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时间:2018-09-18
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1、Mine论坛友情提供:http://www.1398.zj.com欢迎访问交流半导体物理经验第一章半导体中的电子状态本章介绍:本章主要讨论半导体中电子的运动状态。主要介绍了半导体的几种常见晶体结构,半导体中能带的形成,半导体中电子的状态和能带特点,在讲解半导体中电子的运动时,引入了有效质量的概念。阐述本征半导体的导电机构,引入了空穴散射的概念。最后,介绍了Si、Ge和GaAs的能带结构。第一节半导体的晶格结构和结合性质本节要点1.常见半导体的3种晶体结构;2.常见半导体的2种化合键。1.金刚石型结构和共价键重要的半导体材料Si、Ge都属于金刚石型结构。这种结构的特点是:每个原
2、子周围都有四个最近邻的原子,与它形成四个共价键,组成一个如图1(a)所示的正四面体结构,其配位数为4。金刚石型结构的结晶学原胞,是立方对称的晶胞如图1(b)图所示。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。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
3、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。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。Mine论坛友情提供:http://www.1398.zj.com欢迎访问交流半导体物理经验在垂直于[111]方向,闪锌矿结构是由一系列III族原子层和V族原子层构成的双原子层堆积起来的。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,图2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
4、占优势。第二节半导体中的电子状态和能带本节要点1.电子的共有化运动,.导带、价带、禁带的形成;2.周期性波函数;3.导体、半导体、绝缘体的能带与导电性能的差异。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。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。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
5、许能级,称为禁带。2.半导体中的电子的状态和能带自由电子具有波粒二象性,遵守定态薛定谔方程;(1-1)(1-2)(1-3)晶体中的电子运动的波函数(1-4)其中是与晶格周期相同的周期性函数,即uk(x)=uk(x+na)(1-5)所以周期性变化,说明电子可以移动到其它晶胞的对应点,这就是共有化运动。不同k标志着不同的共有化运动。3.布里渊区与能带Mine论坛友情提供:http://www.1398.zj.com欢迎访问交流半导体物理经验能量不连续,形成一系列的允带和禁带。允带出现在布里渊区中,禁带出现在处,即布里渊区边界上。能量是k的周期函数:。3.导体、半导体、绝缘体的能带
6、部分占满的能带,如金属的价电子能带,才能导电。半导体禁带宽度较小,价带少量电子获得外界能量脱离共价键跃迁到导带,形成导带导电的电子,并在价带产生导带空穴,这个过程就是本征激发。绝缘体由于禁带较大,价带电子跃迁困难,所以导电性差。导带价带导带价带半满带价带禁带禁带禁带(a)绝缘体(b)半导体(c)导体第三节半导体中电子的运动有效质量本节要点:1、有效质量的意义和计算;2、半导体平均速度和加速度。1.有效质量:有效质量概括了半导体内部势场的作用,使得在解决半导体中电子在外力作用下的运动规律时,可以不涉及内部作用而直接应用牛顿第二定律。设能带底位于处,将在附近按二阶泰勒级数展开,得
7、:(1-6)令(1-7)其中为能带底附近电子的有效质量。可见,能带底是正值。同样可得,能带顶附近电子的有效质量,它是负值。2.电子的平均速度电子速度与能量的关系:(1-8)能带极值附近,电子速度,能带底附近电子的速度与波矢符号相同,能带顶附近电子的速度与波矢符号相反。-曲线如下图。Mine论坛友情提供:http://www.1398.zj.com欢迎访问交流半导体物理经验1.电子的加速度由于,电子在外力作用下,波矢不断改变,其变化率与外力成正比;引进电子有效质量后,半导体中电子所受的外力与加速度的关系可
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