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半导体物理
(SemiconductorPhysics)
主讲:彭新村
信工楼519室Email:xcpeng@ecit.cn
东华理工机电学院电子科学与技术
1.1半导体的晶体结构和结合性质
1.2半导体中的电子状态和能带
1.3半导体中电子的运动有效质量1.4本征半导体的导电机构空穴
1.5半导体材料的能带结构
1.2半导体中的电子状态和能带
1.2.1原子的能级和晶体的能带
1、孤立原子中的电子状态——分立能级
一孤立原子中的电子在原子核势场和其他电子作用下,分列在不同能级上,形成所谓的电子壳层,如1s;2s,2p;
3s,3p,3d;
不同的能级可由以下量子数来描述:
主量子数n:1,2,3,.....
角量子数I:0,1,2,...(n—1)
磁量子数m:0,±1,±2,..±l
自旋量子数ms:±1/2
一电子填充能级的的原则:
·能量最低原理
·泡里不相容原理
1.2.1原子的能级和晶体的能带₂
2、晶体中的电子——共有化运动
一原子组成晶体后,由于电子壳层的交叠,电子不再完全局限在某一个原子上,可以由一个原子子转移到相邻的原子上去,因而电子将可以在整个晶体中运动。这种运动称为电子
的共有化运动。
一共有化运动的特点:
√电子只能在相似壳层间转移
√越外层的电子,共有化运动越显著
1.2.1原子的能级和晶体的能带₃
3、电子的共有化运动——导致能级分裂
一相互靠近的原子,电子做共有化运动,每个原子中的电子除受到本身的原子势场作用外,还受晶体中其它原子势场作用,其结果是原子中每一个原有分立能级都分裂成与晶体中原子数目相同的能级,即能级分裂。
n为原子个数
1s:1个—→n个
2s:1个—→n个
2p:3个—→3n个
n=2
n=1
2p
2s
-1s
电子能量
原子间距
1.2.1原子的能级和晶体的能带4
3、电子的共有化运动——导致能带的形成
一N个原子距离较远时能级是N度简并的(不计原子自身的简并)。相互靠近组成晶体后,能级便分裂成N个彼此靠得很近的能级,简并消失。这N个能级组成一个能带,称为允许带。允许带之间不能被电子占据,称作禁带。
√能带是“准连续”的;
√低能级:共有化运动弱,形成能级晚,能带较窄;
√高能级:共有化运动强,形成能级早,能带较宽;
原子轨道
原子能级
允带
1.2.1原子的能级和晶体的能带5
4、实际半导体的能带
一以金刚石结构的Si为例,每个Si原子有4个价电子,结合形成晶体后,由于sp3杂化,分别占据4个等价的轨道。
-N个Si原子组成晶体,形成的两个能带不与s、p能级相对应,它们都包含2N个状态,各可容纳4N个电子:下面一个能带填满4N个价电子,通常称为满带(价带);上面一个能带是空的,称为空带(导带);二者之间是不允许电子状态存在
的禁区——禁带。
严格周期性排列
的原子间运动
晶体中的电子
单电子近似
原子核周期性势场其它电子的平均势场(与晶格周期性相同)
自由电子
恒定为零的势场
运动相似
1.2.2半导体中电子的状态和能带(数学分析)
1、数学物理模型和近似
孤立原子
中的电子
该原子的核、
其它电子的势场
h为普朗克常数,E为电子能量,r为空间某点的矢径
以上微分方程,可以很容易的求解,并得到如下解:
波函数:
由左面表达式,自
电子能量:由电子的能谱是连
续的,如图所示:
电子动量:p=hk
电子速度:
k:平面波的波数矢量,简称波矢,大小为波长的倒数的2π倍,
方向与波面法线平行,为波的传播方向。
1.2.2半导体中电子的状态和能带(数学分析)₂
2、自由电子的状态——运动方程求解结果
按量子理论,电子的运动用波函数表示,且遵守定态薛定谔(Schrödinger)方程(略去势能):
1.2.2半导体中电子的状态和能带(数学分析)₃
2、自由电子的状态——运动参量
微观粒子(电子)具有波粒二象性(德布罗意关系):
2
方k
波矢k确定时,E、p、v,均有确定值
结论:波矢k可以描述自由电子的运动状态
p=hk
U=hk
m
2
E二
半导体中电子状态及运动特点
求解薛定谔方程
能带
单电子近似(
周期性排列且固定不动的原子核势场其它电子的平均势场
复杂的多体问题
相互作用
原子核电子
1.2.2半导体中电子的状态和能带(数学分析)₄
3、晶体中电子的状态——周期性势场
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