半导体器件物理基础第一章.pptVIP

第一章 半导体物理基础 §1-1 晶体结构和半导体材料 晶格结构 密勒指数 半导体器件基础 半导体物理中的基本概念 固体结构 晶体结构 硅、锗等半导体都属于金刚石型结构。 III-V族化合物（如砷化镓等）大多是属于闪锌矿型结构，与金刚石结构类似。 晶格常数是晶体的重要参数。 aGe=0.5658nm,aSi=0.5431nm —倒格矢： 基本参数: a*, b*, c* (a?a*=2?, a ?b*=0, etc.) 应用：波矢k空间的布里渊区 —沿晶体的不同方向，晶体的机械、物理特性也是不相同的，这种情况称为晶体的各向异性。用密勒指数表示晶面。 —密勒指数（Miller indices)：表示晶面 （1）确定某一平面在直角坐标系三个轴上的截点，并以晶格常数为单位测出相应的截距； （2）取截距的倒数，然后约化为三个最小的整数，这就是密勒指数。 价键 每个原子有4个最近邻原子以共价键结合，低温时电子被束缚在各自的正四面体晶格内，不参与导电。高温时，热振动使共价键破裂，每打破一个键，就得到一个自由电子，留下一个空穴，即产生一个电子空穴对。 半导体器件基础 半导体器件是根据半导体中的各种效应制成的。 如：利用pn结单向导电效应，光电效应，雪崩倍增效应，隧道效应等，可以制成各种半导体结型器件。 利用半导体中载流子的能谷转移效应，可以制成体效应器件。 利用半导体与其它材料之间的界面效应，可以制成各种界面器件。 半导体中的各种效应是由半导体内部的电子运动产生的，因此需要掌握构成半导体器件物理基础的半导体中的电子运动规律。 半导体物理中的基本概念 晶格结构 能带结构 载流子 载流子有效质量 载流子的散射 载流子的统计分布 载流子的输运 杂质掺杂半导体 §1-2 半导体能带结构 能带的概念 有效质量的概念 载流子的概念 多能谷半导体 态密度 能带的概念 电子的共有化运动 能带的概念 导体、半导体、绝缘体的能带 直接带隙半导体：电子从价带向导带跃迁不需要改变晶体动量的半导体，如GaAs。 间接带隙半导体：电子从价带向导带跃迁要改变晶体动量的半导体，如Si。 单电子近似 单电子近似解法 解为Bloch函数: 晶体是由大量的原子结合而成的，因此各个原子的电子轨道将有不同程度的交叠。电子不再局限于某个原子，而可能转移到其他原子上去，使电子可能在整个晶体中运动。晶体中电子的这种运动称为电子的共有化。由于晶格是势场的周期性函数，我们有 式中V（x）为周期性势场，s为整数，a为晶格常数。 势场的周期与晶格周期相同。晶体中的电子在周期性势场中运动的波函数其振幅随x作周期性变化，其变化周期与晶格周期相同，这反映了电子不再局限于某个原子，而是以一个被调幅的平面波在晶体中传播。基本方程为薛定谔方程： 有效质量的概念 晶体中电子行径与自由电子在导带底和价带顶附近非常相似。 可以证明，对于一般输运过程中，可以把电子看成具有动量 ，能量 的有效带电粒子，其中mn为有效质量。 ★ 有效质量的引入 对半导体而言,重要的是导带底和价带顶附近的电子状态. 一维情况下,导带底、价带顶的E?k关系为抛物线近似 --能带极值附近的电子有效质量. ★ 电子的速度和加速度 根据量子力学，电子的运动可以看作波包的运动，波包的群速就是电子运动的平均速度（波包中心的运动速度）。 设波包有许多频率ν相近的波组成，则波包的群速为： 根据波粒二象性，频率为ν的波，其粒子的能量为h ν，所以 速度-在准经典近似下, 电子的速度即为波包中心的运动速度(群速度). 加速度-在外力(例如电场力)作用下,电子的运动状态发生变化 -晶体中电子的准动量. ★ 关于有效质量的几点说明 ① 有效质量概括了半导体中内部势场的作用.引入有效质量后,带顶、带底的电子运动状态可以表达为类似自由电子的形式。 ② 有效质量可以通过实验直接测得。 ③ 由有效质量看内部势场: ? 有效质量的大小—与共有化运动的强弱有关,反映了晶体中的势场对电子束缚作用的大小.(能带极值处有不同的曲率半径) 能带越窄，二次微商越小，有效质量越大（内层电子的有效质量大）；能带越宽，二次微商越大；有效质量越小（外层电子的有效质量小）。 ? 有效质量的正负—与位置有关,反映了概括内部周期势场的内部作用后的有效质量。 带底,带顶 附近: (一维情况) 能量—在带底,带顶 附近,E~k为抛物线关系.有效质量为定值 有效质量—