半导体物理补充知识省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、半导体物理学半导体物理学主讲人:代国章主讲人:代国章物理楼物理楼110室,室,13786187882Email:第1页课程代码:课程代码:14010022课程性质:专业课程课程性质:专业课程/选修课选修课学分:学分:3.0时间:周二(时间:周二(7,8)、(单周)周三()、(单周)周三(1,2)教室:教室:D座座103课程特点:内容广、概念多,理论和系统性较强。课程特点:内容广、概念多,理论和系统性较强。课程要求:着重物理概念及物理模型;基本计算公式课程要求:着重物理概念及物理模型;基本计算公式课程考评:考勤(课程考评:考勤(10%),作业(),作业(20%),期末(),期末(70%)课程介绍
2、课程介绍1第2页n教材教材刘恩科,朱秉升,罗晋生刘恩科,朱秉升,罗晋生编著编著半导体物理学半导体物理学(第七版第七版),电子工业出版(,电子工业出版()n参考资料参考资料刘恩科,朱秉升,罗晋生刘恩科,朱秉升,罗晋生编著编著半导体物理学半导体物理学(第六版第六版),电子工业出版社,电子工业出版社()半导体物理半导体物理,钱佑华,徐至中,高等教育出版社钱佑华,徐至中,高等教育出版社半导体器件物理半导体器件物理(第第3版版),耿莉,张瑞智译耿莉,张瑞智译|(美美)S.M.Sze,KwokK.Ng著,西安交通大学出版社著,西安交通大学出版社SemiconductorPhysicsandDevices:
3、BasicPrinciples3rdEd.半导半导体物理与器件体物理与器件-基本原理基本原理(第第3版版)(美美)DonaldA.Neamen清华大学出版社清华大学出版社半导体物理学学习辅导与经典题解半导体物理学学习辅导与经典题解-高等学校理工科电子科学与技术类课高等学校理工科电子科学与技术类课程学习辅导丛书,田敬民程学习辅导丛书,田敬民电子工业出版社电子工业出版社半导体物理讲义与视频资料,蒋玉龙半导体物理讲义与视频资料,蒋玉龙课程介绍课程介绍2第3页课程介绍课程介绍3第4页课程介绍课程介绍413.13.非晶态半导体非晶态半导体1.1.半导体中电子状态半导体中电子状态 2.2.半导体中杂质和缺
4、点能级半导体中杂质和缺点能级3.3.半导体中载流子统计分布半导体中载流子统计分布 4.4.半导体导电性半导体导电性5.5.非平衡载流子非平衡载流子基本知识和性质基本知识和性质6.p-n6.p-n结结7.7.金属和半导体接触金属和半导体接触8.8.半导体表面与半导体表面与MISMIS结构结构9.9.半导体异质结构半导体异质结构接触现象接触现象10.10.半导体光学性质和光电半导体光学性质和光电 与发光现象与发光现象11.11.半导体热电性质半导体热电性质12.12.半导体磁和压阻效应半导体磁和压阻效应特殊效应特殊效应第5页半导体概要半导体概要1一、什么是半导体一、什么是半导体(semicondu
5、ctor)?带隙带隙电阻率电阻率第6页半导体概要半导体概要2第7页二、半导体主要特征二、半导体主要特征:温度对半导体影响温度对半导体影响半导体概要半导体概要3杂质对半导体电阻率影响杂质对半导体电阻率影响第8页光照对半导体影响光照对半导体影响 半导体概要半导体概要4第9页三、半导体主要应用领域三、半导体主要应用领域半导体概要半导体概要5 LED照明照明 IC 光电器件光电器件半导体一个充满前途领域!半导体一个充满前途领域!第10页第第1章章半导体中电子状态半导体中电子状态1.1半导体晶格结构和结合性质半导体晶格结构和结合性质1.2半导体中电子状态和能带半导体中电子状态和能带1.3半导体中电子运动
6、半导体中电子运动有效质量有效质量1.4本征半导体导电机构本征半导体导电机构空穴空穴1.5盘旋共振盘旋共振1.6硅和锗能带结构硅和锗能带结构*1.7-族化合物半导体能带结构族化合物半导体能带结构*1.8-族化合物半导体能带结构族化合物半导体能带结构*1.9Si1-xGex合金能带合金能带*1.10宽禁带半导体材料宽禁带半导体材料第11页一、晶体结构一、晶体结构1.1半导体晶格结构和结合性质半导体晶格结构和结合性质1n晶体基本特点晶体基本特点组成晶体原子按一定规律周期性重复排列而成组成晶体原子按一定规律周期性重复排列而成固定熔点固定熔点硅溶点硅溶点:1420oC,锗熔点锗熔点:941oC单晶含有方
7、向性单晶含有方向性:各向异性各向异性第12页理想晶体是由全同结构单元在空间无限重复而组成;理想晶体是由全同结构单元在空间无限重复而组成;结构单元组成:单个原子(铜、铁等简单晶体)多个原子或结构单元组成:单个原子(铜、铁等简单晶体)多个原子或分子(分子(NaCd2,1192个原子组成最小结构单元;蛋白质晶体个原子组成最小结构单元;蛋白质晶体结构单元往往由上万了原子或分子组成);结构单元往往由上万了原子或分子组成);晶体结构用晶体结构用点阵点阵来描述,在点阵每个来描述,在点阵每个阵点阵点上附有一群原子;上附有一群原子;这么一个原子群成为这么一个原子群成为基元基元;基元在空间重复就形成晶体结构。基元
8、在空间重复就形成晶体结构。1.1半导体晶格结构和结合性质半导体晶格结构和结合性质2第13页n基元和晶体结构基元和晶体结构每个阵点上附加一个基元,就组成晶体结构;每个阵点上附加一个基元,就组成晶体结构;每个基元组成、位形和取向都是全同;每个基元组成、位形和取向都是全同;相对一个阵点,将基元放在何处是无关紧要;相对一个阵点,将基元放在何处是无关紧要;基元中原子数目,能够少到一个原子,如许多金属基元中原子数目,能够少到一个原子,如许多金属和和惰性气体晶体;也能够有很多个(超出惰性气体晶体;也能够有很多个(超出1000个)个)1.1半导体晶格结构和结合性质半导体晶格结构和结合性质3第14页n晶胞与初基
9、晶胞(原胞)晶胞与初基晶胞(原胞)晶胞:能完整反应晶体内部原子或离子在三维空间分布之化学晶胞:能完整反应晶体内部原子或离子在三维空间分布之化学-结构特结构特征平行六面体单元征平行六面体单元。经过适当平移操作,晶胞能够填充整个空间经过适当平移操作,晶胞能够填充整个空间初级晶胞初级晶胞(原胞原胞):晶体中最小重复单元:晶体中最小重复单元一个初基晶胞是一个体积最小晶胞一个初基晶胞是一个体积最小晶胞初基晶胞中原子数目(密度)都是一样初基晶胞中原子数目(密度)都是一样初基晶胞中只含有一个阵点(平行六面体初基晶胞中只含有一个阵点(平行六面体8个角隅,个角隅,1/8共享)共享)原胞往往不能反应晶体对称性原胞
10、往往不能反应晶体对称性,晶胞普通不是最小重复单元。其体积晶胞普通不是最小重复单元。其体积(面积)能够是原胞数倍(面积)能够是原胞数倍 1.1半导体晶格结构和结合性质半导体晶格结构和结合性质4晶胞:晶胞:a,b,c轴围成六面体轴围成六面体原胞:原胞:a1,a2,a3围成六面体围成六面体第15页n三维点阵类型三维点阵类型1.1半导体晶格结构和结合性质半导体晶格结构和结合性质5平行六面体三个棱长平行六面体三个棱长a、b、c和和及其夹角及其夹角、,可决定平行六,可决定平行六面体尺寸和形状,这六个量亦称为面体尺寸和形状,这六个量亦称为点阵常数点阵常数。按点阵参数可将晶体点按点阵参数可将晶体点阵分为阵分为
11、七个七个晶系晶系,产生产生14种种不一样不一样点阵类型点阵类型。14种三维点阵种三维点阵第16页n金刚石型晶体结构金刚石型晶体结构1.1半导体晶格结构和结合性质半导体晶格结构和结合性质6半半导导体体有有:元元素素半半导导体体如如Si、Ge原子结合形式:共价键原子结合形式:共价键每个原子周围都有每个原子周围都有4个最近邻原子个最近邻原子,组成一个正四面体结构。,组成一个正四面体结构。4个原子分个原子分别处于正四面体顶角上,任一顶角上别处于正四面体顶角上,任一顶角上原子和中心原子各贡献一个原子和中心原子各贡献一个价电子为价电子为该两个原子所共有,共有电子在两个该两个原子所共有,共有电子在两个原子之
12、间形成原子之间形成较大电子云密度,经过较大电子云密度,经过他们对原子实引力把两个原子结合在他们对原子实引力把两个原子结合在一起一起;晶胞:晶胞:面心立方对称面心立方对称两套面心立方点阵沿对角线平移两套面心立方点阵沿对角线平移1/4套构而成套构而成;第17页n闪锌矿晶体结构闪锌矿晶体结构1.1半导体晶格结构和结合性质半导体晶格结构和结合性质7材料材料:-族和族和-族二元化合物半导体族二元化合物半导体如如GaAs、InP、ZnS,等,等原子结合形式:混合键原子结合形式:混合键依靠共价键结合,但有一定依靠共价键结合,但有一定离子键成份离子键成份极性半导体极性半导体晶胞:晶胞:面心立方对称面心立方对称
13、两套不一样原子面心立方点两套不一样原子面心立方点阵沿对角线平移阵沿对角线平移1/4套构而成套构而成;金刚石型金刚石型闪锌矿型闪锌矿型第18页n纤锌矿晶体结构纤锌矿晶体结构原子结合形式:混合键原子结合形式:混合键依靠共价键结合,离子键成依靠共价键结合,离子键成份占优;份占优;晶胞:晶胞:六方对称六方对称 1.1半导体晶格结构和结合性质半导体晶格结构和结合性质8材料材料:-族和族和-族二元化合物半导体族二元化合物半导体如如GaN、ZnO、CdS、ZnS等等纤锌矿型(纤锌矿型(GaN)第19页孤立原子能级孤立原子能级n原子能级原子能级不一样支壳层电子不一样支壳层电子1、电子在壳层上分布遵从:、电子在
14、壳层上分布遵从:a)泡利不相容原理泡利不相容原理b)能量最低原理能量最低原理2、表示方法:表示方法:1s;2s,2p;3s,3p,3d;3、在单个原子中,电子状态特点是:、在单个原子中,电子状态特点是:总是局限在原子周围,其能级取一系列分总是局限在原子周围,其能级取一系列分立值立值。1.2半导体中电子状态和能带半导体中电子状态和能带1一、原子能级和晶体能带一、原子能级和晶体能带第20页n晶体能带晶体能带1、原子最外壳层交叠程度大,电子共有化、原子最外壳层交叠程度大,电子共有化运动显著,能级分裂厉害,能带宽运动显著,能级分裂厉害,能带宽2、原子最内壳层交叠程度小,电子共有化、原子最内壳层交叠程度
15、小,电子共有化运动弱,能级分裂小,能带窄运动弱,能级分裂小,能带窄1.2半导体中电子状态和能带半导体中电子状态和能带2原子靠近,外层电子发生共有化原子靠近,外层电子发生共有化运动运动能级分裂能级分裂原子形成晶体后,电子共有化运原子形成晶体后,电子共有化运动造成能级分裂,形成能带。动造成能级分裂,形成能带。第21页nSi能带能带 1.2半导体中电子状态和能带半导体中电子状态和能带3N个原子组成晶体,每个个原子组成晶体,每个能带能带包含包含能级数能级数(共有化状态数)(共有化状态数)不计原子本身简并不计原子本身简并:N个原子个原子N度简并度简并考虑原子简并:考虑原子简并:与孤立原子简并度相关与孤立
16、原子简并度相关比如:比如:N个原子形成晶体:个原子形成晶体:s能级(无简并)能级(无简并)N个状态个状态p能级(三度简并)能级(三度简并)3N个状态个状态考虑自旋考虑自旋:N2N 第22页自由电子自由电子E-k关系关系1.2半导体中电子状态和能带半导体中电子状态和能带4n自由电子运动自由电子运动微观粒子含有波粒二象性微观粒子含有波粒二象性考虑一个质量考虑一个质量m0,速度,速度自由运动电子:自由运动电子:二、半导体中电子状态和能带二、半导体中电子状态和能带第23页n晶体中薛定谔方程及其解形式晶体中薛定谔方程及其解形式 其解为布洛赫波函数其解为布洛赫波函数晶体中电子是以一个被调幅平面波在晶体中传
17、输晶体中电子是以一个被调幅平面波在晶体中传输1.2半导体中电子状态和能带半导体中电子状态和能带5第24页n晶体中晶体中E-k关系关系能带能带 1、禁带出现在、禁带出现在k=n/a处,即,即出出现在布里渊区在布里渊区边界上界上2、每一个布里渊区对应一个、每一个布里渊区对应一个能带能带3、能隙起因:晶体中电子波、能隙起因:晶体中电子波布喇格反射周期性势场作用布喇格反射周期性势场作用1.2半导体中电子状态和能带半导体中电子状态和能带6晶体中电子晶体中电子E-k关系图关系图简约布里渊区简约布里渊区E(k)=E(k+2n/a)能量不连续:能量不连续:k=n/a(n=0,1,2,)第25页三、三、导体、半
18、导体、绝缘体能带模型导体、半导体、绝缘体能带模型 1.2半导体中电子状态和能带半导体中电子状态和能带7满带中电子不形成电流,满带中电子不形成电流,对导电没有贡献(内层电子)对导电没有贡献(内层电子)导体中,价电子占据能带导体中,价电子占据能带部分占满部分占满绝缘体和半导体,被电子绝缘体和半导体,被电子占满满带为价带,空带为导占满满带为价带,空带为导带;中间为禁带。带;中间为禁带。禁带宽度:绝缘体禁带宽度:绝缘体半导体半导体第26页四、四、能带隙能带隙 1.2半导体中电子状态和能带半导体中电子状态和能带8高纯半导体在绝对零度时导带是空,而且由一个能隙高纯半导体在绝对零度时导带是空,而且由一个能隙
19、Eg与充满价带隔开与充满价带隔开能带隙是导带最低点和价带最高点之间能量差能带隙是导带最低点和价带最高点之间能量差导带最低点称为导带底,价带最高点称为价带顶导带最低点称为导带底,价带最高点称为价带顶当温度升高时,电子由价带被热激发至导带。导带中电当温度升高时,电子由价带被热激发至导带。导带中电子和留在价带中空轨道二者都对电导率有贡献子和留在价带中空轨道二者都对电导率有贡献第27页n本征激发本征激发 本征激发:在一定温度下,价本征激发:在一定温度下,价带电子被热激发至导带电子过带电子被热激发至导带电子过程。程。此时,导带中电子和留在价带此时,导带中电子和留在价带中空穴二者都对电导率有贡献,中空穴二
20、者都对电导率有贡献,这是与金属导体最大区分。这是与金属导体最大区分。一定温度下半导体能带一定温度下半导体能带1.2半导体中电子状态和能带半导体中电子状态和能带9第28页1.3半导体中电子运动半导体中电子运动有效质量有效质量1一、一、半导体中半导体中E-k关系关系要掌握能带结构,必须确定要掌握能带结构,必须确定E-k关系(色散关系)关系(色散关系)半导体中起作用经常是靠近于能带底部或顶部电子,半导体中起作用经常是靠近于能带底部或顶部电子,所以只要掌握这些能带极值附近色散关系即可所以只要掌握这些能带极值附近色散关系即可E(0):导带底能量:导带底能量以一维情况为例,令以一维情况为例,令dE/dk|
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