最新半导体物理概要教学讲义ppt.ppt

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1、半导体物理2013概要内容简介半导体中的电子状态半导体中杂质和缺陷能级半导体中载流子的统计分布半导体的导电性非平衡载流子pn结金属和半导体的接触半导体表面及MIS结构异质结半导体光学性质和光电与发光现象第一章半导体中的电子状态本章主要讨论半导体中电子的运动状态。介绍了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，引入了空穴的概念。最后，介绍了Si、Ge和GaAs的能带结构。分裂的能级数与支壳层的简并度有关：八个原子组

2、成晶体时2s能级分裂为8个能级；2p能级本身是三度简并，分裂为24个能级。八个原子形成晶体时能级分裂的情况当N个原子彼此靠近时，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。§1.1半导体中的电子状态和能带§1.1.1晶体中的电子状态能带特点：（1）原子中的电子能级分裂成N个彼此靠的很近的能级，组成一个能带称为允带，晶体中的电子分布在这些能级中，能带由下至上能量增高；允带间的能量间隙称为禁带（2）内层电子受到的束缚强，共有化运动弱，能级分裂小，对应的能带窄；

3、外层电子子受束缚弱，共有化运动强，能级分裂明显，对应的能带宽。§1.1半导体中的电子状态和能带§1.1.1晶体中的电子状态共有化状态数---每一个能带包含的能级数。与孤立原子的简并度有关。s能级分裂为N个能级（N个共有化状态）；p能级本身是三度简并，分裂为3N能级（3N个共有化状态）。但并不是所有的能带都一一对应着原子中的电子轨道，我们来观察一下金刚石型结构的价电子能带示意图。§1.1半导体中的电子状态和能带§1.1.1晶体中的电子状态下面的能带填满了电子，它们相应于共价键上的电子，这个带通常称

4、为满带（或价带）；上面一个能带是空的没有电子（或含少量电子）称为导带。注意：通常能带图的画法。§1.1半导体中的电子状态和能带§1.1.1晶体中的电子状态§1.1半导体中的电子状态和能带§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论⒈电子的运动状态（1）孤立原子中的电子是在其原子核和其它电子的势场中运动（2）自由电子是在恒定为零的势场中运动（3）晶体中的电子？绝热近似——认为晶格振动对电子运动影响很小而被忽略。就好像原子的整体运动和电子运动之间不交换能量，因此可以认为原子都固定在平衡位置，形成一个周

5、期性势能场单电子近似——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的势场以及其它大量电子的平均势场中运动，这个势场也是周期性变化的，而且它的周期与晶格周期相同。⒉波函数德布罗意假设:一切微观粒子都具有波粒二象性。自由粒子的波长、频率、动量、能量有如下关系即：具有确定的动量和确定能量的自由粒子，相当于频率为ν和波长为λ的平面波，二者之间的关系如同光子与光波的关系一样。自由粒子的波函数为：Ψ(r,t)=Aexp[i(k·r-ωt)]§1.1半导体中的电子状态和能带§1.1.2电子在周期场中的

6、运动——能带论统一波和粒子的概念：用一波函数Ψ(r,t)描写电子的状态时，则波函数模的平方表示t时刻在空间某处波的强度，或表示与t时刻在空间某处单位体积内发现粒子的数目成正比，而波的强度为极大的地方，找到粒子的数目为极大，在波的强度为零的地方，找到粒子的数目为零。一个粒子的多次重复行为结果与大量粒子的一次行为相同，所以波函数模的平方表示在某处找到粒子的几率。§1.1半导体中的电子状态和能带§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论定态波函数和定态薛定谔方程若作用于粒子上的力场不随时间改变，波函数

7、有较简单的形式：Ψ(r,t)=ψ(r)·exp(-iωt)定态波函数ψ(r)=Aexp(ik·r)为一个空间坐标函数（振幅波函数）,整个波函数随时间的改变由exp(-iωt)因子决定。定态薛定谔方程：§1.1半导体中的电子状态和能带§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论⒊电子在周期性势场中的运动考虑一维晶体中电子所遵守的薛定谔方程如下:书中(1-13)§1.1半导体中的电子状态和能带§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论布洛赫曾经证明，满足式(1-13)的波函数一定具有如下形式：式中k

8、为波矢，是一个与晶格同周期的周期性函数，即：式中n为整数，a为晶格的周期。§1.1半导体中的电子状态和能带§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论书中(1-14)式(1-13)具有式(1-14)形式的解，这一结论称为布洛赫定理。具有式(1-14)形式的波函数称为布洛赫波函数晶体中的电子运动服从布洛赫定理：§1.1半导体中的电子状态和能带§1.1.2电子在周期场中的运动——能带论与自由电子相比，晶体中的电子在周期性的势场中运动的波函数与自由电子波函数形式相似，不过这个波的振幅uk(x)随x作周