[高等教育]半导体第一章.ppt

半导体物理 固体物理学是研究晶体中原子和电子运动规律及其性质的学科。 半导体物理是固体物理学的分支，研究半导体晶体中原子和电子运动规律及其性质。 第一章 导论 半导体中的电子状态 半导体器件，或微电子器件，本质上是材料取向的，即器件的特性基本上由半导体材料的性质决定。 半导体材料，正如半导体的词义所示，是一种电导率介于导体与绝缘体之间的材料。 处于凝固状态下的物体，我们称之为固体。固体按其结构可分为两类：一类是晶体，另一类是非晶体。 晶体又有单晶体和多晶体之分。一般所说的晶体，主要是指单晶体。半导体器件和集成电路采用的半导体材料都是接近完美的单晶材料。 半导体单晶材料是由大量原子周期性重复排列而成的。 因此我们处理半导体单晶材料中的电子运动问题，用的是单电子近似（平均场近似）：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。该势场是具有与晶格同周期的周期性势场。 金刚石结构是碳原子组成的一种晶体结构，元素半导体硅和锗都是金刚石结构。 结构上，金刚石结构由两套面心立方格子沿其立方体对角线位移1/4的长度套构而成的，一套格子的原子是另一套格子上原子的近邻，两套格子上原子与近邻原子形成共价键，只是方位不相同。 第III族元素铝、镓、铟和第V族元素磷、砷、锑组成的III-V族化合物。 也是正四面体结构，四个共价键也是sp3杂化，但具有一定程度的离子性。 晶胞特点：与金刚石结构类似，不同的是闪锌矿结构是由两类不同的原子组成。如果顶角上和面心上的原子是III族原子，则内部的四个原子则是V族原子，反之亦然。 ZnS、GeS、ZnSe和GeSe都可以闪锌矿型和纤锌矿型两种方式结晶 与闪锌矿型结构类似，也是以正四面体结构为基础构成的，四个混合共价键也是sp3杂化，也有一定程度的离子性。但是它具有六方对称性，而不是立方对称性。（构成的是六角晶胞，而不是立方晶胞） 1.2 半导体的电子状态和能带 1.2.1 原子的能级和晶体的能带 原子相互接近→电子壳层交叠→电子不再局限在某一个原子上→电子的共有化运动 注意：电子只能在相似壳层间转移。 当原子结合成晶体时，原子最外层的价电子实际上是被晶体中所有原子所共有，称为电子的共有化。 共有化导致电子的能量状态发生变化，产生了密集能级组成的准连续能带---能级分裂。 原子相互靠近→能级分裂→能带 （允带） 允带和允带之间的能量间隔——禁带 导带：接收被激发的电子（对于半导体） 价带：通常被价电子填满（对于半导体） Ec：导带底的能量 Ev：价带顶的能量 Eg：禁带宽度，是打破共价键所需的最小能量，是材料特有的重要特性。 N个原子组成的晶体，每一个能级会分裂成由N个彼此相距很近的能级组成的能带； 每一个能带包含的能级数，与孤立原子的简并度有关。如s能级没有简并，便分裂成N个十分靠近的能级；p能级是三度简并的，便分裂成3N个十分靠近的能级。 能级是用给定的能量数值表示的，每个不同的能量值就是一个不同的能级。若一个能级与一种以上的状态相对应，则称之为简并能级，属于同一能级的不同状态的数目称为该能级的简并度。 注意：sp3杂化——形成上下两个能带，两个能带并不分别和s能级和p能级相对应，而是上下两个能带中都分别包含2N个状态。 思考题： 试定性说明Ge、Si的禁带宽度具有负温度系数的原因。 解：电子的共有化运动导致孤立原子的能级形成能带，即允带和禁带。温度升高，则电子的共有化运动加剧，导致允带进一步分裂、变宽；允带变宽，则导致允带与允带之间的禁带相对变窄。反之，温度降低，将导致禁带变宽。因此，Ge、Si的禁带宽度具有负温度系数。 1.2.2 半导体中电子的状态和能带 半导体中的电子在周期性势场中运动的基本特点和自由电子的运动十分相似。 自由电子的运动 微观粒子具有波粒二象性，一个自由运动的电子，其动量和能量为： 这一自由粒子可以用频率为υ，波长为λ的平面波表示： 其中A是常数，k为波矢，其对应的标量为波数 (1) 该波遵守薛定谔方程： 自由电子能量和动量与平面波频率和波矢之间