半导体物理概述.pptx
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1、半导体物理天津大学电子信息工程学院张 为教材及参考书目n半导体物理学刘恩科、朱秉升、罗晋生等编著,电子工业出版社n半导体器件物理与工艺(美)A.S.格罗夫著,齐建译n半导体物理基础黄昆、韩汝琦著 n半导体器件 物理与工艺(美)施敏(S.M.Sze)著,王阳元等译 n半导体物理与器件基本原理(第3版)(美)DonaldA.Neamen著内容简介n半导体的晶格结构和电子状态n杂质和缺陷能级n载流子的统计分布n载流子的散射及电导n非平衡载流子npn结n半导体表面及MIS结构答疑时间、地点n答疑时间:n答疑地点:n联系方式:zhangwei_第一章 半导体中的电子状态本章重点n半导体单晶材料中的电子状
2、态及其运动规律n领会“结构决定性质”处理方法n单电子近似能带论单电子近似n假设每个电子是在周期性排列且固定不动的原子核势场及其它电子的平均势场中运动。该势场具有与晶格同周期的周期性势场。1.1 半导体的晶格结构和结合性质预备知识晶体(crystal)n由周期排列的原子构成的物体重要的半导体晶体n单质:硅、锗n化合物:砷化镓、碳化硅、氮化镓晶格(lattice)n周期性结构:如简立方、面心立方、体心立方等。晶胞(cell)n周期性重复单元n固体物理学原胞:最小重复单元n结晶学原胞:为反映对称性选取的最小重复单元的几倍1.金刚石结构和共价键n硅、锗:共价半导体n硅、锗晶体结构:金刚石结构金刚石结构
3、n每个原子周围有四个最邻近的原子,这四个原子处于正四面体的顶角上,任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为该两个原子所共有,并形成稳定的共价键结构。n共价键夹角:10928金刚石结构结晶学原胞n两个面心立方沿立方体空间对角线互相位移了四分之一的空间对角线长度套构而成。金刚石结构固体物理学原胞n中心有原子的正四面体结构(相同双原子复式晶格)金刚石结构原子在晶胞内的排列情况n顶角八个,贡献1个原子;n面心六个,贡献3个原子;n晶胞内部4个;n共计8个原子。硅、锗基本物理参数晶格常数n硅:0.543089nmn锗:0.565754nm原子密度n硅:5.001022n锗:4.421022共价半径n
4、硅:0.117nmn锗:0.122nm2.闪锌矿型结构和混合键-族化合物半导体材料结晶学原胞结构特点n两类原子各自组成的面心立方晶格,沿空间对角线方向彼此位移四分之一空间对角线长度套构而成。与金刚石结构的区别n共价键具有一定的极性(两类原子的电负性不同),因此晶体不同晶面的性质不同。n不同双原子复式晶格。常见闪锌矿结构半导体材料n-族化合物n部分-族化合物,如硒化汞,碲化汞等半金属材料。3.纤锌矿型结构与闪锌矿型结构相比相同点n以正四面体结构为基础构成区别n具有六方对称性,而非立方对称性n共价键的离子性更强n硫化锌、硒化锌、硫化镉、硒化镉等材料均可以闪锌矿型和纤锌矿型两种结构结晶n某些重要的半
5、导体材料以氯化钠型结构结晶n如-族化合物硫化铅、硒化铅、碲化铅等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孤立原子与晶体的区别n单势场中的运动;周期性势场中的公有化运动n孤立能级;准连续能带能带成因n当N个原子彼此靠近时,根据不相容原理,原来分属于N个原子的相同的价电子能级必然分裂成属于整个晶体的N个能量稍有差别的能带。能带特点n分裂的每一个能带称为允带,允带间的能量范围称为禁带n内层原子受到的束缚强,共有化运动弱,能级分裂小,能带窄;外层原子受束缚弱,共有化运动强,能级分裂明显,能带宽。以金刚石结构单晶硅材料为例n能级sp3杂化后,硅原子最外层有四个能量状态;若晶体中有N
6、个原子,能级分裂后形成两个能带,各包含2N各状态。n能量高的能带有2N个状态,全空,称为导带;能量低的能带有2N个状态,全满,成为满带或价带。1.2.2半导体中的电子状态和能带n电子在周期性势场中运动的基本特点和自由电子(处于零势场中)的运动十分相似自由电子运动规律n基本方程np=m0v (动量方程)nE=|p|2/m0 (能量方程)n(r,t)=Aei2(kr-vt)(波方程)其中k 为波矢,大小等于波长倒数1/,方向与波面法线平行,即波的传播方向。n自由电子能量和动量与平面波频率和波矢的关系nE=hnp=hkn考虑一维情况,根据波函数和薛定谔方程,可以求得:nv=hk/m0nE=h2k2/
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