最新半导体物理学课件高茜12模板教学讲义PPT.ppt

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1、半导体物理学课件高茜12模板前言1半导体物理学的研究对象及其在科学中的地位和作用（1）.半导体物理学是以研究半导体材料物理性质为主要目的的物理学分支学科（2）.半导体物理学是现代信息科学（微电子学和光电子学）的物质基础前言2半导体物理学的主要内容：（1）半导体的晶格结构和电子状态（2）杂质和缺陷能级（3）载流子的统计分布（4）载流子的散射与电导问题（5）非平衡载流子的产生、复合及运动规律（6）半导体的表面和界面包括p-n结；M-S接触；S-S接触（异质结）；MOS；MIS结构；（7）半导体的光、热、磁、压阻等物理现象金刚石型结构的晶胞及堆积和投影｛100｝面上的

2、投影金刚石型结构的晶胞（硅的a=0.543089nm;锗的a=0.565754nm）2，闪锌矿结构和混合键例如:GaAs、GaP、ZnS、ZnSe注：与Ⅳ族元素半导体不同的是这类共价性化合物晶体中，结合性质具有不同程度的离子性，故，常称此类半导体为极性半导体.如GaAs中的As电负性较强，成鍵的电子更集中地分布在它的附近。此类共价性化合物当共价结合占优势时，倾向于形成闪锌矿结构:它由两类原子各自组成的面心立方晶格沿空间对角线彼此位移1/4空间对角线长度套构而成。每个原子被4个异族原子包围。构成材料：Ⅲ-Ⅴ族Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体化学键:共价键+离子键闪锌矿型结

3、构和混合键闪锌矿型结构的晶胞闪锌矿型结构在｛110｝面上的投影3，纤锌矿型结构如：硫化锌、硒化锌、硫化镉、硒化镉都是以闪锌矿型和纤锌矿型两种结构结晶的。化学键:共价键+离子键与Ⅲ-Ⅴ族元素组成的化合物类似，也具有的离子性，但结成纤锌矿型结构共价性化合物价是离子结合占优势。构成材料:Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体纤锌矿型结构也是以四面体结构为基础构成的，具有六方对称性，而不是立方对称性。它由两类原子各自组成的六方排列的双原子层堆积而成。还有一些重要的半导体材料不是以四面体结构结晶的而是以氯化钠型结构结晶的如Ⅳ－Ⅵ族化合物：硫化铅、硒化铅、碲化铅等，都是以氯化钠型结构结晶

4、的。总结1半导体材料一些是以四面体结构结晶的（1）金刚石型，如：Ⅳ族元素半导体（共价鍵）（2）闪锌矿型，如：Ⅲ-Ⅴ族二元化合物半导体（3）纤锌矿型，如：Ⅱ-Ⅵ族二元化合物半导体它们都是以混和鍵结合的2一些重要的半导体材料不是以四面体结构结晶的如：Ⅳ－Ⅵ族化合物：硫化铅、硒化铅、碲化铅等，是以氯化钠型结构结晶的。1、原子的能级和晶体的能带(1)孤立原子的能级§1·2半导体的能带和电子状态(2)晶体的能带4个原子的能级的分裂电子共有化运动:8个原子的能级的分裂原子轨道与原子能级及晶体能带的关系内层轨道的电子有化运动较弱，对应的能带较窄；外层轨道的电子有化运动较强，对

5、应的能带较宽由于电子的共有化运动加剧,原子的能级分裂也更加显著，实际的晶体的N十分巨大，能级又靠得很近，故视为連续－能带（准连续能级）每个能带包含有多少个能级呢？注意：实际晶体的能带及电子的分布不一定与孤立原子的能级对应每个能带包含的能级数叫做共有化状态，共有化状态除了与晶体中原子的总数有关,还与孤立原子轨道的简并度有关，N个原子结合成晶体后，s能级分裂为N个共有化状态,p能级分裂为3N个共有化状态。金刚石型结构价电子的能带成键能级分裂为量子力学认为共价键电子对应的能级可分为成键能级和反成键能级满带，即价带反成键能级分裂为空带，即导带2、半导体中电子的状态和能带

6、（1）自由电子的运动：德布罗意认为自由电子也具有波动性，其运动可用平面波来描述：其中：自由电子能量、动量与平面波频率和波矢之间的关系：（由运动的相似性推导电子在周期性势场中运动的薛定谔方程）为简单计，考虑一维情况：因其在ox方向遵守薛定諤方程得出自由电子的速度、能量与波矢的关系：自由电子的波函数由此得出结论：波矢可描述自由电子的运动状态自由电子能量与波矢k的关系:薛定諤方程的解可以得出自由电子在空间作自由运动时，能量与波矢的关系。对于自由电子来说，波矢k从0到∞都是允许的状态。彷照用薛定諤方程来描述自由电子的运动状态的方法来解决晶体中电子状态的问题。（2）晶体中

7、的电子:对于一维晶格，电子位于x处的势能为结论：与自由电子的运动状态的波函数相似这里的波矢k也能描述晶体中电子的共有化运动状态。遵守薛定諤方程由于实际晶体的势能难以求出，只能用近似方法。－布洛赫定理也是周期性函数佛罗开定理（3）布里渊区与能带晶体中电子处于不同的波矢就有不同的能量，求解周期性势场中的薛定諤方程得出能量与波矢的关系如图（a）(实线为周期性势场中电子的；虑线为自由电子的)（1）每隔1/a的k表示的是同一个电子态；（2）波矢k只能取一系列分立的值，每个k占有的线度为1/L；布里渊区的特征：对于边长为L的立方晶体，k为：（1）一个k值与一个能级（又称能

8、量状态）相对应；（2）每