半导体物理第一章.ppt

第一章半导体中的电子状态1.1半导体的晶格结构和结合性质1.2半导体中电子状态和能带1.3半导体中电子运动－－有效质量1.4本征半导体的导电机构－－空穴1.5常见半导体的能带结构1.6硅和锗的能带结构§1·1半导体的晶体结构和结合性质常用半导体材料的晶体结构金刚石结构，Si和Ge闪锌矿结构，GaAs纤锌矿结构，ZnS

1、金刚石型结构和共价键这种结构的特点是：每个原子周围都有四个最近邻的原子，与它形成四个共价键，组成一个正四面体结构，其配位数为4。一个粒子周围最近邻的粒子数，称为配位数。共价键:由同种晶体组成的元素半导体,其原子间无负电性差,它们通过共用一对自旋相反而配对的价电子结合在一起.晶格常数Si:a=5.43089埃Ge:a=5.65754埃金刚石型结构的结晶学原胞，是立方对称的晶胞它是由两个相同原子的面心立方晶胞沿立方体的空间对角线滑移了1/4空间对角线长度套构成的。立方体顶角和面心上的原子与这四个原子周围情况不同，所以它是由相同原子构成的复式晶格。其固体物理学原胞和面心立方晶格的取法相同，但前者含两个原子，后者只含一个原子。原子间通过共价键结合。共价键的特点：饱和性、方向性。原子间通过共价键结合。共价键的特点：饱和性、方向性。⑴饱和性：共价键的饱和性是指，一个原子只能形成一定数目的共价键。由于共价键是两个原子通过共用各自未配对的电子而形成的，而原子的电子结构是确定的，某一原子在与其它原子化合时，能够形成共价键的数目就完全取决于原子外层电子中未配对的电子数。此乃饱和性的实质。⑵方向性：共价键的方向性是指，原子只能在某些特定的方向上形成共价键。按量子理论，共价键实际上是由于相邻原子的电子云交叠而形成的，电子云交叠程度的大小决定了共价键的强弱。因此，原子形成共价键时，总是取电子云密度最大的方向。这就是方向性的根源。2、闪锌矿结构和混合键III-V族化合物半导体绝大多数具有闪锌矿型结构。闪锌矿结构由两类原子各自组成的面心立方晶胞沿立方体的空间对角线滑移了1/4空间对角线长度套构成的。每个原子被四个异族原子包围。例:GaAs、GaP、ZnO2、闪锌矿结构和混合键两类原子间除了依靠共价键结合外，还有一定的离子键成分，但共价键结合占优势。以离子为结合单元，由正、负离子组成的、靠库仑力而形成的晶体。此种结合力称为离子键。由碱金属元素与卤族元素所组成的化合物晶体是典型的离子晶体，如NaCl、CsCl等。II-VI族化合物晶体也可以看成是离子晶体，如CdS、ZnS等。3、纤锌矿型结构纤锌矿型结构和闪锌矿型结构相接近，它也是以正四面体结构为基础构成的，但是它具有六方对称性，而不是立方对称性，右图为纤锌矿型结构示意图，它是由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积而成。两类原子的结合为混合键，但离子键结合占优势。§1.2半导体中电子的状态和能带1.2.1.原子的能级和晶体的能带电子共有化运动：由于相邻原子的“相似”电子壳层发生交叠，电子不再局限在某一个原子上而在整个晶体中的相似壳层间运动，引起相应的共有化运动。原子的能级的分裂n个原子尚未结合成晶体时，每个能级都是n度简并的，当它们靠近结合成晶体后，每个电子都受到周围原子势场的作用，每个n度简并的能级都分裂成n个彼此相距很近的能级。孤立原子的能级4个原子能级的分裂原子能级分裂为能带

当有N个原子相互靠近组成晶体后，它们的能级便分裂成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，称为允带。原子能级分裂为能带

内壳层电子：共有化运动弱，能级分裂晚，形成能带窄；外壳层电子：共有化运动强，能级分裂早，形成的能带宽。允带、禁带的形成：同一能级分裂的n个彼此相近的能级组成一个能带，称为允带，允带之间因没有允许能级，称为禁带。1.2.2、半导体中电子的状态和能带一、电子在周期场中的运动晶体中电子的运动与孤立原子的电子和自由电子的运动有何不同：孤立原子中的电子是在该原子的核和其它电子的势场中运动，自由电子是在恒定为零的势场中运动，而晶体中的电子是在严格周期性重复排列的原子间运动，单电子近似认为，晶体中的某一个电子是在周期性排列且固定不动的原子核的势场以及其它大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格周期相同。1.自由电子的运动状态（1）孤立原子中的电子是