半导体物理学课件2 半导体中的电子状态和能带.ppt

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半导体物理学课件2 半导体中的电子状态和能带

绪 言 什么是半导体 按不同的标准,有不同的分类方式。 按固体的导电能力区分,可以区分为导体、半导体和绝缘体 表1.1 导体、半导体和绝缘体的电阻率范围 此外,半导体还具有一些重要特性,主要包括: 温度升高使半导体导电能力增强,电阻率下降 如室温附近的纯硅(Si),温度每增加8℃,电阻率相应地降低50%左右 微量杂质含量可以显著改变半导体的导电能力 以纯硅中每100万个硅原子掺进一个Ⅴ族杂质(比如磷)为例,这时 硅的纯度仍高达99.9999%,但电阻率在室温下却由大约214,000Ωcm降至0.2Ωcm以下 适当波长的光照可以改变半导体的导电能力 如在绝缘衬底上制备的硫化镉(CdS)薄膜,无光照时的暗电阻为几十MΩ,当受光照后电阻值可以下降为几十KΩ 此外,半导体的导电能力还随电场、磁场等的作用而改变 常用的半导体材料 半导体的导电能力可以通过掺杂,在很宽的范围内调整。 半导体可以通过掺杂使其导电类型发生变化。 通过掺杂实现导电能力和类型的可控调制,半导体材料不同于其他材料的最大特征。 半导体广泛应用的原因 1.1 半导体的晶体结构 一、晶体的基本知识 长期以来将固体分为:晶体和非晶体。 晶体的基本特点: 具有一定的外形和固定的熔点,组成晶体的原子(或 离子)在较大的范围内(至少是微米量级)是按一定的方式 有规则的排列而成——长程有序。(如Si,Ge,GaAs) 晶体又可分为:单晶和多晶。 单晶:指整个晶体主要由原子(或离子)的一种规则排列方式 所贯穿。常用的半导体材料锗(Ge)、硅(Si)、砷化镓 (GaAs)都是单晶。 多晶:是由大量的微小单晶体(晶粒)随机堆积成的整块材 料,如各种金属材料和电子陶瓷材料。 非晶(体)的基本特点: 无规则的外形和固定的熔点,内部结构也不存在长程有序,但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列——短程有序 (如非晶硅:a-Si) 图1.1 非晶、多晶和单晶示意图 对于单晶Si或Ge,它们分别由同一种原子组成,通过二个原子间共有一对自旋相反配对的价电子把原子结合成晶体。 这种依靠共有自旋相反配对的价电子所形成的原子间的结合力,称为共价键。 由共价键结合而成的晶体称为共价晶体。Si、Ge都是典型的共价晶体。 共价键的性质:饱和性和方向性 饱和性:指每个原子与周围原子之间的共价键数目有一定的限制。 Si、Ge等Ⅳ族元素有4个未配对的价电子,每个原子只能与周围4个原子共价键合,使每个原子的最外层都成为8个电子的闭合壳层,因此共价晶体的配位数(即晶体中一个原子最近邻的原子数)只能是4。 方向性:指原子间形成共价键时,电子云的重叠在空间一定方向上具有最高密度,这个方向就是共价键方向。 共价键方向是四面体对称的,即共价键是从正四面体中心原子出发指向它的四个顶角原子,共价键之间的夹角为109°28′,这种正四面体称为共价四面体。 三、空间晶格 图中原子间的二条连线表示共有一对价电子,二条线的方向表示共价键方向。 共价四面体中如果把原子粗略看成圆球并且最近邻的原子彼此相切,圆球半径就称为共价四面体半径。 三、空间晶格 晶体是由晶胞周期性重复排列构成的,整个晶体就像网格,称为晶格,组成晶体的原子(或离子)的重心位置称为格点,格点的总体称为点阵。 三、空间晶格  1 晶胞和原胞 1、晶胞_可以复制成整个晶体的一小部分(基本单元,可以不同) 三、空间晶格   晶胞和原胞 2、原胞_可以形成晶体的最小的晶胞 三、空间晶格  2 基本晶体结构 简立方sc  体心立方bcc  面心立方fcc 三、空间晶格 3晶面与密勒指数 1、晶面表示方法: 三、空间晶格 晶面与密勒指数 简立方晶体的三种晶面 三、空间晶格 晶面与密勒指数 体心立方结构(110)晶面及所截的原子 三、空间晶格 晶面与密勒指数 2、晶向_晶面的法线方向 四、半导体的晶格结构和结合性能 四面体结构 四、半导体的晶格结构和结合性能 金刚石晶格 Si、Ge晶体结构 Si、Ge晶体的晶胞由四个共价四面体所组成的一个,统称为金刚石结构晶胞。 整个Si、Ge晶体就是由这样的晶胞周期性重复排列而成。 它是一个正立方体,立方体的八个顶角和六个面心各有一个原子,内部四条空间对角线上距顶角原子1/4对角线长度处各有一个原子,金刚石结构晶胞中共有8个原子。 金刚石结构晶胞也可以看作是两个面心立方沿空间对角线相互平移1/4对角线长度套构而成的。 GaAs晶体结构 具有类似于金刚石结构的硫化锌

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