2 半导体材料的基本性质

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1、第二章半导体材料的基本性质李斌斌南京航天航空材料学院第二章半导体材料的基本性质2.1半导体的晶体结构2.2半导体的能带结构2.3半导体的杂质和缺陷2.4半导体的电学性质2.5半导体的光学性质2.1半导体的晶体结构2.1.1晶体2.1.2晶体结构2.1.3晶体类型2.1.1晶体晶体是由原子或分子在空间按一定规律周期性地重复排列构成的固体物质，具有规则几何外形。晶体之所以具有规则的几何外形，是因其内部的质点作规则的排列，实际上是晶体中最基本的结构单元重复出现的结果。晶胞参数我们把晶体中重复出现的最基本的结构单元叫晶胞。

2、构成晶胞的六面体的三个边长a、b、c及三个夹角α、β、γ称为晶胞参数。它们决定了晶胞的大小和形状。七大晶系晶系晶轴夹角立方a=b=cα=β=γ=900四方a=b≠cα=β=γ=900正交a≠b≠cα=β=γ=900三方a=b=cα=β=γ≠900六方a=b≠cα=β=900，γ=1200单斜a≠b≠cα=γ=900，β≠900三斜a≠b≠cα≠β≠γ≠900立方Cubic四方Tetragonal正交Rhombic三方Rhombohedral六方Hexagonal单斜Monoclinic三斜Triclinic2.1.

3、3晶体结构一般表达一个晶体结构，需要给出：1.晶系；2.晶胞参数；3.晶胞中所包含的原子或分子数Z；4.特征原子的坐标。（1）晶胞中质点的占有率体心面心棱边顶角立方晶胞体心：1面心：1/2棱边：1/4顶点：1/8晶胞中各质点的占有率（2）密排堆积方式密堆积方式因充分利用了空间，而使体系的势能尽可能降低，而结构稳定。常见的密排堆积方式的种类有：简单立方堆积体心立方堆积面心立方堆积密排六方堆积金刚石型堆积简单立方堆积体心立方堆积面心立方堆积密排六方堆积金刚石型堆积109º28´半导体的晶体结构结构类型半导体材料金刚石型

4、Si，金刚石，Ge闪锌矿型GaAs，ZnO，GaN，SiC纤锌矿型InN，GaN，ZnO，SiCNaCl型PbS，CdO2.1.3晶体类型金属晶体通过金属键而形成的晶体离子晶体通过离子键而形成的晶体分子晶体通过分子间作用力而形成的晶体原子晶体通过共价键形成的晶体2.2半导体的能带结构2.2.1原子结构和原子能级2.2.2半导体的电子状态2.2.3半导体的能带结构2.2.4半导体的载流子2.2.1单原子结构波尔理论①核外电子只能在有确定半径和能量的轨道上运动,且不辐射能量②基态：能量最低；能级：轨道的不同能量状态；激

5、发态：电子被激发到高能量轨道上③激发态的电子不稳定，跃迁到低能级，以光的形式释放能量。电子原子核原子能级结构图基态激发态E1＝－13.6eVE2＝－3.4eVE3＝－1.51eVE4＝－0.85eV多电子原子能级晶体是由大量的原子组成，由于原子间距离很小，原来孤立原子的各个能级将发生不同程度的交叠：1.电子也不再完全局限于某一个原子，形成“共有化”电子。2.原来孤立的能级便分裂成彼此相距很近的N个能级，准连续的，可看作一个能带原子能级分裂为能带原子能级能带允带禁带允带允带禁带2.2.2半导体的电子状态孤立原子的电子

6、状态孤立原子的电子只在该原子核的势场中运动金属的电子状态金属元素的价电子为所有原子（或离子）所共有，可以在整个金属晶格的范围内自由运动，称为自由电子。自由电子是在一恒定为零的势场中运动半导体的电子状态半导体中的电子状态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势场以及其它大量电子的平均势场中运动大量电子的平均势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格的周期相同。两者的共同点在于都有一个恒定的势场。因而可以先分析自由电子的状态，接着再考虑加上一个平均场后的电子状态（1）自由电子的薛定谔方程自由电子与时间因素无关

7、，因而波函数可以表示为：自由电子所遵守的薛定谔方程为：（1）自由电子的电子状态粒子：质量为m0，速度为波：波数为k，频率为f波粒二象性自由电子的电子状态自由电子E与k的关系自由电子的能量E与波失k的关系呈抛物线形状。波失k可以描述自由电子的运动状态不同的k值标志自由电子的不同状态波失k的连续变化，自由电子的能量是连续能谱，从零到无限大的所有能量值都是允许的。Ek（2）晶体中的电子状态在自由电子的薛定谔方程上再考虑一个周期性势场晶体中电子所遵守的薛定谔方程为：晶体中电子的E(k)与K的关系EkEgResultedfr

8、omr+Resultedfromr-p/a2p/a-p/a-2p/a0布里渊区晶体中电子的能量E和波失k的关系曲线基本和自由电子的关系曲线一样，但在时，能量出现不连续，形成了一系列的允带和禁带。每一个布里渊区对应于一个允带禁带出现在处，即出现在布里渊区边界上2.2.3半导体中的电子分布能带允带禁带允带允带禁带电子分布原则1.最低能量原理电子在核外排列应尽先分