子的运动时,引入了
有效质量的概念。阐述本征半导体的导电机构,引入了空穴散射的概念。最后,介绍了Si、
Ge和GaAs 的能带结构。
在 1.1节,半导体的几种常见晶体结构及结合性质。
在 1.2节,为了深入理解能带的形成,介绍了电子的共有化运动。介绍半导体中电子的
状态和能带特点,并对导体、半导体和绝缘体的能带进行比较,在此基础上引入本征激发的
概念。
在 1.3节,引入有效质量的概念。讨论半导体中电子的平均速度和加速度。
在 1.4节,阐述本征半导体的导电机构,由此引入了空穴散射的概念,得到空穴的特点。
在 1.5节,介绍回旋共振测试有效质量的原理和方法。自学内容。
在 1.6节,介绍Si、Ge 的能带结构
在 1.7节,介绍Ⅲ-Ⅴ族化合物的能带结构,主要了解GaAs 的能带结构
第一节 半导体的晶格结构和结合性质
本节要点
1.常见半导体的3种晶体结构;
2.常见半导体的2种化合键。
1. 金刚石型结构和共价键
重要的半导体材料Si、Ge都属于金刚石型结构。这种结构的特点是:每个原子周围都
有四个最近邻的原子,与它形成四个共价键,组成一个如图1 (a)所示的正四面体结构,
其配位数为4。
金刚石型结构的结晶学原胞,是立方对称的晶胞如图1 (b)图所示。它是由两个相同
原子的面心立方晶胞沿立方体的空间对角线滑移了1/4空间对角线长度套构成的。立方体顶
角和面心上的原子与这四个原子周围情况不同,所以它是由相同原子构成的复式晶格。其固
体物理学原胞和面心立方晶格的取法相同,但前者含两个原子,后者只含一个原子。
原子间通过共价键结合。共价键的特点:饱和性、方向性。
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2. 闪锌矿结构和混合键
-V族化合物半导体绝大多数具有闪锌矿型结构。闪锌矿结构由两类原子各自组成的
面心立方晶胞沿立方体的空间对角线滑移了1/4空间对角线长度套构成的。每个原子被四个
异族原子包围。
两类原子间除了依靠共价键结合外,还有一定的离子键成分,但共价键结合占优势。
在垂直于[111]方向,闪锌矿结构是由一系列 族原子层和V族原子层构成的双原子层
堆积起来的。
3. 纤锌矿型结构
纤锌矿型结构和闪锌矿型结构相接近,它也是以正四面体结构为基础构成的,但是它具
有六方对称性,而不是立方对称性,图2为纤锌矿型结构示意图,它是由两类原子各自组成
的六方排列的双原子层堆积而成。两类原子的结合为混合键,但离子键结合占优势。
第二节 半导体中的电子状态和能带
本节要点
1.电子的共有化运动,.导带、价带、禁带的形成;
2.周期性波函数;
3.导体、半导体、绝缘体的能带与导电性能的差异。
1.原子的能级和晶体的能带
电子共有化运动:由于相邻原子的“相似”电子壳层发生交叠,电子不再局限在某
一个原子上而在整个晶体中的相似壳层间运动,引起相应的共有化运动。
能级的分裂:n个原子尚未结合成晶体时,每个能级都是n度简并的,当它们靠近结合
成晶体后,每个电子都受到周围原子势场的作用,每个n度简并的能级都分裂成n个彼此相
距很近的能级。
允带、禁带的形成:同一能级分裂的n个彼此相近的能级组成一个能带,称为允带,允
带之间因没有允许能级,称为禁带。
2. 半导体中的电子的状态和能带
自由电子具有波粒二象性,遵守定态薛定谔方程;
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