半导体总复习课件

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1、总复习§1.1半导体的晶体结构和结合性质§1.2半导体电子状态与能带§1.3半导体电子运动有效质量§1.4半导体中载流子的产生导电机构§1.5Si、Ge、GaAs的能带结构第一章半导体中的电子状态§1.1半导体的晶体结构和结合性质晶体结构：金刚石型闪锌矿型纤锌矿型结合键：共价键混合键—共价+离子金刚石型结构——混合键由两个面心立方晶格沿立方体的空间对角线滑移1/4空间对角线长度套构而成每个原子被四个同一种原子包围共价键金刚石结构Ge:a=5.65754ǺSi:a=5.43089ǺSi、Ge都属于金刚石型结构闪锌矿结构和混合键每个原子被四个异族原子包围III-V族化合物半导体绝大

2、多数具有闪锌矿型结构混合键共价键+离子键共价键占优势GaAs闪锌矿结构闪锌矿结构GaAs:a=5.65325Ǻ纤锌矿型结构六方对称性ZnO、GaN等具有纤锌矿型结构混合键共价键+离子键离子键占优势电子的共有化运动导带、价带、禁带的形成§1.2半导体中的电子状态与能带半导体中的电子状态2p3s晶体中的电子共有化运动——原子组成晶体后，由于相邻原子的“相似”电子壳层发生交叠，电子不再完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上，电子将可以在整个晶体相似壳层间运动——内层电子共有化程度弱、外层强能带的形成原子间距2sE原子间距2sEr02p2p2s2s2p孤立原子中的能级

3、晶体中的能带N个能级3N个能级允带禁带共有化运动→能级分裂→形成能带r0能带的形成是电子共有化运动的必然结果允带{{禁带{禁带dps内层电子共有化运动弱，能级分裂小，能带窄；外壳层电子共有化运动显著，能带宽。能带中能量不连续,当原子数很多时，导带、价带内能级密度很大，可以认为能带准连续每个能带中的能级数目与晶体中的原子数有关能带的宽窄由晶体的性质决定,与所含的原子数无关注意：Si:1s22s22p63s23p2原子间距0r0r12Ne/6N3p3s2Ne/2NEg0e/4N4Ne/4N4Ne/8N金刚石结构半导体的能带形成满带即价带空带即导带sp3杂化禁带宽度存在轨道杂化，失去

4、孤立原子能级与晶体能带的对应关系。杂化后能带重新分开为上能带和下能带，上能带称为导带，下能带称为价带半导体的能带价带：0K条件下被电子填充的能量最高的能带(valenceband)导带：0K条件下未被电子填充的能量最低的能带(conductanceband)禁带：导带底与价带顶之间能带(forbiddenband)带隙：导带底与价带顶之间的能量差(bandgap)禁带宽度电子能量导带价带EgEcEv能带示意图EgEcEv价键电子与所处能带的对应关系：成键电子处于价带自由电子处于导带电子状态、能带与布里渊区允带允带允带禁带禁带kE0π/a-2π/a3π/a-π/a2π/a-3π/

5、a第1第2第2第3第3布里渊区电子在周期场中运动时其能量不连续，形成一系列允带和禁带。一个允带对应的k值范围称为布里渊区kE简约布里渊区π/a-π/a0简约波矢平移k值只能取分立值——对应一个能级布里渊区——对应一个能带第一布里渊区,对应内壳层分裂的能级能量第二布里渊区,对应较高壳层的能级能量简约布里渊区将其他区域平移2nπ/a移动至第一布里渊区，这时第一布里渊区称为简约布里渊区这一区域的波矢k称为简约波矢允带和禁带晶体中的电子能量某些能量区域是禁止的，即禁带.允带以禁带分隔,禁带出现在布里渊区边界波矢k——能级？布里渊区——能带？§1.3半导体中电子的运动有效质量半导体导带中

6、E(k)与k的关系kE简约布里渊区导带价带——考虑能带底或能带顶的电子能量状态令则称mn*为电子的有效质量以一维情况为例m*的特点a.决定于材料b.与能带有关内层:带窄,小,m*大:外层:带宽,大,m*小.外层电子，在外力作用下可以获得较大的加速度。kE简约布里渊区c.m*有正负之分能带底：E(k)>E(0),mn*>0能带顶：E(k)0m*<0布里渊区有效质量m*分布？布里渊区能量E、速度v和有效质量m*0m*0Ek-π/am*>00π/aVm*<0电子在外力作用下运动受到外电场力F外的作用内部原子、电子相互作用内部势场F内作

7、用引入有效质量外力F外直接和电子的加速度相联系有效质量概括内部势场作用F外+F内=m0a有效质量的意义F外=mn*a讨论半导体中电子运动时，可不涉及内部势场§1.4半导体中载流子产生及导电机构载流子的产生(a)AphotonwithanenergygreaterthanEgcanexciteanelectronfromtheVBtotheCB.(b)WhenaphotonbreaksaSi-Sibond,afreeelectronandaholeintheSi-Sibondiscreated