半导体物理_(刘恩科_教材版本).ppt

半 导 体 物 理 学 刘恩科等 国防工业出版社 参考书目： 1. 《半导体物理学》作者: 李名復??页数:376??科学出版社，出版日期:1991年2月第1版?(凝聚态物理学丛书). 2.《半导体物理学》作者:果玉忱??页数:271??国防工业出版社，出版日期:1988年12月第1版?? 3.《半导体物理学（上册）》作者:叶良修??页数:511??高等教育出版社，出版日期:1987年11月第2版? 4.《高等学校教学参考书 半导体物理学》作者:刘文明??页数:627??吉林科学技术出版社,出版日期:1986年第1版? 5．《半导体物理学》 孟宪章,康昌鹤编，吉林大学出版社, 1993.12 6.《半导体物理学》顾祖毅等著，北京 : 电子工业出版社 1995 简 介 普通物理学、统计物理学、量子力学 固体物理学 半导体物理学 、 电介质物理学 应用范围 半导体器件、IC器件等电荷运动的机理。 半导体材料、陶瓷(半导化)材料的导电机理。 新型有机材料及其复合材料的机理分析。 各种发光材料的电荷运动机理。 课程概括 单晶材料中的电子状态及运动规律 处于热电平衡时： 晶体材料的结构与能带--? 第一章 杂质和缺陷---? 第二章 电子运动状态---? 第三章* 运动规律---? 第四章* 非电学平衡---? 第五章* 器件工作机理---? 第六章 第一章 半导体中的电子状态 研究方法：假设(近似)、理论、验证 已经了解：单个原子的电子结构 不了解：多个原子排列在一起出现的问题。电子 – 原子、电子 - 电子的相互作用以及原子- 原子排列形成的势场等多体问题。 1.1 半导体的晶格结构和结合性质 1 金刚石型结构和共价鍵 许多材料的结构与金刚石相同，故称之为金刚石型结构。 这些材料的第IV族的 C(碳)、Si(硅)、Ge(锗)、Sn(锡)，而Si和Ge均是重要的半导体材料。 特点：1.金刚石型结构为两个面心立方的套构。一个基元有两个原子，相距为对角线长度的1/4，n=2。因此，晶格的格波有3n支离子振动格波，3个声学波和3n-3个光学波。 正四面体：顶角、中心有原子 电子云密度大-?共价鍵-?配位数 结 构 分 析 2.任何一个原子的最近邻均有4个原子。例如，离0点对角线1/4处的原子的最近邻原子为0点原子和三个面心原子，它们形成了一个正四面体。共价鍵。 3.每个原子的最外层价电子为一个s态电子和三个p态电子。在与相邻的四个原子结合时，四个共用电子对完全等价，难以区分出s与p态电子，因而人们提出了“杂化轨道”的概念：一个s和三个p轨道形成了能量相同的sp3杂化轨道。 原 胞 (a):构成了固体物理学原胞，基矢有两个原子。 (b):每个实心的原子有四个相邻的空心原子(反之成立)，每个相邻的连线方向可以形成一个四面体。故一个原子成为了四个四面体的顶角。 (c):结晶学原胞 金刚石的原子排列 (d)(111)面的堆积，(e){100}面的投影 注：100表示 [100],[010],…等六个晶格方向； {110}表示(110),(101),…等六个密勒指数的晶面方向。 (d):取垂直于(c)中对角线的平面，如一个顶角最近邻的三个顶角，这三个顶角构成了(111)面。该层包含了套构的原子，形成了双原子层的A层。面心立方为ABC层排列。 (e):从上到下分为五层。 需要记忆的参数 晶格常数：硅 0.543nm, 锗 0.566nm 密度： 5.00*1022cm-3, 4.42*1022cm-3 共价半径： 0.117nm, 0.122nm. 2.闪锌矿型结构和混合键 价键：共价鍵，有一定成份的“离子键”，称之为：混合键 即具有“离子性”------“极性半导体”。 (极性物质：正负电荷中心不重合的物质，会形成“电偶极子”) 如砷化镓中，砷具有较强的电负性(得电子能力)。因此，砷(V)相当于负离子，镓(III)相当于正离子。光学支格波存在。 双原子层：电偶极层。 III?V：[111]方向，III族原子层为[111]面。 结论：共价结合占优势的情况下，此类物质倾向于构成 “闪锌矿结构”。 3。纤锌矿型结构 六角密堆积结构和面心立方结构具有相似的地方：ABABAB……;ABCABC……。 两套面心的套构形成了闪锌矿结构； 两套六角的套构形成了纤锌矿结构。 每个原子与最近邻的四个原子依然保持 “正四面体”结构。 主要由II和VI族原子构成，它们的大小、电负性差异较大。呈现较强的离子性，如：硫化锌、硫化镉等。 1.2 半导体中的电子状态和能带 1.原子的能级和晶体的能带 原子能级的简