第1章半導(dǎo)體物理半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)ppt課件.ppt

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1、1半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)3半導(dǎo)體中載流子的統(tǒng)計(jì)分布4半導(dǎo)體的導(dǎo)電性5非平衡載流子6p－n結(jié)2半導(dǎo)體中雜質(zhì)和缺陷能級半導(dǎo)體物第理七學(xué)版本章內(nèi)容提要半導(dǎo)體材料、基本晶體結(jié)構(gòu)與共價鍵能級與能帶，共有化運(yùn)動半導(dǎo)體中電子運(yùn)動規(guī)律，有效質(zhì)量能帶模型及導(dǎo)電機(jī)構(gòu)常見半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)1半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)半導(dǎo)體獨(dú)特的物理性質(zhì)單電子近似求解薛定諤方程半導(dǎo)體組成、結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體中電子狀態(tài)及運(yùn)動特點(diǎn)周期性排列且固定不動的原子核勢場其它電子的平均勢場能帶論原子核電子相互作用復(fù)雜的多體問題1.1半導(dǎo)體的晶格結(jié)構(gòu)和結(jié)合性質(zhì)金剛石型結(jié)構(gòu)和共價鍵閃鋅礦型結(jié)構(gòu)和混合鍵纖鋅礦型結(jié)構(gòu)氯化鈉型結(jié)構(gòu)典型的半導(dǎo)體

2、：硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導(dǎo)體的特點(diǎn)：易受溫度、光照、磁場及微量雜質(zhì)原子的影響。正是半導(dǎo)體的這種對電導(dǎo)率的高靈敏度特性使半導(dǎo)體成為各種電子應(yīng)用中最重要的材料之一。1.金剛石型結(jié)構(gòu)和共價鍵特點(diǎn)：兩個面心立方晶胞沿立方體的空間對角線平移1/4空間對角線套構(gòu)而成。sp3雜化軌道為基礎(chǔ)形成正四面體結(jié)構(gòu)，夾角109o28′。固體物理學(xué)原胞包含兩個原子，為復(fù)式晶格。硅、鍺（Ⅳ族元素）的典型結(jié)構(gòu)，共價鍵結(jié)合。當(dāng)Si原子形成晶體時，原來在s軌道上的二個價電子，有一個被激發(fā)到了p軌道，形成s、px、py、pz四個軌道各有一個電子，然后它們再“混合”起來重新組成四個等

3、價軌道，這種軌道稱為SP3雜化軌道，這樣這四個電子，在四個新的等價軌道上，都成為未配對電子，而且它們的電子云分布基本上是單側(cè)地伸向四面體的四個頂角，當(dāng)原子結(jié)合成晶體時，就依照電子云重疊最多的角度，也就是四面體頂心這種角度進(jìn)行(109°28‘)。金剛石型結(jié)構(gòu)硅、鍺的金剛石結(jié)構(gòu)(111)面的堆積﹛100﹜面上的投影2.閃鋅礦型結(jié)構(gòu)和混合鍵特點(diǎn)：兩類原子各自組成的面心立方晶格套構(gòu)而成。雙原子復(fù)式格子。結(jié)合性質(zhì)具有不同程度的離子性（極性半導(dǎo)體）。Ⅲ－Ⅴ族、Ⅱ－Ⅵ族化合物。例如：GaAs、GaP、InP、InAs………閃鋅礦型結(jié)構(gòu)閃鋅礦結(jié)構(gòu)的結(jié)晶學(xué)原胞3.纖鋅礦型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

4、：六方對稱性的正四面體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，不是立方對稱性（與閃鋅礦區(qū)別）。離子性結(jié)合占優(yōu)。硫化鋅、硒化鋅、硫化鎘、硒化鎘可以閃鋅礦型和纖鋅礦型兩種方式結(jié)晶。纖鋅礦型結(jié)構(gòu)纖維鋅礦結(jié)構(gòu)：ZnO、GaN、AlN、ZnS、ZnTe、CdS、CdTe…4.氯化鈉型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：兩個面心立方（不同的離子構(gòu)成）對角線方向平移1/2對角線長套構(gòu)而成。離子性強(qiáng)。硫化鉛、硒化鉛、碲化鉛等。氯化鈉型結(jié)構(gòu)1.2半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶預(yù)備知識－－量子態(tài)和能級量子態(tài)：電子在原子中的微觀運(yùn)動狀態(tài)能級：量子態(tài)所取的確定能量電子在原子核的勢場和其它電子的作用下，它們處于不同的能級，即所謂電子殼層。描述原

5、子中的電子運(yùn)動狀態(tài)－－量子態(tài)有四個量子數(shù)：n、l、m、sn：1，2，3，….，主量子數(shù)，代表原子的主殼層l：n-1,n-2,…1,0,角量子數(shù)，代表支殼層m：±l,±(l-1),…±1,0,磁量子數(shù)自旋量子數(shù)s=±1/2，代表電子的兩個不同的本征角動量分離變量法解薛定諤方程得到的同一電子殼層往往有好幾個量子態(tài)。處于不同支殼層的電子分別用1s、2s、2p、3s、3p、3d、4s等符號代表。N個量子態(tài)看作一個能級稱為簡并。主量子n軌道量子l磁量子m總軌道量子數(shù)自旋s容納電子數(shù)001s1±l/222002s181-1,0,12p33003s1181-1,0,13p32

6、-2,-1,0,1,23d5nn-1,…,1,0±l,±(l-1),0n22n2預(yù)備知識－－泡利不相容原理在任意給定系統(tǒng)中，不可能有兩個電子處于同一量子態(tài)。對于硅原子的最外層4個價電子，有兩個價電子處于3s支層的兩個量子態(tài)，有兩個處于3p支層6個量子態(tài)中的兩個量子態(tài)。1.2半導(dǎo)體中的電子狀態(tài)和能帶1.原子的能級和晶體的能帶孤立原子（1s；2s，2p；3s，3p，3d；4s···）相互接近形成晶體電子的共有化運(yùn)動能帶結(jié)構(gòu)能級分裂各電子殼層交疊電子共有化運(yùn)動原子組成晶體后，由于電子殼層的交疊，電子不再完全局限在某一個原子上，可以由一個原子轉(zhuǎn)移到相鄰的原子上去，因而，

7、電子將可以在整個晶體中運(yùn)動。說明：相似殼層轉(zhuǎn)移，最外層電子的共有化運(yùn)動才顯著電子的共有化運(yùn)動：能級分裂與能帶的形成2個原子每個原子都分裂為8個相距很近的能級靠近時，雙原子勢場作用兩個很近的能級孤立原子的能級八個原子能級的分裂8個原子（靠得越近，分裂得越厲害）說明（兩原子系統(tǒng)）：不計(jì)原子本身的簡并，一個能級對應(yīng)兩個態(tài)。每一個二度簡并的能級分裂為兩個相距很近的能級。兩個原子靠得越近，分裂越厲害。推廣：N個原子組成的晶體（能帶）每一個N度簡并的能級都分裂成N個彼此相距很近的能級（能帶），晶體每立方厘米體積內(nèi)有1022～1023個原子，N是一個很大的數(shù)值。每一個能帶都稱

8、為允帶，允帶之間因沒有能